高压开关基础知识

高压断路器基础知识

第一节、高压断路器的基本功能

断路器（circuit-breaker）的定义为：能够关合、承载、开断运行回路的正常电流，也能在规定时间内关合、承载及开断规定的过载电流（包括短路电流）的开关设备。一般来讲对地电压高于1kV的断路器为高压断路器。

高压断路器也应该能开断空载长线的充电电流（容性电流）、空载变压器的励磁电流（感性小电流）等等。通常使用的断路器分合频度不大，不经常承载、开断和关合短路电流，但有些特殊断路器也用于频繁分合。

总的来说，为实现断路器的作用，要求断路器具备以下最基本的功能：

在关合状态时为良好的导体，在长时间工作时各部位温度和温升低于最大允许发热温度和允许温升，能够承受短路情况下热的和机械的作用。

在开断状态时，具有良好的绝缘性能。在不同环境条件下，皆能承受对地同相以及不同相端子间的电压。

在关合状态的任一时刻，在尽可能短的时间内，能够开断额定开断电流及以下的各种故障电流。

在开断状态的任意时刻，在短时间内能关合处于短路状态下的电路。

在实际的生产运行中，存在着各种类型的开关设备，国家相关标准也对其进行了定义。

隔离开关（disconnector）：在分位时，触头间有符合规定要求的绝缘距离和明显的断开标志；在合闸位置时，能承载正常线路条件下的电流及在规定时间内异常条件（短路）下的电流的开关。

负荷开关（switch，load-breaking switch）：能关合、开断及承载运行线路正常电流（包括规定的过载电流），也能在规定的时间内承载规定的异常电流（短路电流）的开关。接地开关（earthing switch）：用于将回路接地的一种机械式开关装置。在异常条件（短路）下，可在规定时间内承载规定的异常电流。但在正常的回路条件下，不要求承载电流。接触器（contactor）：手动操作除外，只有一个休止位置，能关合、承载及开断正常电流及规定的过载电流的开断和关合装置。

重合器（automatic circuit recloser）：能够按照预定的顺序，在导电回路中进行开断和重合操作，并在其后自动复位、分闸闭锁或合闸闭锁的自具（不需要外加电源）控制保护功能的开关设备。

金属封闭开关设备：开关柜（metal-enclosd switchgear）：除进出线外，其余完全被接地金属外壳封闭的开关设备。

组合电器（composite apparatus）：将两种或两种以上的高压电器按电力系统主接线要求组成一个有机的整体而各电器仍保持原规定功能的装置。

气体绝缘金属封闭开关设备；封闭式组合电器（gas insulated metal-enclosed switchgear，GIS）：至少有一部分采用高于大气压的气体作为绝缘介质的金属封闭开关设备。

第二节、高压断路器的分类和发展状况

1. 断路器的分类

按断路器灭弧原理来划分，有油断路器、压缩空气断路器、SF6断路器、真空断路器、磁吹断路器。

按照断路器的用途来划分，有发电机保护用断路器、线路用断路器（包括输电用断路器和配电用断路器）、供电用断路器（一般为6.9kV~40.5 kV）、高压直流断路器（开断直流回路）。

2. 断路器的发展状况

由于电力系统对输变电的质量和可靠性要求提高，对高压开关设备的性能要求也越来越高，另一方面由于基础理论，工艺水平，材料技术的不断进步，使得高压开关设备的技术有了长足的进步。目前，高压开关设备正在向着高压大容量、自能化、小型化、组合化、智能化的方向发展。(1)高压大容量断路器。

目前随着特高压输电系统工程的开展，500kV电压等级系统的不断发展，并且从技术经济性和可靠性角度的要求，都需要发展单元断口、容量大、电压高的断路器。

(2)断路器灭弧的自能化。

自能式灭弧室最大限度的利用了电弧自身的能量，使灭弧室建立起气吹熄弧所必需的操作功可降低为压气式的20%。由于自能式的断路器的操作功大大减小，必将大大提高断路器机械动作的可靠性。

自能式断路器由于熄弧技术先进、操作功小、整体体积小、因而在126-252kV电压等级应用逐渐增多，大有取代压气式断路器之势。

(3)高压开关设备的小型化。

高压开关设备小型化的目的是为了减少占地空间、进一步与环境相协调和易于组合化。小型化有着重要的社会意义。

(4)高压开关设备的组合化。

高压开关设备的组合化要求主要基于小型化技术，最重要的目的是可以实现体积小、具有成套性、可靠性高、少维护、易于安装、抗严酷环境等。例如GIS，GIS几乎囊括了大部分高压电器和保护检测电器，使原来分立的电器功能成为一个整体概念，可以说目前GIS的设计生产水平成为高压开关设备水平的代表。

(5)高压开关设备的智能化。

目前随着光电互感器、数字化变电站理论的成熟和技术的发展，逐渐提出了电器智能化的要求，目前集中在断路器智能化上的要求主要有：断路器自身状态的检测和故障诊断；对电网故障的诊断和信息远传技术；自动重合闸的智能控制；同步操作技术等。

(6)高压开关设备的高可靠性。

高压开关设备的可靠性主要体现在两方面，一方面为电气可靠性，另一方面则是机械可靠性。就目前的技术条件来说，电气可靠性已经大大提高，困扰高压电器整体水平的是机械可靠性问题。因为机械可靠性是和设计制造水平，材料技术息息相关的。提高机械可靠性是高压电器发展的主要努力方向。

第三节、开关电弧理论与绝缘介质特性

(一)电弧相关知识

开关设备使用触头分断回路中的电流，在大气环境中开断电流，只要电压超过12~20V，被开断的电流超过0.25~1A，在触头的间隙（弧隙）中通常产生一团温度极高、发出强光和能够导电的近似圆柱形的气体，这就是电弧。

电弧是由三个部分构成的，阴极区域、弧柱区域和阳极区域。电弧的阴极区域对电弧的发生和物理过程具有重要的意义，形成电弧放电的大部分电子是在阴极区产生或由阴极