2.2.3 高壓電器

3kV及以上電力系統中使用的電器設備稱為高壓電器設備，主要種類有：開關電器、電容器、電抗器、避雷器、組合電器等。

1. 高壓開關電器

高壓開關電器是發電廠、變電所以及各類配電裝置中數量最多的電氣設備，其作用是：

①正常工作情況下可靠地接通或斷開電路；

②在改變運行方式時進行切換操作；

③當系統中發生故障時迅速切除故障，保證非故障部分的正常運行；

④設備檢修時隔離帶電部分，以保證工作人員的安全。

高壓開關電器按安裝地點可分為：屋內式和屋外式。按功能可分為：斷路器、隔離開關、熔斷器、負荷開關、自動重合器和自動分段器等。

高壓開關電器的選擇必須滿足供電系統正常工作條件下和短路故障條件下工作要求，同時電氣設備應工作安全可靠，運行維護方便，投資經濟合理。

①按正常工作條件選擇

考慮電氣設備的環境條件和電氣要求。環境條件是指電氣設備的使用場所、環境溫度，海拔高度以及有無防塵、防腐、防火、防爆等要求，據此選擇電氣設備結構類型。電氣要求是指電氣設備在電壓電流、頻率等方面的要求，即電氣設備的額定電壓不小于線路的額定電壓，電氣設備的額定電流不小于線路最大持續工作電流。對一些開斷電流的電器，如熔斷器、斷路器和負荷開關等，還要求其最大開斷電流應不小于它可能開斷的最大電流。

②按短路故障條件校驗

此校驗就是要按最大可能的短路故障時的電動力穩定性和熱穩定性進行校驗。

（1）高壓斷路器

高壓斷路器一是起控制作用，即根據電力系統的運行要求，接通或斷開工作電路；二是起保護作用，當系統中發生故障時，在繼電保護裝置的作用下，斷路器自動斷開故障部分，以保證系統中無故障部分的正常運行。

高壓斷路器由導電回路、可分觸頭、滅弧裝置、絕緣部件、底座、傳動機構、操動機構等組成。導電回路用來承載電流；可分觸頭是使電路接通或分斷的執行元件；滅弧裝置則用來迅速、可靠地熄滅電弧，使電路最終斷開。與其他開關相比，斷路器的滅弧裝置的熄弧能力最強，結構也比較復雜。

斷路器的滅弧室由高強度、耐高溫的絕緣材料制成，起承壓和吹弧作用。主要滅弧介質有空氣、壓縮空氣、真空、SF6合成氣體、油及固體產氣材料。吹弧能源有三類：他能式——外加壓縮機、彈簧，真空；自能式——利用電弧電流本身的焦耳損耗；混合式。

