大连理工大学网络教育学院
本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目： 高压开关技术的研究
层 次： 专科起点本科
专 业： 电气工程及其自动化
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2022年5月17日
内容摘要
随着我国电力事业的迅速发展,人们对于电力系统可靠性和安全性的要求越来越高。电力设备正朝着大型化、自动化和智能化的方向发展。高压开关是电力系统中最重要的控制和保护设备,在电网中的作用至关重要,其故障带来的后果是十分严重的。一旦电力系统发生故障,即使只引起生产设备短暂的停止工作,也会造成巨大的损失。
本论文所要研究的高压开关技术，了解高压开关的发展现状及未来几年的发展趋势，以及国内、外高压开关发展情况，及高压开关的结构、工作原理、电气特性等；结合工作实际分析其常见故障；结合工作实际通过故障分析结果给出相应的解决方案。
关键词：断路器；负荷开关； SF6；操动机构；弹簧
目 录 内容摘要..................................... ............................. .......................... .................... .......Ⅱ |
1.1 高压开关的发展现状与趋势............................................................................. 1
1.2 国外高压开关的发展情况................................................................................. 3
1.3 我国高压开关的发展情况................................................................................. 3
2.1 高压断路器特点与组成结构............................................................................. 5
2.2高压六氟化硫断路器操作机构及工作原理...................................................... 6
3.2 高压断路器常见故障及分析........................................................................... 10
1 绪 论
1.1 高压开关的发展现状与趋势
电力系统是一个很大的实时工作系统。它的发电、变电、输电、用电是在同一瞬间完成的，随着电力系统的覆盖范围越来越广、电力机组的容量越来越大、供用电及电力系统安全性要求越来越高，需要电力系统能够用很完备的自动控制方式来协调。要让先进的控制系统最终能够实现控制，配备较为新型的断路器、组合电器是提高运行可靠性的重要措施之一。
高压开关设备是主要用于关合与开断正常或故障电路、或用于隔离高压电源的电器，它的发展很迅猛。目前，开关产品已从初期的油断路器、空气开关，进入到了真空断路器和SF6断路器及其成套设备（GIS）为主的新时代；设备电压等级也从交流12kv、40.5kv提升到750kv，并正在向1100kv特高电压等级发展；机械加工从最基础的工艺手段发展到具有适合规模化、专业化生产的大型数控机床、加工中心、柔性生产线及专用工艺装备；产品性能从仅能满足近距离机械连锁操作，向可以远距离、无人值守的自动遥控、遥测操作发展；产品灭弧机理、灭弧室结构设计研发更为科学、先进，也更安全可靠；产品实现了真正意义上的计算机辅助设计，产品主要技术性能越来越进步、完善。
随着电力系统对配电系统的质量和可靠性要求的提高，对高压开关设备的性能要求也越来越高。为了满足当今社会对高质量产品的需求许多研究、设计和生产部门做了大量的卜作;另外，基础理论，材料技术、生产工艺、加工工艺和新技术的应用，也使得高压开关设备的技术水平有了很大的进步。这些综合起来大概有以下7个因素:
(1)环保。六氟化硫气体由于其优良的绝缘和灭弧性能，日前在高压电器中得到了广泛的应用，全球生产的六氟化硫气体约50%用于电力行业其中80%用于高压开关设备。但由于1997年《京都议定书》的签署使各国在逐步停止或减少六氟化硫电器的使用，日前尚未找到合适的替代气体，六氟化硫气体在电器生产中仍然有着其不可替代的作用。
