高压断路器基本知识.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高压断路器、,GIS,基本知识讲座,陕西电力科学研究院,目录,概述,真空断路器,SF6,断路器,金属全封闭组合电器（,GIS,）,开关设备运行维护,4.,快速暂态过电压（,VFTO),概述,高压断路器是电力系统中的重要设备之一，其主要功能是控制输送电力负荷、投切电力设备和电力系统故障保护。高压断路器在电力系统使用数量较大的一种设备，使用电压等级为,6kV,1000kV,。目前使用较为普遍的是,SF6,断路器和真空断路器。,概 述,1,高压断路器的额定特性：,1),额定电压；（,10kV-1100kV),2)额定绝缘水平；,3),额定频率；,(50Hz),4),额定电流；,(630A-6300A),5),额定短时耐受电流（热稳定电流,数值与额定短路开断电流相同）；,6),额定峰值耐受电流；（一般为,2.5,倍的短路电流值,);,；,概 述,1,高压断路器的额定特性：,7),额定短路持续时间（,1-4s,）,8),额定短路开断电流（,31.5-63kA,）,9),额定短路关合电流（一般为,2.5,倍的短路电流值）,10),额定操作顺序（,0-180s-CO-0.3s-CO,CO-15s-CO),11),额定时间参量（时间特性）,此外对有特殊要求：,近区开断电流，线路充电开断电流，电缆开断电流，失步开断与关合电流，电容器组开断电流。,；,概 述,高压开关设备使用条件：,GB/T11022-1999,标准规定，,一、正常使用条件,1,）户内开关设备,（,1,）周围空气温度不超过,40,，且在,24,小时内测得的平均温度不超过,35,。最低周围空气温度分,-5,、,15,和,-25,。,（,2,）阳光辐射影响可以忽略。,（,3,）海拔不超过,1000m,。,（,4,）周围空气没有明显的受到尘埃、烟、腐蚀性和,/,或可燃性气体、蒸汽或盐雾的污染。,；,概 述,（,5,）湿度条件,A,、在,24h,测得的相对湿度不超过,95%,；,B,、在,24h,测得的水蒸汽压力的平均值不超过,2.2kPa,C,、月相对湿度不超过,90%,；,D,、月水蒸汽压力的平均值不超过,1.8kPa,；,（,6,）来自开关设备外部的震动或地动是可以忽略；,（,7,）在二次系统中感应的电磁干扰幅值不超过,1.6kV,。,概 述,一、正常使用条件,1,）户外开关设备,（,1,）周围空气温度不超过,40,，且在,24,小时内测得的平均温度不超过,35,。最低周围空气温度分,-10,、,-25,和,-40,。应考虑温度的急剧变化。,（,2,）应考虑,1000W/m,2,的阳光辐射,（,3,）海拔不超过,1000m,。,（,4,）周围空气可以受到尘埃、烟、腐蚀性气体、蒸汽或盐雾的污染。污秽等级不得超过,GB/T 5582,中的,级。,（,5,）覆冰对,1,级不超过,1mm,，对,10,级不超过,10mm,，对,20,级不超过,20mm,。,（,6,）风速不超过,34m/s,。,；,概 述,一、正常使用条件,1,）户外开关设备,（,7,）应当考虑凝露和降水,.,。,（,8,）来自开关设备外部的震动或地动是可以忽略。,（,9,）在二次系统中感应的电磁干扰幅值不超过,1.6kV,。,；,概 述,二、特殊使用条件,（,1,）安装在海拔高于,1000m,处的设备，其设备外绝缘需按,GB16935.1,要求进行修正。,（,2,）对安装在污秽空气中的设备，污秽等级应规定为,GB/T5582,中的,级重污秽，或,级严重污秽。,（,3,）温度和湿度,对超出正常使用条件，优选,1,）对严寒气候，,-50,和,+40,；,2,）对酷热气候，,-5,和,50,（,3,）震动。