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第四章高压电气设备选择 电气设备选择的一般原则开关电弧高压开关设备选择母线及绝缘子选择限流电抗器的选择互感器的选择 1 第一节电气设备选择的一般原则 2 电气设备选择的一般原则按正常工作条件下选择额定电流 额定电压及型号等 按短路情况下校验开关的开断能力 短路热稳定和动稳定 3 一 按正常工作条件选择电气设备 1 环境选择电气设备时还应考虑设备的安装地点 环境及工作条件 合理地选择设备的类型 如户内户外 海拔高度 环境温度及防尘 防腐 防爆等 2 电压电气设备的额定电压电气设备的额定电压不得低于所接电网额定电压 对于高压电气设备其最高允许电压为 1 1 1 15 UN 电网最高允许的电压为1 1UNS 因此电气设备的额定电压UN UNS我国普通电器额定电压是按照海拔1000m设计的 如果在高海拔区域 还要采取必要措施 增加电气设备的绝缘 4 3 电流电气设备的额定电流IN应不小于该回路的最大长时负荷电流Ilo m或计算电流Ica 即IN Ilo m电气设备的额定电流时指规定环境温度为 40 时 长期允许通过的最大电流 如果环境温度不一样 应对额定电流值进行修正 当高于 40 时 每增加1 额定电流减小1 8 当低于 40 时 每降低1 额定电流增大0 5 但总的增加值不能超过额定电流的20 5 如果已知电气设备的最高允许工作温度 当环境最高温度高于40 而且不超过60 的时候 额定电流也可以按照下式进行修正 6 二 按短路情况进行校验1 热稳定校验当短路电流通过电气设备时 电器的各部件温度 发热效应 应不超过短时允许的发热温度即 7 2 动稳定性校验短路电流通过电器时 电气设备各部件应能承受短路所产生的机械力效应 不发生变形损坏 即 常用高压电器设备的选择与校验项目如表4 1所示 8 第二节开关电弧 9 在断路器切断通有电流的回路时 只要电源电压大于10 20V 电流大于80 100mA 在动静触头分开瞬间 触头间隙会产生电弧 此时触头虽然分开 但是电路中的电流还在流通 只有电弧熄灭 电路才能真正断开 10 一 电弧的形成 电弧是一种游离气体的放电现象电弧的产生和维持是触头间隙的绝缘介质的中性质点 分子和原子 被游离的结果 游离时指中性质点转化为带电质点的现象 电弧的形成就是气态介质或者液体介质高温气化后的气态介质向等离子体态的转化过程 强电场发射是触点间隙最初产生电子的主要原因在触电刚分开的瞬间 间隙很小 间隙的电场强度很大 阴极表明的电子被电场力拉出而进入触点间隙成为自由电子 11 电弧的产生是碰撞游离所致阴极表面发射的电子和触头间隙原有的少数电子在强电场作用下 加速向阳极移动并积累动能 当有足够大的动能的电子与介质的中性质点相碰撞的时候 产生正离子和新的自由电子 这种现象不断的发生的结果导致触头间隙的电子与正离子大量增加 定向移动形成电流 间隙被击穿 电流急剧增大 出现光效应和热效应形成电弧 热游离维持电弧的燃烧电弧形成后 弧隙温度剧增 可达6000 10000 C以上 高温使得弧隙中性质点获得大量的动能 这种热运动足以维持电弧的燃烧 12 二 电弧的熄灭在中性质点发生游离的同时 还存在着使带电质点不断减少的去游离 去游离分为 复合与扩散 1 复合复合是指异性带点质点彼此的中和现象 复合速度与以下因素有关带电质点浓度越大 复合几率越高电弧温度越低 带电质点运动速度越慢弧隙电场强度小 带电质点运动速度慢 复合几率高 13 2 扩散扩散是指带电质点从弧隙逸出进入周围介质中的现象 扩散去游离主要有两种 温度扩散 弧隙与周围介质的温差越大 扩散越强 用冷却介质吹弧或者电弧在周围介质中运行 可以增大电弧与周围介质的温差 加强扩散左右 浓度扩散 电弧与周围介质离子的浓度相差越大 扩散越强烈 当游离大于去游离时 电子与离子浓度增加 电弧加强 当游离与去游离相等时 电弧稳定燃烧 当游离小于去游离时 电弧减少以致熄灭 14 三 交流电弧的开断交流电弧电流每周期自然过零2次 在电流过零时 电弧暂时熄灭 因此 熄灭交流电弧就是让交流电弧过零后电弧不重燃 交流电弧过零后是否重燃取决于 1 电源加在弧隙上的恢复电压 