第4章-供配电系统电气设备的选择

第4章供配电系统电气设备的选择,2,供配电系统的主要电气设备：断路器、负荷开关、隔离开关、熔断器、电抗器、互感器、母线装置及成套配电设备等。,第4章供配电系统电气设备的选择,3,第4章供配电系统电气设备的选择,本章学习内容：电弧的产生及熄灭断路器、隔离开关等开关设备的作用及选择；成套开关设备的选择熔断器、限流电抗器、互感器、母线等的选择低压断路器的选择,4,4.1高压电气设备的选择,4.1.1开关电弧的产生与熄灭,当断路器断开电路时，如果电路电压在10V20V，电流在80mA100mA以上时，在触头间隙中会产生一团温度极高、发出强光和能导电的近似于圆柱形的气体，这就是电弧。,熟悉开关电弧产生与熄灭的基本规律，对研究各种开关的结构和工作原理，正确地选用与维护，是十分必要的。,电弧是开关设备在开断过程中的必然现象。,5,1.电弧的产生,当断路器切断电路瞬间，其动、静触头间形成很小的间隙；在电源相电压作用在这个小的间隙上，使间隙中的介质击穿，形成弧光放电，产生电弧。,在高热和强电场作用下，金属内部的自由电子从阴极表面逸出，奔向阳极；这些自由电子在电场中运动时，要撞击中性气体分子，使之激励或游离，产生正负离子或电子，而后者在强电场作用下继续向阳极移动时，还要撞击其他中性分子。如此反复，在触头间隙中雪崩式地产生了大量的带电子正负离子和电子，终于使气体导电形成了炽热的电子流即电弧。,6,触头间电弧燃烧的区域称为弧隙。弧隙中带电质点不断增多的游离过程可以分以下途径：（1）强电场发射；（2）碰撞游离；（3）热游离；（4）热电子发射,7,开关电弧的产生(1)强电场发射,在断路器触头分开的最初瞬间，触头电极的表面受到外加电压所形成的强电场的作用，金属电极表面的电子就会在电场力的作用下被拉出，即发生了所谓强电场发射。,金属表面发射电子的数量决定于极间电场强度的高低。当电场强度超过107V/cm时，即使金属表面温度不高，其电子发射量也会显著增加。,名义平面的相互接触,在显微镜下观察都是凹凸不平的,8,开关电弧的产生(2)碰撞游离,当有一定强动能的电子撞击到某种气体的中性质点时，可使其间电子被释放出来，游离成正离子和新的自由电子。被撞击的电子和原来的电子又会在电场作用下向阳极作加速运动，获得足够动能后，又将撞击其它中性质点，产生更多的自由电子和正离子，使带电质点浓度迅速增加。这一游离过程即称为碰撞游离。,9,开关电弧的产生(3)热游离,在高温下，气体分子和原子热运动加快，它们互相碰撞，在温度足够高时会撞击产生离子和自由电子，这种现象称为热游离。,10,开关电弧的产生(4)热电子发射,在弧光放电过程中，电极表面少数点上有局部较集中的电流，同时因开关触头分离后，触头间接触压力及接触面积逐渐减小，接触电阻也随之增加，会使电极表面有相应高温，从而造成其中的电子获得很大的动能后逸出到周围空间。这种现象称为热电子发射，其强弱程度与触头的材料及表面温度有关，是气体介质中带电质点产生的主要原因之一。,11,随着触头开距的加大，触头间的电场强度逐渐减少，失去了强电场发射条件，此后的弧隙自由电子，则由阴极表面产生热电发射来继续提供。,因此，弧隙自由电子由强电场产生，热电发射维持；电弧由碰撞游离产生，热游离维持。,12,2.电弧的熄灭,在电弧放电发生后，介质中不但存在着中性质点的游离过程，同时还存在着去游离过程。游离与去游离是二个相反的过程。在电弧中当游离大于去游离时，电子与离子浓度增加，电弧加强；相等时，电弧稳定燃烧；当游离小于去游离时，电弧减小以至熄灭。所以要促使电弧熄灭，就必须削弱电弧的游离作用，加强其去游离作用。去游离的方式主要有两种：1复合2扩散,13,2.电弧的熄灭复合,复合就是异号带电质点彼此的中和。是指带异性电荷的质点相互接触，交换多余电荷而形成中性质点的现象。带电质点浓度越大，复合率越高。故断路器采用小直径的灭弧室，提高弧隙带电质点的浓度，增强其灭弧性能。电弧温度越低，复合就越容易。故加强电弧冷却，能促进复合。在交流电弧中，当电流接近零时，弧隙温度骤降，此时复合特别强烈。弧隙电场强度小，复合的可能性增大。故提高断路器的开断速度，对复合有利。,14,2.电弧的熄灭扩散,扩散是指带电质点逸出弧道的现象。电弧中扩散主要原因是：弧区与周围介质的温差越大，扩散越强烈。用冷却介质吹弧，或电弧在周围介质中运动，都可增大弧区与周围介质的温差，加强扩散作用。弧区与周围介质粒子的浓度相差越大，扩散越强烈。电弧的表面积越大，扩散就越快。,15,4.1.2灭弧的基本方法,交流开关的电弧能否迅速熄灭，取决于弧隙介质绝缘强度的恢复和弧隙恢复电压。加强弧隙的去游离速度，降低弧隙电压的恢复速度与最大值，均能促使电弧熄灭。目前开关电器采用的灭弧方法主要有以下几种：,1）拉长电弧2）纵缝灭弧3）金属栅片灭弧4）固体产气灭弧5）石英沙灭弧6）流体介质灭弧7）真空灭弧室灭弧,16,1、利用气体吹动电弧,利用压缩气体来吹动电弧的有空气断路器与六氟化硫断路器。利用电弧高温，使固体有机物分解出气体来吹动电弧的有负荷开关、自产气开关和熔断器等。,竖吹,横吹,气吹灭弧是利用压缩空气来熄灭电弧的。开断电路时，将预先储备好的压缩空气用管道引向燃弧区猛烈吹弧。