电气设备原理与选择

电气工程学院《发电厂电气部分》5.1电气设备选择的一般条件5.2高压断路器和隔离开关的原理与选择5.3互感器的原理与选择5.4限流电抗器的选择5.5高压熔断器的选择5.6裸导体的选择5.7电缆、绝缘子和套管的选择5.8重合器5.9分段器5.10智能电器了解：①电气设备选择的一般条件；②开关电器中电弧的产生与熄灭条件；③高压开关电器的结构；④断路器等设备（含负荷开关，重合器，分段器，智能电器）的作用、分类及其运用情况掌握：①断路器和隔离开关的原理和选择方法；②互感器工作原理与选择；③限流电抗器的选择；④熔断器的选择；⑤裸导体的选择；⑥电缆等的选择。应用：学会应用各种设备及导体的选择方法。选择原则：按正常工作条件选择，按短路情况校验一、按正常工作条件选择1、额定电压电气设备允许最高工作电压电网最高运行电压电气设备的额定电压电网的额定电压海拔在1000-4000米每增高100米，工作电压降低1%；海拔超过1000米的地区，一般应选用高原型产品或绝缘提高一级的产品。2、额定电流额定环境条件下（温度、海拔、日照、安装条件等），电气设备的长期允许电流电气设备长期允许电流电气设备所在回路最大持续工作电流实际环境温度正常最高允许温度3、选择设备的种类和型式装置地点、使用条件、检修和运行等要求除考虑海拔、实际环境温度外，还需考虑日照、风速、覆冰厚度、湿度、污秽等级、地震强度等环境条件的影响。1、短路电流的计算条件①容量和接线（5-10年的发展；可能发生最大短路电流的正常接线）②短路种类（按严重情况校验）③短路计算点（通过电气设备的短路电流为最大的点）短路计算点选择示意图2、短路计算时间①校验热稳定的短路计算时间tk②校验开断电气开断能力的短路计算时间tbr继电保护动作时间断路器全开断时间断路器固有分闸时间断路器开断时电弧持续时间主保护动作时间断路器固有分闸时间3、热稳定校验（电气设备能承受短路电流所产生的电热效应）4、动稳定校验（电气设备能承受短路冲击电流所产生的电动力）导体材料最大允许应力导体最大计算应力设备允许通过的动稳定电流短路冲击电流幅值下列几种情况可不校验热稳定或动稳定：用熔断器保护的电器，其热稳定由熔断时间保证，故可不验算热稳定；采用有限流电阻的熔断器保护的设备可不校验动稳定；电缆因有足够的强度，亦可不校动稳定；装设在电压互感器回路中的裸导体和电器可不验算动、热稳定。一、电弧的形成与熄灭1、电弧的形成1）电弧电弧为介质被击穿的放电现象，表现为开关电器开断电路时，触头间产生耀眼的白光。电弧的存在说明电路中有电流，只有当电弧熄灭，触头间隙成为绝缘介质时，电路才算断开。2）主要特征①电弧的能量集中，温度很高，亮度很强②电弧由阴极区，阳极区和弧柱区组成③电弧的放电是自持放电，维持电弧燃烧的电压很低。④电弧是一束游离的气体，质量极轻，极易变形。带电质点的来源①电极发射大量自由电子：热电子发射+强电场发射②弧柱区的气体游离，产生大量的电子和离子：碰撞游离+热游离+去游离（复合、扩散）电弧的形成碰撞游离过程示意图交流电弧的特点熄灭的条件介质强度的恢复过程弧隙电压的恢复过程交流电弧伏安特性和电弧电压波形（a）交流电弧伏安特性；（b）电弧电压波形介质强度与电压恢复过程曲线（a）在t1时刻，恢复电压高于介质强度，电弧重燃；（b）总有介质强度高于恢复电压，电弧熄灭灭弧的基本方法本质：加强弧隙的去游离或减小弧隙电压的恢复速度。1、利用灭弧介质2、采用特殊金属材料作灭弧触头3、利用气体或油吹动电弧4、采用多断口灭弧5、拉长电弧并提高触头的分闸进度主触头Q1与辅助触头Q2的连接方式（a）辅助触头Q2与主触头Q1串联；（b）辅助触头Q2与主触头Q1并联每相有两个断口的断路器1-静触头；2-电弧；3-动触头断路器开断单相短路电路（a）短路电流；（b）等值电路电压恢复过程等值电路1、弧隙电压恢复过程C1、C2积分常数（初始条件确定）a1、a2特征方程的根临界情况临界情况下弧隙并联电阻值当时，弧隙恢复过程为非周期性；当时，弧隙恢复过程为周期性crrrcrrr上述常系数线性微分方程的通解为：断路器开断短路故障时的工频恢复电压与系统中性点接地方式、短路故障类型、三相开断顺序有关首先开断相：电弧电流先过零的一相，电弧先熄灭断路器首相开断时工频恢复电压最大值为11120.8163prmsmsmUKUKU电网最高运行电压smU首相开断系数•中性点直接接地系统•中性点不接地系统•中性点不接地系统异地两相短路1K11.3K11.5K11.73K选择高压断路器的步骤：1）选型2）额定电压3）额定电流4）开断电流5）短路关合电流6）热稳定校验7）动稳定校验NNSUUNmaxII''NbrIINclshii2tkItQesshii1、隔离开关的主要用途1）隔离电压2）倒闸操作3）分、合小电流，包括◦分、合避雷器、电压互感器和空载母线；◦分、合关合励磁电流不超过2A的空载变压器；◦关合电容电流不超过5A的空载线路。1）选型2）额定电压3）额定电流4）热稳定校验5）动稳定校验NNSUUNmaxII2tkItQesshii互感器分为电流互感器（TA）和电压互感器（TV），是一次系统和二次系统间的联络元件，用以分别向测量仪表、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和故障情况。作用：（1）将一次回路的高电压和大电流变为二次回路标准的低电压（100V）和小电流（5A或1A），使测量仪表和保护装置标准化、小型化，并使其结构轻巧、价格便宜，并便于屏内安装。（2）使二次设备与高电压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证了设备和人身的安全。1、工作原理工作原理与变压器相似。特点：1）一次绕组串联在电路中，并且匝数很少；故一次绕组中的电流完全取决于被测电路的负荷电流，而与二次电流大小无关；2）电流互感器的二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，正常情况下，电流互感器在近于短路的状态下运行。3）运行中的电流互感器二次回路不允许开路。4）为了防止绝缘损坏是高压窜入二次侧，危及人身和设备安全，电流互感器副绕组一端及铁芯必须接地。额定电流比：2、电流互感器的误差误差包括幅值和相位差。3、电流互感器的准确级和额定容量1）准确级：准确级是指在规定的二次负荷变化范围内，一次电流为额定值时的最大电流误差。2）额定容量：指电流互感器在额定二次电流和额定二次阻抗（最高精度下）下运行时，二次绕组输出的容量，。也可用额定二次阻抗表示。相位差是旋转180度的二次侧电流向量与一次侧电流相量的相角之差，以分为单位，并规定二次侧相量超前一次侧相量为正误差，反之为负误差。3）级次组合表示电流互感器有几个独立铁芯和每个铁芯的准确度级次，分子为第一铁芯准确度级次，分母为第二铁芯准确度级次。4）10%倍数4、电流互感器的运行参数对误差的影响5、电流互感器的分类与参数1）分类•按安装地点分，电流互感器分为户内型和户外型；•按安装方式分，可分为穿墙式、支持式和装入式；•按绝缘方式分，可分为油浸式、干式、浇注式；•按一次绕组匝数分，可分为单匝式、多匝式。2）型号表达式1）一次回路额定电压和电流的选择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一般强电系统用5A，弱电系统用1A。3）电流互感器种类与型式的选择安装地点和安装方式4）电流互感器准确级和额定容量的选择互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。=仪表电流线圈电阻+继电器电阻+连接导线电阻+接触电阻5）热稳定和动稳定校验热稳定：动稳定：a）内部动稳定b）外部动稳定：电流互感器绝缘瓷帽上受到外力的作用，校验其机械强度。（一）电磁式电压互感器1、工作原理工作原理和变压器相同。特点：1)正常工作时电压互感器二次侧接近于空载状态，一次电气系统电压不受二次侧负荷的影响。