高壓電器概論分析

高壓電器概論主要高電壓設(shè)備發(fā)電機（電磁，絕緣，機械）；變壓器、互感器、電抗器（電磁，絕緣）；開關(guān)設(shè)備（滅弧，絕緣，機械）；電容器（絕緣，材料）；線路和外絕緣（絕緣，污穢）；FACTS設(shè)備（電力電子）高壓直流設(shè)備（電力電子）。高壓電器的定義與分類定義高壓電器是指在額定電壓3000V及以上的電力系統(tǒng)中，用于關(guān)合和開斷電路、限制電路中的電壓或電流以及進行電壓或電流變換的電器。依據(jù)電力系統(tǒng)平安、牢靠和經(jīng)濟運行的須要，高壓電器能開斷和關(guān)合正常線路和故障線路，隔離高壓電源，起限制、愛護和平安隔離的作用。分類高壓電器按結(jié)構(gòu)形式分為單極式和三極式；按運用場所分為戶內(nèi)式和戶外式；按用途和功能又分為開關(guān)電器、限制電器、變換電器和組合電器。運用中以后一種分類方式常見。(1)開關(guān)電器：主要有高壓斷路器、高壓隔離開關(guān)、高壓熔斷器、高壓負荷開關(guān)和接地開關(guān)。高壓斷路器又稱高壓開關(guān)，能接通、分斷承載線路正常電流，也能在規(guī)定的異樣電路條件下（例如短路）和確定時間內(nèi)接通、分斷承載電流的機械式開關(guān)電器。機械式開關(guān)電器是用可分觸頭接通和分斷電路的電器的總稱。高壓隔離開關(guān)用于將帶電的高壓電工設(shè)備與電源隔離，一般只具有分合空載電路的實力，當在分斷狀態(tài)時，觸頭具有明顯可見的斷開位置，以保證檢修時的平安。高壓熔斷器俗稱高壓保險絲，用于開斷過載或短路狀態(tài)下的電路。高壓負荷開關(guān)用于接通或斷開空載、正常負載和過載下的電路，通常與高壓熔斷器協(xié)作運用。接地開關(guān)用于將高壓線路人為地造成對地短路。通常裝在降壓變壓器的高壓側(cè),當用電端發(fā)生故障,但故障電流不很大，不足以使送電端的斷路器動作時，接地短路器能自動合閘，造成人為接地擴大故障電流，使送電端斷路器動作而分閘，切斷故障電流。(2)限制電器：主要有電抗器、避雷器。電抗器：依靠線圈的感抗起阻礙電流變更作用的電器。電抗器可按用途、按有無鐵心和按絕緣結(jié)構(gòu)分類。按用途分為3種。①限流電抗器:串聯(lián)在電力電路中，用來限制短路電流的數(shù)值。②并聯(lián)電抗器：一般接在超高壓輸電線的末端和地之間，用來防止輸電線由于距離很長而引起的工頻電壓過分上升，還涉及系統(tǒng)穩(wěn)定、無功平衡、潛供電流、調(diào)相電壓、自勵磁及非全相運行下的諧振狀態(tài)等方面。③消弧電抗器：又稱消弧線圈，接在三相變壓器的中性點和地之間，用以在三相電網(wǎng)的一相接地時供應(yīng)電感性電流，來補償流過接地點的電容性電流，使電弧不易持續(xù)起燃，從而消退由于電弧多次重燃引起的過電壓。按有無鐵心可分為2種。①空心式電抗器:線圈中無鐵心，其磁通全部經(jīng)空氣閉合。②鐵心式電抗器：其磁通全部或大部分經(jīng)鐵心閉合。鐵心式電抗器工作在鐵心飽和狀態(tài)時，其電感值大大削減，利用這一特性制成的電抗器叫飽和式電抗器。按絕緣結(jié)構(gòu)又可分為2種。①干式電抗器：其線圈敞露在空氣中，以紙板、木材、層壓絕緣板、水泥等固體絕緣材料作為對地絕緣和匝間絕緣。②油浸式電抗器：其線圈裝在油箱中，以紙、紙板和變壓器油作為對地絕緣和匝間絕緣。避雷器：一種能釋放雷電或兼能釋放電力系統(tǒng)操作過電壓能量，愛護電工設(shè)備免受瞬時過電壓危害，又能截斷續(xù)流，不致引起系統(tǒng)接地短路的電器裝置。避雷器通常接于帶電導線和地之間，與被愛護設(shè)備并聯(lián)。