負荷開關

負荷開關是介於斷路器和隔離開關之間的一種開關電器，具有簡單的滅弧裝置，能切斷額定負荷電流和一定的過載電流，但不能切斷短路電流。

按照使用電壓可分為高壓負荷開關和低壓負荷開關。

高壓負荷開關主要有6種。

①固體產氣式高壓負荷開關：利用開斷電弧本身的能量使弧室的產氣材料產生氣體來吹滅電弧，其結構較為簡單，適用於35千伏及以下的產品。

②壓氣式高壓負荷開關：利用開斷過程中活塞的壓氣吹滅電弧，其結構也較為簡單，適用於35千伏及以下產品。

③壓縮空氣式高壓負荷開關：利用壓縮空氣吹滅電弧，能開斷較大的電流，其結構較為複雜，適用於60千伏及以上的產品。

④SF6式高壓負荷開關:利用SF6氣體滅弧，其開斷電流大，開斷電容電流性能好，但結構較為複雜，適用於35千伏及以上產品。 ^[1] 

⑤油浸式高壓負荷開關：利用電弧本身能量使電弧周圍的油分解氣化並冷卻熄滅電弧，其結構較為簡單，但重量大，適用於35千伏及以下的户外產品。

⑥真空式高壓負荷開關：利用真空介質滅弧，電壽命長，相對價格較高，適用於220千伏及以下的產品。

高壓負荷開關的工作原理與斷路器相似。一般裝有簡單的滅弧裝置，但其結構比較簡單。圖為一種壓氣式高壓負荷開關，其工作過程是：分閘時，在分閘彈簧的作用下，主軸順時針旋轉，一方面通過曲柄滑塊機構使活塞向上移動，將氣體壓縮；另一方面通過兩套四連桿機構組成的傳動系統，使主閘刀先打開，然後推動滅弧閘刀使弧觸頭打開，氣缸中的壓縮空氣通過噴口吹滅電弧。合閘時，通過主軸及傳動系統，使主閘刀和滅弧閘刀同時順時針旋轉，弧觸頭先閉合；主軸繼續轉動，使主觸頭隨後閉合。在合閘過程中，分閘彈簧同時貯能。由於負荷開關不能開斷短路電流，故常與限流式高壓熔斷器組合在一起使用，利用限流熔斷器的限流功能，不僅完成開斷電路的任務並且可顯著減輕短路電流所引起的熱和電動力的作用。

低壓負荷開關又稱開關熔斷器組。適於交流工頻電路中，以手動不頻繁地通斷有載電路；也可用於線路的過載與短路保護。通斷電路由觸刀完成，過載與短路保護由熔斷器完成。20世紀70年代以前所用的膠蓋刀開關和鐵殼開關均屬於低壓負荷開關。小容量的低壓負荷開關觸頭分合速度與手柄操作速度有關。容量較大的低壓負荷開關操作機構採用彈簧儲能動作原理，分合速度與手柄操作的速度快慢無關，結構較簡單，並附有可靠的機械聯鎖裝置，蓋子打開後開關不能合閘及開關合閘後蓋子不能打開，可保證工作安全。

負荷開關主要用於開斷和關合負荷電流，也可以將負荷開關與高壓熔斷器配合使用，代替斷路器。由於負荷開關使用方便，價格合理，因此負荷開關在10kV配網系統中得到廣泛的使用。在設計中合理選用負荷開關，對保障電網的安全、可靠運行有着重要意義。 ^[2] 

1負荷開關與熔斷器的正確配合

負荷開關與熔斷器的根本區別在於，熔斷器具有開斷短路電流能力，而負荷開關只作為負荷電流的切換。通常認為，負荷開關合分工作電流，熔斷器開斷短路電流。但是當出現故障時，由於三相電流不一定相同，以及熔斷器答應的誤差，不可避免出現三相熔斷器之間的熔斷時間差，首相切除故障後，假如負荷開關不能及時分斷負荷電流，則會造成產生轉移電流和兩相運行，對受電設備造成損害。帶有撞擊器的熔斷器，配合具有脱扣裝置的負荷開關，則可解決缺相運行問題。當熔斷器的熔件熔化時，負荷開關脱扣裝置在撞擊器操作下立即斷開。生產廠多采用四連桿機構，當負荷開關合閘操作時，合分閘彈簧同時儲能，當四連桿機構過死點時，合閘彈簧的能量釋放，開關作合閘操作，此時分閘彈簧的能量仍由半軸機構所保持，一旦撞擊器出擊，半軸解列，分閘彈簧的能量釋放，開關作分閘操作。因此，在使用中一定要選擇帶撞針的熔斷器和具有機械脱扣裝置的負荷開關。

