第一章15发电厂变电所电气设备

1.5发电厂、变电所电气设备信电学院电气系2019/8/91.5发电厂、变电所电气设备发电厂：生产电能的场所变电所：分配电能的场所设备需求：发电机、变压器开关设备断路器、隔离开关、接地开关、负荷开关、熔断器保护设备熔断器、避雷器、电抗器等测量设备电流互感器、电压互感器1.5发电厂、变电所电气设备开关电弧理论断路器隔离开关负荷开关熔断器仪用互感器避雷器1.5.1电弧的产生和熄灭电弧的产生和熄灭过程，实际上是介质由绝缘变为导通和由导通又变为截止的过程。触头开断初瞬间，强场发射生成自由电子；触头间接触面积减少，电阻增大，导致热电发射；碰撞游离形成电弧电弧的维持与平衡高温下形成气体热游离，热游离维持电弧稳定燃烧，由于同时存在着与游离相反的去游离（复合与扩散）过程，最终达到平衡状态。1.5.1电弧的危害和特点电弧本质上是一种气体放电现象。电弧燃烧时，产生很高的高温，中心区温度可达到10000K以上，表面温度也有4000K；同时发出强烈的白光，故称弧光放电为电弧电弧的高温，可能烧坏电器触头和触头周围的其他部件。如果电弧较长时间不能熄灭，将会引起电器被烧毁甚至有爆炸的可能，危及电力系统的安全运行，造成人员的伤亡和财产的重大损失。由于电弧是一种气体导电现象，所以在开关电器中，即使电器触头已经分开，但是在触头间只要有电弧的存在，电路就没有断开，回路电流仍然存在。1.5.1电弧的熄灭条件去游离过程是指自由电子和正离子相互吸引而中和的过程。去游离的主要方式是复合与扩散。异性带电质点相遇，电荷中和成为中性质点的现象称为复合；扩散是指电弧中的自由电子和正离子散溢到电弧外面，并与周围未被游离的冷介质相混合的过程。电弧的熄灭条件：去游离的作用大于游离。如果去游离的强度大于游离的强度，弧隙中导电质点的数目减少，电导下降，电弧越来越弱，弧温下降，使热游离下降或停止，最终导致电弧熄灭。1.5.1交流电弧的熄灭交流电弧电流每半个周期(0．01s)均通过一次自然过零值，这有利于交流电弧的熄灭(直流电弧相对困难些)。电弧中的发热过程和电弧与周围介质间的热交换过程，对电弧的持续燃烧或熄灭起着重要的作用。在交流电弧的灭弧中，应充分利用交流电流的自然过零点，采取有效的措施，加大弧隙间去游离的强度，使电弧不再重燃，最终熄灭。1.5.1开关电器中熄灭交流电弧的基本方法吹弧利用灭弧介质(如气体、油等)在灭弧室中吹动电弧吹弧有纵吹和横吹两种方式1.5.1开关电器中熄灭交流电弧的基本方法采用多断口多断口使电弧的总长度加长，从而导致弧隙电导下降；每个断口的行程缩短，可以加快触头的分离速度，促使弧隙电导迅速下降，弧隙绝缘强度恢复得快。每一断口上的电压减小，有利于弧隙绝缘的恢复。采用多断口的结构后，每个断口上的电压可能出现分配不均的现象。由于两断口之间的导电部分对地电容的影响而引起的。解决办法：断口间加均压电容（1000~2000pF）1.5.1多断口的电压分布1.5.1近阴极效应的应用电流接近零值时，电弧温度下降，热游离强度降低，但弧隙空间仍有较多的电子和正离子存在。在电流过零后，触头的电极极性已经改变，在电场的作用下，自由电子快速地向新阳极运动，而为电子质量1000多倍的正离子则基本未动，于是在阴极附近形成了正空间电荷层，同阴极之间形成一个绝缘层，它能耐受150～250V的电压，称为起始介质强度。此介质强度的大小与电极状态和材料有关，在冷阴极情况下可达到250V。弧隙中近阴极层以外的空间仍被正负离子所充满，电位变化不大.近阴极效应对低压短弧的熄灭具有重要意义.1.5.1近阴极效应图1.5.1低压开关中采用灭弧栅装置1.5.1利用固体介质的狭缝灭弧狭缝灭弧装置，由石棉水泥或陶土材料压制成的灭弧罩和磁吹装置构成。1.5.2高压断路器高压断路器的用途控制作用：根据电网运行的需要，将部分电气设备或线路投入或退出运行；保护作用：在电气设备或电力线路发生故障时，继电保护自动装置发出跳闸信号，启动断路器，将故障部分设备或线路从电网中迅速切除，确保电网中无故障部分的正常运行。