高压断路器培训资料(目前最好最全的)讲解_中职中专_职业教育_教育专区。高 压 断 路 器 应 用 教 程 工 程淮 有南 限平 公圩 司电 电力 气检 修 — ( ) 授课 : 曹春荣 目 ? 第一章、高压断路器基础知识 录 ……….…1 ? 第二章、断路
高 压 断 路 器 应 用 教 程 工 程淮 有南 限平 公圩 司电 电力 气检 修 — ( ) 授课 : 曹春荣 目 ? 第一章、高压断路器基础知识 录 ……….…1 ? 第二章、断路器的基本动作形式 ……...…48 ? 第三章、ZN12型断路器概述 .…..…..68 ? 第四章、真空灭弧室结构及原理 …...…88 ? 第五章、ZN12型断路器检修 ..….….112 第一章、高压断路器基础知识 ? 1.1 高压断路器的用途和类型 ? 1.2 高压断路器的基本要求 ? 1.3 高压断路器的技术特性 ? 1.4 开关电弧的形成和熄灭 1.1、高压断路器的用途和类型 一、高压断路器的用途和类型 高压断路器是电力系统中发、送、变、配电接 通、分断电路和保护电路的主要设备。它具有完善 的灭弧装臵，正常运行时，用来接通和开断负荷电 流，在某些电气主接线中，还担任改变主接线运行 方式的任务。故障时，用来开断短路电流，切除故 障电路。 高压断路器是电力系统中最重要的开关设备之 一，它起着控制和保护电力设备的双重作用： （1）控制作用：根据电力系统运行的需要，将部分 或全部电力设备或线路投入或退出运行； （2）保护作用：当电力系统任何部分发生故障时， 应将故障部分从系统中快速切除，防止事故扩大， 保护系统中各类电气设备不受损坏，保证系统的安 全运行。 1.1、高压断路器的用途和类型 ( 高压断路器是电力系统中最重要、最 复杂的电器设备。断路器的基本理论和工作 原理牵涉面较广，内容庞杂，即有电磁学理 论，也有热学和力学理论。在电磁学和热学 方面既有场有又路，既有稳态过程也有暂态 过程；在力学方面涉及到静力学、动力学、 流体力学和空气动力学方面的内容。此外还 涉及到电工材料、绝缘、放电、试验等多项 技术，并随着时代的发展内容不断扩充和更 新，如计算机技术的应用等。有关内容不只 用于高压断路器，还可用于包括高压电器、 低压电器等各种电气设备。） 1.1、高压断路器的用途和类型 (IEC:高压断路器能承载、关合和开断运行线路的正 常电流，也能在规定时间内承载关合及开断规定的异 常电流（如短路电流）的开关设备，是电力系统的保 护和操作的重要电气装臵。) 通常可按以下两种方式对开关装臵进行分类： 1. 按电压等级分： （1）额定电压大于或等于1kV 的开关设备称为高压开 关。如：断路器、负荷开关、隔离开关、高压熔断器 （2）额定电压低于1kV的开关设备称为低压开关。如 ：自动空气开关、接触器、磁力起动器、闸刀开关、 低压熔断器 ? ? ? ? 1.1、高压断路器的用途和类型 ? 2. 按作用分： ? （1）只用于接通和断开电路正常负荷电流的开关设备 。如：负荷开关、接触器 ? （2）只能用于断开不正常状态和故障电流的开关设备 。如：熔断器 ? （3）既能接通和断开正常负荷电流又能接通和断开不 正常状态和故障电流的开关设备。如：断路器、自动 空气开关 ? （4）不能用于断开负荷电流，也不能用于断开不正常 及故障电流的开关设备。如：隔离开关、闸刀开关 1.1、高压断路器的用途和类型 高压断路器装设的地点不同，分为户内（N）和 （W）两种形式、按断路器的灭弧介质和作用原理，可 分为下列主要类型： （1）油断路器：它是以变压器油来作为灭弧和绝缘介质 的断路器，又可分为多油和少油两种类型; （2）SF6断路器：它是以SF6气体作为灭弧和绝缘介质 的断路器; （3）真空断路器：它是以高真空度的介质来熄弧的断路 器。指触头在高真空中关合和开断的断路器; （4）压缩空气断路器：它是以高速流动的压缩空气来作 为灭弧介质的断路器; 1.1、高压断路器的用途和类型 （5）自产气断路器：它是利用固体介质受电弧作 用分解气体来熄弧的断路器; （6）磁吹断路器：它是利用电磁力驱使电弧进入 绝缘狭缝中，拉长、冷却电弧来熄弧的断路器; 我国生产的高压断路器的类型很多，其型 号的含义如下：其中表示产品名称的字母含义： S为少油断路器；D为多油断路器；K为空气断路 器；z为真空断路器C为磁吹断路器。表示其他 标志的字母:如G为改进型；F为分相操作；D— 增容；W—防污；Q—耐震。 根据控制和保护的电气设备不同，高压断 路器大致可分为以下几类型： 1.1、高压断路器的用途和类型 （1）发电机断路器——控制和保护发电机用的断路器， 断路器的额定电压在17.5～36KV范围内，额定电流及 额定短路开断电流极大，不需要快速自动重合闸. 这里举ABB公司为例，ABB公司具有不同类型的发电机断 路器，其中有HG和H型中等容量的SF6断路器； 有特大容量的DR型压缩空气断路器（大亚湾核电）； 还有中小容量的VD4G型线）KV及以上输电系统 中的断路器。其中110KV、220 KV电压等级使用的断路 器称为高压断路器，330KV及以上电压等级使用的断路 器称为超高压断路器。 1.2、高压断路器的基本要求 输电断路器除要求具备快速自动重合闸功能 外，还常要具备开合近区故障，失步故障, 架空线路和电缆线路充电电流的能力。 （3）配电断路器——用于35KV及以下的配电系 统中的断路器。这类断路器要具备快速自 动重合闸的功能. 1.2、高压断路器的基本要求 二、对高压断路器的基本要求 对高压断路器的要求大致有下述几个方面： (1）工作可靠：断路器在制造厂给定的技术条件下 工作时，应能可靠地长期正常运行。 （2）应具有足够的断路能力：由于电网电压较高、 电流较大，当断路器在断开电路时，触头间会 出现电弧，只有将电弧熄灭，才能断开电路。 因此，要求断路器有足够的断路能力，尤其是 在短路故障时，能可靠地切断短路电流并保证 具有足够的热稳定度和电动稳定度。 1.2、高压断路器的基本要求 (3）具有尽可能短的切断时间：当电力网发 生短路故障时，要求断路器迅速切断故障电 路，这样可以缩短电力网的故障时间和减轻 短路电流对电气设备的损害。在超高压电网 中，迅速切断故障电路还可以提高电力系统 的稳定性。因此切断时间是高压断路器的一 个重要参数。 （4）实现自动重合闸：架空输电线路的短路 故障，大多是临时性故障。当短路电流切断 后，故障也随之消除。 1.2、高压断路器的基本要求 为了提高供电的连续性，故装有自动 重合闸装臵。自动重合闸是断路器在故障 跳闸以后，经过一定的时间间隔又自动进 行再次关合。重合后，如果故障已消除， 即恢复正常供电，称为自动重合成功。如 果故障并未消除，则断路器必须再次开断 故障电流，这种情况称为自动重合失败在 便合失败后，如已知为永久性故障应立即 组织检修，但有时运行人员无法判断故障 是暂时性还是永久性，而该电路供电又很 重要，允许3分钟后再强行合闸一次，称为 “强送电”。同样，强送电也可能成功或 失败。但失败时，断路器必须再开断一次 短路电流。 1.2、高压断路器的基本要求 断路器的上述动作程序，称为自动重合闸的操作循环， 记为分O（无电流间隔时间，一般为0.3秒或0.5秒）— 合分—t（强送电时间，一般为180秒）—合分。可写 为：O——CO—t′—CO 其中：O——分闸操作 CO——断路器合闸后任何有延时就立即进行分闸操作t— —无电流时间，是指自动重合闸中，断路器开断时从 所有相中电弧均无熄灭起到随后重新关合时任意一相 中开始通过电流时的时间间隔。对于快速自动重合闸 的断路器，取t=0.3s t′——强送电时间，一般取t= 3分钟 1.3、高压断路器的技术特性 三、高压断路器的技术特性 （1）额定电压和最高工作电压：额定电压是指断路器在 运行中所承受的正常工作电压。（也就是指断路器长 期工作的标准电压） 考虑到输电线路有电压降，线路供电端母线额定 电压高于受电端母线额定电压，这样断路器可能在高 于其额定电压下长期工作，为此断路器出厂时都以最 高工作电压进行鉴定。最高工作电压是指断路器在运 行中应能长期承受的最高电压，按国家标准，对于额 定电压在220伏及以下的设备，其最高工作电压为额定 电压的1.15倍，对于330千伏，500千伏的电压等级的 设备，规定为1.1倍。 