第四章 电气设备选择.ppt

1、,电力工程系,Department of Electrical Engineering,供电技术,蒋智化第四章 高压电气设备的选择,第一节 高压电气设备选择一般条件和原则 第二节 开关电弧 第三节 高压开关电器的选择 第四节 母线和绝缘子的选择 第五节 限流电抗器的选择 第六节 互感器的选择,第一节 电气设备选择一般原则,一、高压电气设备选择与校验的一般条件 二、高压电气设备的选择与校验项目 三、按正常工作条件选择高压电气设备 额定电压和最高工作电压 额定电流 按环境工作条件校验 四、短路条件校验 短路热稳定校验 电动力稳定校验 短路电流计算条件 短路计算时间, 高压

2、电气设备选择与校验的一般条件,电气设备选择是发电厂和变电所设计的主要内容之 一，在选择时应根据实际工作特点，按照有关设计规范的 规定，在保证供配电安全可靠的前提下，力争做到技术先 进，经济合理。 为了保障高压电气设备的可靠运行，高压电气设备选 择与校验的一般条件有： （1）按正常工作条件包括电压、电流、频率、开断电流等选择； （2）按短路条件包括动稳定、热稳定校验； （3）按环境工作条件如温度、湿度、海拔等选择。,按环境工作条件校验,在选择电气设备时，还应考虑电气设备安装地点的环境条件，当气温、温度、海拔高度和覆冰厚度等环境条件超过一般电气设备使用条件时，应采取措施。 当周围环境温度0和电气设

3、备额定环境温度不等时，其长期允许工作电流应乘以修正系数K，即 我国的电气设备使用的额定环境温度N=40。如周围环境温度0高于40小于60时，其允许电流一般可按每增高1，额定电流减少1.8%进行修正，当环境温度低于40时，环境温度每降低1，额定电流可增加0.5%，但其max不得超过的20%。该式对求导体的在实际环境温度下的长期允许工作电流，此时公式中的N一般为25。, 短路条件校验短路热稳定校验,短路电流通过电气设备时，电气设备各部件温度(或发 热效应)应不超过允许值。满足热稳定的条件为 式中 ts 厂家给的电气设备在时间t秒内的热稳定电流。 短路稳态电流值。 ts与ts相对应的时间。 ti短路

4、电流热效应等值计算时间(假想时间)。, 短路条件校验电动力稳定校验,电动力稳定是电气设备承受短路电流机械效应的能力， 也称动稳定。满足动稳定的条件为 或 式中 ish、sh短路冲击电流幅值及其有效值； ies 、es电气设备允许通过的动稳定电流的幅值及 其有效值。 下列几种情况可不校验热稳定或动稳定： （1）用熔断器保护的电器，热稳定由熔断时间保证。 （2）采用限流熔断器保护的设备，可不校验动稳定。 （3）装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备可 不校验动、热稳定。, 短路条件校验短路电流计算条件,为使所选电气设备具有足够的可靠性、经济性和合理 性，并在一定时期内适应电力系统发展的需要，作校

5、验用的 短路电流应按下列条件确定。 （1）容量和接线按本工程设计最终容量计算，并考虑电 力系统远景发展规划；其接线应采用可能发生最大短路电流 的正常接线方式，但不考虑在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的并列)。 （2）短路种类一般按三相短路验算，若其它种类短路较 三相短路严重时，则应按最严重的情况验算。 （3）计算短路点选择通过电器的短路电流为最大的那些 点为短路计算点。,第二节 开关电弧,断路器切断通有电流的回路时，只要电源电压大于1020V，电流大于80100mA，在动、静触头分开瞬间，触头间隙就会出现电弧。此时，触头虽然已分开，但是电路中的电流还在继续流通，只有熄灭

6、电弧，电路才真正断开。本节介绍开关电弧的基本知识与各种灭弧方法的原理。,一、电弧的形成,电弧的产生和维持是触头间隙的绝缘介质的中性质点(分子和原子)被游离的结果 电弧是一种游离气体的放电现象。 光效应和热效应而形成电弧 热游离维持电弧的燃烧,二、电弧的熄灭,在中性质点发生游离的同时，还存在着使带电质点不断减少的去游离。去游离的主要形式是复合与扩散。 1复合 2扩散,三、交流电弧的开断,交流电弧电流每周自然过零两次。在电流过零时，电弧暂时熄灭。因此熄灭交流电弧，就是让交流电弧过零后电弧不重燃。 交流电弧的熄灭条件是，交流电弧过后，弧隙介质强度恢复过程永远大于弧隙电压恢复过程。,四、灭弧的基本方法

