6导体及电气设备的原理与选择

发电厂电气设备导体及电气设备的原理与选择导体及电气设备的原理与选择目录第一节电气设备选择的一般条件第二节开关电器中的电弧第三节高压断路器第四节隔离开关第五节互感器第六节熔断器第七节绝缘子、母线及电缆按正常工作条件选择设备•1、按使用环境选择设备（1）温度和湿度•一般高压电气设备：环境温度为-30～+40℃•环境温度低于-30℃：选用适合高寒地区的产品；•环境温度超过+40℃时：选用型号带“TA”的干热带型产品。•当环境的相对湿度超过标准时：应选用型号带有“TH”的湿热带型产品。（2）污染情况•安装在污染严重，有腐蚀性物质、烟气、粉尘等恶劣环境中的电气设备，应选用防污型产品或将设备布置在室内。（3）海拔高度•一般电气设备的使用条件为不超过1000m。•当用在高原地区时，由于气压较低，设备的外绝缘水平将相应下降。因此，设备应选用高原型产品或用外绝缘提高一级的产品。•现行电压等级为110kV及以下的设备，其外绝缘都有一定的裕度，实际上均可使用在海拔不超过2000m的地区。（4）安装地点•配电装置为室内布置时，设备应选户内式；配电装置为室外布置时，设备则选户外式。•2、按正常工作电压选择设备额定电压•最高允许电压≥所在电网的最高运行电压。•设备允许长期承受的最高工作电压，厂家一般规定为相应电网额定电压的1.1～1.15倍，而电网实际运行的最高工作电压也在此范围内，故选择时只要满足下式即可：UN≥UNS•式中：UN——设备的额定电压•UNS——设备所在电网的额定电压•3、按工作电流选择设备额定电流•设备的额定电流应≥回路的最大长期工作电流：IN≥Imax•应当注意：手册中给出的额定电流，均是按标准环境条件确定的，实际使用的环境条件不同时，应对其额定电流进行修正。•各种回路最大长期工作电流Imax的计算方法如下。（1）发电机和变压器回路•由于发电机和变压器在电压降低5％时，出力可保持不变，故该回路的最大长期工作电流应不小于相应额定电流的1.05倍。•若变压器有过负荷运行的可能时，还应计及其实际的过负荷电流。（2）馈电线路（A）•式中Pmax、Qmax——线路最大有功负荷、无功负荷,kW及kvar；UN——线路额定电压，kV；Cos——线路最大负荷时的功率因数。NNNUQPUSUPI33cos32max2maxmaxmaxmax（3）母线分段断路器及母联断路器回路•母线分段断路器及分段电抗器的最大长期工作电流，一般可取母线分段上一台最大发电机额定电流的50％～80％；•母联断路器的最大长期工作电流则应取母线上最大一台发电机或变压器的最大工作电流。（4）汇流母线•根据电源支路与负荷支路在母线上的实际排列顺序确定。往往并不等于接于母线上的全部负荷电流的总和。•1、短路动稳定校验•制造厂一般直接给出定型设备允许的动稳定峰值电流imax，动稳定条件为imax≥ish•式中：ish——所在回路的冲击短路电流，kA；imax——设备允许的动稳定电流(峰值)，kA。按短路条件校验设备的动稳定和热稳定•2、短路热稳定校验•通常制造厂直接给出设备的热稳定电流(有效值)It及允许持续时间t。热稳定条件为It2t≥Qk式中：It2t——设备允许承受的热效应，kA2·s；Qk——所在回路的短电流热效应，kA2·s。•3、短路电流的计算条件•为了保证设备在短路时的安全，用于校验动稳定、热稳定和开断能力的短路电流，必须是实际可能通过该设备的最大短路电流。•计算条件应考虑以下几个方面：（1）短路类型•按三相短路验算。（2）系统容量和接线•按5～10年远景规划的系统容量和可能发生最大短路电流的正常接线作为计算条件。（3）短路计算点•使被选设备通过最大短路电流的短路点称为该设备的短路计算点。6-1短路电流计算点的确定按短路条件校验设备的动稳定和热稳定•短路计算点的确定方法如图所示：1）QF1、QF2、QF3的选择•QF1可能的选择为k1、k2两点。