发电厂及变电站电气设备第4章.docx

第4章 电气设备及载流导体
教学要求：掌握高、低压开关电器的结构特点、工作原理、电气参数及其应用，重点掌握断路器的工作原理；掌握互感器的作用、结构、接线方式及准确度等级；掌握母线、电缆、绝缘子、限流电器的工作原理、结构及应用。

4.1高压开关电器
4.1.1 概述
在电力系统的各类电力装置中，主要电力元件如发电机、变压器、线路、母线等，在改变运行方式或停电检修时，需要进行正常的投入与切出；在出现故障时则须迅速分断短路电流，切除故障电路，以保证系统或装置的其他部分的正常工作。这种直接用于正常投切和故障切除电路的电气一次设备称为开关电器。
开关电器的分类有以下三种方式：
1．按电压高低分类
开关电器按使用电压的高低分为高压开关电器和低压开关电器两类，后者用于1kV及以下电力网络中。
2．按安装场所分类
开关电器按安装场所分为户内式和户外式两类，其中低压开关电器除少数例外，多为户内式；110kV及以上的开关电器主要是户外式。
3．按功能分类
根据开关电器在开断和关合电路中所担负的任务的不同，分为以下几类：断路器、隔离开关、负荷开关、熔断器。
将高压负荷开关和熔断器装配在一起的组合式开关电器，具有类似高压断路器的功能，在某些电路中可代替断路器使用。

4.1.2 高压断路器
4.1.2.1 高压断路器的用途
高压断路器是高压电器中最重要的部分，是电力系统一次设备中控制和保护的关键电器，受它控制和保护的电路，无论在空载、负载或短路故障状态，都应可靠地动作。
总的来讲，高压断路器在电网中起两方面的作用：一是控制作用，即根据电网运行的需要，将部分电气设备或线路投入或退出运行；二是保护作用，即在电气设备或电力线路发生故障时，继电保护自动装置发出跳闸信号，启动断路器，将故障部分设备或线路从电网中迅速切除，确保电网中无故障部分的正常运行。
4.1.2.2 高压断路器的基本要求
由于断路器在电路中担负特别重要的任务，必须满足以下基本要求：
1．工作可靠。断路器应能在规定的运行条件下长期可靠地工作，并能在正常和故障情况下准确无误地完成关合和开断电路和的指令，其拒动或误动都将造成严重的后果。
2．具有足够的开断能力。断路器的开断能力是指能够安全切断最大短路电流的能力，它主要决定于断路器的灭弧性能，并保证具有足够的热稳定和动稳定。开断能力的不足可能发生触头跳开后电弧长时续燃，导致断路器本身爆炸飞弧，引起事故扩大的严重后果。
3．动作快速。在电路发生故障时，快速地切除故障电路，不仅能缩短电力网的故障时间和减轻巨大短路电流对电气设备的损害，而且能增加电力系统的稳定性，提高整个系统的供电可靠性。
4．具有自动重合闸性能。输电线路的短路故障大多数是临时性的。为了提高电力系统运行的稳定性和供电可靠性，线路保护多采用自动重合闸方式，即在发生短路故障时，继电保护动作使断路器跳闸，切断故障点的短路电流，经很短时间后断路器又自动重合闸，恢复正常供电。若故障仍然存在，则断路器必须立即跳闸，再次切断短路电流，这要求断路器在第一次大电流灭弧后很快恢复灭弧能力，完成后续次的灭弧。
5．结构简单，经济合理。在满足安全、可靠的同时，还应考虑到经济性。故要求断路器的结构力求简单、尺寸小、重量轻、价格合理。
4.1.2.3断路器的基本参数
断路器的特性和工作性能可用以下基本参数来表征：
1．额定电压。指断路器长时间运行能承受的正常工作电压。它不仅决定了断路器的绝缘水平，而且在相当程度上决定了断路器的总体尺寸和灭弧条件。 由于输电线路有电压降，电网不同地点的电压可能高出额定电压10%左右,使断路器可能在高于额定电压下长期工作，故制造厂规定断路器的最高电压对于10~220kV的为1.15倍额定电压，对于330kV及以上为1.1倍额定电压。
2．额定电流。它是断路器的触头结构和导电部分在规定环境温度下允许通过的长期工作电流，其相应的发热温度不会超过国家标准。它决定了断路器触头及导电部分的截面，并且在某种程度上也决定了它的结构。
3．额定开断电流。指断路器在额定电压下能可靠开断的最大短路电流的有效值。它表征断路器的开断能力。由于开断电流与电压有关，当断路器降低电压级使用（例如10kV断路器用于3~6kV电网）时，具有相应增大的开断电流，但有一最大值，称为极限开断电流。
4．额定开断容量。断路器的开断能力也可间接用开断容量Skd来表示，在三相电路中其大小等于额定电压与额定开断电流的倍。
5．动稳定电流。表明断路器在冲击短路电流作用下，承受电动力的能力。其值由导电和绝缘等部件的机械强度决定。
6．热稳定电流。表明断路器承受短路电流热效应的能力。用通电时间（一般取4S）和最大电流有效值来综合表示。
7．开断时间。从操作机构跳闸线圈接通跳闸脉冲起，到三相电弧完全熄灭时止的一段时间称为断路器的开断时间，它等于断路器的固有分闸时间tg和熄弧时间txh之和，即
tkd= tg+txh