7、,1利用介质灭弧 2利用气体或油吹动电弧 3采用特殊的金属材料作灭弧触头 4电磁吹弧 5使电弧在固体介质的狭缝中运动 6将长弧分隔成短弧 7采用多断口灭弧 8提高断路器触头的分离速度,第二节 高压开关电器的选择,高压开关设备主要指高压断路器、高压隔离开关、高压熔断器和高压负荷开关等。,一、高压断路器的选择,具有完善的灭弧能力 功能 通断正常负荷电流 接通和承受一定的短路电流 在保护装置作用下自动跳闸，切除短路故障。,绝缘子支持型结构示意图,SW2-63型少油断路器,开断元件,支持瓷瓶,操动机构,原理,类型 油断路器 多油断路器： 开关触头在绝缘油中闭合和断 开。油兼有灭弧和绝缘功能，油量多，有

8、易燃易爆危险。体积大，维护麻烦。可频繁通断负荷。趋于淘汰。 少油断路器： 开关触头在绝缘油中闭合和断开。油只作灭弧功能，油量少，易燃易爆危险性较小。体积小，价廉，维护方便。不能频繁操作。 610kv多用。,六氟化硫断路器 开关触头在SF6气体中闭合和断开。SF6气体兼有灭弧和绝缘功能。灭弧能力强，属高速断路器。断流容量大，电绝缘性能好，检修周期长。可频繁操作。无燃烧爆炸危险，体积小，维护要求严格，价贵。在全封闭组合电器中多采用。不适于高寒地区。 本身无毒，但电弧在高温作用下会生成氟化氢等强烈腐蚀性的剧毒物，检修时，应注意防毒。,空气断路器 利用压缩空气吹动电弧，并使电弧熄灭。灭弧能力强，分断时

9、间短，断流容量大。结构复杂，价贵，维护要求高。多用于110kv及以上大型电站或变电所及不适应采用六氟化硫断路器的高寒地区。,真空断路器 开关触头在真空的容器内 闭合和断开。灭弧能力强燃弧时间短，属高速断路器。开断能力强。结构简单，重量轻，体积小。寿命长，易维修。可频繁操作。无易燃易爆危险。 由于开断速度高, 易产生截流过电压,对变压器等感性负载易造成危害,应配置过电压吸收装置。,高压断路器选择,按工作环境选型 按所在的电网电压选择 按所在回路最大长时负荷电流选择额定电流 校验断路器的热稳定 校验断路器的动稳定 校验高压断路器的开断能力 校验断路器的额定关合电流（iNcl）, 高压断路器选择额定

10、开断电流,在额定电压下，断路器能保证正常开断的最大短路电流 称为额定开断电流Nbr。在高压断路器中其值不应小于实际 开断瞬间短路电流周期分量k ，即 我国生产的高压断路器在做型式试验时，仅计入了20% 的非周期分量。一般中、慢速断路器，由于开断时间较长 (0.1s)，短路电流非周期分量衰减较多，能满足国家标准规 定的非周期分量不超过周期分量幅值20%的要求。使用快速 保护和高速断路器时，其开断时间小于0.1s，当在电源附近 短路时，短路电流的非周期分量可能超过周期分量的20%， 因此需要进行验算。, 高压断路器选择短路关合电流,在断路器合闸之前，若线路上已存在短路故障，则在断 路器合闸过程中，

11、动、静触头间在未接触时即有巨大的短路 电流通过（预击穿），更容易发生触头熔焊和遭受电动力的损坏。 断路器在关合短路电流时，不可避免地在接通后又自动 跳闸，此时还要求能够切断短路电流，因此，额定关合电流 是断路器的重要参数之一。为了保证断路器在关合短路时的 安全，断路器的额定关合电流iNcl不应小于短路电流最大冲 击值ich ， 即,二、高压负荷开关的选择,具有简单的灭弧装置。 （一）功能 1.能通断一定的负荷电流和过负荷电流，不能切断短路电流故障。 2.必须与高压熔断器串联，借助于熔断器切除短路电流。 3.与隔离开关一样，具有明显的断开间隙，也具有隔离电源，保证安全检修的功能。,（二）类型 1

