新6设备选择概要

1、第六章第六章 电气设备的原理与选择电气设备的原理与选择 主要内容：主要内容： （1）高压断路器的灭弧原理及选择 （2）电流、电压互感器的原理与选择 （3）限流电抗器的选择 第一节第一节 高压断路器的原理与选择高压断路器的原理与选择(P.173) 高压断路器作用： （1）控制作用：正常运行时，倒换运行方式。 （2）保护作用：故障时，切除故障回路。 高压断路器特点：开、合短路电流 高压断路器的开合能力：熄灭电弧的能力 高压断路器的心脏：灭弧室 一、电弧的形成与熄灭一、电弧的形成与熄灭 1. 电弧的形成和弧隙介质的游离与去游离 在开关触头分离的瞬间，触头间会出现 电弧。此 时触头虽已分开，但电路中的

2、电流还在继续流通，必 须将电弧熄灭，电路才真正断开。 电弧不仅延迟电路断开，还有下列危害：由于电 弧的温度很高，可能 烧坏触头，或使触头附近的 绝缘 遭受破坏；若电弧长久未熄，将会引起 电器烧坏，危 害电力系统的安全运行 ，所以在切断电路时，必须尽 快熄灭电弧。 电弧的组成：电弧的组成：阴极区、阳极区、弧柱阴极区、阳极区、弧柱 电弧的产生是触头间中性质点（分子和原子） 被游离的结果。 游离：游离：中性质点转化为带电质点。 游离的四种形式： （1）阴极发射 强电场发射：阴极触头表面的自由电子在强 电场作用下被拉出来。 热电子发射：高温的阴极表面能够向四周空 间发射电子。 （2）介质游离介质游离

3、碰撞游离：从阴极表面发射出来的自由电子， 在奔向阳极的途中与介质的中性质点（原子或分 子）碰撞。原中性质点游离为自由电子和正离子。 热游离：具有足够动能的中性质点相互碰撞， 游离出自由电子和正离子。 总之，电弧是由强电场发射和热电子发射提 供最初电荷，由碰撞游离形成，由热游离维持和 发展。 这样，触头间就存在大量的自由电子，于是， 原来绝缘的气体间隙变成了导电的通道，使介质 击穿而形成电弧。 电弧中发生游离的同时，还进行着使带电质点减 少的去游离过程。 去游离：自由电子和正离子相互吸引发生中和的现象。 去游离形式： （1）复合：异号带电质点的电荷彼此中和。 （2）扩散：弧柱内自由电子与正离子逸

4、出弧柱，到周围 介质中去的过程。扩散出去的带电质点，因受冷却而 复合为中性质点。 总之，利用各种方法，人工强迫 冷却电弧内部和 表面，不仅可以增强复合速度，同时也能增强扩散速 度，使电弧很快熄灭。 2. 交流电弧的熄灭条件 交流电弧具有过零值自然熄灭的特点，即交 流电弧中电流每半周过零一次，此时电弧暂时自 然熄灭，若此时采取措施（冷却），使弧隙介质 的绝缘能力达到不会被弧隙外施电压击穿的程度， 则下半周电弧不会重燃而最终熄灭。 或者说，电弧是否熄灭，决定于电弧电流过 零时，弧隙介质强度恢复速度 与系统恢复电压上 升速度的竞争。 （1）弧隙介质强度恢复过程）弧隙介质强度恢复过程 电弧电流过零时电

5、弧熄灭，而弧隙的绝缘能力 要恢复到绝缘的正常状态尚需一定的时间，这一过 程称为弧隙介质强度恢复过程 。 用耐受电压 Ud ( t ) 表示，耐受电压主要由断路 器灭弧室的结构和灭弧介质的性质决定，因此随断 路器型式而异。 显然，提高介质强度恢复过程对灭弧有利。 影响弧隙介质强度恢复的主要因素（ 4 点）： 与弧隙的冷却条件有关。冷却条件越好，恢复 越快。 与电弧电流大小有关。电流越大，温度越高， 恢复越慢。 与触头的分断速度有关。分断速度快，弧隙电 阻增大得快，恢复就快。 与采用的介质特性有关。应采用绝缘强度高 的介质。 （2）弧隙电压恢复过程）弧隙电压恢复过程 电弧电流自然过零后，电路施加于

