中压真空开关装置设计的基本知识.doc

中压真空开关装置设计的基本知识

1 高压介质的物理基础

1.1 常用绝缘材料的特性和设计注意事项

（a） 固体绝缘
材料击穿的机理： 热击穿------ 高压电场中分子运动，负温度系数，过热，材料老化/ 劣化
电化学反应，极化现象，杂质
局部放电现象
沿面放电现象与有关因素----- 表面湿度，电场强度分布，表面电阻

（b） 液体绝缘
材料击穿的机理 电击穿， 气泡击穿，导电小桥

（c） 气体绝缘
空气（压缩空气），N2，混合气体，SF6 等
空气的击穿，气体放电和发展过程
自由电子，电子崩，电场畸变，自持放电，

带电粒子作用力 F=eE, 自由行程长度与分子碰撞概率 P（( x) ）=exp

空气间隙的击穿放电过程

空气间隙的击穿特性（ 相关因素----电压种类，电场均匀程度，大气压力，温度 ）

电场不均匀程度 Emax / Eav ≦4 稍不均匀电场
Emax / Eav ≧4 极不均匀电场

击穿场强的设计参考值 均匀电场 30 kV/cm， 不均匀电场 4.2kV/cm

1.2 由介质物理特性得到的设计参考资料

(1) 选用固体绝缘材料时应注意的事项：
吸潮性（吸水率），表面光洁度，致密性和纯度（气泡，杂质，弱电解质 ），阻燃性（FV0，FV1级，酚醛材料不可用）
(2) 改善电场设计

减少气体的场强，设计合理的电极形状，见图表。
克服固体绝缘的沿面闪络------改进电极形状与布置，表面涂半导体漆， 憎水层

1.3 Paschen 定律
or U=f (pd)

1.4 真空介质的特性

(1) 优异的绝缘强度
(2) 弧后恢复强度极高
(3) 电弧作用下无分解物

1.5 真空中的电弧现象

小电流电弧的特点----- 热阴极发射，发散状电弧，反安培左手定则运动，

大电流电弧的特点----- 阳极压降区，阳极斑点，集聚状电弧，

2．电力系统的中性点运行方式

中性点运行方式------ 直接接地，经中值电阻接地，经低值电阻接地，经消弧线圈接地，绝缘运行（不接地）
（大电流接地， 小电流接地）

　　中性点直接接地与不接地时对系统运行和电器制造影响的比较

中性点接地方式
相-地短路电流
对断路器的要求
相-地短路电流对通信线路的干扰
对电流继电器的要求
操作过电压的情况
单相接地故障对系统的影响
对设备绝缘的要求
绝缘配合原则
电气设备的制造成本
绝缘运行（不接地）
小，小于
10A或30
A
无需切断相-地短路电流，因此对断路器的动作寿命要求低
小
需很高的灵敏度才可检测接地故障
过电压种类十分复杂，频繁发生，如
铁磁谐振，电弧接地等且
持续时间长。
相间过电压高于相-地过电压

健全相电压升高1.73倍，且允许运行2小时
工频耐受电压高
按中国标准GB
高
直接接地
大，等于
系统在该处的短路电流
必需由断路器切断
相-地短路
电流，
对断路器的动作寿命要求高
很大
极易检测接地故障
过电压种类少
健全相电压基本不
升高（升高甚微，由接地系数确定）
工频耐受电压低
按IEC
进口的避雷器不可用
低

3. 中压真空断路器和六氟化硫断路器的比较

a) 结构特性----部件，体积，维修
b) 电寿命
c) 对环境的影响

4. 真空开关 触头和真空灭弧室的设计

4.1 触头的典型形式( 平板式, 螺旋槽式, 杯状, 线圈式, 开斜槽式, 马蹄铁状等)
磁场设计及其效果----- 纵磁场（A M F）， 横磁场（R M F）
4.2 触头合金材料及其发展( Cr-Cu, Ag-W, Ag-W-Co, Ag- W-Co-Se 等 )
真空度及其压力升高曲线（ 泄漏，触头材料在开断电弧时释放的微量气体，寿命期限 ）