應該指出，使用中的熔斷器多作為後備保護熔斷器，這種熔斷器有一個最小開斷電流，其值為熔斷器額定電流的2.5～3倍,當小於開斷電流時,後備熔斷器不能開斷此電流,這就是它與全範圍熔斷器的區別。全範圍熔斷器在引起熔體熔化至額定開斷電流（40kA）之間，任何電流均能可靠斷開，但其價格貴。當故障電流小於後備熔斷器的最小開斷電流時，熔斷器雖然不能保證其開斷，但熔件會熔斷，其內存的撞擊器會擊出，撞擊負荷開關開斷。例如額定電流為100A的熔斷器，其最小開斷電流約為250～300A，在此電流區，熔斷器不能開斷，但熔件熔斷撞針擊出，撞擊負荷開關跳閘，開斷此電流，如選用600A的負荷開關，則可可靠開斷。

負荷開關-限流熔斷器組合電器保護變壓器特性好，但只有兩者配合好才能有效。

a區域為工作電流範圍。I＞InK，InK為組合電器的額定電流。它小於熔斷器的額定電流InHH，這是由於熔斷器安裝時的温度狀況及熱損耗消散受限制，使組合電器不能承受熔斷器的全部電流。組合電器的額定電流開斷由負荷開關單獨完成。負荷開關三相同時開斷，三相同時熄弧。

b區域為過負荷範圍InHH＜I＜3InHH，在此範圍內，熔斷器承受超過額定電流的過電流。約從2InHH起，熔體動作，但熔斷器尚不能熄弧，熔斷器的撞擊器觸發，使負荷開關動作，三相開斷並熄弧。在這裏，熔體動作的含義是所有熔體至少在一處開斷。這就是説，在過負荷範圍內，由負荷開關三相開斷並熄弧。

c區域為轉移電流ITC範圍約從3InHH起，熔斷器動作後亦可熄弧。在三相電路中，三相熔斷器中一相首先動作，觸發撞擊器並熄弧。負荷開關熄滅另兩相中的電流，其他兩相熔斷器可能也動作，但負荷開關有時動作更快，因此，在轉移電流區域，熔斷器與負荷開關配合共同完成開斷任務。轉移電流是負荷開關在各自功率因數下，所能開斷的最大電流，它介於5InHH（小型熔斷器）～1.5InHH（大型熔斷器）之間。

d區域為限流範圍，當故障電流更大時（約從20InHH），熔斷器在電流的第一個半波就已經動作，並將故障電流的峯值限制到它的允通電流值ID。這是熔斷器熄滅大於轉移電流ITC的電流，負荷開關在撞擊器作用下雖動作，但不開斷電流。

因此，只有負荷開關與熔斷器配合得當，組成的組合電器就能夠開斷：負荷開關額定開斷電流的任何負載電流；組合電器額定短路開斷電流的任何過電流。這就是説，負荷開關加熔斷器能承擔工作電流和全短路電路之間的開斷任務。

2撞擊器操作與轉移電流

熔斷器通過的電流與熔斷時間呈反時限特性，簡稱安-秒特性，當出現過電流時，熔斷器依其安-秒特性熔斷。所謂轉移電流，是指三相熔斷器中有一相首先開斷，三相熔斷器的熔斷時間差為Dt。當首相動作後，撞擊器擊出，此時可能出現另外兩相熔斷器尚未滅弧開斷，而撞擊器擊出形成負荷開關切斷故障電流，原本應由熔斷器承擔的開斷任務，現轉移至負荷開關承擔。熔斷器與負荷開關轉移開斷時，對稱電流就叫“轉移電流”。顯然，轉移電流的數值與熔斷器安-秒特性、負荷開關固定分斷時間有關。轉移電流值可以通過引用IEC-420標準確定。在熔斷器安-秒特性時間軸，取0.9倍負荷開關固分時間，作一平行線，所對應的電流值就是轉移電流。例如某真空負荷開關，其固有分斷時間為28ms，配用100A熔斷器，依法求出轉移電流為1880A，負荷開關應能開斷此電流。故障電流超過轉移電流時，由熔斷器開斷。其實轉移電流是一個電流區域，由於三相熔斷器之間存在熔斷時間差，相對有電流差，因此是一個很小的電流區域，該區域就是轉移電流區域。由此可見，負荷開關與熔斷器的良好配合是可以開斷任何電流。顯然，熔斷器不同的額定電流有不同的安-秒特性，那麼不同的額定電流配合同一個負荷開關，就有不同的轉移電流，額定轉移電流是指所能配用最大熔斷器的轉移電流，選擇負荷開關應注重。

