高低压电器及设计第一篇-第1章-第2章--电力系统及其对高低压电器的基本要求

1、前 言全书共分三篇。 第一篇为电力系统及其对高低压电器的基本要求，包括第章电力系统及其短路故障的计算和第章电力系统中的高低压电器及其设计技术综述； 第二篇为低压电器，包括第章低压电器概述、第章低压配电电器、第章低压控制电器和第章低压电器试验技术； 第三篇为高压电器，包括第章高压电器概述、第章电力系统短路故障的关合与开断、第章高压断路器及其操动机构、第10 章六氟化硫高压断路器和全封闭组合电器、第11 章高压真空开关电器、第12章其他高压电器和第13章高压开关设备试验。1第一 篇电力系统及其对高低压电器的基本要求第1 章电力系统及其短路故障的计算 1.1 概述 1.2 电力系统的关合与开断 1.

2、3 电力系统短路故障 1.4 短路故障关合与开断的计算 1.5 电容负荷的关合与开断 1.6 开断小电感电流电路时的过电压 1.7 开断近区故障时的过电压与限制措施 1.8 失步故障的开断2第一篇电力系统及其对高低压电器的基本要求第2 章电力系统中的高低压电器及其设计技术综述 2.1 概述 2.2 电力系统对高低压电器的基本要求2.3 高低压电器与用电设备间的特性配合2.4 关于高低压开关设备的解释性说明 2.5 低压电器研发新技术及应用3第二 篇低压电器第3章低压电器概述 3.1 低压电器类型 3.2 低压电器市场 3.3 低压电器行业 3.4 低压电器技术的发展 第4章低压配电电器 4.1

3、 低压配电电器的定义、分类和性能 4.2 低压开关类电器 4.3 低压熔断器类电器 4.4 低压断路器类电器 4.5 终端电器4第5章低压控制电器 5.1 定义与分类 5.2 接触器 5.3 继电器 5.4 起动器 5.5 主令电器 5.6 变阻器和电阻器 5.7 电磁铁 5.8 低压电器用银基触头材料5第6 章低压电器试验技术6.1 概述6.2 一般检查6.3 动作范围试验6.4 温升试验 6.5 绝缘介电性能试验 6.6 额定接通与分断能力试验 6.7 短路接通与分断能力试验 6.8 短时耐受电流能力试验6.9 寿命试验第二篇低压电器高低压电器低压电器部分6第1章电力系统及其短路故障的计算

4、1.1概述1.1.1动力系统、电力系统和电力网间的关系7一、 三个系统的定义 二、 三个系统的结构关系分析（图1-1） 三、 低压配电系统示例（图1-2） 第1章电力系统及其短路故障的计算1.1概述1.1.2电力系统中的电能质量标准参数8一、 标称值和额定值的定义 二、 三个主要指标-频率、电压和波形 三、 三个主要指标的标准参数第1章电力系统及其短路故障的计算1.1概述1.1.3 电力系统的接线9一、接线方式 包括电力网接线、发电厂主接线和变电所主接线（也称一次接线）二、 中性点的运行方式第1章电力系统及其短路故障的计算10三、 电力系统电气主接线 电力系统的电气主接线也称一次电路、主电路或

5、一次设备连接电路。它反映了电能产生、汇集、分配和传输的关系，决定了电力系统的运行方式、电气设备的选择以及继电保护与控制方式等。 电气主接线图一般画成单线图，用规定的图形符号和文字符号描述主接线中设备在“正常状态（如电路无电压、无外力作用）”下的连接情况。 某10kV 变电所的一次线路如图1-3所示。第1章电力系统及其短路故障的计算1.2电力系统的关合与开断1.2.1 电力系统关合与开断的类型11 根据关合与开断电流的大小、电流与电源电压间的相位差、开断后恢复电压的波形及其幅值的不同，可将电力系统关合与开断分为四大类。 电力系统关合与开断的类型及其特点如表1-1所示。第1章电力系统及其短路故障的