斷路器的操動機構是帶動傳動機構進行合閘和分閘的機構，依斷路器合閘時所用能量形式不同，可分為：

手動機構——指用人力進行合閘與分閘的操動機構；

電磁機構——指用電磁鐵合閘與分閘的操動機構；

彈簧機構——指事先用人力或電動機使彈簧儲能實現合閘與分閘的操動機構；

電動機構——用電動機合閘與分閘的操動機構；

液壓機構——指用高壓油推動活塞實現合閘與分閘的操動機構；

氣動機構——指用壓縮空氣推動活塞實現合閘與分閘的操動機構。

反映高壓斷路器特性和工作性能的主要技術參數有：

額定電壓：是指斷路器長時間運行時能承受的正常工作電壓（6～1000kV）。

額定電流：斷路器可長期通過的工作電流（630～6300A）。

額定開斷電流：表征斷路器的開斷能力，是指斷路器在額定電壓下能正常開

斷的最大短路電流（31.5～63kA）。

額定斷流容量：也表征斷路器的開斷能力。在三相系統中，額定斷流容量公式為：額定開斷容量＝×額定開斷電流×額定線電壓。

關合電流：保證斷路器能關合短路而不致于發生觸頭熔焊或其它損傷，所允許接通的最大短路電流。

額定短時耐受電流：表征斷路器承受短路電流熱效應的能力，也稱熱穩定電流，數值與額定短路開斷電流相同。

額定峰值耐受電流：也稱動穩定電流，指斷路器在合閘位置時，允許通過的短路電流最大峰值。峰值耐受電流一般等于2.5倍額定短時耐受電流，與額定短路關合電流相等。

額定短路持續時間：是斷路器在合閘位置能夠承載額定短時耐受電流的時間間隔（1～4s）。

合閘時間：是指從斷路器合閘回路接到合閘命令（合閘線圈電路接通）開始到所有極觸頭都接觸瞬間的時間間隔。

分閘時間：是指從斷路器分閘回路接到分閘命令到所有極的觸頭都分離瞬間的時間間隔。

全開斷時間：是指斷路器接到分閘命令瞬間起到各相電弧完全熄滅為止的時間間隔，它是斷路器固有分閘時間和燃弧時間之和。是表征斷路器開斷過程快慢的主要參數，越小越有利于減小短路電流對電氣設備的危害。

高壓斷路器的型號由7部分組成，第一單元是產品字母代號：S—少油斷路器；D—多油斷路器；K—空氣斷路器；L—六氟化硫（SF6）斷路器；Z—真空斷路器；Q—自產氣斷路器；C—磁吹斷路器。第二單元是裝設地點代號：N—戶內式；W—戶外式。第三單元是設計序號。第四單元是額定電壓，kV。第五單元是補充工作特性標志：G—改進型；F—分相操作。第六單元是額定電流，A。第七單元是額定開斷電流，kA。

各類高壓斷路器的特點如下。

多油斷路器：結構簡單，制造方便，便于在套管上加裝電流互感器，配套性強；耗鋼材、耗油量大、體積大，屬自能式滅弧結構。

少油斷路器：結構簡單，制造方便，可配用各種操動機構；比多油斷路器油量少、重量輕；采用積木式結構，便于制成各種電壓等級產品。

壓縮空氣斷路器：又稱空氣斷路器，利用預先貯存的壓縮空氣來滅弧。壓縮空氣不僅作為滅弧和絕緣介質，而且還作為傳動的動力。空氣斷路器斷流容量大，滅弧時間短，而且快速自動重合閘時斷流容量不降低。但是空氣斷路器也有有色金屬消耗量大，工藝和材料要求高，需要裝設壓縮空氣系統等輔助設備和價格較貴等缺點。在我國，通常用于110kV及以上的大容量電力系統中。

真空斷路器：利用真空度約為10－4Pa（在運行過程中不低于10－2Pa）的高真空作為內絕緣和滅弧介質，滅弧室材料及工藝要求高。真空間隙的氣體稀薄，分子的自由行程較大，發生碰撞游離的幾率很小。所以，真空擊穿產生電弧，是由觸頭蒸發出來的金屬蒸氣幫助形成的；體積小、重量輕；觸頭不易氧化；滅弧室的機械強度比較差，不能承受較大的沖擊振動。真空斷路器的固定方式不受安裝角度限制，布置方式可分為落地式和懸掛式兩種基本形式。

SF6斷路器：結構簡單，工藝及密封要求嚴格，對材料要求高；體積小、重量輕；用于封閉式組合電器時，可大量節省占地面積。

磁吹斷路器：利用磁場的作用使電弧熄滅，磁場通常由分斷電流本身產生，電弧被磁場吹入滅弧片狹縫內，并使之拉長、冷卻，直至最終熄滅。磁吹斷路器按磁吹原理分為電磁式和電弧螺管式兩類。

磁吹斷路器以大氣為介質，用耐熱陶瓷或云母玻璃作滅弧片，電氣壽命長，能適應頻繁操作的場合。磁吹斷路器運行安全，維護方便，其額定電流和分斷電流較大，可適應電網發展的需要。但與其他斷路器比，其結構復雜，體積大，成本高，一般只適用于20kV以下的電壓等級。

目前在電力系統中，應用廣泛的是少油、真空和SF6斷路器，圖2-50是幾類高壓斷路器的實物圖。

高壓斷路器的在線監測和故障診斷技術正在發展之中，該項技術融合了包括傳感器、光電、微電子、計算機、信號處理和通信技術，其具體做法是在運行的高壓開關設備上安裝多種傳感器，包括電壓、電流、溫度、氣體密度、壓力、行程、機械振動、電磁波等傳感器。通過傳感器發出的信號，經過分析、信號處理，得出各種特征值，與判據或歷史數據進行對比，判斷高壓開關的各部分的狀態，這樣就可以偵知設備的潛在故障從而降低事故率，提高運行可靠性，合理延長工作壽命，并可借此實行狀態維修。

