第6章导体和电气设备的原理与选择

第六章导体和电气设备的原理与选择电气设备选择的一般条件高压断路器和隔离开关的原理与选择

互感器的原理与选择限流电抗器的选择高压熔断器的选择裸导体的选择1第一页，共九十三页。第一节电气设备选择的一般条件不同电气设备的作用和工作条件不同，具体选择的方法也不同，但是对各种设备的基本要求是一致的。这些基本要求就是对电气设备选择的一般条件。一、按正常工作条件选择设备1、额定电压2、额定电流3、当地的环境条件二、按短路状态校验1、热稳定2、动稳定2第二页，共九十三页。一、按正常工作条件选择1、额定电压和最高工作电压电网的运行电压，由于负荷变化和因调压而发生变化，且电网的运行电压常常是高于电网的额定电压。电气设备在电网上运行，因此，电气设备的最高工作电压不低于电网的最高运行电压，即3第三页，共九十三页。一、按正常工作条件选择1、额定电压和最高工作电压运行经验表明：220KV及以下的电气设备：330KV~500KV的电气设备：实际电网的最高运行电压：根据以上条件，选择电气设备时：4第四页，共九十三页。一、按正常工作条件选择2、额定电流在周围环境温度下，电气设备的长期允许电流。5第五页，共九十三页。2、额定电流发电机、调相机、变压器回路：若变压器有过负荷的能力，按其过负荷能力确定：出线回路的最大工作电流：考虑正常负荷电流，（包括线损），还应考虑事故时由其它回路转移过来的电流。6第六页，共九十三页。2、额定电流取母线上最大一台发电机或变压器的。母联断路器回路的：7第七页，共九十三页。2、额定电流母线分段电抗器的：应取母线上最大一台发电机故障跳闸时，保持该母线段负荷所需要电流；或者直接取最大一台发电机额定电流的50%~80%8第八页，共九十三页。3、按当地环境条件选择选择电气设备时，应考虑当地的环境条件，如：气温、风速、污秽等级、海拔高度、地震烈度、覆冰厚度等。一般情况下，海拔每升高100米，电气设备的最高允许电压降低1%，当最高工作电压不能够满足要求时，应选择高原型设备；电气设备的额定工作电流为40度时的值，一般情况下：温度每升高1°C，额定电流将减少1.8%，每降低1°C，额定电流将增加0.5%，最大工作电流9第九页，共九十三页。二、按短路条件进行校验1、短路热稳定的校验2、电动力稳定的校验或或10第十页，共九十三页。二、按短路条件进行校验采用有限流电阻熔断器保护的设备，可不校验动稳定性。说明：在某些特殊的情况下，不需要进行动热稳定的校验用熔断器保护的电气设备，其热稳定性由熔断时间保证可不校验热稳定。装设在电压互感器回路中的裸导体，可不校验动热稳定。11第十一页，共九十三页。二、按短路条件进行校验3、短路电流的计算：短路电流的计算条件（计算何种情况下的短路电流）容量条件：按工程最终容量计算（考虑远景规划，一般考虑本工程建设后5~10年）接线条件；按可能发生最大短路电流的接线方式。例：双母线分段接线，有很多种运行方式，哪种运行方式的短路电流最大，就用哪种短路电流来进行校验。注意：短路电流计算，不考虑切换过程中可能短时并列的接线方式。（如切换厂用变压器时并列运行）12第十二页，共九十三页。二、按短路条件进行校验短路种类：3、短路电流的计算：一般按三相短路来验算，若其它短路较三相短路严重时，按最严重情况验算。13第十三页，共九十三页。二、按短路条件进行校验3、短路电流的计算：短路计算点的确定通过电器的短路电流为最大的那些点为短路计算点。14第十四页，共九十三页。短路计算点的确定发电机回路的断路器QF1，应比较断路器前短路与断路器后短路两种情况下的短路电流，选其大者。QF1K1K2Ig1Ig2It15第十五页，共九十三页。短路计算点的确定变压器回路的断路器(QF3)，也应比较其前与其后短路两种情况下的短路电流，选其大者为短路计算点。QF3K1Ig1Ig2ItK316第十六页，共九十三页。短路计算点的确定母线联络断路器的计算点，以QF5为例，考虑向备用母线充电时，备用母线故障的短路电流为其短路计算点。QF5K417第十七页，共九十三页。短路计算点的确定带电抗器的出线回路，由于电抗器的工作可靠性很高，且断路器与电抗器之间的距离小，一般选择电抗器后的点为短路计算点，目的是可选择轻型设备，节省投资。QF4K7K818第十八页，共九十三页。二、按短路条件进行校验4、短路计算时间t的确定：