6、弧隙的电 压，将从不大的电弧电压逐渐增长，一直恢复到 电源电压，这一过程中的弧隙电压称为 恢复电压恢复电压， 以 U r ( t ) 表示。 电压恢复过程与线路参数、负荷性质等因素 有关，可能是周期的或非周期的变化过程。 电压恢复过程分为两部分：电压恢复过程分为两部分： （1）瞬态恢复电压 Utr（首先出现） （2）工频恢复电压 Usr（以后出现） 总之，总之，只要电流过零后，弧隙介质强度 永远大于恢复电压，弧隙即不再被击穿，电 弧即熄灭。 用公式表示：用公式表示：U d ( t ) U r ( t ) 3. 高压断路器熄灭交流电弧的基本方法 电弧能否熄灭，取决于电弧电流过零时， 弧隙的介质强

7、度恢复速度与系统恢复电压上 升速度的竞争。加强去游离、降低U r 的恢复 速度，都可以促使电弧熄灭。 现代高压断路器中，广泛采用以下几种灭 弧方法： （1）利用灭弧介质）利用灭弧介质 电弧周围介质的特性，决定电弧中的去游离强 度。灭弧能力强的介质主要有：油、 SF6气体、真 空等。 采用不同的介质可以制造出不同类型的高压断路 器，如，油断路器、 SF6断路器、真空断路器等。 （2） 采用特殊金属材料作灭弧触头 采用耐高温的金属作触头材料，可以减少热电 子发射、抑制游离。 常用的有铜钨合金、银钨合金等。 （3） 吹弧吹弧 即利用气体或油吹动电弧，使电弧熄灭。 如前所述，降低弧隙温度能加快去游离，

8、而且介 质的绝缘强度随温度的降低而增加。介质强度恢复 的快慢，在很大程度上决定于弧隙温度降低的速度。 所以，冷却电弧是熄弧的重要方法之一。 用气体或液体介质吹弧，能起到对流换热、冷却 弧隙的作用。 在断路器中，常制成各种形式的灭弧室，使气体 或液体产生很高的压力，有力地吹向弧隙。 吹弧的方式有： （1）纵吹：吹动方向与弧柱平行，使电弧冷却 变细。 （2）横吹：吹动方向与弧柱垂直，拉长电弧， 使电弧表面积增大并加强冷却。 采用纵、横混合吹弧的方式，效果更好。 （4） 采用多断口熄弧 在高压断路器中，每相采用两个或更多的断口 串联，在熄弧时，可以起到拉长电弧、增大弧隙电 阻、降低弧隙恢复电压等作用

9、。 （5） 提高断路器触头的分离速度 可以使电场强度骤降，有利于熄弧。 在实际设备中，常常综合使用几种方法迅速灭弧。 二、断路器开断短路电流时的工作状况分析 1 .弧隙电压恢复过程分析 结论： （1）当触头间并联电阻 r r cr 时，电压恢复过程为周 期性，并且可能出现过电压。 因此，通常断路器触头间，通过辅助触头接入 几欧到几十欧的低值并联电阻，使主触头间产生的 电弧电流被分流或限制，使电弧容易熄灭，而且使 恢复电压的数值和上升速度都降低，同时使可能的 振荡过程变为非周期振荡，从而抑制了过电压的产 生。 2 .不同短路形式对断路器开断能力的影响 不同短路形式对断路器的开断能力有明显的影 响

10、。 断路器开断三相电路时，通常是首先开断相的 恢复电压最大。断路器首先开断相开断时的工频恢 复电压最大值Upr.ml为， U pr.ml = 0.816 K 1 U sm 三、高压断路器选择（P.180） 1. 种类和型式 2. 电压 UNUNS 3. 电流 I N I max 4. 按开断电流（INbr）选择 I Nbr I 5. 按短路关合电流（ iNcl）选择iNcl ish 6. 热稳定校验 I t 2 t Q k 7. 动稳定校验 ies ish 第二节第二节 隔离开关的选择隔离开关的选择(P.182) 隔离开关的主要用途：隔离开关的主要用途： 隔离电压：保证检修工作安全。 倒闸操作

11、：与断路器配合，共同完成。 分、合小电流：如2A的电感电流、5A的电容 电流。 1. 种类和型式 2. 电压 UNUNS 3. 电流 I N I max 4. 热稳定校验 I t 2 t Q k 5. 动稳定校验 ies ish 例题：P.183，6-1 第三节第三节 电流互感器的原理与选择电流互感器的原理与选择(P.183) 互感器（TA、TV）是电力系统中供测量和 保护用的重要设备，主要作用是：主要作用是： （1）将一次回路的高电压、大电流变为二次回路 标准的低电压、小电流。 这样，就可以使用小量程的电流表测量大电 流；用低量程的电压表测量高电压。并采用小 截面的电缆进行远距离测量。 （2

