2.2.3 高压电器

3kV及以上电力系统中使用的电器设备称为高压电器设备，主要种类有：开关电器、电容器、电抗器、避雷器、组合电器等。

1. 高压开关电器

高压开关电器是发电厂、变电所以及各类配电装置中数量最多的电气设备，其作用是：

①正常工作情况下可靠地接通或断开电路；

②在改变运行方式时进行切换操作；

③当系统中发生故障时迅速切除故障，保证非故障部分的正常运行；

④设备检修时隔离带电部分，以保证工作人员的安全。

高压开关电器按安装地点可分为：屋内式和屋外式。按功能可分为：断路器、隔离开关、熔断器、负荷开关、自动重合器和自动分段器等。

高压开关电器的选择必须满足供电系统正常工作条件下和短路故障条件下工作要求，同时电气设备应工作安全可靠，运行维护方便，投资经济合理。

①按正常工作条件选择

考虑电气设备的环境条件和电气要求。环境条件是指电气设备的使用场所、环境温度，海拔高度以及有无防尘、防腐、防火、防爆等要求，据此选择电气设备结构类型。电气要求是指电气设备在电压电流、频率等方面的要求，即电气设备的额定电压不小于线路的额定电压，电气设备的额定电流不小于线路最大持续工作电流。对一些开断电流的电器，如熔断器、断路器和负荷开关等，还要求其最大开断电流应不小于它可能开断的最大电流。

②按短路故障条件校验

此校验就是要按最大可能的短路故障时的电动力稳定性和热稳定性进行校验。

（1）高压断路器

高压断路器一是起控制作用，即根据电力系统的运行要求，接通或断开工作电路；二是起保护作用，当系统中发生故障时，在继电保护装置的作用下，断路器自动断开故障部分，以保证系统中无故障部分的正常运行。

高压断路器由导电回路、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。

断路器的灭弧室由高强度、耐高温的绝缘材料制成，起承压和吹弧作用。主要灭弧介质有空气、压缩空气、真空、SF6合成气体、油及固体产气材料。吹弧能源有三类：他能式——外加压缩机、弹簧，真空；自能式——利用电弧电流本身的焦耳损耗；混合式。

断路器的操动机构是带动传动机构进行合闸和分闸的机构，依断路器合闸时所用能量形式不同，可分为：

手动机构——指用人力进行合闸与分闸的操动机构；

电磁机构——指用电磁铁合闸与分闸的操动机构；

弹簧机构——指事先用人力或电动机使弹簧储能实现合闸与分闸的操动机构；

电动机构——用电动机合闸与分闸的操动机构；

液压机构——指用高压油推动活塞实现合闸与分闸的操动机构；

气动机构——指用压缩空气推动活塞实现合闸与分闸的操动机构。

反映高压断路器特性和工作性能的主要技术参数有：

额定电压：是指断路器长时间运行时能承受的正常工作电压（6～1000kV）。

额定电流：断路器可长期通过的工作电流（630～6300A）。

额定开断电流：表征断路器的开断能力，是指断路器在额定电压下能正常开

断的最大短路电流（31.5～63kA）。

额定断流容量：也表征断路器的开断能力。在三相系统中，额定断流容量公式为：额定开断容量＝×额定开断电流×额定线电压。

关合电流：保证断路器能关合短路而不致于发生触头熔焊或其它损伤，所允许接通的最大短路电流。

额定短时耐受电流：表征断路器承受短路电流热效应的能力，也称热稳定电流，数值与额定短路开断电流相同。

额定峰值耐受电流：也称动稳定电流，指断路器在合闸位置时，允许通过的短路电流最大峰值。峰值耐受电流一般等于2.5倍额定短时耐受电流，与额定短路关合电流相等。

额定短路持续时间：是断路器在合闸位置能够承载额定短时耐受电流的时间间隔（1～4s）。

合闸时间：是指从断路器合闸回路接到合闸命令（合闸线圈电路接通）开始到所有极触头都接触瞬间的时间间隔。

分闸时间：是指从断路器分闸回路接到分闸命令到所有极的触头都分离瞬间的时间间隔。

全开断时间：是指断路器接到分闸命令瞬间起到各相电弧完全熄灭为止的时间间隔，它是断路器固有分闸时间和燃弧时间之和。是表征断路器开断过程快慢的主要参数，越小越有利于减小短路电流对电气设备的危害。

高压断路器的型号由7部分组成，第一单元是产品字母代号：S—少油断路器；D—多油断路器；K—空气断路器；L—六氟化硫（SF6）断路器；Z—真空断路器；Q—自产气断路器；C—磁吹断路器。第二单元是装设地点代号：N—户内式；W—户外式。第三单元是设计序号。第四单元是额定电压，kV。第五单元是补充工作特性标志：G—改进型；F—分相操作。第六单元是额定电流，A。第七单元是额定开断电流，kA。