12、.户内型( FN ) 2.户外型( FW ) 固定产气式（ FN1、FW5 等 压气式 （ FN2、FN3 压缩空气式 六氟化硫 油浸式 真空式,户内交流高压真空负荷开关熔断器组合电器,（三）选择,负荷开关按额定电压、额定电流选择，按动、热稳定性进行校验。当配有熔断器时，应校验熔断器的断流容量，其动、热稳定性可不作校验。,高压隔离开关（QS）的选择,（一）特点：没有灭弧装置，不能接通和切断负荷电流。 （二）功能： 1.隔离高压电源 2.倒闸操作 3.接通和断开较小电流（如励磁电流不超过2A的空载变压器、电容电流不超过5A的空载线路及电压互感器和避雷器电路）,（三）类型： 1.户内型（ GN 三

13、相刀闸同一底座。 2.户外型（ GW单柱式、双柱式、三柱式。,GN19-12(C)系列高压隔离开关,典型结构,支柱绝缘子,静触头,操作绝缘子,转轴,GW5A-35、66、110系列隔离开关,户外型V形,四 高压熔断器选择,高压熔断器是一种简单的保护电器.由熔体、熔体管和接触导电等部分组成。 功能 主要对电流和电路中的设备进行短路保护 有时也有过负荷保护 类型及特点 户内型 （ RN 固定式 户外型 （ RW 跌落式,RW310户外高压跌落式熔断器,对于一般的高压熔断器，其额定电压UN必须大于或等于电网的额定电压UNs。但是对于充填石英砂有限流作用的熔断器，则不宜使用在低于熔断器额定电压的电网中

14、，这是因为限流式熔断器灭弧能力很强，在短路电流达到最大值之前就将电流截断，致使熔体熔断时因截流而产生过电压,3. 额定电压选择,熔断器的额定电流选择，包括熔管的额定电流和熔体 的额定电流的选择。 （1）熔管额定电流的选择 为了保证熔断器载流及接触部分不致过热和损坏，高 压熔断器的熔管额定电流应满足下式的要求，即 式中 INft熔管的额定电流 INfs熔体的额定电流,4. 额定电流选择, 高压熔断器选择熔体额定电流选择,（2）熔体额定电流选择 为了防止熔体在通过变压器励磁涌流和保护范围以外 的短路及电动机自启动等冲击电流时误动作，保护35kV及 以下电力变压器的高压熔断器，其熔体的额定电流可按下

15、 式选择，即 式中 K可靠系数（不计电动机自启动时K=1.11.3， 考虑电动机自启动时K=1.52.0）； Imax通过熔体的最大长时工作电流。, 高压熔断器选择熔断器开断电流校验,3. 熔断器开断电流校验 式中 Nbr熔断器的额定开断电流 对于没有限流作用的熔断器，选择时用冲击电流的有 效值ch 进行校验；对于有限流作用的熔断器，在电流达 最大值之前已截断，故可不计非周期分量影响，而采用I“ 进行校验。,五 高压开关柜,按一定线路方案将有关一、二次设备组装而成的一种高压成套配电装置。 （一）用途 作为电能接受、分配的通断和监视保护之用。 （二）类型 1.固定式、手车式,(1)固定式 制造工

16、艺简单，节省钢材，价格便宜，但体积较大防护等级较低,GG-1A(F)型固定式高压开关设备,(2)手车式 维护方便，安全可靠，更换断路器容易占用建筑体积少等。 （通过产品型号格式来了解）,XGN2-12(Z)箱型固定式交流金属封闭开关设备,KYN28A-12(Z)B型铠装移开式交流金属开关设备,第四节 母线及绝缘子选择,一、母线的选择与校验 母线材料、类型和布置方式 母线截面的选择 母线热稳定校验 母线动稳定校验,1 母线的材料,配电装置的母线常用导体材料有铜、铝和钢。铜的电阻率低，机械强度大，抗腐蚀性能好，是首选的母线材料。 但是铜在工业和国防上的用途广泛，还因储量不多，价格较贵，所以一般情况

17、下，尽可能以铝代铜。,2 母线类型,软母线 多股绞线 硬母线 矩形、槽形和管形。,3 母线的布置方式,图a散热较好，载流量大，但机械强度较低； 图b相反； 图c坚固二者优点,图,4 母线截面选择,汇流母线的截面积，一般按长时最大负荷电流选择，按短路条件校验其动、热稳定性。对年平均负荷较大，长度在20m以上的变压器回路导体，才按经济电流密度选择。 按最大长时负荷电流选择母线截面积,式中Ial额定环境温度时的长时允许电流，A。 K环境温度修正系数，设备所在环境温度为0时，,式中Ial额定环境温度时的长时允许电流，A。 K环境温度修正系数，设备所在环境温度为0时，,式中Ial额定环境温度时的长时允许

