第 4 章电气设备及载流导体

第4章电气设备及载流导体 电气一次

第4章电气设备及载流导体 • 教学目的：掌握每种电气设备的作用，工作原理，类型特征掌握高、低压开关电器的结构特点、工作原理、电气参数及其应用，重点掌握断路器的工作原理；掌握互感器的作用、结构、接线方式及准确度等级；掌握母线、电缆、绝缘子、限流电器的工作原理、结构及应用。 • 重点：电气设备的作用，工作原理，类型特征。 • 难点：电气设备的作用，工作原理，类型特征。电气一次

第4章电气设备及载流导体 §4-1 高压开关电器 §4-2 互感器 §4-3 母线、电缆及绝缘子 §4-4 限流电器电气一次

§4-1 高压开关电器 概述 1、开关电器概念：直接用于正常投切和故障切除电路的电气一次设备称为开关电器。 2、分类：（1）按电压高低分类：高压开关电器——1KV以上低压开关电器——1KV及以下（2）按安装场所分类：户内式——低压开关电器户外式——110KV及以上（3）按功能分类：断路器QF、隔离开关QS、负荷开关Q、熔断器FU和组合式开关电器（高压负荷开关＋熔断器）电气一次

4.1.1 高压断路器（QF） • 1、作用：控制作用——根据电网运行的需要，将部分电气设备或线路投入或退出运行。保护作用——在电气设备或电力线路发生故障时，继电保护装置发出跳闸信号，起动断路器，将故障部分设备或线路从电网中迅速切除，确保电网中无故障部分的正常运行。断路器能通断任何性质的电流电路电气一次

2、对高压断路器（QF）的基本要求 （1）工作可靠（2）具有足够的开断能力（3）动作快速（4）具有自动重合闸功能（5）结构简单，经济合理电气一次

3、断路器（QF）的基本参数 （1）额定电压Ue：指断路器长时间运行能承受的正常工作电压。（决定了绝缘水平、尺寸、灭弧条件）（2）额定电流Ie：指断路器的触头结构和导电部分在规定环境温度下允许通过的长期工作电流，其相应的发热温度不会超过国家标准。（决定了导体截面，结构）（3）额定开断电流Iekd：指断路器在额定电压下能可靠断开的最大断路电流的有效值。它表征断路器的开断能力（4）额定开断容量: 电气一次

3、断路器（QF）的基本参数 (5)动稳定电流（极限通过电流）idw：指断路器在冲击短路电流作用下，承受电动力的能力。（决定了机械强度） (6)热稳定电流Irw：指断路器承受短路电流热效应的能力。（利用热稳定时间tr对应的Irw）（一般取4S） (7)开断时间tkd：从操作机构跳闸线圈接通跳闸脉冲起，到三相电弧完全熄灭时止的一段时间。（等于断路器的固有分闸时间和熄弧时间之和）电气一次

4、断路器（QF）的操动机构 （1）作用使断路器合闸使断路器维持合闸状态使断路器分闸。（2）组成：操动部分：由动力机构、扣住机构、脱扣机构和自由脱扣机构等组成传动部分：由拉杆、提升机构、缓冲机构等组成（3）分类：手动型(S)、电磁型(D)、液压型(Y)、气压型(Q)和弹簧型(T)等电气一次

4、断路器（QF）的操动机构 （4）高压断路器的操作机构的型号 CD10 CT19 派生设计序号分类：(D、T、Y、Q、S）操作机构：C CY3 电气一次

4、断路器（QF）的操动机构 • （5）基本要求： • 具有足够的合闸功率 • 能维持断路器处在合闸位置，不因外界震动和其他原因产生误分闸功率。 • 有可靠的分闸装置和足够的分闸速度 • 具有自由脱扣装置——在断路合闸的过程中又接到分闸命令时，断路器应立即终止合闸过程，迅速可靠的分闸。这种在合闸过程中的分闸叫自由脱扣 • 要保证分、合动作准确、连续，即分后准备合、合后准备分。 • 应能实现“防止跳跃”——断路器在关合电路过程中，如遇到永久性短路事故，则在继电保护装置的作用下会立即分闸，此时合闸命令尚未解除，操作机构又立即自动合闸，出现重复“合——跳”的现象叫“跳跃”。 • 结构简单、体积小、价格低廉。电气一次

