第二章高压电器基本理论

1、第二章 高压电器基本理论第一节 基本概念1.1 电压等级电力系统根据传输容量和输送距离两大关键因素，进行综合评估和分析而最终选用适当的额定电压，这样就形成了不同的电压等级，例如252kV、800kV等。为了使电力工业和电器制造行业实现标准化、系统化和统一化，世界上许多国家和相关国际组织（如IEC）都制定了相应的额定电压等级标准。我国也制定了适合我国国情的额定电压标准（GB156-93），为了和国际接轨，GB/T11022规定额定电压为开关设备和控制设备所在系统的最高电压上限，代替了原来的系统标称电压。额定电压标准值如下：范围I，额定电压252kV及以下：（kV）3.6、7.2、12、24、40

2、.5、72.5、126、252。范围II，额定电压252kV以上：（kV）363、550、800。不同额定电压等级的开关设备和控制设备有其相应的绝缘水平，从而决定了设备的外形尺寸和造价，由此可以看出额定电压是高压开关设备和控制设备的一项重要技术参数。1.2 绝缘与配合绝缘是指将电位不同的导体分隔开，使导体间没有电气连接，从而保持不同的电位。具有绝缘作用的材料称为绝缘材料（电介质），高压电器的绝缘性能是由各种绝缘材料来保证的。高压电器的绝缘结构按工作条件可分为两大类：外绝缘和内绝缘；按绝缘介质可分为三类：固体绝缘、液体绝缘和气体绝缘。外绝缘是指以大气为绝缘介质的绝缘结构，例如敞开式断路器的灭弧室

3、和支柱瓷套、GIS的进出线套管等；内绝缘是指高压电器内部以油、SF6气体、真空以及瓷瓶内壁、绝缘拉杆、盒绝缘子等为绝缘介质的绝缘结构，例如SF6断路器的灭弧室内部断口间。1.2.1 影响绝缘强度的主要因素影响电气绝缘强度的主要因素是电极间的电源，包括电极的形状、电极间的绝缘距离、绝缘介质的种类等。但对于两种绝缘结构来说，影响其电气强度的因素和程度存在一定的差异。1.2.1.1 内绝缘内绝缘的电气强度由绝缘介质的体击穿强度和介质中固体绝缘表面的闪络强度决定，与大气条件无关。间隙距离增大，电场不均匀度加大而使击穿电压的增长呈饱和趋势。对于不同的绝缘介质，影响其绝缘强度的因素也不同。SF6气体绝缘介

4、质中，随着气体压力升高其绝缘强度也相应提高，但有饱和趋势，并且SF6气体的最高工作压力受到与温度有关的液化压力限制。SF6气体中的电微粒和水份含量的增大都会导致绝缘强度下降，SF6气体对电极表面粗糙度十分敏感，电极表面的毛刺及较大的粗糙度都会降低其耐电强度。油绝缘介质中，对电极表面粗糙度不太敏感，但油中的水份、碳粒子和纤维含量的增大以及温度的升高都会导致绝缘强度下降。真空中，真空度低于10-2Pa时，其绝缘强度明显下降；真空中金属蒸汽增多会使真空间隙的击穿电压降低；电极材料、表面粗糙度与清洁度、导电微粒等对击穿电压都有显著影响。1.2.1.2 外绝缘外绝缘的电气强度由大气间隙的击穿强度或大气中

5、沿固体介质表面的闪络强度决定，因此大气的环境条件对外绝缘有直接影响。a)海拔高度和气温升高时，空气密度下降，外绝缘强度降低；b)大气污染将导致绝缘介质沿面闪络电压下降；c)雨后空气湿度增加也会使外绝缘强度降低。对于外绝缘，间隙长度在3m以内，击穿电压随间隙长度呈近似线性增加，超过3m则呈饱和趋势。电极外表面的尖棱使局部电场强度增大而导致耐受电压能力下降，并使局部放电量增大。1.2.2 提高绝缘强度的方法高压电器产品，其内、外绝缘应能长期耐受最高工作电压及大气过电压（雷电冲击电压）和内过电压（工频试验电压、操作冲击电压）以及开断过程的断口间瞬态工频恢复电压的作用，各绝缘部位不应损坏。因此，绝缘结

