第三章_主要电气设备原理.ppt

第三章主要电气一次设备原理 发电厂变电站的主要电气设备有 高压开关电器 互感器限流限压设备 导体等 3 1电弧的基本理论 教学内容 掌握电弧的形成及熄灭条件熟悉电弧形成的物理过程 特性掌握交流电弧的特性及熄灭条件掌握开关电器常用的熄弧方法 3 1 1电弧的形成和熄灭 一 概述 1 电弧 一种游离的气体放电现象开关电器开断电路时 触头间产生耀眼的白光 物质第四种存在形式 固态 液态 气态 等离子态 电弧的存在代表了电流流通到截止的中间过程 只有当电弧熄灭 触头间隙成为绝缘介质时 电路才算断开 2 电弧的特征 电弧的能量集中 温度极高 亮度很强例 10kV断路器 QF 断开20kA的电流 电弧功率达到1万kW以上 电弧由阴级区 阳极区和弧柱区组成 弧柱区温度最高 可达6 7k度到1万度以上在弧柱周围温度较低 亮度明显减弱的部分叫弧焰 电流几乎都从弧柱内部流过 电弧的气体放电是自持放电 维持电弧燃烧的电压很低 在大气中 1cm长的直流电弧的弧柱电压仅15 30V 在变压器油中1cm长的直流电弧的弧柱电压仅100 220V 电弧是一束游离的气体 质量极轻 极易变形 电弧在气体或液体的流动作用下或电动力作用下 能迅速移动 伸长或弯曲 二 电弧的形成和维持 1 带电质点的来源 电极发射自由电子 热电子发射 触头分离接触电阻加大表面发热发射电子强电场发射 触头分离电场强度加大电场力拉出发射电子 弧柱区的气体游离 碰撞游离 热游离产生大量的电子和离子2 电弧的形成和维持 三 电弧的熄灭 关键是加强去游离作用去游离 由于复合和扩散使带电质子减少的过程介质的游离作用 电弧产生介质的去游离作用 电弧熄灭当游离 去游离 电弧电流 当游离 去游离 电弧电流不变 稳定燃烧 当游离 去游离 电弧电流 熄灭 去游离方式有2种 复合 正负离子相互吸引 彼此中和扩散 弧柱中的带电质点由于热运动逸出弧柱外浓度扩散温度扩散 四 影响游离和去游离的因素 电弧温度 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 气体介质的压力 真空度F 自由行程缩短 离子浓度 复合 真空中电子数目少 磁撞游离 扩散 介质特性 包括气体的介电强度 导热系数 热容量 电负荷 电极材料 铜 银 铜钨 银钨合金具有熔点高 导热能力强 热容量大的特点 可减少热电子发射和弧柱中的金属蒸气 3 1 2交流电弧的特性及熄灭 一 交流电弧特性 1 动态状安特性曲线 电弧电压 Ua 和电流随时间不断变化 每一周期 电流过零2次Ua 马鞍形状A 燃弧电压B 熄弧电压2 热惯性 电弧温度的变化滞后于电流的变化 A B Ua 电弧在自然过零时将自动熄灭 但下半周期随着电压的升高 电弧会重燃 若电流过零时 电弧不再重燃 电弧就此熄灭 二 交流电弧的熄灭 1 弧隙中介质强度的恢复过程UdUd 弧隙介质能够承受而不致使弧隙击穿的最小电压过程 电流过零前 很高 Rn很小 弧隙为良导电通道电流过零前后 Rn 具有一定抗电强度电流过零后 Ud恢复不是从零开始 而是有一个起始电压 这种现象称为交流电路的近阴极效应 电流极性改变后的0 1 1 0秒瞬间 有Ud 150 250V的起始介质强度 2 弧隙电压的恢复过程Ur Ur 电压由熄弧电压恢复到外电源电压的过程 过程1 电流过零前 电弧电阻很小 电源电压大部分降落在线路或负载的阻抗上 2 电流过零时 电弧熄灭 最后变为绝缘介质 电源电压全部加在弧隙上 3 交流电弧的熄灭条件 Ur Ur Ud Ud 四 交流电弧的灭弧方法 1 提高触头的分闸进度 迅速拉长电弧 E 冷却与扩散 2 采用多断口灭弧 拉长迅速 