高压电器技术原理课件

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2006.10.17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前言

1.2开关电器的定义与用途定义：

开关电器switchingdevice：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）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。

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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（30～50）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1010～1014104～107

（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

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：⑴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”。⑵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。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3.2从运行角度的共同要求⑴电的作用；⑵热的作用；⑶机械作用；⑷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）技术4.1SF6气体的优良绝缘和灭弧特性与目前使用状况4.1.1SF6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气体热稳定性也好，SF6气体是很强的电负性气体。

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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（0.5～0.7）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4.1.3SF6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4.1.4SF6气体是电力设备中最佳的灭弧和绝缘用气体介质：60～70%用于电力设备：⑴气体绝缘开关设备（GIS）⑵气体绝缘电缆（GIC－cable）或气体绝缘输电线路（GITL）⑶气体绝缘变压器（GIT）⑷配电电压等级的C－GIS。

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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(GlobalWarmingPotential,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。

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《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

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4.4.2作为灭弧介质：对SF6断路器，混合气体没有好处，随着SF6气体用量的减少，则开断性能也相应下降。这与灭弧原理有关。

目前仍无法取代的超高压断路器仍可采用SF6断路器外，应逐步减少SF6断路器的产量，同时也应尽量少采用罐式SF6断路器。

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对于断路器的介质要求，电导率的变化范围和变化速度都应大或快，真空断路器是一个较好的发展方向，目前也是断路器的主要品种之一，用在40.5kV以下断路器。污染最小的绿色环保品。126kV断路器在高压断路器中用量最多。目前主要仍是SF6断路器。日本已制成126kV真空灭弧室,并合作开发了断路器,但仍用少量SF6作灭弧室外壳的绝缘。

西安交通大学电气工程学院4六氟化硫（SF6）技术我国如能在126kV真空灭弧室和断路器方面近期内能投入力量并取得突破,以取代126kV的SF6断路器，则可大量减少SF6在开关行业的用量,对环境保护十分有意义。而且也可跟上国际技术发展的步伐，并为在超高压等级取代SF6打下扎实基础。

西安交通大学电气工程学院5真空开关技术5.1真空中灭弧原理当触头在真空中分断电路时将产生真空电弧。真空电弧实质上是真空容器内在触头材料等的金属蒸汽中产生的电弧，属于低气压电弧。

西安交通大学电气工程学院5真空开关技术真空电弧有两种基本形态：（1）扩散型真空电弧：当电流小于某一数值时（几千安），（2）集聚型真空电弧：当电流大于某一数值时。

西安交通大学电气工程学院5真空开关技术交流真空电弧的熄灭原理：（1）特点：小电流时始终是扩散型的；大电流时，电流值超过集聚值很多时，则转变成集聚型后就始终是集聚型的。当电流只在幅值附近时超过，则先转变成集聚，后又可转为扩散型。西安交通大学电气工程学院5真空开关技术（2）熄弧原理：扩散型，过零后，电极阴阳极对调，新阴极不会产生阴极斑点，而真空中介质强度恢复又特别快，只要间隙（开断）距离足够，过零后电弧不会重燃，一次过零熄灭。集聚型，由于阴极和阳极都有较大的熔区，需要ms级时间才能冷却，在未冷却前，电极不断提供大量金属蒸汽，过零后，在恢复电压作用下，不可避免地发生重燃。不采取相应措施，则集聚型交流真空电弧不能熄弧，即没有开断能力。西安交通大学电气工程学院5真空开关技术

两种措施：a.在工频半波末尾使转化为扩散型，用横向磁场吹弧的方式，使阴、阳极斑点快速移动，降低电极表面温度。b.提高集聚电流值，在开断范围内不发生集聚，通常是加纵磁。西安交通大学电气工程学院5真空开关技术（3）开断小电流时的截流现象：与触头材料和电流值有关。西安交通大学电气工程学院5真空开关技术5.2真空灭弧室的结构和工作原理

真空灭弧室是真空开关的一个最重要的部件，由绝缘外壳、端盖、导电杆、波纹管、触头、屏蔽罩等部件组成。由绝缘外壳、端盖和波纹管构成封闭的容器，波纹管的使用才能实现在灭弧室外带动动触头作分合运动。灭弧室在无机械外力作用时，由于自闭力，其动静触头始终保持闭合位置。西安交通大学电气工程学院5真空开关技术

