电力系统设计第五讲——电气设备选择互感器、断路器、隔离开关等

1、电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 第五讲第五讲 发电厂、变电站电气一次系统设计发电厂、变电站电气一次系统设计 (2) 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 一、高压断路器原理与选择高压断路器原理与选择 n1、开关电器的作用和种类 在正常情况下电力系统中的发电机、变 压器、线路等由于检修或改变运行方式， 需要将它们接入或退出；在故障时，必 须迅速切断故障部分，使电力系统恢复 正常运行。 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n仅用来在正常工作情况下，断开或闭合正常工作 电流。如：高压负荷开关、低压闸刀开关、接触高压负荷开关、低

2、压闸刀开关、接触 器、磁力启动器器、磁力启动器； n仅用来断开故障情况下的过负荷电流或短路电流。 如：高、低压熔断器高、低压熔断器； n既用来断开或闭合正常工作电流，也用来断开或 闭合过负荷电流或短路电流。如：高压断路器、高压断路器、 低压空气开关低压空气开关（能起控制和保护的作用）； n不要求断开或闭合电流，只用来在检修时隔离电 压。如：隔离开关隔离开关。 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 2、开关电器电弧形成的物理过程 n1）电弧放电的特征及危害 n2）电弧形成的过程：电弧的产生和维持是 触头间中性质点（分子和原子）被游离的 结果。游离就是中性质点转化为带电质点。

3、 游离的过程有四种形式： 强电场发射 热电子发射 碰撞游离 热游离 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n3）去游离的形式 电弧中发生游离的同时，还进行着使带电 质点减少的去游离过程 ： a、复合去游离 拉长电弧；加快电弧的冷却；加大气体介 质的压力。 b、扩散去游离 浓度扩散 ；温度扩散 ；用高速冷气吹弧 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n4）游离与去游离 n游离和去游离是电弧燃烧的两个相反过程， 游离过程使弧道中带电离子增加，有助于 电弧燃烧；去游离过程使弧道中带电离子 减少，有利于电弧熄灭。 n开关电器中，为加强灭弧能力，都采用各 种措

4、施减弱游离过程。从等离子体观点看， 就是控制温度，使触头间的介质，由等离 子体态转化为其它物态。 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 3、交流电弧的特点 n交流电弧具有热惯性。随着交流电流的瞬时值不 断变化，电弧的温度、直径、电弧电压也随时间 变化。交流电弧每半周过零一次，电弧自然熄灭。 n电弧的热惯性：交流电弧的电流瞬时值随时间周 期变化，电弧的温度、直径及电弧电压也随时间 变化，但弧柱的受热升温或散热降温都有一定过 程，跟不上电流的变化，这种现象叫电弧的热惯 性。 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断

5、路器、隔离开关等 4、交流电弧的熄灭条件 n交流电弧熄灭的基本条件：弧隙介质的绝缘 能力达到不被弧隙外施电压击穿的程度，才 能保证电弧不被重燃而最终熄灭。电弧过零电弧过零 后，如果电源电压大于介质强度恢复电压，后，如果电源电压大于介质强度恢复电压， 弧隙被击穿，电弧重燃，反之，电弧便熄灭：弧隙被击穿，电弧重燃，反之，电弧便熄灭： Ud(t) Ur(t) nUd(t) -弧隙介质强度恢复过程中的耐受电压 由灭弧装置的结构和灭弧介质的性质决定 灭弧介质：油、空气、真空、SF6 nUr(t) -弧隙电压恢复过程中的弧隙电源电压 Ur(t)与线路参数、负荷性质等有关 电力系统设计第五讲电气设备 选择互

6、感器、断路器、隔离开关等 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 5 5、高压断路器熄灭交流电弧的基本方法、高压断路器熄灭交流电弧的基本方法 n1、利用灭弧介质 n2、采用特殊金属材料作灭弧触头 n3、利用气体或油吹动电弧 n4、采用多断口熄弧 n5、拉长电弧并增大断路器触头的分离速度 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 6、高压断路器选择高压断路器选择 n1）断路器的种类和形式的选择 n按灭弧介质和灭弧方式分为：多油、少油、压缩空气、 SF6、真空 n操动机构：断路器进行合闸、分闸操作，并

