2.2 高低压电器

2.2.1 电器学基本理论

在国民经济建设和人民生活中，电能的应用越来越广泛。电气化与信息化是现代化社会的重要标志。为了安全、可靠地使用电能，电路中就必须装有各种起调节、分配、控制和保护作用的电气设备，这些电气设备统称为电器。随着科学技术和生产的发展，电器的种类不断增多，用量非常大，用途极为广泛。从生产或使用的角度，可分为高压电器和低压电器两大类。涉及电器的基本理论主要有以下几个。

（1）电磁机构理论

电磁机构是有可动铁心和可变气隙的电磁装置，是“电磁—力—运动”的综合体。图2-37表示的是低压电器中最典型的电磁式电器的电磁机构示意图。学习电磁机构理论主要应掌握磁路与电磁铁特性，准确计算电磁场的分布，由吸力与反力特性曲线关系可确定电磁机构的形状和尺寸。

（2）电接触理论

电气触头是指两个导体或几个导体之间相互接触的部分，如母线或导线的接触连接处，以及开关电器中的动、静触头。

电接触理论包括：电接触的物理化学过程中的热、电、磁，以及金属变形等的效应；接触电阻的物理化学本质及其计算；接触或开断过程中，触头的腐蚀、磨损和金属迁移；触头在闭合过程中振动磨损和熔焊，以及电接触的结构形式、触头材料、加工工艺等。学习该理论的主要目的是帮助进行触头设计。

（3）电弧理论

当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的弧光，称为电弧。电弧的本质是一种气体放电现象。

电弧的危害主要有：电弧的存在延长了开关电器开/断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害；电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险；由于电弧在电动力、热力作用下能移动，容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。学习该理论的主要目的是掌握交流电弧熄灭的条件和方法。

电弧理论主要研究内容：

① 电弧生成的物理基础，如气体放电和击穿，火花放电、辉光放电和弧光放电，电离和激励等；

② 弧柱理论，涉及离子平衡的物理化学状态，径轴向温度分布等；

③ 电弧的弧根和斑点；

④ 电弧等离子流；

⑤ 电弧电位梯度；

⑥ 电弧的静伏安特性和动伏安特性；

⑦ 电弧过零时的介质恢复和电压恢复过程；

⑧ 熄弧条件、原理和方法。

产生电弧的原因是触头本身及周围介质中含有大量可被游离的电子。游离方式有4种：热电发射、高电场发射、碰撞游离、高温游离。去游离有复合与扩散两种方式。当去游离率大于游离率时，电弧将熄灭。

交流电弧每一个周期要暂时熄灭两次。电弧熄灭瞬间，弧隙温度骤降，热游离中止，去游离（主要为复合）大大增强。

灭弧方法一是拉长电弧：迅速增大电弧长度，使单位长度内维持电弧燃烧的电场强度不够而使电弧熄灭。二是冷却：使电弧与流体介质或固体介质相接触（将带电粒子流引走），加强冷却，使电弧加快熄灭。现代开关电器中采用的灭弧手段主要有：迅速拉长和冷却电弧、利用外力吹弧、将长弧分短、利用狭缝灭弧、采用真空灭弧或六氟化硫（SF6）气体灭弧等。

（4）发热和电动力理论

电气设备由正常工作电流引起的发热称为长期发热，由短路电流引起的发热称为短期发热。发热不仅消耗能量，而且导致电气设备的温度升高，造成机械强度下降、接触电阻增加及绝缘性能降低的后果。为了保证导体可靠地工作，必须使其发热温度不得超过一定数值，这个限值称为最高允许温度。电器零部件工作时的温度应不超过其规定的温度极限，否则会降低工作可靠性，缩短使用寿命，甚至会烧损电气设备而导致严重故障。但各零部件的工作温度也不应过低，因为温度过低说明没有充分利用材料，导致电器体积大、耗材多、成本高。

发热计算内容：发热损耗计算有交流电器因集肤效应和邻近效应产生的涡流和磁滞损耗导致的发热计算；电器在不同工作制下的发热计算；导电部件在大电流下的发热温升计算，以及热稳定性校验。

载流导体处在磁场中会受到力的作用，载流导体系统间相互也会受到力的作用，这种力称为电动力。电动稳定性是指电器具有在最大短路电流产生的电动力作用下，不致遭受损坏的能力。

电动力计算：不同几何位置安置的导体之间电动力的分析和计算，以及电动稳定性校验。

高低压电器在工作过程中涉及到电、磁、光、热、力、机械、材料、电接触、可靠性等诸多方面的原理与技术。能量变换规律大多是非线性的，许多现象是瞬态过程，使得电器的理论分析、产品设计、性能检验变得十分复杂。除采用传统理论进行必要的理论推导、分析计算之外，还使用大量的经验数据。表2-3列出了供电系统对电器的共性要求。