12、）使二次设备与高压部分隔离，以保证设备）使二次设备与高压部分隔离，以保证设备 和人身安全。和人身安全。 为确保人身和设备安全，互感器的二次线 圈必须可靠接地。这样，当互感器一、二次线 圈间绝缘损坏时，可以防止一次回路的高压窜 入到测量仪表及继电器的二次回路，危及人身 安全。 一、电磁式电流互感器基本原理 1.电流互感器的特点 （1）一次绕组串联在电路中，且匝数很少。因 此，一次绕组中的电流完全取决于被测电路的 负荷电流，而与二次电流大小无关； （2）TA的二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很 小，因此，正常时近于短路状态。 2.电流互感器的误差 由于电流互感器的铁芯存在励磁损耗等原因， 使得电流互

13、感器在转变电流的过程中产生误差。 包括电流误差和相位误差。 说明： （1）电流误差能引起所有仪表和继电器产生误差； （2）相位差对功率型测量仪表和继电器，以及反相 位的保护装置有影响。 （3）由于TA在额定一次电流下误差最小，因此，在 工程设计与电网运行时，应尽量使 TA在额定一次 电流附近运行。 （4）TA二次绕组严禁开路二次绕组严禁开路 电流互感器正常运行时，励磁磁势很小。 若二次开路，则一次电流产生的磁势将全部用 于励磁，使铁芯处于高度饱和状态，从而铁芯 损耗和温度剧增，烧坏设备，或使误差特性变 坏。 并且，二次绕组会感应产生很高的尖顶波 电动势，若一次电流较大，则会达到几万伏高 压，击

14、穿绝缘，危及操作人员和仪表的安全。 如果需要接入或更换测量仪表及继电器， 应先将电流回路进线一侧短路或就地造成并联 支路，以确保作业过程中无瞬间开路。 3.电流互感器的准确级和额定容量 （1）准确级 TA根据测量时误差的大小，划分为不同的准 确级。 准确级是指在规定的二次负荷变化范围内，一 次电流为额定值时的最大电流误差。 测量用TA在正常情况下工作，有 0.1 、0.2、0.5、 1 、3、5六个准确级； 保护用TA在故障情况下工作，分为两种：稳 态保护用（P级）、暂态保护用（ TP级）。 保护用TA除对电流误差和相位误差有具体要 求外，还对复合误差提出了具体要求。 复合误差：在稳态情况下，

15、 TA二次电流瞬时 值乘以额定电流比，与一次电流瞬时值之差的均 方根值，与一次电流有效值之比的百分数。 复合误差能综合反映 TA的非线性特性。测量 用TA对复合误差不作具体规定。 （2）额定容量 S2N= I 2N 2Z 2N 说明： （1）由于 I 2N 为标准值（5A或1A），因此，厂家 常提供 Z 2N 值。 （2）由于TA的误差与二次负荷有关，因此，同一 台TA使用于不同准确级时，会有不同的额定容 量。 4.电流互感器的分类 （1）按地点：户内、户外 （2）按安装方式：穿墙式、支持式、装入式 （3）按绝缘：油浸式、浇注式、干式 （4）按一次绕组匝数：单匝、多匝 说明：由于同一电路中，往

16、往需要很多的 TA供测量、 保护使用，为节约材料，常由多个没有磁联系的独 立铁芯和二次线圈，与共同的一次线圈组成单电流 比、多二次线圈的 TA，这样，一台TA可以当几台 使用。 二、电流互感器的选择 1. 种类和型式的选择 根据实际情况选择。 2. 一次回路额定电压和电流的选择 UNUNSI 1N I max 3. 二次额定电流选择 当采用弱电控制系统或配电装置（如超高压配 电装置）距控制室较远时，为减小电缆截面，提高 带二次负荷能力及准确级，二次额定电流应尽量采 用1A。而强电系统用 5A 。 4. 准确级和额定容量选择 （1）准确级：为保证测量仪表的准确度， TA的 准确级不得低于所供测量