（2）隔離開關

高壓隔離開關又稱隔離刀閘，其基本結構包括導電回路、傳動機構、絕緣部分和底座等。它沒有專門的滅弧裝置，故不能用來切斷負荷電流和短路電流。使用時應與斷路器配合，只有在斷路器斷開時才能進行操作。隔離開關在分閘時，動靜觸頭間形成明顯可見的斷口，絕緣可靠。

高壓隔離開關主要作用：

①隔離電源。分閘后，建立可靠的絕緣間隙，將需要檢修的設備或線路與電源用一個明顯斷開點隔開，以保證檢修人員和設備的安全。

②根據運行需要進行倒閘操作。

③接通和斷開小電流電路。如套管、母線、連接頭、短電纜的充電電流，開關均壓電容的電容電流，雙母線換接時的環流以及電壓互感器的勵磁電流等。

隔離開關的技術參數包括：額定電壓：指隔離開關長期運行時所能承受的工作電壓；最高工作電壓：指隔離開關能承受的超過額定電壓的最高電壓；額定電流：指隔離開關可以長期通過的工作電流；熱穩定電流：指隔離開關在規定的時間內允許通過的最大電流；極限通過電流峰值：指隔離開關所能承受的最大瞬時沖擊短路電流。

高壓隔離開關按照裝設地點的不同，可分為戶內式和戶外式兩種。戶外隔離開關按其絕緣支柱結構的不同可分為單柱式、雙柱式、V形式和三柱式。其中單柱式隔離開關在架空母線下面直接將垂直空間用做斷口的電氣絕緣，具有的明顯優點，就是節約占地面積，減少引接導線，同時分合閘狀態清晰。

戶內式隔離開關采用閘刀形式，有單極和三極兩種。閘刀的運動方式為垂直旋轉式。圖2-51是800kV隔離開關正在進行試驗，圖2-52是幾類高壓隔離開關的實物圖。

（3）高壓熔斷器

高壓熔斷器按使用地點分為：戶內式和戶外式。按照是否有限流作用又可分為限流式和非限流式。熔斷器是一種保護電器。它串聯在電路中，當電路發生短路或過負荷時，熔體熔斷，切斷故障電路使電氣設備免遭損壞，并維持電力系統其余部分的正常工作。

高壓熔斷器的優點是結構簡單、體積小、布置緊湊、使用方便、價格低。可直接動作，不需要繼電保護和二次回路相配合；缺點是每次熔斷后需停電更換熔件才能再次使用，增加了停電時間；保護特性不穩定，可靠性低；保護選擇性不易配合。圖2-53是幾類高壓熔斷器的實物圖。

（4）高壓負荷開關

高壓負荷開關是一種結構簡單，具有一定開斷和關合能力的開關電器。它具有滅弧裝置和一定的分合閘速度，能開斷正常的負荷電流和過負荷電流，也能關合一定的短路電流，但不能開斷短路電流。因此，高壓負荷開關可用于控制供電線路的負荷電流，也可用來控制空載線路、空載變壓器及電容器等。高壓負荷開關在分閘時有明顯的斷口，可起到隔離開關的作用。高壓負荷開關與高壓熔斷器串聯可成為組合電器，前者作為操作電器，投切電路的正常負荷電流，而后者作為保護電器，開斷電路的短路電流及過負荷電流。

高壓負荷開關按是否帶熔斷器可分為：帶熔斷器式和不帶熔斷器式。按滅弧方式的不同，可以分為：產氣式、壓氣式、壓縮空氣式、油浸式、真空式、SF6式等幾類，近年來，真空式發展很快，在配電網中得到了廣泛應用。圖2-54是幾類高壓負荷開關的實物圖。

（5）自動重合器與分段器

自動重合器是一種具有保護、檢測、控制功能的自動化設備。重合器能進行故障電流檢測和按預先整定的分合操作次數自動完成分合操作，并在動作后能記憶動作次數、自動復位或閉鎖。例如，安裝在線路上的重合器，當線路發生故障后它通過檢測確認為故障電流時即自動跳閘，一定時間后自動重合。如果故障是瞬時性的，重合成功，線路恢復供電；如果故障是永久性的，重合器將完成預先整定的重合閘次數（通常為三次）后，確認線路故障為永久性故障，則自動閉鎖，不再對故障線路送電，直至人為排除故障后，重新將重合器合閘閉鎖解除，恢復正常狀態。