7、保持在合 闸状态，这些任务全靠操动机构完成。操动系统的动 作过程，实际上是使操动元件（如合闸元件或分闸元 件）获得动能，再通过拐臂和连杆机构，将动能传到 触头，去实现合闸或分闸，操动系统中独立于断路器 本体的那一部分，称为操动机构。其它作为传递动力 的部分，称传动机构。包括：手动机构、电磁机构、 气动机构、弹簧机构、液压机构 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n2）额定电压选择 UN UNS n3）额定电流选择 IN Imax n4）开断电流选择 -断路器灭弧能力的参数， 指在额定电压下可能开断的最大电流，不应 小于实际开断瞬间的短路电流周期分量Ipt INbr Ip

8、t 当INbr 比系统短路电流大很多时， INbr I” 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n5）短路关合电流的选择 断路器合闸前，线路有短路故障，断路器 在合闸过程中，动、静触头在未接触时，产 生电弧，有短路电流流过，容易使触头熔焊 和受到电动力破坏。且断路器在关合短路电 流时，接通后又跳闸，此时还要能够切除短 路电流。为保证断路器在关合短路时的安全， 其额定关合电流INcl 不应小于短路电流最大 冲击值ish ， INcl ish 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n6）热稳定校验 n7）动稳定校验 n8）操作时间 kt QtI 2 sh

9、es ii 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 二、隔离开关的选择隔离开关的选择 n1、隔离开关的主要用途 n隔离电压 n倒闸操作 n分合小电流 ： 分、合避雷器、电压互感器和空载母线 分、合励磁电流不超过2A的空载变压器 关、合电容电流不超过5A的空载线路 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n2、隔离开关的选择 n1）种类和形式的选择 n安装地点：屋内式和屋外式 n绝缘支柱数目：单柱、双柱、三柱 n2）额定电压选择 UN UNS n3）额定电流选择 IN Imax n 4）热稳定校验 n5）动稳定校验 kt QtI 2 shes ii 电力系

10、统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 三、互感器的原理与选择互感器的原理与选择 n1、互感器的作用互感器的作用 n互感器包括电流互感器（TA 或CT）和电压互感器 （TV或 PT）。 n1)将一次回路的高电压和大电流变为二次回 路标准 的低电压（100V）和小电流（5A 1A），使测量仪 表和保护装置标准化、小型化，并使其结构轻巧、 价格便宜和便于屏内安装。 n2)使二次设备与高压部分隔离，且互感器二次侧均 接地，从而保证了设备和人身安全。 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n2、电磁式电流互

11、感器、电磁式电流互感器 n1）特点：）特点： a、一次绕组串联在电路中，匝数很少。故一次绕组串联在电路中，匝数很少。故 一次绕组中的电流完全取决于被测电路的负一次绕组中的电流完全取决于被测电路的负 荷电流，而与二次电流大小无关。荷电流，而与二次电流大小无关。 b、二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小， 正常情况下，在接近于短路状态下运行。正常情况下，在接近于短路状态下运行。 n额定电流比额定电流比 ，一次、二次额定电流之比 1221 /NNIIK NNi 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器

12、、隔离开关等 n2 2）电流互感器的误差）电流互感器的误差 定义定义电流误差： 定义定义相位差 ： 与 之间的夹角， 超前 时为正。 (%)100 1 12 I IIK f i i 2 I 2 I 1 I1 I 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n3）电流互感器的准确级和额定容量）电流互感器的准确级和额定容量 nCT的准确级的准确级： CT根据测量时误差的大小而划分为不同的准确级。准确级 是指在规定的二次负荷范围内，一次电流为额定值时的最最 大大电流电流误差误差 n额定容量：额定容量： CT的额定容量是指CT在额定二次电流（5A、 1A） IN2和额定二次阻抗ZN2下