电磁操作机构CD10 • 特点——直接依靠电磁力合闸的操作机构称为电磁操作机构。它结构简单，工作可靠、价格低廉，合闸时所需功率较大，体积大且笨重，一般用110KV及以下的少油断路器，合闸电源一般为直流110V或220V • 结构原理 • 合闸电磁系统 • 自由脱扣机构 • 维持机构 • 缓冲系统电气一次

电磁操作机构CD10 分闸演示合闸演示分闸状态合闸状态电气一次

弹簧操作机构CT19 • 特点——利用弹簧储存的能量进行合闸的机构，弹簧操作机构的优点是不需要大功率的合闸用直流电源，但是机械结构比较复杂，加工制造和调整的要求较高。现已广泛采用，一般用于35KV及以下的真空断路器电气一次

弹簧操作机构CT19 • 结构原理 • 驱动机构单元：位于右侧板和中间板之间，为一匹配真空断路器运动的凸轮连杆式机构。它的轴输出位于机构的最上端，结构开放，容易与断路器配接。 • 储能机构单元：位于左侧板和中间板之间，为一两级齿轮减速机构，储能时可以电动或人力操作，具有防逆转和机械离合装置，其运行平稳、噪声小，效率高，两根合闸弹簧分别布置在机构两边外侧，受力均匀，稳定性好。 • 脱扣器单元分：分合闸脱扣器及过流脱扣器电磁铁均采用水平布置，手动脱扣与脱扣器合为一体，直接脱扣。 • 电器控制单元：辅助开关、行程开关、接线端子、桥堆整流块组成。如采用交直流两用电机或直流供电，则不需要桥堆整流。电气一次

液压操作机构CY3 • 特点——断路器的液压操动机构利用压缩气体储能，用压力油作为传递动力的介质，并借助各种操作油阀进行控制，全面实现操动机的各项要求。该类操作机构比较复杂，制造工艺和密封要求高。但动作迅速，体积小，噪声和冲击力都很小，不需要大功率合闸电源，短时失去电源仍可进行合分闸。在110KV及以上的断路器配套中得到广泛应用。电气一次

液压操作机构CY3 • 结构原理 • 箱体——它是整个机构的支承架和防护外壳，箱内是透平油和操动机构的所有部件。其下部还有加热器，当环境温度低于零度时，自动加热，以保证液压油的粘度适宜 • 工作缸——活塞右侧是否有压受到跳合闸阀的控制 • 主阀系统——包括跳闸阀和合闸阀，它们既可以电磁操作，也可以现场手动操作电气一次

液压操作机构CY3 • 储能系统——由储压筒、油泵与电动机组成。储压筒是充有高压气体的金属容器，能量以气体压缩的形式储存着。当机构操作时，气体膨胀，释放出的能量经液压油泵传递给工作缸并转变成机械能。电动机带动油泵向储压器压油使气体压缩。储压筒内压力的改变，可使活塞上下移动，与活塞相连的活塞杆行程开关S1～S5动作。 • S1——当压力高时动作，使电动机停止工作 • S2——当压力降到一定值时，起动电动机打压 • S3——当压力继续下降时，重合闸装置闭锁 • S4——当压力再下降时，合闸闭锁 • S5——当压力下降这时，跳闸也闭锁演示电气一次

