1.2 高压断路器

1.2.1 产品概述
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、关合和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置。
1.2.2 产品分类与特点
1 常用高压断路器类别与特点(见表1.2.2-1)

表1.2.2-1  高压断路器类别与特点

2 高压断路器分类（见表1.2.2-2）  

表1.2.2-2  高压断路器分类

1.2.3 主要技术性能
1 高压断路器技术性能
  1)额定参数：额定电压；额定绝缘水平；额定频率；额定电流；额定短时耐受电流；额定峰值耐受电流；额定短路持续时间，对于未装直接过电流脱扣器的断路器而言；合闸和分闸机构以及辅助回路的额定电源电压；合闸和分闸机构以及辅助回路的额定电源频率；操作及灭弧用压缩气体源的额定气压(如采用时)；额定短路开断电流；出线端故障的额定瞬态恢复电压；额定短路关合电流；额定操作顺序；额定时间参量；额定近区故障特性，对额定电压在72.5kV及以上，且额定短路开断电流大于12.5kA，设计成直接与架空输电线连接的三极断路器；额定线路充电开断电流，用来开合架空输电线的三极断路器；额定失步开断电流；额定电缆充电开断电流；额定单个电容器组开断电流；额定背对背电容器组开断电流；额定电容器组关合涌流；额定小感性开断电流；额定异相接地的开合试验；二次侧短路开断的试验；噪声及无线电干扰水平。
  2)时间参量额定值
对下列时间参量规定了额定值：分闸时间上下限；开断时间；合闸时间上下限；分一合时间；重合闸时间；合一分时间。额定时间参量根据以下规定：合闸和分闸机构以及辅助回路电源电压的额定值；合闸和分闸机构以及辅助回路电源频率的额定值；供操作和灭弧用压缩气体源的气压额定值。
2 高压断路器配套产品
高压断路器的配套产品主要是操动机构，其产品常用的有弹簧贮能操动机构和电磁操动机构如CT8、CT10、CT18、CT19A、CT19B。CD10、CD19等，此外还有手力贮能操动机构、手力操动机构、
气动机构和液压机构。操动机构标准均属高压断路器产品标准中的一部分此处不再重复详见有关标准。
1.2.4 产品选用要点
1 高压断路器选用要求
  1)一般原则
为保证高压电器在正常运行、检修、短路和过电压情况下的安全，高压电器应按下列条件选择：
    ①按正常工作条件包括电压、电流、频率、机械荷载等选择；
    ②按短路稳定条件包括短时耐受电流、峰值耐受电流、关合和开断电流等选择；
    ③按环境条件包括温度、湿度、海拔、地震等选择；
    ④按承受过电压能力包括绝缘水平等选择；
    ⑤按各类高压电器的不同特点包括开关的操作性能、熔断器的保护特性配合、互感器的负荷及准确等级等选择。选择高压电器时应校验的项目见表1.2.4-1。

表1.2.4-1  选择高压电器时应校验的项目

注：1 表中“√”为选择电器应进行校验的项目。
       2 以上按电器设备用于50Hz的情况，用于其他频率时对频率也要检验。
       3 环境条件仅按户内型产品考虑。
       4 其它项指操作性能、上下级配合、二次负荷准确等级等内容。
       5 组合电器中的高压负荷开关和熔断器选择除应分别满足相关要求外，还应进行转移电流或交接电流的校验。
  2)按正常工作条件选择高压断路器
    ①按工作电压选择
选用的高压断路器，其额定电压应符合所在回路的系统标称电压，其允许最高工作电压Umax不应小于所在回路的最高运行电压Uy，即