4.3 几种典型的真空灭弧室及电弧运动形态

5. 真空开关的主要种类及典型结构
5.1 真空断路器， 真空负荷开关，真空接触器

5.2 技术先进型真空断路器的优异特点（ 以西门子3AH 系列产品为例 ）

a) 真空室中触头行程短，操作功小，机件加工精细，因此机电寿命长，可实现少维修或免维修----高可靠性。
b) 开断大电流电弧的寿命长。
c) 开断小电感电流时截流值低，不产生危害的过电压，因此无需任何过电压保护装置。
d) 开断电容电流时不发生重燃，无危害过电压长生，因此也无需任何过电压保护装置。

附： IEC62271 及GB 1984-2003 关于用于不同场合断路器分级的最新定义
E2级 ------- 预期寿命内少维护/免维护 的断路器； E1级------ E2 级除外的断路器；
C1级 ------- 开断电容器组时具有低击穿概率的断路器； C2级 ------开断电容器组时具有非常低击穿概率的断路器；
M1级 ------- 基本型具有2000次寿命的断路器；M2级 ------ 10000 次寿命的，频繁操作的断路器。

5.3 国际上真空断路器发展的动向

（1） 灭弧室及断路器的小型化，固封结构
（2） 功能高度模块化的真空断路器
（3） 永磁操动机构的真空断路器
（4） 高压、超高压真空断路器的研制

6 12- 40.5kV中压（真空断路器）开关装置

6.1 按结构特征的分类
a) 按使用场所分类-------户内型，户外型（柱上，非柱上）。
按主绝缘材料分类------ 空气绝缘，气体绝缘（GIS, SF6 气体及其他气体），液体绝缘

b) 户内中压开关装置
　按开关元件分类------ 断路器柜，接触器柜，负荷开关柜，环网柜
　按柜体的构造方式分类------ 敞开式，间隔式金属封闭，箱式金属封闭，铠装式金属封闭
按功能元件在柜内的位置分类------- 固定式，可移开式

GB3906 －2005按丧失运行连续性等级( Loss of service continuity category )分类-------
LSC2类开关设备和控制设备
有可触及隔室的金属封闭开关设备和控制设备。打开功能单元的任意一个可触及隔室，所有其他功能单元仍旧可以继续带电正常运行的金属封闭开关设备和控制设备。一种例外的情况是：打开单母线开关设备和控制设备的母线隔室时，不能连续运行。
单母线开关设备和控制设备的母线隔室除外。

LSC2又可划分两个分类：
LSC2B：打开功能单元的其它可触及隔室，该功能单元的电缆隔室仍旧可以带电的LSC2类金属封闭开关设备和控制设备。
LSC2A：除LSC2B外的LSC2类金属封闭开关设备和控制设备。
LSC1类开关设备和控制设备 ----- 除LSC2类外的金属封闭开关设备和控制设备。

■ 这里提到两个概念，一是“功能单元”，一是“可触及隔室”，LSC2类开关首先必须是具有“可触及隔室”的功能单元。
■ 除去GIS类的开关柜，其它的开关柜均属于该类。也就是说：LSC2类的含盖面最广，除了LSC2外的均为LSC1类。

6.2 几种典型的户内中压开关装置

7.2

我国仿制的两大类型-----KYN 18（ 仿8BK20 ）， KYN28（仿ZS-1）

6.3 我国电力系统对中压开关柜安全性能的技术要求

（1）具有五项防止误操作功能-----① 防止误合、分断路器； ② 防止带负荷分、合隔离开关； ③ 防止带电合接地开关； ④ 防止接地开关闭合时送电； ⑤ 防止误入带电间隔。
（2）绝缘材料------阻燃，低吸水性，指定材料如---瓷绝缘子，SMC， DMC， 纯环氧板，环氧树脂绝缘子。
（3）绝缘件设计------大爬距，例如 18-- 20mm/kV, 2类设计和在防止在凝露出现时电压闪络发生的能力。
（4）出现内部电弧故障时开关柜有自动释放压力的装置，不伤及操作人员和相邻设备。
（5）（DL）具有比额定电流大10%的载流能力（由温升决定）
（6）（DL）对空气绝缘净距的要求: 12kV---- 125mm, 7.2kV----100mm.