當過電壓值達到規(guī)定的動作電壓時,避雷器馬上動作,流過電荷，限制過電壓幅值，愛護設(shè)備絕緣；當電壓值正常后，避雷器又快速復原原狀，以保證系統(tǒng)正常供電。(3)變換電器：又稱互感器。按比例變換電壓或電流的設(shè)備。分為電壓互感器和電流互感器兩大類?；ジ衅鞯墓δ苁牵簩⒏唠妷夯虼箅娏靼幢壤儞Q成標準低電壓（100V或100/□V）或標準小電流(5A或1A，均指額定值)，以便實現(xiàn)測量儀表、愛護設(shè)備和自動限制設(shè)備的標準化、小型化。此外，互感器還可用于隔離開高電壓系統(tǒng)，以保證人身和設(shè)備的平安。(4)組合電器：將兩種或兩種以上的電器，按接線要求組成一個整體而各電器仍保持原性能的裝置。組合電器結(jié)構(gòu)緊湊，外形及安裝尺寸小，運用便利，且各電器的性能可更好地協(xié)調(diào)協(xié)作。高壓開關(guān)電器的基本功能限制：使電力線路、設(shè)備投入或退出運行愛護：切除故障線路或設(shè)備；建立牢靠的絕緣斷口；停運的電力線路或設(shè)備牢靠接地高壓開關(guān)電器的性能特點通常要求高壓電器具有以下性能特點：①牢靠性高。高壓電器是電力系統(tǒng)中的限制和愛護裝置，若牢靠性不高，在線路發(fā)生故障時不能正常限制，則影響范圍會快速擴大，造成大面積停電。②能承受很大的瞬時功率。電力系統(tǒng)中的故障電流往往幾倍、幾十倍于額定電流，持續(xù)時間達幾秒鐘，要求高壓電器能承受、斷開和關(guān)合這類故障電流。③動作時間快。開斷故障電流的時間快慢，影響電力系統(tǒng)傳輸功率的大小和運行穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)對高壓開關(guān)電器的基本要求

（1）絕緣：對地、斷口間、相間長期承受電力系統(tǒng)最高工作電壓；短時承受工頻、雷電沖擊電壓及操作過電壓。（2）切合電流：承載及切合負荷電流；短時承載及切合短路故障電流；切合電容電流；切合小電感電流（3）自然環(huán)境（溫度、海拔、濕度、地震、污穢、風力、覆冰）（4）其他方面（機械壽命、電壽命、密封性能、對四周環(huán)境的影響）高壓開關(guān)電器的基本構(gòu)成由導電回路、可分觸頭、滅弧裝置、絕緣部件、底座、傳動機構(gòu)、操動機構(gòu)等組成。導電回路用來承載電流；可分觸頭是使電路關(guān)合或開斷的執(zhí)行元件；滅弧裝置則是用來快速、牢靠地熄滅電弧,使電路最終斷開。與其他開關(guān)相比，斷路器的滅弧裝置的熄弧實力最強，結(jié)構(gòu)也比較困難。觸頭的分合運動是靠操動機構(gòu)作功并經(jīng)傳動機構(gòu)傳遞力來帶動的。其操作方式可分為手動、電動、氣動和液壓等。有些斷路器（如油斷路器、六氟化硫斷路器等）的操動機構(gòu)并不包括在斷路器的本體內(nèi)，而是作為一種獨立的產(chǎn)品供應(yīng)斷路器選配運用。高壓電器中的基本理論發(fā)熱、電動力、電接觸、電弧、高壓溝通電路的關(guān)合與開斷、絕緣及絕緣結(jié)構(gòu)、傳動及運動特性高壓開關(guān)電器的基本工作原理開關(guān)觸頭機械分別燃弧工頻電流過零、熄弧、開斷高壓開關(guān)電器的基本技術(shù)參數(shù)電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)和負載性質(zhì)是多種多樣的，作為限制、愛護元件的高壓開關(guān)電器，要保證電力系統(tǒng)的平安運行，對它的要求也是多方面的。另外，高壓開關(guān)電器所處場所的自然環(huán)境變更也會對其工作性能產(chǎn)生影響。因此在電器設(shè)計時，應(yīng)當全面考慮這些要求。1一般電氣性能方面

