发电厂、变电站主接线与设备选择：第44章 发电厂变电所的 主设备(2011-8)

1、全国注册电气工程师发电厂、变电站主接线与设备选择,第44章 发电厂、变电站的主设备,要点 功能与作用 原理（与结构） 参数（与型号） 应用特点与选择方法,44.1 高压断路器,重点 开断电路时电弧的产生与熄灭 开断短路电流时的物理过程 不同短路形式对开断能力的影响 提高开断能力的措施,44.1.1 高压断路器中电弧的产生与熄灭(1,开断电源电压大于10-20V,电流大于80-100mA的电路，触头间就会产生电弧 电弧产生过程 电弧的产生是触头间中性质点（分子和原子）被游离的结果。 触头开始分离，由于触头间强电场作用使阴极触头表面发射电子，电子在触头电压作用下产生碰撞游离（电子碰撞介质的中性质点

2、，使质点释放电子）。当带电质点足够多，在外加电压的作用下，大量的电子向阳极运动，形成电流，这就是介质被击穿而产生电弧。此时，电流密度很大，触头电压降很小。 电弧产生后，弧隙的温度很高，高温使阴极热发射，并在介质中热游离（处于高温下的介质分子和原子产生强烈运动，它们之间不断发生碰撞的结果，又可游离出电子和正离子），维持和发展电弧,1,44.1.1 高压断路器中电弧的产生与熄灭(2,电弧产生和发展的过程是带电质点游离和去游离（自由电子和正离子相互吸引发生中和）竞争的结果。两者处于动平衡时，电弧稳定；前者强于后者，电弧发展；反之电弧熄灭 交流电流每半周过零一次，此时电弧自然暂时熄灭。 交流电弧电流过

3、零时，是熄灭交流电弧的有利时机 热击穿: 在电流过零后，弧隙游离过程强于去游离过程，电弧会重燃，这种由于热游离而使电弧重燃的现象,2,44.1.1 高压断路器中电弧的产生与熄灭(3,电击穿:电流过零后，弧隙中存在着两个恢复过程（弧隙介质强度恢复、弧隙电压恢复），若某一时刻的恢复电压高于介质强度，弧隙仍被击穿，称为电击穿。若恢复电压始终低于介质强度，电弧可真正熄灭,3,44.1.2 弧隙电压恢复过程的分析（1,弧隙电压恢复过程 过程性质是周期性/非周期性 取决于电路的参数； 图中：a.为周期性振荡过程 b.为非周期过程,4,电弧电压,恢复电压起始值,瞬态恢复电压,工频恢复电压,44.1.2 弧隙

4、电压恢复过程的分析（2,另一过程为弧隙介质强度恢复过程， 表示弧隙在自然熄弧后介质绝缘强 度不断增强的过程，以能耐受的电 压来衡量。其变化过程决定于电流 大小、介质特性、冷却条件及触头 分断速度等因素。 根据图可看出： 熄灭交流电弧的条件是 上式的物理意义：只要电流过零 后，弧隙介质强度永远大于恢复电 压，弧隙不再被击穿，电弧即熄灭； 否则，电弧会要重燃,5,44.1.2 弧隙电压恢复过程的分析（3,6,结论： 交流电弧的熄灭，一方面在于电流过零后，加强弧隙的冷却，使热游离不能维持，不致发生热击穿；另一方面使弧隙的介质强度及其恢复电压始终要大于弧隙电压恢复速度，不能发生电击穿。 一般对灭弧能力

5、较弱的断路器，电弧可能因热击穿而重燃；而对灭弧能力较强的断路器，往往由于电击穿引起重燃,44.1.2 弧隙电压恢复过程的分析（4,断路器开断短路电流时 弧隙电压恢复过程分析 右图a为简化示意图：电 源中性点接地，在出口处开 断三相短路。 b为单相等值电路 图中：R、L、C为电路参数 r为熄弧后的弧隙电阻,7,44.1.2 弧隙电压恢复过程的分析（5,当电弧电流过零时， 是电源 电压的瞬时值，称开断瞬间恢 复电压。由于电压恢复过程几百 s相比工频5ms快得多，可将它当 作不变的直流电压。又假定 QF是理想开断情况。 因此可得图44-4。 可见QF触头两端的电压即是电容 C两端的电压。 据此列出微

6、分方程： 解方程，求得通解,8,44.1.2 弧隙电压恢复过程的分析（6,式中，c为积分常数，由初始 条件决定； 为特征方程的根 有三种情况分别讨论,9,44.1.2 弧隙电压恢复过程的分析（7,10,44.1.2 弧隙电压恢复过程的分析（8,结论： 1.弧隙恢复电压由稳态和瞬态两部分组成。稳态部分就是电源 电压在弧隙上的分压，按工频变化；瞬态部分过程极快。 2.瞬态部分的性质由电路参数决定：当触头间并联电阻小于或 等于临界电阻时，过程为非周期性；大于临界电阻时，为周期 性。 3.周期性的瞬态恢复电压幅值可达 ，上升速度极快 ， 极易造成过电压和熄弧困难。 4.瞬态恢复电压幅值和上升速度均与