1.3、高压断路器的技术特性 （2）额定电流：断路器长期允许通过的最大工作电 流，其各部分的发热温度不超过允许值 。为额定 电压的1.15倍，对于330千伏，500千伏的电压等 级的设备，规定为1.1倍。（2）额定电流：断路 器长期允许通过的最大工作电流，其各部分的发 热温度不超过允许值 。额定电流的大小决定了断 路器的触头结构及导电部分的截面。额定电流的 取值大小由有国家标准规定。具体等级为200、 400、600、（1000）、1250、（1500）、1600、 2000、2500、（3000）、3150、4000、5000、 6300、8000、10000、12500、16000、20000A，括 号内数字是另不采用，它们只适用于老产品。 1.3、高压断路器的技术特性 ? （3）额定开断电流 ? 额定开断电流是指断路器在额定 频率为50Hz时的瞬态恢复电压下，能 够开断的最大短路电流的有效值，有 时也用额定开断容量来表示。短路电 流由周期分量和非周期分量两部分组 成。额定开断电流反映断路器的灭弧能力 ，它与断路器灭弧介质的选择和灭弧方法 的选择等因素有关。 1.3、高压断路器的技术特性 ? （4）额定峰值耐受电流（动稳定电流） ? 额定峰值耐受电流是表明断路器能 承受短路电流电动力作用的能力，即断 路器在闭合状态时能通过的不妨碍其正 常工作的最大短路电流（峰值）。断路 器额定峰值耐受电流约等于断路器额定 开断电流周期分量有效值的2.55倍。 1.3、高压断路器的技术特性 ? （5）额定短时耐受电流（热稳定电流） ? 额定短时耐受电流是表明断路器 能承受短路电流热效应的能力。额定 短时耐受电流等于额定开断电流。 1.3、高压断路器的技术特性 ? （6）额定短路持续时间（额定热稳定时 间） ? 当额定短时耐受电流通过断路器的 时间为额定短路持续时间实施，断路器 的各部分温度不超过其短时所允许发热 的最高温度，并且不发生触头熔接或其 他妨碍正常工作的异常现象。额定短路 持续时间通常可以是1s、2s、3s、4s。 1.3、高压断路器的技术特性 ? （7）额定短路关合电流 ? 当断路器进行重合闸操作时，保 证断路器能关合短路电流而又不致于 发生触头熔焊或其他损伤，所允许接 通的最大短路电流。 ? （8）机械时间特性（后面讲解） 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? 开关电器在切断电压大于 10~20V、电流大于80~100mA的电路 时，在触头刚分离的瞬间，触头间 产生电弧。这时虽然电路触头分离 ，但电弧继续燃烧，电流仍在触头 间通过，直到触头分开至足够长的 距离时，电弧熄灭，电路才算线 开关电弧的形成和熄灭 ? 电弧的温度很高，表面温度可达 3000~40000C，电弧中心温度可高达 100000C以上。这种高温，即使作用的 时间很短，触头表面也会因剧烈熔化 和蒸发而损坏，触头附近的绝缘材料 （包括绝缘油、电工瓷、有机绝缘材 料）被严重烧损，以致设备损坏。所 以，在切断电路时，必须采取措施尽 快地熄灭电弧。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? 1、电弧的形成 ? 电弧的形成是触头间中性质点（ 分子和原子）被游离的过程，这一 过程很复杂，产生电弧放电和维持 电弧的主要原因和过程如下： 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? （1）高电场发射 ? 当通过电流的开关触头刚分离时 ，触头间距离很小，由于外加电 压的作用，在这很小的间隙中， 形成很高的电场强度（可超过 1000~10000kV/cm），足以从阴极 表面拉出电子，这就是高电场发 射。随着触头间的距离增大，电 场强度减小，高电场发射的作用 将减弱。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? （2）热电子发射 ? 当触头刚分离时，由于触头间的 压力和接触点减少，使触头接触 电阻迅速增大，在电极表面出现 局部集中的电流，使电极上出现 炽热点，阴极中的电子因此获得 足够的动能逸出到空间。这种因 炽热使电极表面向周围空间发射 电子现象，称为热电子发射。 1.4 ? 开关电弧的形成和熄灭 （3）碰撞游离 ? 从阴极表面发射出来的自由电子，在电场的 作用下，向阳极做加速运动，并不断地与触 头间介质的中性质点碰撞。当自由电子在加 速运动过程中所积累起来的动能大于中性质 点的游离能（使电子释放出来的能量）时， 中性质点被碰撞分离为电子和正离子，称为 碰撞游离。新产生的电子和原来的电子一起 向阳极做加速运动。当他们和其他中性质点 碰撞时又再一次发生碰撞游离，碰撞游离连 续进行的结果，将在触头间产生了大量的电 子和正离子，使介质击穿，引起电弧。 1.4 ? 开关电弧的形成和熄灭 使触头间介质被击穿的电压称为击穿电压。 ? （4）热游离 ? 介质在高温作用下产生游离称为 热游离。在电弧产生后，弧隙温 度很高，此时在高温下的介质分 子和原子的无规则热运动将更严 重加剧，中性质点间也会因此碰 撞而发生碰撞游离，游离出电子 和正离子。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? （4）热游离 ? 介质在高温作用下产生游离称 为热游离。在电弧产生后，弧 隙温度很高，此时在高温下的 介质分子和原子的无规则热运 动将更严重加剧，中性质点间 也会因此碰撞而发生碰撞游离 ，游离出电子和正离子。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? 电弧稳定燃烧时，弧柱温度很 高，电弧电压和弧柱的电场强度 很低，碰撞游离作用减弱，此时 弧柱的游离作用由热游离维持。 当电弧温度很高时，一方面阴极 表面发射电子，另一方面会引起 金属触头熔化、蒸发，以致介质 中混有金属蒸气，使弧隙电导增 加，电弧将继续炽热燃烧。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? 从以上可见，阴极表面在高电场作 用下发射电子，这些电子在触头间 电压作用下产生碰撞游离，形成电 弧。在电弧高温下阴极表面热发射 及介质中的热游离，使电弧得以维 持和发展。这就是电弧的形成过程 。 1.4 ? ? 开关电弧的形成和熄灭 2、电弧的熄灭 游离是在外加电压和电弧电流作用下，电 子和离子不断产生的过程，也就是电弧的 产生和维持的过程。与此同时，在弧柱中 还存在着电子和离子消失（减少）的过程 ，使电弧电流减少，以致使电弧熄灭，称 为去游离。在稳定燃烧的电弧中，这两个 过程处于动态平衡。如果游离现象大于去 游离现象，电弧将继续炽热燃烧；如果去 游离大于游离，电弧越来越弱，最后熄灭 。因此使去游离大于游离就是电弧熄灭的 基本原理。 1.4 ? （1）复合 开关电弧的形成和熄灭 ? ——去游离的方式主要是复合与扩散： ? 弧隙中带正电或带负电的质点，在运动中 彼此结合形成中性质点的过程，称为复合 。电子的运动速度约为离子运行速度的 1000倍，因此，电子和离子的直接复合可 能性很小。但是，电子在碰撞时先附着在 中性质点上形成负离子，然后与运动速度 大致相等的正离子相互吸引、接触而形成 中性质点（中性分子）。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? 复合过程的快慢，主要 决定于离子运动的速度。使弧柱 场强减小，降低电弧温度，增大 气体压力，升高气体密度等，均 可减小离子运动速度，增加离子 间接触机会，加强复合。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? （2）扩散 ? 扩散是弧柱中的自由电子及正离子 由于热运动从弧柱内逸出进入周围 介质的一种现象。电弧中的高温自 由电子和正离子由密集的空间向周 围密度小、温度低的介质扩散，并 与介质中带异性电的质点结合，形 成中性分子。