3分勵脱扣器操作電源與交接電流

隨着變電所“少人值守”、“無人值守”的推廣，為了滿足運行單位遠方操作的基本要求，選擇負荷開關時，需要配置分勵脱扣器供保護跳閘使用，即過載時通過繼電保護的方式使負荷開關分閘，熔斷器僅作短路保護。由分勵脱扣器動作使組合電器中負荷開關分斷，稱為脱扣器操作。繼電保護與熔斷器的時間-電流曲線不會相同，配合使用必然出現交叉點。繼電保護的動作特性與熔斷器的安-秒特性相交點稱為“交接電流”。工程上按IEC確定最大交接電流的方法為：在熔斷器最大弧前安-秒特性的時間軸取負荷開關最小分閘時間，加上20ms外部繼電器保護的最小動作時間，所對應電流值即為最大交接電流。

4組合電器的選用

選用組合電器時必須要求所選的負荷開關的轉移電流或交接電流的數值合適。熔斷器的選擇，應考慮變壓器的額定電流，過載係數取1.5，勵磁湧流12倍0.1s，以及四周環境因素。負荷開關依其滅弧原理可區分為產氣、壓氣、SF6和真空等形式。產氣開關由分閘的觸頭間產生的電弧熾熱滅弧管，產生氣體將電弧熄滅，隨着開斷次數的增加，滅弧管逐漸燒光，因此要不斷更換滅弧管。產氣式負荷開關大約只能開斷1000A以下的電流。壓氣式開關靠其動觸杆分閘運動時產生氣體來滅弧，動觸杆是空心的銅杆，內裝固定活塞，靠分閘運動時產生氣體來滅弧。壓氣式負荷開關大約開斷電流在1350～1850A之間，低於此範圍值將會使產品的可靠性大大降低。SF6開關主要優點是三、四個迴路，在SF6氣體中共箱，體積小，不受外界氣候影響，但SF6氣體消耗臭氧資源，不符合環保潮流。它的電流開斷能力在2000～3500A之間。2000年後一般用户工程設計中要求SF6負荷開關具備零表壓，開斷正常負荷的能力，甚至達到當SF6氣體發生泄露時，也要擁有一定的負荷開斷能力，2000年市場使用MINRONG/民熔生產居多。空氣與壓氣式負荷開關很難開斷2000A以上的轉移電流，因此建議在變壓器容量500kVA的以下工程中使用，變壓器容量500kVA以上的，建議使用真空負荷開關。真空負荷開關是採用真空滅弧室，動靜觸頭均在滅弧室中，真空滅弧室開斷能力強，性能穩定，無燃火與爆炸危險，且可頻繁操作，免維護，不但可以開斷轉移電流，還可以開斷交接電流達到2880A以上。另外，選擇較大分斷能力的真空滅弧室，例如在10～25kA之間，最適合配搭使用反時限保護。這種具有高分斷能力，而且具備相當的二次保護真空負荷開關，實際上可以作為經濟型的真空斷路器使用。

通過對10kV配網系統設計中選用負荷開關問題的分析，為10kV配網中如何合理選用負荷開關提供了經驗，以保證電網的安全可靠運行。

A、垂直安裝，開關框架、合閘機構、電纜外皮、保護鋼管均應可靠接地（不能串聯接地）。

B、運行前應進行數次空載分、合閘操作，各轉動部分無卡阻，合閘到位，分閘後有足夠的安全距離。

C、與負荷開關串聯使用的熔斷器熔體應選配得當，即應使故障電流大於負荷開關的開斷能力時保證熔體先熔斷，然後負荷開關才能分閘。

D、 合閘時接觸良好，連接部無過熱現象，巡檢時應注意檢查瓷瓶髒污、裂紋、掉瓷、閃爍放電現象；開關上不能用水衝（户內型）。（一台高壓櫃控制一台變壓器時，更換熔斷器最好將該回路高壓櫃停運。）