k1点短路时，流过QF1短路电流为：IG2+IG3+Isk2点短路时，流过QF1短路电流为：IG1•显然：IG2+IG3+IsIG1•可见应选k1点进行短路计算。2）QF6（QF8）的选择•QF6可能的选择为k2、k3两点：k2点短路时，流过QF6短路电流为：Isk3点短路时，流过QF6短路电流为：IG1+IG2+IG3•若IsIG1+IG2+IG3，则k2点为短路计算点，反之，k3为短路计算点。3）QF5和QF4的选择•母联断路器QF5•厂用断路器QF4k6点为短路计算点。此时，所有发电机和系统供给的短路电流都通过QF5。出现在用母联断路器对备用母线进行充电检查时，恰好备用母线上发生短路的情况。k7点为短路计算点。此时，也会流过全部短路电流，但QF4的额定电流要比QF5小得多。4）QF7的选择•QF7可能的选择为k4、k5两点。k4短路时，流过QF7的为系统和所有发电机供给的短路电流之和，即：Is+IG1+IG2+IG3。k5点短路时，由于电抗器L的限流作用，流过QF7的短路电流比k4点短路时小。•但断路器与电抗器之间的连线很短，电抗器本身的运行相当可靠。•为使QF7轻型化，一般将k5点确定为短路计算点。短路计算时间•校验电气设备的热稳定和开断能力时，必须合理地确定短路计算时间。1）校验热稳定的短路计算时间tk•即计算短路电流热效应Qk的时间，由式(6-6)确定tk=t0+tt＝t0+(t1+t2)(s)式中：t0——后备继电保护动作时间，s；tt——断路器全开断时间，s；t1——断路器固有分闸时间，s。户内少油断路器为0.05～0.15s，户外少油断路器为0.04～0.07s，真空断路器为0.05～0.06s，SF6和压缩空气断路器为0.03～0.04s；t2——断路器开断时电弧持续时间，s，少油断路器为0.04～0.06s，SF6和压缩空气断路器约为0.02～0.04s。短路计算时间2）校验断流设备开断能力的短路计算时间tbr•断流设备应能在最严重的情况下开断短路电流，因此tbr由式（6-7）确定tbr=t0+t1(s)式中：t0——主继电保护动作时间（s），对于无延时保护，t0为保护启动和执行机构动作时间之和。t1——断路器固有分闸时间，s。导体及电气设备的原理与选择目录第一节电气设备选择的一般条件第二节开关电器中的电弧第三节高压断路器第四节隔离开关第五节互感器第六节熔断器第七节绝缘子、母线及电缆•1、电弧产生和熄灭的物理过程（1）电弧产生的物理过程•电弧的产生可以分为形成和维持两个阶段。•电弧的形成依赖于强电场发射及碰撞游离。断路器的灭弧原理电弧的形成电弧的维持强电场发射碰撞游离•触头拉开初瞬距离很小，其间的电场强度很大。当电场强度达到3×106V/m时，阴极触头表面的电子便会在强电场的作用下被拉出触头表面，这种现象称为强电场发射。•发射出来的电子受电场力的作用，会向阳极触头方向加速运动，并会与气体的中性质点发生碰撞。当电子的动能足够大时，就会使气体的中性质点分离为带负电的电子和带正电的正离子，这种现象称为碰撞游离。如图4-2所示。•随着碰撞游离的产生，触头间充满了高速运动的电子，使得触头间隙的绝缘越来越低，最后被触头间的电压击穿，即形成了电弧，并会产生高热，使弧隙间具有很高的温度。•电弧的维持主要依赖于热游离。•受电弧高温作用，分子的热运动加速，处在弧隙间的中性质点也由此可获得能量而分离成带负电的电子和带正电的正离子。•由于高温是这种游离的必需条件，故称为热游离。（2）电弧熄灭的物理过程•弧隙间的电子和正离子在电场力的作用下，运行方向是相反的。运动中的自由电子和正离子相互吸引也会发生复合，使弧隙间的自由电子减少，此过程称为去游离。•去游离是导致电弧熄灭的原因，游离和去游离过程同时存在于弧隙中。•电弧稳定燃烧：当游离过程与去游离过程达到动态平衡时，电弧稳定燃烧；•电弧燃烧加剧：当游离过程大于去游离过程时，电弧燃烧更加剧烈；•电弧熄灭：当去游离过程大于游离过程时，则电弧燃烧趋弱，直至熄灭。