6、计算1.2电力系统的关合与开断1.2.2 电力系统关合与开断时电弧的燃烧与熄灭12 对交流电力系统，关合与开断时电弧产生与熄灭的情况由交流电弧熄灭条件决定。 介质强度 ：指高压开关电器一极端子之间能承受的电压值； 恢复电压 ：指电流过零后在高压开关电器一极端子之间出现的外加电压值； 两者是决定高压开关电器关合和开断过程中电弧是否熄灭的两个重要因素。第1章电力系统及其短路故障的计算1.3电力系统短路故障1.3.1 电力系统短路电流的定义13 1. 定义 电力系统短路：是指电力系统中的一相或多相导体因发生接地或互相短接而将负载阻抗短接掉。短路冲击电流短路关合电流额定热稳定电流额定短路开断电流第1章

7、电力系统及其短路故障的计算1.3电力系统短路故障1.3.1 电力系统短路电流的定义14 2. 不同短路电流之间的关系第1章电力系统及其短路故障的计算1.3电力系统短路故障1.3.2 电力系统短路故障的形式15电力系统短路故障包括单相短路、两相短路和三相短路。 如图1-5所示，电力系统短路故障包括单相接地短路、两相接地短路、两相不接地短路、三相接地短路、三相不接地短路和断路器异侧两相接地短路六种常见形式。 从短路的危害看，三相短路的短路电流最大，危害也最严重，因此，高低压电器常用三相短路电流值来校核电器的动稳定性能。第1章电力系统及其短路故障的计算1.3电力系统短路故障1.3.3 电力系统短路故

8、障的关合16 电力系统存在正常关合和短路故障关合两种情况。其中，后者是因为“已存在未被发现的预伏故障、试探性自动重合闸、人为接地短路或误操作”，致使电力线路或电气设备呈现短路状态的情况。 开关电器最重要的关合任务是关合三相短路故障。第1章电力系统及其短路故障的计算1.3电力系统短路故障1.3.3 电力系统短路故障的关合17第1章电力系统及其短路故障的计算1.3电力系统短路故障1.3.4 电力系统短路故障的开断18 一. 开断电流 1. 定义：开断电流是指触头分离瞬间， 流过断路器断口的电流。 2. 表示方式：一是短路电流周期分量有效值，二是短路电流非周期分量与周期分量的比值。第1章电力系统及其

9、短路故障的计算1.3电力系统短路故障1.3.4 电力系统短路故障的开断19 一. 开断电流 3. 短路电流包含非周期分量时的电流和电压曲线 如图1-8所示。 4. 高压断路器开断单相短路故障时断口处的电气参数 分单频单相和双频单相两种情况。第1章电力系统及其短路故障的计算20 5. 高压断路器开断三相短路故障时断口处的电气参数第1章电力系统及其短路故障的计算1.3电力系统短路故障1.3.5 电力系统开断短路故障时的瞬态恢复电压21一、双频振荡的断口瞬态恢复电压 1. 开关电器开断中性点接地的发电机输电线路时，在电抗器后发生的单相接地短路如图1-10所示。其断口两端的瞬态恢复电压 为： 2. 图

10、1-11为计及衰减时的c1和c2的变化曲线以及由此合成的双频恢复电压gh的波形。第1章电力系统及其短路故障的计算22二、电力系统的瞬态恢复电压 1. 当系统电压低于110kV，或虽高于110kV但短路电流相对较小，只有最大短路电流的1030%时，瞬态恢复电压为近似于衰减的单频振荡。两参数法的缺点：由于不能正确反映恢复电压起始部分的变化情况，因而无法确定电弧是否重燃。第1章电力系统及其短路故障的计算23二、电力系统的瞬态恢复电压 2. 系统电压高于110kV且短路电流相对于最大短路电流来说百分数较大（为最大短路电流的60%100%）时，瞬态恢复电压uhf（t）包含一个上升速度较高的初始部分，以及