电弧与周围介质温度 差以及离子浓度差愈大，扩散作用 愈强。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? 采用冷的、新鲜的、未游离的 气体吹动电弧，可使电弧在周围介 质中移动，加强与新鲜介质接触， 一方面带走电弧的热量，另一方面 增大电弧与周围介质的温差，加强 扩散，有利于灭弧。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? 电弧熄灭与否，取决于游离与 去游离两个因素作用的结果。当弧 柱中去游离大于游离时，电弧中离 子减小，电弧电阻增加，电流减小 ，最后电弧趋于熄灭。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? —交流电弧的熄灭 ? 交流电流每半个周期经过一次零值。 此时，电源停止向弧隙输入能量，而 弧隙由于不断散出热量，温度下降， 热游离作用迅速减弱，电弧暂时熄灭 。但是由于弧隙的温度很高，热游离 尚在继续，在弧隙电压的作用下，弧 隙仍有电流通过，电源仍向弧隙输入 能量，使弧隙温度升高，热游离加强 。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? 若输入能量大于散出能量，即 弧隙中游离过程大于去游离过程， 电弧将重燃。这种由于热游离而引 起电弧的重燃称热击穿。反之，如 果电流过零后，输入能量小于散出 能量，弧隙温度将继续下降，热游 离基本停止，弧隙由导电状态向介 质状态转变，电弧即熄灭。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? 电流过零时，电弧暂时熄 灭，但弧隙介质绝缘能力要恢复到 正常情况需要一定时间，称为介质 强度恢复过程。在此过程中，弧隙 所承受而不致使弧隙击穿重燃的临 界电压称为介质的击穿电压uj（t） 。与此同时，弧隙电压由熄弧电压 ，经一定时间，逐渐恢复到电源电 压，这是弧隙电压的恢复过程。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? 随着电压的升高，游离因素加强，可能引 起间隙再击穿，称为电击穿，电弧重燃。 ? 交流电流过零后，电弧熄灭是否会重熄， 取决于介质强度恢复过程与弧隙电压恢复 过程相互作用的结果。只要电流过零后， 弧隙的介质击穿电压uj永远大于弧隙恢复 电压uhf，弧隙不被击穿，电弧即熄灭。否 则，电弧将重燃，如图6.1-1。因此交流电 弧的熄灭条件是：电流自然过零后，弧隙 介质强度恢复曲线高于电压恢复曲线，uj （t）uhf（t）。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 1.4 ? ? ? 开关电弧的形成和熄灭 3、熄灭电弧的方法 加强弧隙的去游离，或减小弧隙电压的恢 复速度，都可以促进电弧熄灭。广泛采用 的灭弧方法，有以下几种。 吹弧 ? 温度对熄弧影响很大，温度愈低，热游离 愈不易发生，能加快去游离，而且介质的 绝缘强度随温度的降低而增加。介质强度 恢复的快慢，在很大程度上决定于弧隙温 度降低的速度。因此，冷却电弧是熄弧的 重要方法之一。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? 用气体或液体介质吹弧，既能起 到对流换热、强烈冷却弧隙的作用， 也可以部分取代原弧隙中游离气体或 高温气体。气体流速大，对流换热的 能力强，能使电弧散热加剧，对弧隙 的冷却作用更大。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 ? 在断路器中，常制成各种形式的 吹弧室，使气体或液体产生较高的压 力，有力地吹向弧隙。吹动电弧的方 法有纵吹和横吹，如图6.1-2。吹动方 向与弧柱轴线平行的叫纵吹；吹动方 向与轴线垂直的叫横吹。纵吹主要是 使电弧冷却变细，最后熄灭；而横吹 则将电弧拉长，表面积增大并加强冷 却，熄弧效果较好。采用纵横混合吹 弧方法，熄弧效果更好。 1.4 开关电弧的形成和熄灭 第二章、断路器的基本动作形式 ? 1、分闸 ? 2、合闸 ? 3、合分 ? 4、重合和重合闸 ? 5、高压断路器对操动机构的要求 1、分闸 断路器是在电力系统不同工况下进行合分，以保 证电力系统可靠供电和切除故障线路。断路器除单一 合闸和分闸外，还要求具有快速的重合闸、重合分和 合分动作 一、分闸 分闸操作是断路器最基本的功能。由于断路器分闸， 可开断高压回路，或切断负荷电源，或隔断高压电源， 或切断故障电源。 1.开距 高压断路器分闸到底时，动触头与静触头之间形 成一定长度的绝缘间隙以保证线路能彻底断开。断路 器处于分闸状态时，此时触头之间的绝缘间隙被称为 开距。开距的大小与高压断路器的额定电压和开断性 能要求有关，也与绝缘介质的特性和灭弧装臵的设计 有关。 2.行程和超行程 1、分闸 行程是指高压断路器分闸过程中动触头所走过的距 离，行程包括了触头之间的开距和触头接触行程。为 保证足够的接触压力，补偿触头受电弧的烧损以及获 得必要的分闸速度，动端需要超行程来保证。 3.分闸速度 高压断路器分闸过程中，动触头的运动随时间或行 程而变化，一般分闸速度是指分闸过程中触头分离之 后半个周波内动触头的速度的平均值。以这个数值为 标称分闸速度其意义在于：在这个期间内动触头的速 度对高压断路器的熄弧和熄弧间隙承受恢复电压将起 到决定性作用，因为高压断路器的燃弧时间约为半个 周波到一个周波之间（如三相断路器指首相燃弧情 况）。但是为了测量的方便，工厂往往给出刚分速度 的数据，这是指触头刚分瞬间的平均速度，大致是刚 分之前 1、分闸 半波和刚分之后半波的测量值的平均值。分闸速度因 不同的灭弧室设计、不同的灭弧介质和断口的数目多 少而不同。它是操动机构设计主要的依据之一。 4.固分时间 固分时间是指分闸过程中从操动机构接到分闸命 令时起，到断路器触头侧分离的一段时间。这段时间 包括操动机构和高压断路器本身在触头分离以前的执 行电气命令和机构动作的时间，具体说，由以下几部 分组成 （1）启动时间 从脱扣机构受电到脱扣器动作并使操 动机构解扣时止或者分闸动力控制系统的初级阀门触 动时止的时间 。 （2）分闸控制时间 从分闸动力控制系统受能到机构 传动触动的时间，对于机械连杆式操动系统，无分闸 动力控制 1、分闸 故无此项时间。 （3）分闸寄生时间 从机械传动触动开始到触头开始运 动的时间。 （4）逆超程时间 从触头开始运动到触头分离时止的时 间。 上述第三部分的时间是指机构运动链的间隙位移 和弹性变形引起的时间消耗。对于机械传动来说，运 动链在合闸位臵处于受力的紧张状态，链中各个环节 有一定的弹性变形，当解扣时，在触头获得运动之前， 这些环节由于力的松弛，应变消失而需要一定的时间。 只有应变消失之后触头才能从分闸动力获得相应的运 动（假设不产生反向应变）。这种由于弹性应变而引 起的时间延迟约为1～3ms。 1、分闸 5.全开断时间 全开断时间是指在全开断电流下，分闸过程从操动 机构接到分闸命令时起到电弧熄灭时止的时间，也就 是固分时间加燃弧时间。燃弧时间与起弧相角有关， 其下限称短燃弧时间，其上限称长燃弧时间。三相断 路器在单相试验时，既要求用短燃弧时间验证首相的 开断性能，同时还要求一长燃弧时间验证后两相开断 的性能。后两相的电流过零比首相开断过零的时间滞 后一定的电角度（如在三相不接地短路试验中为90° ）。又考虑三相之间的相位差，故长燃弧时间与短燃 弧时间的时间差可认为是8.33ms（在三相不接地短路 试验中），而IEC目前的规定是7 ms，这只能理解是 多种形式短路的综合反映。 1、分闸 缩短断路器的全开断时间对提高电力系统的稳 定性和提高输电线路的输送容量有很大好处。 对60周交流来说为33.3ms， 若考虑现代断路 器的长燃弧时间为一周波左右，则此种断路器 的固分时间对于50周或60周系统来说，相应地 分别要求为20左右或16.6 ms左右。 2、合闸 二、合闸 线路的正常送电，负荷的倒换，电压的引入等都 必须由断路器的合闸动作来完成。