6、构应符合以下要求：1）各种绝缘介质不得出现击穿或沿面闪络现象；2） 开关电器中的固体绝缘材料在电弧作用下，不得出现影响开断性能的烧蚀或变形；3）支持绝缘件受机械力和热的长期作用，不得降低其绝缘性能；4）固体绝缘材料内部、复合介质中以及电极附近应避免或减少局部放电。提高绝缘结构电气强度的有效方法：1）保证绝缘介质、绝缘材料的质量，控制气体的水份及粉尘含量、油中的杂质含 量、真空度、浇注绝缘件的内部和表面质量；2）优化电极形状，控制电极表面加工质量，采取一些均压措施，改善电场分布，防电量发生如加均压环、屏蔽罩等，控制局部放电量；3）优化设计固体绝缘件的结构和形状，同时兼顾电场分布均匀度和沿面距离；

7、4）对污秽、海拔等环境下工作的开关电器应有足够的空气间隙及爬电距离，适时带电情况瓷瓶。1.2.3 额定绝缘水平不同电压等级的开关设备所要求的绝缘水平不同，GB/T11022中规定了额定电压范围I和范围II的额定绝缘水平。表2-1给出了额定电压范围I的额定绝缘水平。表2-1 额定电压范围的额定绝缘水平额定电压UrkV（有效值）额定短时工频耐受电压UdkV（有效值）额定雷电冲击耐受电压UpkV（有效值）通用值隔离断口通用值隔离断口3.610122023182040467.220254046232860701228326070758540.58511018521572.514016032537516

8、01763503851261852104505202302655506302523604158509503954609501050460530105012001.3 电接触两个或几个导体通过机械方式接触，从而可以使电流通过的连接称为电接触。高压开关设备的导电回路总是由若干个导体元件构成，因而电接触是开关设备结构原理中非常重要的一个内容。不良的电接触不仅会损坏电器本身，且能使电力系统发生各种事故。13.1 电接触的分类高压开关设备中，根据在操作过程中接触处是否存在相对运动而把电接触分成两大类：1） 固定电接触：两个或多个的导体连接处用螺钉、螺纹、铆钉等机械方法互相固定的电接触。例如各种电器的出线

9、端与母线的连接、母线与母线的连接等。2） 可动电接触：开关设备在操作过程中，导体接触处有相对运动的电接触。在可动接触中，接触处的相对运动又有两种基本形式：一种是接触处在操作过程中不仅能作相对运动，而且还可作分合运动的电接触，称为可分电接触；另一种是接触处在操作过程中只作相对运动而不能分离的电接触，称为不可分电接触。电接触种类可用下面的图式表示： 固定电接触 电接触 可分电接触 可动电接触 不可分电接触根据电接触的划分，触头是指专门用以完成可动电接触的导体构件。其中做成“静止”不动的或位置基本不变的触头称为静触头；而在开关设备操作中作运动的触头称为动触头。1.3.2 接触电阻接触电阻是指由于电接

10、触而产生的电阻。详细的分析研究指出，接触电阻是由收缩电阻和表面电阻两部分组成。1.3.2.1 收缩电阻由于导体表面的加工不可能“绝对”光滑和平坦，因此两个导体接触时，不能在整个接触表面上接触，而只能在其中的一些点上接触。这就使电流线在接触面附近发生集聚收缩，使实际接触面积大大缩小，因而接触处的电阻就会增加。由这个原因引起的接触电阻成为收缩电阻。1.3.2.2 表面电阻当导体加工后，各导体的接触表面由于尘埃的覆盖、气体分子或水分子的吸附、金属表面的氧化或硫化以及有机聚合物的生成等原因会存在一层薄膜。这种薄膜的导电性能很差，又不容易在接触过程中完全去掉，因此将接触过度区域的电阻增大。由于这种原因引

11、起的接触电阻称为表面电阻，又称膜电阻。1.3.3 影响接触电阻的因素1） 接触材料的性质：物理性质方面，材料的电阻率和硬度将直接影响收缩电阻的大小；化学性质方面，主要是接触表面氧化和化学腐蚀的影响，都可以造成触头工作时接触电阻的增加，开关电器的接能材料，一般采用铜、铝为主，接触面多为铜铝镀银。2） 接触处的接触形式：接触形式可分为点接触、线接触和面接触三种。3） 接触压力：试验证明压力愈大，接触电阻就愈小。但是当压力超过足够数值时，接触电阻就基本保持不变。原因是最初压力增大时，实际接触面积会增大，使收缩电阻减小，氧化膜会被压碎，使得表面电阻减小，从而接触电阻减小。4） 温度：电阻率随温度的升高