手动操作机构CS • 特点——靠人力合闸，靠弹簧力分闸的操作机构。分闸状态合闸状态合闸演示分闸演示电气一次

5、断路器（QF）的分类 • （按灭弧介质的不同分） • 油断路器：采用绝缘油作为灭弧介质。可分为多油断路器（D）和少油断路器（S） • 压缩空气断路器（K）：采用压缩空气作为灭弧介质。 • 真空断路器（Z）：采用真空作为灭弧介质。 • 六氟化硫（SF6）断路器（L）：采用SF6气体作为灭弧介质额定电流（A）额定电压（KV）设计序号使用环境(户内：N、户外：W）断路器类型（D、S、Z、L、K）电气一次

少油式高压断路器 • （1）开关油的作用：灭弧、触头间的绝缘。 • （2）特点：用油量少、体积小、结构简单、节省钢材、防火防爆的特点，但检修周期短，在户外使用时，受大气条件影响大，而且配套性差。 • （3）分类： • 35KV以下：户内式 • 35KV以上：户外式 • 35KV：户内、户外式 SN10系列 SW6系列 SN10系列 SW6系列电气一次

SN10-10Ⅰ型少油式高压断路器 以SN10-10Ⅰ型为例 • 外型： • 每相一个油箱（三相联动）。 • 对地绝缘采用两个支持式绝缘子承担。 • 采用CD10型操作机构（可实现手动和电动操作。电气一次

SN10-10Ⅰ型少油式高压断路器 1-油气分离器 2-上出线座 3-灭弧室 4-绝缘筒 5-动触头杆 6-紫铜滚轮 7-下出线座 8-塞杆 9-基座 10-主轴 11-绝缘拉杆 12-分闸弹簧 13-瓣形静触头电气一次

SN10-10Ⅰ型少油式高压断路器 • 结构（三部分） • 框架——依靠两个支持绝缘子将各相与地绝缘；固定（分闸弹簧） • 传动——带动动触头运动。主轴、分相轴、操动轴。 • 油箱——关键部分 • 上部：注油螺钉，油气分离器 • 中部：上接线板，绝缘筒，油位指示器，静触头，动触头 • 下部：下接线板，底座，连杆，拐臂，放油螺钉，缓冲器组成：导电回路——上出线座→静触头座→辨形触头→动触头→导电杆→动触头→下出线座灭弧系统——纵横吹灭弧室（纵横油气吹+机械油吹） • 逆止阀：电弧形成后分解油，逆止阀钢球上推堵住回油孔，形成密闭 • 燃弧，使内腔压力升高 • 油气分离器：a.避免灭弧室完全封死，压力过高 • b.避免直接将炽热的带有大量电子和离子的油气混合物 • 排出箱外，引起自燃和设备绝缘闪络。电气一次

SN10-10Ⅰ型少油式高压断路器 • 工作原理： • 切断很大短路电弧电流 • 短路故障→短路电流很大→单位时间内将开关油分解成气体量大→空间中的气体压力很大（单向逆止阀关闭） →动触头下移打开第一横吹道→油气混和物冲出灭弧室→使电弧弯曲拉长并与隔弧板接触→产生强烈的去游离作用→灭弧。 • 通常第一横吹就能将电弧电流切断。 • 切断很小的电弧电流 • 由于产气量很小→需要第一、第二、第三次横、纵吹及机械油吹、拉长电弧等作用才能将电弧电流切断。电气一次

SN10-10Ⅰ型少油式高压断路器 • 灭弧室灭弧过程： • 自能式灭弧，利用逆流原理大电流情况小电流情况 • 配置CD10电磁操作机构电气一次

SW6系列少油式高压断路器 • 外形：均压电容灭弧室：两个对称组成V形支持瓷瓶底座机构箱 • 单柱双断口 110KV • 双柱四断口 220KV • 三柱六断口 330KV • 配置CY12液压操作机构电气一次

多油式高压断路器 （1）开关油的作用：灭弧、触头间的绝缘和对地绝缘。（2）缺点：体积大，用油多，增加了爆炸和火灾的危险 • 优点；配套性强，在户外使用受气候影响小，检修周期较长。 • （3）适用：20世纪90年代以前35KV的电压等级电气一次

