工厂供电第5章电气设备及其选择.ppt

工厂供电 主讲人：游国栋 天津科技大学 1 第五章 电气设备及其选择 教学基本内容：电气设备选择的原则，开 关电器、互感器、穿墙套管和绝缘子的选 择，低压电气设备的选择。 重点：高压和低压电气设备的选择。 难点：高压和低压电气设备选择的原则。 本章主要教学要求：熟悉穿墙套、管、绝 缘子和低压电器的选择，掌握开关电器和 互感器的选择。 2 第一节第一节 电弧的基本知识电弧的基本知识 第二节第二节 导体和电器设备选择的一般规定导体和电器设备选择的一般规定 第三节第三节 高压开关电器高压开关电器 第四节第四节 互感器互感器 第五节第五节 母线、架空线和电缆母线、架空线和电缆 第六节第六节 高压绝缘子及穿墙套管高压绝缘子及穿墙套管 第七节第七节 低压开关电器低压开关电器 3 电气设备的选择是供配电系统设计的重要内容 ，其选择的恰当与否将影响到整个系统能否安 全可靠的运行，故必须遵循一定的选择原则。 本章对常用的高、低压电器即高压断路器、高 压隔离开关、仪用互感器、母线、绝缘子、高 低压熔断器及成套配电装置（高压开关柜）等 分别介绍了其选择方法，为合理、正确使用电 气设备提供了依据。 4 一、绪(电弧的形成) 开关电器是变电所中的重要电器设备。开关电器是变电所中的重要电器设备。运行中，任一电运行中，任一电 路的投入和切除都要使用开关电器。而在开关投入，特别是路的投入和切除都要使用开关电器。而在开关投入，特别是 切除有电流通过的电路时，切除有电流通过的电路时，只要电源电压大于只要电源电压大于10V20V10V20V，电，电 流大于流大于 80mA100mA80mA100mA，在开关电器的动、静触头分离瞬间，在开关电器的动、静触头分离瞬间 ，触头间就会出现电弧。因电弧的存在，使电流可继续通过，触头间就会出现电弧。因电弧的存在，使电流可继续通过 电弧流动，不仅达不到切断电路的目的，而且可能造成严重电弧流动，不仅达不到切断电路的目的，而且可能造成严重 故障。因而研究电弧的产生与熄灭过程，无论对制造和运行故障。因而研究电弧的产生与熄灭过程，无论对制造和运行 部门都是非常重要的。部门都是非常重要的。 第一节 电弧的基本知识 5 二、熄灭电弧的基本方法 有有三种三种熄灭电弧的方法：熄灭电弧的方法： 吹弧；采用多断口；利用有机固体介质的狭缝灭弧，吹弧；采用多断口；利用有机固体介质的狭缝灭弧， 6 导体和电器设备的选择是变电所设计的主要内导体和电器设备的选择是变电所设计的主要内 容之一。容之一。 供配电系统中的电气设备总是在一定的电压、供配电系统中的电气设备总是在一定的电压、 电流、频率和工作环境条件下工作的，电气设电流、频率和工作环境条件下工作的，电气设 备的选择除了满足正常工作条件下安全可靠运备的选择除了满足正常工作条件下安全可靠运 行，还应满足在短路故障条件下不损坏，开关行，还应满足在短路故障条件下不损坏，开关 电器还必须具有足够的断流能力，并适应所处电器还必须具有足够的断流能力，并适应所处 的位置（户内或户外）、环境温度、海拔高度的位置（户内或户外）、环境温度、海拔高度 以及防尘、防火、防腐、防爆等环境条件。以及防尘、防火、防腐、防爆等环境条件。 第二节第二节 导体和电器设备选择的一般规定导体和电器设备选择的一般规定 7 电气设备的选择应根据以下原则： （1）按工作电压选择电气设备的额定电压 电气设备的额定电压UN应不低于其所在线路(安装点)的 额定电压UWN，即： UN UWN （5-1） 例如在10kV线路中，应选择额定电压为10kV的电气 设备，380V系统中应选择额定电压为380V（0.4kV）或 500V的电气设备。 （2）按最大负荷电流选择电气设备的额定电流 电气设备的额定电流IN应不小于实际通过它的最大负荷 电流Imax（或计算电流IC），即： IN Imax 或 IN Ic （5-2） 1按正常工作电压和电流条件选择 8 为了保证电气设备在短路故障时不致损坏，就必须按最 大可能的短路电流校验电气设备的动稳定和热稳定。动 稳定是指电气设备在冲击短路电流所产生的电动力作用 下，电气设备不致损坏。热稳定是指电气设备载流导体 在最大稳态短路电流作用下，其发热温度不超过载流导 体短时的允许发热温度。 2按短路条件校验电气设备的动稳定和热稳定 3开关电器断流能力校验 断路器和熔断器等电气设备担负着切断短路电流的任 务，通过最大短路电流时必须可靠切断，因此开关电 器还必须校验断流能力。对具有断流能力的高压开关 设备需校验其断流能力，开关设备的断流容量不小于 安装地点最大三相短路容量。 9 4按工作环境 根据电气装置所处的位置（户内或户外）、使用 环境和工作条件，选择电气设备型号。 10 第三节第三节 高压开关电器高压开关电器 高压开关电器主要指高压断路器、高压熔 断器、高压隔离开关和高压负荷开关。高 压电气设备的选择和校验项目如表5-1所示 。 11 高压断路器、高压隔离开关和高压负 荷开关具体选择如下： 1根据使用环境和安装条件选择设备的型号 2按正常条件选择设备的额定电压和额定电流 按式（5-1）和（5-2）分别选择额定电压和额定 电流 。 12 3动稳定校验 （5-3） 式中，imax 和Imax分别为电气设备的极限通过电流峰值和有 效值； ish和Ish 分别为冲击电流瞬时值和有效值。 4热稳定校验 （5-4） 式中，It为电气设备的热稳定电流；t为热稳定时间。 5开关电器断流能力校验 对具有断流能力的高压开关设备需校验其断流能力。开关 电气设备的断流容量不小于安装地点最大三相短路容量， 即： （5-5） 式中，Ioc 、Soc为制造厂提供的最大开断电流和开断容量 。 13 表5-1 高压电气设备选择和校验项目 电气设备名称 额定电压 /kV 额定电流 /A 短路电流校验 动稳定度热稳定度断流能力 /kA 高压断路器 高压隔离开关 高压负荷开关 高压熔断器 电流互感器 电压互感器 支柱绝缘子 套管绝缘子 母线（硬） 电 缆 注：表中“”表示必须校验，“”表示不要校验。 14 高压断路器是供电系统中最重要的设备之一。由于成 套配电装置应用普遍，断路器大多选择户内型的，如 果是户外式变电所，则应选择户外型断路器。高压断 路器一般选用少油断路器、真空断路器和SF6断路器 。具体选择方法如前述。 一、高压断路器 1 1、用途、用途 主要作用：主要作用： 正常运行时，接通和切断负荷电流；正常运行时，接通和切断负荷电流； 发生短路故障或严重过负荷时，借助继电保护发生短路故障或严重过负荷时，借助继电保护 装置，用来自动、迅速切断故障电流，以防止扩大装置，用来自动、迅速切断故障电流，以防止扩大 事故范围。事故范围。 15 3 3、分类、分类 组成：导电回路、灭弧室、外壳、绝缘支体、操作组成：导电回路、灭弧室、外壳、绝缘支体、操作 和传动机构等部分组成。和传动机构等部分组成。 类型：油断路器、空气断路器、六氟化硫断路器、类型：油断路器、空气断路器、六氟化硫断路器、 真空断路器。真空断路器。 4 4、主要技术数据、主要技术数据 额定电压、额定电流、额定开断电流、额定断流容额定电压、额定电流、额定开断电流、额定断流容 量、额定关合电流、热稳定电流、动稳定电流。量、额定关合电流、热稳定电流、动稳定电流。 2 2、特点、特点 具有完善的灭弧装置和足够强的灭弧能力。