其中固有分闸时间tg是从跳闸线圈接通跳闸脉冲到动、静触头刚分离的一段时间；熄弧时间txh是从触头刚分离到各相电弧熄灭的时间。
4.1.2.4 断路器的操动机构
断路器在工作过程中的合、分闸动作是由操动系统来完成的。操动系统由相互联系的操动机构和传动机构组成，后者常归入断路器的组成部分。操动机构的工作性能和质量对断路器的工作性能和工作可靠性起着重要的作用。
1、 操动机构的组成
断路器的操动机构由图4-1所示的各个部分组成：

图4-1 操动机构部分组成
（1） 操动机构：由动力机构、扣住机构、脱扣机构等组成。
动力机构：为原动力机构，其操动能源由气压能、弹簧能、电磁能或液压能形成。
扣住机构：当断路器合闸到终了位置时，将机构固定在合闸位置。
脱扣机构：当断路器分闸时，能将死点机构脱开，实现分闸。
自由脱扣机构：由合闸电磁铁动作，顶起机构到合闸终点位置不落下，分闸电磁铁脱扣动作，机构能自由分闸。
（2） 传动机构：由拉杆、提升机构、缓冲机构等组成。
拉杆：是操动机构过渡到提升机构的一种连接传动机构。
提升机构：用来提升触头进行分、合闸。
缓冲机构：用来在分、合闸终了位置吸收剩余动作，使操动平稳。
操动机构按照分、合闸信号进行操动，除此之外，根据运行和维护要求，还应有分、合闸位置的机械指示器。
2、操动机构的分类
操动机构按操动能源来进行分类，可分为手动型、电磁型、液压型、气压型和弹簧型等多种类型。
手动型操动机构是指靠人力合闸，靠弹簧力分闸的操动机构；
电磁型操动机构是直接依靠电磁力来合闸的操动机构；
液压型操动机构是用高压油推动活塞实现合闸与分闸的操动机构。
气压型操动机构是以压缩空气推动活塞实现合闸与分闸的操动机构。
弹簧型操动机构是用小功率电动机将弹簧拉伸储能实现合闸与分闸的操动机构。
除手动型外，其他均为自动操动机构。其中，电磁型需直接依靠合闸电源提供操动功率；液压型、气压型和弹簧型则只需间接利用电能，并经转换设备和储能装置用非电能形式操动合闸，故短时失去电源后可由储能装置提供操动功率，因而减少了对电源的依赖程度。
图4-2给出的是由电磁型操动机构操动的断路器动作原理示意图。

