供配电系统设备.ppt

1、第五章 供配电系统设备 及线缆的选择,本章首先介绍影响设备及线缆选择的几种重要因素、短路电流的力效应和热效应、开关的灭弧能力。然后主要介绍构成供配电系统一次回路的主要电气设备的结构、工作特性及系统对其的基本要求；介绍电力线路正常运行应满足的基本条件。要求掌握主要电气设备及电力线缆的工作特性及选择原则。,索 引,第一节 短路电流的力效应和热效应 第二节 开关电器的灭弧原理 第三节 开关电器及其选择 第四节 熔断器及其选择 第五节 互感器及其选择 第六节 电力线缆的选择 第七节 电力变压器和柴油发电机的选择,第一节 短路电流的力效应和热效应,（一）短路电流通过两平行导体产生的电动力效应 （二）短路

2、电流通过三相平行导体产生的电动力效应 若三相导体敷设在同一平面上，因任一时刻，总有一相电流与另两相电流方向相反，可以证明，中间相受力情况最为严重，该作用力的最大值为：,一、短路电流的力效应,二、短路电流的热效应 三、短路时导体最高温度的确定,四、短路热脉冲与假想时间,1、短路热脉冲 2、短路电流持续时间 3、假想时间 （1）周期分量的假想时间 对远点短路 对近点短路 （2）非周期分量的假想时间 当 时， 当 时， 对远点短路： 对近点短路：,第二节 开关电器的灭弧原理,（一）电弧的产生原因 电弧实际上是触头间气体在电场作用下产生的放电现象。即触头间隙中的气体被游离产生大量的电子和离子，在强电场

3、作用下，大量的带电粒子作走向运动，于是绝缘的气体就由于游离而成了导体。电流通过这个游离区时所消耗的电能转换为热能和光能发出光和热的效应，以电弧的形式表现出来。电弧对电器设备的影响主要有以下几个方面：一是触头虽已分开，但由于电弧存在，使电路实际上并没有断开；二是由于电弧温度很高，严重时会烧坏触头；三是电弧向四周喷射，会使电器及其周围物质损坏，甚至造成短路，引起火灾。所以必须采取措施，尽快熄灭电弧。 电弧的产生主要经历下面几个物理过程： 1、场致发射： 用开关电器切断有电流通过的线路时，在开关触头刚分离的瞬间，由于触头间的间隙很小，触头间会形成很高的电场强度，当电场强度超过3X106 Vm时，阴极

4、触头在强电场的作用下，金属触头表面的电子被拉出来，成为自由电子，自由电子存在于触头间隙，使触头间隙中存在带电粒子，这个过程叫做场致发射。,一、交流电弧的产生和熄灭,2碰撞游离 从阴极表面发射出来的自由电子，在触头间隙间电场力的作用下，向阳极加速运动，途中与中性粒子碰撞时，若电子有足够的动能，将使中性粒子游离为正离子和自由电子，这个过程叫碰撞游离。碰撞游离使触头间隙中的带电粒子数目加大，带电粒子继续在电场作用下运动，上述过程不断发生的结果使触头间隙内充满了电子和正离子，使其变成导电的通道，大量带电粒子在外加电场作用下，形成电流，这就是介质被击穿产生的电弧。 3热游离 电弧产生后，弧隙温度很高，可

5、达5000K以上，此时处于高温下的触头间隙中分子和原子产生强烈的布朗运动，使它们之间不断发生碰撞，其结果可使中性粒子游离成电子和正离子，这个过程叫热游离。在电弧稳定燃烧时，电弧温度高，但电弧电压很低，因此电弧主要由热游离维持。 4热发射 当电弧温度很高时，阴极表面还会在高温作用下发射电子，同时触头熔化、蒸发，以致在弧隙中混有蒸气，使其电导增加，维持电弧的继续燃烧。这个过程叫热发射。 简言之：阴极在强电场作用下发射电子，发射的电子在触头间电场作用下产生碰撞游离，形成电弧；在电弧的高温作用下，阴极出现热发射，同时间隙中发生热游离，使电弧维持和发展。这就是电弧产生的过程。 与游离过程相反，自由电子和