12、而增加；当材料温度上升到接近软化点时，硬度将急剧下降；温度升高使化学腐蚀和氧化作用增强，接触电阻大大增加，引起触头熔焊、烧损与触头相邻的元件，造成5） 表面粗糙度：接触表面的粗糙度过低反而会使实际接触面积减小，而接触电阻增大。当然，粗糙度低的触头不易受污染和生成各种表面膜，因而可减少周围介质对接触电阻的影响，保证接触电阻的稳定。1.3.4 对电接触的要求长期通过额定电流时，接触电阻必须稳定，各接触处温升不得超过该材料元件的规定值；短时通过短路电流时，各接触处不发生熔焊或触头材料的喷溅；开关分合短路电流时，触头不应熔焊或损坏。1.4 发热与温升高压电器在工作时，交流电流通过导电体，电器就要发热以

13、QI2Rt表示。这是因为导电体和电接触部分有电阻存在，产生了电阻损耗；由于交变磁场的作用，在附近的铁磁体内会产生涡流和磁滞损耗；在绝缘体内会产生介质损耗。所有这些损耗几乎全部转化成热能，从而加热了电器。实际发热过程并不是绝热过程，导体在发热升温的同时，还有热量散失。导体上损耗的能量一部分散失到周围介质中，另一部分则使导体本身温度升高。1.5 电弧电弧是气体放电的一种形式，也是自然界中的一种物理现象，是物质的第四态即等离子体，由温度为10,000K左右的电子、带正电荷或带负电荷的气体离子、金属离子等组成。发生在开关设备中的电弧简称为开关电弧，属于低温等离子体。对于断路器中的电弧等离子体来说，希望

14、具有下列特性：1） 电导率的变化范围尽可能大，即在导体和完全绝缘体之间变化；2） 电导率的变化速度尽可能快。除正负两个电极外，整个电弧可以分成三个区域：阴极位降区域、弧柱和阳极位降区域1.5.1 电弧弧柱的游离过程在中性气体中不存在自由电子，因此气体是不导电的。要使气体成为导电状态，就必须有外界的能量使大量的电子从原来的运动轨道上脱离出来并成为自由电子。这种从气体中性粒子中分离出自由电子的现象称为“游离”。气体游离的主要方式有：碰撞游离：因质点碰撞引起的游离；光游离：中性粒子受光照射时引起的游离；热游离：因高温作用而引起的游离。电弧弧柱中温度很高，因此热游离是弧柱中最主要的游离方式。1.5.2

15、 电弧弧柱的去游离过程电弧弧柱中由气体的游离维持着电弧的存在。同时，弧柱中也存在着相反的过程，即去游离过程。去游离的作用就是减小弧柱中的游离程度，力图熄灭电弧，直至将间隙恢复成绝缘介质。去游离的主要方式：复合：两种带异性电荷的质点互相接触而形成中性质点的过程。影响复合的最主要因素是温度，温度下降时，复合的速度迅速增快，去游离过程就强烈。扩散：就是带电粒子从电弧间隙中散出到周围介质中。其中弧柱直径影响最大，直径愈小，扩散愈强烈。1.5.3 电弧的熄灭交流电弧在燃烧期间游离过程和去游离过程同时存在。在电流过零期间，电网输入弧隙的能量逐渐减小至零，游离作用逐渐减弱；而开关灭弧室内的电弧在开断过程中受

16、到熄弧介质强烈的吹拂冷却，去游离作用逐步增强，当去游离作用大于游离作用时，电弧就熄灭，并且电流过零后不再重燃；否则弧隙会重燃，电弧继续燃烧，值得开关开断失败。1.6 电动力在磁场中任一载流导体都要受到力的作用。通电导体的周围有磁场存在，而磁场对通电导体又有作用力。因此，两个或几个相互有电磁耦合的导体之间必有相互作用的力。我们把载流导体之间的作用力称为“电动力”。电动力与短路电流峰值的平方成正比，即FhI2且随短路电流而变化，具有冲击和交变的特征。1.6.1 研究电动力的目的掌握产生电动力的理论，在设计高压电器产品时，正确选择其结构和尺寸，克服电动力的危害性。广泛利用电动力为我们服务。例如：在断