13、运行时，二次绕组输出容 量，也可用二次阻抗表示。 由于CT的误差和二次负荷有关。同一个CT在不同的二次负 荷下，准确级不同，额定容量也不同。如SN2=10VA(ZN2=0.4 欧)，当Z2l0.4时， 准确级降为1级，对应的额定容量为15VA（ZN2=0.6） 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n4 4）电流互感器的运行参数对误差的影响）电流互感器的运行参数对误差的影响 na、一次电流一次电流I1的影响的影响 一次电流I1在额定值IN时，磁导率接近最大，此时电流误差 和相角差 最小。当一次电流较小时，磁导率小，H小，铁 芯损耗角小，电流误差和相角差增大，但相角差增大得

14、更 快。 nb、二次负载阻抗及功率因数对误差的影响二次负载阻抗及功率因数对误差的影响 二次负载阻抗Z2l与误差成正比，因此二次侧接入的仪表或 继电器及连接导线的总阻抗不能大于额定二次阻抗，以保 证其准确级。 当功率因数cos增大时，在二次线圈内感应的电势E2与二 次回路电流I2相位差增大，电流误差fi增大，相角差i减小。 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n5 5）电流互感器的选择）电流互感器的选择 a、一次回路的额定电压和电流的选择一次回路的额定电压和电流的选择 UN1 UNS IN1 Imax b、二次额定电流的选择二次额定电流的选择 CT的二次额定电流有5A和1

15、A两种，一般弱 电系统用1A，强电系统用5A。当配电装置 距离控制室较远，为能使电流互感器能多带 二次负荷或减小电缆截面，提高准确级，应 尽量采用1A。 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 c、种类和形式的选择种类和形式的选择 根据安装地点（屋内、屋外）和安装方式（如 穿墙式、支持式、装入式）选择其形式。 n按安装地点分屋内和屋外式。20KV及以下制 成屋内式，35KV及以上多制成屋外式。 n2）按安装方式分为穿墙式、支持式、装入式。 n3）按绝缘可分为干式、浇注式、油浸式等。 n4）按一次绕组匝数分为单匝式和多匝式。 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔

16、离开关等 nd、准确级和额定容量的选择准确级和额定容量的选择 CT的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。 n装于重要回路（如发电机、调速器、变压器、厂用馈线、出 线等）中的电能表和计费的电能表一般采用0.51级表，相 应的互感器的准确级不应低于0.5级； n对测量精度要求较高的大容量发电机、变压器、系 统干线和500KV宜用0.2级； n供运行监视、估算电能的电能表和控制盘上仪表， 一般皆用11.5级的，相应的电流互感器应为0.5 1级 n供只需估计电参数仪表的互感器可用3级。 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 nCT二次侧所接负荷S2应不大于该准确级所规 定的额定容

17、量SN2 n电流互感器与仪表的接线形式： 单相接线 星形接线 不完全星形接线 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 ne、热稳定和动稳定校验 n对瓷绝缘型CT，应校验瓷套管的机械强度： n对于母线型CT，其端部作用力如下校验： k QI 2 kNt QIK 2 1) ( shes ii shesN iKI 1 2 aliF shal /1073. 15 . 0 27 aLiF cshal /1073. 1 27 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 3、电压互感器的原理与选择电压互感器的原理与选择 n1）分类：电磁式 PT 、电容分压式PT n电磁式

18、电磁式PT 电磁式电压互感器的工作原理与特点：容量小，类 似一台小容量的变压器,但结构上要求有较高的安全 系数；正常运行时接近于空载状态 电容式电压电容式电压PTPT 实质是一个电容分压器，为减少负荷电流的影响， 可在回路中加入补偿电抗，并将测量仪表经中间变 压器升压后与分压器相连 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n2 2）电压互感器的选择）电压互感器的选择 nPT为与电网并联的电压变换设备，不须选择 额定电流，PT不会受到外部电网短路电流的 侵袭，不须进行短路动稳定、热稳定校验。 PT的内部故障，由专用的