压缩空气作用于电弧，一方面带走大量热量、降低弧区温度，另一方面则吹散电离气体用新鲜高压气体补充空间。,用六氟化硫（SF6）气体来代替空气进行气吹灭弧。六氟化硫具有优良的电绝缘性和灭弧特性，相同条件下，其绝缘能力为空气、氮气的2.5倍以上，灭弧能力为空气的100倍。所以用SF6气体吹弧时，可采用不太高的压力和吹弧速度，就能在高电压下断开相当大的电流。SF6气体灭弧已广泛用于高压断路器，同时SF6气体还广泛用于全封闭式高压组合及成套设备中作为灭弧和绝缘的介质。,油吹灭弧装置是以变压器油为介质。产生电弧后，电弧将油汽化、分解而形成油气。油气中主要成分是氢，在油中以气泡的形式包围电弧，使电弧在其中燃烧。利用氢气的高导热性和低粘度加强对弧柱的冷却作用，使电弧的热量散发。另外，由于存在着温度差，使气泡产生运动，又进一步加强了电弧的冷却。为提高其灭弧效果，油箱中加设一定机构，使电弧定向运动，这就是油吹灭弧。油吹灭弧应用于各种油断路器中。,2.利用油流吹动电弧,19,电弧在电磁力作用下产生运动的现象，叫电磁吹弧。,3电磁吹弧,当电弧需要较大的电动力吹入灭弧室时，就要采用专门的磁吹装置。,磁吹弧,磁力拉弧,电动力吹弧,20,4使电弧在固体介质的狭缝中运动,用耐弧塑料（如陶土、石英、三聚氰胺和MP-1塑料）制造的具有纵缝的灭弧室来限制弧区扩展并加速冷却以削弱热电离。,21,5将电弧分割成短弧（金属栅片灭弧）,6采用多断口灭弧7弧隙并联电阻,当真空度为510mm汞柱时，自由电子在弧隙中作定向运动时几乎不会和气体分子或原子相碰撞，也就不会发生撞击电离或电场电离。,将触头置于真空中断开时产生的电弧只能是由阴极发射电子和产生的金属蒸气形成的。当电弧电流接近零时，阴极发射的电子和金属蒸气减少，弧隙中残留的金属蒸气和等离子体向周围真空迅速扩散，弧隙可以在数微秒之内由导电状态恢复到真空间隙的绝缘水平。,8、真空灭弧装置,23,4.1.3高压电器选择的基本原则,高压电器的选择是根据环境条件和供电要求确定其型式和参数。保证设备正常运行时能安全可靠，故障时不致损坏。并在技术合理的情况下力求经济，还应根据产品生产情况与供应能力统筹兼顾，条件允许时应优先选用先进设备。,24,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：,按正常工作条件选择。如电压、电流、频率等；,按短路条件校验。如动稳定、热稳定校验；,按环境工作条件选择。如温度、湿度、海拔等。,第一，第二，第三，,25,4.1.3高压电器选择的基本原则,各种电气设备的功能尽管不同，但都在供电系统中工作，所以在选择时必然有相同的基本要求：在正常工作时，必需保证工作安全可靠、运行维护方便。在短路情况下，能满足力稳定和热稳定的要求。,26,电气设备在制造上分户内、户外两大类。户外设备的工作条件较恶劣，故各方面要求较高，成本也高。户内设备不能用于户外；户外设备虽可用于户内，但不经济。此外选择电气设备，还应根据不同环境考虑防水、防火、防腐、防尘、防爆以及高海拔区与湿热带区等方面的要求。,按环境工作条件（工作环境）,1、按正常工作条件选择：,27,高压电气设备可在高于(10%15%)的情况下长期安全运行，故所选设备的额定电压应不小于装设处电网的额定电压，即我国普通电器额定电压标准是按海拔1000m设计的。如果使用在高海拔地区，应选用高海拔产品，或采取某些必要的措施增强电器的外绝缘，方可应用。,按电网电压选（工作电压）,1、按正常工作条件选择：,28,由产品生产厂家规定。我国普通电器的额定电流所规定的环境温度为+40。,（环境温度稳定为）,1、按正常工作条件选择：,按长时工作电流选（工作电流）,电气设备的额定电流，是指周围环境温度为时，电气设备长期允许通过的最大电流。它应大于负载的长时最大工作电流（即30min平均最大负荷电流，以表示），即,29,如果设备周围最高环境温度与规定值不符时，应对原有的额定电流值进行修正。,当环境最高温度低于规定的时，每低1载流量可提高0.5%，但总提高量不得超过20%。当环境最高温度高于，但不超过60时，长时允许电流按下式修正：,设备允许最高温度,设备长期允许电流,产品生产厂家规定最高温度,选择设备时应使修正后的长时允许电流大于或等于通过设备的长时最大工作电流（不包括起动电流），即,载流或设备工作环境最高温度,30,按正常情况选择的电器是否能经受住短路电流电动力与热效应的考验，还必须进行校验。短路情况下的动稳定以制造厂家的最大试验电流幅值与短路电流冲击电流相比较：,或,2.按故障情况进行校验,31,短路情况下的热稳定热稳定应满足式:技术规范规定对下列情况不进行动、热稳定性的校验。（1）用熔断器保护的电器；（2）用限流电阻保护的电器及导体；（3）架空电力线路。,或,32,电气设备选择与校验项目表,33,4.1.4高压开关设备的选择,什么是开关设备？高压开关设备包括断路器、隔离开关、负荷开关、熔断器等，它们在电路中都起着接通或阻断电流的作用。但是由于其构造的不同，所以安装在线路中的位置不同，起到的作用也不同。,34,按功能如何分分类?仅用于正常情况下断开或接通正常工作电流的开关设备，如高压负荷开关、低压闸刀开关、接触器和磁力启动器等；仅在故障或过负荷情况下切断或闭合故障电流和过载电流的开关设备，如高、低压熔断器；既能开断或闭合正常工作电流，又能开断、闭合故障电流的开关设备，常见的有：高低压断路器和低压空气开关；用于检修时隔离带电部分的开关电器，主要指隔离开关。