具有完善的灭弧装置和足够强的灭弧能力。 16 例5-1 试选择某35kV变电所主变次总高压开关柜的高 压断路器，已知变压器35/10.5kV，5000kVA，三相最 大短路电流为3.35kA，冲击短路电流为8.54kA，三相 短路容量为60.9MVA，继电保护动作时间为1.1s。 解：因为户内型，故选择户内少油断路器。根据变压 器二次侧额定电流选择断路器的额定电流。 查附录表，选择SN10-10I/630型少油断路器，其有关技 术参数及安装地点电气条件和计算选择结果列于表5-2 ，从中可以看出断路器的参数均大于装设地点的电气 条件，故所选断路器合格。 17 表5-2 例5-1高压压断路器选择选择 校验验表 1624=1024 3.352(1.1+0.1)=13.5 序号 SW10-10I/630 选 择 要 求 装设地点电气条件 结 论 项 目数 据项 目数 据 1UN10kVUWN10kV 合 格 2IN630AIC275A 合 格 3IOC16kAIk（3）3.35kA 合 格 4imax40kAish(3)8.54kA 合 格 5It2tI2tima 合 格 18 高压断路器的型号表示和含义如下： 图5-1 高压断路器的型号含义 19 图5-2和图5-3分别为SN10-10型少油断路器外形图和内部结 构剖面图。 图5-2 SN10-10型少油断路器外形结构 1铝帽 2上接线端子 3油标 4绝缘筒 5下接线端子 6基座 7主轴 8 框架 9断路弹簧 图5-3 少油断 路器内部剖面 结构 1铝帽 2 油气分离器 3 上接线端子 4油标5插 座式静触头 6 灭弧室 7 动触头 8中 间滚动触头 9 下接线端子 10转轴 11 拐臂 12 基座 13下 支柱绝缘子 14上支柱绝 缘子 15断 路弹簧 16 绝缘筒 17 逆止阀 18 绝缘油 20 二、高压隔离开关选择 由于隔离开关主要是用于电气隔离而不能分断正常负荷电 流和短路电流，因此，只需要选择额定电压和额定电流， 校验动稳定和热稳定。成套开关柜生产厂商一般都提供的 开关柜方案号及柜内设备型号供用户选择，用户也可以自 己指定设备型号。开关柜柜内高压隔离开关有的带接地刀 ,有的不带接地刀。 1 1、用途、用途 没有灭弧装置和灭弧能力。没有灭弧装置和灭弧能力。 不能接通和切断负荷电流。不能接通和切断负荷电流。 1 1）隔离高压电源；）隔离高压电源； 2 2）倒闸操作；）倒闸操作； 3 3）接通或者断开较小电流。）接通或者断开较小电流。 2 2、类型、类型 组成：动触头、静触头、组成：动触头、静触头、 支柱绝缘子和传动机构等支柱绝缘子和传动机构等 组成。组成。 类型很多，有户外、户内类型很多，有户外、户内 ，单柱式、双柱式和三柱，单柱式、双柱式和三柱 式等。式等。 21 高压隔离开关的型号表示和含义如下： 图5-4 GN8-10型高压隔离开关外形结构 1上接线端子 2静触头3闸刀 4套管绝缘子5下接线端子 6框架 7转轴 8拐臂 9升降绝缘子 10支柱绝缘子 22 三、高压负荷开关 1 1、用途、用途 具有简单的灭弧装置，不能切断短路电流。具有简单的灭弧装置，不能切断短路电流。 在高压配电装置中，负荷开关是专门用于接通和断在高压配电装置中，负荷开关是专门用于接通和断 开负荷电流的电器设备；在装有脱扣器时，在过负开负荷电流的电器设备；在装有脱扣器时，在过负 荷情况下，也能自动跳闸。荷情况下，也能自动跳闸。 多数情况下，负荷开关和高压熔断器串联使用，借多数情况下，负荷开关和高压熔断器串联使用，借 助熔断器切除短路电流。助熔断器切除短路电流。 2 2、类型、类型 类型很多，有户外、户内等。