2.2 高低壓電器

2.2.1 電器學基本理論

在國民經濟建設和人民生活中，電能的應用越來越廣泛。電氣化與信息化是現代化社會的重要標志。為了安全、可靠地使用電能，電路中就必須裝有各種起調節、分配、控制和保護作用的電氣設備，這些電氣設備統稱為電器。隨著科學技術和生產的發展，電器的種類不斷增多，用量非常大，用途極為廣泛。從生產或使用的角度，可分為高壓電器和低壓電器兩大類。涉及電器的基本理論主要有以下幾個。

（1）電磁機構理論

電磁機構是有可動鐵心和可變氣隙的電磁裝置，是“電磁—力—運動”的綜合體。圖2-37表示的是低壓電器中最典型的電磁式電器的電磁機構示意圖。學習電磁機構理論主要應掌握磁路與電磁鐵特性，準確計算電磁場的分布，由吸力與反力特性曲線關系可確定電磁機構的形狀和尺寸。

（2）電接觸理論

電氣觸頭是指兩個導體或幾個導體之間相互接觸的部分，如母線或導線的接觸連接處，以及開關電器中的動、靜觸頭。

電接觸理論包括：電接觸的物理化學過程中的熱、電、磁，以及金屬變形等的效應；接觸電阻的物理化學本質及其計算；接觸或開斷過程中，觸頭的腐蝕、磨損和金屬遷移；觸頭在閉合過程中振動磨損和熔焊，以及電接觸的結構形式、觸頭材料、加工工藝等。學習該理論的主要目的是幫助進行觸頭設計。

（3）電弧理論

當開關電器開斷電路時，電壓和電流達到一定值時，觸頭剛剛分離后，觸頭之間就會產生強烈的弧光，稱為電弧。電弧的本質是一種氣體放電現象。

電弧的危害主要有：電弧的存在延長了開關電器開/斷故障電路的時間，加重了電力系統短路故障的危害；電弧產生的高溫，將使觸頭表面熔化和蒸化，燒壞絕緣材料。對充油電氣設備還可能引起著火、爆炸等危險；由于電弧在電動力、熱力作用下能移動，容易造成飛弧短路和傷人，或引起事故的擴大。學習該理論的主要目的是掌握交流電弧熄滅的條件和方法。

電弧理論主要研究內容：

① 電弧生成的物理基礎，如氣體放電和擊穿，火花放電、輝光放電和弧光放電，電離和激勵等；

② 弧柱理論，涉及離子平衡的物理化學狀態，徑軸向溫度分布等；

③ 電弧的弧根和斑點；

④ 電弧等離子流；

⑤ 電弧電位梯度；

⑥ 電弧的靜伏安特性和動伏安特性；

⑦ 電弧過零時的介質恢復和電壓恢復過程；

⑧ 熄弧條件、原理和方法。

產生電弧的原因是觸頭本身及周圍介質中含有大量可被游離的電子。游離方式有4種：熱電發射、高電場發射、碰撞游離、高溫游離。去游離有復合與擴散兩種方式。當去游離率大于游離率時，電弧將熄滅。

交流電弧每一個周期要暫時熄滅兩次。電弧熄滅瞬間，弧隙溫度驟降，熱游離中止，去游離（主要為復合）大大增強。

滅弧方法一是拉長電弧：迅速增大電弧長度，使單位長度內維持電弧燃燒的電場強度不夠而使電弧熄滅。二是冷卻：使電弧與流體介質或固體介質相接觸（將帶電粒子流引走），加強冷卻，使電弧加快熄滅。現代開關電器中采用的滅弧手段主要有：迅速拉長和冷卻電弧、利用外力吹弧、將長弧分短、利用狹縫滅弧、采用真空滅弧或六氟化硫（SF6）氣體滅弧等。

（4）發熱和電動力理論

電氣設備由正常工作電流引起的發熱稱為長期發熱，由短路電流引起的發熱稱為短期發熱。發熱不僅消耗能量，而且導致電氣設備的溫度升高，造成機械強度下降、接觸電阻增加及絕緣性能降低的后果。為了保證導體可靠地工作，必須使其發熱溫度不得超過一定數值，這個限值稱為最高允許溫度。電器零部件工作時的溫度應不超過其規定的溫度極限，否則會降低工作可靠性，縮短使用壽命，甚至會燒損電氣設備而導致嚴重故障。但各零部件的工作溫度也不應過低，因為溫度過低說明沒有充分利用材料，導致電器體積大、耗材多、成本高。

