高低压电器基础知识.docx

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高低压电器基础知识

基础知识：

高压电器概述

　　高压电器是电力系统中使用比较广泛的一种设备，但在我国由于缺乏明确的标准化定义，因此各种场合使用的这一术语，其含义有一定的出入。

这儿介绍的是高等教科书中介绍的并为多数人认同的概念。

　　高压电器概述

　　高压电器是电力系统中使用比较广泛的一种设备，但在我国由于缺乏明确的标准化定义，因此各种场合使用的这一术语，其含义有一定的出入。

这儿介绍的是高等教科书中介绍的并为多数人认同的概念。

　　1、高压电器定义

　　国际上公认的高低压电器的分界线交流是1kV（直流则为1500V）。

为交流1kV以上为高压电器，1kV及以下为低压电器。

高压电器是在高压线路中用来实现关合、开断、保护、控制、调节、量测的设备。

一般的高压电器包括开关电器、量测电器和限流、限压电器。

但有时也把变压器列入高压电器（如电机工程学会中高压电器分专委会）。

　　西安高压电器研究所是1958年在规划的西安开关整流器厂中央试验室基础上由一机部批准成立的，因该所当时明确为西安建设中的开关、电瓷、电容、绝缘和变压器厂开展研究开发、试验服务，涉及开关、变压器、保护电器、量测电器等各专业，因此定名为高压电器研究所，该名称一直延续至今。

　　2、高压电器分类及功能

　　2.1开关电器

　　主要用来关合与开断正常电路和故障电路，或用来隔离电源、实现安全接地的一种高压电器设备。

　　1）高压断路器：

不仅能关合、开断正常的负荷电流（包括空变、空线、空缆等），也用来开合故障电流，且当发生短路故障（或其它异常运行状态、欠压、过流等）时可以实现自动分闸、自动重合闸。

