高压电器概论

高压电器概论高压电器课程课程名称：高压电器使用教材：尚振球，郭文元.高压电器.西安交通大学出版社参考目：张冠生.电器理论基础.机械工业出版社徐国政等.高压断路器原理和应用.清华大学出版社陈慈萱，马志瀛.高压电器.水利电力出版社王章启等.电力开关技术.华中科技大学出版社授课教师：闫静目录高压电器的定义、分类与用途高压开关电器概述高压开关电器的基本技术参数高压开关电器的发展趋势定义高压电器是指在3kV及以上的电力系统中，用于关合和开断电路、限制电路中的电压或电流以及进行电压或电流变换的电器。分类高压电器按结构形式分为单极式和三极式；按使用场所分为户内式和户外式；按用途和功能又分为开关电器、限制电器、变换电器和组合电器。使用中以后一种分类方式常见。高压电器的定义、分类与用途按安装场所可分： （1）户内式（indoor）：设计成安装在建筑物（building）内或遮蔽物（otherhosing）内使用的电器，这些地方可保护它们免遭风、雨、雪、尘埃、凝露、冰和浓霜等侵袭。 （2）户外式（outdoor）：适合安装于露天（intheopenair）使用的电器，它们能耐受风、雨、雪、积尘（dirtdeposits）、露（condensation）、冰及浓霜（hoarfrost）等侵袭。极：仅与电气上分离的主回路导电路径之一相连的各部件，而不包括用来一起安装和操作所有极的那些部件。高压电器的定义、分类与用途(1)开关电器高压断路器：又称高压开关，能关合、开断、承载线路正常电流，也能在规定的异常电路条件下（例如短路）和一定时间内关合、开断、承载电流的机械式开关电器。机械式开关电器是用可分触头关合和开断电路的电器的总称高压隔离开关：用于将带电的高压电工设备与电源隔离，一般只具有分合空载电路的能力，当在开断状态时，触头具有明显可见的断开位置，以保证检修时的安全。高压电器的定义、分类与用途高压电器的定义、分类与用途高压电器的定义、分类与用途高压电器的定义、分类与用途高压电器的定义、分类与用途高压电器的定义、分类与用途高压熔断器俗称高压保险丝，用于开断过载或短路状态下的电路。高压负荷开关用于接通或断开空载、正常负载和过载下的电路，通常与高压熔断器配合使用。高压接触器，手动操作除外，只有一个休止位置，能关合、承载及开断正常电流及规定的过载电流的开断和关合装置。高压电器的定义、分类与用途重合器，能够按照预定的顺序，在导电回路中进行开断和重合操作，并在其后自动复位、分闸闭锁或合闸闭锁的自具（不需外加能源）控制保护功能的开关设备。分段器，一种能够自动判断线路故障和记忆线路故障电流开断的次数，并在达到整定的次数后在无电压或无电流下自动分闸的开关设备。高压电器的定义、分类与用途(2)限制电器：主要有电抗器、避雷器。电抗器：依靠线圈的感抗起阻碍电流变化作用的电器。电抗器可按用途、按有无铁心和按绝缘结构分类。按用途分为3种。①限流电抗器:串联在电力电路中，用来限制短路电流的数值。②并联电抗器：一般接在超高压输电线的末端和地之间，用来防止输电线由于距离很长而引起的工频电压过分升高，还涉及系统稳定、无功平衡、潜供电流、调相电压、自励磁及非全相运行下的谐振状态等方面。③消弧电抗器：又称消弧线圈，接在三相变压器的中性点和地之间，用以在三相电网的一相接地时供给电感性电流，来补偿流过接地点的电容性电流，使电弧不易持续起燃，从而消除由于电弧多次重燃引起的过电压。高压电器的定义、分类与用途并联电抗器高压电器的定义、分类与用途串联电抗器高压电器的定义、分类与用途按有无铁心可分为2种。①空心式电抗器:线圈中无铁心，其磁通全部经空气闭合。②铁心式电抗器：其磁通全部或大部分经铁心闭合。铁心式电抗器工作在铁心饱和状态时，其电感值大大减少，利用这一特性制成的电抗器叫饱和式电抗器。