高压开关电器high voltage switch gear

用于将3千伏及以上电路开断和闭合或使之与电源隔离的电气设备。对电路起控制、保护或安全隔离作用。高压开关电器可按功能分类为断路器、负荷开关、隔离开关、接地开关(图1)，还可按直流与交流、户内与户外、灭弧介质、用途及结构特征等方面的不同进行分类。

(a) 断路器

(b) 负荷开关

(c) 隔离开关

(d) 接地开关

图1 高压开关电器结构示意

高压开关电器由表1所示五部分组成。

表1 高压开关电器组成部件及其功能

名 称	主要零部件	功 能
开断装 置	主灭弧室、主触头 系统、主导电回路；辅 助灭弧室、辅助触头 系统、并联电阻等	开断及关合电路或 电气设备，安全隔离 电源
绝缘支 撑部件	瓷柱、瓷套管、绝缘 管等构成的支柱本 体、拉紧绝缘子等	保证开断装置有可 靠的对地及相间绝 缘，承受开断装置的 操作力及各种外力
传动系 统	各种连杆、齿轮、拐 臂、液压管道、压缩空 气管道等	将操作命令及操作 动力传递给开断装置 的触头和其他部件
基座	开关本体的底架、 底座等	整台产品的基础
操动机 构	弹簧、液压、电磁、 气动及手动机构的本 体及其配件等	为开断装置分合闸 操作提供能量，并实 现各种规定的操作

开关电器灭弧装置 用于熄灭因开关断开电流时形成电极电子发射、碰撞游离和热游离所产生的电弧。主要有以下装置：
油吹动灭弧装置 利用电弧本身的热量，使绝缘油分解，产生高压的油、气流，吹动电弧使之熄灭的装置。有：❶油纵吹灭弧室，灭弧过程如图2所示；
❷油横吹灭弧室，灭弧过程如图3所示；
❷油环吹灭弧室，灭弧过程如图4所示。管状的动触头侧面有孔，端部镶有绝缘，当它向下运动时产生电弧；绝缘端头将环形喷口中间圆孔堵塞并把高压气泡分隔成两部分，下部气泡使油流喷向环形喷口；向下移动的动触头又迫使油箱中的油经动触头内腔、侧面小孔喷向电弧区，加强灭弧效果。

图2 简单油纵吹灭弧室及其灭弧过程示意

图3 简单油横吹灭弧室及其灭弧过程示意

(a)合闸状态

(b)分闸过程

图4 油环吹灭弧室结构原理示意

压缩空气灭弧装置 利用2～4兆帕的压缩空气吹动电弧的灭弧装置。分为横吹和纵吹两类，纵吹灭弧室(图5)又可分为单向内吹、双向内吹和外吹三种方式。
六氟化硫气体灭弧室 利用六氟化硫(SF₆)气体吹动电弧的灭弧装置。SF₆气体绝缘强度高，高温下分解吸收热量使电弧冷却，其电气强度恢复速度快，灭弧性能好。装置分为单压式、双压式、旋弧式和自吹式几类。单压式又分为定喷口（定开距）和动喷口（变开距）两种。单压式动喷口灭弧室(图6)在开断过程中利用触头与压气罩的运动，产生气流吹动电弧。双压式灭弧室用于早期的六氟化硫断路器，根据六氟化硫气体的压力分为高压区和低压区。分断过程中控制阀门使高压区的六氟化硫气体流向低压区吹动电弧。旋弧式灭弧室利用电磁力使电弧高速旋转冷却而熄灭。自吹式灭弧室利用电弧能量加热气体建立吹弧压力。旋弧式与自吹式灭弧室均属自能式。

图5 压缩空气纵吹灭弧室示意

连操动机构

图6 单压式（压气式）灭弧室原理

真空灭弧室 利用高真空灭弧的装置(图7)。所有的灭弧零部件都密封在具有高真空度的绝缘材料（玻璃或陶瓷）制成的外壳内。真空中放电电弧是由电极斑点蒸发的金属蒸气形成。在弧柱内外，压力、质点密度差别极大。当电弧电流趋向零点时，输入电弧能量减少，电极斑点数目及金属蒸发减少，弧柱内质点密度降低。电流经过零点时电极斑点消失，电弧熄灭。之后弧隙质点迅速扩散，真空内的金属蒸气在外壳或屏蔽罩上冷凝，真空的电气强度以20千伏/微秒的速度恢复，经几微秒电气强度即可恢复到冷态的一半，电弧不能重燃。开关出厂时，灭弧室应保持压力小于9.8×10^-6帕，运行时压力应小于9.8×10^-4帕。