17、仪表的准确级。一般， 精确测量用0.2级、一般测电能用 0.5 级、监视测 量用1、3级。 说明：当一个TA回路有几个不同型式的表计时， 应按相应最高级别确定 TA的准确级。 （2）额定容量 TA的准确级与额定容量相对应。当准确级确 定后，可以查出额定容量 S 2N ，因此，需将S2N与 S 2 相比较，即 S2NI 2N 2Z 2L 而 Z 2L =r a+ rre + r L+ rc 所以， SLc / Z2N -( r a+ rre +r c ) 计算长度Lc与仪表到TA的实际距离L及TA 的接线方式有关。 (a)单相接线：用于对称三相负荷时，测量一相电流。 (b)星形接线：测量三相负荷

18、电流，监视每相负荷的不 对称情况。常用于 110kV 及以上线路，以及发电机、 变压器等重要回路。 (c)不完全星形接线：当只需取A、C两相电流时（如， 三相二元件功率表或电能表）使用的接线。常用于 35kV 及以下电压等级的不重要出线。 发电厂和变电站应采用铜芯控制电缆， 为满足机械强度要求，铜导线截面不应小于 1.5mm 2 。在接入的表计中，有供收费的电能 表时，铜导线截面不应小于 2.5mm 2 。 5. 热稳定校验 I t 2 Q k 或（K t I 1N ） 2 Qk 6. 动稳定校验 包括由同一相的电流相互作用产生的内部电动 力校验，以及不同相的电流相互作用产生的外部电 动力校验

19、。 内部： iesish 外部： F al0.51.7310 -7ish2L/a (N) 显然，多匝式一次绕组主要经受内部电动力， 单匝式一次绕组不存在内部电动力，动稳定由外部 电动力决定。 例题：P.190 ，6-2 第四节第四节 电压互感器的原理与选择电压互感器的原理与选择(P.191) 一、电磁式电压互感器 1 .工作原理：与变压器相同，特点：特点： （1）高压绕组与被测电路并联，低压绕组与测量 仪表电压线圈并联； （2）容量很小，只有几十至几百伏安； （3）二次侧所接仪表和继电器电压线圈的阻抗很 大，因此电压互感器近似于空载状态运行； （4）二次侧不能短路，否则很大的短路电流会烧 坏互

20、感器。 2 .电压互感器的误差 由于TV存在激磁电流和内阻抗，因此存在误差。 包括：电压误差（比值差）、相位差（角误差） 3.TV的准确级和容量 TV的准确级是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。 由于二次负荷影响 TV的误差，因此，同一台 TV对应不同的准确级便有不同的容量。 通常，额定 容量是指对应于最高准确级的容量。 总之，电压误差不同，准确级就不同，容量也 就不同。 4.TV的分类和结构 （1）分类： 按安装地点：户内、户外 按相数：单相、三相 按绕组数：双绕组、三绕组（多一个附加二次 绕组，用来接入监视电网绝缘状况的仪表和保护 接地继

21、电器。） 按绝缘：干式、浇注式、油浸式、充气式 （2）结构：分为普通式和串级式。335kV均制成 普通式，与普通小型变压器相似。 110kV 及以上制 成串级式，其特点是：线圈和铁芯采用分级绝缘， 简化了绝缘结构，同时线圈和铁芯装在瓷套中， 提高了运行可靠性。 三相五柱式三相五柱式TV： 在小电流接地系统中，为了监视相对 地的绝缘情况，需要测量相对地电压。 这时，TV的一次绕组必须接成星形， 且中性点接地。 在366kV 电网中，采用三个单相三绕组 TV可 以满足要求，但价格高，为节约投资，希望采用 三相式TV，但不能采用普通三相三柱式 TV，而 应采用三相五柱式TV。 原因是：原因是：当发生

22、单相接地短路时， TV三相中 都有零序电流通过，所产生的零序磁通因大小相 等、相位相同，所以只能通过气隙和 TV铁外壳形 成闭合磁路。由于这条磁路磁阻很大，故零序电 流比正常励磁电流大许多倍，致使 TV绕组过热， 甚至烧坏。为避免这种情况发生，应将 TV铁芯制 成五柱式，由于两侧多设了两柱铁芯，在上述情 况下，零序磁通可以经过磁阻很小的外侧铁芯形 成闭合回路，故零序电流不大，对 TV无损害。 二、电容式TV 利用电容分压原理实现电压变换。 为减小误差，分压后不直接接二次负荷，而 是经非线性补偿电感线圈和中间变压器接二次负 荷。 这样，大大降低了 TV总内抗，使电压互感器 更接近理想恒压源。内抗