热稳定计算时间19第十九页，共九十三页。二、按短路条件进行校验4、短路计算时间t的确定：

热稳定计算时间20第二十页，共九十三页。二、按短路条件进行校验4、短路计算时间t的确定：短路计算时间21第二十一页，共九十三页。第二节高压断路器和隔离开关的原理与选择一、概述高压断路器和隔离开关是电力系统主系统的重要设备。据统计：每一万千瓦的发电设备需要100~120台高压断路器，400~500台隔离开关。以及其他相应的高压配电设备。22第二十二页，共九十三页。一、概述1、高压断路器的功能正常运行时：控制作用。利用断路器来实现倒换操作，改变运行方式，把设备或线路接入电路或者退出运行。故障情况下：保护作用。快速切除故障回路，保证非故障回路正常运行。高压断路器能够断开电器中的负荷电流和短路电流（有灭弧装置）是开关电器中最为完善的一种设备。23第二十三页，共九十三页。一、概述2、隔离开关的功能保证高压电器及装置在检修中的安全，起隔离电压的作用。不能用于开断、投入负荷电流或短路电流（无灭弧装置）仅可用于不产生强大电弧的某些切换操作。24第二十四页，共九十三页。二、高压断路器的原理与选择1、电弧的产生与熄灭电源电压>10~20V，电流>80~100mA，开关电器切断电流时，就会在动静触头分离瞬间，出现电弧。电弧产生后，即使开关的动静触头已分离，但是由于电弧导电，则电流仍在电路中流通。只有电弧熄灭后，电路才被真正意义断开。25第二十五页，共九十三页。二、高压断路器的原理与选择1、电弧的产生与熄灭弧柱导电的原因：出现了大量的自由电子任何物质都有三态：固态，液态，气态。随温度升高而变；但是温度再升高到5000°C以上，转为第四态—等离子态；物质在等离子态以离子状态存在，所以导电。总结：电弧的形成就是介质向等离子态转化的过程，即：中性质点（分子或原子）被游离的结果。游离使中性质点变为带电质点。26第二十六页，共九十三页。二、高压断路器的原理与选择1、电弧的产生与熄灭电弧产生的四种游离形式强电场发射—弧隙间最初产生电子的原因热电子发射碰撞游离热游离27第二十七页，共九十三页。二、高压断路器的原理与选择1、电弧的产生与熄灭电弧熄灭的去游离过程复合去游离扩散去游离28第二十八页，共九十三页。二、高压断路器的原理与选择1、电弧的产生与熄灭总结：游离过程与去游离过程是两个相反的过程；游离过程使带电离子增加，有助于电弧燃烧；去游离过程使带电离子减少，有利于电弧熄灭。游离过程>去游离过程电弧愈来愈大游离过程<去游离过程电弧燃烧减弱游离过程=去游离过程电弧稳定燃烧灭弧措施：加速去游离；减弱游离。29第二十九页，共九十三页。二、高压断路器的原理与选择1、电弧的产生与熄灭交流电弧熄灭的条件电源恢复电压Ur（t）：电流过零后，电路施加于弧隙的电压。Ur>Ud电弧复燃Ur<Ud电弧熄灭介质强度恢复电压Ud（t）：弧隙的绝缘能力的恢复过程。30第三十页，共九十三页。二、高压断路器的原理与选择1、电弧的产生与熄灭高压断路器灭弧的基本方法利用灭弧介质—增强去游离氢：灭弧能力是空气的7.5倍。（用变压器油和断路器油来灭弧，高温下可以分解出氢）；SF6：（负电性气体，具有吸附电子的能力，为复合创造条件）比空气强100倍；真空：碰撞游离可以大大减小，有利于扩散去游离。31第三十一页，共九十三页。二、高压断路器的原理与选择1、电弧的产生与熄灭高压断路器灭弧的具体方法利用特殊金属材料作为灭弧触头采用熔点高，导热系数和热容量大的耐高温材料，同时还要有抗电弧，抗熔焊能力，常用铜、铝合金、银。32第三十二页，共九十三页。二、高压断路器的原理与选择1、电弧的产生与熄灭高压断路器灭弧的具体方法利用气体和油吹动电弧：加速冷却和扩散，流速越大，作用越好。吹弧方式分类：纵吹、横吹、纵横混合吹、环吹灭弧、磁吹灭弧。33第三十三页，共九十三页。