因此高压断路器是一种多功能的自动开关。

　　2）熔断器：

俗称保险。

当负荷电流过载到一定值，或出现故障电流时能自动熔断而开断。

分为限流熔断器及喷射式熔断器。

　　3）负荷开关：

能开合负荷电流（含容性、感性负载电流），有时能关合短路电流但不能开断短路电流。

　　4）接触器：

只有一个休止位置，非手动操作就能关合、开断及承载正常电流及规定的过载电流的开断、关合位置。

一般用来频繁控制大型用电设备（如大电动机等）。

　　5）隔离开关：

用来隔离电路或电源，在闭合位置时能承载正常电流及规定的短路电流，有时能开断很小的电容电流及容量不大的变压器的空载电流，有时能开合母线转换电流。

　　6）接地开关：

用来对设备或被检修线路实现保护接地。

　　﹡有时要求负荷开关、接触器、接地开关关合短路电流。

　　7）重合器：

能够按照预定的顺序，在导电回路中进行开断和重合操作，并在其后自动复位、分闸闭锁或合闸闭锁的自具（不需外加能源）控制保护功能的开关设备。

　　8）分段器：

一种能够自动判断线路故障和记忆线路故障电流开断的次数，并在达到整定的次数后在无电压或无电流下自动分闸的开关设备。

　　某些分段器可具有关合短路电流（自动重关合功能）及开断、关合负荷电流的能力，但无开断短路电流的能力。

　　2.2量测电器

　　1）电流互感器：

用来转换和测量线路、母线的电流供计量与保护用。

传统的电流互感器是采用油纸绝缘电磁式，现在又有环氧浇注、SF6电流互感器，最新的有光电式电流互感器。

为满足机电一体化设备需要，现在已有线性功能的电流传感器。

　　2）电压互感器：

用来测量线路、母线电压，以供计量和继电保护用。

传统电压互感器是油纸绝缘电磁式。

目前在高压、超高压范围内则用重量轻、体积小的电容式电压互感器，国际上已开发正在商品化的光电式互感器。

　　2.3限流与限压电器

　　1）电抗器：

是一个扼流线圈，用来限制故障电流，用包裹绝缘导线绕制。

目前也有用环氧浇注法制做，其体积小，绝缘强度和机械强度比较高。

　　2）阻波器：

也是一种电感线圈，主要用于载波通讯，限制高频载波进入变电所。

　　3）避雷器：

用来限制过电压，使电力系统中电器设备免受大气过电压和内过电压的危害，是一种泄能装置。

最简单的有保护间隙，还有管形避雷器、阀式避雷器、磁吹避雷器。

最新的有保护特性比较好的氧化锌避雷器。

　　注：

限流熔断器也是一种快速限流（幅值）的保护电器。

　　3高压电器基本性能要求

　　处于电力系统中的各种户内、户外高压电器，应能承受正常和异常电压、电流作用，以及各种环境因素作用而不损坏。

因而要求其具备各种性能如下。

　　3.1电气性能方面要求

　　1）电压

　　高压电器绝缘应能经受规定的长期最大工作电压、短时过电压、内部过电压和大气过电压作用而不损坏。

标志这些作用电压的性能参数是：

最大工作电压、短时工频试验电压、操作波试验电压和雷电冲击波试验电压。

　　2）电流

　　高压电器应能经受长期正常工作电流，温升不超过规定值。

在短时异常和故障电流作用下也不允许因电动力、触头熔焊、电磁干扰等影响继续工作的损害。

　　这方面标志参数有：

额定电流、额定短时耐受电流、额定峰值耐受电流，额定短路关合电流、电动机和电容器关合涌流等。

　　3）其它要求

　　如高压断路器要求关合、开断短路电流、自动重合闸、开合空载线路充电电流（过电压不超过规定值）和开合负荷电流以及连续开断各种电流能力的电寿命等。

　　3.2自然环境因素

　　这些因素很多，例如：

　　1）海拔：

影响外绝缘和额定电流。

　　外绝缘耐压能力随海拔提高而降低；电器的散热能力随海拔提高而困难（但环境温度则随海拔上升而降低）。

　　2）环境温度：

影响额定电流、机械可靠性和电气可靠性。

　　3）湿度：

影响绝缘及金属零件锈蚀。

　　4）风速：

影响户外产品机械强度。

　　5）污秽：

影响外绝缘的绝缘强度。

　　其它如雨、地震、湿热、干热等因素也影响绝缘强度和机械可靠性。

　　4、高压电器发展趋势

　　随着科技进步，高压电器采用了高新技术，采用了新原理、新工艺、新介质，正在酝酿新一代高压电器，其发展趋势如下：

　　4.1组合化、成套化

　　为满足尺寸小、占地少、高性能、高可靠性需要，出现了各种各样的组合电器和成套电器。

除了开关柜、FC柜、多层柜外，出现了负荷开关—熔断器组合电器、高压接触器—熔断器组合电器（用于FC柜）、负荷开关、跌落熔断器和避雷器组合，以及避雷器、隔离开关、电压和电流互感器等各种组合，并已发展到高级型式的组合成套装置，如充气柜（C—GIS）、全封闭组合电器（GIS），以及全变电站组合如预装式变电站（含变压器和高低压电器的箱变）。

　　4.2大容量、高参数

　　由于现代生活用电量迅速增长，工农业用电量提高，高电压大容量电网形成，要求高压电器容量及各种参数迅速提升。

目前主力输配电设备额定电流已由1000A提高到2500A至4000A，短路电流已由16~20kA提高到31.5~50kA，甚至更高。

550kV断路器单极断口数已由4个减少到2个，单断口正在加紧研制中。

如果我国的主力输配电电压不能迅速提升，那么，我国电网对高压电器大容量、高参数的要求趋势不会降温（更高输电电压出现可以解开下属配电电压一些环网，以降低这些电网的短路电流）。

　　4.3机电一体化（智能化）

　　由于计算机、传感器技术发展及电网自动化的提高，对高压电器智能化功能的需求更为迫切。

强电设备与先进弱电技术结合可以显著扩展高压电器功能，为电网自动化、远动化、在线检测提供更好的条件。

体积大、重量重、功能单一的传统电磁式继电保护装置、电工仪表、控制装置将为多功能的计算机、传感器所取代。

　　4.4少、免维护产品

　　随着高压电器产品大量采用SF6和真空等优良绝缘介质和灭弧介质，以及建立在先进高科技（如CAM等）基础上的生产工艺实施，产品的检修周期可以延长到10年，甚至产品终身免维护检修。

