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第六章导体和电气设备的原理与选择 北方民族大学电信学院电气工程系 1 主要内容 电气设备选择的一般条件高压断路器和隔离开关的原理与选择互感器的原理及选择限流电抗器的选择高压熔断器的选择裸导体的选择电缆 绝缘子和套管的选择 2 目标和要求 了解电弧的形成和熄灭的过程 掌握电气设备选择的一般条件 掌握高压断路器 隔离开关 互感器的使用功能及选择方法 掌握限流电抗器 高压熔断器 裸导体电缆 绝缘子和套管的选择方法 重点 高压电器的功能及选择 难点 互感器的误差 准确级和额定容量 本章学习要点 3 电气设备选择的一般条件高压电气设备的选择互感器的选择限流电抗器的选择裸导体 电缆 绝缘子和套管的选择 4 电气设备选择与校验条件 为了保障高压电气设备的可靠运行 高压电气设备选择与校验的一般条件有 第一 按正常工作条件包括电压 电流 频率 开断电流等选择 第二 按短路条件包括动稳定 热稳定校验 第三 按环境工作条件如温度 湿度 海拔等选择 第一节电气设备选择的一般条件 5 高压电气设备选择与校验项目 6 第一节电气设备选择的一般条件 一 按正常工作条件选择导体和电器的正常工作条件 额定电压 额定电流和自然环境条件 1 额定电压在选择设备时一般按照电气设备的额定电压UN不低于安装地点电网额定电压UNS的条件选择 即UN UNS2 额定电流在额定周围环境温度 0下 电气设备的长期允许电流Ial 或IN 应不小于该回路的最大持续工作电流Imax 即IN 或Ial Imax 7 回路最大持续工作电流Imax的计算 8 3 环境条件对设备选择的影响当周围环境温度 0和电气设备额定环境温度不等时 其长期允许工作电流应乘以修正系数K 即Ial KIN Imax式中 0为实际环境温度 max为导体长期发热的最高允许温度 9 二 按短路状态校验 1 短路热稳定校验 热稳定 电气设备承受短路电流热效应而不损坏的能力 热稳定度的校验条件是 式中It 电气设备允许通过的热稳定电流 t 电气设备允许通过的热稳定时间 Qk 短路电流产生的热效应 I 短路稳态电流值 tdz 短路电流热效应等值计算时间 10 2 短路动稳定校验 动稳定也称电动力稳定 是指电气设备承受短路电流机械效应的能力 满足动稳定的条件为 11 1 用熔断器保护的电器 其热稳定由熔断时间保证 故可不验算热稳定 2 采用限流电阻的熔断器保护的设备可不校验动稳定 电缆因有足够的强度 亦可不校验动稳定 3 装设在电压互感器回路中的裸导体和电器可不验算动 热稳定 下列几种情况可不校验热稳定或动稳定 12 3 短路电流的计算条件 1 容量按工程设计最终容量计算 其接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式 不考虑在切换过程中可能短时并列的接线方式 2 短路的种类可按三相短路考虑 若发电机出口的短路 或中性点直接接地系统 自耦变压器等回路中的单相 两相接地短路较三相短路严重时 则应按严重情况验算 3 短路计算点应选择在正常接线方式下 通过导体或电器的短路电流为最大的地点 13 14 1 发电机 变压器回路的断路器应把断路器前或后短路时通过断路器的电流值进行比较 取其较大者为短路计算点 2 母联断路器QF5应考虑母联断路器QF5闭合并向备用导体充电时 备用导体故障 即k4点短路 此时 全部短路电流流过母联断路器QF5及汇流导体 3 带电抗器的出线回路在导体和导体隔离开关隔板前的导体引线及套管 应按电抗器前如k7点短路选择 而对隔板后的导体和电器一般可按电抗器后k8为短路计算点 以便出线选用轻型断路器 节约投资 15 4 短路电流的实用计算方法 在进行电气设备的热稳定计算时 需要用短路后不同时刻的短路电流 即计及暂态过程 通常采用短路电流实用计算方法 即运算曲线法 16 4 短路电流热效应计算时间的确定 短路电流热效应计算时间tk为继电保护动作时间tpr和相应断路器的全分闸时间tbr之和 即tk tpr tbr式中tbr为断路器的固有分闸时间和燃弧时间之和 验算电气设备时宜采用后备保护动作时间 在验算裸导体的短路热效应时 宜采用主保护动作时间 如主保护有死区时 则采用能对该死区起作用的后备保护动作时间 并采用相应处的短路电流值 验算电缆时 对电动机等直馈线应采用主保护动作时间 其余宜按后备保护动作时间 在验算电器的短路热效应时 宜采用后备保护动作时间 17 开断电器的开断计算时间 对于开断电器 如断路器 熔断器等 应能在最严重的情况下开断短路电流 故电气设备的开断计算时间tbr是从短路瞬间开始到断路器灭弧触头分离的时间 其中包括主保护动作时间tpr1和断路器固有分闸时间tin之和 即tbr tpr1 