图4-2 断路器动作原理示意图

其合闸过程如下：当合闸线圈1接通时，合闸铁芯2被吸向上，推动合闸机构3绕O1轴作反时针旋转，同时通过绝缘连杆12和固定在断路器轴上的拐臂11带动断路器轴9转动，使动触头系统8向上运动，并把装在动触头系统上的分闸弹簧5压紧。合闸完成后，分闸机构的搭钩4将合闸机构3扣住，使断路器保持在合闸位置。合闸所需的能量是由合闸电磁铁提供的。
其分闸过程如下：当分闸线圈7接通时，分闸铁芯6被吸向上，推动搭构4绕O2轴作反时针旋转，释放合闸机构3。此时，在分闸弹簧的作用下动触头系统向下运动而完成分闸。断路器的分闸是靠分闸弹簧实现的，分闸所需的能量是操动机构在合闸过程中储藏在分闸弹簧的。
3、操动机构的基本要求
断路器操动机构的类型和产品型式多种多样，但其基本要求是一致的，主要有以下几个方面。
（1）具有足够的合闸功率，保证所需的合闸速度，并使断路器在关合短路的情况下关合到底。
（2）能维持断路器处在合闸位置，不因外界震动和其他原因产生误分闸功率。
（3）有可靠的分闸装置和足够的分闸速度，为了设备和系统的安全，分闸装置务必工作可靠、灵敏快速，在任何情况下不允许误动或拒动。断路器分闸后，操动机构应自动回复到准备合闸位置。
（4）具有自由脱扣装置。在断路器进行合闸的过程中又接到分闸命令时，操动机构应立即终止合闸过程，迅速进行分闸。这种在合闸过程中的分闸叫做自由脱扣。可见自由脱扣装置是分闸装置的重要补充，二者常结合在一起。无论对自动或手动操动机构，该装置都是不可缺少的。
（5）在控制回路中，要保证分、合动作准确、连续，即分后准备合、合后准备分。
（6）结构简单、体积小、价格低廉。
4.1.2.5高压断路器的分类
高压断路器一般按灭弧介质的不同进行分类。
1．油断路器。
指采用变压器油作为灭弧介质的断路器。它又可分为多油断路器和少油断路器。多油断路器的油除了作灭弧介质和触头开断后绝缘外，还作为带电部分对地的绝缘。少油断路器的油只作为灭弧介质和触头开断后绝缘外，而带电部分对地绝缘采用瓷件或其他介质，和多油断路器相比，具有用油量少，体积小，重量轻，运输安装方便，有利于防火等优点。
2．压缩空气断路器
指采用压缩空气作为灭弧介质和弧隙绝缘介质的断路器。压缩空气断路器的特点是灭弧能力强，动作迅速，能快速自动重合闸。此外，其体积小，防火防爆，在低温下能可靠的工作，维护检修方便。其缺点是工艺要求高，消耗有色金属多，操作时噪声大，并需一套专供操作用的压缩空气设备等。
3．真空断路器。
指采用真空的高绝缘强度来灭弧的断路器。这种断路器的动静触头密封在真空泡内，利用真空作为灭弧介质和绝缘介质。它的特点是：体积小，能频繁操作，维修工作量小。
4．六氟化硫（SF6）断路器。
指利用具有优异的绝缘性能和灭弧性能的SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质的断路器。由于SF6气体的电气性能好，所以SF6断路器的断口电压较高，在电压等级相同、开断电流和其他性能相近的情况下，SF6断路气比少油断路器串联断口要少，可使制造、安装、调试和运行比较方便和经济。
它的特点是：灭弧能力强，绝缘强度高，开断电流大，燃弧时间短；开断电容电流或电感电流时，无重燃，过电压低；电气寿命长，检修周期长，适于频繁操作；操作功小，机械特性稳定，操作噪音小。
4.1.2.6 高压断路器的基本结构和灭弧过程
1． 少油断路器
少油断路器分为户内式和户外式。低于35kV的少油式断路器只有户内式，高于35kV的只有户外式，35kV的少油式则兼有户内式和户外式。目前我国生产的少油断路器有多种系列，下面主要介绍SN10和SW6两种。
（1）SN10系列户内式少油断路器
SN10系列少油断路器的结构基本相似，图4-3所示为SN10-10Ⅰ型少油断路器的结构图。它由箱体、框架和机械传动机构三大部分组成。箱体下部用两个支持绝缘子垂直壁挂于框架上，并经一绝缘连杆与传动机构相连。断路器分合时，操作机构通过主轴27、绝缘拉杆29和基座内的变直机构，使导电杆上下动作，实现断路器的分合。

图4-3 SN10-10Ⅰ型少油断路器结构

少油断路器的导电回路从上到下由上接线座5、静触座7、静触头13、弧触指14、导电杆20、滚动触头19和下接线座18等组成。
导电杆的端部和静触头的弧触指上均装有耐弧铜钨合金，以增强触头的抗弧能力和短路开断能力，延长其使用寿命。
箱体中间部位是灭弧室，采用纵横吹和机械油吹联合作用的灭弧原理。图4-4是SN10-10Ⅰ型断路器灭弧室结构原理图，图4-4（a）中，绝缘筒11由高强度的玻璃钢制成，其内叠装用耐弧耐热的三聚氰胺玻璃纤维热压而成的隔弧板1~5（共5片），内衬筒7和8（两个），绝缘垫圈6和10（两个）；上面用螺纹压圈9旋紧。第2、3、4片隔弧板带有横吹喷口，第5片隔弧板具有纵吹油囊，形成三级横吹和一级纵吹。此外还具有因导电杆分闸运动引起的机械油吹作用。

图4-4 SN10-10Ⅰ型少油断路器灭弧室结构原理图
在灭弧室的上部空间放置静触头，如图4-3所示。静触头座上套有一绝缘罩筒17，把灭弧室上部空间分为内、外两个部分。内空间向下可通过隔弧片中心孔和横吹孔与外空间相通；向上通过静触头座回油孔道中的逆止阀与外空间相通。当断路器处于合闸位置时，下通道被导电杆塞闭，上通道因逆止阀钢球下落而开启，以接受回油。在分闸过程中，动静触头一分离便于工作产生电弧，分解变压器油，首先将逆止阀钢球上推堵住回油孔，造成密闭燃弧，使内腔压力迅速升高。随着导电杆向下运动，顺序打开第1、2、3横吹孔和下部油囊的纵吹孔，造成压力油气流的纵横吹。此外，在导电杆快速向下运动的同时，总的过程如图4-4（b）所示。图中在开断小电流时，由于横吹缺乏足够的压力，电弧被拉至纵吹油囊后，在油气纵横吹及机械压油吹弧的联合作用下熄灭。当开断大电流时，由于电弧的能量大，油气压力高，一般在开启第1或第2横吹孔时即能熄灭，燃弧时间很短，约为8~16ms。
（2）SW系列户外式少油断路器
户外式少油断路器采用串联灭弧室、多断口积木式结构形式，其结构外型如图4-3所示。断路器每相由两个结构完全相同的灭弧室1串联，对称地布置成V形，固定在中间机构箱2上，与支柱绝缘子3一起组成一个Y形落地式结构，每相有一单独的底座4,三相共用一套操动机构实现三相联动。110KV少油断路器采用单柱双断口结构，按照积木式组装方式，用于220KV、330KV的少油断路器可分别采用双柱四断口和三柱六断口的结构，如图4-4所示。