高壓開關(guān)電器長期在電網(wǎng)中運用時，就應(yīng)與其它電力設(shè)備一樣，能夠耐受各種電壓、電流的作用而不致?lián)p壞。依據(jù)IEC和國家標準，首先應(yīng)分清電工術(shù)語的兩個名詞：標稱值（nominalvalue）：用以標識一個元件、器件或設(shè)備的合適的近似量值。額定值（ratedvalue）：一般由制造廠對一個元件、器件或設(shè)備在規(guī)定工作條件下所規(guī)定的一個量值。（1）電壓方面

標稱電壓：系統(tǒng)被指定的電壓。系統(tǒng)最高電壓：運行中所出現(xiàn)的電壓最高值，不包括異樣和暫態(tài)、瞬態(tài)的電壓。電氣設(shè)備的額定電壓：依據(jù)規(guī)定的工作條件，由制造廠確定的電壓。設(shè)備最高電壓：考慮到設(shè)備絕緣性能所確定的最高運行電壓，其數(shù)值等于所在系統(tǒng)的系統(tǒng)最高電壓。有關(guān)標準規(guī)定，電氣設(shè)備額定電壓的數(shù)值應(yīng)按設(shè)備最高電壓確定。高壓電器在規(guī)定的正常運用和性能條件下，能夠連續(xù)運行的最高電壓稱為斷路器的額定電壓。額定電壓的大小確定了電氣設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)和外形尺寸。額定電壓越高，電氣設(shè)備的外形尺寸越大，極間距離也越大。高壓電器工作時還應(yīng)耐受高于額定電壓的各種過電壓作用，而不會導致絕緣的損壞。標記這方面性能的參數(shù)有1min工頻耐受電壓、雷電沖擊耐受電壓和操作沖擊耐受電壓。（2）電流方面

高壓電器長期通過工作電流時，各部分的溫度不得超過允許值，以保證電器的工作牢靠。關(guān)于電器各種狀況下的允許溫度在有關(guān)標準中都有規(guī)定。電器在關(guān)合位置通過短路電流時，不應(yīng)因電動力受到損壞，各部分溫度也不應(yīng)超過短時工作的允許值，觸頭不應(yīng)發(fā)生熔焊和損壞。標記這方面功能的參數(shù)有：額定電流、額定峰值耐受電流、額定短時耐受電流和額定短路持續(xù)時間。額定電流：在規(guī)定運用和性能條件下能持續(xù)通過的電流有效值。額定電流值應(yīng)從優(yōu)先數(shù)系的R10中選取。所謂R10系列即是按比值為101/10遞增或遞減的級數(shù)。R10數(shù)系包括：1、1.25、1.6、2、2.5、3.15、4、5、6.3、8各數(shù)及其與10的倍數(shù)之乘積。額定電流的大小確定了電器導電部分和觸頭的尺寸、結(jié)構(gòu)以及散熱結(jié)構(gòu)。這是因為允許的發(fā)熱溫度有規(guī)定，當額定電流增大時，就要求導電部分的截面增大，以減小損耗和增大散熱面積。額定短時耐受（熱穩(wěn)定）電流：在規(guī)定的運用和性能條件下，在額定短路持續(xù)時間內(nèi)，電器在關(guān)合位置時能承載的電流有效值。額定短時耐受電流的標準值應(yīng)從R10系列中選取，且應(yīng)與電器的任何其它短路額定值不沖突。額定短路持續(xù)時間：斷路器在合閘位置時能承載額定短時耐受電流的時間間隔。額定峰值耐受（動穩(wěn)定）電流：在規(guī)定的運用和性能條件下，機械開關(guān)在合閘位置時能承載的額定短時耐受電流第一個大半波的電流峰值。額定峰值耐受電流標準值等于2.5倍額定短時耐受電流。依據(jù)電力系統(tǒng)特性和開關(guān)設(shè)備的操作特點，可能要求高于2.5倍額定短時耐受電流的值，例如，當系統(tǒng)直流重量的衰減時間常數(shù)大于45ms，或發(fā)電機、開關(guān)等，其倍數(shù)由產(chǎn)品技術(shù)條件作出規(guī)定。2開斷、關(guān)合電路方面