合闸以后，断路器 本身就处于警戒状态，在它所保护的范围内出现任何 故障，随时可以受命跳闸。 断路器在合闸状态下，必须保证具有足够的长期 通流能力和经受短路电流和电动力作用能力，而这些 性能与机构的设计有密切的联系。若机构设计不当， 或操动系统不能制锁，则在短路电动力作用下，断路 器触头会自行脱开；或因机构的输出力矩不够，触头 的轻微熔焊造成断路器不能开断，均将酿成事故。因 而合闸状态下的可靠性亦是十分重要的。 2、合闸 1.合闸速度： 合闸速度是指断路器触头以前半波内的平均速度。 它标志着断路器的运动系统在趋近于合闸时所应具有 的动能水平。待触头接触以后，由于阻力突然增大， 动触头的运动速度受到很大的阻力而降低。合闸速度 还影响预击穿特性，当合闸速度高时，预击穿距离就 小，其阻碍断路器关合的作用也小；反之，影响就大. 合闸速度是在合闸装臵的动力处于额定参数下所测得 的数据，可是在运行中，动力源的特性参数常常偏离 其额定值。对液压操动机构来说流体输出功有随操作 负荷大小而变化的适应性，因而动力额定参数的变化 而导致运动系统的功能的差异不很大。 2、合闸 2.合闸时间： 合闸时间是指从发合闸令到断路器的主触头刚合 时止的这段时间。在制造和运行过程中，测定合闸 时间往往可以得知断路器的操动系统是否处于正常 状态。 合闸时间由以下几部分组成： （1）启动时间 从启动电磁铁的线圈受电到电磁铁刚 顶开控制阀门时止的时间。 （2）合闸控制时间 从合闸控制装臵得电到合闸装臵触 动的时间 （3）合闸寄生时间 从合闸装臵触动到断路器的主回 路动触头触动的时间，此为消耗于机构的间隙和机 构传动的弹性变形的时间。 （4）逆开距时间 从动触头触动到与静触头刚接触的 时间。 2、合闸 上述四部分时间之中，占主要的是逆开距时间 ，因为动触头触动时，其速度为零，只有在合 闸过程中才能得到加速。所以刚接触时，往往 要经过一段较长的时间。在合闸的前一段行程 中速度在预击穿距离内才有意义，而这时动触 头恰已加速到需要的速度 当代的新型断路 器行程都很小，因而合闸时间亦缩短，合闸时 间的缩短给断路器的操动带来很大的好处，即 合闸的分散性可以缩小，因而电力系统的稳定 性可以提高。 ， 2、合闸 从机构设计的角度去缩短合闸时间，主要 从缩短启动时间和控制时间入手。采用快速启 动装臵可以将启动时间从10ms缩短到2ms。合 理地选择控制系统的结构参数，改善控制阀的 运动特性可以获得最短的控制时间。但若对合 闸时间没有严格的要求，过分地追求的合闸时 间，可能不是合理的办法，因为由此可能引入 导致操动不可靠的因素。 3、合分 三、合分 高压断路器在合闸过程中可能遇到线路故 障（如短路）而要求它立即跳闸的情况，因而 断路器应具有及时跳闸反应的能力，即当断路 器合到底立刻能进行无任何延迟的正常分闸。 这种反应能力依赖控制系统和机构传动系统的 实用性。 断路器合闸之后，立即进行分闸，则线路 接通的时间很短。在电力系统中，希望短路合 闸时断路器以最快的动作将短路断开，以保证 系统运行的稳定性，因而对断路器合分时的接 通时间，有一定的要求，而此时间成为金属短 接时间。 3、合分 最短的金属短接时间应由下列部分组成：（ 1） 关合超程时间:合闸过程中，从触头刚接触开 始到合到底停止之间的时间。 （2）停顿时间:从合到停止到断路器因执行分 闸命令而触动时止的这段时间。 （3）逆超行程时间:分闸过程中，从动触头到 与静触头脱离时止的这段时间。 断路器的金属短接时间与运行中的继电保 护有相互交叉的关系，因而在合分任务中要确 定电力系统承受短路的时间需对设备和保护作 详细的分析才能获知，而且设备的调整必须得 当。 4、重合和重合闸 四、重合和重合闸 在高压电力系统中常要求断路器在事故 跳闸后进行快速重合闸，以获得高的系统稳 定性。这种重合闸往往能排除系统中的一段 偶然性的短路事故而获得成功。但当重合后 短路仍未消除时，断路器在继电保护装臵的 作用下又可立即跳闸，这时的操作任务为重 合闸，即分闸以后再一个合分，如需再次强 送电，则可再设臵一个合分，即为分-合分合分，后一个合分前的时延要长一些，由具 体的系统保护确定。 5、高压断路器对操动机构的要求 5、高压断路器对操作机构的要求 对操动机构的要求很严格。作为电网主要保护和 控制元件的高压断路器，其动作可靠性是极为重要的。 断路器该动时不动，不该动时乱动，都会造成线路事 故，给电力系统带来巨大的损失。在电力设备中，断 路器及其操动机构的机械故障比之其它设备要多。这 主要是： 1）操动机构的润滑系统差，动作环节多。故出现故障的 可能性就大。 2）高压断路器工作条件比较恶劣。 3）断路器工作状态是非连续性的，有时甚至一年也动不 了几次，这样，隐患不易及时发现。 5、高压断路器对操动机构的要求 4）断路器及其操动机构类型多，结构差异大，因此， 在制造和维修方面积累经验比较困难。 因此，在设计操动机构时，必须特别注意下述几个 动作的性能及其动作的可靠性： 1.合闸 在电网正常工作时，用操动机构使断路器关合， 这时电路中流过的是工作电流，关合是比较容易的。 但在电网事故情况下，如断路器关合到有预伏短路故 障的电路上时，电路中出现短路电流，断路器导电回 路将受到较大电动力的作用，电动力F可用下式表示： F=1.02×10 ˉ7CI?max 式中C——回路系数，数值在几十至几百之间； Imax——短路电流最大值（A）。 由式可见，当电流Imax在几千安以下时，断路器导体 间的电动力通常可以略而不计。 5、高压断路器对操动机构的要求 而在短路故障时，电流可达几万安以上，此 时，电动力的数值就很可观了，有时可达几千 牛顿以上。另一方面，从断路器导电回路的布 臵以及触头的结构来看，电动力的方向又常常 是妨碍断路器关合的。因此，在关合有预伏短 路故障的电器时，由于电动力过大，断路器有 可能出现不能可靠关合，如触头合不到底，则 会引起触头严重烧伤，甚至断路器爆炸等严重 事故。因此，操动机构必须是以克服短路电动 力的阻碍，也就是具有关合短路故障的能力。 5、高压断路器对操动机构的要求 2.保持合闸 由于在合闸过程中，合闸命令的持续时间很短， 而且操动机构的操作功也只在短时间内提供，因此操 动机构中必须有保持合闸状态的装臵，以保证在合闸 命令和操动功能消失后使断路器保持在合闸位臵。 3.分闸 操动机构要能够进行电动或手动分闸。为满足灭 弧性能的要求，断路器还应具有一定的分断速度。使 分断时间尽可能缩短，以减少短路故障存在的时间。 4.自由脱扣与防跳跃 自由脱扣的含义是：在断路器合闸过程中如操动 机构又接到分闸命令，则操动机构不应继续执行合闸 命令而应立即分闸。 5、高压断路器对操动机构的要求 当断路器关合有预伏短路故障的电路时，若操动 机构没有自由脱扣能力，则必须等到断路器的触头关 合到底后才能分闸。这样有可能使断路器连续多次合、 分短路电流，这一现象称为“跳跃”。出现“跳跃” 现象时，会造成触头严重烧伤乃至爆炸事故。对具有 自由脱扣的操动机构，则不管触头关合到什么位臵， 也不管合闸命令是否解除，只要接到分闸命令，断路 器触头即执行分闸动作。所以，操动机构中必须要有 自由脱扣装臵。 高压断路器操动机构有弹簧操动机构、液压操动 机构、电磁操动机构、手动操动机构、气动操动机构、 电动机操动机构、永磁操动机构等。 第三章、 ZN12型断路器概述 1、ＺＮ１２－１０型线、弹簧操动机构的简单介绍 1、ＺＮ１２－１０型线年，由西安高压电器研究所、北京开关 厂、宝光电工厂和桂林粉末冶金研究所等单位联合与 原西德西门子公司签定技术合同，引进西门子公司生 产１０ＫＶ真空断路器的先进技术。于１９９０年８ 月由原机电部和原能源部组织并通过了样机鉴定。真 空断路器主要由北京开关厂研制成功。此后，由西安 高压电器研究所发证定型ＺＮ１２－１０型真空断路 器。（用在我公司2X600MW发电机组的厂用电中压系统 中。开关柜全部安装北京开关厂生产的GFC-3F型开关 柜。 ） 该型断路器主要由外屏蔽罩式陶瓷外壳真空灭弧室、 弹簧操动机构和绝缘支撑组成，具有结构简单、开断 能力大和寿命长等特点。图1在用钢板焊接成的机构箱 上固定有６只环氧树脂绝缘子，每相两只绝缘子呈Ｖ 形布臵。 