6、正离子相互吸引发生的中和现象，叫去游离。去游离的主要方式是复合和扩散。在电弧中，发生游离过程的同时进行着使带电粒子减少的去游离过程。在稳定燃烧的电弧中，这两个过程处于动平衡状态，如果游离过程强于去游离过程，电弧将继续燃烧；如果去游离过程强于游离过程，电弧便会愈来愈弱，最后熄灭。,（二）交流电弧的熄灭 1交流电弧的特性 如图57是交流电弧的特性曲线。交流电弧的伏安特性是动态的，呈周期性变化，电流每周期过零一次。图中A点为电弧产生的电压，称为燃弧电压，B点是电弧熄灭的电压，称为熄弧电压。由于热惯性，熄弧电压总是低于燃弧电压。,2交流电弧维持和熄灭的条件 交流电弧电流过零时，是熄灭交流电弧的有利时机

7、。但电流过零后，还会重燃或最终熄灭，这取决于弧隙中去游离过程与游离过程的竞争结果。,二、中、低压开关电器中的主要灭弧方式,从有利灭弧的角度来看，所有的开关都应在开断时迅速而干脆，在最短时间内将电弧好长，以减少电弧稳定燃烧的机会。 （）磁吹灭弧 磁吹灭弧利用气体或油吹动电弧灭弧，广泛应用于各种电压的开关电器，特别是大容量高压断路器中。 由上分析可知，温度对熄弧的影响是很大的，气体热游离的基本条件是需有一定的温度温度愈低，热游离愈不易发生。因此，降低弧隙温度便能加快去游离的速度，同时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，弧隙温度越低，介质的绝缘强度恢复越快。所以，冷却电弧是熄弧

8、的重要方法之一。用气体或液体介质吹弧，既能起到对流换热，强制冷却弧隙，也有部分取代原弧隙中游离气体或高温气体的作用。气体流速大，对流换热能力就强，能使电弧散热加剧，对弧隙的冷却作用更大。 在断路器中，常将灭弧室制成某种形式，使气体或液体产生较高的压力，有力地吹向弧隙。吹动电弧的方式有纵吹和横吹，如图59所示吹动方向与孤柱轴线平行叫纵吹；吹动方向与弧柱轴线垂直的叫横吹。纵吹主要是使电弧冷却变细最后熄灭；横吹则是把电弧拉长，表面积增大并加强冷却，炼弧效果较好。纵、横的方式各有它的特点，不少断路器采用纵横混合吹弧的方式，熄弧效果更好。,（二）采用多断口灭弧 这种方式在高、中、低压开关中都有应用。在开

9、关电器中常采用两个或多个串联的断口，图5-10所示为双断口的情况。采用多断口是把电弧分割成多个电弧段，在相等的触头行程下，多断口比单断口的电弧门拉长了，从而增大孤隙间隙，同时电弧被拉长的速度也增加了（即开断速度增加），也增大了介质强度的恢复速度。由于加在每个断口的电压降低，使弧隙的恢复电压降低，因此灭弧性能更好。 （三）利用短弧的近阴极效应灭弧 1近阴极效应 实验表明，开关断开过程中，当电流过零后，极极性发生了变化，在从的短暂时间内，在新的阴极附近会出现介质强度升高的现象，称为近阴极效应。这个突然升高的介质强度可达150250V，又叫起始介质强度。 2灭弧栅灭弧 由于近阴 极效应的存在，可将电