(1)開斷短路故障開關(guān)電器開斷有電流的電路時，觸頭分別后．觸頭間會出現(xiàn)電弧，只有使電弧熄滅，電路的開斷任務(wù)才能完成。在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時．短路電流比正常負荷電流大得多，這時電路最難開斷。因此，牢靠地開斷短路故障是高壓開關(guān)電器主要的也是最困難的任務(wù)。額定短路開斷電流是標記高壓開關(guān)電器開斷短路故障實力的參數(shù)。它是在規(guī)定的運用和性能條件下，開關(guān)電器能開斷的最大短路電流。額定短路開斷電流由兩個值來表征溝通重量有效值額定短路開斷電流的溝通重量有效值應(yīng)從下列數(shù)值中選?。?.3，8，10，12.5，16，20，25，31.5，40，50，63，80，100kA。直流重量百分數(shù)假如直流重量不超過20%，額定短路開斷電流僅由溝通重量有效值來表征（2）快速開斷

電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，要求繼電愛護系統(tǒng)盡快動作，開關(guān)電器開斷得越快越好。這樣可以縮短電力系統(tǒng)故障存在的時間，減輕短路電流對電力設(shè)備造成的危害，更重要的是．在超高壓電力系統(tǒng)中，縮短開關(guān)電器開斷短路故障的時間可以增加電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而保證輸電線路的輸送容量。開斷時間是標記開關(guān)電器開斷過程快慢的參數(shù)。開斷時間是指開關(guān)電器接到分閘指令起到全部極中電弧都熄滅的時間間隔。開斷時間由分閘時間和燃弧時間兩部分組成。分閘時間指開關(guān)電器接到分閘指令起到全部極的弧觸頭分別瞬間的時間間隔。燃弧時間是指開關(guān)電器從首先分別極滅弧觸頭起先分別到全部極電弧最終熄滅的時間間隔。對于高壓開關(guān)電器．分閘時間和燃弧時間都必需盡量縮短。（3）關(guān)合短路故障

電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備或輸電線路在未投入運行前就已存在絕原因障，甚至處于短路狀態(tài)，這種故障稱為“預伏故障”。當開關(guān)電器關(guān)合有預伏故障的電路時，在關(guān)合過程中，常在動、靜觸頭尚未接觸前，在電源電壓作用下，觸頭間隙擊穿（通常稱為預擊穿），隨即出現(xiàn)短路電流。在關(guān)合過程中出現(xiàn)短路電流，會對開關(guān)電器的關(guān)合造成很大的阻力，這是由于短路電流產(chǎn)生的電動力造成的。有的狀況下，甚至出現(xiàn)動觸頭合不究竟的狀況。此時在觸頭間形成持續(xù)電弧，造成開關(guān)電器的嚴峻損壞甚至爆炸。為了避開出現(xiàn)上述狀況，開關(guān)電器應(yīng)具有足夠的關(guān)合短路故障的實力。標記這一實力的參數(shù)是開關(guān)電器的額定短路關(guān)合電流。額定短路關(guān)合電流是指開關(guān)電器在額定電壓以及規(guī)定的運用和性能條件下，能保證正常關(guān)合的最大短路峰值電流。關(guān)合時間是指開關(guān)電器接到合閘指令起到任一極中首先通過電流（因預擊穿引起）時為止的時間，它是合閘時間與預擊穿時間之差。合閘時間指開關(guān)器接到合閘指令起到全部極觸頭均接觸為止的時間預擊穿時間是指關(guān)合時．從隨意一極中首先出現(xiàn)電流到全部極中觸頭均接觸的時間。（4）開合各種空載、負載電路高壓開關(guān)電器在電力線路中工作時．