可能发生在地震区，应按,GB/T13540,来规定设备的抗震性能。,；,概 述,3,高压断路器的运行经验,运行基础数据是国际大电网会议（,CIGRE,）的调研的结果。统计数据为,13,个国家、,4,大洲、断路器总数,70000,台、架空线,90000km,。,1,）系统短路的,90%,发生在架空线上；,2,）架空线平均每年短路,1.7,次；,3,）所有短路,70%,为单相故障；,4,）,97%,的断路器覆冰小于,10mm,；,5,）,98%,的断路器承受的风速小于,34m/s,；,6,）断路器期望寿命为,25,年、,40,年；,7,）,SF6,断路器大修周期,12,年；,8,）断路器故障的,70%,是操动机构故障。,；,真空断路器,1,、真空断路器,真空断路器在,6-35kV,电压等级已广泛使用，在,110kV,有少量使用。目前额定电流达到,4000A,，额定短路开断电流,63-80kA,。,1.1,基本原理,真空断路器,采,用真空作为灭弧和绝缘的介质，当真空度高于,10,-1,Pa,时，,1mm,的间隙的介质强度高达,10,6,V/cm,。实际使用时，其真空介质强度常会远低于此值，其原因是触头表面状况不佳。,真空压力与介质强度图1,空气,2 SF6,3,真空,真空断路器,1.2,真空断路器结构,真空断路器基本结构分为分体式、整体式和全绝缘型（固封极柱）。,分体式（,ZN28A,）,整体式（,ZN12,）,真空断路器,1.2,真空断路器结构,配真空断路器机构为弹簧和永磁两种操动机构。目前应用广泛的是弹簧操动机构。,真空断路器,1.2,真空断路器的特点,a,、结构简单，使用寿命长，满容量开断可达,50,100,次，机械寿命可达,1,3,万次；,b,、使用维护工作量小；,c,、无环境污染，有利于环境保护；,d,、用于开合感性负载，易产生截流过电压；,e,、目前使用电压范围,6,35kV,，,110kV,用量较少。,真空断路器,1.3,真空断路器运行维护,1.3.1,真空度检测,真空度的保证是真空断路器安全运行的必备条件之一，采用各种技术手段检测真空度数值，以确保安全运行，目前常用真空度检测仪监测真空度，用施加工频电压的方法检测真空度，其检测的灵敏度较低，不推荐使用。,真空断路器,1.3,真空断路器运行维护,1.3.2,操动机构,定期检测断路器的机械特性，以判断操动机构的运行状态。,1.3.3,载流部件,采用红外、色温块及带电检测设备，监测隔离触头（开关柜）及其它载流部件的温升发热，防止载流发热事故发生。,真空断路器,1.3,真空断路器运行维护,1.3.4,绝缘,采用局部放电检测仪（超声、无线电波原理）、定期绝缘试验等方法，检测断路器的绝缘性能，防止绝缘事故的发生。,真空断路器,1.4,真空断路器的发展,1.4.1,开发专用断路器,a,、发电机专用断路器,开断短路电流达,63kA,以上。,b,、用于投切电感性负载的低过电压断路器,c,、用于投切电容器的无复燃断路器,d,、用于开断电炉频繁使用断路器,真空断路器,1.4,真空断路器的发展,1.4.2,多功能断路器,多功能即实现合,-,分,-,隔离,-,接地及连锁为一体。,1.4.3,同步断路器,同步断路器又叫选相断路器，其基本原理是在电压或电流最有利的时刻关合或开断。其作用是：降低瞬态过电压；改善电网供电质量；提高断路器寿命和性能；简化电网设计，降低整个系统费用。,真空断路器,1.4,真空断路器的发展,1.4.4,智能断路器,在断路器上装有集成保护及监测装置，实现各种保护功能，电压、电流和功率测量，断路器机械特性测量，自诊断及数据远传通信等。,SF,6,断路器,2 SF,6,断路器,SF,6,断路器在,110kV,及以上电压等级广泛使用，目前没有其它可替代的产品。