(2)新介质、新材料的应用。对于户外产品而言，环境适应性能的提高(污秽，湿热，高海拔，盐雾和大气污染)是至关重要的，因此耐紫外线、强度高和自洁型的新型有机绝缘材料也在户外产品中得到广泛的应用，比如新型的户外环氧树脂、户外硅橡胶、聚氨醋、陶瓷等新型材料等等;另外，金属防腐技术也是高压开关厂家重点研究的课题。
真空断路器由于其优良的灭弧性能和少维护、免维护的特点，尤共是小型化、低重燃的真空灭弧室的应用，在户外配电断路器中所占比例越来越高。
(3)免维护。目前免维护产品(15一20年使用周期)的研究与开发是高压电器生产厂家的目标和方向。目前，用于六氟化硫断路器/重合器的弹簧操动机构可以做到2000次到500。次，用于真空断路器/重合器的弹簧操动机构基本上可以做到1000次机械稳定性，电磁操动机构(含永磁操动机构)可以做到5000次机构寿命，基本可以满足大多数用户的需求。但是控制永磁操动机构的电容器、蓄电池和电子设备的使用寿命只能达到7年左右与设备本体的要求并不匹配。
(4)小型化。目前，复合绝缘技术、气体绝缘技术和小型化真空灭弧室的使用，使得户外配电设备的尺寸和重量与以前相比大幅度减小。同时，电子测量控制设备的发展，使电流传感器和电容式分压器在高压电器产品中的应用成为可能，进一步减小了高压电器的体积。
(5)组合电器。户外配电开关设备的使用过程中，经常需要多种高压电器同时使用，因此许多厂家经常将两种以上的电器产品组合使用，如断路器一隔离开关组合电器、负荷开关一隔离开关组合电器、负荷开关一熔断器组合电器等等，一方而降低了成本，另一方面方便了用户的安装和使用。
(6)最优人机关系。将操动简便可靠、电动遥控操动、清晰的状态指不融人到开关的设计中，同时模块化的设计，插接式安装方式，二次系统现场总线使得现场快速安装成为可能，同时免维护开关设备和自动监测系统极大的减少了运行人员的工作量。新型的控制器及配网自动化系统可以将开关的状态即时传送到运行管理人员的电脑上，以及四遥系统的实现大大减少了运行人员的工作量。
(7)智能化。高压开关设备的智能化是“十五”时期装备工业集传统的机械装置与电子产品、电子技术相结合的机电一体化新一代产品，钾能化既是一个个体又是一个系统。迄今为止，智能化只是一个泛指，相关行业并无一个规范的术语和定义。对于一个元件来讲，可以理解是按照智能化的要求植人一个或多个元素或者功能，如传感器、通讯接日等;对于开关成套设备，如配电设备、开关柜等，则可理解是对一个系统的综合要求，诸如自动化、远动化、四遥、在线监测等。
1.2 国外高压开关的发展情况
世界上高压开关的生产主要集中在欧洲几大公司（如西门子、ABB、Alston等）和日本几大公司（如三菱、东芝、日立等），它们的产品基本上代表了世界发展水平。2004年法国Alston公司研制出了采用真空和SF6复合式灭弧室的145kv等级的高压断路器，降低了高压断路器的外形尺寸和操作功，提高开断能力，增强电气特性，缩短燃弧时间。日本东芝公司生产的GIS封闭式组合电器紧实小型化，防止环境污染，操作安全，维护方便。德国西门子公司在生产传统高压开关的同时研制出第二代热膨胀灭弧室和双向运动触头系统，对提高产品操作寿命有很大的益处。随着紧凑型高压开关设备的兴起，欧洲几大公司如ABB、西门子、Alston都竞相推出此类产品，它比起普通空气绝缘开关设备可节省占地面积60%，又比GIS节省大量费用。这些公司共有的特点是产品更新换代快，研究费用的投入比例较大，并且建立了强大的试验研究基地，这也是我国和他们之间最大的差距。
1.3 我国高压开关的发展情况
国内开关产品生厂商主要分布在东部沿海地区和陕西、甘肃、河北、河南等中西部地区；其中包括国内知名的“五大开”大型国有企业，即北京开关厂、平顶山天鹰集团有限责任公司、西安高压开关厂、上海华通开关厂、沈阳高压开关有限责任公司。还有很多如天水长城开关厂等中型国有企业、新兴民企、及合资企业。
我国高压开关行业经过50年的发展已建立了品种齐全、参数性能与国际接轨的产品体系，这些产品在品种、性能、质量、数量及生产能力等方面，基本可以满足我国电力工业发展和城乡电网建设与改造要求，不少产品已达到国际先进水平。我国在20世纪70年代末开始引进法国MG公司500kv SF6瓷柱式气体断路器设计制造技术，80年代又引进了日本三菱和日立公司500kv SF6气体断路器和封闭式组合电器（GIS）的设计制造技术。目前国产500kv气体断路器已在电网中大量使用，500kv封闭式组合电器在大型电站、变电所运行，110kv、220kv和330kv封闭式组合电器也在电网中大量使用。随着我国城市电网建设速度加快，封闭式组合电器将得到大量的运用，但相比国外产品，国产封闭式组合电器和气体断路器在可靠性、密封性和运行业绩方面还存在较大的差距，零部件的质量问题比较突出，配套能力差，在很大程度上制约了我国高压开关电器的发展。