现代开关电器的发展趋势日益朝着高可靠、高性能、小型化、模块化和组合化、数字化和智能化方向发展。

2.2.2 低压电器

1.概述

低压电器是用于交流1200V及以下、直流1500V及以下电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器。低压电器按其控制对象可分为：低压控制电器和低压配电电器；按操作方式不同可分为自动电器和手动电器；根据其工作条件或使用环境条件又可分为一般工业企业通用低压电器和特殊用低压电器，后者包括牵引低压电器、船用低压电器、矿用低压电器、航空低压电器、热带型低压电器、高原低压电器。对不同类型低压电器的防护形式、耐潮湿、耐腐蚀、抗冲击等性能的要求不同。

采用电磁原理构成的低压电器，称为电磁式低压电器；利用集成电路或电子元件构成的低压电器，称为电子式低压电器；利用现代控制理论构成的低压电器元件或装置，称为自动化电器、智能化电器或可通信电器；根据电器的控制原理、结构原理及用途，又可有终端组合式电器、智能化电器和模数化电器等。

低压电器基本上包括12类产品：即刀开关和转换开关、熔断器、断路器、控制器、接触器、启动器、控制继电器、主令电器、变阻器、调整器、电磁铁。

低压电器的结构主要包括以下几部分。

（1）感知部分：主要用来感受外界信号，通过将信号转换、放大、判别后做出有规律的反应，使执行部分动作。在自动控制系统中，感知部分是电磁机构等。在手动控制系统中，感知部分是操作手柄、按钮等。

（2）执行部分：主要是触头，包括灭弧装置，用来完成电路的接通和断开任务。

（3）中间部分：将感知部分和执行部分连接起来，使两者协调一致，按一定规律动作。

低压电器是电器工业的重要组成部分，在机电行业中是基础配套产业，在配电系统中低压成套开关设备主要由各种低压电器元件构成。低压电器是电力拖动自动控制系统基本组成元件，在工业自动化系统中，也需要由低压电器构成各种控制屏、控制台、控制器等。

低压电器的设计和制造必须严格按照国家的有关标准，尤其是基本系列的各类开关电器必须保证执行“三化”（标准化、系列化、通用化），“四统一”（型号规格、技术条件、外形及安装尺寸、易损零部件统一）的原则。

为了生产销售、管理和使用方便，我国对各种低压电器都按规定编制型号。即由类别代号、组别代号、设计代号、基本规格代号和辅助规格代号几部分构成低压电器的全型号。每一级代号后面可根据需要加设派生代号。产品全型号命名的意义如图2-38所示。例如：JR16-20/3D命名含义：JR16是热继电器的系列号，同属这一系列的热继电器的结构、工作原理都相同；但其热元件的额定电流从零点几安培到几十安培，有十几种规格。16是设计序号，20为额定电流，其中辅助规格代号为3D表示有3相热元件，装有差动式断相保护装置，D表示能对三相异步电动机有过载和断相保护功能。

我国低压电器产品的发展经历了几个过程。

第一代产品：20世纪50年代初至60年代初，我国自行开发设计的统一设计产品，以CJ10 （交流接触器）、DZ10（塑壳断路器）、DW10（万能式断路器）为代表，约29个系列，在低压配电和控制系统的发展曾经发挥重要作用。但这些产品只相当于国外20世纪50年代前水平，现已被淘汰。

第二代产品：20世纪70年代后期至80年代，陆续推出了更新换代产品，以CJ20、DZ20、DW15为代表，56个系列。引进技术制造产品也不断上市，以ME、3WE、B、3TB、LCI-D系列等为代表，34个系列。第二代产品总体技术性能水平不高于国外20世纪80年代初的水平，目前市场占有率约50%左右，随着新型电器的出现，其市场占有率有逐年下降趋势。

第三代产品：20世纪90年代以来，通过跟踪国外新技术，自行开发、设计、研制的产品，以DW40、DW45、DZ40、CJ40、S（小型化S系列塑壳断路器）系列等为代表，有10多个系列。与国外合资生产的M（法国施耐德公司）系列、F（德国F-G公司）系列、3TF（德国西门子公司）系列等，约30个系列。这些产品总体技术性能达到或接近20世纪80年代至90年代的水平，个别跟踪当代水平，目前市场占有率逐年有所增长。

随着我国国民经济发展和工业化进程的推进，低压电器制造工业有了飞跃发展，新产品已发展到12大类，380个系列，1200多个品种，几万种规格。特别是高新技术的应用，加快了新产品的问世步伐。

影响低压电器发展的新技术很多，如现代设计技术、微电子技术、计算机技术、现场总线技术、通信技术、智能化技术、可靠性技术、测试技术等。上述新技术的应用给低压电器产品的发展注入了新的活力。