图4-5 户外式少油断路器的结构外型

图4-6 断路器的积木组合
这种每相导电回路采用多断口的方式可以增强灭弧能力、缩短分合闸时间和降低灭弧室的高度。
灭弧室里的结构大体与户内式少油断路器相似，也采用纵横吹和机械油吹联合作用的灭弧原理。
油断路器的优点是结构简单，价格便宜，但油在灭弧过程中容易被碳化，所以检修周期短，维护工作量大，再加油既会对造成对环境的污染又容易引发火灾，所以在110KV及以上的电力系统中已有被六氟化硫断路器取代的趋势，而且在10KV电力系统中也有被真空断路器取代的趋势。
2.SF6断路器
（1）SF6断路器的发展
SF6气体出现于1900年，直至1940年才被用来作为电器设备的绝缘介质，以此为起点，使SF6气体在高压开关，变压器、电缆和其他电气设备中得到了广泛的应用。SF6在断路器中的应用是在60年代中期，由于基础工业的发展，材料和操动机构有了新的突破，找到了适应SF6特点的气压式灭弧室结构，才使SF6断路器走上了电力工业实践的舞台，获得了飞跃的发展。
在60年代以前，35kV以上的电网主要使用油断路器和空气断路器，至70年代，SF6断路器逐渐排挤了这两种断路器，而且显现出其有力的竞争锋芒。现在，世界上生产35kV以上电压等级SF6断路器的国家有美国、日本、英国、瑞士、法国、意大利等17个国家，这些国家可生产10~800kV的SF6断路器，正在研究和制造1000kV的SF6断路器。从今日的用户需求和制造厂家的产品上来看，尽管少油断路器目前还占有相当大的市场，但总的说来，是处于被淘汰的趋势。SF6断路器已逐渐雄踞高压开关的主导地位，这已成为国内外公认的发展方向。
我国对SF6断路器的研制是从研制全封闭组合电器GIS开始的，目前220kV的SF6断路器已投入运行，现已能生产10~550kV的SF6断路器，10kV、35kV的SF6断路器正在迅速地被推广使用。我国生产的10kVSF6断路器的代表型号为LW3—10Ⅰ型和LW3—10Ⅱ型（如图4-5所示）。这两种类型的断路器采用先进自能旋弧式原理进行设计，具有结构简单、操作能量小、机电磨损小等优点，基本做到在运行期内“无维修”。与真空和油开关灭弧室相比，在结构、安全性、耐过电压、使用寿命和价格方面都优越得多。
LW3—101型断路器配手动弹簧储能操动机构具有手动储能、手动开断和过电流自动脱扣开断四种功能，其主要用于10kV分支线路，完全可以取代现有的柱上油断路器。
LW3—10Ⅱ型断路器配有交直流220V电动储能弹簧操动机构，具有电动关合、电动开断、手动关合、手动开断以及过电流自动脱扣开断功能。

图4-7 LW3—10Ⅰ、Ⅱ型SF6断路器外形图

（2）SF6气体的特点
SF6气体是一种无色、无嗅、无毒和不可燃的惰性气体，是目前在高压电器中使用的最优良的灭弧介质和绝缘介质。在均匀电场下SF6气体的绝缘性能大约是空气的3倍，在0.4MPa（约4个大气压）的压力下，SF6气体的绝缘性能则与变压器油相当。
SF6气体是电负性气体，即其分子和原子具有很强的吸附自由电子的能力，可以大量吸附弧隙中参与导电的自由电子，生成负离子。由于负离子的运动要比自由电子慢得多，因此很容易和正离子复合成中性的分子和原子，大大加快了电流过零时的弧隙介质强度的恢复。
（3）SF6断路器的灭弧装置
现在世界各国生产的SF6断路器，采用三种灭弧室结构，这三种灭弧室结构是：其一是压气式；其二是旋弧式；其三是自能式。
压气式灭弧装置（见图4-8）中只有一种压力的SF6气体，开断过程中，压气缸与动触头同时运动，将压气缸内的SF6气体压缩而使压力升高。触头分离后，即喷口被打开，高压力的气体由喷口处向外排出，实现纵吹而将电弧熄灭。目前在110KV及以上的电力系统中广泛使用这种灭弧装置。

图4-8 压气式灭弧装置的工作原理

旋弧式灭弧装置（见图4-9）多用于10~35KVSF6断路器中。其中磁场由线圈2形成，线圈的一端和静触头相连，另一端和圆筒电极相连，圆筒电极内部设置一个向静触头凸出的圆环。当导电杆4和静触头1分开产生电弧后，电弧会很快转移到动触头和圆筒电极间，把线圈2接入电路，使被断开的电流流经线圈。由于电弧电流是沿半径方向流动的，而线圈生成的磁场是轴线方向的，所以电弧会沿圆周旋转而与SF6气体介质发生相对运动，实现吹弧。

