第六章高压电气设备原理与选择校验

1、发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-1邵阳学院电气工程系邵阳学院电气工程系发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-2 电气设备选择是发电厂和变电所电气设计的主电气设备选择是发电厂和变电所电气设计的主要内容之一，要求学生在掌握电气设备选择共性的要内容之一，要求学生在掌握电气设备选择共性的基础上，掌握电器选择的个性部分。基础上，掌握电器选择的个性部分。 1、电气一次设备通用选择方法；、电气一次设备通用选择方法； 2、断路器、电抗器、断路器、电抗器、TA、TV的选择校验条件。的选择校验条件。 共共8课时，其中讲解例题课时，其中讲解例题1课时。课时。 从工程的观点，掌握电气一次设备通用选择和校从工程的观点

2、，掌握电气一次设备通用选择和校验方法。验方法。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-3 发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-41、额定电压 工程上通常采用下列条件： 2、额定电流 使电气设备的正常最高发热温度不得超过长期发热的最高允许温度。 电气设备的额定电流IN是指在额定环境温度 下，电气设备的长期允许电流。 0NNalalalIKII0发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-53、按当地环境条件校核 在选择电器时，还应考虑电器安装地点的环境条件，如气温、风速、海拔高度等环境条件超过一般电器的使用条件时，应向制造部门提出要求或采取相应的措施。 1、热稳定校验【承受热效应的能力承受热效应的能力】

3、满足：I2t t=Qk t ：热稳定时间，取最接近短路电流的持续时间，一般取4秒。 tI ：热稳定电流，取对应时间t的热稳定电流。 2、动稳定校验【】 满足：ies= ish或Ies =Ish ies ：动稳定电流，查设备手册。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-6 按本工程最终容量计算，并考虑发展【510年】；其接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式。 一般按系统最大运行方式下三相短路电流校验，若其它短路较三相短路严重时，则按最严重的短路情况校验。 在计算电路中，同电位的各短路点的短路电流值相等，但通过各支路的短路电流将随短路点的位置不同而不同。 ：选择通过导体和电器的短路电流为最大

4、的那些点作为短路计算点。 在被选择的设备两端分别取短路点，看哪一点流过电器的短路电流为最大。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-7K1K2K3K4K5K6K7K8tI1gI2gI图6-1 短路计算点的选择QF1QF2QF3QF4QF5如图6-1所示 发电机、变压器回路的断路器：QF1，K1: ，K2： ，选K2QF3，K1: ，K3： ，要进行比较才能确定。1gItgII2tI21ggII母线联络断路器QF5：选K4 带电抗出线回路中的电器校验，如断路器QF4，选择K8【】 母线：应在严重的短路下校验。应选K1或K4： tggkIIII21发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-8发电厂电气主系

5、统发电厂电气主系统1-9(1)校验热稳定的短路电流计算时间tktk=保护动作时间（tpr）+断路器的全开断时间（tbr）(tbr= tin+ta ) tpr：一般取后备保护动作时间。tbr =固有分闸时间（tin）+熄弧时间（ta）(2)开关电器的开断计算时间tk tk=主保护动作时间（tprl）+断路器的固有分闸时间（tin）tprl：电磁式保护装置一般取0.050.06s，微机保护装置一般取0.0160.03s 发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-10发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-112、电弧的特点 质量轻，温度高，是一种气体导电现象。 1、电弧的危害性 烧坏电气设备并将事故扩大。

6、3、电弧的形成 用开关电器切断有电流通过的线路时，只要电源电压大于1020V，电流大于80100mA，在开关电器的动、静触头间就会出现电弧，如图6-2所示。此时，触头虽已分开，但电路中的电流还在继续流通，只有电弧熄灭，电路才能真正开断。【其形成可分为如下四个过程】 +-V静触头动触头弧柱图 6-2 电弧发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-12（1）强电场发射）强电场发射 当开关动、静触头分离初瞬，开距S很小，虽然外施电压U不高，但电场强度E（E=U/S）很大。当其值超过3106 V/m时，阴极表面的自由电子被强行拉出。【】 自由电子的强电场作用下，加速向阳极运动，沿途撞击中性粒子，使之游离出自

7、由电子和正离子，链琐反应，由此形成电流。【】 （2）碰撞游离）碰撞游离发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-13 电弧形成后，弧隙温度迅速升高【可达数千度甚至上万度】，此时熔化金属触头依靠高温而发射电子。 高温下的中性粒子不规则的热运动速度很高，彼此碰撞时游离出大量带电粒子 （3）热电子发射）热电子发射（4）热游离）热游离发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-14 (1)游离过程：产生自由电子过程。 (2)去游离过程：电弧中发生游离的同时，还进行着使带电粒子减少的去游离过程，即：减少自由电子的过程。 (1)复合：正、负粒子相互中和变成中性粒子的现象。 (2)扩散：指带电粒子从电弧内部逸出而进入周围