按绝缘结构又可分为2种。①干式电抗器：其线圈敞露在空气中，以纸板、木材、层压绝缘板、水泥等固体绝缘材料作为对地绝缘和匝间绝缘。②油浸式电抗器：其线圈装在油箱中，以纸、纸板和变压器油作为对地绝缘和匝间绝缘。高压电器的定义、分类与用途避雷器：一种能释放雷电或兼能释放电力系统操作过电压能量，保护电工设备免受瞬时过电压危害，又能截断续流，不致引起系统接地短路的电器装置。避雷器通常接于带电导线和地之间，与被保护设备并联。当过电压值达到规定的动作电压时,避雷器立即动作,流过电荷，限制过电压幅值，保护设备绝缘；当电压值正常后，避雷器又迅速恢复原状，以保证系统正常供电。高压电器的定义、分类与用途(3)变换电器：又称互感器。按比例变换电压或电流的设备。分为电压互感器和电流互感器两大类。互感器的功能是：将高电压或大电流按比例变换成低电压（100V或100/□V）或标准小电流(5A或1A，均指额定值)，以便实现测量仪表、保护设备和自动控制设备的标准化、小型化。此外，互感器还可用于隔离开高电压系统，以保证人身和设备的安全。(4)组合电器：将两种或两种以上的电器，按接线要求组成一个整体而各电器仍保持原性能的装置。组合电器结构紧凑，外形及安装尺寸小，使用方便，且各电器的性能可更好地协调配合。高压电器的定义、分类与用途高压电器的定义、分类与用途高压电器的定义、分类与用途开关电器（switchingdevice）：用作闭合（关合）或者开断一个或几个电路电流的器件。机械开关电器：用可分离的触头来合、分一个或几个电路的的开关电器。半导体开关电器：设计用半导体可控导电性来闭合（关合）电路电流的开关电器。高压开关电器概述高压开关行业的定位开关行业是电力行业的主要装备制造业之一，也是机电产品工业之一，是国民经济的基础工业，是国家经济建设和人们日常生活中必不可少的能源和各种装备设备的供应商。相对于目前有些新兴的行业来说，开关行业是产生得比较早，已有百余年的历史，是一个较老的行业，但仍是国民经济和人民生活的基础行业。随着经济的发展，电力需求在不断增长，我国虽然是一个“电力大国”，但不是“电力强国”，人均占有量仍是“电力弱国”，发展前景很好。高压开关的需求量仍然很大，中国将是高压开关的主要生产国和消费国。随着科学技术的发展，开关行业本身也在不断发展和进步。高压开关电器概述高压开关电器的基本功能控制：使电力线路、设备投入或退出运行保护：切除故障线路或设备；建立可靠的绝缘断口；停运的电力线路或设备可靠接地高压开关电器概述高压开关电器的性能特点通常要求高压电器具有以下性能特点：①可靠性高。高压开关电器是电力系统中的控制和保护装置，若可靠性不高，在线路发生故障时不能正常控制，则影响范围会迅速扩大，造成大面积停电。②能承受很大的瞬时功率。电力系统中的故障电流往往几倍、几十倍于额定电流，持续时间达几秒钟，要求高压电器能承受、断开和关合这类故障电流。③动作时间快。开断故障电流的时间快慢，影响电力系统传输功率的大小和运行稳定性。高压开关电器概述电力系统对高压开关电器的基本要求（1）绝缘：对地、断口间、相间长期承受电力系统最高工作电压；短时承受工频、雷电冲击电压及操作过电压。（2）切合电流：承载及切合负荷电流；短时承载及切合短路故障电流；切合电容电流；切合小电感电流。（3）自然环境（温度、海拔、湿度、地震、污秽、风力、覆冰）（4）其他方面（机械寿命、电寿命、密封性能、对周围环境的影响）高压开关电器概述高压开关电器中的基本理论发热、电动力、电接触、电弧、电磁系统、高压交流电路的关合与开断、绝缘及绝缘结构、传动及运动特性高压开关电器概述高压开关电器的基本工作原理开关触头机械分离燃弧工频电流过零、熄弧、开断高压开关电器概述高压开关电器概述高压开关电器的基本构成由导电回路、可分触头、灭弧装置、绝缘部件、底座、传动机构、操动机构等组成。