高压电器及成套装置.doc

第五章 电压电器及成套装置第一节 概述 高压电器是电力系统的重要设备， 它量多、 面广，置于电力网络的各级电压 系统和工业、 农业以及高层建筑的照明用电户中 在电能生产、 传输和分配过程 中，高压电器在电力系统中起着控制、 保护和测量作用， 它的性能直接影响到电 力系统的稳定和安全运行 因此高压电器的正确使用和运行维护， 在经济效益和 社会效益上有着重大的意义高压电器的种类很多，按照它在电力系统中的作用可以分为：1、开关电器如断路器、隔离开关、负荷开关、接地开关等2、保护电器如熔断器、避雷器3、测量电器如电压、电流互感器4、限流电器如电抗器、电阻器5、成套电器与阻合电器6、其它，如电力电容器等 由于高压电器的重要作用，高压电器应满足下列要求：1、绝缘安全可靠2、在额定电流下长期运行时，其温升合乎国家标准，且有一定的短时过载 能力3、能承受短路电流的热效应和电动力效应而不致损坏4、开关电器应能安全可靠地关合和开断规定的电流提供继电保护和测量 用信号的电器应具有符合规定的测量精度5、高压电器，特别是户外工作的高压电器应能承受一定自然条件的作用 选用的高压电器性能应满足使用场所的要求：1、额定电压。

应符合工作的线电压，单位为 KV 2、最高工作电压应满足使用可能出现的最高工作线电压，单位为 KV 3、额定电流应能满足工作场合长期通过的最大工作电流，单位为 A 4、额定短路开断电流在规定条件下能开断运行出现的最大短路电流，单 位为 A 5、 短时耐受电流在规定条件下能承受工作场合出现的时间为 t(s)的短路电 流值，单位为 KA 6、 峰值耐受电流能耐受工作场合出现短路的最大峰值电流，单位 KA 7、 关合电流即在规定条件下能关合而不造成触头熔焊的电流，应满足工 作场合关合时电流最大峰值要求，单位为 KA 第二节 高压电器基本理论一、电弧理论及灭弧 电弧是一个客观存在的物理现象 工程上的电弧焊接和电弧冶炼技术是直接 利用电弧为生产服务 而开关电器中， 当接通和断开电路时， 触头间产生的电弧 却是有害的，要求它尽快熄灭1、气体放电现象 气体中流通电流的各种形式统称为气体的放电现象 在常温下，气体是不导电的， 因为一般气体气子不像金属那样容易释放自由 电子，也不像酸、碱、盐溶液那样容易分解为正、负离子但在某种条件下，气 体分子也可分离为电子和正离子， 这种现象称为游离 气体放电就是游离气体的 导电质点即为自由电子和正离子在电场力的作用下定向运动的结果。

最常见的气 体放电现象有电晕放电、火花放电、电弧放电三种形式2、电弧的形成过程电弧的产生和维持是触头间隙的绝缘介质的中性质点 （分子和原子 ） 被游离 的结果，游离是指中性质点转化为带电质点 电弧的形成过程就是气态介质或液 态介质高温气化后的气态介质向等离子体态的转化过程 因此，电弧是一种游离 气体的放电现象强电场发射是触头间隙最初产生电子的主要原因 在触头刚分开的瞬间， 间隙很 小，间隙的电场强度很大， 阴极表面的电子被电场力拉出而进入触头间隙成为自 由电子电弧的产生是碰撞游离所致 阴极表面发射的电子和触头间隙原有的少数电子在 强电场作用下， 加速向阳极移动， 并积累动能， 当具有足够大动能的电子与介质 的中性质点相碰撞时，产生正离子与新的自由电子，这种现象不断发生的结果， 使触头间隙中的电子与正离子大量增加， 它们定向移动形成电流， 介质强度急剧 下降，间隙被击穿，电流急剧增大，出现光效应和热效应而形成电弧热游离维持电弧的燃烧电弧形成后，弧隙温度剧增，可达 6000C〜10000C以上在高温作用下，弧隙中性质点获得大量的动能，且热运动加剧，当其相互碰 撞时，产生正离子与自由电子 这种由热运动而产生的游离叫热游离。