除開合一般負荷外，有時須要關(guān)合、開斷空載架空線路和電纜線路，空載變壓器、并聯(lián)電抗器、電容器組、高壓電動機等電路。開合這些電路的主要問題是可能產(chǎn)生過電壓。這時，對開關(guān)電器的要求是在開合過程中，不應(yīng)產(chǎn)生危及絕緣的過電壓，即過電壓必需限制在規(guī)定的范圍內(nèi)。標記這方面開合實力的主要參數(shù)是額定電壓和各種開合電流，如額定線路充電開斷電流、額定電纜充電開斷電流、額定電容器組開斷電流、額定電容器組關(guān)合涌流和額定小感性開斷電流等。額定線路充電開斷電流，是在額定電壓和規(guī)定的運用和性能條件下，應(yīng)能開斷的最大線路充電電流，開斷時不得重擊穿，且過電壓不得大于規(guī)定的數(shù)值。額定線路充電開斷電流的規(guī)定，局限于指定運用在開合三相架空線，且額定電壓等于或大于40.5kV的開關(guān)電器。額定電纜充電開斷電流，是在額定電壓和規(guī)定的運用和性能條件下，應(yīng)能開斷的最大電纜充電電流，開斷時不得重擊穿，且過電壓不得大規(guī)定的數(shù)值。額定單個電容器組開斷電流，是在額定電壓和規(guī)定的運用和性能條件下，應(yīng)能開斷的最大電容電流，開斷時不得出現(xiàn)重擊穿，且操作過電壓不得大于規(guī)定的數(shù)值。此開斷電流系指開合一組并聯(lián)電容器的電流，開關(guān)電器的電源側(cè)并沒有連接多個并聯(lián)電容器。單個電容器組開斷電流的額定值應(yīng)從R10數(shù)系中選取。額定背對背電容器組開斷電流，是在額定電壓和規(guī)定的運用和性能條件下，應(yīng)能開斷的最大電容電流，開斷時不得出現(xiàn)重擊穿，在運行中操作過電壓未超過規(guī)定的最大允許值。此開斷電流系指開合一組并聯(lián)電容器的電流，開關(guān)電器電源側(cè)連接有一組或幾組并聯(lián)電容器，其關(guān)合涌流等于額定電容器組關(guān)合涌流。背對背電容器組開斷電流的額定值應(yīng)從R10數(shù)系中選取。額定電容器組關(guān)合涌流，是在額定電壓及相應(yīng)運用條件的涌流頻率下，應(yīng)能關(guān)合的電流峰值。電容器組關(guān)合涌流的額定值應(yīng)從R10數(shù)系中選取。在運行中，涌流的頻率通常在2kHz～5kHz范圍內(nèi)。3自然環(huán)境方面

（1）四周空氣溫度溫度過低，會使高壓電器內(nèi)部的變壓器油、潤滑油、液壓油的粘度增加，影響電器的分合閘速度。溫度過低還可能使密封材料的性能劣化，造成電器漏氣、漏油。反之，溫度過高可能造成導電部分過熱等。國家標準《溝通高壓電器在長期工作時的發(fā)熱》中規(guī)定，當電器設(shè)備運用在四周空氣溫度高于40℃（但不高于60℃）時，允許降低負荷長期工作。舉薦四周空氣溫度每增高IK，額定電流減小1.8％；反之，四周空氣溫度低于40℃時，每降低1K，額定電流增加0.5％。但其最大過負荷不得超過額定電流的20％。溫度過高，空氣的絕緣強度也會降低。（2）海拔海拔會對高壓電器的外絕緣產(chǎn)生影響。海拔高的地區(qū)，大氣壓力低，空氣淡薄，空氣的絕緣強度也低。因此，有關(guān)標準規(guī)定、對用于海拔高于1000m但不超過4000m處的高壓電器，海拔每上升100m，其外絕緣的絕緣強度大約降低1％。高海拔地區(qū)空氣淡薄、散熱差，電器各部分的溫升隨之上升。因此，在向海拔地區(qū)工作的斷路器在1000m處進行溫升試驗時，溫升的允許值必需降低。標服規(guī)定，電器在海拔高于1000m但不超過4000m處且四周空氣溫度為40℃工作時，每超過100m（以海拔1000m為起點），允許溫升降低0.3%。（3）濕度我國長江以南地區(qū)濕度很大，全年很長時間的濕度在90％以上，甚至表面出現(xiàn)凝露。