4.10断路器
10.1掌握断路器的作用、功能、分类
10.2了解断路器的主要性能与参数的含义
10.3了解断路器常用的熄弧方法
10.4了解断路器的运行和维护工作要点发输配和供配电历年考题统计
2005年 2006年 2007年 2008年 2009年 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 2 1 0 1 1 1 0 1 1 0 2008年 2009年 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 1 1 1 2 2 1 0
4.10.1电气设备
(1)一次回路与一次设备。直接生产、转换、输送和分配电能的电路，称为一次电路或一次回路，也称为一次系统或主电路。一次回路中所有的电气设备，称为一次设备或一次元件，主要有:
1）进行电能和转换的设备，如发电机、变压器和电动机。
2）用于正常或事故时，接通和断开电路的开关设备，如断路器、隔离开关、熔断器和接触器等。
3)限制电流和防御过电压的设备，如限制过电流的限流电抗器，限制过电压的避雷器，保护输电线路免受雷击的接闪线等。
4）载流导体及其绝缘设备，如裸导体母线、架空线、电缆、绝缘子、穿墙套管等。
5）仪用互感器：电压互感器和电流互感器。
6）接地装置：工作接地和保护接地。
（2）二次回路与二次设备。控制、指示、监测、保护一次设备运行的电路，称为二次电路或二次回路。二次回路中所有的电气设备，称为二次设备或二次元件，主要有：
1)测量表计：电压表、电流表、功率表和电能表，用来监视、测量电路的电殖、电流、功率、电能等,
2）继电保护及自动装置。继电保护的作用是当发生故障时，作用于断路器跳阐，将故障切除。自动装置用于实现发电厂的自动并列、发电机自动调节励磁、电力系统频率自动调节、输电线路自动重合闸、备用电源自动投入等。
3）直流电源设备，如直流发电机组、整流装置、蓄电池组等，用作直流操作、保护、监测设备的直流电源，以及事故照明用电等。
4）控制装置和信号装置，如实现配电装置中断路器合闸、跳闸的按钮等操作电器，断路器的信号位置灯、主控制室中用于反映电气设备状态的中央信号装置等。
一次回路与二次回路通过互感器相连接。
4.10.2.高压断路器
高压断路器的特点：断开电路中负荷电流和短路电流，正常运縣时作倒换运行方式,IE设备或线路接入电路或退出运行，起控制作用；设备或线路故障时，快速切除故障回路、保证无故障部分正常运行，起保护作用。要求有足够的开断能力和尽可能短的动作时间工作可靠性高。
(1)高压断路器中的电弧。
1）电弧的产生。当开关电器断开电压大于10～20V、电流大于80～100mA的电路时，触头间产生电弧。电弧的产生，绝缘介质发生了物态的转化。物质有固态、液态和气态三态；三态随着温庚的升高而改变。当物质变为气态后温度继续升高，一般要到5000°C以上，物质转为第四态即等离子体态。任何等离子体态的物质以离于状态存在的，具有导电的特性。
(电弧的形成过程：介质向等离子体态的转化过程，电弧的产生和维持是触头间中性质点（分子与原子）被游离的结果，游离就是中性质点转化为带电质点
(游离过程：强电场发射、碰撞游离、热电子发射和热游离。
（a)强电场发射：加有电压的开关电器触头开始分离时，触头间距离很小，触头间会形成很强的电场强度，当电场强度E=U/s>3X106V/m时，金属触头阴极表面就会发射自由电子。
（b）碰撞游离：由强电场发射和热电子发射，在空间产生大设自由电子，触头间(从阴极出来）的自由电子在电场力的作用下，向阳极做加速运动，能量逐渐增加。在向阳极运动的过程中不断与介质（空气或别的物质）发生碰撞，使中性质点游离成正、负离子，这称为碰撞游离。
碰撞游离使介质带电质点剧增，在外加电压作用下，触头间介质被击穿，大量的电子向阳极运动，触头间肜成电流，发出巨大的声响和强烈的白光，这就是电弧。
加速运动获得动能的自由电子不断与其他粒子发生碰撞，是束缚在原子核周围的电子释放出来，形成自由电子和正离子.