图4-9旋弧式灭弧装置的工作原理

自能式灭弧装置（见图4-10）是正在发展中的新一代的灭弧装置，目前在110~220KV电力系统中使用。其灭弧室由主气室3、辅助气室6、气孔4、气缸5和喷口1组成。当动静触头分开产生电弧后，被电弧加热的气体可通过气孔进入主气室，使主气室的压力升高，高压气体对喷口吹弧使电弧熄灭。如果开断的电流较小，电弧产生的热量小使主气室的压力不够时，辅助气室中的气体将通过上部开启的阀门进入到主气室内起助吹作用，从而增强了开断小电流的吹弧能力。

图4-10 自能式灭弧装置的工作原理

4.1.3隔离开关
隔离开关是高压电气装置中保证工作安全的开关电器,其结构简单。隔离开关在分闸状态下,动静触头间应有明显可见的断口,绝缘可靠；在关合状态下，其导电系统中可以通过正常的工作电流和故障下的短路电流。隔离开关没有灭弧装置，除了能开断很小的电流外，不能用来开断负荷电流，更不能用来开断短路电流，但隔离开关必须具备一定的动、热稳定。
4.1.3.1隔离开关的作用和分类
1.隔离开关的作用
隔离开关的作用主要有以下三种：
（1）隔离电源，保证安全。利用隔离开关将高压电气装置中需要检修的部分与其他带电部分可靠地隔离，这样，工作人员可以安全地进行作业，不影响其余部分的正常工作。
（2）倒闸操作。隔离开关经常用来进行电力系统运行方式改变时的倒闸操作。例如，当主接线为双母线时，利用隔离开关将设备或线路从一组母线切换到另一组母线。
（3）接通或切断小电流电路。可以利用隔离开关接通或切断下列电路：电压互感器、避雷器、长度不超过10km的35KV空载线路或长度不超过5km的10kV空载线路、35kV100 kVA及以下和110 kV3200 kVA及以下的空载变压器等。
特别强调，隔离开关在任何情况下，均不能接通或切断负荷电流和短路电流，并应设法避免可能发生的误操作。
2. 隔离开关的分类
隔离开关可按以下不同方法进行分类：
（1）按装设地点的不同，分为户内式和户外式两种。
（2）按绝缘支柱数目分为单柱式、双柱式和三柱式三种。
（3）按动触头运动方式，可分为水平旋转式、垂直旋转式、摆动式和插入式等。
（4）按有无接地闸刀，可分为无接地闸刀、一侧有接地闸刀、两侧有接地闸刀三种。
（5）按操动机构的不同，分为手动式，电动式、气动式和液动式等。
（6）按极数分为单极、双极、三极三种。
4.1.3.2隔离开关的操作原则
隔离开关都配有手动操作机构，操作时要先拔出定位销，分、合闸动作要果断、迅速，终了时注意不要用力过猛，操作完毕一定要用定位销销住，并目测其动触头位置是否符合要求。
不管合闸还是分闸操作，都应在不带负荷或负荷在隔离开关允许的操作范围之内时才进行。为此，操作隔离开关之前，必须先检查与之串联的断路器，应确实处于断开位置。
如果发生了带负荷切投隔离开关的误操作，则应冷静地避免可能发生的另一种反方向的误操作，就是：当发现带负荷误合闸后，不得再立即拉开；当发现带负荷误分闸后，不得再合上。除非刚拉开一点，发现有火花产生时，可立即合上。
4.1.3.3隔离开关的结构
1． 户内式隔离开关
户内式隔离开关（型号为GN）其额定电压一般在35KV以下，图4-11为户内配电用隔离开关的结构图。隔离开关的三相共装在同一个底座上，操作机构通过连杆操动转轴完成分合闸操作。导电回路主要由闸刀（动触头）、静触头及接线端组成。静触头固定在支柱绝缘子上；闸刀由两片刀片做成，一端通过销轴固定在另一组支柱绝缘子的触头座上。合闸时两片刀片夹紧静触头。为了保证动、静触头间的接触压力和压缩行程，在闸刀与静头接触处装有弹簧。对额定电流较大的还普遍采用磁锁装置来加强动、静触头间通过短路电流时的接触压力。

图4-11 户内配电用隔离开关的原理图
磁锁装置的作用原理如图4-12所示，当短路电流沿并行的两片闸刀流向静触头时，刀闸外侧的两片钢片受磁力作用互相吸引，增加了刀闸对静触头的接触压力，从而保证触头对短路电流的稳定性。