导电回路用来承载电流；可分触头是使电路接通或分断的执行元件；灭弧装置则是用来迅速、可靠地熄灭电弧,使电路最终断开。与其他开关相比，断路器的灭弧装置的熄弧能力最强，结构也比较复杂。触头的分合运动是靠操动机构作功并经传动机构传递力来带动的。其操作方式可分为手动、电动、气动和液压等。有些断路器的操动机构并不包括在断路器的本体内，而是作为一种独立的产品提供断路器选配使用。高压开关电器概述高压开关电器概述高压开关电器概述高压开关电器概述开关电器在功能和结构上的共性要有带电和导电部分；要有绝缘部分，带电部分与地及其它极间的隔离；导体与触头的电连接部分；触头的运动与机构。从运行角度的共同要求电的作用；热的作用；机械作用；大气环境的作用。高压开关电器的共同性问题高压开关电器概述电力系统的运行状态和负载性质是多种多样的，作为控制、保护元件的高压开关电器，要保证电力系统的安全运行，对它的要求也是多方面的。另外，高压开关电器所处场所的自然环境变化也会对其工作性能产生影响。因此在高压开关电器设计时，应该全面考虑这些要求。高压开关电器的基本技术参数1一般电气性能方面高压开关电器长期在电网中使用时，就应与其它电力设备一样，能够耐受各种电压、电流的作用而不致损坏。根据IEC和国家标准，首先应分清电工术语的两个名词：标称值（nominalvalue）：用以标识一个元件、器件或设备的合适的近似量值。额定值（ratedvalue）：一般由制造厂对一个元件、器件或设备在规定工作条件下所规定的一个量值。高压开关电器的基本技术参数（1）电压方面标称电压：系统被指定的电压。系统最高电压：运行中所出现的电压最高值，不包括异常和暂态、瞬态的电压。电气设备的额定电压：根据规定的工作条件，由制造厂确定的电压。设备最高电压：考虑到设备绝缘性能所确定的最高运行电压，其数值等于所在系统的系统最高电压。高压开关电器的基本技术参数有关标准规定，电气设备额定电压的数值应按设备最高电压确定。高压开关电器在规定的正常使用和性能条件下，能够连续运行的最高电压称为开关电器的额定电压。额定电压的大小确定了电气设备的绝缘结构和外形尺寸。额定电压越高，电气设备的外形尺寸越大，极间距离也越大。高压开关电器工作时还应耐受高于额定电压的各种过电压作用，而不会导致绝缘的损坏。标志这方面性能的参数有1min工频耐受电压、雷电冲击耐受电压和操作冲击耐受电压。高压开关电器的基本技术参数（2）电流方面高压开关电器长期通过工作电流时，各部分的温度不得超过允许值，以保证电器的工作可靠。关于电器各种情况下的允许温度在有关标准中都有规定。电器在关合位置通过短路电流时，不应因电动力受到损坏，各部分温度也不应超过短时工作的允许值，触头不应发生熔焊和损坏。标志这方面功能的参数有：额定电流、额定峰值耐受电流、额定短时耐受电流和额定短路持续时间。高压开关电器的基本技术参数额定电流：在规定使用和性能条件下能持续通过的电流有效值。额定电流值应从优先数系的R10中选取。所谓R10系列即是按比值为101/10递增或递减的级数。R10数系包括：1、1.25、1.6、2、2.5、3.15、4、5、6.3、8各数及其与10的倍数之乘积。额定电流的大小确定了电器导电部分和触头的尺寸、结构以及散热结构。这是因为允许的发热温度有规定，当额定电流增大时，就要求导电部分的截面增大，以减小损耗和增大散热面积。高压开关电器的基本技术参数额定短时耐受（热稳定）电流：在规定的使用和性能条件下，在额定短路持续时间内，电器在关合位置时能承载的电流有效值。额定短时耐受电流的标准值应从R10系列中选取，且应与电器的任何其它短路额定值不矛盾。