《高压电器技术原理》ppt课件

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1、西安交通大学电气工程学院,高压电器技术原理,在2006年高压开关技术信息培训班上的讲座 西安交通大学 马志瀛 2006.10.17,西安交通大学电气工程学院,主要内容,1 概论 2 开关作用与现代高压断路器的理论基础 3 开关电器的共同性问题 4 六氟化硫（SF6）技术 5 真空开关技术 6 高压开关绝缘 7 相位控制断路器 8 智能操作断路器,西安交通大学电气工程学院,1 概论,1.1 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 。,西安交通大学电气工程学院,1 概论,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“

2、电力弱国”，发展前景很好。 目前全国装机总容量已超过5亿kW，估计到2015年可达10亿kW。高压开关的需求量仍然很大 。,西安交通大学电气工程学院,1 前言,1.2 开关电器的定义与用途 定义： 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。,西安交通大学电气工程学院,1 前言,用途： （1）正常工作状态时的分合闸操作（控制用） （2）故障状态时的保护操作（保护用） 断路器互感器继电保护 负荷开关熔断器保护

3、（3）设备的隔离 （4）检修时的接地保护,西安交通大学电气工程学院,1 前言,分类： （1）高压开关电器种类可分：断路器、隔离开关、负荷开关、接触器、重合器、分段器、接地开关和熔断器（参见各自定义）。 从不同电器的定义来看：主要是从功能区分，然后是结构性能的划分。,西安交通大学电气工程学院,1 前言,（2）从安装场所可分： （a）户内式（in 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。 （b）户外式（out door）：适合安装于露天（in the open air）使用的

4、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。,西安交通大学电气工程学院,2 开关作用与现代高压断路器的理论基础,2.1 开关作用 所谓开关作用是指：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。,西安交通大学电气工程学院,2 开关作用与现代高压断路器的理论基础,从原理上讲，作为具有这种功能的电路元件有： 1、可分触头 2、半导体（控制固体的电子的能级来改变电导率） 3、超导（在低温超导领域的温度控制） 4、真空电子流（电位控制） 5、磁放大器（直流励磁控制）等,西安交通大学电气工程学

5、院,2 开关作用与现代高压断路器的理论基础,用触头分断电路，只要在起弧极限以上，就必然要产生电弧，只有在电弧熄灭后，电路才能断开。电弧的高温、高压力，给人们带来很大麻烦，对电器本身也带来危害。,西安交通大学电气工程学院,2 开关作用与现代高压断路器的理论基础,长期来，只是努力地去限制电弧或更有效地去熄灭电弧。当然这也给开关、断路器的技术不断带来一些进步。但总认为“弊多利少”，认为“研究电弧主要在于熄灭电弧”。 甚至有人不断地在设想“无电弧”的触头开断。,西安交通大学电气工程学院,2 开关作用与现代高压断路器的理论基础,由于认识上的局限性，使人们处于“被动地位”。因此当一种新的不产生电弧的开关元

6、件出现时，就会夸大其作用，认为可最终“代替”有触点设备。 对高压交流断路器来说，目前还无法取代，而且在（3050）年内还看不到这一前景。,西安交通大学电气工程学院,2 开关作用与现代高压断路器的理论基础,2.2 开关元件的性能比较 有触点开关元件 无触点开关元件 （1）阻抗转换比 10101014 104107 （断开时与导通时的阻抗比） （2）耐电压程度 单断口可达550kV 每个元件只达15kV （3）承受过载能力 强 弱 （4）元件本身的 功率损耗 小 大,西安交通大学电气工程学院,2 开关作用与现代高压断路器的理论基础,2.3 现代交流断路器的理论基础 高压交流断路器由于它分合的电力系

7、统的电压、电流在数值上特别大，要求动作时间短，工作条件又特别复杂，因而在技术上存在很大的困难，在现代电力设备中成为需要最高技术领域的产品之一。,西安交通大学电气工程学院,2 开关作用与现代高压断路器的理论基础,其关键还在于“电弧”。电弧属于低温等离子体，其电导率是温度的强函数。断路器的开断就是利用了等离子体的温度控制来实现的。从导体绝缘体的相互变换，电弧等离子体具有重要的地位，利用电弧才能完成这一变换。其它办法还达不到要求（设备大、不经济等）。,西安交通大学电气工程学院,2 开关作用与现代高压断路器的理论基础,只有产生电弧，才能利用等离子体的温度控制来实现导体绝缘体的迅速变换，这个观点就是现代

8、高压交流断路器的理论基础。对断路器技术的发展起了积极的作用。认为电弧是“利多弊少”，而“研究电弧主要在于利用电弧”。这是积极、进取和正确的态度。,西安交通大学电气工程学院,2 开关作用与现代高压断路器的理论基础,对于断路器中的等离子体来说，希望具有： 电导率的变化范围应尽可能大： 从良导体到完全绝缘体。若真能达到电阻从零变到无限大，这就是“理想电弧”。 电导率的变化速度应尽可能快： 电导率的变化速度反映在电弧热时间常数的大小。,西安交通大学电气工程学院,2 开关作用与现代高压断路器的理论基础,第一项特性取决于等离子体的介质材料，引进新的电弧介质是技术进步的关键，例如SF6气体、金属蒸汽的采用。

9、 第二项要求也与介质材料有关，但更大程度上受等离子体的温度控制方法的影响，这也就是灭弧原理的作用。 现代断路器技术简单来说是尽可能造成导电性高的电弧、导通大电流，并在短时间内“冷却”变换成绝缘性能高的气体间隙。,西安交通大学电气工程学院,3 开关电器的共同性问题,3.1 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。,西安交通大学电气工程学院,3 开关电器的共同性问题,3.2 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。,西安交通大学电气工程学院,4 六氟化硫（SF6）