10、弧分割成许多短弧，利用其起始介质强度，当所有的阴极的介质强度总值大于加在触头上的电压时，电弧将会熄灭。 如图511所示为低压开关电器中广泛采用的灭弧栅装置，就是利用短弧的近阴极效应来灭弧的，栅片是由铁磁物质制成，当触头内发生电弧后，可以利用电弧电流产生的磁场与铁磁物质间产生的相互作用力，把电弧吸引到栅片内，将长弧分割成一串短弧，在每个短弧的阴极附近都有150250V的介质强度。设有n个栅片，则整个灭弧栅共有 n（150250） V的介质强度，当作用干触姿间的电压小于n（150250）V时，因不能维持内派的燃烧电弧必将熄灭。由于栅片的数目受到限制，这种灭弧方式只适合低压开关电器。,（四）利用固体

11、介质的狭缝灭弧 这种灭弧方式是利用固体介质壁的冷却作用使电弧熄灭 。在低压电器中，接触器、磁力起动器的灭弧都是采用这种方式。 图512所示为低压开关中广泛采用的狭缝灭弧装置。灭弧片是由石棉水泥或陶土材料制成的。当触头间产生电弧后，在磁场线圈产生的磁场作用下，对电弧产生电动力，将电弧拉入灭弧片的狭缝中。在把电弧拉长的同时将电弧直接与灭弧片冷壁紧密接触，加强冷却作用，促使电弧熄灭。 磁吹力的产生靠外加磁场，使电弧在磁场中受力向灭弧室狭缝中移动。产生磁场的方法一般有三种：磁吹线圈与电气回路串联；磁吹线圈与电气回路并联；采用永久磁铁。,第三节 开关电器及其选择,（一）中压断路器的分类 1、少油断路器

12、价格便宜，但不能用于有较高防火、防爆要求的场合（如高层建筑物内），不能用于频繁操作的场合。 2、真空断路器 1）触头开距短， 2）燃弧时间短，但可能引起过电压， 3）能较频繁操作， 4）体积小，重量轻，防火防爆性能好。 3、SF6断路器 断流能力强，灭弧速度快，不易燃，电寿命长，可频繁操作，机械可靠性高以及不维修周期长。但要求加工精度高，密封性能要求非常严格，价格较高。 （二）中压断路器的操作机构 1 手动操作机构 2 电磁操作机构 3 弹簧操作机构,一、中压断路器,二、中压负荷开关,中压负荷开关具有简单的灭弧装置，常用来分合负荷电流和较小的过负荷电流，但不能分断短路电流。负荷开关常与熔断器一

13、起使用，利用熔断器切除故障电流，这种形式广泛用于城网改造和农村电网。目前，中压负荷开关主要有产气式、压气式、真空式和等类型，主要用于 10kV电网。负荷开关也可分为户内式和户外式两大类。,三、中压隔离开关,中压隔离开关的主要功能是隔离电源，以保证需隔离设备和线路的检修安全及人身安全，隔离开关分断后具有明显的可见断开间隙，绝缘可靠，但隔离开关没有灭弧装置，不能带负荷分、合闸，不过可用来分合一定的小电流，如励磁电流不超过2A的空载变压器、电容电流不超过5A的空载线路以及电压互感器和避雷器等。 中压隔离开关按安装地点分户内式和户外式两大类。按有无接地开关可分为不接地、单接地、双接地三类。,四、低压断

14、路器,（一）低压断路器的结构和工作原理 1、主触头和灭弧系统 2、具有不同保护功能的各种脱扣器 3、自由脱扣机构和操作机构 （二）常规低压断路器 1、 万能式断路器 2 、塑料外壳式断路器 3 、模数化小型断路器 （三）智能化断路器,低压断路器又叫低压自动空气开关，是低压系统中既能分合负荷电流也能分断短路电流开关电器。,五、低压隔离器、隔离开关及组合电器,l低压隔离器 在断开位置能符合规定的隔离功能要求的开关电器称为低压隔离器。 2低压隔离开关 在断开位置能满足隔离器要求的开关称为低压隔离开关。 3低压组合电器 熔断体或带有熔断体的载熔件作为动触头的隔离器称为熔断器式隔离器。,六、剩余电流保护