额定短路持续时间：开关电器在合闸位置时能承载额定短时耐受电流的时间间隔。高压开关电器的基本技术参数额定峰值耐受（动稳定）电流：在规定的使用和性能条件下，机械开关在合闸位置时能承载的额定短时耐受电流第一个大半波的电流峰值。额定峰值耐受电流标准值等于2.5倍额定短时耐受电流。按照电力系统特性和开关设备的操作特点，可能要求高于2.5倍额定短时耐受电流的值，例如，当系统直流分量的衰减时间常数大于45ms，或发电机、开关等，其倍数由产品技术条件作出规定。高压开关电器的基本技术参数2开断、关合电路方面(1)开断短路故障开关电器开断有电流的电路时，触头分离后触头间会出现电弧，只有使电弧熄灭，电路的开断任务才能完成。在电力系统发生短路故障时．短路电流比正常负荷电流大得多，这时电路最难开断。因此，可靠地开断短路故障是高压开关电器主要的也是最困难的任务。高压开关电器的基本技术参数额定短路开断电流是标志高压开关电器开断短路故障能力的参数。它是在规定的使用和性能条件下，开关电器能开断的最大短路电流。额定短路开断电流由两个值来表征交流分量有效值额定短路开断电流的交流分量有效值应从下列数值中选取：6.3，8，10，12.5，16，20，25，31.5，40，50，63，80，100kA。直流分量百分数如果直流分量不超过20%，额定短路开断电流仅由交流分量有效值来表征高压开关电器的基本技术参数高压开关电器的基本技术参数（2）快速开断电力系统发生短路故障后，要求继电保护系统尽快动作，开关电器开断得越快越好。这样可以缩短电力系统故障存在的时间，减轻短路电流对电力设备造成的危害，更重要的是．在超高压电力系统中，缩短开关电器开断短路故障的时间可以增加电力系统的稳定性，从而保证输电线路的输送容量。开断时间是标志开关电器开断过程快慢的参数。高压开关电器的基本技术参数开断时间是指开关电器接到分闸指令起到所有极中电弧都熄灭的时间间隔。开断时间由分闸时间和燃弧时间两部分组成。分闸时间指开关电器接到分闸指令起到所有极的弧触头分离瞬间的时间间隔。燃弧时间是指开关电器从首先分离极灭弧触头开始分离到所有极电弧最终熄灭的时间间隔。对于高压开关电器．分闸时间和燃弧时间都必须尽量缩短。高压开关电器的基本技术参数高压开关电器的基本技术参数（3）关合短路故障电力系统中的电力设备或输电线路在未投入运行前就已存在绝缘故障，甚至处于短路状态，这种故障称为“预伏故障”。当开关电器关合有预伏故障的电路时，在关合过程中，常在动、静触头尚未接触前，在电源电压作用下，触头间隙击穿（通常称为预击穿），随即出现短路电流。在关合过程中出现短路电流，会对开关电器的关合造成很大的阻力，这是由于短路电流产生的电动力造成的。有的情况下，甚至出现动触头合不到底的情况。此时在触头间形成持续电弧，造成开关电器的严重损坏甚至爆炸。为了避免出现上述情况，开关电器应具有足够的关合短路故障的能力。标志这一能力的参数是开关电器的额定短路关合电流。高压开关电器的基本技术参数额定短路关合电流是指开关电器在额定电压以及规定的使用和性能条件下，能保证正常关合的最大短路峰值电流。关合时间是指开关电器接到合闸指令起到任一极中首先通过电流（因预击穿引起）时为止的时间，它是合闸时间与预击穿时间之差。合闸时间指开关器接到合闸指令起到所有极触头均接触为止的时间预击穿时间是指关合时．从任意一极中首先出现电流到所有极中触头均接触的时间。高压开关电器的基本技术参数高压开关电器的基本技术参数（4）开合各种空载、负载电路高压开关电器在电力线路中工作时．除开合一般负荷外，有时需要关合、开断空载架空线路和电缆线路，空载变压器、并联电抗器、电容器组、高压电动机等电路。开合这些电路的主要问题是可能产生过电压。这时，对开关电器的要求是在开合过程中，不应产生危及绝缘的过电压，即过电压必须限制在规定的范围内。