二、高压断路器的原理与选择1、电弧的产生与熄灭高压断路器灭弧的基本方法采用多断口熄弧将电弧分割，拉长电弧，增大电弧电阻34第三十四页，共九十三页。二、高压断路器的原理与选择2、高压断路器的选择断路器种类和形式的选择断路器的种类（按照采用灭弧介质的不同）油断路器（多油和少油）压缩空气断路器SF6断路器真空断路器35第三十五页，共九十三页。不同种类断路器的特点与区别36第三十六页，共九十三页。不同使用场所，断路器的型式选择37第三十七页，共九十三页。二、高压断路器的原理与选择2、高压断路器的选择额定电压和电流的选择38第三十八页，共九十三页。二、高压断路器的原理与选择2、高压断路器的选择开断电流的选择39第三十九页，共九十三页。二、高压断路器的原理与选择2、高压断路器的选择短路关合电流的选择断路器合闸之前，若线路上已经存在短路故障了，则在断路器合闸过程中，将会受到短路电流的冲击。由于存在短路电流，断路器又会自动断开，此种操作情况是经常会遇到的，因为电力系统要求继电保护有自动重合闸功能。40第四十页，共九十三页。二、高压断路器的原理与选择2、高压断路器的选择短路热稳定和动稳定的校验41第四十一页，共九十三页。二、高压断路器的原理与选择2、高压断路器的选择发电机出口断路器的特殊要求额定值方面：承载的额定电流高，开断短路电流大，远超出相同电压等级的输变电断路器。开断性能方面：设置开断非对称性短路电流的能力，短路非周期分量衰减慢，具有关合额定短路关合电流的能力，该值为开断电流的2.74倍，有开断失步电流的能力。固有恢复电压方面：瞬态恢复电压与发电机相连的变压器参数有关，容量高，电压等级高，瞬态恢复电压上升得快。42第四十二页，共九十三页。三、隔离开关的选择1、隔离开关的主要用途隔离电压：检修电气设备时，用隔离开关将被检修的设备与带电部分可靠隔离。倒闸操作：例，投入备用母线或者旁路母线时，用隔离开关和断路器配合使用完成倒闸操作。分合小电流：分合避雷器，电压互感器，空载母线。分合励磁电流不超过2A的空载变压器。关合电容电流不超过5A的空载线路。43第四十三页，共九十三页。三、隔离开关的选择2、隔离开关的选择(1)种类和型式的选择分类：按安装地点分：屋内式，屋外式；按绝缘支柱数分：单柱式，双柱式，三柱式。型号：具体型号的选择见357页的附表744第四十四页，共九十三页。三、隔离开关的选择2、隔离开关的选择(2)额定电压和额定电流的选择45第四十五页，共九十三页。三、隔离开关的选择2、隔离开关的选择（3）热稳定和动稳定的校验46第四十六页，共九十三页。解：1、额定电压和额定电流的选择发电机最大持续工作电流：根据：查附表5：可选SN10-10III/2000A型少油断路器。47第四十七页，共九十三页。2、热稳定的校验满足热稳定要求。48第四十八页，共九十三页。3、动稳定的校验满足动稳定要求。49第四十九页，共九十三页。解：1、额定电压和额定电流的选择发电机最大持续工作电流：根据：查附表7：可选GN2-10/2000A型隔离开关。选择隔离开关：50第五十页，共九十三页。热动稳定的校验满足热动稳定要求。51第五十一页，共九十三页。第三节互感器的原理与选择一、概述1、互感器的定义：是一次系统和二次系统间的联络元件，用来向测量仪表、继电器的电流线圈和电压线圈供电，正确反映电气设备的正常运行状态和故障状态。2、互感器的分类：电流互感器和电压互感器52第五十二页，共九十三页。一、概述3、互感器的作用：隔离作用：使二次设备与高压部分隔离，为了确保工作人员的安全，互感器每一个二次绕组必须可靠接地，防止绝缘损坏而二次部分存在高压。转化作用：将一次回路的高电压，大电流变为二次回路的低电压（100V,）和小电流（1A和5A）53第五十三页，共九十三页。二、电流互感器1、分类电磁式电流互感器新型电流互感器（按耦合方式的不同分类）工作原理与变压器相似，结构复杂，笨重，成本高，目前电力系统广泛应用。无线电电磁波耦合；电容耦合；光电耦合新型电流互感器的特点：高低压之间没有直接的电磁联系，绝缘结构大为简化，测量过程中不会消耗很大的能量，测量范围宽，暂态响应快，准确度高，重量轻，成本高。54第五十四页，共九十三页。二、电流互感器2、电磁式电流互感器电磁式电流互感器特点：