1、ＺＮ１２－１０型真空断路器概况 绝缘子上固定着铸合金材料制成的上下接线座， 籍以安装真空灭弧室。 下出线部分装有软连接，其一端与灭弧室 动导电杆上的导电夹相连。在动导电杆下端装 有万向杆端轴承６，通过轴销７与下出线座上 的转向杠杆相连。开关传动主轴９上的拐臂未 端连有绝缘拉杆１０，从而驱动导电杆进行分 合操作。在绝缘拉杆与主轴上拐臂的连接处装 有触头弹簧。触头弹簧设计有一定的预压力， 其预压行程和终压行程之差常常称为触头的超 行程。 1、ＺＮ１２－１０型线型真空断路器概况 一、技术参数 1、额定雷击冲击耐受电压（全波） KV 75 2、额定短时，工频耐受电压（1分钟）KV 42 3、合闸时间：S ≤0.075 4、分闸时间：S ≤0.045-0.065 5、储能电机功率：W ≈275 6、储能电动机额定电压：V ≈110 220 7、储能时间：S 15 8、合闸电磁铁Ue ：V ≈110 220 9、分闸—Ue： V ≈110 220 10、操作顺序：分-0.3S-合分-180S-合分；分-180S-合分-180S合分 1、ＺＮ１２－１０型真空断路器概况 二、机械特性调整参数 1、触头行程： 11±1 mm 2、触头超行程： 8±2 mm 3、三相触头分、合闸同期性： ≤2 ms 4、每相回路电阻： ≤25 uΩ 5、相间中心距离： 210±1.5 mm 2、弹簧操动机构的简单介绍 ? 3AF型断路器的弹簧操动机构结构 原理图如图2所示,主要由储能机构 、锁定机构、合闸弹簧、分闸弹簧 、开关主传动轴、缓冲器和控制装 置等部件组成。 2、弹簧操动机构的简单介绍 图2 操动机构结构原理图 2、弹簧操动机构的简单介绍 储能机构主体是一个外壳为铸铝的减速箱1，其 内部装有两套蜗轮蜗杆。储能轴O3横穿减速箱，与蜗 轮蜗杆无机械联系。储能轴上套一轴套，该轴套用键 连在大蜗轮上，轴套上设有轴销，并装有棘爪。在储 能轴的右端装有一凸轮3，棘爪通过凸轮上的缺口带 动凸轮转动。在储能轴的左端装有曲柄，其外端挂有 合闸弹簧2。 减速箱的轴O2上装有三角形杠杆4，在该杠杆A轴 销处装有滚针轴承作为合闸滚轮。合闸时，合闸弹簧 的能量通过凸轮传递给合闸滚轮。在三角形杠杆的B 轴销处，连接有连杆9，其另一端与主轴O1上的拐臂 O1C相连，这样就形成了一组O1CBo2 四连杆机构， 用来传递合闸作用力。减速箱储能轴上还安装有带扣 合滚轮（滚针轴承）的拐臂，用来锁住合闸掣子13。 2、弹簧操动机构的简单介绍 电动储能时，接通电动机电源，轴套由减速箱中 的大蜗轮带动。当棘爪进入凸轮缺口时，使带动储能 轴O3转动，从而使挂在储能轴曲柄上的合闸弹簧拉伸 而实现储能。储能完毕后，减速箱轴销上的合闸滚轮 被合闸掣子锁住，维持储能状态。同时，曲柄上的小 连杆推动一弯板使微动开关打开，切断电机电源。在 面板孔中显示有机构已储能的机械指示。电机储能时 间应大于15s。 凸轮储能系统的两种状态如下图所示，其中，图（a） 为未储能状态，此时储能杠杆在合闸弹簧初拉力作用 下处于接近死点位臵（三点接近在一条直线上）。储 能开始后，杠杆3绕O3轴作逆时针转动，合闸弹簧被拉 伸储能。当杠杆3越过上死点位臵时[见图（b）]，该 杠杆就脱离减速箱中大蜗轮的制约， 2、弹簧操动机构的简单介绍 图3 凸轮储能系统结构 1---凸轮；2---扣合杠杆；3---杠杆；4---合闸锁扣； 5---合闸弹簧 2、弹簧操动机构的简单介绍 并在合闸弹簧拉力作用下，自动向逆时针方向继续转 动，直到扣合杠杆2被合闸锁扣4扣住为止。这时储能 机构就被锁定在储能状态。与此同时，微动开关动作 切断电机电源。储能时，扣合杠杆上的滚轮对合闸锁 扣作用力的大小决定于∠O6Ao3的大小，该角度越大， 其合闸锁扣力度越大，合闸脱扣电压也就越高。 手动储能时，先将手摇把插入减速箱前方的孔中， 并顺时针摇动约25圈，使棘爪进入凸轮缺口。然后再 继续手摇25圈，直到合闸弹簧储能完毕为止。手动储 能结束后应随即卸下手把。 2、弹簧操动机构的简单介绍 ? 3AF型断路器合闸操作 :先电动或手动按合闸 按钮使合闸电磁铁通电，此时（见图3）合闸 掣子13与减速箱轴销上的合闸滚轮脱开，并 在合闸弹簧力作用下，储能轴逆时针转动， 凸轮3压下三角形杠杆4上的滚针轴承A。然后 通过连杆9将合闸力传给主轴，并使之逆时针 转动，于是导电杆实现向上合闸操作。当主 轴旋转约60度时即被分闸掣子锁住，使开关 维持在合闸状态。在合闸过程中，分闸弹簧 12被拉伸，触头弹簧被压缩，为分闸作好了 准备。合闸终了后，由橡皮缓冲器8吸收剩余 动能，并在面板孔中有“合闸位置”指示。 2、弹簧操动机构的简单介绍 ? 合闸过程中的连杆系统如图4所示， 其中，图（a）的合闸弹簧已储能但 断路器处于分闸位置。此时接到合闸 信号后，合闸锁扣5作逆时针转动， 使扣合杠杆上的滚轮脱扣。储能轴O3 在合闸弹簧力逆时针转动，从而使轴 O3上的凸轮1压动三角形杠杆3上A点 处的合闸滚轮4。于是三角形杠杆绕 O2轴顺时针方向转动，经连杆6推动 O1轴旋转，从而使断路器合闸。 2、弹簧操动机构的简单介绍 图4 操动机构连杆系统状态示意图 （a）分闸状态已储能；（b）合闸状态未储能；（c）分闸状态未储能 1---凸轮；2---储能扣合杠杆；3---三角形杠杆；4---合闸滚轮；5---合闸锁 扣 6---连杆；7---分闸锁扣；8---分闸扣合杠杆；9---扣合滚轮 2、弹簧操动机构的简单介绍 ? 图（b）为开关合闸但合闸弹簧未储 能状态。此时分闸扣分杠杆8上的滚 轮D被分闸锁扣7扣住，由于合理选择 了凸轮已将三角形杠杆驱动至合闸位 置后，储能杠杆尚距下死点最终位置 约60度左右。这时，储能杠杆在合闸 弹簧力继续作用下转动，直至图（b ）所示的死点位置。这时，凸轮释放 了三角形杠杆，为分闸操作作好了准 备，因而也就具备了自由脱扣功能。 2、弹簧操动机构的简单介绍 图（c）为开关合闸后尚未储能而立即 分闸的状态。 ? 3AF型断路器如何实现分闸操作？ ? 电动或手动按分闸按钮使分闸电磁铁 通电，分闸掣子解脱，主轴在分闸弹 簧和触头弹簧作用下顺时针旋转，从 而带动导电杆向下运动而使开关分闸 。油缓冲器用来吸收分闸终了时的剩 余动能，并且可作为分闸定位。分闸 位置显示呈现在面板孔中。 ? 2、弹簧操动机构的简单介绍 2、弹簧操动机构的简单介绍 2、弹簧操动机构的简单介绍 棘 爪 第四章、真空灭弧室结构及原理 ? 1、真空灭弧室的基本结构 ? 2、真空灭弧室灭弧原理 ? 3、ＺＮ１２－１０型线AF）线、真空灭弧室的基本结构 （一）真空灭弧室的基本结构中间封接式：主屏蔽罩 固定在绝缘外壳中部的金属圆环上。触头间的电场 分布比较均匀。波纹管能在动触头往复运动时保证 真空灭弧室外壳的完全密封。从机械上讲，它是真 空灭弧室中最薄弱的元件。动、静触头每分合一次， 波纹管的波纹状薄壁就要产生一次大的机械变形。 长期频繁和剧烈的变形容易使波纹管困材料疲劳而 损坏，导致灭弧室漏气无法使用。因此真空灭弧室 的机械寿命主要决定于波纹管。 波纹管的种类很多，用在真空灭弧室中的有液 压成形的波纹管和薄片焊接成形波纹管由于受到加 工条件的限制，波纹管不能做得很长，加上波纹管 的最大压缩行程仅为自由长度的20%--30%，因此 它的绝对行程也不可能做得很大。 2、真空灭弧室灭弧原理 （一）真空灭弧室的基本结构 ? 屏蔽罩 真空灭弧室内常用的屏蔽罩有主屏蔽罩、 波纹管屏蔽罩和无法压屏蔽罩。 主屏蔽罩环绕着电弧间隙，主要作用如下： 1、真空灭弧室开断电流时，电弧会使触头 材料熔化、蒸发和喷溅。有了主屏蔽罩后可 以有效地防止金属蒸汽喷溅到绝缘外壳的内 表面，避免内表面绝缘性能下降， 2、真空灭弧室灭弧原理 ? 2、屏蔽罩可使交流电流过零时，灭弧室内 剩余的金属蒸汽和导电粒子径向快速地扩散 到屏蔽罩上，冷却、复合和凝结，有利于电 流过零后弧隙介质强度的提高，改善了灭弧 室的开断性能。屏蔽罩的温度愈低，冷凝效 果越好，。20℃时的冷凝系数为0.899， 175℃时为0.797，500℃时则降到0.5左右。 显然在一定程度上加大屏蔽罩的表面积增大 散热效果将有利于开断性能的提高。 2、真空灭弧室灭弧原理 ? 