在我国输配电系统中，60年代使用多油断路器、空气断路器，技术较落后，1968年华光电子管厂研制出第一只运用于商品化的真空开关管，但由于各种原因与国外的产品质量相差甚远。70年代初，我国开始引进第一台SF6断路器。经过20多年的努力发展，现在我国的电力系统中高压开关设备几乎全部使用SF6断路器和真空断路器。
目前我国以40kV电压等级为界，40kV以上高压开关全部使用SF6断路器，40kV以下以真空断路器为主。SF6断路器分为两种结构，一种为罐式，目前在电网中运行的252kV,363kV,550kV罐式SF6断路器已有数百台，它以其优良的环境适应能力，系统配套性和高运行可靠性得到用户的认可。另一种为瓷柱式，它可以通过灵活串接方式获得任意电压额定值，加之低成本，使其在500kV以下的超高压领域显示出优势。
真空开关广泛应用于40kV以下电压等级的电网内，分为真空断路器和真空接触器两种。目前我国110kV双断真空断路器已研制成功，它是由单断口真空断路器串接而成。真空接触器则主要用于中、低压配电系统中。
1.4 本论文的主要工作
本文首先介绍的是选题背景，高压开关的发展现状及未来几年的发展趋势，以及国内、外高压开关发展情况，提出目前我国高压开关发展的不足之处。.介绍所研究高压开关的结构、工作原理、电气特性等；结合工作实际分析其常见故障；结合工作实际通过故障分析结果给出相应的解决方案。
2 高压开关概述
变配电中承担输送和分配电能任务的电路，称为一次电路或一次回路，亦称主电路。一次电路中所有的电气设备，称为一次设备。
凡用来控制、指示、监测和保护一次设备运行的电路，称为二次回路或二次电路，亦称副电路。干净电路通常在互感器的二次侧。二次电路中的所有电气设备，称为二次设备。
一次设备按其功能来分，可分以下几类：
（1）变换设备 其功能是按电力系统工作的要求来改变电压或电流等，例如电力变压器、电流互感器、电压互感器等。
（2）控制设备 其功能是按电力系统工作的要求来控制一次设备的投入和切除，例如各种高低压开关。
（3）保护设备 其功能是用来对电力系统进行过电流和过电压等的保护，例如熔断器和避雷器等。
（4）补偿设备 其功能是用来补偿电力系统的无功功率，以提高电力系统的功率因数，例如并联电容器。
（5）成套设备 它是按一次电路接线方案的要求将开关一次设备及二次设备组合为一体的电气装置，例如高压开关柜、低压配电屏、动力和照明配电箱等。
2.1 高压断路器特点与组成结构
高压断路器（high-voltage circuit-breaker，文字符号为QF）的功能是，不仅能通断正常的负荷电流，而且能接通和承受一定时间的短路电流，并能在保护装置作用下自动跳闸，切除短路故障。高压断路器是电力系统中最重要的设备，它既要根据电网运行要求，将一部分电气设备或线路投入或退出运行状态转为备用或检修状态，又要在电气设备或线路发生故障时，通过继电保护装置动作高压断路器将故障部分从电网中迅速切除，保护电网的无故障部分得以正常运行。
因此，高压断路器及其运行可靠性直接关系到整个电力系统的安全运行和供电质量，在电力系统中起着十分重要的作用。高压断路器按功能可分为以下几部分：
①导电部分：断路器导通电流的部分。它允许通过长时间的正常负荷电流和一定时间的异常电流，如过负荷电流和短路电流。
②绝缘部分：保证断路器电气绝缘的部分。它包括三个基本方面，即对地绝缘、相间绝缘和断口绝缘。
③接触系统和灭弧装置：执行电路的开断和关合的部分。它表征断路器的合闸和分闸的能力。
④操作系统：促使触头分断和接通的部分。它赋予断路器以规定程序的动作以及一定的动作时间和速度。
高压断路器按其采用的灭弧介质分，有油断路器、六氟化硫断路器、真空断路器以及压缩空气断路器、磁吹断路器等，其中过去应用最广的是油断路器，但现在它已在很多场所被真空断路器和六氟化硫断路器所取代。油断路器现在主要在原有的老配电装置中继续使用。
油断路器按其油量多少和油的功能，又分多油和少油两大类。多油断路器的油量多，其油一方面作为灭弧介质，另一方面又作为相对地甚至作为相与相之间的绝缘介质。装置中广泛采用少油断路器。下面重点介绍我国过去广泛应用的SN10－10型户内少油断路器及现在广泛应用的六氟化硫断路器和真空断路器。
高压断路器全型号的表示和含义如图2.1所示。
图2.1 高压断路器全型号图
2.2高压六氟化硫断路器操作机构及工作原理