类型很多，有户外、户内等。 23 图图5-5 FN3-10RT户户内压压气式 负负荷开关外形结结构 1主轴轴 2上绝缘绝缘子兼气缸 3 连连杆 4下绝缘绝缘子 5框架 6RN1型熔断器 7下触座 8闸闸刀 9弧动动触头头 10绝缘喷绝缘喷 嘴（ 内有弧静触头头） 11主静触 头头 12上触座 13断路弹弹簧 14 绝缘绝缘拉杆 15热热脱扣器 高压负荷开关型号的表示和含义如下 24 四、高压熔断器 1 1、用途、用途 串联在电路中，当电路发生过负荷或者短路故障时串联在电路中，当电路发生过负荷或者短路故障时 ，故障电流超过熔体的额定电流。熔体被迅速加热，故障电流超过熔体的额定电流。熔体被迅速加热 熔断，从而切断电流，防止故障扩大。熔断，从而切断电流，防止故障扩大。 2 2、类型、类型 组成：熔体、支持金属体的触头和保护外壳三部分组成：熔体、支持金属体的触头和保护外壳三部分 组成。组成。 类型很多，有户外、户内等。类型很多，有户外、户内等。 25 高压熔断器型号表示含义 图图5-6 熔管内 部结结构剖面图图 1管帽 2瓷 管 3工作熔体 4指示熔体 5 锡锡球 6石英砂填料 7熔断指示器 （熔断后弹弹出状 态态） 图图5-7 RN1及RN2型熔断器外形 1瓷熔管 2金属管帽 3弹弹性触座 4熔断指 示器 5接线线端子 6瓷绝缘绝缘子 7底坐 26 五、高压开关柜 1 1、用途、用途 属于成套设备配电装置。它是由制造厂家按照一定属于成套设备配电装置。它是由制造厂家按照一定 接线方式将同一回路的开关电器、母线、测量仪表接线方式将同一回路的开关电器、母线、测量仪表 、保护电器和辅助设备等都装配在封闭的金属柜中、保护电器和辅助设备等都装配在封闭的金属柜中 并成套供应的。并成套供应的。 2 2、类型、类型 类型很多，常用的高压成套设备有手车式和固定式类型很多，常用的高压成套设备有手车式和固定式 开关柜。开关柜。 27 六、重合闸和分段器 1 1、重合闸、重合闸 新型智能化开关电器，它在开断能力上与断路器相新型智能化开关电器，它在开断能力上与断路器相 似，但是比普通断路器有多次重合闸能力，在保护似，但是比普通断路器有多次重合闸能力，在保护 和控制方面智能化程度高。和控制方面智能化程度高。 2 2、分段器、分段器 广泛应用于配电线路的分支线路或区段线路上，用来广泛应用于配电线路的分支线路或区段线路上，用来 隔离永久性故障。不能开断短路电流，必须与后备保隔离永久性故障。不能开断短路电流，必须与后备保 护开关重合器（断路器）配合使用。护开关重合器（断路器）配合使用。 28 第四节第四节 互感器互感器 一、分类 电压互感器、电流互感器电压互感器、电流互感器 二、作用 1 1）隔离高压电路；（互感器原边和副边没有电的联）隔离高压电路；（互感器原边和副边没有电的联 系只有磁的联系）系只有磁的联系） 2 2）变换电压、变换电流；）变换电压、变换电流； 3 3）简化结构降低成本，有利于大规模生产。）简化结构降低成本，有利于大规模生产。 三、应用 电压互感器电压互感器二次侧不准短路二次侧不准短路。 电流互感器电流互感器二次回路不准开路二次回路不准开路。 29 高压电流互感器二次侧线圈一般有一至数个不等,其中一 个二次线圈用于测量,其他二次线圈用于保护。 电流互感器的主要性能如下： (1) 准确级 准确级的含义是：在额定频率下，二次负荷为额定负荷 的25100之间，功率因数为0.8时，各准确级的电 流误差和相位误差不超过规定的限值。 电流互感器测量线圈的准确级设为0.1、0.2、0.5、1、3 、5六个级别（数值越小越精确），保护用的互感器或 线圈的准确级一般为级和10级两种。