6.4 介绍技术先进型户内中压开关柜的典型结构与功能（以8BK20为例）
额定电流值齐全，应用场所广泛；可靠的钥匙控制机械连锁；有考核严格的压力释放装置；可靠防止内部电弧故障，配用先进的数字式综合继电保护装置。

6.5 关于真空接触器柜

（1） 真空接触器的典型例子及其特点
控制频繁操作的装置，如电动机等（可达AC-4）；体积小，具有经济性

（2）真空接触器柜（F-C）实例

（3） 设计与运行注意事项

a) 应选择可靠的后备保护熔断器（HRC ）---- 保护特性，转移电流，开断特性等
b) 注意对电动机的过电压保护（由真空开关动作产生的截流过电压和重燃过电压）与合理的选择保护装置（避雷器，阻容吸收等）。

6.6 环网供电单元

6.7 12- 40.5kV 的气体绝缘开关装置简介

介绍几种典型的中压GIS-------产品的优点： 体积小,紧凑 全工况
结构的特点与现行产品的分类：三相共箱设计. 三相分箱设计,落地罐式设计, 箱式设计
充气压力与操作方法，气密控制， SF6气体吸附装置， 压力释放装置， 露点与微量水分含量， 1997年东京都议定书， 新型代用气体的研究

7 中压开关装置的主要试验
注： 由于电力系统运行接线方式不同，我国的试验方法也有所不同
（1） 绝缘试验（ 冲击电压，工頻电压），注意：工频耐压值不同。
（2） 短时耐受电流试验（ 动，热稳定试验 ）
（3） 温升试验
（4） 断路器机械参数测定。
（5） 断路器的短路电流开断试验(我国执行新、老标准的结合 )失步试验、异相接地试验。
（6） 断路器开断电容器组的试验
（7） 开关机械连锁功能的试验
（8） 开关柜防护内部电弧故障的试验
（9） （开关装置的、绝缘的）局部放电试验
（10） 断路器的机械寿命试验（ 老标准）
（11） 开关装置在凝露状态下的绝缘试验
（12） 地震试验（用于近海，石油平台等场合 ）
（13） 电磁兼容试验( Electric Magnetic Compatibility )
（14） 密封试验
附：防护内部电弧故障等级的分类，判据与试验规定（ 按GB3906-2005, IEC 62271-2000）
成功通过试验验证的设计归为IAC类

判据------　１.试验后安全门和盖板未打开，允许有变形，但无元件到达每一侧指示器或墙壁的位置；
2. 在试验规定的时间内外壳无开裂；
　　　　　3. 电弧在不超过2m 高度的可触及表面上未形成孔洞；
　　　　　　　4. 热气体未点燃指示器。
5. 外壳保持与接地的可靠连接。

　　非柱上安装的金属封闭开关设备和控制设备可触及性类型的分类：
　 　—— A类可触及性：仅限于授权的人员；
B类可触及性：不受限制的可触及性，包括一般公众的。

　采用下述代码表示外壳的不同侧面：
F：前面
L：侧面
R：后面

　柱上安装的金属封闭开关设备和控制设备：
　　—— C类可触及性：接触不到的设备限定的可触及性
　设备的最低允许高度应由制造厂规定。

　IAC级命名方法
　—— 总的：IAC级
　—— 可触及性：A、B或C
　—— 试验值：试验电流（单位为kA）、持续时间（单位为s）。

例1 IAC级 BFL 　　　　　　 例2 IAC级 BF- AR
内部电弧 12.5kA 0,5s 　　　　　 内部电弧 25kA 1s

8 中压开关装置的发展--------免维护，高可靠性；高度智能化： 在线监测，远动，自身监测，故障记录，通信，无人值守，传感器的研究， Rokovaski 测量线圈的实际应用；1997年东京都协定以及SF6气体的替代研究。