六氟化硫断路器是利用SF6气体作灭弧和绝缘介质的一种断路器。SF6是一种无色、无味、无毒且不易燃的惰性气体。在150℃以下时，化学性能相当稳定，但它在电弧高温作用下要分解，分解出氟有较强的腐蚀性和毒性，且能与触头的金属离子化合为一种具有绝缘性能的白色粉末状的氟化物。因此这种断路器的触头一般都设计成具有自动净化的功能。然而由于上述的分解和化合作用所产生的活性杂质，大部分能在电弧熄灭后几个微秒的极短时间内自动还原。SF6不含碳元素，这对于灭弧和绝缘介质来说是极为优越的特性。前面介绍的油断路器是用油作灭弧和绝缘介质的，而油在电弧高温作用下要分解出碳，使油中的含碳里增高，从而降低了油的绝缘和灭弧性能。因此油断路器在运行中需要经常监视油色，适时分析油样，必要时要换新油。而SF6断路器就无此麻烦。SF6又不含氧元素，因此它也不存在使金属触头氧化的问题。因此SF6断路器较之空气断路器，其触头的磨损较少，使用寿命增长。SF6除了具有上述优良的物理、化学性能外，还具有优良的电绝缘性能。在300kPa下，其绝缘强度与一般绝缘油的绝缘强度大体相当。特别优越的是SF6在电流过零时，电弧暂时熄灭后，具有迅速恢复绝缘强度的能力，从而使电弧难以复燃而很快熄灭。
SF6断路器的结构，按其灭弧方式分，有双压式和单压式两大类。双压式具有两个气压系统，压力低的作为绝缘，压力高的作为灭弧。单压式只有一个气压系统，灭弧时，SF6的气流靠压气活塞产生。断路器的静触头和灭弧室中的压气活塞是相对固定不动的。跳闸时，装有动触头和绝缘喷嘴的气缸由断路器操作机构通过连杆带动，离开静触头，造成气缸与活塞的相对运动，压缩SF6，使SF6通过喷嘴吹弧，从而使电弧迅速熄灭。
操作机构是高压断路器的重要组成部分。带触点的开关电器，只有通过触头的分、合闸动作才能达到开断与关合电路的目的，因此必须依靠一定的机械操作系统才能完成。断路器的操作机构由储能单元、控制单元和力传递单元组成。
传统的高压断路器都是带触头的电器，通过触头的分、合动作达到开断与关合的目的，因此必须依靠一定的机械操作系统才能完成。在断路器本体以外的机械操动装置称为操动机构，操动机构与断路器动触头之间连接的传动部分称为传动机构和提升机构。
高压SF6断路器的操动机构有多种型式，如弹簧操动机构、气动机构、液压机构、液压弹簧机构等。
根据灭弧室承受的电压等级和开断电流的差异，SF6产品选用弹簧机构、气动机构或液压机构。弹簧机构、气动机构、液压机构各自的特点比较见表2.1。
表2.1 弹簧机构、气动机构、液压机构各自的特点比较
机构类型 比较项目 | 弹簧机构 | 气动—弹簧机构 | 液压机构 |
储能与传动介质 | 螺旋压缩弹簧/机械 | 压缩空气/弹簧 压缩性流体/机械 | 氮气/液压油 压缩性流体/非压缩性流体 |
适用的电压等级 | 40.5KV—252KV | 126KV—550KV | 126KV-550KV |
出力特性 | 硬特性，反应快，自调整能力小 | 软特性，反应慢，有一定自调整能力 | 硬特性，反应快，自调整能力大 |
对反力，阻力特性 | 反应敏感，速度特性受影响大 | 反应较敏感，速度特性在一定程度上受影响 | 反应不敏感，速度特性基本不受影响 |
环境适应性 | 强，操作噪音小 | 较差，操作噪音大 | 强，操作噪音小 |
人工维护量 | 最小 | 较小 | 小 |
相对优缺点 | 无漏油、漏气可能；体积小，重量轻 | 稍有泄露不影响环境；空气中水分难以滤除，易造成锈蚀 | 制造过程稍有疏忽容易造成渗漏，尤其是外渗漏；存在漏油、漏液可能 |
以弹簧操动机构为例，弹簧操动机构是一种以弹簧作为储能元件的机械式操动机构。弹簧的储能借助电动机通过减速装置来完成，并经过锁扣系统保持在储能状态。开断时，锁扣借助磁力脱扣，弹簧释放能量，经过机械传递单元使触头运动。
弹簧操动机构结构简单，可靠性高，分合闸操作采用两个螺旋压缩弹簧实现。储能电机给合闸弹簧储能，合闸时合闸弹簧的能量一部分用来合闸，另一部分用来给分闸弹簧储能。合闸弹簧一释放，储能电机立刻给其储能，储能时间不超过15s（储能电机采用交直流两用电机）。运行时分合闸弹簧均处于压缩状态，而分闸弹簧的释放有一独立的系统，与合闸弹簧没有关系。
FK-4弹簧机构动作过程（合闸储能）：合闸弹簧储能：电机一旦通电后，它就会通过惯性飞轮上的减速齿轮以及链条给合闸弹簧储能。合闸弹簧储能到位后，齿轮停在惯性飞轮上没有齿的位置，而减速齿轮则会停下来，以免合闸掣子受力变形。
FK-4弹簧机构动作过程（分闸）：分闸线圈通电时或手动操作分闸杠杆时，分闸掣子就会脱开拐臂。在分闸弹簧的作用下，主轴将沿顺时针方向旋转60°。直到“分闸”位置。缓冲器将吸收剩余的能量，以便分闸动作能平衡完成。