19、熔断器快速切除。 na、一次回路电压的选择 0.8UN1UNs1.2UN1 nb、二次回路电压的选择 PT二次侧额定电压应满足保护和测量使用标 准仪表的要求。见表4-6 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 nc、种类和型式选择 在635KV屋内配电装置中，一般采用油浸式或浇 注式；110220KV，常采用串级式电磁PT；110- 500KV 的配电装置，当容量和准确级满足要求时， 可采用电容式电压互感器。 nd、容量和准确级的选择： 先根据仪表和继电器接线要求选择电压互感器的接 线方式，尽量把负荷分布在各相上，

20、然后计算各 相负荷的大小，按照所接仪表的准确级和容量选 择互感器的准确级和额定容量，即电压互感器的 准确级不得低于所供测量仪表的准确级；电压互 感器对应于要求准确级的额定二次容量不应小于 电压互感器二次最大相的负荷。 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 4、互感器在主接线中的配置原则 n1）电压互感器的配置电压互感器的配置 n母线：除旁母外，一般的工作、备用母线都装有一组电压互感母线：除旁母外，一般的工作、备用母线都装有一组电压互感 器，用于同步、测量仪表和保护装置。器，用于同步、测量仪表和保护装置。 n线路：线路：35KV及以上输电线路，当对端有电源时，为监视线路及以

21、上输电线路，当对端有电源时，为监视线路 有无电压、进行同步和设置重合闸，需装有一台单相电压互感有无电压、进行同步和设置重合闸，需装有一台单相电压互感 器。器。 n发电机：一般装有发电机：一般装有2-32-3组电压互感器，一组供自动调节励磁装组电压互感器，一组供自动调节励磁装 置（三只单相置（三只单相 双绕组）；一组供测量仪表、同步和保护装置双绕组）；一组供测量仪表、同步和保护装置 使用（三相五柱式或三只单相接地专用互感器，开口三角形供使用（三相五柱式或三只单相接地专用互感器，开口三角形供 发电机在未并列前检查是否接地用），当负荷太大时，可增设发电机在未并列前检查是否接地用），当负荷太大时，可增

22、设 一组不完全星形连接的互感器，专供测量仪表用。一组不完全星形连接的互感器，专供测量仪表用。 5 5万万KWKW及以及以 上的发电机中性点常接有单相电压互感器，用于上的发电机中性点常接有单相电压互感器，用于100%100%定子接地定子接地 保护。保护。 n变压器：低压侧有时为满足同步或继电保护的要求，设一组电变压器：低压侧有时为满足同步或继电保护的要求，设一组电 压互感器。压互感器。 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n2 2）电流互感器的配置）电流互感器的配置 n为满足测量和保护装置的要求，在发电机、变压器、出线、为满足测量和保护装置的要求，在发电机、变压器、出线、

23、 母线分段、母联断路器、旁路断路器等回路，均设有电流互母线分段、母联断路器、旁路断路器等回路，均设有电流互 感器。中性点直接接地系统，一般按三相配置；对中性点非感器。中性点直接接地系统，一般按三相配置；对中性点非 直接接地的系统，依具体情况，可按二相和三相配置。直接接地的系统，依具体情况，可按二相和三相配置。 n对保护用电流互感器的安装地点，应尽量按消除主保护的死对保护用电流互感器的安装地点，应尽量按消除主保护的死 区来设置。如有两组电流互感器时，在位置允许的情况下，区来设置。如有两组电流互感器时，在位置允许的情况下， 应设在断路器的两侧，是断路器处于交叉保护范围中。应设在断路器的两侧，是断路

24、器处于交叉保护范围中。 n为防止支柱式电流互感器套管闪络造成母线故障，电流互感为防止支柱式电流互感器套管闪络造成母线故障，电流互感 器通常布置在断路器的出线或变压器侧。器通常布置在断路器的出线或变压器侧。 n为减轻内部故障时发电机的损伤，用于励磁调节的电流互感为减轻内部故障时发电机的损伤，用于励磁调节的电流互感 器应布置在发电机定子绕组的出线侧。为便于分析和在发电器应布置在发电机定子绕组的出线侧。为便于分析和在发电 机并入系统前发现内部故障，用于测量仪表的电流互感器宜机并入系统前发现内部故障，用于测量仪表的电流互感器宜 装载发电机的中性点侧。装载发电机的中性点侧。 电力系统设计第五讲电气设备