图7 真空灭弧室结构原理

1.动触杆；2.波纹管；3.外壳；4.动触头；5.屏蔽罩；6.静触头

断路器 具有开断和关合负荷电流及短路电流能力的高压开关电器，是电力系统中重要的电气设备。根据灭弧介质不同分为：❶油断路器。利用矿物油作为灭弧介质的油吹高压断路器，分为少油式和多油式两种。少油式断路器中的油仅作为灭弧介质和分断后触头间的绝缘介质。多油式断路器中的油，除上述作用外，还作为带电部分之间及其对地的绝缘。少油式断路器用油量少、体积小、重量轻、完全可靠，但不适用于寒冷地带。35千伏及以下电压级多采用户内(N)少油(S)式，110伏及以上电压级多采用户外(W)少油(S)式。多油式断路器多用于户外，用油量多，笨重而动作可靠，配套性强（带有电流互感器），受气候条件影响较小，应用于中压系统。
❷六氟化硫断路器。采用六氟化硫气体作为灭弧介质的气吹高压断路器，分为户内式或户外式。户外式一般采用单压式灭弧装置，又分为瓷柱式和罐式两类。瓷柱式的灭弧室处于高电位放在瓷套管中，罐式的灭弧室置于接地的金属罐内，重心低、抗地震性好，易于加装电流互感器，还可与隔离开关、接地开关等组成复合式开关设备。户内式一般采用旋弧式灭弧装置，适于组装在开关柜内，广泛使用于中压系统。
❸真空断路器。由多个单元真空灭弧室组成电压更高的断路器。真空断路器开距小，燃弧时间短，系列性好，结构简单，重量轻、体积小，操作功率小，使用安全，维护简便；但在使用中截流过电压是一个最突出的问题，切除感性负荷时应根据回路条件采取保护措施。在运行中灭弧室的真空度检测仍是难题。
❹压缩空气断路器。利用压缩空气吹动灭弧的高压断路器，其开断性能和绝缘性能较好，但结构复杂，需要庞大的压缩空气系统，维护工作量大，目前仅在超高压，大容量系统还有应用。
❺固体产气断路器。用灭弧室内壁的固体产气材料在电弧作用下产生气体吹动而熄灭电弧的断路器。常用产气材料有聚氯乙烯硬塑料、有机玻璃、三聚氰胺甲醛树脂等。但其灭弧能力低，动作噪音大，运行中应注意防水。适用于农村电力网。
负荷开关 主要用于开断和关合负荷电流的高压开关电器。分为通用型和专用型两种，35千伏及以下的通用型负荷开关具有以下开断和关合能力：❶开断数值不超过额定的有功负荷电流和闭环电流；
❷开断不大于10安的电容电流或限定长度的架空线路充电电流；
❸1250千伏安配电变压器的空载电流；
❹关合额定的“短路关合电流”。专用型负荷开关用于开断电流超过上述限额的电路或开断电流超过其额定电流80%的电容器组。按灭弧装置不同，负荷开关可分为压气式、油浸式、固体产气式、真空式、压缩空气式和六氟化硫式等几类。各类负荷开关的结构与同类断路器类似，而开断电流能力比断路器低，结构较简单。
负荷开关主要用于：❶配电线路分段自动控制；
❷某些电器设备投切自动控制；
❸与高压熔断器配合代替断路器作为配电线路的短路保护；
❹带有热脱扣器的负荷开关可用作电气设备的过载保护。
隔离开关 灭弧能力很小，在分闸状态下造成明显（直接或间接）可见断口间隙的开关电器，俗称刀闸。其种类有：户内式、户外式，输配电用，发电机引出线用，变压器中性点接地用和快分用等多种。户内式隔离开关额定电压一般不超过20千伏，多采用三相共座式结构和三相联动操作方式。触头运动方式有水平回转式和垂直回转式两类。220千伏及以下常用户外隔离开关，采用三相联动操作或单相操作，除上述的触头运动方式外，还有伸缩式和直线移动式。绝缘支柱有单柱式、双柱式和三柱式等三类。户外隔离开关分合时应有自消除触头表面污垢及氧化膜功能和克服风力及其他外力影响的自调节能力。为防止切断小电流时烧伤接触面，还需设置引弧棒或灭弧角，在重冰雪地区还应有破冰机构。
隔离开关没有专门的灭弧机构，仅利用开断时迅速拉长电弧增加电弧电压降的方法熄灭小电流的电弧，隔离开关开断的小电流参考值如表2所示。隔离开关主要用于：❶设备或线路检修与分段时进行电气安全隔离；
❷在断口两端等电位条件下倒换母线改变接线方式（倒闸操作）;
❸分合一定长度线路、电缆等小电容电流；
❹分合一定容量的空载变压器及电压互感器的小励磁电流。

表2 隔离开关开断小电流参考值

额定电压（千伏）	电感电流（安）	电容电流（安）
6、10 30、35 63、110 220、330	4 3 3 2	2 2 1 0.5

接地开关 一种将电路直接接地的开关电器，可制成单独的设备，也可与隔离开关组合在一起，分为工作接地开关和快速接地开关两种。❶工作接地开关。线路或设备检修时用于接地的安全保护设备，俗称接地刀闸。一般为手动操作，宜用于分段母线，63千伏及以上断路器两侧隔离开关和线路隔离开关的线路侧。
❷快速接地开关。能够自动合闸造成预定接地短路的接地开关，又称接地短路器。它动作后使与之相连的熔断器动作或上一级断路器跳闸，实现系统故障保护。