,2.1 SF,6,气体基本性质,(1,）是无色、无味、无毒、不燃的惰性气体，密度为,6.14kg/m,3,是空气的,5.1,倍。分解温度为,500,，无火灾和爆炸的危险，对金属和绝缘材料无腐蚀和氧化，冷却特性好。,（,2,）绝缘性能好。相同条件下绝缘强度是空气的,2.5,3,倍，在,0.3MPa,下与变压器油绝缘强度相同。,（,3,）灭弧性能良好。其灭弧能力是空气的,100,倍。,（,4,）易液化，不宜使用于寒冷地区（,-30),SF,6,断路器,2.1 SF,6,气体基本性质,（,5,）,SF,6,是它受电弧作用后，不会引起起,SF,6,气体的变质。,SF,6,受电孤作用将分解，少量分解为,SF,4,和,SF,2,，但它们很不稳定，在,0.1ms,的级短时间内迅速合成,SF,6,。断路器在多次强电流断开试验后,SF,6,气体基本上不劣化。,(6),当,SF,6,气体中有水分存在，此时在电弧的作用下将产生有害和有毒物质，主要是低氟化物、氢氟酸等。,SF,6,断路器,21 SF,6,气体基本性质,（,7,）,SF,6,是一种温室效应气体，,1997,年防止全球变暖的京都议定书将,SF,6,列为,6,种温室效应气体之一。对,SF,6,要减少使用。,SF,6,断路器,2.2 SF,6,断路器灭弧基本原理,（,1,）单压式,单压式也称压气式，其灭弧过程是用一个压气缸压缩,SF6,气体并将压缩的气体吹向电弧，使电弧熄灭，完成电流开断。单压式有定开距和变开距两种结构。目前普遍使用的变开距结构。,SF,6,断路器,2.2 SF,6,断路器灭弧基本原理,（,2,）自能式,自能式灭弧原理是：在开断过程，利用电弧产生的热能，将,SF6,气体加热产生有压力的气体，将该气体吹向电弧使电弧熄灭。自能式有热膨胀和旋弧两种原理。目前使用较为普遍的是热膨胀原理。,SF,6,断路器,2.2 SF,6,断路器灭弧基本原理,（,3,）混合式,混合式是具有压气和自能两种灭弧原理构成的断路器。在小电流开断时，由于电弧能量较小，此时靠压气方式灭弧；在大电流开断时，电弧能量较大，此时开断靠自能方式。混合式在满足开断能力的条件下，可大幅度减少机构的操作功，降低对操动机构的要求。,SF,6,断路器,2.2 SF,6,断路器灭弧基本原理,（,4,）触头双动结构,断路器的触头一般是有一个动触头和一个静触头，在合分操作时，只有动触头移动，静触头位置不变。双动结构是：触头两端都是动触头，合分过程是两个触头都在移动。其优点是：在保证触头运动速度的同时，降低机构的的运动速度，有利于提高机构的可靠性。,SF,6,断路器,SF,6,断路器单压式灭弧原理图,SF,6,断路器,2.3 SF,6,断路器当前达到的水平,（,1,）单断口电压,550kV,（,2,）额定开断电流,80kA,（,3,）全开断时间,2,周波,（,4,）满容量开断次数,50,次,（,5,）额定电流开断次数,6000,次,（,6,）机械可靠性试验,10000,次,（,7,）金属短接时间,40ms,SF,6,断路器,2.4 SF,6,断路器的结构类型,1,）绝缘外壳式,瓷套支柱式和绝缘筒式。,2,）金属外壳式,罐式断路器,SF,6,断路器,2.5 SF,6,断路器的机构类型,1,）液压机构（气体储压）,2,）液压弹簧（碟形弹簧储能）,3,）气动机构,4,）弹簧机构,SF,6,断路器,2.6 SF,6,断路器的特点,1,）断口电压高,高电压等级的断路器的结构简单。,2,）使用寿命长,满容量开断一般为,20,次。,3,）开断性能好,开断大电流、容性和感性负载、近区故障特性好。