tin 返回 18 仅用来在正常情况下 断开或闭合正常工作电流的开关电器 如高压负荷开关 低压闸刀开关 接触器 磁力启动器等 仅用来断开故障情况下的过负荷电流或短路电流的开关电器 如高 低压熔断器 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的开关电器 如高压断路器 低压自动空气断路器等 不要求断开或闭合电流 只用来在检修时隔离电压的开关电器 如隔离开关等 开关电器的类型 第二节高压电气设备的选择 19 引言 断路器的作用 在正常情况下 控制各种电力线路和设备的开断和关合 在电力系统发生故障时 自动地切除电力系统的短路电流 以保证电力系统的正常运行 20 一 电弧的形成与熄灭 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白光 称为电弧 此时 触头虽已分开 但电路中的电流还在继续流通 只有电弧熄灭 电路才被真正断开 电弧之所以能形成导电通道 是因为电弧柱中了出现大量自由电子的缘故 21 1 电弧的产生 维持与熄灭 电弧的产生阴极发射电子热电子发射强电场电子发射碰撞游离电弧的维持热游离去游离电弧的熄灭若游离过程大于去游离过程 则电弧继续燃烧 若去游离过程大于游离过程 则电弧逐渐熄灭 复合去游离 异性质点靠近而相互中和的现象 扩散去游离 带电质点逸出弧柱外的现象 22 影响游离和去游离的因素 温度 热游离 Q 速度 复合加强 Q 使温度降低的方法有 吹弧 拉长电弧 或与冷却介质表面接触 电场强度 E 运动速度 复合 Q 热游离 气体介质压力 F 自由行程缩短 离子浓度 复合 真空数目少 磁撞游离 扩散 23 2 交流电弧的熄灭 0 交流电弧的伏安特性特性 Uh 马鞍形状 A BA 燃弧电压B 熄弧电压 结论 交流电弧在自然过零时将自动熄灭 在下半个周期随电压增大电弧又重燃 24 2 交流电弧的熄灭 电弧温度随时间变化电弧电流数值随时间变动 电弧的功率也随电弧电流变动 电弧功率增大时 电弧的温度增加 反过来 当电弧功率减小时 电弧的温度降低 电弧有热惯性电弧的温度跟不上电流的变化 存在一个滞后过程 交流电弧每半周自动熄灭一次随着交流电流的周期性变化 电弧电流也将每隔半周过零一次 在电弧电流自然过零前后 电源向弧隙输送的能量较少 电弧温度和热游离下降 而去游离作用继续进行 电弧将自然熄灭 1 交流电弧的特性 25 2 交流电弧的熄灭 在交流电流过零时 电弧将自动熄灭 但不等于最终熄灭 在交流电弧自动熄灭后 弧隙中存在着两个恢复过程 弧隙介质强度恢复过程弧隙电压恢复过程 2 交流电弧的熄灭条件 26 2 交流电弧的熄灭 1 弧隙介质强度恢复过程 可见 真空断路器和SF6断路器灭弧性能较好 含义 弧隙中介质强度恢复到绝缘的正常状态的过程 以能耐受的电压ud t 表示 影响因素 主要是断路器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质 2 交流电弧的熄灭条件 27 2 交流电弧的熄灭 近阴极效应 1 弧隙介质强度恢复过程 2 交流电弧的熄灭条件 28 2 交流电弧的熄灭 2 弧隙电压恢复过程 含义 弧隙电压由熄弧电压逐渐恢复到电源电压的过程 以ur t 表示 影响因素 线路参数 负荷性质等 对不同的线路参数 弧隙电压恢复过程可能是周期性的变化过程或非周期性的变化过程 2 交流电弧的熄灭条件 29 2 交流电弧的熄灭 综上所述 在电弧自然熄灭后 弧隙中同时存在着两个恢复过程 即弧隙电压恢复过程ur t 和介质强度恢复过程ud t 可见 断路器开断交流电路时 熄灭电弧的条件应为 如果弧隙电压高于介质强度耐受电压 则弧隙就被击穿 电弧重燃 如果弧隙电压低于介质强度耐受电压 则电弧不再重燃 即最终熄灭 2 交流电弧的熄灭条件 30 2 交流电弧的熄灭 1 利用灭弧介质不同灭弧介质具有不同的传热能力 介电能力 热游离温度和热容量 这些参数的数值越大 则去游离作用越强 电弧就越容易熄灭 变压器油 压缩空气 SF6气体 真空2 采用特殊金属材料作灭弧触头采用熔点高 导热系数和热容量大的耐高温金属作触头材料 采用铜 钨合金和银 钨合金等 3 高压断路器熄灭交流电弧的基本方法 31 2 交流电弧的熄灭 3 利用气体或油吹动电弧吹弧利于冷却而使复合加强 带电离子的扩散 3 高压断路器熄灭交流电弧的基本方法 说明 在相同条件下 横吹比纵吹效果好 32 2 交流电弧的熄灭 4 采用多断口熄弧电弧被拉长 触头分离速度加快 断口电压降低 3 高压断路器熄灭交流电弧的基本方法 33 2 交流电弧的熄灭 5 拉长电弧并增大断路器触头的分离速度 3 高压断路器熄灭交流电弧的基本方法 电弧迅速拉长 减小弧柱中的电位梯度 增大接触面积 