例如，现场总线系统的发展与应用将从根本上改变传统的低压配电与控制系统及其装置，给传统低压电器带来改革性变化，成为智能化可通信低压电器。其特征是产品中装有微处理器；产品带有通信接口，能与现场总线连接；采用标准化结构，具有互换性，采用模数化结构；保护功能齐全，具有试验、测量、外部故障记录显示、内部故障自诊断、智能脱扣、双向通信等多项组合功能。

为了适应电网容量的不断增大，低压配电与控制系统日益复杂化，对低压电器产品的性能与结构提出了更高的要求。越来越多的低压电器产品向着提高电器元件的性能，绿色环保，机电一体化方向发展，实现高性能、高可靠、环保节能、小型化、多功能、组合化、模块化、电子化、智能化的要求。

2.低压配电电器

低压配电电器通常是指在低压配电系统（也称低压电网）或动力装置中用来进行电能分配、完成接通和分断电路及对配电线路和设备进行保护的电器。

（1）低压开关

低压开关又称低压隔离器，是低压电器中结构简单、应用广泛的一类手动电器。主要有刀开关、组合开关，以及用刀与熔断器组合成的胶盖瓷底刀开关和熔断器式刀开关等。

依靠手动来实现触刀插入插座与脱离插座来控制电路的通断，在低压电路中，应用在不频繁接通、断开电路的场合。

主要品种有刀开关（如HD14、HD17系列）、组合开关（HZ系列），以及用刀与熔断器组合成的胶盖瓷底刀开关（HK2系列）和熔断器式刀开关（HR5系列）等。

刀开关的选用应使额定电压等于或大于电路的额定电压，额定电流应等于或稍大于电路工作电流。安装时，瓷底应与地面垂直，手柄向上，易于灭弧，不得倒装或平装。倒装时手柄可能因自重落下而引起误合闸，危及人身和设备安全。图2-39列举了几种常见的低压开关。

（2）低压熔断器

熔断器主要由熔体和安装熔体的绝缘管座组成，用于短路和严重过电流保护。熔体串接于被保护电路的首端，负载电流流经熔体，当电路发生短路或过电流时，通过熔体的电流使其发热，从而自行熔断而切断电路。熔断器种类有填料管式、无填料管式、插进式、螺旋式、自复式等。其类型应根据线路的要求、使用场合和安装条件选择。图2-40列举了几种常见的低压熔断器。

（3）低压断路器

低压断路器又称自动开关或空气开关。它相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠电压继电器的组合，是一种既有手动开关作用又能自动进行欠压、失压、过载和短路保护的电器。低压断路器由触头系统、灭弧系统、脱扣器及机械传动机构组成。当电路发生严重过载、短路及失压等故障时，低压断路器能自动切断故障电路，有效保护串接在它后面的电气设备。在正常情况下，低压断路器也可用于不频繁接通和断开的电路及控制电动机。

低压断路器的选用原则是：断路器的额定电压和额定电流应不小于电路的额定电压和最大工作电流；断路器通断能力大于或等于电路可能出现的最大短路电流；热脱扣器的整定电流应与所控制的负载的额定工作电流一致；欠电压脱扣器额定电压应等于线路额定电压；电磁脱扣器的整定电流应大于负荷电流正常工作时的最大电流。

低压断路器的品种较多，可按用途、结构特点、限流性能、电流和电压种类等不同方式分类：按用途可分为配电线路保护用、电动机保护用、照明线路保护用和漏电保护用断路器。按极数可分为单极、二极、三极和四极断路器。按限流性能可分为限流式断路器和普通断路器。按操作方式可分为：直接手柄操作式、杠杆操作式、电磁铁操作式和电动机操作式断路器。按结构特征区分则有下面两种类型：

塑壳式低压断路器，通常装设在低压配电柜（箱）之中，作为配电线路的保护开关、电动机及照明线路的控制开关等。其结构特征是，有一个采用聚酯绝缘材料模压而成的外壳，所有部件都装在这个封闭外壳中，仅在外壳盖中央露出操作手柄。常用主要系列型号有：DZ15、DZ20、H、T、3VE、S等系列。后4种是引进国外技术生产的产品。

万能式低压断路器，又称框架式断路器，主要用于40～100kW电动机回路的不频繁全压启动，并起短路、过载、失压保护作用。其结构特征是，一般有一个有绝缘衬垫的钢制框架，所有部件均安装在这个框架底座内。常用主要系列型号有：DW10一般型，DW17、DW15、DW15HH多功能、高性能型，DW45智能型，另外还有ME、AE高性能型和M智能型等系列。图2-41展示了几种低压断路器的实物图片。