而且随着电子、信息技术发展，在线检测技术走向实用化，使用部门有条件实现由故障检修到状态检修的转化。

运行维护也将实行“少人、高效、安全、可靠”。

今后十几年是由少、免维护产品有较大发展的时期，并将逐步在电力系统中占有一定地位。

　　4.5选相分、合闸断路器

　　随着高电压、大容量电网发展，系统过高的合闸过电压和大短路电流对电力系统安全性和可靠性是不利的。

　　断路器选相合闸空载线，在电子控制技术迅速发展的今天有可能实现。

选相合闸空载线可以最低限度地限制合闸过电压，这对于特高压电网降低绝缘水平，提高技术经济水平十分重要。

而开断大短路电流（特别是50kA以上及较大非对称电流场合）对高压断路器开断负担较重，如果能自动选择有利相位（即较短燃弧时间及小半波）开断，可以改善高压断路器开断能力，提高电力系统的安全性、可靠性。

因此利用先进电子控制技术实现高压断路器选相分、合闸，是高压断路器发展方向之一。

　　4.6无油化开关电器

　　在高压电器行业中，油作为绝缘介质和灭弧介质应用，已有一百几十年历史，至今还在变压器、开关中大量应用。

但是油介质是一种易燃、易爆物质，而且运行维修不方便。

在开关电器中随着SF6和真空开关兴起，油开关使用量日益减少（在363kV及以上已不再使用油开关）。

可以说“无油化”是开关电器一种发展趋势，也是一项重要装备政策。

但油开关比较经济，使用经验丰富，因此今后10年内，中、高压开关中仍会有一定比重。

　　以上所举仅是近期发展的开关电器。

还有一些中远期可能发展开关电器，如超导开关、静态电子开关（非机械开关）、高环保开关等，由于受到技术经济方面的局限，难以在近期内有实质性的启动和发展。

　　4.7各专业融合趋势

　　二十世纪50~70年代，输变电设备的各个专业，如变压器、开关、避雷器、互感器及二次控制保护测量系统等等，各专业分工明确、界线分明，各专业领域互不相扰。

如今随着GIS、C—GIS、机电一体化开关柜和预装式变电站出现，已经把输变电设备各专业，强电和弱电专业紧紧地揉合在一起，难以分开。

因此高压电器专业不仅自身要适应各专业融合发展趋势，互相渗透，打破专业壁垒，而且也应该与电子技术、计算机、二次系统互相渗透和融合。

　　总之，对上述列举的几项高压电器发展趋势，我们应该有清醒的认识，尤其对从事高压电器事业的厂家更应适应市场潮流，重新调整专业配置，以适度开发有技术储备的产品，迎接新一代高压电器的到来。