17、路器的灭弧结构中，利用电动力的作用提高灭弧能力；利用电动力原理设计并制造出迅速推开的斥力式触头结构；利用电动力原理设计并制造出电表和继电器。1.6.2 提高产品电动稳固性的措施导体本身及其支持绝缘件有足够的随电动力的机械强度；固定连接的导体应有足够的接触面积和压力，防止电动力推开产生采用插入式梅花触头、多点接触的表带式触指，利用整组触指电动力的夹紧导电杆，防止单片触指的电动力推开触指；触头及固定接触面上应有良好的镀银层；产品总体布置设计时，应选择正确的电流回路和导体支撑方式。第二节 高压断路器的分类及主要技术参数2.1 高压断路器的分类断路器主要由四个组成部分：导电回路；灭弧结构；操作机构和传

18、动系统；结构：包括断口绝缘。按照灭弧介质的不同，断路器可划分为：（1）油断路器。是指触头在变压器油中关合和开断，利用变压器油作为灭弧和绝缘介质的断路器，又分多油断路器和少油断路器。（2）六氟化硫断路器。是指以SF6气体作为灭弧和绝缘介质，具有开断容量大、绝缘水平高等优点，已独占高压、超高压断路器的市场，在中压领域与真空断路顺并存竞争。（3）真空断路器。是指触头在真空中关合和开断；利用真空作为绝缘介质和灭弧介质的断路器。真空断路器要求的真空度在10-4Pa以上。按照结构方式的不同，断路器可划分为：（1）敞开式断路器（用于AIS，或称空气绝缘变电站）。（2）气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）Gas

19、 insulating subitation（3）敞开式组合电器（COMPASS）。（4）复合式组合电器（PASS Plng And Switch System接杆式开关装置，也可理解为Performance And save space优越性能并省空间）。2.2 高压断路器的基本技术参数标明高压断路器基本技术性能、规定运行使用条件的一组量值，就是高压断路器的基本技术参数。2.2.1 额定电压断路器是以电力系统的最高工作电压作为额定电压。在实际运行中，由于系统调压的需要，电网的电压容许在一定范围内变动，允许波动的电压上限成为最高工作电压。断路器要求在最高工作电压以下的电网电压范围内应能长期工作

20、并保证各项性能。2.2.2 额定电流额定电流是指断路器可以长期通过的电流。回路在规定条件下允许长期通过、其发热不超过标准规定的允许温升并能长期正常运行的电流。额定电流表征了断路器的负载能力和控制电力系统运行状态的能力。额定电流决定了导体和触头的截面。2.2.3 额定绝缘水平额定绝缘水平是指断路器能够耐受的工频耐受电压、雷电冲击耐受电压或操作冲击耐受电压。额定电压越高，相应的额定绝缘水平也越高。2.2.4 额定短路开断电流额定短路开断电流是指断路器在规定的运行条件下能保证开断而不妨碍其继续正常工作的最大短路电流。额定短路开断电流决定了断路器灭弧装置的结构和技术参数，同时也表征了断路器保护电力系统

21、的能力。2.2.5 额定短时耐受电流额定短时耐受电流是指在规定的使用和性能条件下，在规定的短时间内断路器在合闸位置所能承载的电流有效值，即额定热稳定电流。额定短时耐受电流在数值上和额定短路开断电流相等。2.2.6 额定峰值耐受电流额定峰值耐受电流是指在规定的使用和性能条件下，断路器在合闸位置所能耐受的最大峰值电流，即额定动稳定电流。断路器通过这一电流峰值，不应自行分闸，导电回路无损坏，触头无熔焊，并能继续正常工作。这一额定参数反映了断路器承受短路电流电动力效应的能力，其数值为额定短路开断电流的2.5倍。2.2.7 额定短路关合电流额定短路关合电流是指在额定电压及规定的使用和性能条件下，断路器能