图4-12 磁锁装置的作用原理

隔离开关利用操动机构通过传动连杆使三相连动的转轴转动，再通过每相的拐臂—连杆（即拉杆瓷瓶）驱动各相闸刀作垂直旋转，从而达到合分闸操动的目的。

2．户外隔离开关
户外隔离开关（型号为GW）由于触头直接暴露于大气中，其工作条件比较复杂，应能抵抗冰、雪、雨、风、暴晒、酷热等恶劣气候的长期反复地作用，一般要求有较高的绝缘和机械强度。
户外隔离开关按绝缘支柱结构的不同，可分为单柱式、双柱式和三柱式，有的还带有接地闸刀。
（1） 单柱式隔离开关
图4-13为单柱式隔离开关，这种隔离开关的静触头被独立地安装在架空母线上，可动闸刀安装在瓷柱顶部，由操动机构通过传动机构带动，象剪刀一样向上运动，夹住装在母线上的静触头以实现合闸；或向下运动，释放装在母线上的静触头以实现分闸。使用单柱式隔离开关可以显著地节省变电站的占地面积，但由于结构复杂，一般只在220KV及以上的电力系统中用。

图4-13 单柱式隔离开关的原理图

（2） 双柱式隔离开关
图4-14所示是GW4-35G（D）型双柱式隔离开关的结构图。它由底座1，绝缘支柱2，导电回路3、4、5、6，接地闸刀7，操动机构14及传动机构9、10、11、12、13等组成。两个绝缘支柱2分别装在底座1的轴承座上，用交叉连杆9连接两绝缘支柱主轴8和8ˊ的拐臂，可使两主轴同步反向转动90º导电杆分成3和5两段，分别固定在两个绝缘支柱顶部，其触头为指形结构。接地闸刀取垂直转动，并通过单独的一套操动机构和传动机构作三相连动操作。

图4-14 GW4-35G（D）型隔离开关结构图
GW4-110D型隔离开关结构上与GW4-35G（D）型相同，但绝缘距离及相关尺寸增大。
双柱式隔离开关结构简单，尺寸小，重量轻，破冰雪能力强，动稳定性好。但闸刀在水平面内转动，要求相间距离较大。为满足特殊方式安装的需要，也可将两个绝缘支柱按V型布置，称为V型双柱式隔离开关，如GW5-35D型隔离开关（如图4-15所示）。

图4-15 GW5-35D型隔离开关外形图
GW5-35D型隔离开关与GW4-35G（D）型基本相同，它也是双柱式结构，制成单极型式，借助连杆构成三极联动。其主要不同之外是每极的两个支柱瓷瓶组成V形装在同一个底座内的两个轴承座上。闸刀也做成两段式，各固定在支柱瓷瓶的顶端。操作动轴转动，通过底座内的伞形齿啮合，带动两个支柱瓷瓶同速反向旋转90º，达到分合闸的目的。
GW5-110D型隔离开关与GW5-35D型的结构相同，只是绝缘距离和相关尺寸增加。
（3） 三柱式隔离开关
图4-16为三柱式隔离开关，这种隔离开关与双柱式隔离开关相比相间距离要求小，两边的绝缘支柱固定在支架上，中间的绝缘支柱安装在轴上。分闸时中间的绝缘支柱带动转臂刀闸60º，使闸刀在水平面上转动而分闸。三柱式隔离开关与双柱式的基本元件相同，动作原理相似，只是刀闸转动的方向不同。