是指电源电压施加于弧隙上的电压从不大的熄弧电压逐渐增大直到电源电压的过程2 弧隙介质强度的耐压能力的恢复情况 是指电弧电流过零时熄灭 而弧隙的绝缘能力要经过一定时间才能恢复到绝缘的正常过程 由开关电器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质决定 15 四 灭弧的基本方法灭弧的基本方法就是加强去游离提高弧隙介质强度的恢复过程 或者改变电路参数降低弧隙电压的恢复过程 主要方法有 1 利用介质灭弧 如六氟化硫2 利用气体或者油吹动电弧3 采用特殊的金属材料作灭弧触头 如铜钨合金 银铜钨合金4 电磁吹弧5 使电弧在固体介质的狭缝中运行6 将长弧分隔成短弧7 采用多断口灭弧8 提高断路器触头的分离速度 16 第三节高压开关设备选择 17 高压开关设备主要指高压断路器 高压熔断器 高压隔离开关和高压负荷开关等 一 高压断路器的选择 具有完善的灭弧装置 是一种专门用于断开或者接通电路的开关设备 正常运行时 将设备和线路接入或者退出运行 起着控制作用 当设备发生故障时 能快速切除故障回路 保证无故障部分正常运行 起到保护作用 18 1 高压断路器的种类按照灭弧介质分 1 油断路器 分为多油与少油两种 多油断路器中的油起到绝缘和灭弧的作用 少油断路器的油只作为灭弧介质 可以产生横吹 纵吹以及机械运行引起的油吹的作用下 使电弧熄灭 多油断路器油量大 体积大 钢材消耗多 动作慢 检修量大 安装搬运不方便 容易发生火灾 以及淘汰 少油断路器具有结构简单 用油少 体积小 运行比较安全的特点 但是 由于少油断路器性能差和油的易燃易爆性正逐步被淘汰 19 少油断路器 多油断路器 20 2 六氟化硫断路器 六氟化硫断路器是利用六氟化硫气体作为绝缘和灭弧介质的断路器 由于六氟化硫优良的绝缘性能和灭弧性能 六氟化硫断路器发展迅速 可以在6 500kV系统使用 主要在110kV以上电力系统中使用 根据灭弧室的结构分为 压气式 自能灭弧式 悬弧式 膨胀式 混合灭弧式 LN1 LN2型为气压式的LW3型户外式为悬弧灭弧结构 21 高压六氟化硫断路器 35kV六氟化硫断路器 22 3 真空断路器 利用真空作为绝缘和灭弧介质的断路器 按照安装地点的不一样 分为户内式和户外式 真空断路器是无油改造的理想设备 主要在35kV以下电力系统中使用真空断路器 23 24 2 高压断路器的选择除一般电气设备的选择原则外 还必须按断路器的功能校验其额定断流容量 额定关合电流等 1 按工作环境选型按照各类断路器的特点及使用环境 条件选择其形式 特殊工作条件 特殊形状等2 按所在的电网电压选择高压断路器的额定电压 应不小于所在电网的额定电压 25 3 按所在回路最大长时负荷电流选择额定电流高压断路器的额定电流应不小于所在回路的最大长时负荷电流 即 26 4 校验断路器的热稳定短路电流通过高压断路器时 满足热稳定的条件是各部件温度不超过短时允许发热温度 即 27 5 校验断路器的动稳定短路电流通过高压断路器时 其各部分应能承受的短路电流通过产生的机械力效应 不发生形变损坏 即 28 6 校验断路器的开断能力高压断路器必须可靠的切除通过它的最大短路电流 其额定开断电流应不小于开断瞬间的最大短路电流 即 29 7 校验断路器的额定关合电流在断路器合闸之前 如果线路上面已经存在短路故障 则在合闸过程中 动静触头在未接触时即有巨大的短路电流通过 触头更容易熔焊和受电动力的损坏 为保证断路器在关合短路电流时的安全 断路器的额定关合电流不应小于短路电流最大冲击值 即 例题讲解 见书上4 1 30 二 高压负荷开关的选择负荷开关 QL 是专门用于接通和断开负荷电流的开关设备 具有简单的灭弧装置和明显的断开点 可通断负荷电流和过负荷电流 具有隔离开关的作用 但不能断开短路电流 1 高压负荷开关的种类产气式 压气式 真空式和SF6等2 适用场合无油化 不检修 要求频繁操作的场合 与熔断器配合可作为容量不大或者不重要用户的电源开关 3 校验额定电压 额定电流选择 按动 热稳定性校验 31 fn12 12系列户内高压负荷开关 yb系高压真空负荷开关 户外交流高压真空隔离负荷开关 32 三 高压隔离开关的选择高压隔离开关 QS 是主要功能是隔离高压电源 