發熱計算內容：發熱損耗計算有交流電器因集膚效應和鄰近效應產生的渦流和磁滯損耗導致的發熱計算；電器在不同工作制下的發熱計算；導電部件在大電流下的發熱溫升計算，以及熱穩定性校驗。

載流導體處在磁場中會受到力的作用，載流導體系統間相互也會受到力的作用，這種力稱為電動力。電動穩定性是指電器具有在最大短路電流產生的電動力作用下，不致遭受損壞的能力。

電動力計算：不同幾何位置安置的導體之間電動力的分析和計算，以及電動穩定性校驗。

高低壓電器在工作過程中涉及到電、磁、光、熱、力、機械、材料、電接觸、可靠性等諸多方面的原理與技術。能量變換規律大多是非線性的，許多現象是瞬態過程，使得電器的理論分析、產品設計、性能檢驗變得十分復雜。除采用傳統理論進行必要的理論推導、分析計算之外，還使用大量的經驗數據。表2-3列出了供電系統對電器的共性要求。

現代開關電器的發展趨勢日益朝著高可靠、高性能、小型化、模塊化和組合化、數字化和智能化方向發展。

2.2.2 低壓電器

1.概述

低壓電器是用于交流1200V及以下、直流1500V及以下電路中起通斷、保護、控制或調節作用的電器。低壓電器按其控制對象可分為：低壓控制電器和低壓配電電器；按操作方式不同可分為自動電器和手動電器；根據其工作條件或使用環境條件又可分為一般工業企業通用低壓電器和特殊用低壓電器，后者包括牽引低壓電器、船用低壓電器、礦用低壓電器、航空低壓電器、熱帶型低壓電器、高原低壓電器。對不同類型低壓電器的防護形式、耐潮濕、耐腐蝕、抗沖擊等性能的要求不同。

采用電磁原理構成的低壓電器，稱為電磁式低壓電器；利用集成電路或電子元件構成的低壓電器，稱為電子式低壓電器；利用現代控制理論構成的低壓電器元件或裝置，稱為自動化電器、智能化電器或可通信電器；根據電器的控制原理、結構原理及用途，又可有終端組合式電器、智能化電器和模數化電器等。

低壓電器基本上包括12類產品：即刀開關和轉換開關、熔斷器、斷路器、控制器、接觸器、啟動器、控制繼電器、主令電器、變阻器、調整器、電磁鐵。

低壓電器的結構主要包括以下幾部分。

（1）感知部分：主要用來感受外界信號，通過將信號轉換、放大、判別后做出有規律的反應，使執行部分動作。在自動控制系統中，感知部分是電磁機構等。在手動控制系統中，感知部分是操作手柄、按鈕等。

（2）執行部分：主要是觸頭，包括滅弧裝置，用來完成電路的接通和斷開任務。

（3）中間部分：將感知部分和執行部分連接起來，使兩者協調一致，按一定規律動作。

低壓電器是電器工業的重要組成部分，在機電行業中是基礎配套產業，在配電系統中低壓成套開關設備主要由各種低壓電器元件構成。低壓電器是電力拖動自動控制系統基本組成元件，在工業自動化系統中，也需要由低壓電器構成各種控制屏、控制臺、控制器等。

低壓電器的設計和制造必須嚴格按照國家的有關標準，尤其是基本系列的各類開關電器必須保證執行“三化”（標準化、系列化、通用化），“四統一”（型號規格、技術條件、外形及安裝尺寸、易損零部件統一）的原則。

為了生產銷售、管理和使用方便，我國對各種低壓電器都按規定編制型號。即由類別代號、組別代號、設計代號、基本規格代號和輔助規格代號幾部分構成低壓電器的全型號。每一級代號后面可根據需要加設派生代號。產品全型號命名的意義如圖2-38所示。例如：JR16-20/3D命名含義：JR16是熱繼電器的系列號，同屬這一系列的熱繼電器的結構、工作原理都相同；但其熱元件的額定電流從零點幾安培到幾十安培，有十幾種規格。16是設計序號，20為額定電流，其中輔助規格代號為3D表示有3相熱元件，裝有差動式斷相保護裝置，D表示能對三相異步電動機有過載和斷相保護功能。

我國低壓電器產品的發展經歷了幾個過程。

第一代產品：20世紀50年代初至60年代初，我國自行開發設計的統一設計產品，以CJ10 （交流接觸器）、DZ10（塑殼斷路器）、DW10（萬能式斷路器）為代表，約29個系列，在低壓配電和控制系統的發展曾經發揮重要作用。但這些產品只相當于國外20世紀50年代前水平，現已被淘汰。