行程 灭弧时间 提高了灭弧能力3 吹弧 加强冷却和扩散横吹 将电弧吹弯吹长纵吹 将电弧吹细 4 利用固体介质的狭缝狭沟灭弧 冷却 表面吸附电子 加强复合 如 介质纵缝灭弧罩介质填料灭弧管5 利用短弧原理灭弧交流电路 电流自然过零时 每一短弧有150 250V电压 6 磁吹 利用电磁力驱动和拉长电弧至固体介质灭弧罩或金属栅灭弧罩中7 高压气体介质灭弧 碰撞游离 复合 8 真空灭弧 碰撞游离 热游离 扩散 习题及思考题 3 1何为电弧 简述断路器触头开断时断口电弧的形成过程及由此而确定的基本灭弧方法 3 2交流电弧电流有何特点 什么叫介质强度恢复过程 什么叫电压恢复过程 熄灭交流电弧的条件是什么 3 2高压开关电器 开关电器的分类高压开关 低压开关户内 户外既能开断正常工作电流又能开断故障电流 断路器只开断电压 隔离开关类能开断正常工作电流和过电流 负荷开关类只能开断故障电流 熔断器 3 2 1高压断路器 一 高压断路器 高压断路器的功能正常工作时开断与闭合电路配合继电保护装置 自动开断电网中的短路故障在跳闸后能够自动重合闸 高压断路器种类油断路器压缩空气断路器SF 断路器真空断路器 工程图中符号 少油式断路器具有用油量少 体积小 结构简单 节省钢材 防火防爆的特点 但检修周期短 在户外使用时 受大气条件影响大 而且配套性差 以SN10 10I型为例 组成 导电回路 上出线座 静触头座 瓣形触头 动触头 导电杆 动触头 下出线座灭弧系统 纵横吹灭弧室 纵横油气吹 机械油吹 逆止阀 电弧形成后分解油 逆止阀钢球上推堵住回油孔 形成密闭燃弧 使内腔压力升高油气分离器 a 避免灭弧室完全封死 压力过高b 避免直接将炽热的带有大量电子和离子的油气混合物排出箱外 引起自燃和设备绝缘闪络 传动机构 主轴 分相轴 操动轴框架 依靠两个支持绝缘子将各相与地绝缘 少油断路器 高压少油断路器 压缩空气断路器 SF6断路器 LW15 363GCBP SF6断路器的优缺点 断口耐压高 允许开断次数多 开断性能好 占地面积小 加工精度高 密封性能好 对水分子与气体的检测要求严格 真空断路器 真空断路器 断路器与隔离开关的配合 具有相当完善的灭弧装置 它可以切断正常的负荷电流 也可以切断一定的故障电流 但没有明显的断点 必须借助辅助设备 才能知道断路器处于合闸状态或断开状态 在电路中 需要与隔离开关配合运行 3 2 2隔离开关 QS 1 QS的作用隔电保安倒闸操作 等电位操作切投小电流电路 保证电弧能可靠自行熄灭2 QS的特点触头暴露在空气中 有明显 清晰可见的断开点没有专门的灭弧装置 不能切断Ig及IdQS应与QF配合使用 满足 隔离开关先通后断 原则 即 合闸时 QS先QF后 分闸时 QF先QS后 QS分闸时 应有明显可见的断口QS合闸时 应能可靠地通过Igmax及Idmax通过时满足动热稳定 工程图中符号 3 户内型QS GN6 GN8型结构 底座绝缘子 导电系统磁锁装置的作用 散热 增加接触压力 提高动稳定4 户外型QS GW4 35D导电回路双柱式绝缘子接地刀闸 与主刀联锁 一分 合 底座 隔离开关 隔离开关 隔离开关 500kV隔离开关 3 2 3高低压熔断器1 作用 短路保护或过载保护缺点 保护性能不稳定 需要更换熔体2 组成 熔件 熔体 铜 银触头 灭弧装置 绝缘底座3 工作过程 汽化过程 发弧过程 灭弧过程全开断时间 熔化时间 发弧时间 燃弧时间4 分类之一 限流型 速度快 高电阻 出现过电压非限流型 速度慢 不出现过电压5 户内型高压熔断路 RN1 RN3 电力变压器或线路保护RN2 RN6 电压互感器保护6 户外型高压熔断器 RW3跌落式FU RW10 