触头是真空灭弧室内的最为重要的元件，开断能力和电气寿命主要由触头结构来决定。真空开关的触头目前都是对接式的。

西安交通大学电气工程学院5真空开关技术西安交通大学电气工程学院5真空开关技术5.3真空断路器的发展趋势

由于真空断路器的品种和结构繁多，但基本原理一样。也就不详细讲各种类型，只说明几个发展趋势。（1）电压等级：目前真空断路器已广泛用在40.5kV以下的配电电压等级，今后将向更改电压等级发展，首先是72.5kV～126kV。（2）小型化：一方面已采用新的电弧控制技术，在不降低开断能力的条件下不断缩小真空灭弧室的尺寸和体积，另一是采用新的复合绝缘技术和浇注技术将真空灭弧室与非绝缘体浇注在一起使体积缩小。西安交通大学电气工程学院5真空开关技术（3）采用永磁保持式电磁操动机构（4）各种专用真空断路器：切合电容器：西门子3AH260000次；3AH412000次东芝24kV/1250A/20kA和36kV/1250A/2000A/12.5kA达12万次选相分合真空断路器合闸和分闸±0.5ms和±1ms（5）智能型真空断路器：传感技术和数字控制技术的应用。（6）对于超高电压等级，应首先解决额定电流的提高及灭弧室外壳绝缘的技术难题。

西安交通大学电气工程学院6高压开关绝缘6.1绝缘的工作条件6.1.1影响绝缘的因素：（1）电的作用；（2）热的作用；（3）机械力的作用；（4）大气条件的作用。西安交通大学电气工程学院6高压开关绝缘

内绝缘：处于密封容器或介质中的绝缘和各种绝缘介质，它的电气绝缘强度由介质的击穿强度或沿液（气）体表面的闪络强度所决定。大气条件对内绝缘不起作用。

外绝缘：处于大气中以空气作为介质的绝缘。它的电气绝缘强度决定于空气间隙的击穿强度或沿空气中绝缘表面的闪络强度。大气条件对外绝缘就起很大作用。西安交通大学电气工程学院6高压开关绝缘6.1.2电气绝缘强度：（1）干放电电压：沿绝缘介质的干燥和清洁的表面发生放电（闪络）的电压。（2）湿放电电压：沿被雨淋湿的绝缘介质的表面发生放电（闪络）的电压。（3）击穿电压：绝缘介质发生击穿的电压。绝缘击穿和闪络的电压值与所施加的电压类别有关：直流还是交流；工频电压、操作冲击电压和雷电冲击电压。还有VFTO的冲击电压。西安交通大学电气工程学院6高压开关绝缘6.2绝缘的部位、材料和结构6.2.1绝缘部位：

开关中的三种不同的绝缘：（1）带电导体与地之间（对地绝缘）；（2）不同极导体之间（极间绝缘）；（3）断开位置时同极触头之间（开关同极触头间的纵绝缘）。西安交通大学电气工程学院6高压开关绝缘6.2.2绝缘材料：

（1）气体；（2）液体；（3）固体；（4）高真空。西安交通大学电气工程学院6高压开关绝缘6.2.3绝缘结构：（1）固体绝缘；（2）气体绝缘；（3）液体绝缘。对于开关柜的绝缘结构，有空气（大气）绝缘、气体（主要是SF6气体）绝缘，还没有看到固体绝缘的开关柜。目前有的在宣传的所谓“固体绝缘开关柜”，只是在空气和气体绝缘的开关柜中，较多地采用固体绝缘，而元件与柜体金属外壳间仍有较多的空气和气体绝缘。西安交通大学电气工程学院6高压开关绝缘6.3开关部件的绝缘配合和电场计算6.3.1部件的绝缘配合：

在同一绝缘强度要求下，给各部件有不同的裕度（安全系数）。6.3.2电场计算：用计算机和有限元方法对电场进行计算和分析。西安交通大学电气工程学院7

相控断路器（同步开关）

相控断路器（俗称同步开关），是指具有分/合闸相位控制的高压交流断路器，或具有选（定）相（位）分/合闸功能的高压交流断路器。

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相控断路器（同步开关）

传统断路器由于分/合闸信号本身的随机性和断路器（包括操动机构）动作的分散性，断路器触头闭合或断开的相位也是随机的，可在一个周波360º的任一相位下闭合或断开，而且通常认为各相位是等概率事件。固有分/合闸时间西安交通大学电气工程学院7

相控断路器（同步开关）

选相分/合闸（或称相位控制）技术的概念在几十年前就早已经被提出，相控断路器的结构框图:

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相控断路器（同步开关）

从图可看出，相控断路器也就是在传统的断路器上外加了一个控制器，以便实现对分合闸信号的选相控制。这里要解决两个问题：（1）控制器的相位控制要正确和可靠；（2）断路器固有分/合闸时间的分散性应足够小。

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相控断路器（同步开关）断路器在电网中起到重要的控制和保护作用。运行中经常需要进行正常开合的操作，在操作过程中常伴随着电网中电压和电流出现的浪涌现象，造成操作过电压和过电流，严重影响电网的安全运行。

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相控断路器（同步开关）理论分析和实践证明：操作中出现的暂态现象不仅与所控制的电路参数有关，还与断路器实际分、合闸的相位有关。一般来讲，合闸和分闸时发生的机理不相同，合闸过程中出现的暂态过程是由于线路中的电磁暂态振荡所引起，而开断时所出现的过电压则由于弧隙的复燃或重击穿而产生。

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相控断路器（同步开关）对于合闸操作，从理论上讲，断路器能选定相位合闸是最好的。对于感性负载（空载变压器、电抗器）则应在电压峰值时关合；而对于容性负载（空载长线、电容器组）则应在电压为零时关合。这样就可以抑止合闸过程产生的各种涌流和合闸过电压。

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相控断路器（同步开关）但由于当时技术水平的限制，断路器最终控制的正确性和可靠性难以保证，得不到推广使用。只得采取断路器断口并联合闸电阻或其他措施来抑止过电压和涌流。

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相控断路器（同步开关）随着技术水平的不断提高，特别是半导体器件和微机技术的发展，控制器本身的正确性和可靠性已基本得到解决，相控断路器在国外已开始实际应用，取得了较好的成果。西安交通大学电气工程学院7

相控断路器（同步开关）国内也开始重视这一问题，对相控断路器的需求也不断地提出，特别是对空载长线和并联电容器组的投切问题。例如，在500kV系统中已有安装ABB公司的同步合闸装置CAT和Simens公司的同步装置。据报道，云南太朝山500kV系统中就是采用CAT装置，解决了系统的内过电压问题。无功补偿的需要，大量电容器组在系统中被应用，又特别关心电容器组的投切问题。西安交通大学电气工程学院7

相控断路器（同步开关）关合电容电流的等值电路图（图中假定为集中参数）

C

U0

L——线路电感，R——电阻，C——电容，U0——电容上的初始电压,α——合闸瞬间的电源电压相位角

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相控断路器（同步开关）可得：式中：。西安交通大学电气工程学院7

相控断路器（同步开关）

其最大值：过电压大小与合闸相位角、电容上的初始电压和极性有关。在U0＝0时，当α＝90º时，Ucm＝2Um，最大；而当α＝0º时，没有暂态，按正弦规律上升，也就没有过电压；偏离0º时，有暂态，与偏离角大小有关，一般讲不发生过电压。

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相控断路器（同步开关）在U0≠0时，同极性时，Ucm＜2Um； 反极性时，Ucm＞2Um。 若U0＝－Um，当α＝90º时，则Ucm＝3Um；而当α＝0º时，有过渡过程，但Ucm不会超过Um；而偏离0º时就会有过电压，但数值受到抑止。

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相控断路器（同步开关）从上面分析中可以看出： 当α＝90º时合闸出现的过电压最高，有可能达2～3倍。 而当α＝0º时合闸，就不会有过电压（偏离零度时，会有过电压，但已受到抑止）。西安交通大学电气工程学院7

相控断路器（同步开关）对于不同电压等级的系统和设备，承受过电压的能力是不相同的。过电压的允许倍数也有不同的规定和要求。对于110kV以下，通常能承受3倍以下的过电压，而500kV已要求为2.0，750kV为1.8，1000kV为1.7。对于超高压断路器来说，能够实现相控和同步合闸是很有必要的。

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相控断路器（同步开关）在配电电压等级，通常由于合电容器组而产生的过电压是能够承受的，同时又由于中压断路器原都为三极一个操动机构，三相本身的合闸相位就不同，也无法控制，所以并非急于需要解决合闸过电压问题。但终究电容器虽能承受频繁操作所出现的过电压，却影响了其使用寿命。因此实现同步合闸也是有好处的。

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相控断路器（同步开关）配永磁机构的真空断路器为分极操作提供了可能性，实现相位控制也较为现实，据报道已经能做到同步投入在±0.5ms以内。

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相控断路器（同步开关）从目前