（4）低压成套配电装置

成套配电装置具有以下特点：

① 有金属外壳（柜体）的保护，电气设备及载流导体不易积灰，便于维护，在污秽地区使用优势更为突出。

② 易于实现产品的系列化、标准化，具有装配质量好、速度快，运行可靠性高的特点。其结构紧凑、布置合理、缩小了体积和占地面积，降低了造价。

③ 电器安装、线路敷设与变配电室的施工可分开进行，缩短了基建时间。

低压成套配电装置是电压为1200V及以下电网中用来接受和分配电能的成套配电设备。由一个或多个低压开关设备和相应的控制、测量、信号、保护、调节等电气元件或设备，以及所有内部的电气、机械的相互连接和结构部件组装成的一种组合体。分为配电屏（盘、柜）和配电箱两类，按控制层次又可分为配电总盘、分盘和动力、照明配电箱。我国生产的低压配电屏基本以固定式和手车式（又称抽屉式）两大类为主。

配电屏供接受和分配电能使用，它以支架和面板为基本结构，通常设有刀开关、熔断器、断路器、互感器、测量仪表和信号装置等。

控制屏主要用来远程控制各种电力驱动系统、电气设备或电力系统，它也是以支架和面板为基本结构，并装设刀开关、断路器、保护和控制继电器、测量仪表和信号装置等。

3.低压控制电器

低压控制电器是用于低压电力拖动系统或其他各种控制系统中对电动机或被控电路进行控制、调节与保护的电器。

（1）接触器

接触器是一种电磁式电器，利用电磁吸力和弹簧反作用配合动作而使触头闭合或分断。能频繁地接通或断开交、直流主电路，还具有低压释放保护的功能，并能实现远距离控制，主要用于控制电动机，在自动控制系统中应用得相当广泛。接触器按其主触头控制的电路的种类不同，可分为直流接触器、交流接触器、切换电容接触器等。图2-42是几种低压接触器的实物图片。

接触器的使用选择原则：根据电路中负载电流的种类选择接触器的类型；主触点的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压；吸引线圈的额定电压应与所接控制电路的额定电压等级一致；额定电流应大于或等于被控主回路的额定电流。

（2）继电器

继电器是一种根据外界输入信号来接通或断开小电流控制电路，实现自动控制和保护电力拖动装置的自动切换电器。继电器触点常接在控制电路中，需要注意的是，继电器的触点不能用来接通和分断主电路，这也是继电器的作用与接触器的作用的区别。继电器的额定电流不大于5A。

继电器类型按用途可分为控制和保护继电器；按动作原理可分为：电磁式、感应式、电动式、电子式、机械式、热式继电器等；按输入量可分为：电流、电压、时间、速度、压力、温度继电器等；按动作时间分为瞬时、延时继电器。

继电器的种类很多，在实际电路中主要有电磁式电流、电压和中间继电器，以及时间继电器、速度继电器、热继电器等。

电磁式继电器是使用最多的一种继电器，结构简单、价格低廉、使用维护方便。其触点种类和数量较多，体积较小，动作灵敏，无须灭弧装置。电磁式继电器典型结构如图2-43所示。

电磁式继电器按输入信号不同分有：电压继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器和中间继电器等。图2-44给出几种电磁式继电器的实物图片。

电压继电器是根据输入电压大小而动作的继电器，线圈与负载并联，以反映负载电压，其线圈匝数多而导线细。主要作为欠压、失压保护。

电流继电器线圈串接于电路中，根据线圈电流的大小而动作。这种继电器的线圈导线粗、匝数少、线圈阻抗小。主要用于过载或短路保护。

中间继电器实质上是一种电压继电器，但它的触点数量较多，容量较大，起到中间放大（触点数量和容量）作用。将一个信号变成多个输出信号或将信号放大，起到信号中转作用，通常用于传递信号和同时控制多个电路，也可直接用它来控制小容量电动机或其他电气执行元件。

时间继电器是从得到输入信号开始，经过一定的延时后才输出信号的继电器，适用于定时控制。对于电磁式时间继电器，当电磁线圈通电或断电后，经一段时间延时，触头状态才发生变化，即延时触头才动作。常用的时间继电器包括电磁式、阻尼式、电子式等。图2-45是不同类型的时间继电器。

速度继电器根据转速的大小通断电路。主要用作笼型异步电动机的反接制动控制，又称反接制动继电器。其结构由定子、转子和触头组成，工作原理与异步电动机类似。动作转速＞120rpm，复位转速＜100rpm。图2-46是几种速度继电器实物图。

热继电器是利用电流的热效应原理工作的保护电器，它在控制电路中，用作电动机的过载保护，既能保证电动机不超过容许的过载，又能最大限度地保证电动机的过载能力。主要用来保护电动机或其他负载免于过载，以及作为三相电动机的断相保护。热继电器种类很多，应用最广泛的是基于双金属片的热继电器，主要由热元件、双金属片和触点三部分组成。电流通过发热元件加热使双金属片弯曲，推动执行机构动作。图2-47是几种热继电器实物图。