减小电弧单位能量 一般的分闸速度在16m s 34 高压断路器 隔离开关及高压熔断器选择校验项目 35 三 高压断路器的选择 1 种类 按灭弧介质和灭弧方式分油断路器 包括多油断路器和少油断路器 压缩 空气断路器SF6断路器真空断路器按安装地点分户内式 或屋内式 户外式 或屋外式 一 高压断路器型号和技术参数 36 三 高压断路器的选择 由字母和数字两部分组成的 2 型号 例如 SN10 10 3000 750型 一 高压断路器型号和技术参数 37 高压断路器的典型结构 开断元件操动机构绝缘支柱基座 38 1 开断元件断路器核心部件 它包括动触头 静触头 导电部件和灭弧室等 2 绝缘支柱断路器断口的引入载流导体和引出载流导体通过接线座连接 开断元件是带电的 放置在绝缘支柱上 使处在高电位状态下的触头和导电部分保证与接地的零电位部分绝缘 各部分的功能 39 3 操动机构提供动力使动触头完成开断动作和关合动作 操动机构与动触头的连接由传动机构和提升杆来实现 操动机构使断路器合闸 分闸 当断路器合闸后 操动机构使断路器维持在合闸状态 4 底座用于支撑和固定绝缘支柱 各部分的功能 40 各种类型断路器图片 SN10 10 型实例 1 外形 每相安装一个储油箱 三相联动 对地绝缘采用两个支持式绝缘子承担 采用CD10型操作机构 可实现手动和电动操作 SN10 10 型 41 单柱双断口110KV双柱四断口220KV三柱六断口330KV 机构箱 支持瓷瓶 底座 灭弧室 两个对称组成V形 均压电容 SW6型系列少油断路器实例 42 43 高压SF6断路器 各类六氟化硫断路器外观图 44 SF6断路器分类 SF6断路器的结构按照对地绝缘方式的不同可以分为落地罐式和瓷柱式两种 落地罐式 便于安装电流互感器 抗震性好 但系列性能差 高压SF6断路器 45 断路器的灭弧室可以布置成 T 或 Y 形 单断口 可布置成单柱式 灭弧室位于高电位 靠支柱绝缘套管对地绝缘 瓷柱式 高压SF6断路器 46 带互感器的六氟化硫断路器 室外高压SF6断路器 47 48 三 高压断路器的选择 额定电压UN kV 断路器正常工作时 系统的额定 线 电压 决定了绝缘水平 尺寸 灭弧条件 额定电流IN A 断路器可以长期通过的最大电流 当额定电流长期通过高压断路器时 其发热温度不应超过国家标准中规定的数值 决定了导体截面 结构 额定开断电流INbr kA 在额定电压下能正常开断的最大短路电流的有效值 3 技术参数 一 高压断路器型号和技术参数 49 三 高压断路器的选择 额定峰值耐受电流ies kA 在规定条件下 断路器在合闸位置时所能经受电流的峰值 它反映设备经受短路电流引起的电动力效应能力 3 技术参数 额定短时耐受电流It kA 在规定条件和时间下断路器在合闸位置时所能经受电流的峰值 它反映设备经受短路电流引起的热效应能力 额定短时关合电流iNcl kA 保证断路器能关合短路而不致于发生触头熔焊或其它损伤 所允许接通的最大短路电流 一 高压断路器型号和技术参数 50 三 高压断路器的选择 开断时间 ms 从断路器分闸线圈通电起至三相电弧完全熄灭为止的时间 开断时间由分闸时间和电弧燃烧时间或燃弧时间组成 3 技术参数 合闸时间 ms 从断路器开始接到合闸命令时起到三相均合闸为止的时间 合闸时间决定于断路器的操动机构及中间传动机构 一般合闸时间大于分闸时间 一 高压断路器型号和技术参数 51 三 高压断路器的选择 断路器种类和型式的选择依据各类断路器的特点及使用环境 条件决定 额定电压和电流的选择UN UNs IN Imax开断电流的选择INbr Ipt 简化计算中 INbr I 短路关合电流的选择iNcl ish 二 高压断路器的选择 52 三 高压断路器的选择 短路热稳定和动稳定校验动稳定校验 ies ish热稳定校验 It2t Qk 二 高压断路器的选择 53 1 动稳定校验断路器的允许极限通过电流 动稳定电流 大于流过电器的最大短路冲击电流 即ies ish2 热稳定校验短路电流产生的热效应应不大于断路器通过短路电流时的允许热效应 即 54 四 隔离开关的选择 隔离电压在检修电气设备时 用隔离开关将被检修的设备与电源电压隔离 以确保检修的安全 倒闸操作投入备用母线或旁路母线以及改变运行方式时 常用隔离开关配合断路器 协同操作来完成 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 1 隔离开关的作用 55 四 隔离开关的选择 2 隔离开关的类型 按装设地点分 按绝缘支柱分 按动触头运动方式分 按有无接地刀闸分 按操动机构分 按极数分 户内式和户外式单柱式 双柱式和三柱式水平旋转式 垂直旋转式 摆动式和插入式无接地刀闸 一侧有接地刀闸 两侧有接地刀闸手动式 