11、继之而来的上升速度较低的部分，IEC推荐用“四参数法” 表征其瞬态恢复电压的特性。第1章电力系统及其短路故障的计算24二、电力系统的瞬态恢复电压 如图1-14所示，四参数是指“第一波幅值U1（kV）， 达到第一波幅值的时间t1（us）， 瞬态恢复电压峰值Ughm（kV） 和峰值参考时间t2（us）” 四个参数。第1章电力系统及其短路故障的计算25二、电力系统的瞬态恢复电压 3. 我国各级电压的瞬态恢复电压特性的相关规定可参看相关国家标准。在进行断路器试验时， 所加恢复电压应符合标准的规定。第1章电力系统及其短路故障的计算26三、电力系统短路电流的计算 在计算短路电流时， 须知电力系统各元件的阻

12、抗。对高压线路， 一般只考虑电抗， 仅在电阻大于总电抗的1/3 时才计入电阻； 对低压线路，电阻、电抗都考虑。 为简化计算，允许不考虑占回路总阻抗值不超过10%的元件。第1章电力系统及其短路故障的计算1.4.2单相短路故障的开断1.4.2.1 恢复电压的计算27 图1-19为开断中性点直接接地发电机电路中的母线单相接地短路故障，a图为开断发电机母线单相接地短路故障的主接线图，b图为其等效电路。图中，L和R分别为发电机的电感和电阻，C为发电机的对地电容。图1-19 开断发电机母线单相接地短路故障第1章电力系统及其短路故障的计算1.4.2.1 恢复电压的计算28由三要素法， 得高压开关电器断口恢复

13、电压hf为由于0， 90，上式可简化为：式中， 为电路固有衰减系数； 为电路固有振荡频率。第1章电力系统及其短路故障的计算1.4.2.2 单相短路故障时的恢复电压平均上升速度（duhf/dt）p的计算29 计算方法一：分为两种情况计算高频振荡第一个半周内的恢复电压平均上升速度 ）不考虑振荡衰减（假设无衰减）式中，f0为固有振荡频率； Ugh为工频恢复电压。第1章电力系统及其短路故障的计算30 ） 考虑振荡衰减，恢复电压的最大值有所降低式中，m是恢复电压的振幅系数， 取1.41.5。计算方法二：如图1-22，用瞬态恢复电压的波形图表示。第1章电力系统及其短路故障的计算31计算方法二：如图1-22

14、，用瞬态恢复电压的波形图表示。1、从原点0做一条射线，与u=uhf交于A点，tm为峰值时间，则恢复电压的平均上升速度（duhf/dt）p 值为线段OA 的斜率值。2、用恢复电压的最大平均速度（duhf/dt）pm表示，即从原点O做恢复电压曲线的切线OB。按此速度上升时，恢复电压达到最大值的时间将提前到t3。t3又称峰值参考时间。第1章电力系统及其短路故障的计算32计算方法三：考虑到电力线路的实际损耗，常取电力系统的最大工作电压为额定电压的1.15倍，则可用系统额定电压Ue（三相线电压） 表示的瞬态恢复电压最大值ghm和恢复电压平均上升速度（duhf/dt）p的计算式，分别为式中， Km是恢复电

15、压的振幅系数。第1章电力系统及其短路故障的计算1.4.2.3 降低关合单相短路故障时出现的操作过电压的措施及机理33 在高压断路器断口两端并联电阻， 可降低短路故障关合时的操作过电压。1. 并联电阻“低值（几个到几十欧姆，可限制短路电流、降低工频恢复电压和振幅系数及减慢恢复电压上升速度）、中值（几百到几千欧姆） 和高值（几万欧姆及以上，可为每相使用的高压断路器多个断口进行均压）”三类。第1章电力系统及其短路故障的计算1.4.2.3 降低关合单相短路故障时出现的操作过电压的措施及机理342. 并联电阻的电路 如图1-23所示，该电器有主断口QF1和辅助断口QF 2两个断口。电阻Rb并联在主断口Q