2)运行中一旦二次侧发生短路，短路电流将使绕组过热而烧毁，因此电压互感器二次要装设熔断器进行保护，不能短路运行。1、作用1）供电给测量仪表和继电器等，正确反映一次电气系统的各种运行情况。2）对低电压的二次系统与高电压的一次系统实施电气隔离，保证工作人员和设备的安全。3）将一次回路的高电压变换成统一标准的低电压值（100V、100/3V、V）使测量仪表和继电器小型化、标准化。4）取得零序电压以反映小接地短路电流系统的单相接地故障。2、电压互感器的误差误差分为电压误差和相位差。电压误差二、电压互感器的原理与选择误差由空载误差和负载误差组成。与二次负载、功率因数和一次电压等运行参数有关。减小互感器误差的措施从制造和使用：1）制造上提高并稳定激磁阻抗，减小漏抗。（采用高导磁率的冷轧硅钢片、增大铁芯截面、缩短磁路长度和减小气隙；减小内阻抗的方法是减小线圈电阻、选用合理的线圈结构与减小漏磁等）2）使用上应使电压互感器的一次电压、二次负荷及功率因数在归定的范围内运行。二、电压互感器的原理与选择3、电压互感器的准确级和容量1）准确级：是指在规定的一次电压和二次负荷变化范围内，负荷功率因数为额定值时，电压误差的最大值。测量：0.2级电压互感器用于实验室精密测量；0.5级用于电度计量；1级用于配电屏仪表指示；3级用于继电保护和精度要求不高的自动装置保护：3P,6P2）同一台电压互感器对应于不同的准确度等级有不同的容量。额定容量:对应于最高准确级的容量最大容量:按电压互感器在最高工作电压下长期工作容许的发热条件规定的。4、电磁式电压互感器的分类和结构按安装地点分为户内型和户外型；按相数分为单相式、三相式；按每相的绕组数分为双绕组、三绕组；按绝缘方式分为浇注式、油浸式、干式、；按结构分为普通式、串级式、电容分压式。3~35kV：普通式；110kV及以上：电磁式电压互感器制成串级结构：绕组和铁芯采用分级绝缘，以简化绝缘结构；绕组和铁芯放在瓷套中，可减少重量和体积。二、电压互感器的原理与选择型号表达式二、电压互感器的原理与选择1、工作原理2、误差电容式电压互感器的原理接线图11212cUCUKUCC分压比1）种类、型式装设地点和使用条件2）U1N，U2Na）一次回路电压的选择b）二次回路电压的选择3）接线方式4）容量和准确级选择按最大相负载要求，最高准确度等级无需校验动、热稳定。1、电压互感器的配置1）母线2）线路3）发电机4）变压器2、电流互感器的配置1）在发电机、变压器、出线、母线分段及母联断路器、旁路断路器等回路中均设有电流互感器。对于中性点直接接地系统，一般按三相配置；中性点不直接接地系统，依具体情况配二相或三相。2）对于保护用电流互感器的装设地点应按尽量消除主保护装置的不保护区来设置。3）电流互感器通常布置在断路器的出线或变压器侧。4）用于自动调节励磁装置的电流互感器应布置在发电机定子绕组的出线侧；用于测量仪表的电流互感器宜装在发电机中性点测。一、额定电压和额定电流的选择二、电抗百分值的选择1、普通电抗百分值的选择1）按将短路电流限制到要求值来选择2）电压损失校验3）短路时母线残压校验三、热稳定和动稳定校验'*''%()100(%)dNdLdNIIUxxIIUmax%%sin100(%)5%100LNxIUI''%%100(%)(60%70%)100LreNxIUI2tkItQesshii熔断器是最简单的保护电器，它用来保护电气设备免受过载和断路电流的损害。高压熔断器的选择1、型式按安装地点：户内和户外一、裸导体的选择选择项目：1）导体材料、类型和敷设方式；2）导体截面；3）电晕；4）热稳定；5）动稳定；6）共振频率。1、导体材料、类型和敷设方式材料：铜、铝、铝合金类型：常用的导体截面有矩形、槽形和管形。（a）三相水平布置，导体竖放；（b）三相水平布置，导体横放；（c）三相垂直布置，导体竖放；2、导体截面的选择导体截面可按长期发热允许电流或经济电流密度选择。除配电装置的汇流母线外，对于年负荷利用小时数大传输容量大，长度在20米以上的导体，其截面一般按经济电流密度选择。