8、介质中去的现象。有：浓度扩散；温度扩散。 若游离过程去游离过程，则电弧会剧烈燃烧若游离过程=去游离过程，则电弧会稳定燃烧发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-151、交流电弧的特性 交流电弧的两大特点：过零自然熄灭；动态的伏安特性【由于热惯性，不对称的由于热惯性，不对称的马鞍形马鞍形，见书，见书P174图图6-1】。 交流电弧周期性变化，每半周要自然过零一次，如图6-3所示： (1)过零前瞬间t1时刻，iT去游离加强。 (2)过零时t2时刻，i=0 T去游离进一步加强，电弧瞬时熄灭。 (3)过零后t3时刻，电弧是否重燃，取决于弧隙介质强度的恢复Ud(t)和弧隙电压的恢复Ur(t)。 发电厂电气主

9、系统发电厂电气主系统1-16电弧瞬时熄灭后，开关断口出现两个过程: （1）弧隙介质绝缘强度的恢复过程（以Ud(t)表示） 处决于QF的灭弧装置的结构和灭弧介质的性质，随QF型式而异【见书P175图6-2所示】。 起始介质强度：这是因为在电弧过零之前，弧隙充满着电子和正离子，当电流过零后，弧隙的电极极性发生改变，弧隙中的电子立即向新的阳极运动，而比电子质量大一千多倍的正离子则基本未动，从而形成弧隙间电子与正离子不平衡，便在新阴极附近呈现正电荷离子层，其电导很低，显示出一定的介质强度，约在0.11us的暂短时间内有150250V起始介质强度【见书P175图6-3所示】。 这种近阴极效应特性特别对交

10、流低压电器的熄弧有利【灭弧栅原理】。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-17（2）弧隙电压恢复过程（以）弧隙电压恢复过程（以Ur(t)表示）表示） 电弧自然过零后，电路施加于弧隙的电压，将从不大的熄弧电压逐渐增长，一直恢复到电源电压，它与线路参数、负荷性质等有关。 由于实际电路中，有电容、电感存在，使 i 与u相位不同，Ur(t)可能是周期性变化，也可能是变化。 交流电弧过零后，交流电弧过零后，弧隙介质绝缘强度的恢复弧隙介质绝缘强度的恢复Ud（t）永远大于弧隙电压的恢永远大于弧隙电压的恢复复Ur(t)，即，即 Ud（t） Ur(t) 。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-18 1）利用灭弧

11、介质 SF6、真空、氢气 2）采用特殊金属材料作灭弧触头 铜、钨合金或银钨合金。 3）利用气体或油吹动电弧 冷却绝缘介质降低电弧的温度，消弱热发射和热游离，另一方面，吹弧，可以拉长电弧，增大冷却面，强行迫使弧隙中游离介质的扩散。有纵吹、横吹两种方式。 4）采用多断口熄弧 5）提高断路器触头的分断速度，迅速拉长电弧 发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-19三、断路器开断短路电流时的工作状况分析三、断路器开断短路电流时的工作状况分析【略讲略讲】 GTGRLQFQFrCKK图(a) 短路电路图(b)电路模型,r为QF两端的并联电阻U0RLC图(c) 等效电路i1i2iUcUr图6-4 断路器开断短路

12、电流1、电弧两端电压 的恢复过程 rU 如图6-4所示， 为电弧电流过零时，电源电压瞬时值，由于过渡过程时间很短，一般不会超过几百微秒，可用直流电源来代替，其数值与短路故障类型有关，R、L、C为电路参数。并假设电源为中性点接地的发电系统（单相接地短（单相接地短路）路），由此可得二阶常系数微分方程： 0UocccUurRdtdurLRCtdudLC) 1()(22发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-2002U 根据特征方程的根，分三种情况进行讨论： 实根，非周期性过程。其恢复电压的最大值不会超过 ，恢复电压的上升速度为 ； 一对共扼虚根，周期性振荡过程，其恢复电压的最大值可达 ，恢复电压的上升速

13、度为 ； 实数重根，非周期性过程（临界状态）。 【】 0U00|ULrdtdUtc004|UfdtdUavc断路器断口并联小电阻 CLr21断路器断口并联电容均压电容 发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-21CQK图(a) 断路器中电容分布图(b) 断口电压分布计算CQ图(c)有均压电容断口电压分布计算U1图6-5 断路器断口并联电容CQC0U1U2UU2CQC0UCQU1U2C0UCQCC)(322UU1oQoQoQCCUCCCC设UCCCoQQ312UU2设C+CQC0 则 UCCCCCCoQoQ21)(2)(UU1UCCCCCoQQ21)(2)(UU2其中，CQ：断路器断口电容 C0 ：