,气体绝缘金属封闭开关设备,3,气体绝缘金属封闭开关设备（,GIS,）,GIS,是将断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线等设备封闭在金属容器中，并充以绝缘气体组成的一种组合电器。,气体绝缘金属封闭开关设备,3.1,全封闭组合电器的特点,1,）具有体积小，使用可靠性高的优点。,2,）使用寿命长，一般为,30,年。,3,）维护工作量小。,4,）内部设备不受海拔、污秽、盐物等外界条件影响。,5,）,SF6,气体为惰性气体，无火灾危险。,6,）因带电部分全封闭在金属壳体内，对电磁和电场实现屏蔽，不会产生电磁及无线电干扰等问题。,紧凑型组合式高压开关设备器,4,紧凑型组合式高压开关设备器（,COMPASS,、,PASS,）,紧凑型开关设备综合了敞开式和封闭式开关设备的优势，将高压元件高度集成，与敞开式相比节省占地面积；与,GIS,相比，大大的节省了费用。,紧凑型组合式高压开关设备器有两种结构：一种为空气绝缘；另一种为空气,+SF6,气体绝缘。,概述,4,紧凑型组合式高压开关设备器（,COMPASS,、,PASS,）,断路器试验,试验分类,1,）型式试验,2,）出厂试验,3,）交接试验,4,）预防性试验（状态检修试验）,断路器试验,2,型式试验,型式试验是在产品完成设计、制造后，为产品定型所进行的试验，断路器的型式试验依据的标准,GB1984-2003,高压交流断路器,。,试 验,2.1,断路器型式试验项目,1,）绝缘试验（工频、雷电、操作冲击）,2,）主回路电阻测量,3,）短时耐受电流和峰值耐受电流试验,4,）密封试验,5,）,EMC,试验（电磁兼容性试验）,6,）常温下机械操作试验,7,）短路电流关合和开断试验,8,）容性电流开合试验（线路、电缆）,9,）温升试验,10,）无线电干扰试验,11)SF6,气体微量水份测试,以上为强制的型式试验项目，此外还有适用时的试验项目，详见标准。,试 验,2.2 GIS,型式试验项目,单元试验,a,、断路器,b,、隔离开关,c,、电流互感器,d,、电压互感器,e,、避雷器,f,、套管,试 验,交接试验项目,开关设备在运行现场安装后进行的试验称交接试验，交接试验的项目和内容参见,GB50150-2006,电气装置安装工程电气设备交接试验标准,，具体试验项目是部分型式试验项目。,补充项目：断路器机械老练试验（磨合试验）。现场运行中，出现因设备内部存在杂质引起的绝缘故障，分析原因由于制造选用的材料、制造工艺、零部件公差等因素，在断路器操作运行初期，不可避免产生一些杂质，为此应降低此杂质生成。西北电网公司已把此项目列为出厂必做项目。,试 验,预防性试验（状态检修试验）项目,预防性试验项目以,DL/T596-1996,为基本依据，由于该标准颁布时间较长，目前各单位都有些补充规定或按本单位实际修订了适用的标准，目前国家电网公司于,2008,年颁布了“输变电设备状态检修试验规程”，以适应状态检修工作的需要。,试 验,3.1,预防性试验补充项目,1,）测量真空断路器触头磨损程度,在新安装时测量一个原始的触头长度值，运行到一定年限后，测量一个值并于初值比较，当超过制造厂（或经验值）规定值后，此灭弧室就必须更换。,2,）在线测量,610kV,开关柜局部放电,采用测量无线电干扰的方法，在线测量开关柜运行过程的局部放电，目前已有专用的测量仪器。,试 验,3.1,预防性试验补充项目,3,）开关设备发热红外线在线检测,采用红外线测温设备，测量开关设备运行过程的发热状况，防止过热故障发生。,4),测量,SF6,开关设备,SF6,气体分解产物,目前测量分解物为,H,2,S,和,SO,2,，当开关设备内部有放电或过热故障时，可产生上述两种分解气体，但由于此工作刚开始，其标准值还在探讨，目前应用此方法已取得成效。