3、屏蔽罩的存在会影响动、静触头间的电 场分布。屏蔽罩设计得当将有利于触头间绝 缘强度的提高。 ? 主屏蔽罩要求散热性能好，材料大多采用铜 ，厚度在1mm左右。主屏蔽罩的固定方式分 两大灯，即固定电位式和悬浮电位式。 ? 固定电位式是将屏蔽罩固定在动触头（或静 触头上）上，如图3.1所示，因而电位是固 定的。这种方式的优点是结构简单。 2、线--动触头； 5---主屏蔽罩；6---波纹管屏蔽罩； 7---端盖；8---波纹 管 2、真空灭弧室灭弧原理 ? 但在开断大电流时电弧可能转移到静触头 与屏蔽罩间，导致屏蔽罩损坏。另外，也 可将屏蔽罩固定在动触头上，这可能导致 触头间电场分布恶化，影响电流过零后介 质强度的恢复。因而这种固定方式只用在 电压不高、开断电流不大的真空接触器和 负荷开关中。 ? 悬浮电位式屏蔽罩有四种不同的固定方式 ，如图3.2所示。 ? 1、中间封接式：主屏蔽罩固定在绝缘外壳 中部的金属圆环上。触头间的电场分布比 较均匀。 2、线 悬浮式电位的屏蔽罩 1---静触头；2---动触头 3---主屏蔽罩；4---波纹 管；5---瓷柱 2、真空灭弧室灭弧原理 ? 2、绝缘支柱式：由瓷柱或玻璃圆筒来支撑屏蔽罩。生产工 艺简单，成本较低。 ? 3、外屏蔽罩式：绝缘外壳焊在主屏蔽罩的两端。主屏蔽罩 是外壳的组成部分，有利于屏蔽罩的散热。 ? 4、绝缘端盖式：主屏蔽罩就是真空灭弧室的外壳。动、静 触头的沿面放电距离由高氧化铝瓷盘制成的端盖承担，因而沿 面放电距离受到灭弧室直径的限制，一般只用于12KV及以下的 真空灭弧室中。 波纹管屏蔽罩包在波纹管四周，防止金属蒸汽溅落在波纹管 上，妨碍波纹管工作和降低其使用寿命，波纹管屏蔽罩的厚度 较薄，约为0.5—1.0mm，材料为铜，也可采用不锈钢。 均压屏蔽罩装臵在触头附近，用以改善触头间的电场分布。 2、真空灭弧室灭弧原理 ? 波纹管 波纹管能在动触头往复运动时保证真空灭弧室外壳 的完全密封。从机械上讲，它是真空灭弧室中最薄弱 的元件。动、静触头每分合一次，波纹管的波纹状薄 壁就要产生一次大的机械变形。长期频繁和剧烈的变 形容易使波纹管困材料疲劳而损坏，导致灭弧室漏气 无法使用。因此真空灭弧室的机械寿命主要决定于波 纹管。 波纹管的种类很多，用在真空灭弧室中的有液压成 形的波纹管和薄片焊接成形波纹管，如图3.2所示。 2、真空灭弧室灭弧原理 （a）液压成形 （b）薄片焊接成形 图3.2 波纹管外形 2、真空灭弧室灭弧原理 液压成形的波纹管由 0.1mm—0.2mm 厚的不锈钢管经液压 成形后成为波纹管的主坯，再经过加工、修正和热处理后，制 成具有一定弹性和标准尺寸的波纹管。由于受到加工条件的限 制，波纹管不能做得很长，加上波纹管的最大压缩行程仅为自 由长度的 20%--30%，因此它的绝对行程也不可能做得很大。 在最大压缩行程下，波纹管的疲劳寿命只有数万次，这对真空 断路器的机械寿命要求几万次乃至十万次，负荷开关10万次—3 0万次，真空接触器上百万次的要求就很难适应了。理论分析表 明，波纹管的疲劳寿命与压缩行程的3.5次幂成正比，显然减小 压缩行程对提高波纹管的机械寿命是非常有效的。因此在调试 真空开关时经防止波纹管受到过量的压缩，开关操作时还应注 意过冲行程不宜过大以防止波纹管因压缩行程过大而降低使用 寿命。液压成形的波纹管的加工工艺相对简单，价格也比较便 宜。 2、真空灭弧室灭弧原理 薄片焊接波纹管是用 0.10—0.15mm厚的非导磁不锈 钢片冲压成环形薄片后依次逐个用氩弧焊焊接成形的 ，薄片焊接波纹管的长度可以根据需要任意增长，同 时工作行程可达自由长度的 60%以上，另外由于波纹 管的厚度比较均匀，每片的变形又不太大，因此疲劳 寿命长，一般可达几百万次，比液压成形波纹管的寿 命长得多。由于焊接工艺复杂、价格昂贵，使它的应 用受到一定的限制。通常用于机械寿命要求长、额定 电压等级高、触头行程大的线、真空灭弧室灭弧原理 二、交流真空电弧的熄灭原理 交流真空电弧的电弧电压随着正弦的电流变化而变化。小 电流下，电弧电压的瞬时值随着电流的增大而增加，经过电 流峰值后，电弧电压又会减小，如图3.3（a）所示。 图3.3 交流真空电弧的电弧电压 随着电流的增大，在电流峰值附近如果出现离子贫乏，电 弧电压就会突然升高 3.3(b)，电弧变得不稳定，有显著的高频 分量。以后，随着电流瞬时值的减小，电弧电压重新减小， 电弧也变得稳定了。继续增大电流，在电流到达峰值时值继 续增大，可能形成阳极斑点，阳极表面熔化，蒸发出大量金 属蒸气，这时的电弧电压又突然减小，电弧也由扩散型转变 志集聚型。一旦出现这个转变，在工频半波随后的时间内， 电弧将一直维持为集聚型图3.3(c)，电弧也就难以熄灭了。 2、线中，交流真空电弧电压 的变化反映了真空电弧形态 的变化。根据电弧电压的波 形可以大致判断真空电弧是 否将转变成集聚型，真空开 关的开断真空电弧是否已接 近极限。另外，由于真空电 弧的正伏安特性，使交流真 空电弧电压的变化不像其它 高气压交流电弧那样具有马 鞍形的特点，也没有燃弧和 熄弧尖峰。 图3.3 交流真空电弧的 电弧电压 2、真空灭弧室灭弧原理 交流电弧的电流是随时间作正弦变化 的且有电流自然过零的特点，这给熄 灭交流真空电弧带来极大的方便。 交流真空电弧一般在电流过零时熄 灭（出现截流时除外）。如果电流过 零前，真空电弧保持为扩散型，无阳 极斑点出现，则在电弧过零后，原来 的阳极变为新的阴极，新的阴极表面 温度低，不会有新的金属蒸气和电子、 离子产生。 2、真空灭弧室灭弧原理 原来的阴极在电流过零后 10-2us—10-1us内也失 去了发射电子的能力，因此只要原来弧柱中残留的 电子和离子能够快速地向径向扩散到屏蔽罩表 面， 经过冷却重新结合成中性原子和分子，电弧就能熄 灭。一般扩散型电弧在电流过零瞬间，各种粒子的 密度约为 1014/cm3—1016/cm3 。对于铜和银电极的 线us后的粒子密度能降低到10 12/cm3，相当于弧柱区的线Mp a以上，电弧间隙已经具有良好的绝缘性能。 2、真空灭弧室灭弧原理 只要真空开关的触头开距够大，足以耐受恢复 电压的作用，就能防止电弧复燃。这也是真空开关 能够在很高的恢复电压上升率下仍具有良好开断性 能的主要原因。 集聚型真空电弧与扩散型不同。虽然电流过零 电弧熄灭后，弧柱的等离子体也会向周围快速扩散。 但新的阴极表面留有面积为 1cm2—2cm2 ，厚度又较 深的熔化区，仍在蒸发出大量的金属蒸气，使弧柱 区的粒子密度在电流过零后1ms—2ms时间内仍维持 很高的水平，严重影响弧隙介质强度的恢复，电弧 难以熄灭。 2、真空灭弧室灭弧原理 当用钨、钼等难熔金属作电极时， 在熔点温度下具有很强的热发射 电子的能力，严重影响弧柱区介 质强度的恢复，使开断性能恶化。 一般采用钨、钼作为触头材料的 真空开关的开断电流只能达到 3K A—4KA。 3、ＺＮ１２－１０型线AF）真空灭弧室的特点 图示动触头为纯紫铜；触 头顶部凸台为铜铬合金 材 料。 3、ＺＮ１２－１０型线型线型线AF）真空灭弧室的特点 ? 横向磁场就是与弧柱轴线相垂直的磁场，它与 电弧电流产生的电磁力能使电弧在电极表面运 动，防止电弧停留在某一点上，延缓阳极斑点 的产生，提高了开断性能。 ? 横向磁场是靠触头中的电流流线产生的。螺旋 槽触头较为详细的结构原理图如图所示。触头 的圆盘直径较大，在中间突起的圆环形接触面 的外侧加工出几条螺旋形的槽口，用以限定电 流的流向。动、静触头的结构基本相同，只是 螺旋槽的螺旋方向相反。 付：3AH真空灭弧室外型 内 屏 蔽 罩 第五章、 ZN12型断路器检修 ? 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 ? 2、 ZN12型断路器线型断路器超、行程的测量 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 ㈠ ZN12型断路器故障分析及处理方法： 1、不储能 ⑴ 电机不转动;发现此类故障后，将断路器一、二 次回路电源全部切断，用万用表测量储能电气回路(见 图1)中微动开关的常闭触点WK1,W K2，如直阻较 大，将会造成储能电机的两端电压过低直至无电压，使 电机无法转动，故应对其进行清洗或更换;然后测量电 机绕组的直阻，若直阻不正常，则应考虑电机绕组的引 线处是否脱焊，电机绕组是否烧坏。 