高压电器的额定电压及最高电压见表1.2.4-2。

表1.2.4-2  高压电器的额定电压及最高电压

    ②按工作电流选择
高压电器的额定电流In不应小于该回路在各种可能运行方式下的持续工作电流Ig，即

    ③按机械荷载选择
高压开关电器接线端子允许的水平机械荷载见表1.2.4-3。

表1.2.4-3  高压开关电器接线端子允许的水平机械荷载

  3)按短路稳定条件选择高压电器
    ①短路稳定性校验的一般要求
校验高压电器短路稳定性及高压电器开断电流所用的短路电流，应按设计规划容量计算，并应考虑电力系统的远景发展规划。确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式计算。
验算高压电器用的短路电流应按下列情况进行计算：
      a 除计算短路电流的衰减时间常数外，元件的电阻可略去不计。
      b 在电气连接的网络中应计及具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。
      c 高压电器的短路稳定性以及短路开断电流，可按三相短路验算，当单相、两相接地短路较三相短路严重时，应按严重情况验算。
验算高压电器短路热效应的计算时间宜采用后备保护时间加相应的断路全分闸时间。
校验断路器的断流能力，宜取断路器实际开断时间的短路电流作为校验条件。装有自动重合闸装置的断路器，应计及重合闸对额定开断电流的影响，
用高压熔断器保护的电压互感器回路，可不验算动稳定和热稳定。用高压限流熔断器保护的高压电器，可根据限流熔断器的特性验算其动稳定和热稳定。
    ②短路电流的热效应
短路电流在高压电器中引起的热效应。短路电流持续时间。
    ③短路稳定性校验
短路的热稳定校验。短路的动稳定校验。
  4)按环境条件选择高压电器
选择高压电器时，应按当地环境条件校核。对于户内型产品，校核温度、湿度、海拔、地震等。
    ①选择电器的环境温度
选择户内高压电器时其环境温度为该处通风设计温度。当无资料时，可取最热月平均最高温度加5℃。最热月平均最高温度为最热月每月最高温度的月平均值，取多年平均值。普通高压电器一般可在环境最低温度为-30℃时正常运行。户内型高压电器最低温度为-10℃。
    ②选择电器的环境湿度
选择电器的环境湿度，应采用当地相对湿度最高月份的平均相对湿度(相对湿度——在一定温度下，空气中实际水汽压强值与饱和水汽压强值之比；最高月份的平均相对湿度——该月中日最大相对湿度值的月平均值)。对湿度较高的场所，应采用该处实际相对湿度。当无资料时，可取比当地湿度最高月份平均值高5％的相对湿度。一般高压电器可使用在环境温度+20℃、相对湿度为90％的环境中。当相对湿度超过一般产品使用标准时，户内型高压电器使用场所应采取除湿措施。
    ③高海拔对高压电器的影响
电器的一般使用条件为海拔不超过1000m。
高海拔对高压电器的影响是多方面的，主要是对温升和外绝缘的影响。
当海拔超过1000m时，由于气温降低足够补偿海拔对温升的影响，因而在高海拔(不超过4000m)地区使用时，其额定电流可与一般地区一样。海拔增加，空气绝缘强度减弱，使电器外绝缘降低(对内绝缘没有影响)。
在海拔超过2000m的地区，对于110kV及以下电压的高压电器，可选用高原型产品或选用外绝缘提高一级的产品。当海拔为1000～2000m时，对现有110kV及以下电压等级的大多数电器的外绝缘尚有一定裕度，因此设计时可选用一般产品。但对高海拔地区选用的避雷器应为高原型产品。
    ④地震对高压电器的影响
地震对电器的影响主要是地震波的频率和地震振动的加速度。一般电器的固有振动频率与地震振动频率很接近，应设法防止共振的发生，并加大电器的阻尼比。地震振动的加速度与地震烈度和地基有关，通常用重力加速g的倍数表示。
选择电器时，应根据当地的地震烈度选用能够满足地震要求的产品。电器的辅助设备应具有与主设备相同的抗震能力。在安装时，应考虑支架对地震力的放大作用。根据《电力设施抗震设计规范》进行抗震设计。地震基本烈度为7度以下地区的电器可不采取抗震措施，在7度及以上地区，电器应能承受的地震力，可按表1.2.4-4计算。

表1.2.4-4  电器应能承受的地震力

注：g为重力加速度。

5）高压电器的绝缘水平
3~15（20）kV高压电器的绝缘水平应符合GB311.1-1997《高压输变电设备的绝缘配合》的3~15（20）kV输变电设备的基准绝缘水平的有关规定，见表1.2.4-5所示。