第二代產品：20世紀70年代后期至80年代，陸續推出了更新換代產品，以CJ20、DZ20、DW15為代表，56個系列。引進技術制造產品也不斷上市，以ME、3WE、B、3TB、LCI-D系列等為代表，34個系列。第二代產品總體技術性能水平不高于國外20世紀80年代初的水平，目前市場占有率約50%左右，隨著新型電器的出現，其市場占有率有逐年下降趨勢。

第三代產品：20世紀90年代以來，通過跟蹤國外新技術，自行開發、設計、研制的產品，以DW40、DW45、DZ40、CJ40、S（小型化S系列塑殼斷路器）系列等為代表，有10多個系列。與國外合資生產的M（法國施耐德公司）系列、F（德國F-G公司）系列、3TF（德國西門子公司）系列等，約30個系列。這些產品總體技術性能達到或接近20世紀80年代至90年代的水平，個別跟蹤當代水平，目前市場占有率逐年有所增長。

隨著我國國民經濟發展和工業化進程的推進，低壓電器制造工業有了飛躍發展，新產品已發展到12大類，380個系列，1200多個品種，幾萬種規格。特別是高新技術的應用，加快了新產品的問世步伐。

影響低壓電器發展的新技術很多，如現代設計技術、微電子技術、計算機技術、現場總線技術、通信技術、智能化技術、可靠性技術、測試技術等。上述新技術的應用給低壓電器產品的發展注入了新的活力。

例如，現場總線系統的發展與應用將從根本上改變傳統的低壓配電與控制系統及其裝置，給傳統低壓電器帶來改革性變化，成為智能化可通信低壓電器。其特征是產品中裝有微處理器；產品帶有通信接口，能與現場總線連接；采用標準化結構，具有互換性，采用模數化結構；保護功能齊全，具有試驗、測量、外部故障記錄顯示、內部故障自診斷、智能脫扣、雙向通信等多項組合功能。

為了適應電網容量的不斷增大，低壓配電與控制系統日益復雜化，對低壓電器產品的性能與結構提出了更高的要求。越來越多的低壓電器產品向著提高電器元件的性能，綠色環保，機電一體化方向發展，實現高性能、高可靠、環保節能、小型化、多功能、組合化、模塊化、電子化、智能化的要求。

2.低壓配電電器

低壓配電電器通常是指在低壓配電系統（也稱低壓電網）或動力裝置中用來進行電能分配、完成接通和分斷電路及對配電線路和設備進行保護的電器。

（1）低壓開關

低壓開關又稱低壓隔離器，是低壓電器中結構簡單、應用廣泛的一類手動電器。主要有刀開關、組合開關，以及用刀與熔斷器組合成的膠蓋瓷底刀開關和熔斷器式刀開關等。

依靠手動來實現觸刀插入插座與脫離插座來控制電路的通斷，在低壓電路中，應用在不頻繁接通、斷開電路的場合。

主要品種有刀開關（如HD14、HD17系列）、組合開關（HZ系列），以及用刀與熔斷器組合成的膠蓋瓷底刀開關（HK2系列）和熔斷器式刀開關（HR5系列）等。

刀開關的選用應使額定電壓等于或大于電路的額定電壓，額定電流應等于或稍大于電路工作電流。安裝時，瓷底應與地面垂直，手柄向上，易于滅弧，不得倒裝或平裝。倒裝時手柄可能因自重落下而引起誤合閘，危及人身和設備安全。圖2-39列舉了幾種常見的低壓開關。

（2）低壓熔斷器

熔斷器主要由熔體和安裝熔體的絕緣管座組成，用于短路和嚴重過電流保護。熔體串接于被保護電路的首端，負載電流流經熔體，當電路發生短路或過電流時，通過熔體的電流使其發熱，從而自行熔斷而切斷電路。熔斷器種類有填料管式、無填料管式、插進式、螺旋式、自復式等。其類型應根據線路的要求、使用場合和安裝條件選擇。圖2-40列舉了幾種常見的低壓熔斷器。

（3）低壓斷路器

低壓斷路器又稱自動開關或空氣開關。它相當于刀開關、熔斷器、熱繼電器和欠電壓繼電器的組合，是一種既有手動開關作用又能自動進行欠壓、失壓、過載和短路保護的電器。低壓斷路器由觸頭系統、滅弧系統、脫扣器及機械傳動機構組成。當電路發生嚴重過載、短路及失壓等故障時，低壓斷路器能自動切斷故障電路，有效保護串接在它后面的電氣設備。在正常情況下，低壓斷路器也可用于不頻繁接通和斷開的電路及控制電動機。