低压电器基本概念

1.1低压电器产品范围1.1.1低压电器：

通常是指在低压配电系统和控制系统中起通断、保护控制或调节作用的电器。

1.1.2低压电器的电压范围：

我国把交流1000V及以下，直流1500V及以下作为低压电器的电压范围。

1.2低压电器产品分类：

低压电器按用途分为配电电器和控制电器两大类。

1.2.1配电电器

主要用于电能的分配，并对电路和用电设备进行保护以及通断、转换电源或负载。

断路器——框架式（万能式）、塑壳式、小型；

熔断器——有填料管式、无填料管式、插入式、螺旋式、自复式；

隔离器——刀开关、熔断器式刀开关、负荷开关、隔离开关；

漏电保护器——漏电断路器、漏电继电器。

1.2.2控制电器

主要用于控制用电设备，使其达到预期要求的工作状态。

接触器——交流、直流、可逆、空气、真空、切换电容器式等，

继电器——热过载、中间、时间、电流、电压、温度、速度等；

主令电器——按扭、转换开关、凸轮控制器、行程开关等；

起动器——电磁、自耦减压、星三角、软启动，变频器等。

电磁铁——起动、制动、牵引；

变阻器——励磁、起动、频敏、划线。

控制电器中，按其所处电路和功能，又分为主电路控制电器和控制电路电器两类。

主电路控制电器：

控制电路电器：

v1.2.3低压开关装置

把低压电器元件按其功能组装成的系统，成为低压开关装置：

主要用于动力和照明等用电设备的配电线路的配电装置。

1.2.3.1低压开关装置按功能分,有配电装置和控制装置两大类。

1.2.3.2按装置结构分，有

小三箱——照明箱，计量箱、动力箱；

控制箱——操作箱，操作台，控制屏、控制柜；

低压开关柜——固定式（PJL型、GGD型）

抽屉式；GCK（GCL）型抽屉式开关柜；

GLG型固定分隔式开关柜；

GCS型抽屉式开关柜；

多米诺型抽屉式开关柜；

MNS型开关柜等。

1.2.3.3抽屉式开关柜特点：

按功能分动力柜和控制柜；

短路能力高；

进线和分路母线分隔；

抽屉功能模块能互换；

各种安全联锁功能.