标志这方面开合能力的主要参数是额定电压和各种开合电流，如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和额定小感性开断电流等。高压开关电器的基本技术参数额定线路充电开断电流，是在额定电压和规定的使用和性能条件下，应能开断的最大线路充电电流，开断时不得重击穿，且过电压不得大于规定的数值。额定线路充电开断电流的规定，局限于指定使用在开合三相架空线，且额定电压等于或大于40.5kV的开关电器。额定电缆充电开断电流，是在额定电压和规定的使用和性能条件下，应能开断的最大电缆充电电流，开断时不得重击穿，且过电压不得大规定的数值。额定单个电容器组开断电流，是在额定电压和规定的使用和性能条件下，应能开断的最大电容电流，开断时不得出现重击穿，且操作过电压不得大于规定的数值。此开断电流系指开合一组并联电容器的电流，开关电器的电源侧并没有连接多个并联电容器。单个电容器组开断电流的额定值应从R10数系中选取。高压开关电器的基本技术参数额定背对背电容器组开断电流，是在额定电压和规定的使用和性能条件下，应能开断的最大电容电流，开断时不得出现重击穿，在运行中操作过电压未超过规定的最大允许值。此开断电流系指开合一组并联电容器的电流，开关电器电源侧连接有一组或几组并联电容器，其关合涌流等于额定电容器组关合涌流。背对背电容器组开断电流的额定值应从R10数系中选取。额定电容器组关合涌流，是在额定电压及相应使用条件的涌流频率下，应能关合的电流峰值。电容器组关合涌流的额定值应从R10数系中选取。在运行中，涌流的频率通常在2kHz～5kHz范围内。高压开关电器的基本技术参数3自然环境方面（1）周围空气温度温度过低，会使高压电器内部的变压器油、润滑油、液压油的粘度增加，影响电器的分合闸速度。温度过低还可能使密封材料的性能劣化，造成电器漏气、漏油。反之，温度过高可能造成导电部分过热等。国家标准规定，当电器设备使用在周围空气温度高于40℃（但不高于60℃）时，允许降低负荷长期工作。推荐周围空气温度每增高IK，额定电流减小1.8％；反之，周围空气温度低于40℃时，每降低1℃，额定电流增加0.5％。但其最大过负荷不得超过额定电流的20％。温度过高，空气的绝缘强度也会降低。高压开关电器的基本技术参数（2）海拔海拔会对高压电器的外绝缘产生影响。海拔高的地区，大气压力低，空气稀薄，空气的绝缘强度也低。因此，有关标准规定、对用于海拔高于1000m但不超过4000m处的高压电器，海拔每升高100m，其外绝缘的绝缘强度大约降低1％。高海拔地区空气稀薄、散热差，电器各部分的温升随之升高。因此，在向海拔地区工作的断路器在1000m处进行温升试验时，温升的允许值必须降低。标服规定，电器在海拔高于1000m但不超过4000m处且周围空气温度为40℃工作时，每超过100m（以海拔1000m为起点），允许温升降低0.3%。高压开关电器的基本技术参数（3）湿度我国长江以南地区湿度很大，全年很长时间的湿度在90％以上，甚至表面出现凝露。这样大的湿度，容易引起电器的金属件锈蚀．绝缘件受潮、油漆层脱落，甚至影响机构的可靠动作和出现绝缘件表面的闪络事故。我国标准中规定，高压电器应能在日平均相对湿度不大于95％，月平均相对湿度不大于90％的环境下工作。（4）地震在多地震地区选用高压和超高压断路器时，应选用抗地震性能好、结构比较稳定的接地箱壳（落地罐式）断路器及六氟化硫气体绝缘全封闭开关设备(GIS)。高压开关电器的基本技术参数（5）污秽沿海地区和重工业集中地区，尤其是火电厂、炼油厂、水泥厂、化工厂和沿海的油田等地区，空气中污秽严重，经常发生电器外绝缘的污闪事故。