各类高压断路器的特点如下。

多油断路器：结构简单，制造方便，便于在套管上加装电流互感器，配套性强；耗钢材、耗油量大、体积大，属自能式灭弧结构。

少油断路器：结构简单，制造方便，可配用各种操动机构；比多油断路器油量少、重量轻；采用积木式结构，便于制成各种电压等级产品。

压缩空气断路器：又称空气断路器，利用预先贮存的压缩空气来灭弧。压缩空气不仅作为灭弧和绝缘介质，而且还作为传动的动力。空气断路器断流容量大，灭弧时间短，而且快速自动重合闸时断流容量不降低。但是空气断路器也有有色金属消耗量大，工艺和材料要求高，需要装设压缩空气系统等辅助设备和价格较贵等缺点。在我国，通常用于110kV及以上的大容量电力系统中。

真空断路器：利用真空度约为10－4Pa（在运行过程中不低于10－2Pa）的高真空作为内绝缘和灭弧介质，灭弧室材料及工艺要求高。真空间隙的气体稀薄，分子的自由行程较大，发生碰撞游离的几率很小。所以，真空击穿产生电弧，是由触头蒸发出来的金属蒸气帮助形成的；体积小、重量轻；触头不易氧化；灭弧室的机械强度比较差，不能承受较大的冲击振动。真空断路器的固定方式不受安装角度限制，布置方式可分为落地式和悬挂式两种基本形式。

SF6断路器：结构简单，工艺及密封要求严格，对材料要求高；体积小、重量轻；用于封闭式组合电器时，可大量节省占地面积。

磁吹断路器：利用磁场的作用使电弧熄灭，磁场通常由分断电流本身产生，电弧被磁场吹入灭弧片狭缝内，并使之拉长、冷却，直至最终熄灭。磁吹断路器按磁吹原理分为电磁式和电弧螺管式两类。

磁吹断路器以大气为介质，用耐热陶瓷或云母玻璃作灭弧片，电气寿命长，能适应频繁操作的场合。磁吹断路器运行安全，维护方便，其额定电流和分断电流较大，可适应电网发展的需要。但与其他断路器比，其结构复杂，体积大，成本高，一般只适用于20kV以下的电压等级。

目前在电力系统中，应用广泛的是少油、真空和SF6断路器，图2-50是几类高压断路器的实物图。

高压断路器的在线监测和故障诊断技术正在发展之中，该项技术融合了包括传感器、光电、微电子、计算机、信号处理和通信技术，其具体做法是在运行的高压开关设备上安装多种传感器，包括电压、电流、温度、气体密度、压力、行程、机械振动、电磁波等传感器。通过传感器发出的信号，经过分析、信号处理，得出各种特征值，与判据或历史数据进行对比，判断高压开关的各部分的状态，这样就可以侦知设备的潜在故障从而降低事故率，提高运行可靠性，合理延长工作寿命，并可借此实行状态维修。

（2）隔离开关

高压隔离开关又称隔离刀闸，其基本结构包括导电回路、传动机构、绝缘部分和底座等。它没有专门的灭弧装置，故不能用来切断负荷电流和短路电流。使用时应与断路器配合，只有在断路器断开时才能进行操作。隔离开关在分闸时，动静触头间形成明显可见的断口，绝缘可靠。

高压隔离开关主要作用：

①隔离电源。分闸后，建立可靠的绝缘间隙，将需要检修的设备或线路与电源用一个明显断开点隔开，以保证检修人员和设备的安全。

②根据运行需要进行倒闸操作。

③接通和断开小电流电路。如套管、母线、连接头、短电缆的充电电流，开关均压电容的电容电流，双母线换接时的环流以及电压互感器的励磁电流等。

隔离开关的技术参数包括：额定电压：指隔离开关长期运行时所能承受的工作电压；最高工作电压：指隔离开关能承受的超过额定电压的最高电压；额定电流：指隔离开关可以长期通过的工作电流；热稳定电流：指隔离开关在规定的时间内允许通过的最大电流；极限通过电流峰值：指隔离开关所能承受的最大瞬时冲击短路电流。

高压隔离开关按照装设地点的不同，可分为户内式和户外式两种。户外隔离开关按其绝缘支柱结构的不同可分为单柱式、双柱式、V形式和三柱式。其中单柱式隔离开关在架空母线下面直接将垂直空间用做断口的电气绝缘，具有的明显优点，就是节约占地面积，减少引接导线，同时分合闸状态清晰。