低壓斷路器的選用原則是：斷路器的額定電壓和額定電流應不小于電路的額定電壓和最大工作電流；斷路器通斷能力大于或等于電路可能出現的最大短路電流；熱脫扣器的整定電流應與所控制的負載的額定工作電流一致；欠電壓脫扣器額定電壓應等于線路額定電壓；電磁脫扣器的整定電流應大于負荷電流正常工作時的最大電流。

低壓斷路器的品種較多，可按用途、結構特點、限流性能、電流和電壓種類等不同方式分類：按用途可分為配電線路保護用、電動機保護用、照明線路保護用和漏電保護用斷路器。按極數可分為單極、二極、三極和四極斷路器。按限流性能可分為限流式斷路器和普通斷路器。按操作方式可分為：直接手柄操作式、杠桿操作式、電磁鐵操作式和電動機操作式斷路器。按結構特征區分則有下面兩種類型：

塑殼式低壓斷路器，通常裝設在低壓配電柜（箱）之中，作為配電線路的保護開關、電動機及照明線路的控制開關等。其結構特征是，有一個采用聚酯絕緣材料模壓而成的外殼，所有部件都裝在這個封閉外殼中，僅在外殼蓋中央露出操作手柄。常用主要系列型號有：DZ15、DZ20、H、T、3VE、S等系列。后4種是引進國外技術生產的產品。

萬能式低壓斷路器，又稱框架式斷路器，主要用于40～100kW電動機回路的不頻繁全壓啟動，并起短路、過載、失壓保護作用。其結構特征是，一般有一個有絕緣襯墊的鋼制框架，所有部件均安裝在這個框架底座內。常用主要系列型號有：DW10一般型，DW17、DW15、DW15HH多功能、高性能型，DW45智能型，另外還有ME、AE高性能型和M智能型等系列。圖2-41展示了幾種低壓斷路器的實物圖片。

（4）低壓成套配電裝置

成套配電裝置具有以下特點：

① 有金屬外殼（柜體）的保護，電氣設備及載流導體不易積灰，便于維護，在污穢地區使用優勢更為突出。

② 易于實現產品的系列化、標準化，具有裝配質量好、速度快，運行可靠性高的特點。其結構緊湊、布置合理、縮小了體積和占地面積，降低了造價。

③ 電器安裝、線路敷設與變配電室的施工可分開進行，縮短了基建時間。

低壓成套配電裝置是電壓為1200V及以下電網中用來接受和分配電能的成套配電設備。由一個或多個低壓開關設備和相應的控制、測量、信號、保護、調節等電氣元件或設備，以及所有內部的電氣、機械的相互連接和結構部件組裝成的一種組合體。分為配電屏（盤、柜）和配電箱兩類，按控制層次又可分為配電總盤、分盤和動力、照明配電箱。我國生產的低壓配電屏基本以固定式和手車式（又稱抽屜式）兩大類為主。

配電屏供接受和分配電能使用，它以支架和面板為基本結構，通常設有刀開關、熔斷器、斷路器、互感器、測量儀表和信號裝置等。

控制屏主要用來遠程控制各種電力驅動系統、電氣設備或電力系統，它也是以支架和面板為基本結構，并裝設刀開關、斷路器、保護和控制繼電器、測量儀表和信號裝置等。

3.低壓控制電器

低壓控制電器是用于低壓電力拖動系統或其他各種控制系統中對電動機或被控電路進行控制、調節與保護的電器。

（1）接觸器

接觸器是一種電磁式電器，利用電磁吸力和彈簧反作用配合動作而使觸頭閉合或分斷。能頻繁地接通或斷開交、直流主電路，還具有低壓釋放保護的功能，并能實現遠距離控制，主要用于控制電動機，在自動控制系統中應用得相當廣泛。接觸器按其主觸頭控制的電路的種類不同，可分為直流接觸器、交流接觸器、切換電容接觸器等。圖2-42是幾種低壓接觸器的實物圖片。

接觸器的使用選擇原則：根據電路中負載電流的種類選擇接觸器的類型；主觸點的額定電壓應大于或等于負載回路的額定電壓；吸引線圈的額定電壓應與所接控制電路的額定電壓等級一致；額定電流應大于或等于被控主回路的額定電流。

