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1、课程名称：高压电器 使用教材：尚振球，郭文元.高压电器.机械工业出版社 参考书目：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 王章启等.电力开关技术.华中科技大学出版社 授课学时：30学时 授课教师：闫静,高压电器概论,主要高电压设备 发电机（电磁，绝缘，机械）； 变压器、互感器、电抗器（电磁，绝缘）； 开关设备（灭弧，绝缘，机械）； 电容器（绝缘，材料）； 线路和外绝缘（绝缘，污秽）； FACTS设备（电力电子） 高压直流设备（电力电子）。,高压电器的定义、分类与用途,定义 高压电器是指在额定电压3000V及以上的电力系统中，用于关合和开断电路、限制
2、电路中的电压或电流以及进行电压或电流变换的电器。根据电力系统安全、可靠和经济运行的需要，高压电器能开断和关合正常线路和故障线路，隔离高压电源，起控制、保护和安全隔离的作用。 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。,开关电器（switching device）：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。,(1)开关电器：主要有高压
3、断路器、高压隔离开关、高压熔断器、高压负荷开关和接地开关。 高压断路器又称高压开关，能接通、分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）和一定时间内接通、分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接通和分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，当在分断状态时，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。 接地开关用于将高压线路人为地造成对地短路。通常装在降压变
4、压器的高压侧,当用电端发生故障,但故障电流不很大，不足以使送电端的断路器动作时，接地短路器能自动合闸，造成人为接地扩大故障电流，使送电端断路器动作而分闸，切断故障电流。,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。 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。,(2)限制电器：主要有电抗器、避雷器。 电抗器：依靠线圈的感抗
5、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。限流电抗器:串联在电力电路中，用来限制短路电流的数值。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。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。,按有无铁心可分为2种。空心式电抗器:线圈中无铁心，其磁通全部经空气闭合。铁心式电抗器
6、：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。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。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。,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
7、；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。,(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标准低电压（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。,从安装场所可分： （1）户内式（in
8、door）：设计成安装在建筑物（building）内或遮蔽物（other hosing）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（out door）：适合安装于露天（in the open air）使用的电器，它们能耐受风、雨、雪、积尘（dirt deposits）、露（condensation）、冰及浓霜（hoar frost）等侵袭。,截止到二00六年底，全国发电装机容量达到六万二千二百万千瓦，居世界第二位。 二00七年中国将新增发电装机容量九千到九千五百万千瓦，到年底装机总容量将突破七亿千瓦。 人均装机容量仅为0.45KW；印度目前总装机
9、仅约1.4亿KW，不可否认在未来的510年中印度将进入一个电力装机快增增加的周期。 截至2006年底，美国发电设备人均装机容量约4KW，而我国发电设备总装机容量达到6.22亿KW，但人均装机容量仅为0.45KW，仅相当于美国的1/9。 按现有规划，到2020年，我国的人均装机容量也仅相当于美国目前的1/7，我国人均发电设备装机容量远远落后于发达国家，仍拥有广阔的增长空间，发展潜力巨大。,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
10、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,高压开关电器的性能特点,通常要求高压电器具有以下性能特点：可靠性高。高压电器是电力系统中的控制和保护装置，若可靠性不高，在线
11、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。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。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。,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
12、封性能、对周围环境的影响）,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（如油断路器、六氟化硫断路器等）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。,高压电器中的基本理论,发热、电动力、电接触、电弧、高压交流电路的关合与开断
13、、绝缘及绝缘结构、传动及运动特性,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,所谓开关作用，就是在具有一定电位的导体电路的一部分上进行导体与绝缘体的相互迅速变换。从原理上讲，作为具有这种功能的电路元件，除可分触头外、还有由半导体、超导、真中电子流等物理现象所构成的元件。 从开关电器发展的初期，不希望在开断电路时触头间隙产生电弧，认为电弧的产生，一方面使电路仍旧保持导通状态，延迟了电路的开断；另一方面，将烧损触头以及可能破坏绝缘，在最严重的情况下，甚至能引起开关电路的爆炸和火灾。因此，研究电弧，不在于如何利用电弧的特性而在于采取怎样的措施使电弧不产生，或者产生后
14、使电弧存在时间尽量缩短。简言之，研究电弧的目的是为了尽快地熄灭电弧。 从导体到绝缘体的相互变换这个开关作用的根本观点来看，电弧具有极为重要的特性，对于高电压大电流电路的分合来说，只有产生电弧才能完成这个作用，这样一种观点作为开关电器的理论基础是极为重要的。,开关电弧是等离子体的一种形式，属低温等离子体。高压开关电器中电弧的熄灭就是要积极地利用电弧等离子体的温度控制来实现，对于高电压大电流电路来说、只有产生电弧、才能实现对电弧等离子体的温度控制。对于高压开关电器而言，希望它反有如下特件； （1）电导率的变化范围尽可能大，即要在导体与完全绝缘体之间变化； （2）电导率的变化速度尽可能快。 前一项特
15、性在本质上决定于等离子体的材料，因此，引进新的灭弧介质是取得技术进步的关键。后一项特性虽然也在较大程度上决定于等离子体的材料，但更易于受到等离子体控制方法的影响，作为开关电器核心部分的灭弧室的作用正在于对电弧等离子体的控制，加速其电导率的变化。,开关元件的性能比较,高压开关电器的基本技术参数,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。因此在电器设计时，应该全面考虑这些要求。,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
16、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（nominal value）：用以标识一个元件、器件或设备的合适的近似量值。 额定值（rated value）：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。,（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。,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断路器的额定电压。,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