這樣大的濕度，簡潔引起電器的金屬件銹蝕．絕緣件受潮、油漆層脫落，甚至影響機構(gòu)的牢靠動作和出現(xiàn)絕緣件表面的閃絡(luò)事故。我國標準中規(guī)定，高壓電器應(yīng)能在日平均相對濕度不大于95％，月平均相對濕度不大于90％的環(huán)境下工作。（4）地震在多地震地區(qū)選用高壓和超高壓斷路器時，應(yīng)選用抗地震性能好、結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的接地箱殼（落地罐式）斷路器及六氟化硫氣體絕緣全封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)。（5）污穢沿海地區(qū)和重工業(yè)集中地區(qū)，尤其是火電廠、煉油廠、水泥廠、化工廠和沿海的油田等地區(qū)，空氣中污穢嚴峻，常常發(fā)生電器外絕緣的污閃事故。特殊是秋末冬初和冬末春初之際，以及天氣久晴之后，絕緣件上積穢較多，遇到毛毛雨天氣就更為嚴峻。戶內(nèi)運用的電器的污穢問題也不容忽視。對于污穢地區(qū)，門窗不嚴的斷路器室，假如清掃不剛好，又不像戶外電器有雨的自然清掃作用，污穢積累程度并不亞于戶外電器。加上南方地區(qū)戶內(nèi)濕度高，對于環(huán)氧玻璃鋼一類的有機絕緣材料來說其沿面閃絡(luò)電壓將顯著降低。對于污穢引起的污閃事故除加強清掃、改善室內(nèi)環(huán)境（密封、空調(diào)）外，還可以通過增加爬電比距（外絕緣爬電距離與電器額定電壓之比）和選用合適的絕緣材料（如硅橡膠）等來解決。（6）風力過大的風力合可能使結(jié)構(gòu)瘦長的高壓電器變形其至斷裂，其結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮這種風力載荷。（7）覆冰高壓電器的絕緣相對地絕緣極間絕緣開斷間隙的絕緣高壓電器面臨的問題1、更高電壓等級和更大開斷容量的要求1000kV電壓等級的出現(xiàn)，要求相應(yīng)電壓等級的開關(guān)設(shè)備。隨著電網(wǎng)容量、設(shè)備單機容量、變電站容量增大，短路電流也增大，要求開關(guān)開斷更大短路電流的實力。2、牢靠性、壽命、維護開關(guān)設(shè)備拒動、誤動、開斷失敗對電力系統(tǒng)平安運行構(gòu)成嚴峻影響。要求開關(guān)設(shè)備具有高的牢靠性。開關(guān)設(shè)備的平安維護花費大量的人力和資源，造成停電。要求開關(guān)設(shè)備高壽命、免維護。3、短路故障應(yīng)對短路故障對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行構(gòu)成嚴峻干擾；短路電流損壞電力設(shè)備機械結(jié)構(gòu)；短路故障造成電壓跌落，影響電源質(zhì)量。要求限制短路電流，快速切除短路電流。限制短路電流要求各種故障電流限制器?？焖偾谐搪冯娏饕罂焖匍_關(guān)。目前狀況，短路電流一般持續(xù)4、5個工頻半波被切除。4、選相投切開關(guān)操作產(chǎn)生暫態(tài)，對電力系統(tǒng)構(gòu)成干擾。選相投切即在選定的相位進行投切操作?？梢詼p小暫態(tài)，減小干擾。機械操作過程相對于工頻過程要緩慢，且具有較大的分散性，開關(guān)選相操作目前比較困難。5、多電源快速切換一些特殊電力用戶要求高質(zhì)量電源，接受多電源供電，當當前電源存在質(zhì)量問題時，快速切換到另一電源。6、電力設(shè)備柔性限制開關(guān)的分合操作是非柔性的，在一些場合要求柔性限制。例如無功補償。高壓電器設(shè)備發(fā)展趨勢1、電器設(shè)備的智