,36,4.1.4高压开关设备的选择断路器(QF),断路器的选择断路器的主要功能：（1）在正常情况下能开断和关合电路。（2）在电力系统发生故障时应以较短时间将故障部分从电力系统中切除，以减轻故障对设备的损害；（3）应能配合自动重合闸进行多次关合和开断。,37,断路器的基本类型,按灭弧介质的不同，断路器可分为（1）油断路器。（2）压缩空气断路器。（3）六氟化硫断路器。（4）真空断路器。（5）磁吹断路器。（6）固体产气断路器（简称自产气断路器）。,按断路器安装地点，又可将其分为（1）屋内式（2）屋外式。,38,DW13-35型多油断路器,SN10-10I少油断路器,真空断路器,动导杆,绝缘外壳,静触头,真空室,动触头,静导杆,6.六氟化硫（SF6）断路器（LN、LW型）（1）SF6气体的特性是种五色、无味、无毒且不易燃的惰性气体，兼有灭弧和绝缘功能在150以下时，其化学性能相当稳定。由于SF6中不含碳(C)元素，对于灭弧和绝缘介质来说，具有极为优越的特性，不需要象油断路器那样要经常检修。,SF6高压断路器灭弧室1静触头2绝缘喷嘴3动触头4汽缸5压气活塞6电弧,LN2-10高压SF6断路器1上接线端子2绝缘筒3下接线端子4操动机构箱5小车6断路弹簧,42,室内断路器,43,室外断路器,44,额定电压UN（kV）（10，20，35，60，110，220，330，500KV。）额定电流IN（A）(200，400，600，（1000），1250，1600，（1500），2000，3150，4000，5000，6300，8000，10000，12500，16000及20000A等）,断路器基本技术参数,45,额定开断电流INbr（kA）在额定电压下断路器能开断而不致妨碍其继续工作的最大短路电流，单位为KA。额定开断容量SNbr（MVA）在额定电压下断路器能开断而不致妨碍其继续工作的最大短路容量，单位为MVA。,断路器基本技术参数,46,热稳定电流Ith（kA）在某一规定的短时间t内断路器能耐受的短路电流热效应所对应的电流值，以KA为单位。动稳定电流Ies（kA）断路器在关合位置时能允许通过而不致影响其正常运行的短路电流最大瞬时值，以KA为单位。,断路器基本技术参数,47,断路器基本技术参数,开断时间tbr（s）指断路器的操动机构到分闸指令起到三相电弧完全熄灭为止的一段时间，它包括断路器的分闸时间和燃弧时间两部分。合闸时间tcl（s）处于分闸位置的断路器从接到合闸信号瞬间起到断路器三相触头全接通为止所经历的时间为合闸时间。,48,断路器选择步骤,（1）按工作环境选型：根据使用地点的条件选择，如户内式、户外式，在井下及具有爆炸危险的地点要选防爆型的设备。（2）按正常工作条件选择额定电压、额定电流：,当环境温度与规定值不符时应该修正：,49,动稳定性校验断路器的允许通过电流峰值（或有效值）应大于或等于短路电流冲击值（或短路冲击电流有效值）。,或：,最大短路电流冲击值,断路器允许最大短路电流,（3）按短路电流校验动、热稳定性,50,热稳定性校验。当断路器在通过最大短路电流时的最高温度，不超过断路器允许得最高温度。,其中：,断路器允许最大短路电流,断路器允许的时间,短路电流通过的时间,最大短路电流有效值,断路器分闸+燃弧时间,继保动作时间,51,断路器能可靠地切除短路故障的关键参数是它的额定断流容量。因此它所控制线路的最大短路容量应小于或等于断路器额定断流容量，否则断路器将受到损坏；严重时电弧难于熄灭，使事故继续扩大，影响系统的安全运行。断路器的额定断流容量应按下式进行校验：,（4）断流容量的校验,断路器额定断流容量,断路器所在线路最大短路容量,52,如果断路器安装在较其额定电压低的线路中，其额定断流容量也应按下式相应的减少:,（4）断流容量的校验,断路器额定电压,断路器额定容量,断路器所在线路的额定电压,修正后的断路器容量,产品名称：S-少油断路器D-多油断路器Z-真空断路器L-SF6断路器,安装场所：N-户内式W-户外式,设计序号,额定电压(kV),其它标志：G：改装型C：小车型I、II、III断流能力代号,额定电流,开断电流断流容量,例：SW2-35G,例：SN-10C/600,断路器型号,图示变电所供电系统，使用场合为室内。其二次母线上的短路电流为I=I=5.5kA。高压断路器的定时限保护装置的动作时限为1s，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，试选择高压断路器。,例：,解：1、按正常工作条件选择断路器型号,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：,按环境条件选择断路器,按工作电压选择断路器,QF所在电网的额定电压为10kV,故选择10kV断路器。,按工作电流选择断路器,因为环境温度符合设备要求，故不必修正。,选择断路器型号及参数如下表：,2、按故障情况校验断路器,根据题意短路冲击电流：,动稳定性校验,满足动稳定校验,热稳定性校验,即：继电保护时间+断路器断开时间,因定时限保护装置的动作时限为1s，所以非周期分量的假想时间不计，短路电流热效应的假想时间为周期分量作用的时间。