以保证其他设备和线路的安全检修及人身安全 隔离开关没有灭弧装置 不能带电拉 合闸 与断路器配合使用时 必须保证 先通后断 通常应在隔离开关和断路器之间设置闭锁机构 以防误操作 33 34 1 高压隔离开关的种类按安装地点分 户内式 户外式 按有无接地开关分 不接地 单接地 双接地2 适用场合配合断路器使用 也可以通断一定的小电流 3 校验按电网电压 额定电流及环境条件选择 并按短路电流校验其动 热稳定性 35 四 高压熔断器的选择高压熔断器 FU 是一种过流保护元件 由熔件与熔管两部分组成 当过载或短路时 电流增大 其熔件熔断 达到切除故障保护设备的目的 熔件通过的电流越大 其熔断时间越短 电流与熔断时时间的关系曲线叫做熔件的安 秒特性曲线 在选择熔件时 除了保证在正常工作条件下熔件不熔断外 为了使保护具有选择性 还应使其安 秒特性符合保护选择性的要求 36 安 秒特性曲线 37 1 高压熔断器的种类按安装地点分 户内式 户外式 按灭弧方式 气体材料灭弧 石英砂灭弧电流等级分 3 5 10 15 20 30 40 50 75等2 校验除按工作环境 电网电压 长时最大负荷电流选型外 还必须校验熔断器的断流容量 即 38 户外高压熔断器 rw10型高压跌落式熔断器 rn1rn2熔管 高压熔断器 39 2 校验限流式的熔断器 不能用在低于其额定电压的电网上 以免熔件熔断时电弧电阻过大而出现截流过电压 熔断器的额定电流有2个 即熔件和熔管的额定电流 即所选熔件应在最大长时负荷电流及设备起动电流的作用下不熔断 在短路电流作用下可靠熔断 与上级保护装置的动作时限配合 以免保护装置越级动作 熔断器的额定电流可按变压器额定电流的1 5 2倍选取 40 五 高压开关柜的选择高压开关柜属于高压成套配电装置 按一定的接线方式将同一回路的开关电器 母线 计量表计 保护电器及操动机构等组装在一个金属柜中 称为一套完整的配电装置 优点是 节省空间 方便安装 可靠供电 美化环境 1 高压开关柜的种类按结构形式分 固定式 移动式 按作用分 进线柜 馈线柜 电压互感器柜 高压电容柜 电能计量柜 高压环网柜等 2 选择1 选择高压开关柜的型号2 选择高压开关柜的回路方案编号 41 42 第四节母线及绝缘子选择 43 一 母线的选择母线的选择包括母线选型 截面积选择以及动热稳定校验1 母线的选择母线选型包括材料 截面形状和布置方式材料 铜 铝 铝合金等截面形状 矩形 管型 多股绞线布置方式 平放 竖放 44 1 按最大长时负荷电流选择 2 按经济电流密度选择母线截面 2 选择母线截面积选择 45 3 按短路条件进行校验1 母线热稳定性校验所选母线的截面应不小于最小热稳定截面 即2 母线动稳定性校验母线材料允许应力应不小于短路电流作用母线上的电动应力 46 二 母线支柱绝缘子和套管绝缘子的选择支柱绝缘子对着母线起着支持 固定与绝缘的作用 母线穿过建筑物或者其他物体时要用套管绝缘子 47 1 支柱绝缘子的选择按照使用地点分为户内式和户外式 1 额定电压的选择支柱绝缘子的额定电压不小于所在电网的电压 即2 支柱绝缘子动稳定性校验按最大允许力Fal进行校验 即 48 2 套管绝缘子的选择套管绝缘子按是否带导体分为普通型和母线型 普通型套管绝缘子应按使用地点 额定电压 额定电流选择 并按照短路条件校验其动 热稳定性 母线型套管绝缘子 因本身不带导体所以不按照额定电流选择 但应保证套管绝缘子形式和母线尺子相配合 49 第五节限流电抗器的选择 50 过大的短路电流不但使设备选择困难 而且也不经济 所以必须对过大的短路电流进行限制 一般企业内部10kV以下电力网中的短路电流 通常应该限制在20kA以内6 10kA高压母线上的短路容量规则规定不允许超过100MA 51 一 短路电流的限制限制短路电流的措施就是增加短路回路的电抗1 改变供电系统的运行方式采用低压侧母线采用分列运行方式 即 母线硬分段 的接线方式 提高总阻抗 优点 不需要增加设备 继电保护简单 只有在该方法不满足要求的时候 才考虑增加电抗 2 在回路中串入限流电抗器将电抗器串联与线路首端 增加线路总阻抗 限制短路电流 电抗有普通电抗器和分列电抗器两种 52 二 普通电抗器的选择电抗器除了按照一般条件选择外 还要进行电抗百分数选择和电压损失 