高压电气设备

在电力系统中，变电所的核心设备是变压器，变压器用于实现电能变换和传输，有升压变压器和降压变压器两种。此外，变电所的电气设备还包括用于控制、分配电能的开关电器（如断路器、隔离开关、负荷开关等）、测量电路运行参数的测量电器（如电压互感器、电流互感器等）、限制电压或者电流大小以实现设备保护的限制电器（如避雷器、避雷针、电抗器、消弧线圈等）、汇聚分配电能的载流电器（如母线、电缆等），这些高压电气设备统称为一次设备。

配电所仅用于接受和分配电能，一般不设变压器。

变配电所中，高压电气设备按照先后顺序连接起来形成电路，称为一次电路或电气主接线。

变电所中用于对一次设备进行监视、测量、控制、调节和保护的电气设备（如测量仪表、控制器件、继电保护、自动装置等）统称为二次设备，将其按照先后顺序连接起来形成的电路称为二次回路或二次系统。

一、高压电气设备的分类

按照功能来划分，高压电气设备包括变换电器、开关电器、测量电器、限制电器、载流电器等。

按照安装地点，高压电气设备可以分为户内式和户外式两种。户内式高压电气设备装在建筑物内，不具有防风、雨、雷、灰尘、露、冰和浓霜等性能，工作电压一般为35 kV及以下的电压等级。户外式高压电气设备适于安装在露天，能承受风、雨、雷、灰尘、露、冰和浓霜等的作用，工作电压一般都在35 kV及以上的电压等级。

按照电流制式，高压电气设备可以分为交流电器和直流电器。交流电器工作于三相或单相工频交流制，极少数工作在非工频系统。直流电器工作于直流制系统。直流制电气化铁道、城市地铁及轻轨交通供电系统中大量应用直流电器。

二、高压电气设备的功能

1. 变换电器（变压器）

变压器是用来交换交流电压和电流、传输交流电能的一种静止电器。从结构上看，一般容量较小、电压较低的变压器可以做成干式变压器；容量较大、电压较高的变压器可以做成油浸式变压器，城轨交通供电系统主变电所的主变压器都是油浸式变压器，外形如图1.6所示。其他如降压变电所的动力变压器、牵引变电所的整流变压器等均采用干式变压器。

图1.6　变压器

2．开关电器

用来闭合和开断电路的电器称为开关电器。常见的高压开关电器包括高压断路器、隔离开关、熔断器、负荷开关等。

（1）高压断路器

高压断路器是具有完善的控制功能、可靠的灭弧能力的一种开关电器，用来在电路正常工作和发生故障时闭合、开断电路。

高压断路器是高压电气设备中最重要的设备，是一次电力系统中控制和保护电路的关键设备。高压断路器主要有两个作用：一是控制作用，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。

（2）隔离开关

隔离开关又称刀闸，是一种没有专门灭弧装置的高压开关电器。城市轨道交通供电系统中，隔离开关一般在组合电器中，直流馈线部分采用单独的隔离开关，如图1.7所示。

在电力系统中，隔离开关的主要作用有：

① 隔离电源。利用隔离开关断口的可靠绝缘能力，使需要检修或分段的线路与带电线路相互隔离，以确保检修工作的安全。

② 隔离开关与断路器配合进行倒闸操作。电气主接线中常见一台断路器与两台（或一台）隔离开关串联出现的情况，操作隔离开关时必须注意：绝不允许带负荷电流分闸，否则，隔离开关断口间产生的电弧将烧毁触头或形成三相弧光短路，造成供电中断。因此，当隔离开关与断路器串联于电路中运行时，隔离开关必须遵守先合后分的原则；在并联时，隔离开关必须遵守先分后合的原则。

③ 通断小电流电路。用隔离开关可以通、断电压互感器和避雷器电路；通、断激磁电流不超过2 A的空载变压器电路；通、断电容电流不超过5 A的空载线路；通、断母线和直接接在母线上的电气设备的电容电流；通、断变压器中性点的接地线。在某些终端变电所中，快分隔离开关与接地开关相配合，代替断路器的工作。

图1.7　安装在室内的直流馈线隔离开关

（3）熔断器

熔断器是最简单和最早采用的一种保护电器，并兼有开关作用。常和被保护的电气设备串接于电路中使用。当电路中流过短路电流时，利用熔件产生的热量使本身熔断，从而切断电路，起到保护电气设备、缩小事故范围的作用。通常用于保护功率较小和对保护性能要求不高的电气设备。

（4）负荷开关

负荷开关是一种介于断路器和隔离开关之间的开关电器，它既有明显的、可靠的绝缘间隙，又有一定的熄灭电弧能力，用来在电路正常工作或过载时关合、开断电路，可以开断负荷电流，但不能开断短路电流。

3．限制电器

限制电器是用来限制电路中的电压或电流的电器。它包括：

① 电抗器：主要用来限制电路中的短路电流。某些类型的熔断器也有限制短路电流的作用。

② 避雷器：用来限制电路中出现的过电压（包括由于雷电造成的外部过电压和由于操作产生的内部过电压）。

4．测量电器

用来变换电路中的电压和电流使之便于检测的电器称为测量电器。它包括：

① 电流互感器：用来变换电路中的电流，以便供电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电路隔离。

② 电压互感器：用来变换电路中的电压，以便供电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电路隔离。

5．组合电器

将上述某几种电器，按一定的线路装配成一个整体的电器组合称为组合电器。组合电器也称为开关柜。开关柜中一般还集合了测量、控制、保护、通信等功能的二次系统。城市轨道交通供电系统中大量应用了组合电器，包括交流开关柜、直流开关柜等，本书将逐一讲解。