v2常见低压电器产品简介

2.1断路器

属配电电器，曾称为自动开关，用于对配电电路、电动机或其它用电设备实行通断操作并起过载、短路或欠电压等保护作用的开关电器。

按功能和结构，有框架断路器、塑壳断路器和小型断路器三类。

2.1.1断路器的保护功能

早期的断路器只具有短路瞬动的一段保护。

后来发展为过载长延时和短路瞬动的二段保护。

现在大量生产的小型短路器和塑壳短路器都是二段保护。

断路器有再增加过载短延时保护和接地故障保护的所谓“四段”保护。

此外，断路器还可通过加装附件，实现欠电压保护。

当代先进的断路器引入微电子技术，使它具有一定的智能化功能。

2.1.2断路器的工作原理

合、分闸机构（手动、电动、四连杆、弹簧储能及释能）；

脱扣机构（四连杆—五连杆转换）；

瞬动、延时、欠电压脱扣原理。

2.1.3框架断路器

1）从结构上说，将所有构件都安装在具有绝缘衬垫的框架上，形成一个整体的断路器；

2）也称万能式断路器，是从功能上说；

3）用于线路主干线的配电与保护；

4）框架断路器产品举例。

2.1.4塑壳断路器

1）将所有构件都安装在模压绝缘外壳中的断路器；

2）主要用于分支干线电路的配电与保护；

3）塑壳断路器产品举例。

2.1.5小型断路器

1）将所有构件都安装在小型模压绝缘外壳中的断路器；

2）用于电路的终端，对终端电路和用电设备作过载和短路保护；

3）现在的小型断路器一般都有模数化的尺寸和轨道化安装；

4）也归入建筑电器范畴。

v2.2隔离开关

在断开位置，能满足电路上隔离功能的一种电器。

1）能承载正常电路条件下的电流，也能在一个规定时间段内承载非正常电路条件下的电流（短时耐受电流）；

2）不具有保护功能；

3）常与保护电器（熔断器、断路器）配合使用；

4）相关产品：

刀开关、开关熔断器组（负荷开关）、熔断器式隔

离开关。

v2.3接触器

属控制电器（控制主电路）。

能频繁地接通、承载和分断正常电路条件（包括运行中正常过载运行条件）下的电流的一种非手动操作的开关电器。

1）按操作方式有电磁式和气动式，电磁式又有直流和交流；

2）按主电路电源性质有直流接触器和交流接触器；

3）按绝缘介质分，有空气式接触器和真空接触器；

4）按结构形式分，有直动式接触器和转动式接触器；

5）产品举例。

2.4继电器

属控制电路电器。

具有一个或多个输出端，当输入信号达到规定要求时，电器的输出端发生状态跃迁变化的电器。

1）按输入信号分，有电压继电器（直流、交流）、电流继电器、速度继电器、频率继电器、温度继电器；

2）按用途分，有过电压、欠电压、过电流、热（过载）、速度、频率、时间、中间、通用

v2.5控制器

属控制电器，手动电器。

按预定程序转换主电路或控制电路的接线以变更电路中参数的电器。

有凸轮控制器、主令控制器。

2.6其它电器

CPS组合电器、ATS装置。

v3.电器的基本性能参数

1）极限短路分断能力Icu——在规定的试验程序和试验参数下，电器能接通和分断的短路电流能力。

试后还具有一定的介电耐压能力，但可不考虑继续承栽它的额定电流。

2）运行短路分断能力Ics——在规定的试验程序和试验参数下，电器能接通和分断的短路电流能力。

试后还具有一定的介电耐压能力，并且须考虑继续承栽它的额定电流。

3）短时耐受电流Icw——在规定的试验条件下，断路器能承载而不损坏的短时耐受电流值。

短时耐受电流Icw只适用于具有短路短延时特性的电器。

4）电器的几种典型负载——

AC1（无感、微感、电阻炉）、AC2（通断:

2.5Ie/Ue）

AC3（通:

6Ie/Ue,断:

Ie/0.17Ue）AC4（通断:

6Ie/Ue）

DC1（无感、微感、电阻炉）DC3（通断:

2.5Ie/Ue/2mS并激电动机）

DC5（通断:

2.5Ie/Ue/7.5mS串激电动机）

5）断路器的本体功耗——指断路器在通以最大额定电流时，因其本身的电阻发热而产生的功率损耗，通常以三相总功率（W）表示。

6）温升——电器在规定的使用条件（环境、安装条件）下，通以额定（约定发热）电流，达到稳定发热温度时，该温度与环境温度之差，以K氏温标表示。

7）机械寿命——在正常安装条件下，电器的主电路不通电流，按规定的额定操作频率和负载因数动作，未经修理，不更换机械零件所能达到的操作循环数。

8）电气寿命——在正常安装条件下，电器的主电路在额定电压下通以额定负载，按规定的额定操作频率和负载因数操作，未经修理，不更换零件所能达到的有载通断操作循环次数。

9）介电性能——绝缘性能的考核，绝缘电阻、耐压（工频、冲击）。

1五十多年的四个阶段三代产品

1）50年代——没有独立设计开发能力，没有自己开发的产品。

只有零星的电器修配业，从前苏联引进产品。

2）60年代——开发我国自行设计的第一代电器产品。

3）70年代末~80年代——全国统一设计第二代电器产品。

4）90年代~本世纪初——第三代电器产品。

5）目前三代同堂——三代产品分别占有15%、55%~60%、25%~30%。

6）电器工业分布格局——

第一阶段，50~60年代：

沿海老工业基地。

第二阶段，60年代后期~80年代：

五大电器基地。

第三阶段，90年代至今国企、外企、民营（温州企业崛起}。

2各代产品水平分析

1）第一代产品：

国外50年代水平。

DW10、DZ10、CJ10、CJ12、CZ0

2）第二代产品：

国外七末八初水平（全国统一设计或引进）。

DW15、ME、AH、DZ20、CJ20（CJ24）、CZ18。

3）第三代产品：

国外90年代水平，个别跟踪当代水平。

DW45、CM1、TM30、CJ45。

3制造水平市场分析

3.1普遍水平不高，传统的十大工艺（冷冲、热固胶木压制、热塑注射、电镀、线圈绕制、线圈浸漆、点焊、钎焊、热处理、装配）。

普遍存在重设计，轻工艺的老问题。

模具制造、关键零部件（触头、铁心、大电流焊接、热脱扣部件）工艺装备，在线检测设备，自动装配设备。

3.2目前个别制造技术，个别企业有突破（模具制造、在线检测设备、大电流焊接）

3.3市场现状

1）中低档产品生产能力过剩

2）高档产品主要由外企和少数国企提供

3）互相渗透争夺市场

外企开发经济型产品，争夺中低端市场。

国产优秀产品进入高端市场，如DW45，1997年投入市场，约占2%，当时F、M约占18%，DW15、ME、AH占80%。

高端市场1998年DW45约占5%2002年DW45约占50%2003年DW45约占60%

4）市场需求量增加

电力发展，3000~4000万kW/年，80%经低压电器分配。

2003年，ACB45万台，MCCB1400万台，MCB1.5亿极,CJ3500万台,

2005年,ACB60万台，MCCB1700万台，MCB2亿极,CJ4800万台.