,得：,满足热稳定校验,或,短路电流产生的热效应,断路器最大承受的热效应,58,3、断路器断流容量校验,SN10-10/600断路器的额定断流容量为350MVA,QF处的短路容量为：,满足开断容量要求,选用室内布置的SN10-10/600型满足要求,得：,59,4.1.4高压开关设备的选择隔离开关（QS),2.隔离开关的选择隔离开关是一种没有灭弧装置的开关设备。它需要与断路器配合使用，由断路器来完成关合、开断任务。它一般只用来关合和开断有电压无负荷的线路，而不能用以开断负荷电流和短路电流。隔离开关的主要作用是隔离电源，保证电气设备与线路在检修时与电源有明显的断口。,60,4.1.4高压开关设备的选择隔离开关（QS),隔离开关的用途：隔离电压；等电位操作倒闸操作分合小电流避雷器、电压互感器、空载变压器、空载线路等,61,电力设计技术规范规定隔离开关可用于下列情况的小功率操作：(1)切、合电压互感器及避雷器回路；(2)切、合励磁电流不超过2A的空载线路；(3)切、合电容电流不超过5A的空载线路；(4)切、合电压在10kV以下，负荷电流不超过15A的线路；(5)切、合电压在10kV以下，环路均衡电流不超过70A的线路。,62,4.1.4高压开关设备的选择隔离开关（QS),隔离开关的分类按安装地点，可为户内、户外两种;按绝缘支柱的数目，可分为单柱式、双柱式和三柱式三种；按刀闸的运行方式，可分为水平旋转式、垂直旋转式、摆动式和插入式四种；按有无接地闸刀，可分为带接地刀闸和不带接地刀闸两种。,63,隔离开关型号,G隔离开关,额定电流（A）,G改进型；T统一设计；D带接地刀；K快分型；,电压（KV）,设计序号,W户外N户内,例：GN8-10/600,动触头,下接线端,框架,转轴,拐臂,支柱绝缘子,上接线端,静触头,套管绝缘子,升降绝缘子,66,67,4.1.4高压开关设备的选择隔离开关（QS),隔离开关的选择1）按工作条件选工作环境、工作电压、工作电流2）按故障情况进行校验校验动稳定性校验热稳定性。,补充：电力系统的运行方式及最大、最小运行方式,电力系统运行时,发电机、线路、母线、变压器等元件总是有时分列运行和有时并列运行的，这就是所谓的运行方式。电力系统中，为使系统安全、经济、合理运行，或者满足检修工作的要求，需要经常变更系统的运行方式，由此相应地引起了系统参数的变化。在设计变电站选择开关电器和确定继电保护装置整定值时，往往需要根据电力系统不同运行方式下的短路电流值来计算和校验所选用电器的稳定度和继电保护装置的灵敏度。,什么是电力系统的最大、最小运行方式？,最大运行方式系统在该方式下运行时，具有最小的短路阻抗值，发生短路后产生的短路电流最大的一种运行方式。一般根据系统最大运行方式的短路电流值来校验所选用的开关电器的稳定性。最小运行方式系统在该方式下运行时，具有最大的短路阻抗值，发生短路后产生的短路电流最小的一种运行方式。一般根据系统最小运行方式的短路电流值来校验继电保护装置的灵敏度。,例：4-1,某企业变电所的主接线系统如图4-3所示，6kV侧的总负荷为12500kVA。在正常情况下，变电所采取并联运行。变电所35kV设备采用室外布置，进线的继电保护动作时间为2.5s。6kV侧的变压器总开关（QF6,QF7）不设保护，变电所35kV与6kV母线的短路参数如表4-2所示。试选择变压器两侧的断路器QF4,QF6(QF5,QF7)及QF1两侧的隔离开关。已知上级变电所出线带有过流及横差功率方向保护。,某企业变电所的主接线系统,STN=10000kVA,35kV,6kV,QS1,解(1)断路器的选择,按环境条件、工作电压、工作电流选择断路器型号,因为QF4断路器在正常工作情况下只负担全部总负荷的一半。但当1台变压器故障或断路器检修时，QF4长时最大负荷等于变压器的额定容量。,所以：QF4流过的最大的长时电流,QF4的所在电网的额定电压为35kV；,QF4布置在户外，其工作环境、温度等满足产品要求。,QF6的所在电网的额定电压为6kV；,同理：QF6断路器在正常工作情况下只负担全部总负荷的一半。但当1台变压器故障或断路器检修时，QF6长时最大负荷等于变压器的额定容量。,所以：QF6流过的最大的长时电流：,QF6布置在室内，所处的工作环境、温度等满足一般产品要求。,74,所选断路器及隔离开关的参数如下表,75,根据短路电流，对断路器的动、热稳定性及其断流容量进行校验。,在进行校验时，应根据接线系统找出该设备的最大运行方式，然后进行校验。在本题中QF4的最大运行方式是系统并联；QF6的最大运行方式是分裂运行。,76,动稳定性校验,QF4按点并联运行的最大冲击电流校验动稳定性符合要求。QF6按点分裂运行的最大冲击电流校验动稳定性符合要求。,77,在差动保护范围外短路时，继电保护动作时间为，此时假想时间。,即在差动保护范围内短路时，继电保护动作时间为0s，此时假想时间。,对QF4热稳定的校验。由于变压器设有差动保护，流过QF4的短路电流有不同的2种时间。