35型限流型FU 3 2 4高压负荷开关 用于开合负载电流及过载电流的开关电器 具有一定的灭弧能力 常与熔断器配合使用 负荷开关特点 1 具有可见断点2 有简易灭弧装置 可以切断负荷电流3 具有保护功能 如过负荷保护 但不能切断短路电流4 与高压熔断器配合使用 可起到切断短路电流的作用负荷开关的作用 在10kV回路中 可以作为小容量变压器的进线开关 电力电容器的主开关 电压互感器的主开关 工程图中符号 3 3互感器 互感器的作用 将一次侧的高电压大电流变换成二次侧的标准的低电压 小电流 使二次侧装置标准化 系列化 将二次侧与高电压隔离 保证设备和人身安全 使二次侧可以使用低压小截面控制电缆传送电压 电流信号 3 3 1电流互感器 工程图中符号 原理接线图 一次侧 N1N2 一 电流互感器的结构特点 一次侧匝数很少 二次侧匝数多 一次绕组电流完全取决于负荷电流 正常工作时 二次侧负荷阻抗很小 接近短路状态 一次侧与被测回路串联 二次侧绕组与仪表电流线圈串联 电流互感器的等值电路和相量图 铁心中合成磁动势 二 电流互感器的误差 电流误差 角误差 i为I1与I2之间的夹角 电流互感器的误差与互感器铁心材料 结构 一次侧电流 二次侧负载等因素有关 三 电流互感器的准确级和额定容量 准确级 在规定的二次负荷变化范围内 一次电流为额定值时的最大电流误差电流互感器有0 2 0 5 1 3 5P 10P等准确度级 可供不同的测量和保护场合使用 不同准确级的电流互感器有不同的额定二次负荷 电流互感器的额定容量电流互感器在额定二次电流和额定二次阻抗下运行时 二次线圈输出的容量 由于电流互感器的二次电流为标准值 5A或1A 其容量也常用额定二次阻抗来表示 因电流互感器的误差和二次负荷有关 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 电流互感器二次侧所接的负载的阻抗之和不能超过互感器的额定二次阻抗值 四 电流互感器的运行注意事项 二次侧必须有一端接地 防止一 二次侧绝缘损坏 高压窜入二次侧 危及人身和设备安全 接线时要注意极性 电流互感器一 二次侧的极性端子 都用字母表明极性 一次侧串接在线路中 二次侧的继电器或测量仪表串接 电流互感器运行时二次侧不允许开路 电流互感器二次侧开路 电流互感器运行时二次侧不允许开路 否则二次侧会感应出极高电压 危及人身和设备安全 二次侧开路时 I1N1全部为励磁磁通势 使铁心中磁通为平顶波 二次侧感应电势为尖顶波 五 电流互感器二次接线方式 单相接线 星形接线 不完全星形接线 110电流互感器 35电流互感器 低压电流互感器 3 3 2电压互感器 原理接线图 3 3 2电压互感器 电磁式电压互感器工作原理与电力变压器相同 一 结构类型 电磁式 包括普通的电磁式电压互感器 及串级式电压互感器 电容分压式 二 运行注意事项 电压互感器工作时 二次侧有一端必须可靠接地 运行中二次侧不允许短路 工程图中符号 电压互感器的的等值电路 U1 相量图 三 电压互感器误差和准确级 测量误差 电压误差角误差 二次电压相量与一次电压相量之间的夹角 并规定超前于时相位差为正 反之为负 电压互感器测量误差与空载电流 二次负载等因素有关 准确级 电压互感器的准确级用最大允许误差表示 有0 1 0 2 0 5 3 3P 6P等准确级 分别用在不同的测量与保护场合 四 电容式电压互感器的工作原理 随着电力系统输电电压的增高 电磁式电压互感器的体积越来越大 成本随之增高 普遍采用电容式电压互感器 电容式电压互感器实质上是一个电容分压器 在被测装置的相和地之间接有电容和 按反比分压 上的电压为 电容式电压互感器原理接线图 