图4-16 三柱式隔离开关结构图

4.1.4高压熔断器
熔断器是最简单和最早使用的一种保护电器，它串联在电路中，当电路发生短路或过载时，熔断器自动断开电路，使其他电气设备得到保护。与现代受电保护控制的断路器相比较，熔断器保护显得较为原始和简陋，如每次熔断后须停电更换熔件才能再次使用；且其保护特性不够稳定，常使动作的选择性配梧发生困难。但它直接动作，无需断电保护和二次回路相配合；本身结构简单、体积小、布置紧凑、使用维护简便。
4.1.4.1基本知识
1.基本构成和工作原理
熔断器主要由金属熔件（又称熔体）、支持熔件的触头、灭弧装置和绝缘底座等四部分构成。其中决定其工作特性的主要是熔体和灭弧装置。
熔断器串联在电路中，正常工作时，熔件载流不大于其额定电流，熔断器应长期安全地工作而不发生误熔断现象。当电路发生短路或过载时，熔件被加热，在被保护设备的温度未达到破坏其绝缘之前熔断，使电路断开，设备得到保护。
熔断器的工作过程由以下四个阶段组成：
（1）熔断器的熔件因过载和短路而加热到熔化温度；
（2）熔件的熔化和气化；
（3）触头之间的间隙击穿，产生电弧；
（4）电弧熄灭，电路被断开。
根据以上工作过程，熔件应满足以下几方面的要求：
（1）有良好和稳定的导电性能，能长期安全地通过允许电流而不发生误熔断。
（2）有较低的熔点。熔点高不仅使正常工作温度偏高，对触头、金属材料和绝缘材料均不利，而且延长了加热熔化的时间，不利于熔断器的快速动作。
（3）有利于灭弧。熔体截面越大，熔点越低和电弧越强烈，产生的金属蒸气就越多，灭弧就越困难。
2．熔件材料
常用的熔件材料有铅锡合金、铅、锌、铜和银等。
铅锡合金、铅和锌的熔点较低，分别为200ºC、327ºC和420ºC，但电阻率都较大，故熔件的截面较大（尤其是额定电流大时），产生的金属蒸气多，不利于灭弧。故这类材料的熔体只用于500V及以下的低压熔断器。锌与其他两种相比较虽熔点较高，但它在空气中不易氧化，因而保护特性较稳定。熔件的氧化将使有效截面逐渐减小，电阻增大，以改变熔体的保护特性。
铜的导电、导热性能良好，用它作成的熔体截面小，在电弧作用下的金属蒸气小，有利于提高熔断器的切断能力。但铜的熔点高达1080ºC而未熔化，这对触头系统和其他部件都非常不利，可利用“治金效应”加以解决，即在熔体某点（通常在熔体中段）的表面上焊上小锡（或铅）球，当铜熔体温度升高时，小球中的锡（铅）熔化而渗入固体铜内部，形成铜锡（铅）合金。其内阻增大，发热加剧，而熔点降低，使锡球处在较低的温度下熔断，继而产生电弧使铜熔体在电弧的高温下熔化和气化。此外，铜在空气中特别在高温下较易氧化，可采用镀银的办法解决。经过以上处理，铜便成为较理想的熔体材料，广泛地应用于高压和低压熔断器。
如果熔断器中只有熔体的熔断而无可靠的灭弧，则不仅不能切断故障电流，而且势必引起事故的扩大，熔断器的灭弧是由专门的灭弧装置——装有熔体的熔管来完成的。但各类熔断器的灭弧方法大不相同，这是构成不同类型熔断器的主要因素。
3．熔断器的分类
按熔断器的安装地点可分为户内式和户外式；按使用电压的高低熔断和低压熔断器；按灭弧方法及主要由其所决定的结构特点的不同分为瓷插式、封闭产气式、封闭填料式和产气纵吹式等；按限流特性分为限流式和非限流式。
若故障电路中的熔断器在开断过程中通过的最大短路电流值比无熔断器时有明显的减小，则为限流熔断器。反之，如果熔断器在开断过程中对通过的电流值无明显的影响，则为非限流式。任何熔断器在熔体熔断以前包括加热到液化过程都不能限流，但从熔体熔断并发弧时起，限流熔断器由于弧隙中强烈的去游离，因而抑制了短路电流中的非周期性分量，使短路电流明显减小。此外，强烈的去游离可使电弧电流迅速降低至很小数值，形成明显的截波现象，如图4-17所示。如果短路电流值较大，使熔断点发生在电流第一次过顶值以前，则显然对周期性分量也起限制作用。图中从电压曲线可见限流熔断器在熔断时刻，伴随电流截波的同时将出现过电压现象。

图4-17 限流熔断器开断短路电流时的波形图

非限流熔断器弧隙不呈现大电阻性，不影响短路电学期工作总结充中的直流分量的出现；其交流分量电弧要等到第一次或第几次过零时才熄灭。几乎不发生过电压现象。
4．熔断器的技术参数
（1）熔断器的额定电压。它既是绝缘所允许的电压等级，又是熔断器允许的灭弧电压等级。对于限流式熔断器，不允许降低电压等级使用，以免出现过大的过电压。
（2）熔断器的额定电流。它指一般环境温度（不超过40ºC）下熔断器壳体的载流部分和接触部分允许通过的最大持续电流有效值。
（3）熔体额定电流。它允许长期通过熔体不致发生熔断的最大有效值电流。该电流可小于或等于熔断器的额定电流，但不能超过。
（4）熔断器的开断电流。熔断器允许切断的最大有效值电流，由熔断器的灭弧能力决定。
5．熔断器的保护特性
熔断器的熔断时间t由t1、t2、t3三个时段组成，即t= t1+ t2 + t3 ，如图4-17所示，t1为熔体升温、液化直至气化开始的时间，称为熔化时间，t1可长可短，长至无穷大，短至几个ms,主要决于熔体额定电流及通过电流的大小。t2是从熔体气化至产生电弧所需的时间，t2很短,一般在1ms以下，且与电流的大小关系不大。t3是燃弧时间，它与灭弧装置及电流大小有关，对限流熔断器为几个ms，对非限流熔断器可能延续几十个ms。
对于一定的熔断器和熔体，t主要决定于通过电流的大小，即t=f（I）称为熔断器的安秒特性，也即熔断器的保护特性。熔断时间t与通过熔断器使熔体熔化的电流之间的关系曲线称为熔断器的保护特性曲线，也称为安秒特性曲线，如图4-18所示。图中所示为额定电流不同的两个熔体1、2的保护特性曲线，IK1、IK2是熔体的最小熔化电流，其对应的熔断时间为无限长，若流过熔体的电流稍小于IK1、IK2时，熔体不会熔断，但熔体的温度将接近于其熔化温度。熔体1的额定电流小于熔体2的额定电流，熔体1的截面也小于熔体2的。同一电流通过不同额定电流的熔体时，额定电流小的熔体先熔断。