一般气体 游离温度为9000r〜10000r,金属蒸气热游离温度约为 4000〜5000c因此热 游离足以维持电弧的燃烧3、交流电弧的特性交流电弧的特点是， 电弧电压和电弧电流的大小及相位都是随时间作周期性 变化的，每一周期内有两次过零值电流过零时，电弧自动熄灭，而后随着电流 的增大，电弧又重新点燃， 故交流电弧的伏安特性为动特性 发弧后电弧电流增 大，电弧温度升高，热游离加强，弧内电导增大，电弧电压开始下降以后，电 流电弧由最大值减小至零， 电弧电压随电弧电流的减小反而逐渐上升， 这是因为 供给电弧的能量减小了，去游离的作用增强的结果最后，直至电弧熄灭负半 周具有相同的变化规律交流电弧每半个周期自然过零一次 从熄弧角度来看， 电流过零时， 电弧自 动熄灭，只要使过零后的电弧不再重燃，则交流电弧就熄灭了因此，对交流电 弧来说，不是电弧能否熄灭， 而是电流过零后， 弧隙是否会再击穿而重新燃弧的 问题二、高压电器中熄灭电弧的基本方法 根据上述讨论的电弧现象和过程， 在现代高压开关电器中， 广泛采用的基本 灭弧方法有列几种1、 利用气体或油熄灭电弧在开关电器中利用各种形式的灭弧室使气体或 油产生巨大的压力并有力地吹向弧隙， 电弧在气流或油流中被强烈地冷却和去游 离，并且其中的游离物质被未游离物质所代替， 电弧便迅速熄灭。

气体或油吹动 的方式有纵吹和横吹两种， 纵吹使电弧冷却变细， 然后熄灭； 横吹是把电弧拉长 切断而熄灭不少断路器采用纵横混合吹弧方式，以取得更好灭弧效果2、 采用多断口高压断路器常制成每相有两个或多个串联的断口，使加于 每个断口的电压降低，电弧易于熄灭3、 断路器断口加装并联电阻在高压大容量断路器中，广泛利用弧隙并联 电阻来改善它们的工作条件 断路器每相假如有两对触头， 一对为主触头， 另一 对为辅助触头，电阻并联在主触头上当断路器在合闸位置时，主、辅触头都闭 合当断开电路时， 主触头先断开， 这时并联在主触头断口上的电阻在主触头断 开过程中起分流作用， 有利于主触头断口灭弧 主触头的电弧熄灭后， 并联电阻 串联在电路中， 有效地降低触头上的恢复电压数值及电压恢复速度 另外， 并联 电阻对切断小电感电流或电容电流时，可限制过电压产生4、 采用新介质利用灭弧性能优越的新介质，例如 SF6（六氟化硫）断路 器和真空断路器等5、 利用金属灭弧栅熄灭电弧 用铁磁物质制成金属灭弧栅， 当电弧发生后， 立刻把电弧吸引到栅片内， 将长弧分割成一串短弧， 当电弧过零时， 每个短弧的 附近会出现150〜250伏的介质强度，如果作用于触头间的电压小于各个介质强 度的总和时，电弧就立即熄灭。

这种灭弧方法在低压开关中用得很多三、 电气绝缘高压开关设备的绝缘， 应能承受长期作用的最高工作电压和短时作用的过电 压绝缘结构承受电压的部位是： 载流部分和接地部分之间； 相邻各相的载流部 分之间；在分闸位置下，同相的各分离触头之间电气设备承受大气过电压的能力， 用冲击试验电压来考验； 承受内部过电压 的能力，大多用工频试验电压来考验1 、绝缘分类 按高压开关设备绝缘结构所处的工作条件，可分为以下两类：1） 外绝缘即以大气为绝缘介质的绝缘结构部分，其电气强度由大气中间 隙的击穿强度或由大气中沿固体绝缘表面的闪络强度所决定2） 内绝缘不直接以大气为绝缘介质，而以油、压缩空气、真空、 SF6 等为 绝缘介质的绝缘结构部分2、绝缘特点高压开关设备绝缘的主要特点是具有断口绝缘， 对不同类形的开关设备， 可 分述如下：1） 对于起控制保护作用的高压开关设备，断口绝缘必须考虑电弧与介质流 动所造成的下列影响：电弧会使绝缘介质劣化， 导致绝缘能力下降； 开断过程断口间绝缘介质的流 动，也会引起绝缘强度降低； 在开断过程中， 灭弧室向外排出的热气体和其它分 解物，有可能影响断口间、相间或对地的外绝缘2） 对于主要起安全隔离作用的隔离开关，为了可靠地隔离电源，要求断口 间的绝缘强度比任何其它绝缘部分都高。