7、有关，而此值与开断电 路的特性和开断短路的形式有很大关系,11,44.1.3 不同短路形式对开断能力的影响（1,开断中性点不直接接地系统中的三相短路电路 三相交流电路中，各相电流不同 时过零，先过零的相，先熄弧，称首 开相。根据相量图分析，首开相断 口的工频恢复电压为相电压的1.5倍。 经过5ms，其余两相同时开断，两相 断口电压分别为相电压的0.866倍。 结论：中性点不接地三相短路时，断路器 恢复电压通常是首先开断相为最大；后续 断开相燃弧时间比首先开断相延长5mS， 电弧能量较大，可能烧坏触头,12,44.1.3 不同短路形式对开断能力的影响（2,结 论： 1.一般情况下，开断三相短路电

8、路时，首开相的工频恢复电压最 大，对断路器的开断能力要求高。 2.简单分析可根据相量图，复杂情况可利用短路计算的序网法进 行。不同短路形式对断路器影响要有数量的概念,13,44.1.4 熄灭电弧及降低断口恢复电压上升速度 的措施（1,在开关电器中采用的灭弧方法有：利用气体或油吹灭电弧，多断口，在断口上并联电阻等 多断口（采用组合式或积木式结构） 多断口的好处是：每个断口分担 的恢复电压降低，有利灭弧；将电弧 分隔成几段，在相同的行程下电弧拉 长，速度加快，弧隙电阻增大，有利 于介质强度的恢复,14,44.1.4 熄灭电弧及降低断口恢复电压上升速度 的措施（2,15,44.1.4 熄灭电弧及降低

9、断口恢复电压上升速度 的措施（3,16,44.1.4 熄灭电弧及降低断口恢复电压上升速度 的措施（4,结论： 多断口带来的问题是：每个断口电压分布不均匀 影响灭弧能力（因为对地分布电容的作用）。弥补 办法是在断口间并联均压电容，一般按照断口间最 大电压不超过分布电压10%的要求选择。 如已知110kV断路器两断口结构，对地电容和断口电容已知，要能计算出两个断口电压分别多少，为了满足不均匀系数小于1.1，需并联多大的电容,17,44.1.4 熄灭电弧及降低断口恢复电压上升速度 的措施（5,断口两端并联电阻 断口间并联电阻的好处是： 改变恢复电压的性质，遏制 高频振荡，变成非周期性。 提高断路器的

10、开断能力。 右图为并联电阻接入方式。 注意:主触头 和辅助触头 动作有先后。 先开断，并联电阻起作用， 促使主触头电弧熄灭；之后， 由于电流减少，电路变成电阻性， 此时， 开断，大大有利于辅助触头 间电弧的熄灭,18,44.2 电流互感器,重点： 电流互感器与电压互感器不同的 特点 产生误差的原因，准确级概念 使用中的注意事项,44.2.1 电磁式电流互感器的特点,电磁式电流互感器和电压互感器原理与结构基本相同；为了安全，二次侧都应有一点接地；两者都要求减少误差，提高准确度。 电磁式电流互感器和电压互感器不同的特点是： 电流互感器一次侧串联在电路中，且一次匝数少。一次电流与二次侧负载无关；电压

11、互感器一次侧并联在电路中，一次匝数多，阻抗很大，它的接入对被测电路没有影响。 电流互感器二次侧负载阻抗很小，正常运行时二次侧相当于短路状态，不允许开路；电压互感器二次侧负载阻抗很大，正常运行时二次侧相当于开路，不允许短路,19,44.2.2 电流互感器的误差（1,20,44.2.2 电流互感器的误差（2,误差分析的工具： 基本方程式 等值电路图 相量图 铁芯的BH曲线,磁势相量相加,21,H：铁芯的磁场强度； B：铁芯的磁感应强度； lav：磁路平均长度； :铁芯磁导率,根据磁势平衡原理,44.2.2 电流互感器的误差（3,22,44.2.2 电流互感器的误差（4,由基本方程式得额定互感比,2

12、3,图44-9,44.2.2 电流互感器的误差（5,24,图44-9,44.2.2 电流互感器的误差（6,25,44.2.2 电流互感器的误差（7,再根据基本方程式可得,26,44.2.2 电流互感器的误差（8,27,I1N,I1,44.2.2 电流互感器的误差（9,影响误差的因素（制造、运行）： (1)一次电流 影响 从基本方程式看出,28,44.2.2 电流互感器的误差（10,29,I1N,44.2.3 额定容量（1,电流互感器的准确级 按用途可分测量用和保护用两种。 测量用的准确级指在一定的二次负荷和额定一次电流时最大的电流误差限值，常用的有0.2,0.5,1和3级。 稳态保护用的准确级