25、选择互感器、断路器、隔离开关等 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 四、电抗器的选择 n1、限制短路电流的目的和方法 n限制短路电流的目的 选择轻型断路器及较小截面 的电缆 n限制短路电流的方法 采用适当的主接线形式和运行方式； 增设电抗器：普通电抗器、分裂电抗器； 采用分裂绕组变压器 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n2 2、额定电压和额定电流、额定电压和额定电流 U UN N U UNS NS I IN N I Imax max 普通电抗器的普通电抗器的ImaxImax：主变回路或出线回路，主变回路或出线回路， 取其最大持续工作电流；发电

26、厂的母线分段取其最大持续工作电流；发电厂的母线分段 电抗器，取相邻母线上最大一台发电机额定电抗器，取相邻母线上最大一台发电机额定 电流的电流的50508080；变电所中的母线分段电；变电所中的母线分段电 抗器应满足用户的一级负荷和大部分二级负抗器应满足用户的一级负荷和大部分二级负 荷计算。荷计算。 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n3 3、电抗百分值的选择：、电抗百分值的选择： Id-基准电流 Ud-基准电压 I ”-短路电流 X*-电源至电抗器前的系统电抗标幺值 %100% * Nd dNd L UI UI x I I x）（ ” 电力系统设计第五讲电气设备 选择

27、互感器、断路器、隔离开关等 正常运行时电压损耗校验：正常运行时电压损耗校验： 式中 -负荷功率因数角，一般cos=0.8 短路时母线残压校验：短路时母线残压校验： n3 3 热稳定和动稳定校验热稳定和动稳定校验 I I t t2 2 t t Q Qk k i ies es i ish sh %5sin% max N L I I xU %70%60 % N lre I I xU 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 五、五、高压熔断器的选择高压熔断器的选择 n熔断器主要由金属熔件（熔体）、支持熔件 的触头和外壳（熔管）构成。 n熔断器的作用是保护电气设备免受过载和短 路电流

28、的损害。屋内型高压熔断器在变电站 中常用于保护电力电容器、配电线路和变压 器，在电厂中多用于保护电压互感器。 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n 1、额定电压的选择、额定电压的选择 不限流式不限流式： UN UNS 限流式限流式： UN = UNS UN-熔断器额定电压 UNS -电网额定电压 n2、额定电流的选择、额定电流的选择 INft INfs INft-熔管的额定电流； INfs -熔体的额定电流 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n保护保护35KV及以下电力变压器时及以下电力变压器时 INfs = K Imax K-可靠系数（不计

29、电动机自启动时K1.11.3，考虑电 动机自启动时K=1.52.0）Imax-电力变压器回路最大工 作电流 目的目的：为了防止熔体在通过变压器励磁涌流和保护范 围以外的短路及电动机自启动等冲击电流时误动 作。 n保护电力电容器时保护电力电容器时 INfs = K INc K可靠系数（对限流式高压熔断器，当一台电力电容器时 K=1.52.0，当一组电力电容器时K=1.31.8） INc-电力电容器回路的额定电流 目的目的：当系统电压升高或波形畸变引起回路电流增大 或运行中产生涌流时不应误熔断。 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n3、熔断器开断电流校验、熔断器开断电流校验 不限流式：不限流式： INbr Ish 限流式：限流式： INbr I ” n对于没有限流作用的熔断器，选择时用冲击 电流的有效值Ish进行校验；对于有限流作用 的熔断器，在电流达最大值之前已截断，故 可不计非周期分量的影响，而采用I”进行校 验。 电力系统设计第五讲电气设备 选择互感器、断路器、隔离开关等 n 4、熔断器选择性校验、熔断器选择性校验 为了