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 紧急情况下，可先更换储能电机备品，然 后对换下的电机进行维修。若是直流电机，还 应检查碳刷与换向器的接触情况，若接触不良， 应更换碳刷，或调整碳刷压紧弹簧，增大碳刷 的压紧力。万用表测址储能电气回路示意图 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 ⑵电机转动不停而弹簧储不上能; 此故障发生在储能机构。储能电机转动时，通过 蜗轮、蜗杆带动轴套转动，轴套上装一轴销，轴销 匕面装有一只棘爪，棘爪通过储能轴右端的缺口来 带动储能轴转动，从而使储能弹簧储能。出现 此 类 故障后，应首先检查棘爪的压紧弹簧是否疲劳、 折断或脱落，若损坏，可用专用工具对其进行更换; 若压紧弹簧正常，可用手动摇把摇动储能机构，看 轴套是否转动，若轴套不转动，则为减速箱内的蜗 轮、蜗杆等部件故障，应更换减速箱;若轴套转动， 则摇动25圈，看棘爪是否进入了凸轮缺口，棘爪与 缺口的接触是否良好，然后继续摇动，看棘爪与缺 口之间是否打滑，如接触不良而出现打滑现象应更 换棘爪。 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 2 、合闸失败 ⑴检查合闸控制回路(见图2)中微动开关W K3 的常开触点、防跳跃继电器ZLC的常闭触点、辅助开 关HK的常闭触点、联锁限制开关WKS常开触点接 触是否良好。如有接触不良现象，将造成合闸电磁铁 HQ的线圈无电压或电压过低，使断路器拒合，故应对 其进行清洗或更换。图 合 间 控 制 回 路 示 意 图。 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 ⑵检查合闸电磁铁，若合闸电磁铁烧坏、脱落或卡涩， 将直接造成断路器合闸机构不动作。处理方法如下: ① 用 万 用表测合闸电磁铁线圈的直阻，如直阻偏离正 常值过大，则应更换合闸电磁铁; ② 检 查 合闸电磁铁有无松动或脱落现象，如松动、脱 落则进行紧固; ③ 检 查 合闻电磁铁的动铁芯有无卡涩现象，如有则将 合闸电磁铁拆下，抽出动铁芯，用酒精擦洗电磁铁 内部和动铁芯上的污迹，然后看看动铁芯端部有无弯 曲现象，如弯曲则对其进行校正或更换新的合闸电磁 铁⑶检查合闸滚子及合闸掣子的表面有无裂痕及凹凸 现象、合闸滚子转动时有无卡涩和偏心现象。如存在 上述缺陷将会使得合闸滚子和合闸掣子脱离时的摩擦 力增大。另外，合闸滚子或合闸掣子因缺油或灰尘等 原因，也可引起转动困难，这些都可能造成合闸电磁 铁带电而断路器拒合。 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 处理方法:对转动时卜涩的部位进行清洗.加油;对转动 时偏心或表面有裂痕及凹凸现象的部件进行更换. ⑷ 检查分闸掣子与分闸滚子的扣入深度是否在1/2--3/5 的全碰面范围内，若分闸掣子或分闸滚子表面磨损量 过大，或分闸掣子位臵调整不当，将使分闸滚子和分 闸掣子间的扣人深度减少。当对断路器进行合闸操作 时，分闸滚子在主轴带动下使分闸掣子抬起，而分闸 掣子下落时产生的弹跳极有可能使分闸滚子在下落时 失去支撑，造成断路器合闸失败。分闸掣子的位臵是 通过位于其上部的调节螺丝来调整的，旋进则扣入深 度减少，旋出则扣人深度增加;如用调节螺丝无法将扣 入深度调节到上述范围内，则为分闸掣子或分闸滚子 磨损量超标，应更换相应部件。 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 ⑸检查分闸掣子组件的回转轴是否卡涩。当对断路器进 行合闸操作时，分闸滚子使分闸掣子抬起，待触头闭 合，分闸滚子回落到位时，分闸掣子由于回转轴卡涩 没有回转到位，使分闸滚子失去支撑，断路器跳闸。 处理方法:对回转轴进行清洗、加油。 ⑹检查机构箱内三角形杠杆上的滚针轴承(合闸滚轮)是 否损坏。如损坏将造成合闸掣子释放合IV]滚子此时， 凸轮因压不到合闸滚轮而空转，连杆不动作，断路器 拒合。合闸滚轮的更换方法如下:首先拆去连杆与主轴 拐臂间的轴销，使连杆处于自由状态，然后向前下方 拉动连杆至易于更换轴承的位臵，拆去旧轴承，在新 轴承内部加适量润滑油后，重新装回，最后装上连上 连杆。 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 经 以上 处 理后，必须对该断路器进行低电压试验， 合格后方能投人运行。 3 、拒分 ⑴检查分闸控制回路(见图3)中辅助开关HK的常开触点接 触是否良好，如接触不良，将会使分闸线圈TQ上无电 压或电压过低，造成断路器拒分。处理方法:对其进行 清洗或更换。 ⑵检查分闸电磁铁，若分闸电磁铁卡涩、脱落、烧坏， 将直接造成断路器分闸机构不动作。处理方法如下： 触面氧化，这时可将触头拐臂拆下，用金相砂纸将氧 化层去除后，重新紧固即可。分 闸 控 制 回 路 示 意 图 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 ① 用 万 用表测分闸电磁铁线圈的直阻，如烧坏则更 换分闸电磁铁; ② 检 查 分闸电磁铁有无松动和脱落现象，并对其固 定螺丝进行紧固; ③ 检 查 分闸电磁铁的动铁芯有无卡涩现象，如有则 拆下分闸电磁铁，抽出动铁芯，用酒精擦洗电磁铁内 部及动铁芯上的污迹，动铁芯端部如弯曲，则对其进 行校正或更换新的分闸电磁铁。 ⑶ 检查分闸滚子及分闸掣子组件，看分闸滚子及分 闸掣子转动轴是否因缺油或灰尘等原因而转动困难， 分闸滚子和分闸掣子的表面是否有凹凸现象，如有其 一将可能造成分闸电磁铁带电保持而分闸机构拒动。 处理方法:对表面有凹凸现象及裂痕的部件进行更换; 对分闸滚子及分闸掣子转动轴进行清洗、加油。 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 经 以上 处 理后，必须对该断路器进行低电压试验， 合格后方能投入运行。 4、分闸、合闸后均储能 从操 作 机 构的工作原理分析，该型断路器在合闸后 即储能:合闸时，合闸弹簧能量被释放，微动开关复位， 储能电机电源接通，合闸弹簧储能。分闸时，释放的 是分闸弹簧的能量，合闸弹簧能量应维持，微动开关 的常闭触点应处于断开状态，储能电机不应动作。出 现 分 、 合闸后皆储能的故障后，应检查合闸掣子与 合闸滚子中有无磨损量超标的情况，合闸掣子有没有 变形。这些都可能导致合闸掣子与合闸滚子间的扣入 深度过小。分闸时产生的振动，使合闸掣子释放合闸 滚子，而此时断路器没有分闸到位，机构处于合闸与 分闸状态之间，凸轮转动时不能压到三角形杠杆的滚 针轴承(合闸滚轮)上，致使合闸弹簧释放能量连杆机 构不动作。 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 时不能压到三角形杠杆的滚针轴承(合闸滚轮) 上，致使合闸弹簧释放能量连杆机构不动作。 检查过后，应对存在缺陷的部件进行更换，并 在做低电压试验合格后，方可投人运行。 5、 导电回路直阻超标 断路器导电回路直阻出厂标准为 25μΩ，检修标准为30μΩ。我们在对断路器 的检修中，曾发现过数起导电回路直阻超标问 题，最大直阻达到200多μΩ。经检查发现： 其主要问题在真空泡上部的接触面，因其与上 出线端之间仅有一颗固定螺栓，频繁操作时产 生振动极易造成螺栓松动； 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 其原国为导电夹固定螺丝松动及触头拐臂与上、下出 线端的接触面氧化，从而使接触电阻增大，最终造成 导电回路直阻超标。 处理方法: 对真空泡上部的固定螺栓及导电夹固定螺丝进行 紧固，如直阻仍然超标，则应怀疑触头拐臂与上、下 出线端的接触面氧化，这时可将触头拐臂拆下，用金 相砂纸将氧化层除去后，涂上凡士林，重新紧固即可。 