,热稳定性校验,QF4的热稳定性符合要求,QF4的热稳定校验,在点短路，QF4的相当于4s的热稳定电流为,在点短路，QF4的相当于4s的热稳定电流为,因QF4的过流保护动作时间为2s（6kV侧的变压器总开关不设保护），在点短路时流过QF6的短路电流时间是2+0.2。,QF6的热稳定性符合要求,QF6的热稳定校验,在点短路，QF6的相当于2s的热稳定电流为,80,断路器断流容量校验,QF4的额定断流容量为1500MVAQF4的断流容量满足要求QF6在10kV时的额定断流容量为300MVAQF6的断流容量满足要求,81,解(2)隔离开关的选择,按环境条件、工作电压、工作电流选择隔离开关型号,因设备采用室外布置，选GW5-35G型,QS1的所在电网的额定电压为35kV，,QS1流过的最大的长时电流当一条线路故障时，全矿负荷电流都通过QF1的隔离开关，故长时最大工作电流为,因QS1处的最大运行方式是分裂运行，所以按点分裂运行的最大冲击电流校验。,动稳定性校验,满足要求。,热稳定性校验,相当于5s的热稳定电流为,最严重的情况是线路分裂运行，此时横差保护不起作用，当短路发生在QS1隔离开关后，QF1断路器前时，事故切除靠上一级变电所过流保护，继电器动作时间为,此时短路电流经过隔离开关的总时间为,满足要求。,84,4.1.4高压开关设备的选择负荷开关（QL),但不能作为电路中的保护开关，因此它必须与具有开断短路电流能力的断路器或熔断器配合使用，一般将负荷开关与高压熔断器相配合，故障电流的开断由熔断器来完成，负荷开关则负责完成正常负荷电流的分合操作。,负荷开关的用途,用于配电系统中，关合/开断正常条件下的电流，并能通过规定的异常电流，即负荷开关可以分、合正常的负荷电流和关合短路电流。,85,4.1.4高压开关设备的选择负荷开关（QL),负荷开关有简单的灭弧装置，可用来分、合负荷电流。负荷开关的灭弧装置简单，断流容量小，不能切断短路电流，只有与熔断器配合使用，才能起到断路器的作用。负荷开关与熔断器配合可作为容量不大（400kVA以下）或不重要用户的电源开关，以代替油断路器。,86,4.1.4高压开关设备的选择负荷开关（QL),负荷开关能通断一定的负荷电流及过负荷电流。但不能切断短路电流。因此它必须与高压熔断器串联使用，依靠高压熔断器来实现切断短路电流。选择负荷开关只需按照上述选择电气设备的一般条件进行，不需进行力稳定和热稳定校验。负荷开关配套的高压熔断器的选择原则与选择高压熔断器（FU）的原则相同。并需要校验它的断流能力，即熔断器的容量。,87,(1)根据所采用的灭弧介质不同分固体产气式、压气式、油浸式、真空式和六氟化硫（SF6）等(2)按安装场所分户内式和户外式两种,高压负荷开关的类型：,高压负荷开关全型号的表示及含义：,88,主要技术参数,1上支架2前支撑杆3静触头4动触头5波纹管6软联结7下支架8下结线端子9接触压力弹簧和分闸弹簧10操作杆11下支持绝缘子12后支撑杆13陶瓷外壳14上支持绝缘子15上结线端子,a)外形图,b)剖面图,西门子公司12KV的真空负荷开关的剖面图,90,户内真空高压负荷开关,91,按工作条件选择额定电压及额定电流；当负荷开关配有熔断器时，应校验熔断器的断流容量，这时的负荷开关动、热稳定性可不校验。当负荷开关不配有熔断器时，按短路条件校验其动、热稳定性。,负荷开关的选择,92,1种类（1）高压熔断器（2）低压熔断器2熔断器的文字符号FU功能：用于过电流保护的最为简单和常用的电器。熔体工作时串联在被保护回路中，正常情况下工作电流不应使熔体熔断，当流过熔体的电流超过一定数值（如短路电流或过负荷电流）时，熔体会因自身产生的热量而自行熔断，从而达到切断电路保护电网和设备的目的。,4.1.4高压开关设备的选择熔断器（FU),93,3、工作原理,熔断器主要元件是一种易于熔断的熔断体，简称熔体。熔体或熔丝由熔点较低的金属制成，当通过的电流达到或超过一定值时，熔体产生的热量达到金属的熔点时，熔断切断电源，因而完成过载电流或短路电流的保护。,熔体从通过非正常电流到开断整个过程由三个阶段构成：从短路电流开始通过熔体至熔体熔断所需的时间即熔体熔化时间；从熔体熔断到产生电弧所需的时间；从电弧产生至电弧熄灭所需时间，即燃弧时间。,灭弧方式：一种是熔管内壁为产气材料，在电弧作用下分解出大量的气体，使熔管内气压剧增，达到灭弧目的；或利用所产气体吹弧，达到熄弧目的。一种是利用石英砂作为灭弧介质，填充在熔管内，熔件熔断后，电弧与石英砂紧密接触，弧电阻很大起到了限制短路电流的作用。,熔体熔化时间与通过电流值的关系称为安秒特性。按照安秒特性进行熔断的选择，就可以获得熔断器的动作选择。,安秒特性：,95,熔断器结构,RW系列户外高压（10kV）跌开式熔断器，又称跌落式熔断器,1上接线端子2上静触头3上动触头4管帽5操作环6熔管7铜熔丝8下动触头9下静触头10下接线端子11绝缘瓷瓶12安装板,结构及特点1）该熔断器的短路和过负荷保护功能与RN型相同。瓷质熔管内充有石英砂，熔体结构和RN型的户内高压熔断器相似，2）该熔断器的熔管是固定在棒形支柱绝缘子上的，熔体熔断后不能自动跌开，无明显可见的断开间隙，不能作“隔离开关”用。,RW10-35型的户外限流式熔断器的外形结构。