分段器是配電系統中用來隔離故障線路區段的自動保護裝置，通常與自動重合器或斷路器配合使用，可實現排除瞬時故障，隔離永久性故障區域，保證非故障線段的正常供電。分段器不能開斷故障電流。當分段線路發生故障時，分段器的后備保護重合器或斷路器動作，分段器的計數功能開始累計重合器的跳閘次數。當分段器達到預定的記錄次數后，在后備裝置跳開的瞬間自動跳閘分斷故障線路段。重合器再次重合，恢復其他線路供電。若重合器跳閘次數未達到分段器預定的記錄次數已消除了故障，分段器的累計計數在經過一段時間后自動消失，恢復初始狀態。圖2-55是自動重合器與分段器的實物圖。

2. 限制電器

用于限制電路故障電流或過電壓的電器。

（1）電抗器

依靠線圈的感抗起阻礙電流變化作用的電器稱為電抗器。電抗器有空心式和鐵心式之分。

空心式電抗器：線圈中無鐵心，其磁通全部經空氣閉合；鐵心式電抗器：其磁通全部或大部分經鐵心閉合。鐵心式電抗器工作在鐵心飽和狀態時，其電感值大大減少，利用這一特性制成的電抗器叫飽和式電抗器。

變電站的高壓電抗器按用途可分為三類：

①串聯電抗器

在母線上串聯電抗器可以限制短路電流，維持母線有較高的殘余電壓。在電容器組串聯電抗器，可以限制高次諧波，降低電抗。串聯電抗器是電力系統無功補償裝置的重要配套設備。電力電容器與干式鐵心電抗器串聯后，能有效地抑制電網中的高次諧波，限制合閘涌流及操作過電壓，改善系統的電壓波形，提高電網功率因數。

②并聯電抗器

并聯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升高，改善沿線電壓分布和輕載線路中的無功分布并降低線損。還涉及系統穩定、潛供電流、調相電壓、自勵磁及非全相運行下的電氣諧振等方面。

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，其作用是在三相電網的一相接地時提供電感性電流，補償流過接地點的電容性電流，使電弧不易持續起燃，從而消除由于電弧多次重燃引起的過電壓。

（2）避雷器

避雷器是一種能釋放雷電及兼能釋放電力系統操作過電壓能量，保護電工設備免受瞬時過電壓危害，又能截斷續流，不致引起系統接地短路的電器裝置。

避雷器的常用類型有：保護間隙、排氣式避雷器（常稱管型避雷器）、閥式避雷器和金屬氧化物避雷器（常稱氧化鋅避雷器）4種，如圖2-56所示。避雷器實質上是一種過電壓限制器，通常接于帶電導線和地之間，與被保護的電氣設備并聯連接，當過電壓值達到規定的動作電壓時，避雷器立即動作，流過電荷，限制過電壓幅值，保護設備絕緣，使電氣設備免遭過電壓損壞；當電壓值正常后，避雷器又迅速恢復原狀，以保證系統正常供電。

3. 高壓電容器

高壓電容器用于1kV以上交流電力系統中提高功率因數，改善電壓質量。高壓電容器主要由外殼和心子組成，心子由元件、絕緣件組成。元件用聚丙烯薄膜為介質與鋁箔（極板）卷制而成，或用聚丙烯薄膜和電容器紙為介質與鋁箔卷制而成。

高壓并聯電容器的內部連接一般為單相形式，用戶需要時也可提供三相產品。部分高壓并聯電容器內部每個元件都串有熔絲，能及時切除個別擊穿的元件，保證電容器整體的正常運行。

在輸電線路中，利用高壓電容器可以組成串補站，提高輸電線路的輸送能力；在大型變電站中，利用高壓電容器可以組成靜止無功補償裝置，提高電能質量；在配電線路末端，利用高壓電容器可以提高線路末端的功率因數，保障線路末端的電壓質量；在變電站的中、低壓各段母線，通常會裝有高壓電容器，以補償負荷消耗的無功，提高母線側的功率因數；在有非線性負荷的負荷終端，也會裝設高壓電容器，作為濾波之用。