16、F1。 当开断电路时，主断口QF1先打开，并联电阻Rb被接入；当主断口QF1的电弧完全熄灭后，辅助断口QF 2打开，开断流经并联电阻的电流，使电路完全开断。图1-23 装有并联电阻的高压开关电器开断发电机母线单相接地故障时的电路第1章电力系统及其短路故障的计算352. 并联电阻Rb后，主断口开断时的电流和恢复电压的计算 图1-24的a图为主断口QF1开断时的电路，b图为等效电路图。其中，电路的阻抗角等于arctan(L/R)。图1-23 装有并联电阻的高压开关电器开断发电机母线单相接地故障时的电路1）恢复电压uhf(t)式中，Ugh为工频恢复电压，Ugh =Em sin。第1章电力系统及其短路

17、故障的计算362）恢复电压最大上升速度出现在 时， 其值为 由式（） 可知， 并联电阻越小， 恢复电压的最大上升速度就越低， 主断口的开断将比较轻松。2. 并联电阻Rb后，主断口开断时的电流和恢复电压的计算第1章电力系统及其短路故障的计算373. 并联电阻后开断辅助断口QF2时， 辅助断口的开断电流和电压恢复过程1）恢复电压uhf(t)式中，Ugh为工频恢复电压，Ugh =Em sin。2）主断口并联电阻后的恢复电压uhf(t)的曲线，如图1-25所示。第1章电力系统及其短路故障的计算383. 并联电阻后开断辅助断口QF2时， 辅助断口的开断电流和电压恢复过程3）恢复电压uhf(t)最大上升速

18、度出现在 时， 其值为 由式（1-24）可知，并联电阻Rb越小，恢复电压的最大上升速度就越低， 主断口的开断将比较轻松。第1章电力系统及其短路故障的计算394. 并联电阻后开断辅助断口QF2时，辅助断口的开断电流和电压恢复过程1）辅助断口的开断电流 的计算。图1-26a为辅助断口QF2开断时的电路， b图为其等效电路。第1章电力系统及其短路故障的计算404. 并联电阻后开断辅助断口QF2时，辅助断口的开断电流和电压恢复过程1）辅助断口的开断电流 的计算 式中，id为流经主断口的短路电流。由式（1-28）可见，辅助断口QF2开断的电流 i 要比主断口id小。第1章电力系统及其短路故障的计算414

19、. 并联电阻后开断辅助断口QF2时，辅助断口的开断电流和电压恢复过程2）并联电阻Rb后开断辅助断口时的恢复电压ugh的计算式中，虽然辅助断口的瞬态恢复电压仍有高频振荡，但其工频恢复电压和开断电流都得到了一定程度降低，所以，辅助断口的开断条件远比主断口的轻松。第1章电力系统及其短路故障的计算1.4.3三相短路故障的开断1.4.3.1三相不接地短路故障开断的计算421. 短路电流和短路电压的计算 图1-27为开断三相不接地短路故障的等效电路。图中，电源中性点一般不接地（也可以接地），电源相电压的幅值为Em，三相短路电流的稳态值分别见公式（1-30）。图1-27三相不接地短路故障开断时的等效电路第1

20、章电力系统及其短路故障的计算432. 首开相短路电流的计算 三相交流电流过零的时刻有先后，因此，高压开关电器在开断三相短路故障时各相的熄弧也有先后。 将三相不接地短路故障开断过程中最先断开的相， 称为首开相。 （1） 首开相 相需开断的短路电流的有效值Id为（2） 相断口的瞬态恢复电压为ughA， 有：UghA为t=0时由断口处测得的等效电源电压值，在短路故障时，UghA=1.5Em。第1章电力系统及其短路故障的计算443. BC两相短路故障的开断 当三相不接地短路故障的A相被开断后，短路故障由三相短路转化为两相短路。两相图1-31两相短路开断时的等效电路短路开断时的等效电路如图1-31所示。