23、压降减小，提高了电压 互感器的精确度。 特点：特点：体积小，成本低，且电压越高越显著，广泛 应用于110kV500kV中性点直接接地系统。缺点 是输出容量较小，误差较大。 三、电压互感器的接线三、电压互感器的接线 (a)、(b)：单相TV接线，用于测量相间电压（图a， 35kV 及以下）或相对地电压（图 b，110kV 及以 上）。 (c)：V/V 接线，这是两台单相TV接成不完全星形， 能测量相间电压，不能测量相对地电压。用于 20kV 以下小接地电流系统。 (d)：一台三相五柱TV接线，用于3 20kV系统，可 以测量相间及相对地电压。附加二次绕组接成开 口三角形，供保护继电器以及绝缘监视

24、仪表、继 电器使用。 (e)：三台单相三绕组TV接线，用于各电压级系统， 测量相间及相对地电压。 说明：说明： （1）335kV电压互感器一般经隔离开关和熔断器 接入高压电网， 110kV 及以上TV只经隔离开关与 电网连接。 （2）高压熔断器用来防止高压电网受 TV及其引线 故障的影响，不能防止 TV受过负荷的影响。TV 的过负荷保护由装在低压侧的熔断器来实现。 四、电压互感器的选择 1 .种类和型式选择 按安装地点、使用条件选择。 2 .一次额定电压和二次额定电压的选择 TV一次绕组的额定电压，应根据互感器高压侧 的接线方式来确定。 TV二次绕组的额定电压应能使所接表计承受 100V 电压

25、，根据测量目的的不同，其二次侧额定电 压也不相同。 详见下表 3 .容量和准确级选择 *作出接入TV的测量仪表和继电器的三线 接线图； *根据测量仪表和继电器的型式和用途， 确定准确级； *查出这一准确级 对应的容量，应使S 2N S2L。 （1）准确级确定 *所有计费电能表用的TV，选0.5 级； *供运行监视电能的电能表、功率表、电压继电器 等所用的TV，选1级； *用于估计被测数值的表计所用的TV，选3 级。 （2）二次负荷 S 2L S 2N S2L 二次负荷与测量仪表的类型、数量和接入 TV的 接线方式有关。 说明： 由于TV的三相负荷常常不相等，为满足准确 级要求，应分别计算各相负

26、荷，再以最大相负荷与 TV一相的额定容量进行比较。 计算TV各相负荷时，应注意 TV和负荷的接 线方式。参见下表。 另外，由于另外，由于TV与电网并联，当系统发生短与电网并联，当系统发生短 路时，路时，TV本身不受短路电流作用，因此， 无 需校验TV的热稳定和动稳定。 例题：例题：P.195 第五节 互感器在主接线中的配置原则(P.196) 一、电压互感器的配置 1. 母线。一般工作母线及备用母线都装有一组 TV， 用于同步、测量仪表和保护装置。 2. 线路。35kV及以上输电线路，当对端有电源时， 装有一台单相TV。 3. 发电机。一般装有 23 组TV。 4. 变压器。变压器低压侧有时为了

27、满足同期或继电保 护的要求，设有一组 TV。 二、电流互感器的配置 1. 为了满足测量和保护装置的需要，在发电机、变 压器、出线、母线分段及母联断路器、旁路断路 器等回路中均设有电流互感器。对于中性点直接 接地系统，一般按三相配置；对于中性点非直接 接地系统，依具体情况按二相或三相配置。 2. 为了防止电流互感器套管闪络造成母线故障， TA 通常布置在断路器的出线侧或变压器侧，即尽可 能不在紧靠母线侧装设 TA。 第六节 限流电抗器的选择(P.198) 一、额定电压和额定电流的选择 UNUNSI NImax 二、电抗器电抗百分数的选择 （一）普通电抗器电抗百分数的选择 （1）按将短路电流限制到一定数值的要求，确定 xL%； （2）正常运行时，电压损失 U% 校验； （3）短路时，母线残压 U re % 校验。 （二）分裂电抗器电抗百分数的选择 按将短路电流限制到一定数值的要求，计算 xL% ，但分裂电抗器产品是按单臂自感电抗 xL1% 算 出，因此，应进行换算。 xL% 与xL1%的关系与电源连接方式和短路点的 选择有关： （1）3侧接电源，1或2短路时， xL1%= x L% （2）1、2侧接电源，3短路时， xL1%= 2