22、保证正常关合的最大短路电流峰值。额定短路关合电流和额定峰值耐受电流相等。2.2.8 额定时间参数2.2.8.1 分闸时间分闸时间是指处于合闸位置的断路器，从分闸脱扣器带电时刻到所有各极弧触头分离时刻的时间间隔。2.2.8.2 开断时间开断时间是指机械开关装置分闸时间起始时刻到燃弧时间终了时刻的时间间隔。2.2.8.3 合闸时间合闸时间是指处于分闸位置的断路器，从合闸回路带电时刻到所有极触头都接触时刻的时间间隔。 2.2.8.4 关合时间关合时间是指处于分闸位置的断路器，从合闸回路带电时刻到第一极中电流出现时刻的时间间隔。 2.2.8.5 合分时间合分时间即金属短接时间，是指合闸操作中第一极触头

23、接触时刻到随后的分闸操作中所有极弧触头都分离时刻的时间间隔。 2.2.9 操作同期性 2.2.9.1 合闸同期性断路器合闸时各极间或同一极断口间的触头接触时刻的最大时间差异。2.2.9.2 分闸同期性断路器分闸时各极间或同一极断口间的触头分离时刻的最大时间差异。2.2.10 机械寿命是指在不更换零部件并保证规定的机械性能条件下，断路器按照规定的操作循环所进行的分、合闸空载操作次数。 第三节 断路器的开断断路器开断电力系统某些元件时，都会出现电弧。开断的电流愈大，电弧就愈强烈，其工作条件也就愈严重。从理论上讲开断过程中出现的电弧可能在交流电流过零时自然熄灭，但电弧一经形成，断口间的介质就会因电弧

24、放电而强烈游离，因此在电流过零电弧自然熄灭后，断口间的绝缘不能立即恢复，此时只要在断口上加上一个较低的电压，电弧就会重新燃烧。因此电流过零后断口间介质强度的恢复，以及电流过零后在断口两端出现的恢复电压是影响断路器开断的两个重要因素。断路器的开断过程分为电弧燃烧与电弧熄灭两个阶段，在这两个阶段中存在一个时间极短的电流过零阶段。在燃烧阶段，短路电流大小取决于电网容量和短路地点（亦短路阻抗大小）。电弧电压与断路器的熄弧方式、熄弧介质有关，常为几百伏至几千伏。3.1 出线端短路故障开断出线端短路故障的特点是：开断短路电流最大，暂态恢复电压上升串较低，开断比较困难。电力系统三相接地短路故障时，断路器首开

25、极承受的恢复电压将高于另两极。在中性点接地系统中，断路器首开极因数为1.3；在中牲点不接地系统中，断路器首开极因数为1.5。3.2 近区故障开断近区故障是指离开断路器几百米至几千米的线路上发生的短路故障。这种故障有两个特点：短路电流虽比断路器出线端短路时小一些，但也达到相当大的数值；电流过零启暂态恢复电压上升率很大。由于暂态恢复电压起始部分陡度很大，因此常导致弧隙在很短的时间内发生热击穿。3.3 失步开断断路器作为电力系统联络用途时会遇到失步故障的情况。当电力系统出现失步故障时，系统发生振荡，断路器开断故障使系统解列。失步故障电流虽然较小，但恢复电压很高，断路器开断失步故障也不是很轻松的。最严

26、重的失步故障是两个电力系统的电压正好处于反相，即相位差为18O0电角度的情况；也就是反相故障。考虑到反相开断时两电源完全反相的概率很低，因此IEC56标准规定首相开断时承受的工频恢复电压：1） 对于中性点直接接地系统，为2倍相电压；2） 对于中性点不直接接地系统，为2.5倍相电压。经计算表明，只要两电源之间的联络线不太短，反相开断电流一般不会超过额定开断电流的25。3.4 空载长线的开断空载长线由分布参数L、C组成，线路上有容性电流。开断空载长线时，电容电流通常在电压峰值附近过零，电弧熄灭后，电源与电容分开，电容上的电荷无处泄放，电容电压仍保持电源电压峰值Um，而电源电压依然按工频变化。如果断口间的介质强度不够，就会发生重燃，引起切空线过电压。限制切空线过电压的最有效的措施是提高断路器的熄弧能力（即加快断口间介质强度的恢复速度），使之不发生重击穿。当断路器熄弧能力不高时；可用在断口上并联电阻的方法来防止断口的重击穿。3.5 小电感电流的开断电力系统中小的电感电流的开断主要发生在开断空载变压器、并联电抗器及高压感应电动机等大电感负荷时。由于断路器的灭弧能力较强，在开断这些小的电感电流时，由于电弧不稳