13、指在一定的短路电流（以额定一次电流的倍数表示）时的最大复合电流误差，常用的有5P，10P,30,44.2.3 额定容量（2,31,44.2.3 额定容量（3,利用10%误差曲线校验 准确度 额定容量 指在 和 下的二次绕组输出容量 要求 容量等级我国规定10级,32,额定准确限值一次电流 或额定准确限值系数,电流互感器的误差与二次负荷有关，一台电流互感器使用在不同准确等级时，对应有不同的额定容量。 只要实际的二次负荷阻抗值不大于额定二次阻抗，电流互感器的误差就不会越限,Z2实际二次阻抗,S2二次侧负荷,44.2.4 电流互感器使用中应注意的事项,电流互感器二次绕组不准开路 开路时， （由磁势平

14、衡方程式）饱和，波形正弦成平顶波 可达上万伏，造成危险其值与二次绕组匝数和一次电流有关。 为此，工程中要注意：不用的二次绕组要短接；运行中需拆除或校验连接的仪表时，必须先短接二次绕组；二次侧不许装设熔断器等,33,44.2.4 电流互感器使用中应注意的事项,电流互感器连接时注意极性 常用减极性标号；一次电流从同名端流入，二次电流从同名端流出； 减极性好处：流入仪表的电流方向在电流互感器安装前后不变，比较直观。要改变极性，或改变绕组绕向，或改变标志。在接有带方向性负荷时必须注意极性，不然就会出错,34,44.2.5 电流互感器的接线（1,接线时应注意的问题 用于保护根据有关故障类型和保证灵敏系数

15、的条件确定。 常用的接线方式 各种接线的使用场合 单相接线三相对称负荷，测量单相电流； 星形接线测量三相电流，监视三相不平衡； 不完全星形接线B相不装，可接三相二元件功率表,35,44.2.5 电流互感器的接线（2,用于保护时： 星形接线用在中性点直接接地系统； 不完全星形接线用在中性点非直接接地系统（可允许短时单相接地运行，一般都装有单相接地信号装置）； 三角形接线用在Y/变压器差动保护接线。 概括几点：电流互感器都是单相式的，根据需要加以组合；测量和保护的负荷分别串接在不同组的电流互感器或不同的二次绕组上；根据系统情况，负荷重要性，表计要求，保护要求反映故障类型和保证灵敏系数等条件来选择接

16、线形式,36,44.2.6 电流互感器在主接线中的配置,1）凡有断路器，即配置电流互感器。测量与保护一般应分开。 （2）测量与计量一般也应分开，后者须使用0.5级（及以上）互感器。 （3）保护用电流互感器装设地点应按消除主保护死区来设置。 （4）对于中性点直接接地系统，一般三相配置（能反映单相接地故障）；对于中性点不直接接地系统，发电机和变压器回路应三相配置（能监视不对称程度），其余回路配置A、C两相。 （5）发电机自动调整励磁装置用的电流互感器装在发电机出线端，测量用的电流互感器装在中性点侧。 （6）电流互感器一次侧短路应由断路器切除,37,44.3.1 电压互感器的误差与准确级（1,38,

17、U1,图 等值电路,图44-13 相量图,44.3.1 电压互感器的误差与准确级（2,39,44.3.1 电压互感器的误差与准确级（3,40,图44-13 相量图,N,44.3.1 电压互感器的误差与准确级（4,41,44.3.1 电压互感器的误差与准确级（5,42,44.3.1 电压互感器的误差与准确级(6,电压互感器的准确级指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值。定为0.2，0.5，1，3以及3P和5P（P代表保护用）。 GB1207-2006 电磁式电压互感器 电压互感器的额定容量指最高准确级时的容量，不同准确级时的容量是不同的。最 大容量是按最高

18、工作电压下长期工作容许发热条件确定的容量,43,44.3.1 电压互感器的误差与准确级(7,44,44.3.2 电磁式电压互感器的结构,电压互感器的结构： 普通式，串级式 串级式的特点是绕组和铁芯均采 用分级绝缘；绕组和铁芯装在瓷 套内，瓷套用作油箱和高压出线套管。 在110kV及以上系统中使用可节 省绝缘材料，减轻重量和体积。 图中，铁芯分二级，绕组分四级， 第一级绕组底端接地，铁芯不接 地。二次绕组开路时，绕组对铁 芯边缘的绝缘按 设计,45,44.3.3 电容式电压互感器,电容式电压互感器实质就是： 电容分压器+电磁式电压互感器 分压比 当二次绕组接有负荷时，由于等 值电源内部有内阻存在，实测电 压小于电容分压值，产生误差。 为减少误差，加装补偿电抗，并 经普通电磁式电压互感器接至二 次负荷