4. 高壓組合電器與成套電器

高壓組合電器按絕緣結構可分為開啟式和全封閉式兩大類。

開啟式組合電器按主體元件的不同分為以隔離開關為主體的和以斷路器為主體的兩類，將電流互感器、電壓互感器、電纜頭等元件與之共同組合而成。

以隔離開關為主體的高壓組合電器適用于110kV及以上的場所。以斷路器為主體的高壓組合電器適用于工作電壓為35～110kV的場所。

全封閉式組合電器是將各組成元件的高壓帶電部位密封于接地金屬外殼內，殼內充以絕緣性能良好的氣體、油或固體絕緣介質，各組成元件（一般包括斷路器、隔離開關、接地開關、電壓互感器、電流互感器、母線、避雷器、電纜終端等）按接線要求，依次連接和組成一個整體。

在農村電網中有由跌落式熔斷器和負荷開關組成的組合電器，用于戶外，工作電壓為10kV。還有高壓熔斷器、負荷開關和隔離開關組成的組合電器，工作電壓為35kV。

在環網供電單元和箱式變電站中，高壓負荷開關—熔斷器組合電器將更多地取代傳統的高壓斷路器，這種組合電器不僅造價低，而且保護變壓器和電纜的功能優于斷路器。負荷開關用來開合負荷電流，以限流熔斷器作短路保護，將控制與保護兩種功能分開。

SF6組合電器又稱為氣體絕緣全封閉組合電器（Gas-Insulator Switchgear），簡稱GIS。它將斷路器、隔離開關、母線、接地開關、互感器、出線套管或電纜終端頭等分別裝在各自密封間中，集中組成一個整體在金屬接地的外殼，在其內部充有一定壓力的SF6絕緣氣體作為絕緣介質。按充氣外殼結構形狀可分為圓筒式和充氣柜式兩大類。圖2-57是500kV變電站運行中的SF6組合電器。

GIS設備自20世紀60年代實用化以來，已廣泛運行于世界各地。GIS不僅在高壓、超高壓領域被廣泛應用，而且在特高壓領域也被使用。與常規敞開式變電站相比，GIS的優點在于結構緊湊、占地面積小、可靠性高、配置靈活、安裝方便、安全性強、環境適應能力強，維護工作量很小，其主要部件的維修間隔不小于20年。

對于110kV以上的變電站，采用SF6全封閉組合電器后，占地面積和空間可縮小90%。它適用于大城市及工業密集地區的變電站、地下設施的變電站、環境惡劣地區的變電站以及地勢險峻的山區變電站。但由于GIS價格昂貴，尚不能滿足一些用戶的需要。

敞開式開關設備價格比GIS便宜得多，但占地面積很大而且帶電部分外露較多，限制了它在電站面積狹小環境條件惡劣的地方使用。

GIS制造技術在不斷進步和發展，多年來，各GIS生產廠家圍繞著提高經濟性和可靠性這兩個主要目標，在元件結構、組合形式、制造工藝以及使用和維護方面進行了大量研究、開發。隨著大容量單壓式SF6斷路器的研制成功和氧化鋅避雷器的應用，GIS的技術性能與參數已超過常規開關設備，并且使結構大大簡化，可靠性大大提高，為GIS進一步小型化創造了十分有利的條件。

高壓成套電器基本上都是成套配電裝置，它是按照一次及兩次接線設計方案，將各種開關電器和其他電氣設備組裝在一個或若干個金屬柜內形成的裝置。由于它是以開關電器為主體，故又稱高壓開關柜，主要分為固定式和手車式兩種，如圖2-58所示。

固定式高壓開關柜：斷路器安裝位置固定，各功能區相通而且敞開，采用母線和線路的隔離開關作為斷路器檢修的隔離措施。

手車式高壓開關柜：高壓斷路器安裝于可移動手車上，便于檢修，其各個功能區是采用金屬封閉或者采用絕緣板的方式封閉，有一定的限制故障擴大的能力。

高壓開關柜結構緊湊、占地面積小、安裝工作量小、使用和維修方便、且有多種接線方案以供選擇，方便用戶選擇。

高壓開關柜具有“五防”功能：防止誤分、誤合斷路器；防止帶負荷分、合隔離開關或帶負荷推入、拉出金屬封閉式開關柜的手車隔離插頭；防止帶電掛接地線或合接地開關；防止帶接地線或接地開關合閘；防止誤入帶電間隔，確保電氣設備可靠運行和操作人員的安全。