14、断路器对地电容发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-22 1 1、某水电厂某年冬天，在某一块配电屏上发生短、某水电厂某年冬天，在某一块配电屏上发生短路故障，相邻的一块配电屏被电弧烧了一个大洞，为路故障，相邻的一块配电屏被电弧烧了一个大洞，为什么？什么？ 2 2、用刀闸切断空载线路，产生了电弧，请说明、用刀闸切断空载线路，产生了电弧，请说明原因。原因。试用电弧有关理论分析下列两个问题：试用电弧有关理论分析下列两个问题：发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-231、种类和型式选择 （分多油式和少油式两种）特点： 利用变压器油进行灭弧，其灭弧性能与短路电流的大小有关（属于自能式断路器），由于存在火灾和爆

15、炸的危险性，属于淘汰产品。但油断路器价格低廉，运行维护经验丰富，目前只在电压等级在220kV及以下的系统其供电可靠性要求不高或在经费比较困难时，才采用油断路器。 （外能式断路器）：利用惰性气体SF6进行灭弧，灭弧性能好，免检产品可以连续运行十五年不需要检修。目前在35kV及以上系统中广泛采用，一般情况下，选用普通式SF6断路器，在供电可靠性要求高场合，可选用GIS全封闭式组合电器。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-24 （外能式断路器）：利用真空进行灭弧，灭弧性能好，免检产品可以连续运行十五年不需要检修。目前在35kV以下系统中广泛采用。 上述断路器均属于机械产品，其开断时间和可控性还不能

16、满足电力系统的要求，现正在利用电力电子器件研制新型的高压断路器，未来2030年内将会有可控关断的高压断路器取代上述产品，形成全控电力系统。2、额定电压选择 满足：UNUSN（USN电器设备所在电网的额定电压） 3、额定电流选择 满足：INImax 发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-254、开断电流选择、开断电流选择INbr ：是指在电网的额定电压下，能开断的短路电流的有效值，它是表明断路器触头和灭弧系统熄灭短路电流的能力。 INbr应不小于其触头实际开断瞬间(tk)的短路全电流的有效值IK ，即:INbrIK 22(2)katTkptIIIe Ik 应按最严重的短路类型计算。由于QF开断单相

17、短路的能力比开断三相的能力大15%以上，因此，只有单相短路比三相短路电流大15%以上时，才按单相接地短路校验。 开断瞬间短路电流周期分量有效值，当开断时间小于开断瞬间短路电流周期分量有效值，当开断时间小于0.1 秒时，忽略周期分量的衰减，有秒时，忽略周期分量的衰减，有Ipt =I” 发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-26 对中慢速QF：tk0.1S ，非周期分量衰减较多，可以不考虑非周期分量影响。故按 INbrIpt（I”）来选择。 快速保护的快速断路器： tk 1s （4）求I”，I，（K1）（通过QF1的Ik） 短路计算电抗： 866. 01004002165. 0*dssSSxx查计算

18、曲线的： )(6 .265 .1034002082. 1kAI)(5 .295 .1034003422. 101. 2kAI)(7 .295 .1034003518. 102. 4kAI发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-29（5）开断计算时间： tk =0.05+0.06=0.11s 所以应按INbrI”来选择 )(6 .716 .2669.229 .1kAIish（6）计算短路冲击电流： （7）计算QK ：)(3448)7 .295 .29106 .26(122222skAtQQkpk计算数据SN10-10III/2000UNs 10kVUN 10kVImax 1804AIN 2000AI

19、” 26.6 kAINbr 43.3kAish 71.6kAiNcl 130 kAQK 3448I2t*t 43.32*4=7499ish 71.6kA ies 130kA发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-30 电力系统中使用的互感器可分电流互感器、电压互感器两种，它是一次系统和二次系统的联络元件。其作用是： 1、使二次系统的设备与高压部分隔离，且互感器的，从而保证了设备和人身的安全。 2、将一次回路的高电压和大电流变为二次回路标准的低电压和小电流，使测量仪表和保护装置标准化、小型化。 3、取得零序电流、电压分量供反应接地故障的继电保护装置使用。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-31一、