虚线中是非线性补偿电感线圈 电容式电压互感器误差 电容式电压互感器的误差是由空载电流 负载电流以及阻尼器的电流流经互感器绕组产生压降而引起的 其误差由空载误差 负载误差 和阻尼器负载电流产生的误差 等几部分组成 即电容式电压互感器的误差除受一次电压 二次负荷和功率因数的影响外 还与电源频率有关 电容式电压互感器用于110 500kV中性点直接接地系统 五 电压互感器二次接线方式 特别注意开口三角接线 110电压互感器 110电容式电压互感器 低压电压互感器 3 4限流电器 限流电器的作用增加电路的短路阻抗 从而达到限制短路电流的目的 常用的设备有 限流电抗器和分裂变压器一 限流电抗器 作用 限制电力设备的短路电流 能维持母线电压 将短路容量加以限制 以选择轻型断路器和小截面的电缆 设置位置分段电抗器 出线电抗器 在变压器负荷侧串联电抗器 工程图中符号 限流电抗器 并联电抗器 并联电抗器应用于电力系统 通常安装在高压长距离输电线的始端升压站 中间联络站以及高压直流输电的换流站中 并联连接于变电站66KV及以下的低压回路 具有补偿电网无功功率 降低电网损耗 提高输电能力以及抑制电网谐振过电压 防止发电机自励磁 消除空载长线电容效应和高压电缆电容效应 抑制工频过电压等众多功能 可节约能源 提高电力系统的运行稳定性和可靠性 并联电抗器与并联电容器 大功率晶闸管和微机控制系统组成静止无功补偿装置 可对电力系统的无功功率进行适时动态调节 二 分裂变压器 1 作用分裂变压器 能在正常工作和低压侧短路时 使变压器呈现不同的电抗值 从而起到限制短路电流的作用 2 结构分裂变压器是一种多绕组变压器 它是将普通的双绕组变压器的低压绕组分裂成额定容量相等的两个完全对称的绕组 3 5避雷器 1 功能 用来限制过电压的一种主要保护电器 是发电厂变电所防雷保护的基本保护措施之一 2 工作原理 避雷器与被保护设备并联 当线路上有雷电侵入时 首先击穿避雷器对地放电 从而保护设备绝缘 感应雷的防护 分流 采用避雷器来限制雷电过电压波 将雷电流分流入地 避雷器结构类型 放电间隙避雷器 阀形避雷器 氧化锌避雷器 空气间隙避雷器 空气间隙放电器的主要元件是放电电极的材料 阀型避雷器 由装在密封瓷套中的间隙 又称火花间隙 和非线性电阻 又称阀片 串联 火花间隙将带电部分与阀片隔开 阀片电阻值与流过的电流有关 电流愈大电阻愈小 有普通型和磁吹型两类 电阻阀片由金刚砂 SiC 和结合剂烧结而成 称为碳化硅阀片主要应用在变电所的高压防雷 特点是通流量大 但是反应时间比较长 目前普通阀型避雷器已淘汰 磁吹型避雷器还是电力系统常见的高压防雷产品 氧化锌避雷器 阀片以氧化锌 ZnO 与少量金属氧化物烧结而成单基片避雷器双基片避雷器多基片避雷器能量分配的问题 如果在一个避雷器里使用3个或3个以上的基片 那么其每个基片的启动电压和内阻要做到非常近似 因为在高电压大电流状态下即使是1欧姆的电阻差别也会使氧化锌基片造成能量分配的不均衡 那么就会有某一片损坏而其他没有损坏或者很少损坏 特点就是反应时间短可在ns级 氧化锌避雷器 3 6导体 母线和电缆 一 母线1 母线是有多条引出线的节点 汇集 分配和传送电能2 母线种类和材料有 软母线 钢芯铝绞线硬母线 铜 导电率高 机械强度高 抗腐蚀性能好 铝 导电率较低 截面大 重量轻 耐腐蚀性能差 钢 导电率差 趋肤效应严重 损耗较大封闭母线 分箱式 共箱式3 截面形状矩形母线 在同截面下 周长要长 冷却条件好耗金属要少菱形与管形母线 可防止产生电晕 散热面小 4 母线的布置 母线三相导体排列方式 水平排列 竖直排列 角形排列 各相之间的相对关系 软母线硬母线 母线