,1棒形支柱绝缘子2瓷质熔管（内装特制熔体及石英砂）3铜管帽4、6接线端子5固定抱箍,熔断器,熔断器,部分RW型熔断器规格表,100,熔断器（FU)选择：,所选熔断器应在长时最大工作电流及起动电流的作用下不熔断，在短路电流的作用下可靠熔断；要求熔断器特性应与上级保护装置的动作时限相配合（即要保证动作的选择性），以免保护装置越级动作，造成停电面积的扩大。,高压熔断器按工作环境条件、电网电压、负荷电流（对保护电压互感器的熔断器不考虑负荷电流）选择型号，还必须校验熔断器的断流容量。,101,熔断器（FU)选择：,按工作环境条件选择：户内或户外按电网电压选择额定电压：按长时最大工作电流选择额定电流,熔断器的额定电流选择，包括熔管额定电流和熔体额定电流的选择：,最大长时工作电流,熔件额定电流,熔管额定电流,102,熔断器（FU)选择：,按短路条件校验其断流容量:保护选择性熔件在保证正常工作条件下（包括设备的起动）不熔断外，还应具有保护选择性，即安-秒特性符合保护选择性的要求。,103,所选熔件应在长时最大工作电流及起动电流的作用下不熔断，在短路电流的作用下可靠熔断。要求熔断器特性应与上级保护装置的动作时限相配合（即要保证动作的选择性），以免保护装置越级动作，造成停电面积的扩大。对保护变压器的熔件，其额定电流可按变压器额定电流的1.52倍选取。,熔件通过的电流越大，其熔断时间越短。电流大小与熔断时间的关系曲线叫熔件的安-秒特性曲线,6-35kV熔件的安-秒特性曲线,105,4.1.5成套开关柜的接线方案与选择,成套高压配电柜是将控制设备、计量表计、保护装置及操动机构等组装在一个柜内，成为一套完整的配电装置。,1母线，2母线侧隔离开关，3少油断路器(QF)，4电流互感器(TA)，5线路侧隔离开关(QS)，6电缆头，7下检修门，8端子箱门，9操作板，10断路器的手动操动机构，11隔离开关的操动机构手柄，12仪表继电器屏，13上检修门，14、15观察窗口,107,1.配电装置的定义按电气主接线的要求，把一、二次电气设备如开关设备、保护电器、监测仪表、母线和必要的辅助设备组装在一起构成的在供配电系统中进行接受、分配和控制电能的总体装置。,是制造厂成套供应的设备，在制造厂按照一定的线路接线方案预先把电器组装成柜再运到现场安装。,4.1.5成套开关柜的接线方案与选择,108,（1）按主要设备的安装方式分为固定式和移开式(手车式)（2）按开关柜隔室的构成形式分为铠装式、间隔式、箱型、半封闭型等。（3）按母线系统分为单母线型、单母线带旁路母线型和双母线型。,（4）根据一次电路安装的主要元器件和用途分为断路器柜、负荷开关柜、高压电容器柜、电能计量柜、高压环网柜、熔断器柜、电压互感器柜、隔离开关柜、避雷器柜等。,2.高压成套配电装置的分类,109,XGN2-12(Z)箱型固定式交流金属封闭开关设备,110,KYN28A-12(Z)B型铠装移开式交流金属开关设备,JYN系列户内手车式高压开关柜,112,K-铠装式J-间隔式X-箱型H-环网式,结构形式：G：固定式Y：移开式,安装场所,设计序号,额定电压kV,一次线路方案,操作机构：D-电磁式T-弹簧式,3、新系列高压开关柜的型号表示和含义,例：,例：高压开关柜的技术参数,115,4、成套开关柜的接线方案与选择,（1）接线：配电柜一次回路由隔离开关、负荷开关、断路器、熔断器、电流互感器、电压互感器、避雷器、电容器及所用变压器等组成多种一次接线方案。配电柜的二次回路则根据计量、保护、控制、自动装置与操动机构等各方面的不同要求也组成多种二次接线方案。,116,5、成套开关柜的接线方案与选择,（2）选择：选择成套配电柜首先根据装设地点选型，并按系统电压及一次接线来选一次编号。在选择二次接线编号时，首先应确定是交流还是直流控制，然后再根据柜的用途及计量、保护、自动装置和动机构的要求，选择二次接线方案编号。成套柜中的一次设备，还应按高压设备的要求来选择并校验。,高压开关柜的五防”功能,防止误操作断路器,防止带负荷拉合隔离开关（防止带负荷推拉小车）,防止带电挂接地线（防止带电合接地开关）,防止带接地线（接地开关处于接地位置时）送电,防止误入带电间隔。,小知识,121,4.1.6母线与绝缘子的选择母线的选择,定义：母线是汇集和分配电流的导体。1、母线的选择（1）材料和形状的选择常用的母线材料是铜、铝、钢。变电所的母线除因大电流用铜以外，一般采用铝母线。母线有硬母线和软母线两种。硬母线的形状有圆形、矩形、楔形、软母线为多股绞线。矩形硬母线是最常用的一种，也称为母排。软母线多用于室外。,122,123,变电所汇流母线必须满足持续工作电流的其求，其截面一般按长时最大工作电流选，用短路条件校验其动、热稳定性。按长时最大工作电流选：母线的长时最大允许电流是指环境最高温度为25，导体最高发热温度为70时的长时允许电流。当环境温度不满足条件时，应进行修正。当最高环境温度为，其长时允许电流：,（2）母线截面积的选择,124,母线热稳定性按最小热稳定截面进行校验：,硬母线还应按短路条件进行动稳定性校验。,母线截面,最小热稳定截面,母线材料热稳定系数,假想时间,按短路条件进行热稳定性校验。,125,校验母线动稳定性，是校验母线在短路冲击电流电动力作用下是否会产生永久性变形或断裂，即是否超过母线材料应力的允许范围。,当母线跨距数小于或等于2时当母线跨距数大于2时,短路时最大电动力,按短路条件进行动稳定性校验。