电动式 气动式 液动式单极 双极 三极 56 四 隔离开关的选择 型式的选择额定电压的选择额定电流的选择短路热稳定校验短路动稳定校验 3 隔离开关的选择和校验项目 57 隔离开关的型号 G 改进型D 带有接地刀K 表示快速分闸型M 表示慢速分闸型 GN10 35G T 1000 GW4 12D 630 58 59 60 单柱隔离开关 双柱隔离开关 61 62 例 如图所示降压变电所中一台变压器 容量为7500KVA 系统中的短路电压百分比为Uk 7 5 二次母线电压为10kV 变电所由无限大容量系统供电 二次母线上的短路电流为I I 5 5kA 作用于高压断路器的定时限保护装置的动作时限为1s 瞬时动作保护装置的动作时间为0 05s 拟采用高速动作的高压断路器 其固有开断时间为0 05s 灭弧时间为0 05s 断路器全开断时间则为top 0 05 0 05 0 1s 是选择高压断路器与隔离开关 63 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 短路冲击电流值为 短路电流热效应的等值计算时间为 可忽略tk 则tke tk 1 1s 64 根据上述计算数据结合具体情况和选择条件 选择户内SN10 10I 600型的高压断路器和GN7 10 600型的隔离开关 经短路稳定性校验 均合格 将计算数据和其额定数据列于下表中 65 五 高压熔断器的选择 熔断器的作用和工作原理 当流过熔断器熔体或熔丝的电流超过一定数值时 熔体自身产生的热量就能自动地将熔体熔断 从而达到开断电路 保护电气设备的目的 66 五 高压熔断器的选择 高压熔断器由金属熔体 触头 灭弧装置 绝缘底座 熔断器的结构 67 熔断器的分类 1 限流式熔断器是指熔体在短路电流未达到最大值 冲击电流值 之前 就立即熔断使电流减小到零 因而这种熔断器可以大大减轻电气设备在短路时所受的损害 2 非限流熔断器在熔体熔化后 电流几乎不减小 仍继续达到其最大值 在电流第一次过零或经过几个半周期之后电弧才熄灭 五 高压熔断器的选择 68 熔断器的保护特性 安 秒特性 熔体熔断电流和熔断时间之间呈现反时限特性 其关系曲线称为熔断器的保护特性 也称安秒特性曲线 69 熔断器的保护特性 选择特性 70 五 高压熔断器的选择 高压熔断器应根据下列条件选择 1 额定电压 2 额定电流 3 开断电流 4 保护熔断特性 1 额定电压的选择熔断器的额定电压应不小于所在电网的额定电压 即UN UNs 71 2 额定电流的选择断路器的额定电流包括熔管的额定电流INft和熔体的额定电流INfs 1 熔管额定电流的选择熔管的额定电流INft应大于或等于熔体的额定电流INfs 即INft INfs 72 2 熔体额定电流的选择 1 保护35kV以下电力变压器的高压熔断器 其熔体的额定电流可下式选择 INfs KImax Imax 电力变压器回路最大工作电流 2 用于保护电力电容器的高压熔断器其熔体按下式选择 INfs KINc INc 电力电容器回路的额定电流 K 可靠系数 对限流高压熔断器 当一台电力电容器时K 1 5 2 0 当一组电力电容器K 1 3 1 8 73 3 开断电流的校验INbr Ish 或I 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 在电流过最大值之前已截断 故可不计非周期分量影响 而采用I 进行校验 74 4 保护熔断特性的校验根据保护动作选择性的要求校验熔断器的额定电流 使其保证前后两级熔断器之间或熔断器与电源侧 或负荷侧 继电保护之间动作的选择性 保护电压互感器用的熔断器 只需按额定电压和开断电流选择 75 76 为了保证前后两级熔断器之间或熔断器与电源 或负荷 保护之间动作的选择性 应进行熔体选择性校验 上下级均是熔断器时 要保证选择性 一般要满足熔体的过电流选择比 1 6 1或2 1t上 3t下 77 对于保护电压互感器用的高压熔断器 只需按额定电压及开断电流两项来选择 电压互感器保护专用熔断器 RN2和RN6型结构原理分别与RNl和RN5型相同 熔体额定电流只有0 5A一个规格 无指示装置 动作后可由电压互感器二次侧的电压表判断 RN2 35kV RN2 10kV 返回 78 第三节互感器的选择 互感器的作用 将一次侧的高电压 大电流转变成二次侧标准的低电压 100V 小电流 5A 使测量仪表标准化 小型化 将一次系统同二次设备 仪表 保护 隔开 以保护人身安全 79 互感器的类型 电流互感器电磁式电流互感器电压互感器电磁式电压互感器电容式电压互感器 80 一 电磁式电流互感器 电磁式电流互感器的工作原理和变压器相似 电磁式电流互感器的特点是 一次绕组串联在电路中且匝数很少 而二次绕组与负载的电流线圈串联且匝数多 