20、电磁式电流互感器一、电磁式电流互感器（TA，CT，LH） 【】 高压侧串接于电网之中，仍然遵循变压器的工作原理。其工作特点： 1)原边匝数很少，KN（=N1/N2）=Ish 2、对于有限流作用的熔断器：INbr=I”【】发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-651、保护特性曲线 IRImint图6-10 熔断器的保护特性曲线 熔体的熔断时间t与通过熔体的电流IR的关系曲线，即为保护特性曲线【厂家给定】。 如右图所示，其左方逼近的电流称为最小熔断电流Imin,熔体的额定电流IN=0.8Imin【即为可靠不熔断电流】 2、使用时应注意两点：【保护配合问题】 熔断特性离散性很大熔断特性离散性很大 即在

21、同一电流下的熔断时间有较大的误差【与制造、安装水平有关】，一般应考虑50%的时间误差。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-66 不同额定电流熔体熔断的时差也随之减少，因此要考虑上下级保护的熔断时间的正确配合。 ：在下级出现最大短路电流的情况下，上级时间应为下级时间的3倍。 在K1处，FU1熔断；在K2处，按理FU2应先熔断，怎样才能保证呢？ 考虑熔断时间考虑熔断时间50%的误差的误差 在该电流下，上级熔断时间应为下级熔断时间的3倍【t1=3t2】，即：考虑t1减少50%，t2增大50% ， 。 IRIK2t图6-11 熔断器保护特性曲线的应用FU1FU2FU3K1K2：1 FU1：2 FU2

22、t1t2图(a) 熔断器配置图图(b) 保护范围配合发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-67发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-68一、导体选型一、导体选型 1、材料：铜小，强度大，抗腐蚀性强，但价格较贵。 铝=1.7-2铜，密度小，价廉，广泛采用。 2、截面类型 ：散热条件好，但集肤效应大，单条矩形截面面积1250mm2，一般用于35kV及以下电流在4000A及以下的配电装置中。 ：机械强度好，载流量大，集肤效应小，但施工工艺复杂，一般用于4000-8000A的配电装置中。 ：机械强度高，集肤效应小，电晕放电电压高，可用于电压在110kV及以上的配电装置中。 ：有钢芯铝绞线、组合导线、分裂导

23、线等。 3、敷设方式 导体的散热和机械强度与导体的布置方式有关。矩形导体有竖放和横放两种形式。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-69二、截面选择二、截面选择 1、对汇流母线及较短导体（其长度小于20米）： 应按长期发热允许电流选择其截面应按长期发热允许电流选择其截面。应满足： ImaxKIN 0alalK2、其他导体【年负荷利用小时数大，传输容量大】: 经济电流密度J：与材料及最大负荷年利用小时数有关【见书P205图6-17所示】。 选择截面: 应满足 S=Imax/J 1）应尽量选择接近上式计算的标准截面 2）按经济电流密度选择的导体还应按长期发热进行校验。发电厂电气主系统发电厂电气主系

24、统1-701）汇流母线每一处的电流密度不一样； 2）若按最大电流密度来选择，将增加投资。三、电晕电压校验三、电晕电压校验 电压在110kV及以上裸导体，可按晴天不发生全面电晕条件校验。满足： 四、热稳定校验四、热稳定校验 根据前面所讨论的短时发热有关的理论，由热稳定决定的导体最小截面来校验热稳定。 由whkAAQS21得 汇流母线为何不按经济电流密度选择其截面？发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-71应满足： 求QK时，tK应取主保护动作时间与断路器全分闸时间之和。保证导体动稳定的： 式中，C：热稳定系数【见书P205表6-12所示】fkwhfkKQCAAKQS1min发电厂电气主系统发电厂电

25、气主系统1-72lll图6-12 应力计算 1）单条矩形导体构成母线的应力计算 假设导体为自由支承在绝缘上的多跨距、匀载荷的梁【见下图所示】，在电动力作用的作用下，导体所受到的最大弯矩M 82221073. 110alilfMshph（NM） 【注：fph单位长度导体上所受的相间电动力，l、a 的单位为m，ish单位为A】发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-73当跨距数等于2时，导体所受到的最大弯矩为 82lfMph（NM） 导体最大相间计算应力： ph=M/W 【W：抗弯截面系数，见书P205】 应满足： max= phal 常根据材料最大允许应力来控制最大跨距（相邻两支持绝缘子间的中心距）来保证导体的动稳定性。即 phalfWl10max(m) 为了布置方便，对于三相水平布置的的汇流母线常取绝缘子跨距等于配电装置的间隔宽度。 发电厂电气主系统发电厂电气主系统1-742）多条矩形导体构成母线的应力计算）多条矩形导体构成母线的应力计算 （）图6-13 双条矩形导体 竖放 俯视图b2bl衬垫lblblb 特点：增加了同相各条间的作用应力b