固态继电器（SSR）是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元器件的电、磁和光电特性完成输入和输出的可靠隔离，利用电子元件的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。图2-48是几种固态继电器实物图。

固态继电器工作可靠、使用方便、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快、无火花、无动作噪音。有逐步取代传统电磁继电器的趋势，还可应用于计算机

的输入输出接口、外围和终端设备等传统电磁继电器无法应用的领域。

（3）主令电器

主令电器是在自动控制系统中发送控制指令或信号的电器。用来控制继电器、接触器或其他电器线圈，使电路接通或分断，从而达到控制生产流程的目的。在控制电路中由于它是一种专门发布命令的电器，故称为主令电器。主令电器可直接作用于控制电路，也可通过电磁式电器间接作用于控制电路。主令电器不允许分合主电路。

主令电器应用十分广泛，种类繁多，常用的有控制按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关、主令控制器等，如图2-49所示。

2.2.3 高压电器

3kV及以上电力系统中使用的电器设备称为高压电器设备，主要种类有：开关电器、电容器、电抗器、避雷器、组合电器等。

1.高压开关电器

高压开关电器是发电厂、变电所以及各类配电装置中数量最多的电气设备，其作用是：

① 正常工作情况下可靠地接通或断开电路；

② 在改变运行方式时进行切换操作；

③ 当系统中发生故障时迅速切除故障，保证非故障部分的正常运行；

④ 设备检修时隔离带电部分，以保证工作人员的安全。

高压开关电器按安装地点可分为屋内式和屋外式两类。按功能可分为：断路器、隔离开关、熔断器、负荷开关、自动重合器和自动分段器等。

高压开关电器的选择必须满足供电系统正常工作条件下和短路故障条件下工作要求，同时电气设备应工作安全可靠，运行维护方便，投资经济合理。

① 按正常工作条件选择

考虑电气设备的环境条件和电气要求。环境条件是指电气设备的使用场所、环境温度，海拔高度以及有无防尘、防腐、防火、防爆等要求，据此选择电气设备结构类型。电气要求是指电气设备在电压电流、频率等方面的要求，即电气设备的额定电压不小于线路的额定电压，电气设备的额定电流不小于线路最大持续工作电流。对一些开断电流的电器，如熔断器、断路器和负荷开关等，还要求其最大开断电流应不小于它可能开断的最大电流。

② 按短路故障条件校验

此校验就是要按最大可能的短路故障时的电动力稳定性和热稳定性进行校验。

（1）高压断路器

高压断路器一是起控制作用，即根据电力系统的运行要求，接通或断开工作电路；二是保护作用，当系统中发生故障时，在继电保护装置的作用下，断路器自动断开故障部分，以保证系统中无故障部分的正常运行。

高压断路器由导电回路、可分触头、灭弧装置、绝缘部件、底座、传动机构、操动机构等组成。导电回路用来承载电流；可分触头是使电路接通或分断的执行元件；灭弧装置则用来迅速、可靠地熄灭电弧，使电路最终断开。与其他开关相比，断路器的灭弧装置的熄弧能力最强，结构也比较复杂。

断路器的灭弧室由高强度、耐高温的绝缘材料制成，起承压和吹弧作用。主要灭弧介质有空气、压缩空气、真空、SF6合成气体、油及固体产气材料。吹弧能源有三类：他能式——外加压缩机、弹簧，真空；自能式——利用电弧电流本身的焦耳损耗；混合式。

断路器的操动机构是带动传动机构进行合闸和分闸的机构，依断路器合闸时所用能量形式不同，可分为：

手动机构——指用人力进行合闸与分闸的操动机构；

电磁机构——指用电磁铁合闸与分闸的操动机构；

弹簧机构——指事先用人力或电动机使弹簧储能实现合闸与分闸的操动机构；

电动机构——用电动机合闸与分闸的操动机构；

液压机构——指用高压油推动活塞实现合闸与分闸的操动机构；

气动机构——指用压缩空气推动活塞实现合闸与分闸的操动机构。

高压断路器的型号由7部分组成，第一单元是产品字母代号：S—少油断路器；D—多油断路器；K—空气断路器；L—六氟化硫（SF6）断路器；Z—真空断路器；Q—自产气断路器；C—磁吹断路器。第二单元是装设地点代号：N—户内式；W—户外式；第三单元是设计序号；第四单元是额定电压，kV；第五单元是补充工作特性标志：G—改进型；F—分相操作；第六单元是额定电流，A；第七单元是额定开断电流，kA。