15、装置（又称漏电保护装置）及开关,剩余电流保护装置又称为漏电保护装置，是对电气回路的不平衡电流进行检测而发出信 号的装置，当回路中有电流泄漏且达到一定值时，剩余电流保护装置可向断路器发出跳闸信 号，切断电路，以避免触电事故的发生或因泄漏电流造成火灾事故的发生。,七、开关电器的选择,（一）满足正常工作条件 1、 满足工作电压要求 2、满足工作电流要求 3、满足工作环境要求,（二）满足短路故障时的动、热稳定条件 1、满足动稳定条件 2、满足热稳定条件,（三）满足开关电器分断能力的要求 1、断路器 2、负荷开关,第四节 熔断器及其选择,熔断器是最简单和最早使用的一种保护电器。当导体中通过过负荷电流或短

16、路电流时，利用导体产生的热量使其本身熔断，从而将电路切断。 熔断器的基本结构是由金属熔体、支持熔体的触头和外壳组成。其中熔体是熔断器的关键部件，其安秒特性决定了熔断器的保护特性。 按使用场所系统电压的不同，熔断器有中压熔断器和低压熔断器之分。,一、熔断器的安秒特性,熔体熔断时间与通过电流的关系，称为熔断器的安秒特性又称保护特性，通过熔体的电流越大，熔断时间就越短。 图527中称为最小熔断电流，通过时的熔断时间为无限长。称为熔体额定电流。 熔体截面不同，其安秒特性也不同，图527中曲线2是截面较大的熔体的安秒特性，它的额定电流较大。当通过同一电流入时，截面较小的熔体熔断时间较短，故先熔断，因此，

17、可以按照熔体的保护特性实现有选择地切断故障电流。 熔断器的额定电流与熔体的额定电流是两个不同的值。熔断器的额定电流是指熔断器载流部分和接触部分设计所依据的电流。而熔体的额定电流，是指熔体本身设计所根据的电流，即不同材料，不同截面所允许通过的最大电流。在同一熔断器内，通常可分别装人不同额定电流的熔体，截面最大的熔体的额定电流可与熔断器的额定电流相同。,二、中压熔断器,1、中压熔断器的结构 2、中压熔断器的灭弧 （1）用固体灭弧物质制成灭弧室 （2）在熔断器中充满石英砂填料，利用石英砂的冷却 作用来灭弧。,1、磁插式熔断器 2、螺旋式熔断器 3、有填料高分断熔断器 4、自复式熔断器,三、低压熔断器

18、,四、熔断器的选择,（一）满足正常工作条件 1、满足工作电压要求 2、满足工作电流要求 3、满足工作环境要求,（二）满足分断能力的要求 1、限流式熔断器 2、非限流式熔断器,熔断器的图片,第五节 互感器及其选择,互感器的主要作用是： （1）互感器可使测量或保护用仪器仪表与系统一次回路隔离，避免短路电流流经仪器仪表，从而保证设备和人身安全。 （2）由于互感器一、二次侧只有磁的联系，而无电的直接联系，因而降低了二次仪表对绝缘水平的要求。 （3）互感器可将一次回路的高电压统一变为 100V或 100V的低电压，将一次回路中的大电流统一变换成5A的小电流。这样，接于互感器二次侧的测量或保护用仪器仪表的

19、制造就可做到标准化，均为额定电压100V或额定电流5A。,一、互感器的作用,二、电流互感器的使用和选择,（一）电流互感器的工作特点 电力系统中广泛应用的是电磁式电流互感器，它的工作原理与变压器相似。并具有如下特点： （1）一次线圈串联在一次主电路中，匝数很少（有的只有一匝），而二次线圈匝数很多。 （2）二次侧所接的仪表和继电器等的线圈阻抗非常小，所以正常情况下电流互感器的二次侧是在接近短路状态下运行的。 （3）当电流互感器二次绕组开路时， ，则二次侧 。这时一次侧电流全部用于励磁，铁心过度饱和，铁心中的磁通为方波，因此二次侧的感应电势呈现尖顶脉冲，如图530所示。此时二次绕组开路处的电压可能达

