电气开关原理及应用

开关电器总体介绍

一、概述

开关电器主要用来闭合与开断正常电路和故障电路或用来隔离高压电源的。根据开关电器在电路中担负的任务，可以分为下列几类:

a、仅用来在正常工作情况下，断开或闭合正常工作电流的开关电器，如高压负荷开关、低压闸刀

开关、接触器、磁力启动器等。

b、仅用来断开故障情况下的过负荷电流或短路电流的开关电器，如高、低压熔断器。

c、既用来断开或闭合正常工作，也用来断开或闭合过负荷电流或短路电流的开关电器，如高压断

路器、低压自动空气断路器等。

d、不要求断开或闭合电流，只用来在检修时隔离电压的开关电器，如隔离开关等。

二、高压断路器的分类

根据断路器所采用的灭弧介质及作用原理，断路器可分为下列几种类型：

a、油断路器：采用油作为灭弧介质的断路器，现以很少采用。

b、压缩空气断路器：采用压缩空气作为灭弧介质的断路器。

c、六氟化硫(SF6)断路器：采用具有优良灭弧性能和绝缘性能的SF6气体作灭弧介质的断路器。

d、真空断路器：利用真空的高介质强度来灭弧的断路器，称真空断路器。

三、高压断路器的基本参数

a、额定电压：是指断路器长期工作的标准线电压。最高工作电压为1.1~1.15UN

b、额定电流：是指额定频率下长期通过断路器且使断路器无损伤、各部部分发热不超过长期工作的最

高允许发热温度的电流。

c、额定开断电流：在额定电压下，能保证正常开断的最大短路电流称为额定开断电流。

d、额定开断容量SbrN＝1.732UNIbrN关合能力：衡量断路器关合短路故障能力的参数为额定关合短路

电流。

e、短时热电流(也称热稳定电流)：指断路器在合闸位置，在规定的时间内(标准时间为2S，需要大于

2S时推荐为4S)能够承受而不发生损坏的电流的有效值。是衡量断路器承受电流热效应能力的参数。

f、峰值耐受电流(也称动稳定电流)：指在规定的使用条件和性能下，断路合闸位置时所能承受而不发

生损坏的电流峰值。数值上和额定短路关合电流相等，它反映在了断路器承受由于短路电流产生的电动力的耐受性能。

四、220KV系统断路器

1、我公司220KV断路器采用由苏州阿尔斯通公司生产的GL314X 型断路器，为三相操作，断路器为单柱式结构。

2、断路器的就地操作

在就地提供断路器手动操作的手段，包括分/合闸、远方/就地选择开关。选择就地操作时禁止远方合闸，包括由保护回路引起的合闸。

在就地提供断路器事故跳闸按钮，以保证控制电源失去后仍能可靠跳闸。事故跳闸该按钮有专门的标志以防止误操作。

3、断路器的结构：

a、断路器由三个极组成，每个极都是由弹簧操作机构驱动的。

b、断路器的极由三部分构成：灭弧室、支柱、传动箱；

c、灭弧室：装在瓷套内，两端连接高压接线板；

d、支柱：由一个或两个绝缘子组成，支柱内的绝缘拉杆与灭弧室的动触头相连；

e、传动箱：箱内有拐臂和曲柄装配，这些都是用来驱动动触头的。

f、操作机构：为FK3-2型弹簧操作机构，它的门上有两个观察窗，可以看到里面的指示断路器的状态

以及合闸弹簧所处状态的信号。

g、灭弧原理：采用SF6气体灭弧。

4、断路器的分合闸：

分闸：发出自动分闸指令时或人工发出分闸指令时，操作机构分闸弹簧中的能量就会被释放出来。由分闸弹簧直接驱动的绝缘拉杆带动动触头使之分开。

合闸：发出自动合闸指令时或人工发出合闸指令时，操作机构内的合闸弹簧就会释放能量，这些能量将直接传递给极的操动轴，以确保完成合闸。合闸弹簧的能量释放将带动可动部件的运动，从而关合灭弧室，同时给分闸弹簧储能。