18、电流，A。 K环境温度修正系数，设备所在环境温度为0时，,按经济电流密度选择母线截面,按经济电流密度选择母线截面可使年综合费用最低，年综合费用包括电流通过导体所产生的年电能损耗费、导体投资和折旧费、利息等。 综合这些因素，使年综合费用最小时所对应的母线截面称为母线的经济截面，对应的电流密度称为经济电流密度。 按经济电流密度选择母线截面应满足下式，即,5 母线热稳定性校验,所选母线的截面S应不小于最小热稳定截面Smin，即,6母线动稳定性校验,母线在短路冲击电流电动力作用下应保证不会产生永久性变形或断裂，即母线材料允许应力al应不小于短路电流作用母线上的电动应力max，即,二 支柱绝缘子和穿墙套

19、管的选择,（一）绝缘子简介 支柱绝缘子 户内支柱绝缘子 户外支柱绝缘子 套管绝缘子 户内套管绝缘子 户外套管绝缘子 （二）支柱绝缘子和穿墙套管的选择 支柱绝缘子和穿墙套管的动稳定性 支柱绝缘子或穿墙套管上的最大电动力,（一）绝缘子简介,绝缘子俗称为绝缘瓷瓶,它广泛地应用在发电厂和变电所的配电装置、变压器、各种电器以及输电线之中。用来支持和固定裸载流导体，并使裸导体与地绝缘,或者用于使装置和电气设备中处在不同电位的载流导体间相互绝缘。因此,要求绝缘子必须具有足够的电气绝缘强度、机械强度、耐热性和防潮性等等。 绝缘子按安装地点,可分为户内(屋内)式和户外(屋外)式两种。按结构用途可分为支持绝缘子和

20、套管绝缘子, 支柱绝缘子户内式支柱绝缘子,支柱绝缘子又分为户内 式和户外式两种。户内式支 柱绝缘子广泛应用在 3110kV各种电压等级的电 网中。 户内式支柱绝缘子 户内式支柱绝缘子可分 为外胶装式、内胶装式及联 合胶装式等三种,支柱绝缘子户外式支柱绝缘子,户外式支柱绝缘子 户外支柱绝缘子 有针式和实心棒式两 种。图7-6所示为户 外支柱绝缘子结构 图。主要由绝缘瓷体 2、4,铸铁帽5和具有 法兰盘的装脚1组成。, 套管绝缘子户内式套管绝缘子, 套管绝缘子户外式套管绝缘子,用于将配电装置中的户内载流导体与户外载流导体之间的 连接处，其两端的绝缘按户内外两种要求设计，图7-8中右端 为户内部分，

21、表面结构平滑，无伞裙，为户内式套管绝缘子结构；左端为户外部分，瓷体表面有伞裙，为户外式套管绝缘子结构。,（二）支柱绝缘子的选择,1额定电压选择 支柱绝缘子额定电压不小于所在电网的电压，即,2支柱绝缘子动稳定性校验,按最大允许力Fal 进行校验，即 Fal = 0.6FdeKFmax,（三）套管绝缘子的选择,套管绝缘子按是否带导体可分为普通型(本身带导体)和母线型(不带导体)两种类型。普通套管绝缘子应按使用地点、额定电压、额定电流选择，并按短路条件校验其动、热稳定性。母线式穿墙套管，因本身不带导体所以不按额定电流选，但应保证套管绝缘子形式与母线尺寸相配合。,限流电抗器的选择,一、短路电流的限制措

22、施 限制短路电流的措施就是增加短路回路的总电抗 1改变供电系统的运行方式 2在回路中串入限流电抗器来增加短路回路总阻抗 普通限流电抗器 分裂电抗器,二、普通电抗器的选择,（一）电抗器的选择 1额定电压选择 2额定电流选择 3电抗百分值的选择,（二）电抗器校验 1正常运行时电压损失校验,2母线残余电压校验,3动、热稳定校验 为了使动稳定性得到保证，应满足动稳定条件，即 为了使热稳定得到保证，应满足热稳定条件,第六节互感器的选择,互感器将一次电路的大电流、高电压变成小电流(5A或1A)和低电压，以便使二次侧测量仪表和继电保护隔离高压电路以及小型化、标准化等。 互感器主要是电磁式的。电磁式互感器实质