20、到1000V以上，这对于工作人员安全与仪器的绝缘都是很大的威胁。,（二）电流互感器的误差及影响因素 1电流互感器的误差电流 互感器的误差分电流误差与相位差。从使用者角度出发，主要关心其电流误差。电流误差由下式确定：,式中 电流互感器的一次侧电流； 电流互感器的二次侧负载电流； 电流互感器的变比， 。,2影响电流互感器电流误差的因素 1）一次侧电流大小会影响电流互感器的电流误差。 2）二次侧负荷的大小也影响电流互感器的电流误差。,（三）电流互感器的接线方式 1单相接线 2三相星形接线 3两相不完全星形接线,（四）电流互感器的选择 1、满足工作电压要求 2、满足工作电流要求 3、准确度等级 4、电

21、流互感器的动、热稳定困线路短路时，短路电流会流过电流互感器的一次绕组，所以应做动、热稳定校验。,三、电压互感器的使用和选择,（一）电压互感器的工作特性 电压互感器的工作原理也与变压器相似，容量很小，类似一台小容量变压器，其特点是： （1）一次绕组并联于电路上，匝数较多，而二次绕组匝数很少。 （2）二次侧所接测量仪表或继电器的电压线圈阻抗非常大，因此在正常运行时，电压互感器接近于空载状态。 （3）电压互感器二次侧短路时，二次回路会有短路电流通过，为避免其损坏互感器，电压互感器二次侧不允许短路。,（二）电压互感器的误差和影响因素 1电压互感器的电压误差电压互感器的误差也分电压误差与相位差。我们主要

22、关心其电压 误差。电压误差 为：,式中 电压互感器的一、二次侧电压； Kv电压互感器的变比，Kv= 。,2影响电压互感器电压误差的因素 1）电压互感器电压误差受互感器励磁电流的影响 2）电压互感器的电压误差受二次侧负荷大小的影响。,（三）电压互感器的接线方式 1单相接线 2两相不完全星形接线 3Yn，yn，接线,（四）电压互感器的选择 1、满足工作电压要求 （1）一次侧电压： （2）二次侧电压： 2、准确度等级 由于电压互感器是并联接入电路的，不会承受一次回路上通过的短路电流，因此无须做短路动、热稳定校验。,第六节 电力线缆的选择,电力线缆的选择应符合如下条件：线缆应满足正常负荷下的长期运行条

23、件；应能承受故障时故障电流，尤其是短路电流的短时作用；为保证电源质量，必须限制线路上的电压损失，以满足线路末端的电压偏差要求，即应该满足线路电压损失的要求；应满足机械强度要求；应考虑线路的经济运行。,一、按机械强度条件选择导线截面,为保证电力线缆在正常生产、运输、安装和运行过程中不受机械力的作用而损坏，必须满足机械强度的要求。各种导线最小截面见Page299附录26。,二、按导线载流量条件选择导线截面,（l）当载流量表中给出的环境温度与实际运行时环境温度不同时，根据发热量等效的原则，作 如下修正，修正后允许载流量 ，式中系数 为：,（2）当有多根导线并列敷设时，导线的散热将会受到影响，此时导线

24、的实际截流量 应 为： ，式中为修正系数，见Page304附录37。,三、按电压损失选择导线截面,（一）电压损失计算 1、末端一个集中三相对称负荷线路的电压损失 用相电压表示的电压损失： 用线电压表示的电压损失： 用线电压表示的电压损失的百分数：,2、沿线带有多个三相对称集中负荷线路的电压损失用线电压表示的电压损失的百分数： 或,（二）满足电压损失条件的导线截面 1、当已知导线截面时可以电压损失来校验其是否满足电压要来。 2、当电压损失已知，欲求满足电压损失的导线截面时，有两个未知数，即导线的电阻和电抗。由于导线电抗变化幅度不大，可先假定是一个电抗值，求得，进而求出导线截面；再将截面为的导线的