二次绕组所接负载阻抗很小 类似于二次侧短路的变压器 1 工作原理 81 一 电磁式电流互感器 1 工作原理 82 一 电磁式电流互感器 由于电流互感器本身存在励磁损耗和磁饱和等影响 使一次电流在数值上和相位上都有差异 即测量结果有误差 通常用电流误差和相位误差表示 2 误差及影响因素 电流误差 相位误差 83 一 电磁式电流互感器 影响误差的因素 2 误差及影响因素 84 一 电磁式电流互感器 影响误差的因素 2 误差及影响因素 85 一 电磁式电流互感器 影响误差的因素 2 误差及影响因素 结论 运行中的电流互感器二次回路绝对不允许开路 电流互感器二次回路内不允许安装熔断器 86 一 电磁式电流互感器 准确级 根据测量时误差的大小而划分的 是指在规定的二次负载范围内 一次电流为额定值时的最大误差 3 准确级和额定容量 87 一 电磁式电流互感器 额定容量 3 准确级和额定容量 S2N是指在额定二次电流I2N和额定二次阻抗Z2N下运行时 二次绕组输出的容量 S2N I2N2Z2N 两点说明 由于二次电流为标准值 所以S2N常用Z2N表示 由于误差与二次负荷有关 所以同一台电流互感器使用在不同准确级时 会有不同的额定容量 88 一 电磁式电流互感器 按安装地点分 户内型户外型按结构分 单匝式 贯穿式 母线式多匝式 线圈式 8 字型 U字型 4 分类 89 90 一 电磁式电流互感器 按安装方式分 穿墙式 装在墙壁或金属结构的孔中支持式 又称支柱式 安装在平面或支柱上装入式 套装在35KV及以上T或QF的套管上 4 分类 按绝缘方式分 干式 用绝缘胶绝缘 适用于低电压浇注式 用环氧树脂绝缘 适用于10 35kV油浸式 用油绝缘 适用于35kV以上气体式 用SF6气体绝缘 多用于110KV及以上 91 92 电流互感器型号 93 各种类型电流互感器图片 94 95 220KVCT 96 一 电磁式电流互感器 5 接线 单相接线 星形接线 不完全星形接线 97 一 电磁式电流互感器 种类和型式的选择 根据安装地点 如屋内 屋外 和安装方式 如穿墙式 支持式 装入式等 选择型式 当一次电流较小时 在400A及以下 时 宜优先选用一次绕组多匝式 以提高准确度 当采用弱电控制或配电装置距离控制室较远时 二次额定电流应尽量采用1A 而强电用5A 一次回路额定电压和电流的选择 UN UNs I1N Imax I1N应尽可能与最大工作电流接近 6 选择 98 一 电磁式电流互感器 准确级和额定容量的选择 为保证测量仪表的准确度 电流互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级 当所供仪表要求不同准确级时 应按相应最高级别来确定电流互感器的准确级 互感器按选定准确级所规定的额定容量S2N应大于或等于二次侧所接负荷I2N2Z2L 即S2N S2 I2N2Z2L 6 选择 99 为保证互感器的准确级 互感器二次侧所接实际负载Z2L或所消耗的实际容量S2应不大于该准确级所规定的额定负载Z2N或额定容量S2N 即 ra rre 电流互感器二次回路中所接仪表内阻的总和与所接继电器内阻的总和 rL 电流互感器二次连接导线的电阻 rc 电流互感器二次连线的接触电阻 一般取0 1 100 可将二次负荷校验条件转化为求连接导线的最小截面 连接导线的电阻应满足 连接导线的电阻率 Lc 连接导线的计算长度 m 与仪表和继电器至电流互感器安装地点的实际距离及电流互感器的接线方式有关 单相接线LC 2L 星形接线LC L 不完全星形接线LC 3L 101 一 电磁式电流互感器 热稳定和动稳定校验 对本身带有一次回路导体的电流互感器进行热稳定校验 电流互感器热稳定能力常以1s允许通过的热稳定电流It或一次额定电流I1N的倍数Kt Kt It I1N 来表示 热稳定校验式为It2 Qk或 KtI1N 2 Qk 6 选择 102 一 电磁式电流互感器 热稳定和动稳定校验 动稳定校验包括由同一相的电流相互作用产生的内部电动力校验 以及不同相的电流相互作用产生的外部电动力校验 多匝式一次绕组主要经受内部电动力 单匝式一次绕组不存在内部电动力 则电动力稳定性由外部电动力决定 6 选择 103 一 电磁式电流互感器 热稳定和动稳定校验 6 选择 ies Kes TA的动稳定电流及动稳定电流倍数 Fal TA瓷帽上的允许力 N 0 5 互感器瓷套顶部承受该跨上电动力的一半 ish 短路冲击电流幅值 A l TA出线端至最近一个导体支柱绝缘子之间的跨距 m a 相间距离 m 104 105 解 1 选择电流互感器 2 选择电流互感器连接导线截面 106 3 热稳定校验 4 动稳定校验 107 二 电压互感器 目前电力系统广泛应用的电压互感器主要有两种 电磁式电容分压式 