在上述条件 下，0.1级，其电流误差为0.1，保护用电流互感器5 、10级的电流误差分别为和，其复合误差分 别为5和10。 四、电流互感器选择 30 (2) 变流比与二次额定负荷 电流互感器的一次额定电流 有多种规格可供用户选择。电流互感器的每个二次绕组 都规定了额定负荷，二次绕组回路所带负荷不应超过额 定负荷值，否则会影响精确度。 (3) 线圈铁芯特性 测量用的电流互感器的铁芯在一次电 路短路时易于饱和,以限制二次电流的增长倍数，保护仪 表。保护用的电流互感器铁芯则在一次电流短路时不应 饱和，二次电流与一次电流成比例增长，以保证灵敏度 要求。 31 电流互感器的选择与校验主要有以下几方面： 1.电流互感器型号的选择 根据安装地点和工作要求选择电流互感器的型号。 2.电流互感器额定电压的选择 电流互感器额定电压应不低于装设点线路额定电压。 3.电流互感器变比选择 电流互感器一次侧额定电流有20、30、40、50、75、100 、150、200、300、400、600、800、1000、1200、1500 、2000（A）等多种规格，二次侧额定电流均为5A。一 般情况下，计量用的电流互感器变比的选择应使其一次 额定电流I1N不小于线路中的计算电流Ic。保护用的电流 互感器为保证其准确度要求，可以将变比选得大一些。 4.电流互感器准确度选择及校验 准确度选择的原则：计量用的电流互感器的准确度选0.2 0.5级，测量用的电流互感器的准确度选1.03.0级。 32 五、电压互感器选择 电压互感器的二次绕组的准确级规定为0.1 、0.2、0.5、1、3 五个级别，保护用的电压互感器规定为3P级和6P级，用于 小电流接地系统电压互感器（如三相五芯柱式）的零序绕组 准确级规定为6P级。 电压互感器的一二次侧均有熔断器保护，所以不需要校验短 路动稳定和热稳定。 电压互感器的选择如下： 1按装设点环境及工作要求选择电压互感器型号； 2电压互感器的额定电压应不低于装设点线路额定电压； 3按测量仪表对电压互感器准确度要求选择并校验准确度 计量用电压互感器准确度选0.5级以上，测量用的准确度选 1.03.0级，保护用的准确度为3P级和6P级。 33 电流互感器型号的表示和含义如下： 34 图图5-8 LMZ1-0.5型电电流互 感器外形结结构 1铭铭牌 2一次母线线穿孔 3 铁铁芯，外绕绕二次绕组绕组，树树 脂浇浇注 4安装板 5二次接线线端子 图图5-9 LQZ-10型电电流互感器外 形结结构 1一次接线线端子 2一次绕组绕组（ 树树脂浇浇注）3二次接 线线端子 4铁铁芯 5二次绕组绕组 6 警告牌（上写有“二次侧侧不得开路 ”等字样样） 35 第五节 母线、支柱绝缘子和穿墙套管 选择 一、用途和选型 1 1、硬母线、硬母线 用来汇集和分配电流，又称汇流排，简称母线。用来汇集和分配电流，又称汇流排，简称母线。 通常采用铜、铝和钢。通常采用铜、铝和钢。 表面着色涂料可以增加热辐射能力，有利于散热和防表面着色涂料可以增加热辐射能力，有利于散热和防 腐。腐。 交流母线：交流母线：A-A-黄色，黄色，B-B-绿色，绿色，C-C-红色。红色。 中性线：接地中性线：接地- -紫色，不接地紫色，不接地- -蓝色。蓝色。 直流母线：正极直流母线：正极- -红色，负极红色，负极- -蓝色。蓝色。 36 2 2、架空导线（软母线）、架空导线（软母线） 在屋外配电装置中常用，称软母线。在屋外配电装置中常用，称软母线。 通常有铜、铝和钢心绞线，一般都是裸导线。通常有铜、铝和钢心绞线，一般都是裸导线。 3 3、电力电缆、电力电缆 结构：导体、绝缘层和保护层。结构：导体、绝缘层和保护层。