23、上是一种特殊的变压器，其基本结构和工作原理与变压器基本相同，其一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表和继电保护等。,一、电磁式电流互感器, 一次绕组匝数少且粗，有的型号还没有一次绕组，利用穿过其铁心的一次电路作为一次绕组(相当于1 匝)； 而二次绕组匝数很多，导体较细； 一次绕组串接在一次电路中，二次绕组与仪表、继电器电流线圈串联，形成闭合回路，由于这些电流线圈阻抗很小，所以电流互感器二次回路接近短路状态； 互感器等值总阻抗在一次回路中所占比重极小，其一次回路电流大小取决于其负荷电流的大小，而与互感器二次负荷无关，因此电流互感器可看作一恒流源。,电流互感器的额定电流比称为电流互感器的变比，用Ki

24、表示，即,(一)电流互惑器误差和准确级,1电流互感器误差 大小误差称为电流误差（f i），方向误差称为角误差（ i）。 2电流互感器的准确级 根据电流互感器测量的误差大小可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，一次电流为额定值的最大电流误差。,（二）类型,1.按一次绕组分 单匝式、多匝式。 2.按用途分 测量用：准确度0.1,0.2,0.5,1,3,5。 保护用：3P，5P，10P。,（三）电流互感器选择,1.电流互感器一次侧额定电压和电流选择 电流互感器一次回路额定电压和电流选择应满足： 式中 UN1、N1电流互感器一次额定电压和电流。 为了确保所供仪表的准确度，互感器的

25、一次侧额定电流应尽可能与最大工作电流接近。 2. 二次额定电流的选择 电流互感器的二次额定电流有5A和1A两种。一般强电系统用5A， 弱电系统用1A。, 电流互感器种类和型式及准确级的选择,3. 电流互感器种类和型式的选择 选择互感器，应根据安装地点和安装方式选择相适应的类别和型式。选用母线型电流互感器时，注意校核窗口尺寸。 4. 准确级的选择 为保证测量仪表的准确度，互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。,5. 电流互感器二次容量或二次负载的校验 为了保证互感器的准确级，互感器二次侧所接实际负载 Z2l或所消耗的实际容量荷S2应不大于该准确级所规定的额定 负载ZN2或额定容量SN2，,

26、 电流互感器热稳定和动稳定校验,6. 热稳定和动稳定校验 （1）电流互感器的热稳定校验只对本身带有一次回路 导体的电流互感器进行。电流互感器热稳定能力常以1s允 许通过的一次额定电流N1的倍数Kh来表示，故热稳定应按 下式校验 式中 Kh，N1 由生产厂给出的电流互感器的热稳定倍数 及一次侧额定电流。 ，tdz 短路稳态电流值及热效应等值计算时间。, 电流互感器热稳定和动稳定校验（1）,（2）电流互感器内部动稳定能力，常以允许通过的一次 额定电流最大值的倍数kmo一动稳定电流倍数表示，故内部 动稳定可用下式校验 式中 Kmo，IN1 由生产厂给出的电流互感器的动稳定倍 数及一次侧额定电流。 i

27、ch 故障时可能通过电流互感器的最大三相 短路电流冲击值。, 电流互感器热稳定和动稳定校验（2）,由于邻相之间电流的相互作用，使电流互感器绝缘瓷帽 上受到外力的作用，因此，对于瓷绝缘型电流互感器应校验 瓷套管的机械强度。瓷套上的作用力可由一般电动力公式计 算，故外部动稳定应满足 式中 Fal作用于电流互感器瓷帽端部的允许力； l 电流互感器出线端至最近一个母线支柱绝缘子 之间的跨距。 系数0.5表示互感器瓷套端部承受该跨上电动力的一半。,（四） 使用注意事项,电流互感器在工作时，其二次侧不得开路。 电流互感器的二次侧有一端必须接地。 电流互感器在连接时，注意其端子的极性。,二、电磁式电压互感器,电压互感器一次线圈是并联接在高压电路上，二次线圈与仪表和继电器的电压线圈相并联，工作原理与变压器相似。其特点是： 一次线圈并联接在电路中，其匝数很多，阻抗很大，因而它的接入对被测电路没有影响； 二次侧并接的仪表和继电器的电压线圈具有很大阻抗，在正常运行时，电压互感器接近于空载运行； 其一次回路电压大小与互感器二次负荷无关，因此电压互感器对二次系统相当于一个恒压源。,电压互感器的变比是一、二次侧额定电压之比，即,（一）电压互感器的误差和准确级 电压误差 角误差 互