储能部分：在合闸弹簧储能过程中，合闸线圈中的电流将被切断，以免发生意外的合闸操作。

SF6压力：绿线：正常0.75MPa;黄线：报警0.64MPa;红线：闭锁分合0.61MPa。

五、隔离开关

1、采用由西安西电高压开关有限公司生产的隔离开关。

2、操作机构

(1)中央断口型隔离开关配有电动机操作机构，实现3相操作。与中央断口型隔离开关组合一起的接地开关采用3相联动的手动操作机构，并附联锁操作杆。

(2)联锁

除了隔离开关和相应的接地开关间的机械联锁外，所有的操作联锁都还采用电磁锁，以保证运行的灵活性和安全性。在联锁开关和接地开关上提供下述联锁：

·机械联锁：隔离开关在闭合位置时，接地开关不可以进行闭合操作，反之亦然。

·电气联锁：

a、当与隔离开关相联的断路器在合闸位置时，在隔离开关控制回路中进行电气联锁，不能打开隔离开

关。

b、当与隔离开关相关的接地开关处于合闸位置时，进行联锁，不能闭合隔离开关。

c、当隔离开关在合闸位置时，在相关的接地开关控制回路进行联锁，不能闭合接地开关。

d、除上述联锁外，设有手动操作接地开关时，与其它相关回路的隔离开关之间的电磁联锁设施。

(3)电动操作机构由高起动力矩3相380V的交流电动机和电气制动器构成。机构控制电压为220V交流单相。

(4)每个电动机构包括一个恒温控制加热器，额定电压为220V交流。装加热器是为了不损害封闭的设备或导线，同时充分防止机械装置结露或受腐蚀。加热器控制回路加装开关和恒温装置。

六、发电机出口开关GCB

1、我公司发电机出口开关（GCB）采用瑞士ABB公司生产的产品，为HEC－7型，为户内型、金属封闭、自冷、水平布置、SF6气体绝缘。

2、装设GCB的优点

1）机组正常起、停不需切换厂用电，只需操作发电机出口开关，厂用电可靠性高。

2）机组在发电机开关以内发生故障时（如发电机、汽机、锅炉故障），只需跳开发电机开关，减少机组事故时的操作量。

3）对保护主变压器、高压厂用工作变压器有利。对于主变压器、高压厂用工作变压器发生内部故障时，由于发电机励磁电流衰减需要一定时间，在发电机-变压器组保护动作切除主变压器高压侧开关后，发电机在励磁电流衰减阶段仍向故障点供电，而装设发电机开关后由于能快速切开发电机开关，而使主变压器受到更好的保护，这一点对于大型机组非常有利。另一个更有利的作用是：避免或减少了由于高压开关的非全相操作而造成的对发电机的危害。对于发电机变压器组接线，其高压开关由于额定电压较高（500kV），敞开式开关相间距离较大，不能做成三相机械连动，高压开关的非全相工况即使在正常操作时也时有发生，高压开关的非全相运行会在发电机定子上产生负序电流，而发电机转子承受负序磁场的能力是非常有限的，严重时会导致转子损坏。而目前的发电机出口开关在设计和制造中都考虑了三相机械连动，有效防止了非全相操作的发生。

4）发电机开关以内故障只需跳开发电机开关，不需跳主变压器高压侧500kV开关，对系统的电网结构影响较小，对电网有利。

5）虽然初期投资大，但便于检修、调试，缩短故障恢复时间，提高了机组可用率，同时每年可节约大量的运行费用。

3、GCB的工作机理

开关是用来自动切断故障电力电路的一种保护电气设备，当电路中发生短路等故障时，可以自动快速地切断电路，或在正常条件下进行分、合电路。本开关采用在电弧自然过零时，利用SF6气体吹熄电弧的原理。交流电流在每一周波内有两次自然过零，在电流自然过零时电源对弧隙停止输入能量，电弧自然暂时熄灭，这是熄灭电弧切断线路的最好时机。

4、操作机构采用液压弹簧机构，可远方和就地操作，且三相联动。液压系统的油泵采用220V直流供电。每个GCB配备两个单独的跳闸线圈和必要的压力开关，用于主保护和后备保护。跳闸线圈各由独立的电源供电，控制电源采用110VDC，取自厂用110V直流系统。

GCB、刀闸和接地开关允许通过就地控制柜内安装的控制装置来就地操作。刀闸能防止带负荷操作，这意味着控制柜内的联锁回路能用来防止刀闸带负荷操作。只有当“远方操作/就地操作”切换开关切换到“就地操作”点位置时，才允许通过就地控制柜进行GCB合闸操作。GCB的电气防跳功能也并入控制柜中。

5、 GCB辅助设备

1）刀闸

刀闸主要用于在有电压、无负荷电流的情况下，分、合电路。刀闸与开关配合使用，有机械的或电气的连锁，以保证动作的次序：在开关开断电流之后，刀闸才分闸；在刀闸合闸之后，开关再合闸。刀闸上装有接地刀闸时，主刀闸与接地刀闸间有机械的或电气的连锁，以保证动作次序：在主刀闸没有分开时，接地刀闸不能合闸；在接地刀闸没有分闸时，主刀闸不能合闸。

刀闸的操作机构：采用电动机操作，操作机构的额定操作电压为AC 400V，控制电源为DC 110V。刀闸既可远方操作又可就地操作，操作回路自动联锁，就地有关合位置指示器，并将开合位置信号进行远传。