户内式隔离开关采用闸刀形式，有单极和三极两种。闸刀的运动方式为垂直旋转式。图2-51是800kV隔离开关正在进行试验，图2-52是几类高压隔离开关的实物图。

（3）高压熔断器

高压熔断器按使用地点分为：户内式和户外式。按照是否有限流作用又可分为限流式和非限流式。熔断器是一种保护电器。它串联在电路中，当电路发生短路或过负荷时，熔体熔断，切断故障电路使电气设备免遭损坏，并维持电力系统其余部分的正常工作。

高压熔断器的优点是结构简单、体积小、布置紧凑、使用方便、价格低。可直接动作，不需要继电保护和二次回路相配合；缺点是每次熔断后需停电更换熔件才能再次使用，增加了停电时间；保护特性不稳定，可靠性低；保护选择性不易配合。图2-53是几类高压熔断器的实物图。

（4）高压负荷开关

高压负荷开关是一种结构简单，具有一定开断和关合能力的开关电器。它具有灭弧装置和一定的分合闸速度，能开断正常的负荷电流和过负荷电流，也能关合一定的短路电流，但不能开断短路电流。因此，高压负荷开关可用于控制供电线路的负荷电流，也可用来控制空载线路、空载变压器及电容器等。高压负荷开关在分闸时有明显的断口，可起到隔离开关的作用。高压负荷开关与高压熔断器串联可成为组合电器，前者作为操作电器，投切电路的正常负荷电流，而后者作为保护电器，开断电路的短路电流及过负荷电流。

高压负荷开关按是否带熔断器可分为：带熔断器式和不带熔断器式。按灭弧方式的不同，可以分为：产气式、压气式、压缩空气式、油浸式、真空式、SF6式等几类，近年来，真空式发展很快，在配电网中得到了广泛应用。图2-54是几类高压负荷开关的实物图。

（5）自动重合器与分段器

自动重合器是一种具有保护、检测、控制功能的自动化设备。重合器能进行故障电流检测和按预先整定的分合操作次数自动完成分合操作，并在动作后能记忆动作次数、自动复位或闭锁。例如，安装在线路上的重合器，当线路发生故障后它通过检测确认为故障电流时即自动跳闸，一定时间后自动重合。如果故障是瞬时性的，重合成功，线路恢复供电；如果故障是永久性的，重合器将完成预先整定的重合闸次数（通常为三次）后，确认线路故障为永久性故障，则自动闭锁，不再对故障线路送电，直至人为排除故障后，重新将重合器合闸闭锁解除，恢复正常状态。

分段器是配电系统中用来隔离故障线路区段的自动保护装置，通常与自动重合器或断路器配合使用，可实现排除瞬时故障，隔离永久性故障区域，保证非故障线段的正常供电。分段器不能开断故障电流。当分段线路发生故障时，分段器的后备保护重合器或断路器动作，分段器的计数功能开始累计重合器的跳闸次数。当分段器达到预定的记录次数后，在后备装置跳开的瞬间自动跳闸分断故障线路段。重合器再次重合，恢复其他线路供电。若重合器跳闸次数未达到分段器预定的记录次数已消除了故障，分段器的累计计数在经过一段时间后自动消失，恢复初始状态。图2-55是自动重合器与分段器的实物图。

2. 限制电器

用于限制电路故障电流或过电压的电器。

（1）电抗器

依靠线圈的感抗起阻碍电流变化作用的电器称为电抗器。电抗器有空心式和铁心式之分。

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：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。

变电站的高压电抗器按用途可分为三类：

①串联电抗器

在母线上串联电抗器可以限制短路电流，维持母线有较高的残余电压。在电容器组串联电抗器，可以限制高次谐波，降低电抗。串联电抗器是电力系统无功补偿装置的重要配套设备。电力电容器与干式铁心电抗器串联后，能有效地抑制电网中的高次谐波，限制合闸涌流及操作过电压，改善系统的电压波形，提高电网功率因数。

②并联电抗器

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，改善沿线电压分布和轻载线路中的无功分布并降低线损。还涉及系统稳定、潜供电流、调相电压、自励磁及非全相运行下的电气谐振等方面。

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，其作用是在三相电网的一相接地时提供电感性电流，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。

（2）避雷器

避雷器是一种能释放雷电及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。

避雷器的常用类型有：保护间隙、排气式避雷器（常称管型避雷器）、阀式避雷器和金属氧化物避雷器（常称氧化锌避雷器）4种，如图2-56所示。避雷器实质上是一种过电压限制器，通常接于带电导线和地之间，与被保护的电气设备并联连接，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，使电气设备免遭过电压损坏；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. 高压电容器

高压电容器用于1kV以上交流电力系统中提高功率因数，改善电压质量。高压电容器主要由外壳和心子组成，心子由元件、绝缘件组成。元件用聚丙烯薄膜为介质与铝箔（极板）卷制而成，或用聚丙烯薄膜和电容器纸为介质与铝箔卷制而成。