（c)热电子发射：在开关分闸时，动静触头之间的接触压力和接触面积减小，接触电阻增大，接触表面产生局部高温，阴极金属材料中的电子获得动能而溢出成为自由电子。电弧形成后的高温使阴极表面出现强烈的炽热点，不断发射出电子，在电场力的作用下做加速运动。
(d)热游离：介质的分子和原子在高温下将产生强烈的分子热运动，获得动能的中性质点之间不断的发生碰撞，游离成自由电子和正离子，即所谓热游离。
电孤产生的过程:当触头开始分离时，由于触头间间隙很小，会形成很高的电场强度，阴极触头表面在强电场作用下发射电子，发射的电子在触头电压作用下产生碰撞游离，形成电弧。在高温的环境下，阴极发生热电子发射，并在介质中发生热游离，使电弧维持和发生。
碰撞游离产生电弧，而维持电弧燃烧的主要因素是热游离。
2)电孤的熄灭。要熄灭电弧，必须减少触头间的正、负离子，即去游离。去游离过程包括复合和扩散两种形式。
(复合去游离：弧柱中带正电和带负电的质点，在运动过程中互相吸引结合成中性质点的现象称为复合去游离。复合的快慢与电场强度、电弧的温度和截面积有关。复合速率与带电质点的体积浓度成比例，与电弧直径二次方成反比。
(扩散去游离：弧柱中正、负离子从电弧内溢出，进入周围介质中的现象，称为扩寄去游离。扩散出去的带电粒子使弧柱内的带电粒子减少，因此，扩散有助于电弧熄灭。
游离与去游离是同时存在的。当游离作用大于去游离作用时，电弧电流增大，电弧增强；若游离作用等于去游离作用时，电弧电流保持不变，电弧稳定燃烧；若去游离作用大于游离作用，电弧电流减小，使电弧熄灭。
要使电弧熄灭，必须设法使去游离速度大于游离速度。
断路器弧隙电压恢复过程。由于实际电路中电容，电感电流与电压不同相。当电弧电流过零电弧熄灭时，电源电压不为零，弧隙电压不能立即从熄弧电压上升到电源电压，需要一个恢复过程，称为电压ur(t）恢复过程[周期性（振荡性质）成非周期性（非振荡性质）]。恢复电压ur（t）由瞬变恢复电压utr和工频恢复电压usr组成，在电压恢复过程中，首先出现在弧隙两端的是具有过渡过程特性的瞬变恢复电压utr(时间很短不超过几百微秒，从熄弧电压过渡到稳态值之间的暫态分量）;瞬变恢复电压消失后，弧隙两端出现由工频电压决定的电压为工频恢复电压usr(电弧熄灭后加在弧隙上的恢复电压稳态值)。
1)电弧电流过零时刻弧隙的电压为熄弧电压ur0。
2)断路器断开交流电路时，熄灭电弧的条件是弧隙介质强度恢复电压ud(t)大于弧隙恢复电压ur(t),即ud(t)>ur(t)。图4.10-1中，当弧隙恢复电压按曲线ur1变化时，在t1时刻以后，由于弧隙恢复电压大于弧隙介质恢复电压，电弧重燃；如果弧隙恢复电压的恢复速度降低，如曲线ur2，其恢复过程始终低于弧隙介质强度恢复电压的恢复过程，电弧就会熄灭。即弧隙介质强度恢复速度快于弧隙电压的恢复速度时，电弧熄灭。
3）断路器QF跳闸产生电弧，能否开断电路和对电力系统的影响取决于电弧电流过零自然熄灭后，介质强度的恢复电压与电源电压恢复的状态。
断路器开断短路电流是弧隙电压恢复过程。图(（a）为中性点接地的发电系统在电源出口处发生短路时的示意图，断路器带有并联电阻r，r也是熄弧后的弧隙电阻。当只研究一相电路时，其等效电路如图(b)所示。当电弧电流过零时，电流电压不同相位，电源电压瞬时值为U0，称为开断瞬间恢复电压。认为U0近似不变，以直流电源代替分析。断路器电压恢复过程相当于电源为的直流电源突然合闸。其等效电路如图c所示。
根据图可得线性常系数微分方程
求微分方程得
其中
特征根为实根，uc为非周期震荡过程由于R<
特征根为共轭复根，uc为周期性过过度（非震荡），(
由于，R<
则由于R、r存在，恢复电压最大值一般小于2U0,电路中可能出现过电压。
周期性过程中电压恢复的平均速度（固有震荡频率的半个周期恢复电压为震荡过程，不仅可能引起过电压，断路器熄弧困难。
特征根为实根，uc为非周期震荡过程（非震荡）；最大值不会超过工频电源电压幅值，为临界情况。由于R<
.
因此当断路器触头上并联电阻电压恢复过程为非周期性；当r>rcr时，为周期性过程。当并联电阻r
⑷断路器的开断能力。断路器应能潭用于同一电压下不同参数的电路和不同的安装1地点，断路器的弧隙恢复电压与线路参数和开断瞬间工频恢复电压9有直接关系，短路形式影响断路器的幵断能力。
1）单相短路电路。断路器开断单相短路电路，起始工频恢复电压近似等于电源电压最大值，即
U0≈Um
2）中性点不直接接地的三相短路电路。断路器开断中性点不接接地的三相短路电路，断路器开断三相电路时，电弧电流先过零的相为首先开断相，电弧先熄灭。以A相首先开断为例进行分析，A相断路器靠近短路侧触头电压，相当于B、C两相线电压的中点电位。A相开断后断口上的工频恢复电压为相电压的5倍，经过0.005s（电角度90°)后,B、C两相的短路电流同时过零，电弧同时熄灭。电源电压加在B、C两相弧隙上。即
断路器开断三相电路时，首先开断相的恢复电压最大。断口电弧的熄灭关键在于首先开断相，后续断开相使触头烧坏、喷油、喷气现象比首先断开相严重。
3）中性点直接接地的三相接地短路电路。断路器开断中性点直接接地的三相接地短路电路，零序阻抗与正序阻抗比小于等于3时，首先开断相的恢复电压工類分量为相电压的1.3倍,第二断相的恢复电压工频分量为相电压的1.25倍；最后开断相的恢复电压工频分量为相电压。中性点直接接地系统中，各相开断相的工频恢复电压与中性点不直接接地相同。
4）两相短路电路。中性点直接接地系统中两相短路最严重，工频恢复电压为相电压的1.3倍,
其余均为0.866倍的相电压。
断路器开断短路故障时的工频恢复电压与电力系统中性点接地方式、短路故障类型以及三项开断顺序有关，首先开断相的工频恢复电压最高。首先开断相的工频恢复电压最大值为
Usm-------电压最高运行电压
K1--------首先开断相的开断系数，首先开断相的工频恢复电压与相电压之比
(c)
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