各类高压断路器特点如下。

多油断路器：结构简单，制造方便，便于在套管上加装电流互感器，配套性强；耗钢材、耗油量大、体积大，属自能式灭弧结构。

少油断路器：结构简单，制造方便，可配用各种操动机构；比多油断路器油量少、重量轻；采用积木式结构，便于制成各种电压等级产品。

压缩空气断路器：又称空气断路器，利用预先贮存的压缩空气来灭弧。压缩空气不仅作为灭弧和绝缘介质，而且还作为传动的动力。空气断路器断流容量大，灭弧时间短，而且快速自动重合闸时断流容量不降低。但是空气断路器也有有色金属消耗量大，工艺和材料要求高，需要装设压缩空气系统等辅助设备和价格较贵等缺点。在我国，通常用于110kV及以上的大容量电力系统中。

真空断路器：利用真空度约为10-4Pa（在运行过程中不低于10-2Pa）的高真空作为内绝缘和灭弧介质，灭弧室材料及工艺要求高。真空间隙的气体稀薄，分子的自由行程较大，发生碰撞游离的几率很小。所以，真空击穿产生电弧，是由触头蒸发出来的金属蒸气帮助形成的；体积小、重量轻；触头不易氧化；灭弧室的机械强度比较差，不能承受较大的冲击振动。真空断路器的固定方式不受安装角度限制，布置方式可分为落地式和悬挂式两种基本形式。

SF6断路器：结构简单，工艺及密封要求严格，对材料要求高；体积小、重量轻；用于封闭式组合电器时，可大量节省占地面积。

磁吹断路器：利用磁场的作用使电弧熄灭，磁场通常由分断电流本身产生，电弧被磁场吹入灭弧片狭缝内，并使之拉长、冷却，直至最终熄灭。磁吹断路器按磁吹原理分为电磁式和电弧螺管式两类。

磁吹断路器以大气为介质，用耐热陶瓷或云母玻璃作灭弧片，电气寿命长，能适应频繁操作的场合。磁吹断路器运行安全，维护方便，其额定电流和分断电流较大，可适应电网发展的需要。但与其他断路器比，其结构复杂，体积大，成本高，一般只适用于20kV以下的电压等级。

目前在电力系统中，应用广泛的是少油、真空和SF6断路器，图2-50是几类高压断路器的实物图。

高压断路器的在线监测和故障诊断技术正在发展之中，该项技术融合了包括传感器、光电、微电子、计算机、信号处理和通信技术，其具体做法是在运行的高压开关设备上安装多种传感器，包括电压、电流、温度、气体密度、压力、行程、机械振动、电磁波等传感器。通过传感器发出的信号，经过分析、信号处理，得出各种特征值，与判据或历史数据进行对比，判断高压开关的各部分的状态，这样就可以侦知设备的潜在故障从而降低事故率，提高运行可靠性，合理延长工作寿命，并可借此实行状态维修。

（2）隔离开关

高压隔离开关又称隔离刀闸，其基本结构包括导电回路、传动机构、绝缘部分和底座等。它没有专门的灭弧装置，故不能用来切断负荷电流和短路电流。使用时应与断路器配合，只有在断路器断开时才能进行操作。隔离开关在分闸时，动静触头间形成明显可见的断口，绝缘可靠。

高压隔离开关主要作用：

① 隔离电源。分闸后，建立可靠的绝缘间隙，将需要检修的设备或线路与电源用一个明显断开点隔开，以保证检修人员和设备的安全。

② 根据运行需要进行倒闸操作。

③接通和断开小电流电路。如套管、母线、连接头、短电缆的充电电流，开关均压电容的电容电流，双母线换接时的环流以及电压互感器的励磁电流等。

高压隔离开关按照装设地点的不同，可分为户内式和户外式两种。户外隔离开关按其绝缘支柱结构的不同可分为单柱式、双柱式、V形式和三柱式。其中单柱式隔离开关在架空母线下面直接将垂直空间用做断口的电气绝缘，具有的明显优点，就是节约占地面积，减少引接导线，同时分合闸状态清晰。

户内式隔离开关采用闸刀形式，有单极和三极两种。闸刀的运动方式为垂直旋转式。图2-51是800kV隔离开关正在进行试验，图2-52是几类高压隔离开关的实物图。

（3）高压熔断器

高压熔断器按使用地点可分为户内式和户外式。按照是否有限流作用又可分为限流式和非限流式。熔断器是一种保护电器。它串联在电路中，当电路发生短路或过负荷时，熔体熔断，切断故障电路使电气设备免遭损坏，并维持电力系统其余部分的正常工作。

高压熔断器的优点是结构简单、体积小、布置紧凑、使用方便、价格低。可直接动作，不需要继电保护和二次回路相配合；缺点是每次熔断后需停电更换熔件才能再次使用，增加了停电时间；保护特性不稳定，可靠性低；保护选择性不易配合。图2-53是几类高压熔断器的实物图。