表1.2.4-5  3~15（20）kV输变电设备的基准绝缘水平

对3～15kV设备给出绝缘水平的两个系列，即系列Ⅰ和系列Ⅱ。
按系列Ⅰ设计的设备适用于下列场合：
    ①在不接到架空线的和工业装置中，系统中性点经消弧线圈接地，且在特定系统中安装适当的过电压保护器；
    ②在只经变压器直接接到架空线上的系统和工业装置中，变压器低压侧(3～15kV)的电缆的每相对地电容至少为0.05μF，当电缆对地电容不足时，应尽量靠近变压器接线端增设附加电容器，使每相总电容达0.5μF，并应用适当的避雷器保护。
在所有其他场合，或要求很大的安全裕度时，均须用系列Ⅱ的设备。
  6)按各类高压电器的不同特点选择高压断路器的操作性能
    ①额定短路开断电流的选择
短路开断电流中的直流分量随短路的起始角而变化，断路器应满足额定短路开断电流的直流分量的规定值。当断路器在电气上离发电机足够远时，选择的断路器额定短路开断电流不小于断路器安装处的短路电流有效值即可。
当断路器临近发电中心，直流分量的百分数高于标准值，交流分量可能比正常情况衰减得更快，短时电流甚至可以几个周波过零。此时断路器的负荷可用断路器延时分闸的方法予以减轻。直流分量百分数高于标准值，则应向制造厂提出要求，进行试验。
    ②额定短路关合电流的选择
额定短路关合电流应与额定电压相对应。其值应为断路器额定短路开断电流交流分量的2.5倍(即接近于1.8倍)。被选择断路器具有的额定短路关合电流应不小于在使用地点预期的短路电流的最大峰值。
    ③额定操作顺序的选择
断路器的额定操作顺序为：
      a 分—180s—合分—180s—合分；
      b 分—0.3s(或0.5s)—合分—180s—合分(用于快速自动重合闸的断路器)。
当运行的操作顺序比标准规定更苛刻时应向制造厂提出，由制造厂适当地修改断路器的额定值。
    ④额定失步开断电流的选择
联络断路器应满足失步(反向)开断条件。
额定失步开断电流一般为25％和40％的额定短路开断电流。工频恢复电压对于有效接地系统为2.0  ，必要时为2.5  ，对于非有效接地系统为2.5  ，必要时为3.0  (Um为最高电压)。瞬态恢复电压标准值见国标GB1984—2003，当预期有经常性失步操作或可能存在超负荷时，则需考虑实际系统的条件，可能需要特殊的断路器或较高额定电压的断路器。
失步操作的苛刻度，可由配有阻敏元件的继电器以控制脱扣的时间来减轻，以便使开断相位显著地领先或滞后于180°相角差。
    ⑤额定异相接地故障电流、发展性故障电流及关于开断电流的选择异相接地故障开断是指中性点非有效接地系统中的两个相上，处于断路器的内侧和外侧各产生一个单相接地时的开断。试验电流值为额定短路开断电流值的86.6％；试验电压为最高电压；操作顺序为“分—0.3s或0.5s—合分—180s—合分”；调频参数按100％容量整定。其余要求参照关于端部短路的有关规定。
发展性故障开断是指断路器在切断故障灭弧过程中，接着又发生故障的开断。
并联开断在桥形等接线中，有两台断路器同时切断一个故障点的情况。
    ⑥额定近区故障开断电流的选择
近区故障开断是指距离断路器数百米到数公里处发生短路时的开断。额定电压35kV及以上的断路器进行这项试验。开断电流为额定短路开断电流的75％、90％，电流频率、工频恢复电压和瞬态恢复电压按GB1984—2003《高压交流断路器》确定，操作顺序为：“分—tl—合分—180s—合分”。
    ⑦额定线路充电开断电流、额定电缆充电开断电流、额定电容器组开断电流、额定电容器组关合涌流、额定感应电动机开断电流、额定空载变压器开断电流、额定电抗器开断电流等的选择。标准中对上述各项开断电流和关合电流未作规定，但使用中应按制造厂给出的试验数据选用。
2 工程设计相关规范、规程及国家建筑标准设计图集
《低压配电设计规范》GB 50054。
《供配电系统设计规范》GB 50052。
《10kV及以下变电所设计规范》GB 50053。
《民用建筑电气设计规范》JGJ 16—2008。
《火力发电厂和变电站照明设计技术规定》DL／T 5390—2007。
《变电站总布置设计技术规程》DL／T 5056—2007。
《10／0.4kV变压器室布置及变配电所常用设备构件安装》03D 201—4。
《变配电所二次接线》D 203—1～2(2002年合订本)。
《变配电系统智能化设计(10kV及以下)》03D 602—1。
1.2.5 施工安装要点
1 施工安装要点
详见国家建筑标准设计图集。
2 施工安装验收规范
《建筑电气工程施工质量验收规范》GB 50303。
《电气装置安装工程 质量检验及评定规程 第2部分：高压电器施工质量检验》DL／T 5161．2—2002。
《高压试验装置通用技术条件第2部分：工频高压试验装置》DL／T 848．2—2004。
《变电站运行导则》DL／T969—2005。
1.2.6 相关标准
《电工术语 高压开关设备》GB／T2900．20—1994。
《高压电力设备外绝缘污秽等级》GB／T 5582—1993。
《高压开关设备和控制设备标准的共同技术要求》GB／T 11022—1999。
《高压开关设备抗地震性能试验》GB／T13540—1992。
《电磁兼容 限值 中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估》GB／Z 17625．4—2000。
《电磁兼容 限值 中、高压电力系统中波动负荷发射限值的评估》GB／Z 17625．5—2000。
《电工术语 发电、输电及配电 变电站》GB／T 2900．59—2008。
《高压输变电设备的绝缘配合》GB 311．1—1997。
《绝缘配合 第2部分：高压输变电设备的绝缘配合使用导则》GB／T 311．2—2002。
《高压交流断路器》GB 1984—2003。
《交流高压断路器的合成试验》GB／T4473—2008。
《高压开关设备六氟化硫气体密封试验方法》GB／T11023—1989。
《高压电器设备无线电干扰测试方法》GB／T11604—1989。
《设备用断路器》GB 17701—2008。
《高压电器设备无线电干扰测试方法》GB／T11604—1989。
《变压器、高压电器和套管的接线端子》GB／T5273—1985。
《特殊环境条件高原用高压电器的技术要求》GB／T 20635—2006。