世界人均年耗电量1kW/人,我国目前为0.26kW/人,台湾为1.4kW/人,美国为33kW/人。

4产品发展趋势

4.1总趋势

小型化、高分断、安全性、模块化（组合化）、通用化（标准化）、智能化、可通信、高可靠、环保。

（以DW45为代表展开）

1）小型化同规格产品体积缩小、重量减轻：

耗铜量下降、性能提高。

2）高分断

3）安全性

DW10：

全敞开式，喷弧，300mm。

DW15：

半敞开式，喷弧，100~200mm。

DW45：

封闭式，0飞弧，前方双层绝缘。

4）模块化

DW45：

基座；分合闸传动机构；电操机构；主触头系统；灭弧室；

智能控制器；辅助触头；二次连接器；其他附件；抽屉座。

5）通用化（标准化）

同框架、不同电流规格产品，仅主触头系统和抽屉座不同，其余模块通用，减少了零件种类，降低成本，提高效率。

6）智能化

设定、显示、记忆（故障、热）、自诊（电寿、热故）、负载监控、试验。

7）可通信通信接口，总线技术。

8）高可靠设计手段提高，CAD、CAM、CAI；微电子技术引入；EMC要求。

9）环保绿色材料,绿色过程，绿色结果。

4.2开发具选择性保护的微型断路器。

4.3开发微型断路器.的电操机构。

4.4开发综合浪涌保护器件（含B、C、D级保护）。

低压电器知识

1低压电器基本概念

1.1低压电器产品范围

1.1.1低压电器：

通常是指在低压配电系统和控制系统中起通断、保护控制或调节作用的电器。

1.1.2低压电器的电压范围：

我国把交流1000V及以下，直流1500V及以下作为低压电器的电压范围。

1.2低压电器产品分类：

低压电器按用途分为配电电器和控制电器两大类。

1.2.1配电电器

主要用于电能的分配，并对电路和用电设备进行保护以及通断、转换电源或负载。

断路器——框架式（万能式）、塑壳式、小型；

熔断器——有填料管式、无填料管式、插入式、螺旋式、自复式；

隔离器——刀开关、熔断器式刀开关、负荷开关、隔离开关；

漏电保护器——漏电断路器、漏电继电器。

1.2.2控制电器

主要用于控制用电设备，使其达到预期要求的工作状态。

接触器——交流、直流、可逆、空气、真空、切换电容器式等，

继电器——热过载、中间、时间、电流、电压、温度、速度等；

主令电器——按扭、转换开关、凸轮控制器、行程开关等；

起动器——电磁、自耦减压、星三角、软启动，变频器等。

电磁铁——起动、制动、牵引；

变阻器——励磁、起动、频敏、划线。

控制电器中，按其所处电路和功能，又分为主电路控制电器和控制电路电器两类。

主电路控制电器：

控制电路电器：

v1.2.3低压开关装置

把低压电器元件按其功能组装成的系统，成为低压开关装置：

主要用于动力和照明等用电设备的配电线路的配电装置。

1.2.3.1低压开关装置按功能分,有配电装置和控制装置两大类。

1.2.3.2按装置结构分，有

小三箱——照明箱，计量箱、动力箱；

控制箱——操作箱，操作台，控制屏、控制柜；

低压开关柜——固定式（PJL型、GGD型）

抽屉式；GCK（GCL）型抽屉式开关柜；

GLG型固定分隔式开关柜；

GCS型抽屉式开关柜；

多米诺型抽屉式开关柜；

MNS型开关柜等。

1.2.3.3抽屉式开关柜特点：

按功能分动力柜和控制柜；

短路能力高；

进线和分路母线分隔；

抽屉功能模块能互换；

各种安全联锁功能.

v2常见低压电器产品简介

2.1断路器

属配电电器，曾称为自动开关，用于对配电电路、电动机或其它用电设备实行通断操作并起过载、短路或欠电压等保护作用的开关电器。

按功能和结构，有框架断路器、塑壳断路器和小型断路器三类。