一次绕组串接在电路中，匝数少，电流为被测电路的电流；二次绕组接测量仪表的电流线圈，线圈阻抗小，电流互感器二次侧接近于短路状态。额定电流比：55第五十五页，共九十三页。二、电流互感器2、电磁式电流互感器电流互感器的误差等值电路：56第五十六页，共九十三页。二、电流互感器2、电磁式电流互感器电流误差：相位误差：57第五十七页，共九十三页。二、电流互感器2、电磁式电流互感器电流互感器的运行参数对误差的影响电流误差：相位误差：误差与二次绕组的结构有关，也与互感器的运行状态有关。58第五十八页，共九十三页。二、电流互感器2、电磁式电流互感器电流互感器的运行参数对误差的影响电流误差：相位误差：尽可能使电流互感器在额定一次电流附近运行，可使误差最小；59第五十九页，共九十三页。二、电流互感器2、电磁式电流互感器电流互感器的准确级测量用的准确级的定义：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。60第六十页，共九十三页。电流互感器的准确级保护用的互感器准确级稳态保护用（P），暂态保护用（TP）稳态保护用P：通常220KV及以下系统，一般保护宜选用不考虑瞬态误差而只保证稳态误差的稳态保护用P类。暂态保护用TP：330~500KV系统线路负荷大，为确保系统稳定，需要快速切除故障，并配有综合重合闸，要求互感器在暂态过程中有足够的准确级，误差不大于1%。并能不受短路电流直流分量的影响。61第六十一页，共九十三页。电流互感器的准确级保护用的互感器准确级稳态保护用的准确级分为（5P，10P）表示最大测量电流误差为5%和10%，但此测量误差不是一次为额定电流时的测量误差，而是一次电流为额定准确限值时的测量误差。额定准确限值：即一次电流为额定电流的整数倍；也称为额定准确限制系数。62第六十二页，共九十三页。电流互感器的准确级保护用的互感器准确级暂态保护用的准确级分为（TPX，TPY，TPZ）63第六十三页，共九十三页。电流互感器的额定容量定义：在额定二次电流和额定二次阻抗下运行时，二次绕组的输出容量：说明；互感器的误差与二次负荷有关，即互感器的准确级与二次负荷有关，故：同一台互感器在不同的准确级下，对应有不同的额定容量。64第六十四页，共九十三页。电流互感器的选择种类和型式的选择按安装地点分：屋内式，屋外式按安装方式分：穿墙式、支持式、装入式按一次绕组匝数分：单匝式(一次电流在400A以上）多匝式（一次电流在400A以下）按绝缘方式分：干式、浇注式、由浸式65第六十五页，共九十三页。电流互感器的选择一次回路额定电压和额定电流的选择二次回路额定电流的选择强电系统：5A弱电系统：1A66第六十六页，共九十三页。电流互感器的选择准确级的选择互感器的准确级不得低于所接测量仪表的准确级；重要回路（发电机、变压器、调相机等）不应低于0.5级；大容量发电机、变压器、系统干线500KV系统宜采用0.2级；当所接测量仪表要求有不同的准确级时，应按最高级别来确定准确级；电能表计上的互感器应为0.5~1级；估计参数仪表可用3级；67第六十七页，共九十三页。电流互感器的选择额定容量的选择通过以上关系式，得到满足电流互感器准确级额定容量要求下的二次导线的允许最小截面积。68第六十八页，共九十三页。电流互感器的选择额定容量的选择在满足以上要求的前提下，选择二次导线的最小截面积，且为了满足机械强度的要求，s小于1.5mm2时，应选1.5mm269第六十九页，共九十三页。电流互感器的选择热动稳定的校验热稳定的校验：只对一次回路导体的电流互感器进行热稳定校验。动稳定校验：70第七十页，共九十三页。三、电压互感器1、分类