,最大弯曲力矩,126,当材料的允许弯曲应力大于或等于计算应力时，即其动稳定性符合要求。,母线材料的计算弯曲应力为,母线的抗弯矩,按短路条件进行动稳定性校验。,母线计算应力,最大弯曲力矩,127,矩形母线的安装形式影响热稳定和动稳定,矩形母线平放时散热较差，长时允许电流下降。当母线宽度大于60mm时，电流降低8%；小于60mm时降低5%。,若母线的动稳定性不符合要求时可采取下列措施：增大相间母线的距离；缩短母线跨距；将竖放的母线改为平放；增大母线截面；更换应力大的材料等，都能增加动稳定性。,母线布置方式影响其散热性能和机械性能。,小知识为了区别三相母线的相别，我国部颁规范规定,中性线不接地时涂紫色；中性线接地时涂黑色。直流母线：正极线涂红色；负极线涂蓝色,130,2.母线支柱绝缘子和套管绝缘子的选择,绝缘子俗称绝缘瓷瓶，主要起支撑和绝缘的作用，因此必须具有足够的电气绝缘强度、机械强度、耐热性和防潮性。,131,支柱绝缘子对母线起着支持、固定与绝缘等作用。套管绝缘子当母线穿过建筑物或其他物体时，用于绝缘。,按安装地点：户内式和户外式。,按结构用途：可分为支柱绝缘子和套管绝缘子。,132,动稳定性按最大允许力进行校验：,支柱绝缘子按使用地点和电网电压选择，并按短路条件校验其动稳定性。,（1）支柱绝缘子的选择,短路时最大电动力,133,（2）套管绝缘子的选择,按安装地点分为户内式和户外式两种。,返上一级,（1）选型,（2）额定电压的选择绝缘子的额定电压不低于安装处电网额定电压：UeUew,（3）额定电流的选择：绝缘子额定电流不小于该回路最大持续工作电流：IyIgmax当环境温度高于40度时，应修正：,套管绝缘子按使用地点、电网电压及通过的最大负荷电流选择型号及额定参数，并按短路条件检验其动、热稳定性。,动稳定校验动稳定条件：0.6FdFjs式中：Fd绝缘子的弯曲破坏力（用A、B、C、D、E分别表示375、750、1250、2000、3000kg）Fjs折算到绝缘子顶面计算作用力Fjs=KF式中：Fmax每跨母线的三相最大冲击电动力；K电动力折算系数。母线平放时取K=1；母线立放时取K=1.4,热稳定校验：,铜导体：,铝导体：,138,4.1.7限流设备的选择,短路电流的限制电网短路电流过大，使设备选择困难且不经济。限制短路电流的措施是增加短路回路的总阻抗。具体方法有：（1）改变电网的运行方式。（2）在回路中串入限流电抗器来增加短路回路总阻抗。,139,限流电抗器有普通型和分裂型两种。普通限流电抗器是一个空心线圈，三相电抗器有三个线圈组成。分裂电抗器每相一个进线、两个出线，两出线在电抗器上产生的磁势相反，正常运行时其电抗压降很小；当一路出线回路发生故障时，磁势平衡受到破坏，电抗增大，从而起到限流作用。,限流电抗器,电抗器做为限流设备串接在回路中，以增加短路回路总阻抗，减少短路电流。,就限流而言希望电抗值越大越好，但普通型电抗器的电抗值越大，正常工作时电压损失也越大，不利于保证供电质量。因此在回路正常负荷电流相差不大时，可选用分裂型电抗器。,141,电抗器三相线圈有水平、垂直、品形三种放置方式。,线路电抗器通常都作垂直布置。各电抗器及与地之间用支柱绝缘子绝缘；中间一相电抗器的绕线方向与上下两边相反。母线电抗器作水平布置或品字形布置。,142,限流电抗器在中线路的连接,143,2.普通型电抗器的选择,限流电抗器的参数有工作环境额定电压额定电流百分电抗而百分电抗间接反应电抗值的大小，实用中该值不可过大（否则会影响用户的电能质量），但也不可过小（否则会减弱限制短路电流的效果）。,144,1）工作环境：户内；户外,2）工作电压：设备额定电压=设备安装处电网电压,3）额定电流应大于或等于长时最大工作电流,（1）电抗器值的选择,设：供电系统原有电抗为，为限制短路电流要求所需的系统电抗。所需要电抗器的电抗为：,选择电抗：,4）电抗百分数,145,校验正常工作时的电压损失：,短路故障时母线残压的校验：,（2）电抗器的校验,146,4.1.7限流设备的选择,电抗器的动、热稳定性校验。动稳定性校验：,热稳定性校验：,1：结构特点：N水泥柱式；F分裂式,K：电抗器,2：线圈材料：L铝线；铜线不表示,3：额定电压（kV）4：额定电流（A）5：电抗百分数（%）,电抗器型号,148,例：NKL-6-400-5,水泥电抗器,铝芯,电抗器型号,例：4-2,某企业车间变电所6kV母线总负荷为5000kVA，为了限制短路电流，企业总变电所采用分列运行，每段母线用两条电缆向车间供电。车间进线配电柜的额定开断容量为50MVA，企业总变电所的供电系统与短路参数同例4-1。,试选择向车间供电回路的限流电抗器。继电保护的动作时间为1.5s,这原是例4-1的接线图，再依据例4-2的条件，画上出6kV母线向50MVA的车间供电线路。,151,车间总负荷电流：,通过电抗器最大工作电流：,解：（1）确定电抗器型号及百分值,计算通过电抗器最大工作电流,计算限流要求所需的电抗值：,计算电抗器的百分电抗值由于正常运行时两条电缆并联运行，其计算电抗值为:,因长时最大工作电流为240.5A，选电抗器额定电流为300A,其百分电抗为:,计算系统原有的电抗值：,根据：计算长时最大工作电流为240.5A计算百分电抗工作电压6kV，室内工作,选：NKL-6-300-8型水泥电抗器。