21、图1-31两相短路开断时的等效电路 BC两相间的线电压瞬时值eBC及流经B、C 两相间的短路电流瞬时值iB和iC分别为：453. BC两相短路故障的开断 三相不接地短路故障开断时的恢复电压和短路电流的变化曲线如图1-32所示。 由图可见，三相不接地短路故障的A相电流过零开断后，经过0.005s，流经相和相断口的电弧因电流同时过零点而熄灭。 设电弧熄灭后加在B、C两相串联断口上的恢复电压均匀分配，则两相断口上的工频恢复电压ughB和ughC分别为：图1-32 三相不接地短路故障开断时的恢复电压和短路电流1第1章电力系统及其短路故障的计算1.4.3.2 三相不接地短路故障开断的计算461. 分析方

22、法： 开断三相接地短路故障时工频恢复电压的求解用对称分量法。2. 工频恢复电压。1.4.3.3 各种接地故障的首开相系数 首开相的工频恢复电压和电源电压幅值之比，称为首开相系数，用K1表示。第1章电力系统及其短路故障的计算471.4.3.3 各种接地故障的首开相系数 将不同接地故障形式的首开相系数列于表1-2。 由表可知，三相短路故障时首开相工作条件最严重。 当X03X1时，可取首开相系数为1.5； 当X03X1时，可取首开相系数为1.3（因实际上很少发生三相短路，故取1.3）。 额定短路分断能力 在规定的电压、频率及规定的功率因数（AC）或时间常数（DC）下，断路器能够分断的短路电流 。 交

23、流电器的分断能力和接通能力所要求的功率因数相同。二、电器的动热稳定性 动稳定性短路峰值电流 （标准规定：低压电器的电动稳定性取n倍短时耐受电 流作为允许通过的短路冲击电流值） 热稳定性短时耐受电流（短路电流周期分量）48第三节系统对开关电器的要求第2章电力系统中的高低压电器及其设计技术综述2.1概 述2.1.1 高低压电器的定义1. 电器 电器是指用于电力系统的工业和建筑用电器，即对电能的产生、输送和应用，起控制、保护、检测、变换与切换及调节作用的电气器具的统称。 根据额定电压不同，电器分高压电器和低压电器，两者统称为“高低压电器”。2.1.1 高低压电器的定义2. 低压电器 低压电器是指用于

24、交流50Hz或60Hz、额定电压1200V 及以下和直流额定电压1500V 及以下电路中， 能根据外界的信号和要求， 手动或自动地接通、断开电路， 以实现对电路或非电对象的切换、保护、控制、调节、检测、变换和调节的电器元件或设备。它通常由感测部分和执行部分组成。3. 高压电器 高压电器是指额定电压3kV及其以上（交流至1200kV、直流至1000kV）， 在高压输电和配电线路中， 对电能输送、分配与使用起关合、开断、保护、控制、调节、安全隔离和测量作用的电器器件。 高压开关设备目前所处的三相交流电网的标称电压等级分别为3kV、6kV、10kV、20kV、35kV、66kV、110kV、220k

25、V、330kV、500kV、750kV、1000kV、1200kV， 高压开关设备的额定电压值较电网的标称电压高10 20， 分别有36 kV、72kV、12kV、24kV、40.5kV、72.5kV、126kV、252kV、363kV、500kV、800kV、1100kV、1320kV。 表2-1 列出了部分高压电器生产企业及其产品电压等级。2.1.2 行业与产品的发展历程1. 我国低压电器行业与产品的发展历程2. 我国高压电器行业与产品的发展2.1.3 高低压电器的技术发展1. 低压电器的技术发展2. 高压电器的技术发展2.2 电力系统对高低压电器的基本要求2.2.1电力系统对低压电器的基本要求1. 电力系统任务不同 示例：典型配电电路如图2-1所示。2.2 电力系统对高低压电器的基本要求2.2.1电力系统对低压电器的基本要求电力系统工作要求不同 示例：典型配电电路如图2-2所示。2.2 电力系统对高低压电器的基本要求2.2.1电力系统对高压电器的基本要求高压电器在电力系统中“关断线路或负载、保护线路或负载、隔离设备与电源、测量电源和电流”的四个主要作用；2. 高压开关设备对线路的安全运行