特别是秋末冬初和冬末春初之际，以及天气久晴之后，绝缘件上积秽较多，碰到毛毛雨天气就更为严重。户内使用的电器的污秽问题也不容忽视。对于污秽地区，门窗不严的断路器室，如果清扫不及时，又不像户外电器有雨的自然清扫作用，污秽积累程度并不亚于户外电器。加上南方地区户内湿度高，对于环氧玻璃钢一类的有机绝缘材料来说其沿面闪络电压将显著降低。高压开关电器的基本技术参数对于污秽引起的污闪事故除加强清扫、改善室内环境（密封、空调）外，还可以通过增加爬电比距（外绝缘爬电距离与电器额定电压之比）和选用合适的绝缘材料（如硅橡胶）等来解决。（6）风力过大的风力合可能使结构细长的高压电器变形其至断裂，其结构设计中应考虑这种风力载荷。高压开关电器的基本技术参数高压开关电器面临的问题1、更高电压等级和更大开断容量的要求1000kV电压等级的出现，要求相应电压等级的开关设备。随着电网容量、设备单机容量、变电站容量增大，短路电流也增大，要求开关开断更大短路电流的能力。高压开关电器的发展趋势2、可靠性、寿命、维护开关设备拒动、误动、开断失败对电力系统安全运行构成严重影响。要求开关设备具有高的可靠性。开关设备的安全维护花费大量的人力和资源，造成停电。要求开关设备高寿命、免维护。3、短路故障应对短路故障对电力系统稳定运行构成严重干扰；短路电流损坏电力设备机械结构；短路故障造成电压跌落，影响电源质量。要求限制短路电流，快速切除短路电流。限制短路电流要求各种故障电流限制器。快速切除短路电流要求快速开关。目前情况，短路电流一般持续4、5个工频半波被切除。高压开关电器的发展趋势4、选相投切开关操作产生暂态，对电力系统构成干扰。选相投切即在选定的相位进行投切操作。可以减小暂态，减小干扰。机械操作过程相对于工频过程要缓慢，且具有较大的分散性，开关选相操作目前比较困难。5、多电源快速切换一些特殊电力用户要求高质量电源，采用多电源供电，当当前电源存在质量问题时，快速切换到另一电源。6、电力设备柔性控制开关的分合操作是非柔性的，在一些场合要求柔性控制。例如无功补偿。高压开关电器的发展趋势高压开关电器的发展趋势1、电器设备的智能化一次设备和控制测量设备的一体化。包含保护、计量和在线检测功能。该发展趋势是传统机电技术和现代信息技术的结合，是传统行业划分的重新组合。高压开关电器的发展趋势可以组成真正的全开放式系统真正实现分布式管理与控制电器设备的网络化电器设备的多功能化现场参量处理数字化智能电器的特点高压开关电器的发展趋势2、电力电子开关随着电力电子技术的发展，电力电子开关可望得到广泛应用。电力电子开关容易实现快速和选相控制。问题：正常运行时管压降引起的损耗。电力电子器件承受短路电流的能力。高压开关电器的发展趋势3、限流技术无论是机械开关，或是电力电子开关，都需要在工频过零时开断（否则需解决线路电感能量问题），因此，第一个短路电流峰值不可避免，其危害也不可避免。限流装置提供串联阻抗，限制短路电流幅值。从而减小对系统稳定和电力设备的危害，减小电压跌落，减小对开断能力的要求。问题：串联阻抗在正常情况下也产生电压降和损耗，影响电网运行质量。4.超导故障电流限制器电阻式，电感式，磁屏蔽式，饱和电抗器式，整流式，综合式等。在正常工作电流下不呈现电阻或电抗；在出现短路电流时，呈现电阻或电抗。问题：材料、制造和运行费用。高压开关电器的发展趋势5、快速机械开关机械开关的优点：可靠性高，无损耗，低成本。机械开关和其他装置结合使用，可呈现更大优点。（1）为其他设备提供快速保护，如超导限流器的保护。（2）和电力电子开关并联使用，实现快速准确投切。如电源快速切换。高压开关电器的发展趋势（3）和限流器并联使用，实现电流转移和限流。红：限流器蓝：快速机械开关红：预期短路电流黑：实际短路电流高压开关电器的发展趋势谢谢！高压电器理论基础