图4-18 熔断器的保护特性曲线

熔断器的保护特性曲线是选择熔断器的重要依据。例如，当电网中有几级熔断器串联，分别保护各电路中元件，当某元件发生短路或过载时，保护该元件的熔断器应该熔断，即为选择性熔断；如果保护该元件的熔断器不熔断，而上一级熔断器熔断，即为非选择性熔断。当发生非选择性熔断时，将扩大停电范围，造成不应有的损失
熔断器的保护特性曲线还与一些其他因素有关，诸如：熔体的氧化、熔体两端的接触联接状况、散热条件、制造偏差（熔体的材料成份和尺寸偏差）等。这些因素造成保护特的不稳定，即对一定的短路电流，可能造成熔体的过早或过迟熔断，从而使熔断器保护的选择性动作发生困难。

4.1.4.2高压熔断器的结构
1．户内高压熔断器
目前常见的户内高压熔断器有RN1、RN2、RN3、RN5、和RN6等型，用于6~35kV的户内配电装置中.它们均为填充石英砂的限流型熔断器.其中RN1、RN3和RN5型用于交流电力线路及配电变压器的过载及短路保护；RN2与RN6型只用于电压互感器的保护，其额定电流只有0.5A一种。
RN1型熔断器由熔管、接触座、支柱绝缘子和底座组成，如图4-19所示。其主要部件熔件管的结构如图4-20所示，它由熔管、端盖、顶盖、熔体和石英砂等组成，具有较高的机械强度和耐热性能。熔管是灭弧装置的主要组成部分，又起支持和保护熔体的作用。端盖由铜制成，熔体通过端盖与接触座接触组成导电回路。顶盖由黄铜制成，用以封闭瓷管。熔管内部的石英砂形成大量细小的固有体介质狭缝狭沟，对电弧起分割、冷却和表面吸附（带电粒子）的作用，同时缝隙内骤增的气体压力也对电弧起强烈的去游离作用，致使电弧呈截波式地迅速熄灭（见图4-17）。

图4-19 RN1型熔断器的外形图

图4-20 熔件管的结构示意图
额定电流为7.5A及以下的熔体，由于熔丝很细且长，额定电流10A及以上的熔体较粗些，由1、2或4根镀银熔丝并联。为了限制熔断时的过电压值，连接处焊有小锡球，当流过过电流时，小锡球处和直径小的熔丝先熔断，较粗段后熔，因每段熔丝不长，使击穿电压受到限制，过电压倍数一般不超过（2~2.5）Ue。熔体熔断后由指示熔件弹出，显示出该熔断器已动作。
RN3型熔断器采用有多个缺口的薄铜片作为熔体，通过电流时熔体各部的温度不同，可保证在正常工作时的触头和其他部件不过热；在过电流时则缺口处先行熔断，从而限制过电压倍数在2.5倍以下。该型熔断器的其他构造和性能则与RN1型基本相同。
RN5型的熔管与RN1型通用，故它们的保护特性相同。但RN5型采用多棱支柱绝缘子，并在外形上作了一些改进，使之体积更小，重量更轻，泄漏距离防污性能也有所改善。
RN2和RN6型熔断器的结构原理分别与RN1和RN5型相同，但熔体只有0.5A一个规格，系专用于电压互感器保护。该熔断器无指示装置，动作后可由电压互感器二次侧的电压表判断。
2．户外高压熔断器
户外高压熔断器分为跌落式和限流式两类，前者用于输配电线路和电力变压器的过载和短路保护，后类主要用作电压互感器及其他用电设备的过载和短路保护。
（1）RW系列跌落式熔断器
跌落式熔断器在6~10kV配电变压器上用得很普遍.它们的结构基本相同,由熔管和上、下动静触头及绝缘子等组成。
图4-21所示为RW3型跌落式熔断器的结构。上静触头1和下静触头9分别用螺栓固定在瓷绝缘子11的上下端。鸭嘴罩3可绕销轴O1转动，在弹性金属片的作用下被压向下限位置，它里面有一抵舌（搭钩）3ˊ，在闭合时用它来卡住上动触头2并施加接触压力，上动触头2装在熔管5的上端，可绕销轴O2转动，它在销轴弹簧的作用下力图示的上限位置。一旦熔件熔断，脱开鸭嘴罩内的抵舌3ˊ，熔管在自身重力的作用下绕O3转动而跌落。

图4-21 RW3型跌落式熔断器结构原理图

熔管5由层卷纸板或环氧玻璃钢制成，两端开口，内壁衬以石棉套防止电弧烧伤熔管，同时石棉具有吸湿性，在电弧高温下蒸发并分解出的氢气、二氧化碳等向管两端喷出，对电弧产生纵吹作用，使其在过零时熄灭。
熔丝6