风电场电气工程 第3章 风电场主要一次设备2(开关设备)

风电场电气系统 第3章风电场主要一次设备2 教学目标基本掌握断路器和隔离开关的结构和工作原理 识记断路器的型式和参数等 对风电场的断路器和隔离开关的功能 结构 外观有具体认知 第3章风电场主要一次设备2 关注的问题关于电弧的基本知识有哪些 各种开关设备的结构是怎样的 其作用又是什么 3 3开关设备 在电力系统生产运行中 电气设备的相互联系及生产方式的转换 由开关电器的分合来实现 开关电器的分合实现了电路的有选择接通和断开 闸刀开关的原理非常简单 当闸刀落下时 将两侧导体连接为一个导体 接通电路 当闸刀打开后 两侧导体不再有电路联系 相互绝缘 闸刀开关所要达成的目的即通过其自身 导体 绝缘体 的转换来分合电路 电力系统中的高压开关电器要复杂的多 常用的开关电器有断路器 隔离开关 熔断器和接触器 它们的功能各不相同 3 3 1电弧的基本知识 3 3 1 1电弧的本质和特性开关电器开断电流的时候 只要电路中的电流达到几百毫安 电压有几十伏 开关的触头间就会出现电弧电弧是导电体 只有电弧熄灭才能实现电路的开断 电弧是一种气体放电现象 是一种等离子体状态 即带正电荷和负电荷的粒子数量相等的离子集团状态 随着温度的升高 能量的输入 物质可以实现由固态 液态 气态和等离子状态的顺序转换 可见 金属与等离子体有相似之处 3 3 1 1电弧的本质和特性开关分合过程中所产生的电弧 对于开关电器以及整个系统的安全运行都具有重要影响 这主要是因为 1 电弧是强功率放电 在电弧区的任何固体 液体或气体在电弧作用下都会产生强烈的物理及化学变化 2 电弧是一种自持放电 很低的电压就能维持相当长的电弧稳定燃烧 3 电弧是等离子体 质量很轻 极容易变形 3 3 1 2电弧的物理过程在电弧的形成与维持过程中 游离起了很重要的作用 所谓游离 即中性质点到带电质点的转化 电弧通常可以分为三个区域 阴极区 弧柱区和阳极区 在阴极区 弧柱区及阳极区游离过程中产生了带电质点 并使其产生定向移动 电弧的电位和电位梯度分布 如下图 3 3 1 2电弧的物理过程电弧中的电流从微观上看是电子及正离子在电场下移动的结果 其中电子的移动构成电流的主要部分 从电弧半径方向看 电弧中心温度最高 弧柱周围发光较暗的区域称为弧焰 其中电流密度很小 1 阴极区 阴极的作用是发射大量电子 在电场作用下趋向阳极方向从而构成阴极区的电流 3 3 1 2电弧的物理过程 2 弧柱区 弧柱部分导电需要在弧柱区域也能出现大量自由电子 这就要使弧柱区的气体原子游离 气体原子游离的方式通常有电场游离和热游离两种 弧柱中的电子在电场作用下运动 不断与气体原子等粒子碰撞 当电子的动能超过原子的游离能 则可以使束缚在原子周围的电子释放出来 形成自由电子和正离子 这种现象称为电场游离 在弧柱中温度很高 粒子动能很大 其互相之间不断碰撞即可使原子游离 从而产生大量的自由电子 电弧导电的主要原因就在于热游离 去游离包括复合和扩散两种方式 3 3 1 2电弧的物理过程 3 阳极区 阳极的作用通常不像阴极那样重要 根据阳极作用的不同 可把阳极分为被动型和主动型两种 在被动型中 阳极只起收集电子的作用 在主动型中 阳极不但收集电子而且产生金属蒸汽 因而也可以向弧柱提供带电粒子 对于长度只有几个毫米的电弧 电弧电压主要由阴极区压降和阳极区压降组成 其中的物理过程对电弧起主要作用 这种电弧称为短弧 真空电弧一般属于短弧 而对于长度较大的电弧 弧柱则起主要作用 