DW8-35型多油式高压断路器 • 外形：电气一次

DW8-35型多油式高压断路器 • 结构——三相分箱 • 支架：固定（落地式） • 提升机构及绞盘：带动动触头运动，提升油箱（采用摇杆变直机构） • 油箱：关键部分———顶管、箱桶。 • 上部：电容式套管、放气阀、缓冲器、塞子 • 中部：提升机构，油位指示器，静触头，动触头，灭弧室，盖子，电流互感器 • 下部：放油阀，电热器 • 触头：插座式、动触头表面镀银 • 导电回路：进线—触头1（静、动）—横担—触头2（静、动）—出线 • 绝缘部分：油（导电回路对外壳、触头间）、瓷套管（进出线对油箱） • 灭弧装置：纵横吹灭缩手缩脚室 • (注意：油位不能过高或过低) • 附件：箱桶升降装置电气一次

DW8-35型多油式高压断路器 • 灭弧原理横吹 • 灭弧室内装有横吹口，合闸时，中心孔道被动触头穿过而堵塞。分闸时，动、静触头分离产生电弧，使油产生汽化。起初因灭弧室的中心孔道被堵塞，汽体将油压入固定灭弧室的基座的空气室内，当动触头再向下运动并将灭弧室中心孔道开放时，空气室内受压缩的气体膨胀，使油通过孔向下部冲出，利用此股油来使电弧熄灭。 • 配置CD10电磁操作机构电气一次

DW12-35型多油式高压断路器 • 结构外形与DW8-35型相同，增加了一个横吹孔和一个纵吹孔。 • 开断大电流：速度快，经第一个横吹孔就能将电弧吹灭。 • 开断中电流：速度中等，经第二个横吹孔后吹灭。 • 开断小电流：速度慢。电气一次

油断路器的特点 • 优点：结构简单，价格便宜 • 缺点：油在灭弧过程中容易碳化，所以检修周期短，维护工作量大；再加上油会造成对环境的污染大又容易引发火灾。断路器的发展趋势为无油化。即被SF6和真空断路器取代。电气一次

真空断路器 • 真空断路器——利用真空来作绝缘和灭弧介质的断路器。 • 真空断路器的灭弧原理——真空间隙内的气体稀薄，分子的自由行程大，发生碰撞的机率很小，碰撞游离不是真空间隙击穿产生电弧的主要因素。真空中的电弧是由触头间电极蒸汽形成的，具有很强的扩散作用，因而使电弧电流过零后触头间隙的介质强度能很快恢复起来，使电弧迅速熄灭。电气一次

真空断路器 • 真空断路器的特点： • （1）结构轻巧，触头开距小，动作快，操作功小，体积小，重量轻。 • （2）燃弧时间短，只需半个周期。 • （3）触头间隙介质恢复速度快。 • （4）寿命长，电气寿命和机械寿命均长。 • （5）维修工作量小，能防火防爆。 • 真空断路器的缺点： • （1）开断小电感电流时，会出现熄弧过电压在应用中可采用氧化锌避雷器、阻容串联元件等限制熄弧过电压。 • （2）开断后动态绝缘劣老化产生重击穿现象 • 适用：广泛用于35KV及以下的电压等级中。电气一次

真空断路器的核心元件——灭弧室 • 真空灭弧室的外壳： • 它是一个真空密闭容器。主要材料玻璃和陶瓷。 • 玻璃——优点是加工容易有一定的机械强度易与多种金属封接，可以观察到内部的运行情况，便于运行监视内部情况。但不能承受强烈的冲击，其软化温度也较低 • 陶瓷——机械强度高，软化温度也高，但装配焊接工艺要求高电气一次

真空断路器的核心元件——灭弧室 • 波纹管: • 波纹管——真空灭弧室的重要元件，它既可以实现动触头运动又不使灭弧室的密封受到破坏，每次跳合闸都使波纹管受到一次变形，故它是易损坏的元件，它决定了真空断路器的机械寿命。电气一次