按工作原理分类：电磁式和电容分压式按安装地点分：屋内式和屋外式按相数分：单相和三相（只有20KV及以下有三相）按绝缘分：浇注式和油浸式71第七十一页，共九十三页。三、电压互感器2、电磁式电压互感器工作原理与变压器类似特点：二次绕组不允许短路且必须与熔断器配合使用。容量小，结构上要求有较高的安全系数；一次绕组与高压电路并联；二次侧和仪表或继电器的电压线圈相连，电压线圈的阻抗很大，电压互感器近乎于空载情况下运行；二次绕组要有一点接地；72第七十二页，共九十三页。三、电压互感器2、电磁式电压互感器误差：电压误差：相位误差73第七十三页，共九十三页。准确级：在规定的一次电压和二次负荷变化的范围内，负荷功率因数为额定值时，电压误差的最大值。一般分为0.2，0.5，1，3级。见表：74第七十四页，共九十三页。三、电压互感器2、电磁式电压互感器额定容量：额定容量一般是指对应最高准确级的容量。与电流互感器相似，电压互感器的准确级与二次负荷有关，因此对于同一台电压互感器，对应不同的准确级，就有不同的额定容量。75第七十五页，共九十三页。三、电压互感器2、电磁式电压互感器最大容量：按照在最高电压下长期工作发热条件允许下，对应的容量。一般不与最高准确级对应。例：JDZJ-10型电压互感器，负载功率因数为0.8情况下76第七十六页，共九十三页。三、电压互感器2、电磁式电压互感器结构分类：普通式和串级式3~35KV制成普通式，与普通小型变压器相似；110KV及以上，制成串级式：绕组与铁芯采用分级绝缘，简化绝缘结构；绕组与铁芯放在瓷套中，可减少重量和体积；大量节约绝缘材料，可降低造价。77第七十七页，共九十三页。三、电压互感器2、电磁式电压互感器说明：中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中，电压互感器的一次绕组必须接星形，且中性点接地。即YN这样可以测量相对地电压。三相五柱式电压互感器可用来测量相对地电压，而三相三柱式不能用作这种测量。78第七十八页，共九十三页。三、电压互感器电磁式电压互感器接入3~35KV配电网时，会有谐振问题产生。导致PT保险丝烧坏，甚至烧坏PT。消谐措施：减少电压互感器的投运台数；提高PT的抗饱和能力；使用电容式电压互感器；在互感器中性点加消谐器或串联电阻；在PT的开口三角加消谐装置或串接电阻；加强管理，提高检修质量。79第七十九页，共九十三页。三、电压互感器3、电容式电压互感器实质上就是一个电容分压器，与电容成反比分压。80第八十页，共九十三页。三、电压互感器4、电压互感器的选择种类和型式的选择6~35KV屋内配电装置，采用油浸式或浇注式110~220KV配电装置，采用串级式出线上的电压互感器，多采用电容式的500KV配电装置，二次绕组具有三个，分别做主保护、后备保护、自动装置测量用。81第八十一页，共九十三页。三、电压互感器4、电压互感器的选择额定电压的选择一次额定电压的选择二次侧额定电压的选择100V：供三相系统相间连接的单相电压互感器。对于接在三相系统相与地间的单相电压互感器。82第八十二页，共九十三页。三、电压互感器4、电压互感器的选择准确级的选择互感器的准确级不得低于所接测量仪表的准确级；当所接测量仪表要求有不同的准确级时，应按最高级别来确定准确级；83第八十三页，共九十三页。三、电压互感器4、电压互感器的选择容量的选择额定二次容量（对应于所要求的准确级的容量）不小于电压互感器的二次负荷。84第八十四页，共九十三页。三、电压互感器4、电压互感器的选择动热稳定的校验电压互感器一般由高压熔断器保护，因此不必做动稳定和热稳定的校验。85第八十五页，共九十三页。四、互感器在主接线中的配置原则1、电压互感器的配置原则母线（除旁路母线外）工作母线和备用母线都装有一组电压互感器，用于同步、测量仪表和保护装置。线路；35KV及以上输电线路，当对端有电源时，装设一台单相电压互感器，用于监视电压，进行同步，设置重合闸。发电机：装2~3组电压互感器，供自动调节励磁装置测量仪表，保护装置用。变压器设一组电压互感器在低压侧，为继电保护用。86第八十六页，共九十三页。四、互感器在主接线中的配置原则2、电流互感器的配置原则发电机、变压器、出线、母线分段及母联断路器，旁路断路器回路，均装设电流互感器，供测量仪表和保护用。保护用电流互感器的装设，尽量消除主保护装置的死区来设置，如果有两组保护用电流互感器，应尽量设置在断路器的两侧，使断路器处于交叉保护中。尽量不靠近母线布置电流互感器，目的是防止因互感器闪络而引起母线故障，