,试 验,3.1,预防性试验补充项目,5,）超声波、甚高频局部放电检测,6,）激光,SF6,气体检漏,被测设备不需停电，检测范围广。,SF6,开关设备运行维护,运行维护应参照制造厂的维护要求进行,1,、一般项目,1,）,SF6,气体压力（密度）,2,）,SF6,气体水分 小于,300ppm,（断路器气室）,和,500ppm,（其它气室）,3,）操动机构的油压及打压次数,4,）主回路电阻值,2,、建议开展试验项目,1,）,SF6,气体分解物测试,测试,H,2,S,和,SO,2,，对过热和内部放电故障诊断有效。,2,）内置探头或超声、甚高频局部放电监测。,3,）激光检漏,快速暂态过电压（,VFTO,）,在较高绝缘强度的气体放电过程中，其放电上升前沿可达,3ns,，由于GIS,结构决定了导电回路是一个同轴传输系统，快速陡波将在同轴传输系统产生波的折反射，由此叠加产生频率极高的过电压，,800kV,系统设计允许过电压小于,1.8p.u,，为限制这种过电压，在隔离开关的触头回路加装了合分闸电阻，以减低过电压数值。,快速暂态过电压,VFTO,在国内外已开始广泛研究，并且是一个前沿较热的研究课题。目前的主要研究方法是仿真计算，其结果未能获得专家学者的一致认可，对目前的,800kV,和,1100kVGIS,产生的,VFTO,目前还没有研究结论，为此，国网公司专家论证，在没有研究出,VFTO,的结论之前，,GIS,中的隔离开关不允许带电压操作。,试验室试验,试验室试验是在,1100kVGIS,隔离开关分合小电容试验中，测量暂态电压数值及波形。,试验波形,合闸燃弧时间,220ms,，放电燃弧次数,100,次,100kV,合闸波形,合闸全过程示波图如图,9-3,所示。示波器采样率为,125M/s,，记录时间,1000ms,。,100kV,合闸气隙放电起始部分,气隙击穿在波形图显示为电压跳变；,电压跳变高度是断口击穿电压；,以任意一次气隙击穿为起始时刻，到发生下次气隙击穿的时间与电源在该时间段的电压变化率和触头开距有关。,100kV,合闸气隙放电结束部分,隔离开关在合闸过程即将结束时，触头间距已变得很小，断口击穿电压值也随之减小，从波形图上显示出气隙击穿电压高度降低和每周波内击穿次数增加，波形图从,A,到,D,变化，气隙击穿次数明显增加。与合闸初期放电不同之处是出现尖峰过电压，这个电压就是快速暂态过电压（,VFTO,）,F,点展开（,VFTO,）,VFTO,展开，频率约,10MHz,，持续时间约,1.5,s,，过电压,1.5p.u.,。,300kV,分闸,示波器采样率,500M/s,，记录时间,200ms,。分闸电弧过程约,130ms,，放电次数,100,次，频率约,10MHz,，过电压,1.4p.u.,300kV,分闸结束部分,结束部分气隙击穿电压逐步提高，每周波击穿次数减低，过电压幅值随着击穿电压提高而升高。,.,634kV,分闸,分闸过程保护球隙击穿放电,634kV,分闸,球隙保护电压为工频,700kV,，分闸过程球隙放电，经对波形计算，放电电压峰值为,1084.7kV,，峰值电压表记录为,1046kV,，示波图测得放电电压与球隙放电电压（峰值,989kV,）基本一致。放电截波下降时间约,3s,。,750kV,官亭变电站,VFTO,测试,为解决,750kV GIS,隔离开关操作方式问题，西北电网公司于,2009,年,10,月，组织中国电科院、平高东芝公司和陕西电力科学研究院，在,750kV,官亭变电站进行现场测量隔离开关操作时产生的过电压。,750kV,官亭变电站,VFTO,测试现场,测量,GIS,内部,VFTO,探头,测量线路,VFTO,出线侧,VFTO,波形,出线侧,VFTO,放大波形,本,谢 谢！,