（4）高压负荷开关

高压负荷开关是一种结构简单，具有一定开断和关合能力的开关电器。它具有灭弧装置和一定的分合闸速度，能开断正常的负荷电流和过负荷电流，也能关合一定的短路电流，但不能开断短路电流。因此，高压负荷开关可用于控制供电线路的负荷电流，也可用来控制空载线路、空载变压器及电容器等。高压负荷开关在分闸时有明显的断口，可起到隔离开关的作用。高压负荷开关与高压熔断器串联可成为组合电器，前者作为操作电器，投切电路的正常负荷电流，而后者作为保护电器，开断电路的短路电流及过负荷电流。

高压负荷开关按是否带熔断器可分为带熔断器和不带熔断器式。按灭弧方式的不同，可以分为产气式、压气式、压缩空气式、油浸式、真空式、SF6式等几类，近年来，真空式发展很快，在配电网中得到了广泛应用。图2-54是几类高压负荷开关的实物图。

（5）自动重合器与分段器

自动重合器是一种具有保护、检测、控制功能的自动化设备。重合器能进行故障电流检测和按预先整定的分合操作次数自动完成分合操作，并在动作后能记忆动作次数、自动复位或闭锁。例如，安装在线路上的重合器，当线路发生故障后它通过检测确认为故障电流时即自动跳闸，一定时间后自动重合。如果故障是瞬时性的，重合成功，线路恢复供电；如果故障是永久性的，重合器将完成预先整定的重合闸次数（通常为三次）后，确认线路故障为永久性故障，则自动闭锁，不再对故障线路送电，直至人为排除故障后，重新将重合器合闸闭锁解除，恢复正常状态。

分段器是配电系统中用来隔离故障线路区段的自动保护装置，通常与自动重合器或断路器配合使用，可实现排除瞬时故障，隔离永久性故障区域，保证非故障线段的正常供电。分段器不能开断故障电流。当分段线路发生故障时，分段器的后备保护重合器或断路器动作，分段器的计数功能开始累计重合器的跳闸次数。当分段器达到预定的记录次数后，在后备装置跳开的瞬间自动跳闸分断故障线路段。重合器再次重合，恢复其他线路供电。若重合器跳闸次数未达到分段器预定的记录次数已消除了故障，分段器的累计计数在经过一段时间后自动消失，恢复初始状态。图2-55是自动重合器与分段器的实物图。

2.限制电器

（1）电抗器

依靠线圈的感抗起阻碍电流变化作用的电器称为电抗器。电抗器有空心式和铁心式之分。

空心式电抗器：线圈中无铁心，其磁通全部经空气闭合；铁心式电抗器：其磁通全部或大部分经铁心闭合。铁心式电抗器工作在铁心饱和状态时，其电感值大大减少，利用这一特性制成的电抗器叫饱和式电抗器。

变电站的高压电抗器按用途可分为三类：

① 串联电抗器

在母线上串联电抗器可以限制短路电流，维持母线有较高的残余电压。在电容器组串联电抗器，可以限制高次谐波，降低电抗。串联电抗器是电力系统无功补偿装置的重要配套设备。电力电容器与干式铁心电抗器串联后，能有效地抑制电网中的高次谐波，限制合闸涌流及操作过电压，改善系统的电压波形，提高电网功率因数。

② 并联电抗器

并联电抗器一般接在超高压输电线的末端和地之间，用来防止输电线由于距离很长而引起的工频电压过分升高，改善沿线电压分布和轻载线路中的无功分布并降低线损。还涉及系统稳定、潜供电流、调相电压、自励磁及非全相运行下的电气谐振等方面。

③ 消弧电抗器

又称消弧线圈，接在三相变压器的中性点和地之间，其作用是在三相电网的一相接地时提供电感性电流，补偿流过接地点的电容性电流，使电弧不易持续起燃，从而消除由于电弧多次重燃引起的过电压。

（2）避雷器

避雷器是一种能释放雷电及兼能释放电力系统操作过电压能量，保护电工设备免受瞬时过电压危害，又能截断续流，不致引起系统接地短路的电器装置。

避雷器的常用类型有：保护间隙、排气式避雷器（常称管型避雷器）、阀式避雷器和金属氧化物避雷器（常称氧化锌避雷器）4种，如图4-56所示。避雷器实质上是一种过电压限制器，通常接于带电导线和地之间，与被保护的电气设备并联连接，当过电压值达到规定的动作电压时，避雷器立即动作，流过电荷，限制过电压幅值，保护设备绝缘，使电气设备免遭过电压损坏；当电压值正常后，避雷器又迅速恢复原状，以保证系统正常供电。

3.高压电容器

高压电容器用于1kV以上交流电力系统中提高功率因数，改善电压质量。高压电容器主要由外壳和心子组成，心子由元件、绝缘件组成。元件用聚丙烯薄膜为介质与铝箔（极板）卷制而成，或用聚丙烯薄膜和电容器纸为介质与铝箔卷制而成。