真空断路器的核心元件——灭弧室 • 触头: • 触头材料——真空断路器的触头材料对电弧特性，弧隙介质恢复过程影响相当大，主要表现在机械强度与熔点的影响。为此除了要求触头材料的导电、耐弧性能好外，还要有抗焊性能截流值小、含气量低、导热性好、机械强度高、热电子发射能力低和电磨损速率低。现在广泛采用的是铜铬合金CuCr • 触头结构——横向磁场触头和纵向磁场触头 • 横向磁场触头（横向磁吹触头）。利用电流流过本身时所产生的横向磁场驱使电弧在触头表面运动的触头，主要有螺旋槽和杯状 • 纵向磁场触头。纵向磁场能约束带电质点、降低电弧电压、抑制等离子体的变形，提高集聚电流。存在纵向磁场时，电弧能量可均匀地输入触头的整个端面，不会造成整个表的局部熔化。这种触头的结构虽较复杂，但纵向磁场触头比横向磁场触头的开断能力强，使用寿命长，所以得到广泛的应用电气一次

真空断路器的核心元件——灭弧室 • 屏蔽罩: • 分主屏蔽罩、波纹管屏蔽罩、均压用屏蔽罩 • 主屏蔽罩的作用： • 防止燃弧过程中电弧生成物喷到绝缘外壳内壁上，降低外壳绝缘 • 改善灭弧室内部电场，使其均匀化，促进真空灭弧室的小型化 • 吸收大部分电弧能量，冷却电弧生成物，有利于介电强度的恢复。电气一次

六氟化硫（SF6）断路器 • 六氟化硫断路器——利用六氟化硫气体来作绝缘和灭弧介质的断路器。 • SF6断路器的发展 • 六氟化硫断路器的灭弧原理——六氟化硫是一种化学性能非常稳定的惰性气体，在常态下无色、无臭、无毒、不燃、不老化现象，具有良好的绝缘情能和灭弧情能。呈很强的电负性，对电子有亲和力，具有捕获电子的能力，形成活动性较低的的负离子，是个典型的三体复合材料，加之热容量大等因素，它的灭弧性能相当于同等条件下的空气的100倍，在三个大气压下时其绝缘情能相当于变压器油，在一个大气压时，其绝缘性能超过空气的二倍。电气一次

六氟化硫（SF6）断路器 • SF6气体的特点： • SF6气体是一种无色、无味、无毒、不燃的惰性气体，易液化，对电气设备的金属不起腐蚀作用。故SF6断路器的使用寿命长，检修周期长，检修工作量小。另外，该断路器不存在燃烧、爆炸的不安全问题，使用可靠。 • SF6气体很强的绝缘性。在三个大气压下时其绝缘情能相当于变压器油，在一个大气压时，其绝缘性能超过空气的二倍。SF6断路器断口耐压高，断口数和绝缘支柱数少，零部件也少，结构简单。故SF6断路器占地面少，外形尺寸小。 • SF6气体它的灭弧性能相当于同等条件下的空气的两个数量级。 • SF6气体的负电性强。其分子很容易吸附自由电子形成负离子，易于与正离子复合，使电流过零时去游离过程大大加快。 • 优良的热化学特性。SF6断路器的断路性能好，断路电流大，灭弧时间短。 • 在高温的作用下，少量的SF6气体会分解成SOF2，SO2F2、SF4、SOF4，但在电弧过零后，它们又会结合SF6。故SF6断路器可允许动作多次而不需检修，故断路器的检修周期至少在20年以上。电气一次

六氟化硫（SF6）断路器 • 六氟化硫断路器的缺点： • SF6气体的电气性能受电场均匀程度及水分、杂质的影响很大，因此对SF6断路器的加工精度，SF6气体的纯度及密封情要求高。 • 检修断路器时，应采取特别的防护措施，以确保人身安全。 ①断口耐压高 ②允许断路次数多 ③开断性能好 ④占地面积小 ⑤加工精度高，密封性能好，对水分子与气体的检测要求严格适用：广泛用于35KV及以上的电压等级中电气一次