25、实际参数代入电压损失计算公式中计算出电压损失；然后与要求的允许电压损失比较，若计算电压损失小于线路允许电压损失时，即该导线截面符合要求，否则应进行重新试选及校验。,四、按短路条件选择导线截面,1、硬母线的动稳定校验方法 2、绝缘电线、电缆的热稳定校验,五、按经济电流密度选择截面,六、中性线截面的选择,1、在单相回路中，中性线截面应与相线截面相同。 2、在三相四线或二相三线系统中，当用电负荷大部分为单相负荷或为气体放电灯等有三次 谐波产生的负荷时，中性线截面也不应小于相线截面。 3、对于采用可控硅调光的三相四线或二相三线系统，由于谐波分量较重，其中性线截面不应小于相线截面的2倍。,七、保护线与线

26、路相线材料相同时保护线截面的选择,1、当线路相线截面A16mm2时，保护线截面与相线截面相等。 2、当线路相线截面16 mm235mm2时，保护线截面选为相线截面的一半。,八、线路选择条件分析,1、中压线路一般用热稳定条件来确定线缆截面，再以其他条件来进行校验。 2、低压线路一般以载流量条件选择导线截面，用其他条件校验。当线路上负荷电流较小，且传输距离很长时，则应充分考虑电压损失的影响，以电压损失条件作为确定线缆截面的首选条件。 3、目前我国经济电流密度一般只用于 35kV以上高压系统的线缆选择中。,第七节 电力变压器和柴油发电机的选择,（）常用电力变压器的种类和容量系列 1常用电力变压器的种

27、类 在中、低压供配电系统中，常用的电力变压器有如下几种分类方式： （1）按相数分类：有三相电力变压器和单相电力变压器。大多数场合使用三相电力变压器，在一些低压单相负载较多的场合，也使用单相变压器。 （2）按绕组导电材料分类：有铜绕组变压器和铝绕组变压器，目前一般均采用铜绕组变压器。 （3）按绝缘介质分类：有油浸式变压器和平式变压器两大类。油浸式变压器由于价格低廉而得到广泛应用；干式变压器有不易燃烧、不易爆炸的特点，适合在防火、防爆要求高的场合使用，绝缘形式有环氧浇注式、开启式、（）充气式和缠绕式等。 （4）按绕组连接组别分类：有Y，yn0和D，yn11两种。由于Y，y。0变压器一次侧零序电流不

28、能流通，当二次侧三相不平衡负荷出现时，由此产生的零序电流用于激磁，使铁心发热增加，严重时会导致变压器损坏，其二次侧负荷三相不平衡度不能大于25，因此，Y，yn0变压器一般只用于三相负荷平衡的场合，如工业企业变电站；D，人；11变压器一次侧为三角形接法，零序电流可以流通，因此其运行不受二次侧负荷平衡度的影响，可用于单相负荷较多且不易平衡的场合，如民用建筑变电站。 2常用变压器的容量系列我国目前的变压器产品容量系列为R10系列，即变压器容量等级是按 为倍数确定的，如：100kVA、125kVA、160kVA、200kVA、250kVA、315kVA、500kVA、 630kVA、 800kVA、 1000kVA、 1250kVA、 1600kVA 等,一、电力变压器的选择,（二）变压器容量与数量的选择原则 1变压器损坏及产生过负荷能力的原因变压器损坏及过负荷能力产生都是由于变压器额定参数与运行时实际参数的差异导致的。 2.变压器台数的确定 在供配电系统中，变压器台数与供电范围内用电负荷大小、性质、重要程度有关。,（1）三级负荷一般设一台变压器，但考虑现有开关设备开断容量的限制，所选单台变压器的额定容量一般不大于1250kV