高压并联电容器的内部连接一般为单相形式，用户需要时也可提供三相产品。部分高压并联电容器内部每个元件都串有熔丝，能及时切除个别击穿的元件，保证电容器整体的正常运行。

在输电线路中，利用高压电容器可以组成串补站，提高输电线路的输送能力；在大型变电站中，利用高压电容器可以组成静止无功补偿装置，提高电能质量；在配电线路末端，利用高压电容器可以提高线路末端的功率因数，保障线路末端的电压质量；在变电站的中、低压各段母线，通常会装有高压电容器，以补偿负荷消耗的无功，提高母线侧的功率因数；在有非线性负荷的负荷终端，也会装设高压电容器，作为滤波之用。

4.高压组合电器与成套电器

高压组合电器按绝缘结构可分为开启式和全封闭式两大类。

开启式组合电器按主体元件的不同分为以隔离开关为主体的和以断路器为主体的两类，将电流互感器、电压互感器、电缆头等元件与之共同组合而成。

以隔离开关为主体的高压组合电器适用于110kV及以上的场所。以断路器为主体的高压组合电器适用于工作电压为35～110kV的场所。

全封闭式组合电器是将各组成元件的高压带电部位密封于接地金属外壳内，壳内充以绝缘性能良好的气体、油或固体绝缘介质，各组成元件（一般包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、母线、避雷器、电缆终端等）按接线要求，依次连接和组成一个整体。

在农村电网中有由跌落式熔断器和负荷开关组成的组合电器，用于户外，工作电压为10kV。还有高压熔断器、负荷开关和隔离开关组成的组合电器，工作电压为35kV。

在环网供电单元和箱式变电站中，高压负荷开关—熔断器组合电器将更多地取代传统的高压断路器，这种组合电器不仅造价低，而且保护变压器和电缆的功能优于断路器。负荷开关用来开合负荷电流，以限流熔断器作短路保护，将控制与保护两种功能分开。

SF6组合电器又称为气体绝缘全封闭组合电器（Gas-InsulatorSwitchgear），简称GIS。它将断路器、隔离开关、母线、接地开关、互感器、出线套管或电缆终端头等分别装在各自密封间中，集中组成一个整体在金属接地的外壳，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体作为绝缘介质。按充气外壳结构形状可分为圆筒式和充气柜式两大类。图2-57是500kV变电站运行中的SF6组合电器。

GIS设备自20世纪60年代实用化以来，已广泛运行于世界各地。GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用，而且在特高压领域也被使用。与常规敞开式变电站相比，GIS的优点在于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强，维护工作量很小，其主要部件的维修间隔不小于20年。

对于110kV以上的变电站，采用SF6全封闭组合电器后，占地面积和空间可缩小90%。它适用于大城市及工业密集地区的变电站、地下设施的变电站、环境恶劣地区的变电站以及地势险峻的山区变电站。但由于GIS价格昂贵，尚不能满足一些用户的需要。

敞开式开关设备价格比GIS便宜得多，但占地面积很大而且带电部分外露较多，限制了它在电站面积狭小环境条件恶劣的地方使用。

GIS制造技术在不断进步和发展，多年来，各GIS生产厂家围绕着提高经济性和可靠性这两个主要目标，在元件结构、组合形式、制造工艺以及使用和维护方面进行了大量研究、开发。随着大容量单压式SF6断路器的研制成功和氧化锌避雷器的应用，GIS的技术性能与参数已超过常规开关设备，并且使结构大大简化，可靠性大大提高，为GIS进一步小型化创造了十分有利的条件。

高压成套电器基本上都是成套配电装置，它是按照一次及两次接线设计方案，将各种开关电器和其他电气设备组装在一个或若干个金属柜内形成的装置。由于它是以开关电器为主体，故又称高压开关柜，主要分为固定式和手车式两种，如图2-58所示。

固定式高压开关柜：断路器安装位置固定，各功能区相通而且敞开，采用母线和线路的隔离开关作为断路器检修的隔离措施。

手车式高压开关柜：高压断路器安装于可移动手车上，便于检修，其各个功能区是采用金属封闭或者采用绝缘板的方式封闭，有一定的限制故障扩大的能力。

高压开关柜结构紧凑、占地面积小、安装工作量小、使用和维修方便、且有多种接线方案以供选择，方便用户选择。

高压开关柜具有“五防”功能：防止误分、误合断路器；防止带负荷分、合隔离开关或带负荷推入、拉出金属封闭式开关柜的手车隔离插头；防止带电挂接地线或合接地开关；防止带接地线或接地开关合闸；防止误入带电间隔，确保电气设备可靠运行和操作人员的安全。