108 一 电磁式电压互感器 电磁式电压互感器的工作原理和变压器相似 电磁式电压互感器的特点是 一次绕组并联在电路中且匝数多 而二次绕组匝数少 二次绕组所接负载均并联且阻抗大 二次侧近似于开路或空载 1 工作原理 109 一 电磁式电压互感器 1 工作原理 110 一 电磁式电压互感器 由于电压互感器存在励磁电流和内阻抗 使得测量结果的大小和相位都有误差 通常用电压误差和相位误差表示 2 误差及影响因素 电压误差 相位误差 111 一 电磁式电压互感器 影响误差的因素 2 误差及影响因素 112 一 电磁式电压互感器 准确级 在规定的一次电压和二次负荷变化范围内 负荷功率因数为额定值时 电压误差的最大误差 3 准确级和额定容量 113 一 电磁式电压互感器 额定容量 3 准确级和额定容量 由于误差与二次负荷有关 所以同一台电压互感器对应于不同的准确级便有不同的容量 额定容量 对应于最高准确级的容量 最大容量 按照在最高工作电压下长期工作允许发热条件所规定的容量 114 一 电磁式电压互感器 按安装地点分 户内型户外型按相数分 单相 35kV及以上三相 35kV以下 三相五柱式 4 分类 115 一 电磁式电压互感器 按绝缘方式分 浇注式 用环氧树脂绝缘 3 35kV油浸式 用油绝缘 110kV及以上按结构分 普通式 同变压器 3 35kV串级式 采用分级绝缘 110kV及以上 4 分类 按绕组数分 双绕组三绕组 116 117 各种类型电压互感器图片 118 油浸式电压互感器 普通油浸式电压互感器的额定电压制成3 35KV等级 铁芯和绕组均放在充满油的油箱内 绕组通过套管引出 JDJ 10 119 120 浇注式电压互感器 121 二 电容式电压互感器 实质上是一个电容分压器 1 工作原理 当a b间接上负荷时 由于C1 C2有内阻压降 使UC2小于电容分压值 而且负荷电流越大 误差越大 当a b间开路时 按反比分压 有 122 二 电容式电压互感器 实质上是一个电容分压器 1 工作原理 实际上 由于电容器有损耗 电抗器有电阻 使内阻不可能为零 因此负荷变化时 还会有误差产生 减小分压器的输出电流 可减小误差 故将测量仪表 Z2L 经中间变压器TV升压后与分压器连接 123 二 电容式电压互感器 2 过电压 二次侧短路引起的过电流和过电压 所以应加放电间隙E 铁磁谐振过电压 由于电容式电压互感器是由电容和非线性电抗所构成 当受到二次侧短路 断开等冲击瞬变作用时 由于非线性电抗的饱和 可能激发产生次谐波铁磁谐振 抑制方法是装设阻尼电阻rd 谐振时自动投入 124 二 电容式电压互感器 优点 制造简单 重量轻 成本低 电压等级越高越明显 分压电容兼作载波通讯的耦合电容 缺点 输出容量小 误差比电磁式大 且受频率的影响 暂态特性不如电磁式PT好 3 特点 125 三 电压互感器的接线 用一台单相电压互感器测量相电压 用一台单相电压互感器测量相间电压 用两台单相电压互感器接成不完全星形测量各相间电压 126 三 电压互感器的接线 3 220kV 用三台单相三绕组电压互感器构成YN yn d0接线 电容式电压互感器构成YN yn d0接线 127 四 电压互感器的选择 种类和型式的选择 1 在6 35kV屋内配电装置中 一般采用油浸式或浇注式电压互感器 110 220kV配电装置特别是母线上装设的电压互感器 通常采用串级式电磁式电压互感器 当容量和准确级满足要求时 通常多在出线上采用电容式电压互感器 2 在500kV配电装置中 配置有双套主保护 并考虑到后备保护 自动装置和测量的要求 电压互感器应具有三个二次绕组 即两个主二次绕组和一个辅助二次绕组 3 为节省投资 在20kV及以下配电装置中 可选用三相式电压互感器 选用三相五柱式 而不是三相三柱式 4 用于接入精度要求较高的计费电能表时 不宜采用三相式电压互感器 根据装设地点和使用条件选择种类和型式 128 四 电压互感器的选择 一次额定电压和二次额定电压的选择 3 35kV电压互感器一般经隔离开关和熔断器接入高压电网 110kV及以上的互感器可靠性较高 电压互感器只经过隔离开关与电网连接 电压互感器一次绕组额定电压U1N 应根据互感器的接线方式来确定其相电压或相间电压 常用接线有 1 用一台单相电压互感器测量相对地电压或相间电压 2 用三台单相或三相式电压互感器测量相间电压或相对地电压 3 用两台单相电压互感器接成不完全星形测量两个相间电压 电压互感器二次绕组额定电压通常是供额定电压为100V的仪表和继电器的电压绕组使用 显然 单个单相式电压互感器的二次绕组电压为100V 而其余可获得相间电压的接线方式 二次绕组电压为100 129 1 电压互感器一次回路额定电压选择 为了确保电压互感器安全和在规定的准确级下运行 电压互感器一次绕组所接电力网电压应在 