残压等校验 1 额定电压选择2 额定电流的选择按所在线路的最大长时负荷电流来选择3 电抗百分值的选择按短路电流限制到一定数值的要求来选择 设要求将电抗器后的短路电流限制到则电源到电抗器后的系统的总电抗标幺值为 设电源到电抗器的前系统原有的电抗标幺值为 则所需电抗器的电抗标幺值为 53 根据电抗器的额定电压 额定电流可以计算出电抗器在额定参数下的电抗值百分值 54 4 正常运行时电压损失校验正常运行时 电抗器有一定的电压降 考虑到电抗器电阻很小 其电压损失主要由无功分量产生 为了使用户端的电压不至于过分降低 应满足 5 母线残余电压校验当短路直接发生在电抗器后面时 母线残压应不小于所在电网电压的60 70 即若低于此值 则应该选择大一级的电抗器 55 6 母线动热稳定性校验为了使动稳定性得到保证 应满足动稳定条件 即 为了使热稳定性得到保证 应满足热稳定条件 即 56 第六节互感器的选择 57 互感器是电流互感器和电压互感器的合称 它是测量仪表 继电保护等二次设备获取一次回路信息的传感器 互感器将一次侧电路的大电流 高电压变成小电流和低电压 以便二次侧测量仪表和继电保护隔离高压电路以小型化 标准化 互感器主要是电磁式的 本质是一种特殊的变压器 其工作原理和结构与变压器基本相同 一次侧接在电路中 二次侧接测量仪表和继电保护 非电磁型的新型互感器 如电子型 光电型的 现在也越来越多 58 户外高压电流互感器 lvqb 110 各种型号高压电流互感器 互感器35kv电流互感器 59 一 电磁式电流互感器由一次绕组 铁芯和二次绕组组成 特点有 1 一次绕组匝数少而粗 二次绕组匝数多而且细 2 一次绕组串在一次电路中 二次绕组与仪表 继电器电流线圈串联 由于电流线圈阻抗很小 二次回路接近短路 3 互感器等值总阻抗在一次回路中所占比重极小 其一次回路电流的大小取决于其负荷电流的大小 与二次绕组无关 可以看作恒流源 60 电流互感器的额定电流比称为电流互感器的变比 用Ki表示 即 一 电流互感器误差和准确级1 电流互感器误差电流互感器二次侧测量的与一次回路的在大小和方向上面有差别 这种差别称为电流互感器的测量误差 大小误差称为电流误差 方向误差称为 61 2 电流互感器误差准确级根据测量误差的大小 电流互感器可以分为不同的准确等级 准确级是指在规定的二次负荷变化范围内 一次电流为额定值最大电流误差 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 二 常用电流互感器的类型按一次绕组匝数分 单匝式 多匝式按用途分为 计量用和保护用按绝缘介质分 油浸式 环氧树脂式 干式 SF6气体绝缘式注意 电流互感器均为单相式 62 三 电流互感器的选择1 额定电压应大于或者等于电网额定电压2 额定电流应大于或者等于一次回路最大长时负荷电流3 电流互感器的准确级应不小于二次侧所接仪表的准确级4 电流互感器的额定容量应不小于所接二次设备的容量由于互感器的二次电流已标准化 5A或者1A 故二次容量仅取决于二次负荷电阻 63 5 动稳定性校验电流互感器的动稳定性包括内部和外部2个部分 内部动稳定性是考虑故障电流通过自身绕组产生的电动力 外部动稳定性是异相电流产生的电动力 内部稳定性用动稳定倍数Kes表示 即内部动稳定校验式为 64 外部动稳定校验式为 65 6 热稳定性校验电流互感器的热稳定性可以用Kts表示 一般是1s时间内的热稳定电流Its与其额定电流IN2之比值 即 7 10 误差校验保护型的电流互感器 为保证继电器保护可靠动作 允许其误差不超过10 66 四 电流互感器运行中应注意事项1 电流互感器在接线时 应注意接线端子的极性2 电流互感器的二次绕组及外壳均接地3 电流互感器二次回路不准开路或者接熔断器4 电流互感器的额定容量应不小于所接二次设备的容量 67 二 电磁式电压互感器电压互感器一次绕组是并联在高压电路上 二次绕组与仪表和继电器的电压线圈相联 特点有 1 一次绕组并联在电路中 其匝数很大 阻抗很大 对被测电路没有影响 2 二次绕组并联的仪表和继电器的电压线圈具有很大的阻抗 在正常运行时 电压互感器接近于空载运行 3 一次回路电压大小与互感器二次负荷无关 对二次系统相当于恒压源