这种电弧称为长弧 3 3 1 3交流电弧的熄灭交流电弧的熄灭主要有以下三种情况 强迫熄弧因电弧电压很高 电源电压不能维持 电弧电流很快被减小到零而熄灭 截流开断在此情况下 电弧因不稳定而熄灭 过零熄弧在这种情况下 电弧是在电流零点时熄灭的 这种熄弧过程称为过零熄弧 3 3 1 3交流电弧的熄灭如电流过零后 弧隙未复燃 电弧就最后熄灭 反之 如发生复燃 则电弧在电流此次过零时不能熄灭 至少需燃烧至电弧电流下次过零时再熄灭 弧隙是否复燃决定于两方面 一是弧隙的介质强度 另一是加在弧隙上的电压 通常称为恢复电压 介质强度和恢复电压都是时间t的函数 通常称为介质强度恢复过程和电压恢复过程 介质恢复过程取决于电流及断路性能 电压恢复过程主要决定于电网的结构和参数 3 3 1 3交流电弧的熄灭显然 在电弧电流过零后电弧是最终熄灭还是复燃决定于介质强度ud和恢复电压utr交流电弧过零熄灭的条件如下 ud ud utr utr 3 3 1 3交流电弧的熄灭一般把介质恢复过程分为热击穿阶段和电击穿阶段热击穿阶段在开断大电流时 电弧电流过零后 弧隙的介质温度仍很高 弧隙仍有一定的电导率 当恢复电压加在弧隙上时 弧隙中即有一小电流流过 此时在弧隙中同时进行着两个过程 一方面电源供给弧隙以能量 另一方面弧隙又将能量传给周围介质 如果电源供给弧隙的能量超出传出的能量 弧隙温度将不断上升 最后导致击穿 这称为热击穿电击穿阶段当弧隙温度降低热游离基本停止时 弧隙转变为介质 在此阶段中 如发生复燃 则与气体介质击穿过程相似 3 3 2断路器断路器是电力系统不可缺少的主要控制 保护设备 是电力系统中最重要的开关电器 其作用为切断电路 为了可以熄灭电路分合时所产生的电弧 断路器都装设有灭弧装置常用的断路器类型有 油断路器 真空断路器和SF6断路器等 3 3 2 1油断路器油断路器的触头浸在油中 触头分合时电弧能量中除一小部分通过传导 辐射等方式向四周散出外 大部分能量使四周的油蒸发和分解 在电弧周围形成气泡 气泡体积受到周围油的惯性力和油箱壁的限制 气泡压力是比较高的 因此电弧是处在压力较高 导热性很好的气体包围之中 使电流过零后弧隙介质强度恢复很快 电弧容易熄灭 利用电弧自身能量熄灭电弧的方法称为自能式灭弧 利用其它能量熄灭电弧的方法称为外能式灭弧 绝大多数油断路器都采用自能式灭弧 如多油断路器按照绝缘结构的不同 油断路器可分为多油断路器和少油断路器两种 3 3 2 1油断路器多油断路器多油断路器的触头系统放置在装有变压器油的由钢板焊成的油中 油箱是接地的 多油断路器的导电部分多做成 U 形 每相至少有两个断口 1 绝缘套管 2 电流互感器 3 变压器油 4 静触头和灭弧室 5 油箱 6 横梁 动触头 7 箱盖 电压等级的多油断路器 每相各有一个油箱 称为分箱式结构有些电压等级较低的多油断路器 三相共用一个油箱 称为共箱式结构 3 3 2 1油断路器多油断路器内部带有电流互感器 配套性强 在户外使用时 不易受大气条件的影响 多油断路器的缺点是油量多 钢材消耗也多 油量太多不仅给检修断路器带来困难 而且增加了爆炸和火灾的危险性 3 3 2 1油断路器少油断路器少油断路器中 变压器油用来熄灭电弧和作为触头间的绝缘介质 但不作为对地绝缘 按使用地点的不同 少油断路器可分为户内式与户外式两种 户外式少油断路器如图 绝缘筒1通过支持瓷瓶3安装于基座4上 5为接线端子 2为断路器操作机构 大部分110kV少油断路器都采用这种结构 灭弧室装在绝缘筒内 