1 1 0 9 UN1范围内变动 即满足下列条件 1 1U1N UNs 0 9U1N式中 U1N 电压互感器一次侧额定电压 UNs 电网电压 130 2 电压互感器二次侧额定电压的选择 J指中性点直接接地系统 131 四 电压互感器的选择 容量和准确级的选择 根据仪表和继电器的接线要求 选择电压互感器的接线方式 并尽可能将负荷均匀分布在各相上 然后计算各相负荷大小 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 互感器的额定二次容量 对应于所要求的准确级 S2N应不小于互感器的二次负荷S2 即 S2N S2 一般供功率测量 电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0 5级或1级的 只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜 132 四 电压互感器的选择 容量和准确级的选择 若电压互感器与负荷的接线方式不同1 互感器为星形 负荷为不完全星形接线 用下表中相应公式计算出电压互感器每相有功功率负荷和无功功率负荷 并与互感器接线方式相同的负荷相加 可得二次负荷为取最大相负荷进行比较 133 四 电压互感器的选择 容量和准确级的选择 2 互感器为不完全星形 负荷为星形接线 用下表中相应公式计算出电压互感器相间有功功率负荷和无功功率负荷 并与互感器接线方式相同的负荷相加 可得二次负荷为取最大的相间负荷进行比较 134 电压互感器二次绕组负荷计算公式 135 136 137 138 139 三 互感器在主接线中配置原则 互感器在主接线中的配置与测量仪表 同步点的选择 保护和自动装置的要求以及主接线的形式有关 互感器的配置包括 电压互感器的配置 电流互感器的配置 图6 14为发电厂中互感器配置示例 140 1 电压互感器的配置 除旁路母线外 一般工作及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 旁路母线上是否装设电压互感器要根据出线同期方式而定 1 母线 141 1 电压互感器的配置 35kV及以上输电线路 当对端有电源时 装有一台单相电压互感器 用于监视线路有无电压 进行同步和设置重合闸 2 线路 142 1 电压互感器的配置 一般装2 3组电压互感器 一组供自动调节励磁装置 采用三只单相 双绕组互感器 另一组供测量仪表 同期和保护装置使用 采用三相五柱式或三只单相接地专用互感器 3 发电机 143 1 电压互感器的配置 当互感器负荷太大时 可增设一组不完全星形连接的互感器 专供测量仪表用 3 发电机 大 中型发电机中性点常接有单相电压互感器 用于100 定子接地保护 144 1 电压互感器的配置 变压器低压侧有时为了满足同期或继电保护的要求 设有一组电压互感器 4 变压器 145 2 电流互感器的配置 对于中性点接地系统 一般按三相配置 对于中性点非接地系统 依具体情况按二相或三相配置 1 为了满足测量和保护装置的需要 在发电机 变压器 出线 母线分段及母联断路器 旁路断路器等回路中均设有电流互感器 146 2 电流互感器的配置 如有两组电流互感器 应尽可能设在断路器两侧 使断路器处于交叉保护范围之中 2 保护用电流互感器的装设地点 应按尽量消除主保护装置的死区来设置 147 2 电流互感器的配置 3 为了防止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 即尽可能不在紧靠母线侧装设电流互感器 148 2 电流互感器的配置 4 为了减轻内部故障对发电机的损伤 用于自动调节励磁装置的电流互感器应布置在发电机定子绕组的出线侧 为了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装在发电机中性点侧 149 四 高压互感器的新进展 电子式互感器传感原理与传统互感器相同 区别只是传感部分不传送功率而只传送信号 再由电子放大器放大后送到负荷 依靠光导纤维传递光信号 并作为互感器高低压侧之间的绝缘 电光式互感器利用材料的磁光效应或电光效应 将电流的变化转换成激光或光波 经过光通道传送到低压侧 再转变成电信号 经放大后供仪表和继电器使用 由于采用了电光变换和光导纤维传递 使互感器造价降低 尺寸减小 频率特性改善 因而成为高压互感器的发展方向 返回 150 电力系统中使用的电抗器 分为普通电抗器和分裂电抗器两种 一般按下列项目选择和校验 1 额定电压 2 额定电流 3 电抗百分数 4 动稳定 5 热稳定 第四节限流电抗器的选择 151 152 一 额定电压的选择电抗器的额定电压UN应大于或等于所在电网的额定电压UNs 