3） 综上以上特点，对绝缘的要求可以归纳为：a. 防止绝缘击穿或沿面放电；b. 防止固体绝缘材料被电弧烧灼损坏以及由于机械力或热的长期作用而引 起的绝缘损坏；c. 尽量避免出现局部放电；d. 高压开关设备的绝缘结构，对它的总体尺寸有很大影响四、 电器触头1 、概述电气触头：两个或几个导体之间接触的部分 电气触头直接影响到设备和装 置的工作可靠性，它的性能好坏直接决定了开关电器的品质 因此，对电器触 头的基本要求有：(1) 结构可靠；(2) 接触电阻小且稳定，即有良好导电性能和接触性能；(3) 通过规定电流时，发热稳定而且温度不超过允许值；(4) 通过短路电流时，具有足够的动稳定性和热稳定性；(5) 开断规定的短路电流时，触头不被灼伤，磨损尽可能小，不发生熔焊 现象2、触头的材料及预防氧化的措施图5-9 平面触头的接触情况 图5-8铝母线接到电器铜端头上用的接头触头材料一般由铜、黄铜和青铜等制成此种材料的触头在空气中工作容易 氧化为防止氧化，往往在触头表面镀上一层锡或铅锡合金这种镀锡触头的接 触电阻比没有氧化的铜触头的接触电阻约高 30— 50%,但在运行中将不再增加一般电机、变压器的引出端头，都是铜制的，因此在屋外和潮湿的场所中，不能将铝导体用螺栓与铜端头连接。

因为铝和铜直接接触会形成 1.86V的电位差当铜与铝的接触面间渗入含有溶解盐的水分， 即电解液时，在电耦的作用下， 会产生电解反应，铝被强烈的电腐蚀结果，触头很快遭到破坏，以致可能造成 重大事故为了预防这种现象，通常在上述装置中需要将铝导体与铜导体连接时， 采用一头为铝，另一头为铜的特殊过渡触头，如图 5-8所示3 、触头的电动稳定和热稳定短路电流通过触头时，触头的电动稳定和热稳定是很重要的 由于触头间表 面接触不平整，电流只流经触头的几个接触点，触头间的接触点越少，则接触电 阻越大，发热温度越高当短路电流通过时，触头可能过热的很厉害，甚至在实 际接触的地方发生溶化，造成溶接，这说明触头的热稳定性不符合要求如图 5-9所示短路电流通过电气触头时，电动稳定度不够的触头常常发生弯曲变形，甚 至熔接的危险为了提高触头的电稳定度，应在触头的结构上考虑利用短路电流 所产生的电动力将触头压紧在一起，如采用双刀动触头来夹持固定触头和用磁锁 方法4、触头的分类及结构1）按接触面的形式分① 平面触头 这种触头在受到很大压力时， 接触点数和实际接触面积仍比较 小这种触头只限于低压开关电器中应用，如刀形开关、插入式熔断器等。

② 线触头近年来在高、低压开关电器中，普遍采用线触头同一压力下， 线触头比平面触头的实际接触点多③ 点触头 点触头是指两个触头间的接触面为点接触的触头， 如球面和平面 接触，或两个球面接触均为点接触 这种触头通常应用在工作电流和短路电流较 小的情况下，如继电器和开关电器的辅助接点等2）按结构形式分① 可断触头可断触头广泛应用于高低压开头电器中② 固定触头固定触头是指连接导体之间不能相对移动的触头， 如母线之间， 母线与电器引出端头的连接等第三节 高压断路器一、概述高压断路器 （或称高压开关 ） 是变电所主要的电力控制设备，具有灭弧特性， 当系统正常运行时， 它能切断和接通线路及各种电气设备的空载和负载电流； 当 系统发生故障时， 它和继电保护配合， 能迅速切断故障电流， 以防止扩大事故范 围用途：（1）控制作用；（2）保护作用；（3）安全隔离作用1、 对高压断路器的要求1） 开断、关合功能（1） 能快速可靠的开断、关合各种负载线路和短路故障，且能满足断路器 的重合闸要求；（2） 能。