一般高电压等级的少油断路器的结构是细而高 结构稳定性较差 不宜在强烈地震地区使用 3 3 2 2真空断路器利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器称为真空断路器 真空断路器中的电弧和气体电弧有明显的不同 1 真空的概念真空一般指的是气体稀薄的空间 真空的程度以气体的绝对压力值来表示 压力越低称之真空度越高 凡是绝对压力低于正常大气压力的状态都可称为真空状态 绝对压力等于零的空间称为绝对真空 才是真正的真空或理想真空 3 3 2 2真空断路器真空包括的范围很广 为方便起见常将它划分为几个区域 我国划分的区域为如下表所示 真空灭弧室的真空度为1 33 10 2Pa 1 33 10 5Pa 属于高真空范畴 3 3 2 2真空断路器 2 真空间隙击穿与真空电弧真空间隙的击穿不是由于间隙中气体分子的碰撞游离所引起 而主要由电极现象决定 电极表面在强电场作用下会产生电子发射 随着电极表面温度和外加电场强度的增大 电极表面电子发射的电流密度也增大 当电流密度达到某一临界值时 真空间隙就被击穿了 这被称为场致发射击穿机理 电极表面不可避免地总会粘有一些微粒质点 它们在电场作用下会附着电荷运动 具有动能 在与另一电极碰撞时 动能转变为热能 使微粒本身熔化和蒸发 蒸发产生的金属蒸汽又会与场致发射的电子产生碰撞游离 最终导致间隙的击穿 这被称为微粒击穿机理 3 3 2 2真空断路器维持真空电弧的是金属蒸汽而不是气体分子 真空电弧实为金属蒸汽电弧 真空电弧的电弧电压也由阴极压降 弧柱 等离子区 压降和阳极压降三部分组成 真空电弧的长度很短 对电弧电压起主要作用的是阴极和阳极压降 电弧电压随电流增大而增加 具有正的伏安特性 3 3 2 2真空断路器 3 真空断路器的基本结构真空断路器的结构与其它断路器大致相同 主要由操动机构 支撑用的绝缘子和真空灭弧室组成 真空灭弧室的外壳由玻璃或陶瓷制成 动触头运动时的密封靠波纹管 动 静触头的外周装有屏蔽罩 3 3 2 2真空断路器 4 真空断路器的特点真空断路器的特点 真空断路器的机械寿命和电气寿命都很高 通常机械寿命和开合负载电流的寿命都可达到一万次以上 真空灭弧室密封问题特别重要 否则就会导致开断失败 造成事故真空灭弧室工作状态与外界大气条件无关 不会在开断短路电流时产生喷油 排气给外界带来污染 无须检修 开断过程中不会产生很高的压力 爆炸危险性小 开断短路电流时也没有很大的噪声 3 3 2 3SF6断路器 1 SF6气体简介六氟化硫 SF6 是目前高压电器中使用的性能最优良的灭弧和绝缘介质 SF6常以液态保存于钢瓶中 使用时减压放出呈气态冲入电气设备内 无色 无味 无毒 不会燃烧 化学性能稳定 常温下和其他材料不会发生化学反应 但在电弧的高温作用下 SF6的分解物SF4 S2F2 SF2 SOF2 SO2F2 SOF4 HF等都具有强烈的腐蚀性和毒性 安装有SF6电器的场所应装设合适的通风设备 3 3 2 3SF6断路器SF6气体中的水分必须控制在一定的限度内 否则对设备运行带来危害 SF6具有优良的灭弧性能 主要是由于 SF6电弧具有高温弧芯和低温弧焰 其电弧电压梯度小 功率低 对于熄灭电弧有利 电弧即使在电流很小时依然可以维持弧芯的导电状态 电流过零时弧柱残余体积小 能量小 有利于弧隙绝缘强度的恢复 由于SF6气体绝缘性能好 SF6断路器中动静触头间的距离不必很大 降低了上游部分电弧长度和电弧能 3 3 2 