（3）去游离的方式•去游离的方式主要是复合与扩散。复合及加强复合的措施扩散及加强扩散的措施•复合指自由电子和正离子相互结合成中性质点。•加强复合的措施有：•1）促使电子形成负离子•电子的运动速度远大于正离子，当二者相遇时，快速碰撞很难复合。但如果运行中的电子首先附着在中性质点上形成负离子，则其运动速度将迅速降低，这样再遇正离子则较容易复合。2）冷却电弧•由于复合与带电质点的运动速度有关，所以冷却电弧可以加强复合(还可以使弧隙降温减弱热游离)。•3）增加气体压力•增加气体压力使分子的密度加大，带电质点的自由行程缩短，也可使碰撞游离的机会减少，复合的几率增加。4）使电弧与固体表面接触•使电弧与固体表面接触，一方面可使电弧冷却，另一方面可使电子附着在固体表面上，使其表面带负电，亦可加强复合。•扩散指由于弧隙中的离子温度高、浓度大，所以离子向温度低、浓度小的周围介质中迁移的过程。•1）扩散使弧隙中的电子、离子数目减少，有利于熄灭电弧；•2）扩散出去的离子，因冷却而更易复合。•加强扩散的措施：•1）用气体吹弧•可冷却弧隙，并可带走弧隙中大量的带电质点，既可加强扩散，又可减少中性质点游离的几率，使电弧更容易熄灭。•2）迅速拉长电弧•使弧隙与周围介质的接触面加大，亦可加强冷却和扩散。•熄灭电弧的方法：减弱游离过程，加强去游离过程。•2、断路器灭弧的物理过程（1）直流电弧•开断小容量直流电路时，在断口处出现的直流电弧，容易熄灭，而开断大功率直流电路时，产生的直流电弧就不易熄灭了。•目前，高压直流输电系统中尚无直流断路器。断路器的灭弧原理（2）交流电弧特点•交流电路电流每半个周波要过零一次，所以交流电弧亦要每半周自然熄灭一次，这是熄灭交流电弧的有利时机。•在电流过零以前的一段时间，随着电流的减小，输入弧隙的能量也相应减少，弧隙温度开始降低，游离过程也开始减弱。•电流自然过零时，由于电源停止向电弧间隙输入能量，所以弧隙的温度迅速下降，去游离过程加强，弧隙间介质的绝缘电阻急剧增大。（3）交流电弧的熄灭•当弧隙绝缘能力高于触头间电压的击穿能力时，电弧就熄灭。•在电弧电流过零、电弧熄灭的短时期内，弧隙的绝缘能力在逐步恢复，称为弧隙介质强度的恢复过程，用弧隙介质耐受的电压uj(t)表示。•加在弧隙触头间的电压由较低的弧隙电压恢复到换向后的电源电压(这是一种过渡过程)，称为电压恢复过程，以uh(t)表示。恢复电压uh在某一时刻高于介质强度uj，弧隙即被击穿，电弧重燃；恢复电压uh一直低于介质强度uj，电弧就不重燃，直接熄灭。•断路器开断交流电路时，熄灭电弧的条件应为:uj(t)uh(t)图4-3介质强度与恢复电压曲线1-电弧在t1处重燃；2-电弧不重燃•uj(t)主要由灭弧介质的性质及断路器的结构决定。•uh(t)的上升一般情况下是一种振荡的过渡过程，取决于系统的参数及短路条件。•在断路器断口处并联适当的电阻，可以减缓振荡第一波陡度，如图4-3中曲线2。（4）弧隙介质强度的恢复过程•弧隙介质强度的恢复过程，随断路器的形式及灭弧介质而异。•图4-4(a)是几种断路器典型的介质强度恢复过程。在t=0电流过0瞬间，介质强度突然出现oa(oa'或oa)升高的现象，称为近阴极效应。这是因为在电弧电流过零之前，弧隙间均布着电子和正离子(为等离子态)。电子远比正离子活跃，当电流过零后，弧隙电极的极性发生改变，弧隙中的电子立即向新阳极运动，而正离子则基本未动，在新阴极附近便呈现出一个正电荷离子层，其电导很低，显示出一定的介质强度。•低压开关常常利用这种近阴极效应来熄弧。其后介质强度的发展过程，则取决于介质特性、冷却强度及触头分离速度等条件。•3、断路器熄灭交流电弧的基本方法•弧隙间的电弧能否重燃，取决于电流过零时，介质强度恢复和弧隙电压恢复两者竞争的结果。•如果加强弧隙的去游离或降低弧隙电压的恢复速度，就可以促使电弧熄灭。•现代开关电器中广泛采用的灭弧方法有以下几种。断路器的灭弧原理（1）用液体或气体吹弧•采用油或气体吹弧是熄灭电弧的重要方法之一