即UN UNs二 额定电流的选择电抗器的额定电流IN应大于或等于流过它的最大持续工作电流Imax 即IN Imax 153 三 电抗百分数的选择1 电抗百分数的计算1 电抗器的百分值 是以其本身额定电压和额定电流为基准2 在所选基准电压和基准电流下的电抗器的标幺值 154 2 普通电抗器电抗百分数的选择选择出线电抗器的的条件是 经过电抗器限流后的次暂态短路电流I 不大于轻型断路器的额定开断电流INbr 1 电源至短路点的总电抗标幺值 155 2 估算所需电抗器的电抗标幺值及在额定参数下的百分电抗 所选电抗器的百分电抗要大于估算结果xL 出线电抗器的电抗百分值一般选3 6 导体电抗器电抗百分值一般选8 12 156 3 电压损失校验电压损失主要是由回路电流的无功分量在电抗上产生的 负荷功率因数角 一般取sin 0 6 4 导体残压校验 157 3 分裂电抗器的选择由于分裂电抗器产品按单臂自感电抗xL1 给出 xL1 与xL 之间应进行换算 1 仅当3侧有电源时 1或2侧短路时2 当1 2侧均有电源 3侧短路时 158 电压波动的选择1 母线1段的电压U1 159 四 热稳定和动稳定校验热稳定 动稳定 160 例 试选择某发电机10KV机压母线上的出线电抗器 要求装设出线电抗器后可以采用SN10 10I型断路器 额定开断电流为INbr 16KA 已知线路最大持续工作电流为350A 功率因数为0 8 系统火电厂总容量300MVA 归算到电抗器前的系统总电抗为0 378 出线继电保护动作时间为2s 断路器全开断时间为0 1s 解 1 选择电抗器 161 2 选择电抗值 162 2 选择电抗值 163 2 选择电抗值 164 3 短路时动 热稳定校验 165 运算曲线法 166 167 168 169 4 电压损失及短路时残压校验 返回 170 第五节裸导体 电缆 绝缘子和套管的选择 一 裸导体 母线 1 作用 汇集 分配电能2 母线类型 按绝缘方式分 敞露母线和封闭母线按质地分 软母线和硬母线 171 3 硬母线 铜 导电率高 机械强度高 抗腐蚀性能好 铝 导电率较低 重量轻 截面大 耐腐蚀性能差 钢 导电率差 趋肤效应严重 损耗较大 4 软母线 钢芯铝绞线屋外配电装置可采用软母线或硬母线 屋内配电装置常采用硬母线 升压母线以前多采用软母线 现35 500KV升压母线采用管形硬母线 172 二 裸导体的选择配电装置中的导体 应根据具体使用情况按下列条件选择和校验 导体材料 截面形状和布置方式 导体截面尺寸 电晕 热稳定 动稳定 共振频率 173 1 导体选型 导体一般采用导电率高的铝 铜型材料制成 常用的硬导体截面形状为矩形 槽形和管形 导体的散热条件和机械强度与导体的布置方式有关 174 钢芯铝绞线母线 管形母线一般采用三相水平布置 矩形 双槽形母线常用三相水平布置和三相垂直布置 175 2 导体截面的选择 1 按导体长期发热允许电流选择导体所在电路中最大持续工作电流Imax应不大于导体长期发热的允许电流Ial 即 Ial 相应于导体允许温度和基准环境条件下导体长期允许电流 K 综合修正系数 与环境温度和导体连接方式等有关 如果仅计及环境温度修正 当 al 70 并且不计日照时 176 2 按经济电流密度选择 SJ 导体的经济截面 mm2 Imax 正常工作时的最大持续工作电流 A J 经济电流密度 A mm2 177 178 3 电晕电压校验 1 对于110 220kV裸母线 可按晴天不发生全面电晕条件进行校验 即裸导体的临界电压Ucr应大于其最高工作电压Umax为 2 对于330 500kV超高压配电装置 电晕是选择导线的控制条件 要求在1 1倍最高运行的相电压下 晴天夜间不发生可见电晕 Ucr Umax 电晕是一种强电场下的放电现象 电晕放电将引起电晕损耗 无线电干扰 噪声干扰和金属腐蚀等许多不利现象 179 4 热稳定校验 满足热稳定的条件是 180 5 硬导体动稳定校验 安装在支持绝缘子上的硬导体 当短路冲击电流通过导体时 电动力将使导体产生弯曲应力 因此 导体应按弯曲情况进行应力计算 软导体不必进行动稳定校验 181 5 硬导体动稳定校验 1 矩形导体应力计算1 单条矩形导体构成母线的应力计算 导体最大相间计算应力 ph为式中 fph为单位长度母线上所受最大相间电动力 N m L为母线支持绝缘子之间的跨距 m W为导体对垂直于作用力方向轴的截面系数 又称抗弯矩 m3 M为导体所受最大弯矩 N m 182 硬母线动稳定校验 当两跨以上时 其最大弯曲力矩为 若只有两跨时 其最大弯曲力矩为 183 硬导体动稳定校验 铝排 W 抗弯矩 184 导体的动稳定性校验条件为 185 最大允许跨距 式中 fph 单位长度导线上所受的电动力 N m 计算得到的Lmax可能较大 为了避免水平