六氟化硫（SF6）断路器 • SF6断路器的灭弧装置： • ①压气式灭弧装置图4-8 • 在开断过程中，压气缸与动触头同时运动，将压气缸内的SF6气体压缩而使压力升高。触头分离后，喷口被打开，高压力的气体由喷口处向外排出，实现纵吹而将电弧熄灭。110KV及以上广泛使用。 • ②旋弧式灭弧装置图4-9 • 广泛用于10KV、35KVSF6断路器。LN2—35 • ③自能式灭弧装置图4-10 • 多用于110~220KV断路器，当动静触头分开产生电弧后，被电弧加热的气体通过气孔进入主气室，使主气室的压力升高，高压气体对喷口吹弧使电弧熄灭。如果开断的电流较小，电弧产生的热量小使主气室的压力不够时，辅助气室中的气体将通过上部开启的阀门进入到主气室内起肋吹作用，从而增强了开断小电流的吹弧能力。如LW6-110 电气一次

六氟化硫（SF6）断路器 SF6 断路器的外形电气一次

4.1.2 高压隔离开关（QS） • 1、作用： • （1）隔离电源，保证安全； • （2）倒闸操作； • （3）接通或切断小电流电路。 • 拉合电压互感器、避雷器电路。 • 拉合母线和直接与母线相连设备的电容电流。 • 拉合激磁电流小于2A的空载变压器（电压35KV、容量为1000KVA及以下；电压110KV、容量3200KVA及以下） • 拉合电容电流不超过5A的空载线路（电压10KV、长度5KM及以下的架空线路；电压35KV、长度10KM及以下的架空线路）。检修运行方式运行电气一次

2、隔离开关（QS）的基本要求 （1）隔离开关分开后应具有明显的断开点，易于鉴别设备是否与电网隔开。（2）隔离开关断开点之间应有足够的绝缘距离，以保证在过电压及相间闪络的情况下，不致引起击穿而危及工作人员的安全。（3）隔离开关应具有足够的热稳定、动稳定、机械强度、绝缘强度。（4）隔离开关在跳、合闸时的同期要好，要有最佳的跳合闸速度，以尽可能降低操作过电压。（5）隔离开关结构应结构简单动作可靠。（6）带有接地刀闸的隔离开关必须装设联锁机构，以保证隔离开关的正确操作。电气一次

3、隔离开关（QS）的特点 （1）在分闸状态下，动静触头间应有明显可见的断口，绝缘可靠。（2）在关合状态下，其导电系统能可靠通过正常的工作电流Igmax和故障下的短路电流Idmax，通过时满足动热稳定。（3）没有专门的灭弧装置，除了能开断很小的电流外，不能用来开断负荷电流Ig，更不能开断短路电流Id （4）QS应与QF配合使用——满足“隔离开关先通后断”原则停电操作：先断断路器，再断负荷侧隔离开关，最后断电源侧隔离开关送电操作：先合电源侧隔离开关，再合负荷侧隔离开关，最后合断路器电气一次

4、隔离开关（QS）的分类 （1）按装设地点分：户内式和户外式（2）按绝缘支柱分：单柱式，双柱式和三柱式（3）按动触头运动方式分：水平旋转式，垂直旋转式，摆动式和插入式（4）按有无接地刀闸分：无接地刀闸，一侧有接地刀闸，两侧有接地刀闸（5）按操动机构分：手动式，电动式，气动式，液动式（6）按极数分：单极，双极，三极电气一次

5、隔离开关（QS）的型号 额定电流(A) 统一设计T；改进型G；带接地刀闸D 额定电压(KV) 设计序号使用环境：户内式-N 户外式-W 隔离开关：G GN10-35G（T）/1000 GW4-12D/630 电气一次

户内式高压隔离开关外形 GN22系列 GN10系列 GN19系列 GN2系列电气一次

第 4 章 电气设备及载流导体