高压并联电容器的内部连接一般为单相形式，用户需要时也可提供三相产品。部分高压并联电容器内部每个元件都串有熔丝，能及时切除个别击穿的元件，保证电容器整体的正常运行。

在输电线路中，利用高压电容器可以组成串补站，提高输电线路的输送能力；在大型变电站中，利用高压电容器可以组成静止无功补偿装置，提高电能质量；在配电线路末端，利用高压电容器可以提高线路末端的功率因数，保障线路末端的电压质量；在变电站的中、低压各段母线，通常会装有高压电容器，以补偿负荷消耗的无功，提高母线侧的功率因数；在有非线性负荷的负荷终端，也会装设高压电容器，作为滤波之用。

4. 高压组合电器与成套电器

高压组合电器按绝缘结构可分为开启式和全封闭式两大类。

开启式组合电器按主体元件的不同分为以隔离开关为主体的和以断路器为主体的两类，将电流互感器、电压互感器、电缆头等元件与之共同组合而成。

以隔离开关为主体的高压组合电器适用于110kV及以上的场所。以断路器为主体的高压组合电器适用于工作电压为35～110kV的场所。

全封闭式组合电器是将各组成元件的高压带电部位密封于接地金属外壳内，壳内充以绝缘性能良好的气体、油或固体绝缘介质，各组成元件（一般包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、母线、避雷器、电缆终端等）按接线要求，依次连接和组成一个整体。

在农村电网中有由跌落式熔断器和负荷开关组成的组合电器，用于户外，工作电压为10kV。还有高压熔断器、负荷开关和隔离开关组成的组合电器，工作电压为35kV。

在环网供电单元和箱式变电站中，高压负荷开关—熔断器组合电器将更多地取代传统的高压断路器，这种组合电器不仅造价低，而且保护变压器和电缆的功能优于断路器。负荷开关用来开合负荷电流，以限流熔断器作短路保护，将控制与保护两种功能分开。

SF6组合电器又称为气体绝缘全封闭组合电器（Gas-Insulator Switchgear），简称GIS。它将断路器、隔离开关、母线、接地开关、互感器、出线套管或电缆终端头等分别装在各自密封间中，集中组成一个整体在金属接地的外壳，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体作为绝缘介质。按充气外壳结构形状可分为圆筒式和充气柜式两大类。图2-57是500kV变电站运行中的SF6组合电器。

GIS设备自20世纪60年代实用化以来，已广泛运行于世界各地。GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用，而且在特高压领域也被使用。与常规敞开式变电站相比，GIS的优点在于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强，维护工作量很小，其主要部件的维修间隔不小于20年。

对于110kV以上的变电站，采用SF6全封闭组合电器后，占地面积和空间可缩小90%。它适用于大城市及工业密集地区的变电站、地下设施的变电站、环境恶劣地区的变电站以及地势险峻的山区变电站。但由于GIS价格昂贵，尚不能满足一些用户的需要。

敞开式开关设备价格比GIS便宜得多，但占地面积很大而且带电部分外露较多，限制了它在电站面积狭小环境条件恶劣的地方使用。

GIS制造技术在不断进步和发展，多年来，各GIS生产厂家围绕着提高经济性和可靠性这两个主要目标，在元件结构、组合形式、制造工艺以及使用和维护方面进行了大量研究、开发。随着大容量单压式SF6断路器的研制成功和氧化锌避雷器的应用，GIS的技术性能与参数已超过常规开关设备，并且使结构大大简化，可靠性大大提高，为GIS进一步小型化创造了十分有利的条件。

高压成套电器基本上都是成套配电装置，它是按照一次及两次接线设计方案，将各种开关电器和其他电气设备组装在一个或若干个金属柜内形成的装置。由于它是以开关电器为主体，故又称高压开关柜，主要分为固定式和手车式两种，如图2-58所示。

固定式高压开关柜：断路器安装位置固定，各功能区相通而且敞开，采用母线和线路的隔离开关作为断路器检修的隔离措施。

手车式高压开关柜：高压断路器安装于可移动手车上，便于检修，其各个功能区是采用金属封闭或者采用绝缘板的方式封闭，有一定的限制故障扩大的能力。

高压开关柜结构紧凑、占地面积小、安装工作量小、使用和维修方便、且有多种接线方案以供选择，方便用户选择。

高压开关柜具有“五防”功能：防止误分、误合断路器；防止带负荷分、合隔离开关或带负荷推入、拉出金属封闭式开关柜的手车隔离插头；防止带电挂接地线或合接地开关；防止带接地线或接地开关合闸；防止误入带电间隔，确保电气设备可靠运行和操作人员的安全。