3SF6断路器 2 SF6断路器基本类型按照结构不同 SF6断路器可分为瓷柱式与罐式两种 罐式断路器的灭弧室安装在与地电位相连的金属罐体内 高电压下 每相需要将多个灭弧室串联装在同一罐体内 瓷柱式断路器的灭弧室装在绝缘支柱上 通过串联灭弧室 并将它们安装在适当高度的绝缘支柱上 便可获得任意的电压额定值 按照灭弧方式的不同 SF6断路器又分为 双压式SF6断路器 压气式SF6断路器 自能自吹式SF6断路器和旋弧式SF6断路器等 3 3 2 3SF6断路器 两种不同结构的SF6断路器各有特点 罐式SF6断路器的灭弧室重心低 抗震性能好 适应环境能力强 电流互感器可以安装在套管上 但SF6气体用量大 瓷柱式SF6断路器的灭弧室安装在绝缘支柱上 重心高 抗震能力差 外部耐压能力也较差 无法在本体上安装电流互感器 但SF6气体用量小 结构简单 制造容易 价格低 3 3 2 3SF6断路器 压气式断路器 正常状态下 所有触头都是闭合的 电流通过主触头和压气缸从上载流部分向下载流部分传导 在断开过程中 主管道的活动部分 形成电弧的静触头 压气缸和喷嘴都被拉向断开状态 在闭合过程中 充气阀会打开使得SF6气体能注入吹气室 3 3 2 3SF6断路器 自能自吹式SF6断路器 在断开过程中 自能压气式断路器的大电流下的操作和压气式断路器以同样的方式开始 当形成电弧触点分离后 由于温度的升高及吹气柱体和静活塞之间的气体被压缩 自能压气室和压气室里的压力不断升高 直到气压足够将自动吹气阀推向闭合位置 当电流波形过零时 电弧变的相对微弱 被压缩的SF6气体通过喷嘴从自能压气室注入 从而熄灭了电弧 在闭合过程中 充气阀会打开使得气体能被充入压气室和自能压气室 3 3 2 3SF6断路器 3 断路器操作机构在断路器本体以外的机械操动装置称为操动机构 而操动机构与断路器动触头之间连接的部分称为传动机构和提升机构 操动机构的合闸能源从根本上讲是来自人力或电力 还可转变为其它能量形式 如电磁能 弹簧位能 重力位能 气体或液体的压缩能等 根据能量形式的不同 操动机构可分为手动操动机构 电磁操动机构 弹簧操动机构 电动机操动机构 气动操动机构和液压操动机构等 3 3 2 3SF6断路器手动操作机构 CS 靠手力直接合闸的操动机构 电磁操动机构 CD 靠电磁力合闸的操动机构电动机操动机构 CJ 利用电动机减速装置带动断路器合闸的操动机构弹簧操动机构 CT 利用已储能的弹簧为动力使断路器动作的操动机构液压操动机构 CY 利用液压油作为动力传递介质 操动方式有两种 直接驱动式和储能式气动操动机构 CQ 利用压缩空气作为能源产生推力的操动机构 3 3 2 3SF6断路器 4 风电场中的断路器及其操作机构举例 图为风电场中常用的35kV真空断路器及其机构箱内部结构的实物图 操作机构为弹簧机构 可以看到分合位置指示 弹簧压力表及手动分合按钮及接线端子排等基本元件 3 3 2 3SF6断路器 为风电场升压变电站中220kV的SF6断路器及其操作箱内部结构 220kV以上需要分相操作 因此每相断路器都有操作箱及操作机构 该断路器采用弹簧操作机构 可以看到相关的分合位置指示 SF6压力指示 分合开关 接线端子等等 3 3 3隔离开关隔离开关在电力生产中常被称为刀闸 是最常见的高压开关 与断路器最根本的区别在于 它没有专用的灭弧装置 结构简单 因而不能用来分合大电流电路 当电气设备需要检修的时候 由断路器断开电路 安装在断路器和电气设备之间的隔离开关再拉开 在电气设备和断路器