（2）繼電器

繼電器是一種根據外界輸入信號來接通或斷開小電流控制電路，實現自動控制和保護電力拖動裝置的自動切換電器。繼電器觸點常接在控制電路中，需要注意的是，繼電器的觸點不能用來接通和分斷主電路，這也是繼電器的作用與接觸器的作用的區別。繼電器的額定電流不大于5A。

繼電器類型按用途可分為控制和保護繼電器；按動作原理可分為：電磁式、感應式、電動式、電子式、機械式、熱式繼電器等；按輸入量可分為：電流、電壓、時間、速度、壓力、溫度繼電器等；按動作時間分為瞬時、延時繼電器。

繼電器的種類很多，在實際電路中主要有電磁式電流、電壓和中間繼電器，以及時間繼電器、速度繼電器、熱繼電器等。

電磁式繼電器是使用最多的一種繼電器，結構簡單、價格低廉、使用維護方便。其觸點種類和數量較多，體積較小，動作靈敏，無須滅弧裝置。電磁式繼電器典型結構如圖2-43所示。

電磁式繼電器按輸入信號不同分有：電壓繼電器、電流繼電器、時間繼電器、速度繼電器和中間繼電器等。圖2-44給出幾種電磁式繼電器的實物圖片。

電壓繼電器是根據輸入電壓大小而動作的繼電器，線圈與負載并聯，以反映負載電壓，其線圈匝數多而導線細。主要作為欠壓、失壓保護。

電流繼電器線圈串接于電路中，根據線圈電流的大小而動作。這種繼電器的線圈導線粗、匝數少、線圈阻抗小。主要用于過載或短路保護。

中間繼電器實質上是一種電壓繼電器，但它的觸點數量較多，容量較大，起到中間放大（觸點數量和容量）作用。將一個信號變成多個輸出信號或將信號放大，起到信號中轉作用，通常用于傳遞信號和同時控制多個電路，也可直接用它來控制小容量電動機或其他電氣執行元件。

時間繼電器是從得到輸入信號開始，經過一定的延時后才輸出信號的繼電器，適用于定時控制。對于電磁式時間繼電器，當電磁線圈通電或斷電后，經一段時間延時，觸頭狀態才發生變化，即延時觸頭才動作。常用的時間繼電器包括電磁式、阻尼式、電子式等。圖2-45是不同類型的時間繼電器。

速度繼電器根據轉速的大小通斷電路。主要用作籠型異步電動機的反接制動控制，又稱反接制動繼電器。其結構由定子、轉子和觸頭組成，工作原理與異步電動機類似。動作轉速＞120rpm，復位轉速＜100rpm。圖2-46是幾種速度繼電器實物圖。

熱繼電器是利用電流的熱效應原理工作的保護電器，它在控制電路中，用作電動機的過載保護，既能保證電動機不超過容許的過載，又能最大限度地保證電動機的過載能力。主要用來保護電動機或其他負載免于過載，以及作為三相電動機的斷相保護。熱繼電器種類很多，應用最廣泛的是基于雙金屬片的熱繼電器，主要由熱元件、雙金屬片和觸點三部分組成。電流通過發熱元件加熱使雙金屬片彎曲，推動執行機構動作。圖2-47是幾種熱繼電器實物圖。

固態繼電器（SSR）是一種全部由固態電子元件組成的新型無觸點開關器件，它利用電子元器件的電、磁和光電特性完成輸入和輸出的可靠隔離，利用電子元件的開關特性，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無觸點開關”。圖2-48是幾種固態繼電器實物圖。

固態繼電器工作可靠、使用方便、壽命長、對外界干擾小、能與邏輯電路兼容、抗干擾能力強、開關速度快、無火花、無動作噪音。有逐步取代傳統電磁繼電器的趨勢，還可應用于計算機

的輸入輸出接口、外圍和終端設備等傳統電磁繼電器無法應用的領域。

（3）主令電器

主令電器是在自動控制系統中發送控制指令或信號的電器。用來控制繼電器、接觸器或其他電器線圈，使電路接通或分斷，從而達到控制生產流程的目的。在控制電路中由于它是一種專門發布命令的電器，故稱為主令電器。主令電器可直接作用于控制電路，也可通過電磁式電器間接作用于控制電路。主令電器不允許分合主電路。

主令電器應用十分廣泛，種類繁多，常用的有控制按鈕、行程開關、接近開關、萬能轉換開關、主令控制器等，如圖2-49所示。

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兩類。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。

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。

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可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

（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4-56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-InsulatorSwitchgear），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。