额定电压6kV，额定电流300A，值8%，动稳定电流9.56kA，1s热稳定电流12.7kA。,选电抗器型号,154,当4条电缆同时工作且每条电缆负荷电流相同时，电抗器上的电压损失为：,（2）正常时的电压损失,当一条电缆承担一半负荷时，电抗器上的电压损失为：,故所选电抗器正常电压损失符合要求。,155,一段母线上两条电缆同时工作，在电抗器出口处短路母线上残压最低。电抗器的基准电抗为：,忽略电缆电抗，电抗器出口处短路，流经电抗器的短路电流为：,（3)母线残压校验,故母线最低残压为：母线残压符合要求。（4）动、热稳定性的校验当一段母线上只有一条电缆时，电抗器出口处短路通过电抗器的冲击电流值最大：,动稳定性符合要求。,157,短路电流经过电抗器的总时间为：相当于1s的热稳定电流为热稳定性符合要求。,热稳定性的校验,158,4.1.8仪用互感器,在供电用电的线路中电流电压大小相差悬殊，从几安到几万安都有。线路上的电压也都比较高，如直接测量是非常危险的。为便于二次仪表测量，需要转换为比较小的统一的电流电压值。仪用互感器是将一次回路的电压、电流按比例降低到某一标准值（如：100V,5A或1A），供给二次回路的测量仪表、继电保护和自动装置等。,159,1、定义变换电压、电流的设备。是联络一、二次系统的联络元件。2、分类电压互感器（TA）：将高电压变为低电压（100V）电流互感器（TV）：将大电流变为小电流。（5A/1A）,160,4.1.8仪用互感器互感器的作用,互感器的作用：将一次回路中的大电流、高电压变为小电流、低电压供二次设备使用使测量仪表标准化、小型化使二次设备与一次侧电气隔离，保证设备和人身安全。,161,1.电流互感器(TA),原理：利用变压器原、副边电流成比例的特点制成。其工作原理、等值电路也与一般变压器相同，只是其原边绕组串联在被测电路中，且匝数很少；副边绕组接电流表、继电器电流线圈等低阻抗负载，近似短路。,误差：由于磁路与电路的影响，互感器会产生误差。精度：在规定范围内，误差不超过其精度等级所规定的范围（即副边阻抗不应超过其精度等级所规定的范围）。精度等级：分0.2级、0.5级、1级、3级等。0.2级用于实验室的精密测量，0.5级用于收费计量，1级用于一般测量，3级通常用于继电保护,文字符号TA，是变换电流的设备。简称CT。1基本原理电流互感器的基本结构和原理如图示，,结构：电流互感器的结构类同一个双绕组变压器，但它一次侧通常只有1匝。,工作过程：一次侧线圈直接与电力系统高压线路串接，将一次侧的电流以一定的变比折算到二次侧，再由接在二次侧的仪表将电流反映出来。,165,（1）电流互感器的作用,电流互感器的额定变流比是原、付边额定电流之比。即：,166,在高压电网中计且仪表的电流线圈(如电流表、功率表等)和继电保护装置中断电器的电流线圈都是通过电流互感器供电的。电流互感器的二次侧的额定电流一般是5A。便于接二次仪表及继电器。用于测量和保护精度等级：测量用0.2级、0.5级、1级、3级、5级保护用5p、10p,167,电流互感器的二次侧不能开路的原因,电流互感器的二次侧所接负载为仪表或继电器的电流线圈，阻抗非常小。正常运行时，二次侧电流产生的磁通和一次侧电流产生的磁通方向相反，使铁芯内的磁通密度保持在较低的水平，通常在0.1T，此时二次侧的电压也很低。如果二次侧开路，一次侧电流就会全部变成励磁电流，使铁芯骤然饱和磁通密度可达1.8T。,168,电流互感器的二次侧不能开路的原因,互感器铁芯中的磁化力方程为后果：二次侧产生高压达数千伏，危害设备和人员安全。铁芯损耗增加，严重发热，损坏绝缘。产生剩磁，影响计量的正确性。因此：电流互感器二次侧不能开路，电流互感器二次侧必须接地。,激磁电流,电流互感器的极性电流互感器极性的一般采用减极性原则，即：一、二次绕组中的电流在铁心中产生的磁通方向相反。如图所示，则L1与K1为一对同极性端子。,一次绕组和二次绕组分别标记“”的两个端子为同名端或同极性端。,170,（2）电流互感器的选择,按使用地点选择按电网电压选择按长时最大负荷电流选择根据二次设备要求选互感器的精确等级，按二次阻抗对精确等级进行校验。按短路条件校验动、热稳定性。,171,1）工作环境：根据安装地点、安装方式等选型。,2）工作电压：设备额定电压设备安装处电网电压,3）原边额定电流应大于或等于1.21.5倍长时最大工作电流，即:,电流互感器的选择步骤：,安装地点（如屋内、屋外等）安装方式（如穿墙式、支持式、装入式等）,172,即不得低于所供测量仪表的准确度等级，如：0.2：用于试验室精密测量（校准级）0.5：用于计费测量1：用于盘式仪表和技术上用的电能表（估量）3，10，B：用于继电保护,注意：精确度与二次负荷容量有关。可将互感器看作变压器，不能超过一定得带负荷能力。,4）电流互感器的精确等级应与二次设备的要求相适应。,应该满足：,注：由于二次回路中的感抗远比电阻小，所以忽略感抗。,互感器二次侧电流,各仪表的内阻,连线电阻,接触电阻,为了表述流过仪器的电流与互感器二次侧电流的关系，引入接线系数。,174,如果所带仪器已定，安装距离已定，为了满足精确等级要求，则连线电阻应为：,导线的计算截面：,连接导线一般采