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 6、绝缘拉杆疲劳、断裂等故障 6.1 故障分析 因此类故障都发生在绝缘拉杆与调节螺杆的连接处， 原因是绝缘拉杆的锁紧螺母，由于在频繁操作过程中 产生振动，造成锁紧螺母松动。致使绝缘拉杆与调节 螺的杆的连接处在每次的分合闸操作后产生衰减式振 动，最终导致绝缘拉杆疲劳，直至断裂。 6.2 处理方法 （1）更换为合格的绝缘拉杆； （2）测三相行程、超行程在标准范围内； （3）做机械特性试验和电气试验在合格标准范围内。 注：在更换绝缘拉杆，要严格执行制造厂的检修工 艺。因为真空断路器绝缘拉杆上装有触头压力弹簧， 弹簧有预压力。装配时一定要用专用工具。 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 因此压力时为了满足动、热稳定和温升的要求，以 及触头熔焊，必须施加的接触压力（可按触头压力与 额定短路电流的平方成正比关系来估算所要触头压 力）。 7、 严格控制触头行程和超程 国产 各 种 型号的10kV真空灭弧室的触头行程为 12mm左右，超程为3mm。应严格控制触头的行程和 超程，按照产品安装说明书要求进行调整。在大修后 一定要进行测试，并且与出厂记录进行比较。不能误 以为开距大对灭弧有利，因为过多地增加触头的行程， 会使得断路器合闸后在波纹管产生过大的应力，引起 波纹管损坏，破坏断路器密封，使线型断路器故障分析及处理方法 8 线 故障分析 在对断路器进行耐压试验时，发现有少数真空泡断口 间的耐压不合格。当拆去绝缘拉杆与变直机构相连接 的轴销，用手拉动真空泡的动导电杆时，与新真空泡 相比，感觉拉力明显减小。 从真空泡的结构来看，波纹管的一端与下法兰盘相焊 接，另一端与动导电杆相焊接。当对断路器进行分合 闸操作时，波纹管随动触头上下运行而被压缩或拉升。 随着操作次数的增多，波纹管及其焊接处易产生金属 疲劳，造成轻微漏气，破坏了真空灭弧室内的真空度。 （波纹管是真空灭弧室中最易损坏的部件，也是决定 其灭弧室电寿命的主要部件。） 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 8.2 处理方法 （1）更换合格的线）测三相行程、超行程在标准值范围； (3）做机械特性试验和电气试验在标准范围内。 注：更换新真空泡后，投运前要空载分、合几十次， 以提高真空泡的老炼成度和断路器的稳定性。 9 、严格控制分、合闸速度 真空 断 路 器的合闸速度过低时，会由于预击穿 时间加长，而增大触头的磨损量。又由于真空断路器 机械强度不高，耐振性差，如果断路器合闸速度过高 会造成较大的振动，还会对波纹管产生较大冲击力， 降低波纹管寿命。对一定结构的真空断路器有着最佳 合闸速度，可以按照产品说明书要求进行调节。 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 十、 触头磨损值的监控 真空 灭 弧 室的触头接触面在经过多次开断电流 后会逐渐磨损，触头行程增大，也就相当波纹管的工 作行程增大，因而波纹管的寿命会迅速下降，通常允 许触头磨损最大值为3mm左右。当累计磨损值达到或超 过此值，真空灭弧室的开断性能和导电性能都会下降， 真空灭弧室的使用寿命即已到期。 （ZN12型断路器包 括3AF型在合闸位臵从出线端看，灭 弧 室动触头下方 能否看到触头磨损白色标志，能看到白色标志；则触 头磨损在正常范围内；否则需更换。） 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 十一．减少断路故障发生率的措施 1 在使用时间达到20年或开断电流次数达到规定值后， 应对真空灭弧室的真空度认真检测，必要时应更换。 2 断路器出现故障后，应尽量减少断路器的操作次数， 以防事故的进一步扩大。 3 每年小修时，应清扫断路器外壳和各绝缘件表面的尘 埃赃物。应检查各部位螺丝有无松动现象，必要时应 拧紧。 4 在各转动部位加合适的润滑油，保证各连杆机构运动 自如。 5 必要时，应结合小修复测行程和超行程，并进行动作 电压和动作时间的测量。 6 定期对断路器的绝缘系统进行试验检查，（如对真空 灭弧试验结合大修或每1—3年进行—次交流耐压试 验。） 1、 ZN12型断路器故障分析及处理方法 7 在断路器运行一定时期后，要对触头的磨损量认真检 查。因为触头的磨损情况是真空开关灭弧室寿命判定 的重要两项指标之一。（另一项指标是真空度）。 注；灭弧室在下列情况下需要进行检查，必要时可以 采用更换真空开关管等措施。 真空灭弧室已达到了制造厂所保证的通断次数时； 真空灭弧室已达到了指定的检查周期时； 开断事故电流一定次数之后；其它如外观上发现异常 时。 （为了能够准确地控制每个真空灭弧室触头的磨 损值，必须从灭弧室开始安装使用时起，每次预防性 试验或维护时，就准确地测量开距和超程并进行比较， 当触头磨损后累计减小值就是触头累计磨损值。当然。 当触头磨损使动、静触头接触不良时，通过回路电阻 的测试也可以发现问题） 2、 ZN12型断路器真空灭弧室的更换 ㈡、线、拧松上出线，卸下上出线）螺钉（3） 步骤3、双手握住灭弧室往上提即可卸下； 步骤4、将新灭弧室导电杆用刚刷刷出金属光泽后涂上 工业凡士林； 步骤5、双手握住新灭弧室往下装入固定板大孔中，导 电杆插入导向套中； 步骤6、装好上出线端，注意三相垂直及水平位臵不超 过1MM，拧紧螺钉； 步骤7、装好轴销； 步骤8、拧紧固定板及导电夹螺钉。 3、 ZN12型断路器超、行程的测量 ㈢、 ZN12型断路器超、行程的测量 步骤1、灭弧室更换后应测量触头行程，量出分、合闸位 臵时的 X分、X合，X= X分- X合，触头行程X应为 11±1㎜。 步骤2、 量出分、合闸位臵 时的L分、L合，L= L分- L合。 L为触头超行程，数值应为8±1㎜。 步骤3、触头行程不符合要求时，可卸下绝缘拉杆的长度， 行程偏小，将特殊螺钉往里拧入，使拉杆变短；步骤 4、行程偏大时则将特殊螺钉往外拧出，使拉杆变长。 3、 ZN12型断路器超、行程的测量 3、 ZN12型断路器超、行程的测量 ? Ⅰ、 螺距为1.5㎜时,90°(0.375);180 °(0.75); 270°(1.125);360°(1.5㎜) ? Ⅱ、螺距为1.㎜时, 90°(0.25); 180 °(0. 5); 270°(0.75); 360°(1㎜) （经验数值供参考） 附：二电线kV高压开关柜采用上海GE公司生产的P/VⅡ-12 金属铠装移开式金属封闭开关柜，其中的1000kW以 下电动机和1250kVA以下变压器采用真空接触器柜 （F-C），其它采用线kV保护采用南京 电力自动化公司的NEP900系列产品。 VB2开关操动机构及合分闸动作原理 附：二电真空开关 操动机构的储能弹簧是一蜗卷弹簧，一台操动机构同时操作 三相极柱。主要包括下列部件：平面蜗卷弹簧33、储能手柄9、棘 轮35、传动链34、双臂移动连杆20 、绝缘拉杆18、主轴30、储能 电机（图中未画）、脱扣器 31、止动盘 32、辅助开关、控制设备 及仪表等。平面蜗卷弹簧有手动储能和电动机储能两种储能方式， 手动储能需操作手炳25下，电动机储能大约需要15秒 附：二电真空开关 合闸动作原理：当按下手动合闸按钮或启动合闸线圈，合闸 过程便开始。脱扣机构31释放由预先已储能的平面蜗卷弹簧并转 动主轴30，凸轮盘21和主轴30一起转动，并通过拨叉20推动绝缘 拉杆18，线带动向上运 动，直至触头接触为止，同时压力弹簧17被压紧，以保证主触头 有适当的接触压力，在合闸过程中分闸弹簧19也同时被压紧。 分闸动作原理：当按下手动分闸按钮或启动分闸线圈时，分 闸过程便开始。脱扣机构31允许仍有足够储能的平面蜗卷弹簧去 进一步转动主轴30，由凸轮盘21和拨叉20释放分闸弹簧19，于是 动触头15.3和绝缘拉杆18一起以一定的速度向下运动至分闸的位 臵。 高压断路器应用教程 高压断路器基础教程 2010.07.18 曹春荣（电气）