10、技术,4.1 SF6气体的优良绝缘和灭弧特性 与目前使用状况 4.1.1 SF6气体的基本特性： SF6气体是一种无色、无嗅、无味、无毒、不可燃、不溶于水的惰性气体，是目前世界上最不活泼的著名气体之一。不侵蚀与它接触的物质。 SF6是由六个氟原子以共价键的形式和硫原子结合成一个中性分子，分子量大（146.06）、密度也大，比空气重5倍多。,西安交通大学电气工程学院,4 六氟化硫（SF6）技术,非理想气体。SF6靠对流和扩散同空气混合是很缓慢的，在未充分混合前，SF6气体有向低处积聚的趋向，但一经混合，就不分离。 SF6气体的液化温度高，在常温下稍加高压力就很容易液化。 纯净的SF6气体热稳定性

11、也好， SF6气体是很强的电负性气体。,西安交通大学电气工程学院,4 六氟化硫（SF6）技术,4.1.2 SF6气体的绝缘性： SF6气体是高电气强度的气体介质，绝缘性能好，在均匀电场中，是空气的3倍。 其原因： （1）SF6气体具有很强的电负性，其中性分子很容易吸附自由电子而形成负离子，活动性很差，自由电子减少，阻碍放电的形成和发展； （2）SF6分子的直径大，电子在SF6气体中的平均自由行程短（约为0.22m），不易积累足够的动能，碰撞电离的可能性减少。,西安交通大学电气工程学院,4 六氟化硫（SF6）技术,SF6气体的击穿电压随间隙距离和气体压力的增加而升高，但并不是线性的，即随着间距和

12、压力的增加都会出现饱和现象。 由于SF6气体的电气强度高，通常在（0.50.7）MPa下就可得到很高的绝缘性能，现广泛地被应用为电气设备的绝缘介质，达到减少间隙尺寸和缩小设备的体积。,西安交通大学电气工程学院,4 六氟化硫（SF6）技术,4.1.3 SF6气体的熄弧特性与熄弧原理： （1）SF6气体具有特异的热化学性： （2）具有很强的电负性 。 SF6气体电弧的熄灭原理与其他断路器不同，它并不仅依靠气流的压力梯度所形成的绝热膨胀（等熵）冷却作用，而主要是利用SF6气体的特异的热化学性和强电负性，才有特别强的灭弧能力。供给足够量新鲜的SF6气体中性分子并使之与电弧接触是熄灭电弧的有效方法，这也

13、是SF6气体灭弧的基本原理。,西安交通大学电气工程学院,4 六氟化硫（SF6）技术,4.1.4 SF6气体是电力设备中最佳的灭弧和绝缘用气体介质： 6070%用于电力设备： 气体绝缘开关设备（GIS） 气体绝缘电缆（GICcable）或气体绝缘输电线路（GITL） 气体绝缘变压器（GIT） 配电电压等级的CGIS。,西安交通大学电气工程学院,4 六氟化硫（SF6）技术,4.2 SF6气体的释放对健康和环境的影响 4.2.1 对健康的潜在影响： 4.2.2 环境影响： （1）同温层的臭氧减小（臭氧层空洞） 这不起作用。破坏臭氧层的是氯气。 （2）平均全球温度增加（温室效应）,西安交通大学电气工程

14、学院,4 六氟化硫（SF6）技术,对气体温室效应，不仅要看到它所起作用的大小，还应看它的潜在作用。目前是以GWP(Global Warming Potential,全球温暖化趋势，或称全球升温潜能值)值来衡量或评价气体的温室效应，有关研究报告指出，SF6气体在大气中的寿命最长，为3200年。如以CO2（寿命为100年）的GWP值为1，则SF6气体的GWP值为23900，是气体中GWP值最高的气体，显然是最严重的温室气体，其潜在危害也最大。,西安交通大学电气工程学院,4 六氟化硫（SF6）技术,4.3 京都议定书规定了气体的限制使用 1997年12月10在日本京都会议上提出了决定草案，即联合国气

15、候变化框架公约 京都议定书，在该议定书的附录A中，列出了六种温室效应气体：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFCS）、全氟化碳（PFCS）、六氟化硫（SF6）；并列出了与这些温室气体相关的部门类别和相应的产业，基本能源工业、制造工业和建设、六氟化硫的生产和消费等均在被指名之列。,西安交通大学电气工程学院,4 六氟化硫（SF6）技术,京都议定书规定2008年至2012年为第一个排放量限制和削减承诺期，在附件B中列出了有关缔约方的排放量限制或削减承诺（以1990为基准年，对于六氟化硫等后3种气体则以1995年为基准年）。 欧洲国家的要求呼声最高，据说不久将由欧共

16、体共同制定的有关SF6气体的限制或禁用的法律法规将出台。 我国已签署该议定书，也会按这一要求去做，正如对氟利昂的态度一样。对SF6气体的政策如何还不太明确。,西安交通大学电气工程学院,4 六氟化硫（SF6）技术,京都议定书对SF6气体的限制使用应引起我们足够的重视。减少SF6气体的使用量这一目的应该是共同的。如何减少SF6气体的使用直至最好尽量不用，将是我们电气设备特别是高压开关设备工作者的不可推卸的责任和义务。,西安交通大学电气工程学院,4 六氟化硫（SF6）技术,4.4 高压开关设备制造业的对策 4.4.1 作为绝缘用： （1） 寻找替代品： （2） 采用混合气体，即SF6与N2的混合气体,西安交通大学电气工程学院,4 六氟化硫（SF6）技术,4.4.2 作为灭弧介质： 对SF6断路器，混合气体没有好处，随着