断路器在正常工作时接通和切断负荷电流，短路时切断短路电流.1.5.2高压断路器的基本要求工作可靠性应具有足够的断路能力，并保证具有足够的热稳定和动稳定具有尽可能短的切断时间实现自动重合闸结构简单、价格低廉1.5.2高压断路器的分类油断路器：采用变压器油作灭弧介质多油断路器：油除了作灭弧介质和触头开断后绝缘外，还作为带电部分对地绝缘少油断路器：油只作灭弧介质和触头间的绝缘压缩空气断路器(简称空气断路器)利用压缩空气作为灭弧介质触头开断后的绝缘介质，带电部分对地绝缘采用瓷件或其他介质。真空断路器利用真空的高介质强度来灭弧六氟化硫(SF6)断路器利用具有优异的绝缘性能和灭弧性能的六氟化硫气体作为灭弧介质和绝缘介质,可发展成六氟化硫组合电器。其安装地点的不同，分为户内式和户外式.1.5.2高压断路器的技术参数额定电压：断路器长时间运行能承受的正常工作电压。最高工作电压220kV及以下：1.15倍额定电压330kV以上：1.1倍额定电压额定电流：在额定容量下允许长期通过的工作电流额定开断电流：在额定电压下，断路器能可靠切断的最大电流。表明断路器的断路能力。当电压不等于额定电压时，断路器能可靠切断的最大电流，称为该电压下的开断电流。当电压低于额定电压时，开断电流比额定开断电流有所增大，但有一最大值，并称其为极限开断电流。额定断流容量表明断路器的切断能力。在三相电路中，其大小等于额定电压与额定开断电流乘积的1.732倍动稳定电流断路器在冲击短路电流的作用下，承受电动力的能力。其值由导电和绝缘等部件的机械强度决定。热稳定电流断路器在某一规定时间范围内允许通过的最大电流。表明断路器承受短路电流热效应的能力。合闸时间1.5.2分闸时间从发出分闸命令(分闸线圈通电)起至断路器开断至三相电弧完全熄灭时所经过的时间。分为断路器固有分闸时间和电弧熄灭时间。一般为0.06~0.12s。分闸时间小于0.06s的断路器，称为快速断路器固有分闸时间：发出分闸命令起到灭弧触头刚刚分离时所经过的时间灭弧时间：触头分离到各相电弧完全熄灭所经过的时间从发出合闸命令(合闸线圈通电)起至断路器接通时为止所经过的时间1.5.21.5.2高压断路器型号第一单元产品名称：S--少油断路器、D--多油断路器、K--空气断路器、L—六氟化硫断路器、Z--真空断路器、Q—产气断路器、C--磁吹断路器。例如：型号为SN4-20G／8000-3000的断路器，其含义表示为：少油断路器、户内式、设计序号4，额定电压20kV、改进型，额定电流为8000A，额定断流容量3000MVA。1.5.3隔离开关隔离开关没有灭弧装置，只用来关合和开断有电压无负荷的线路，不能断开负荷电流和短路电流.一、隔离开关的用途与要求1.隔离开关用途a)将停役电气设备与电网隔离，形成电气设备检修断口，建立可靠的绝缘回路。b)根据运行需要换接线路以及开断和关合一定长度线路的交流电流和一定容量的空载变压器的励磁电流.2.对隔离开关的特殊要求：隔离开关分闸状态时有明显断口，使运行人员能区分电器是否与电网分开。隔离开关断点间应有足够的距离和可靠绝缘。具有足够的短路稳定性，包括动稳定和热稳定。隔离开关应结构简单，动作可靠。带有接地闸刀的隔离开关应有保证操作顺序的闭锁装置，供检修和检修后恢复正常运行。1.5.3隔离开关1.5.3隔离开关二、隔离开关的典型结构1.隔离开关的分类按安装地点：户内（GN），户外（GW）。按绝缘子数目：单柱式，双柱式和三柱式。按刀闸运行方式：水平旋转式、垂直旋转式。按有无接地闸刀：带接地刀闸和不带接地刀闸。摆动式和插入式。1.5.3隔离开关右图为10KV型户内隔离开关。1是导电开关，靠拉杆绝缘子2与转动与静触头3接通电路。隔离开关的拉合由6完成。102GN1.5.3隔离开关右图所示为110KV型户内隔离开关的一极（相）。它由底座、绝缘支柱及导电部分的触头、闸刀组成。1104GW1.5.3隔离开关2.隔离开关的典型结构1）户内隔离开关2）户外隔离开关1.5.4高压负荷开关一、负荷开关的用途负荷开关主要作用是用于配电系统中关合、开断正常条件下的电流，通过规定的异常电流。但不能作为电路中的保护开关，必须与断路器或熔断器配合使用。通常，断路器与负荷开关的使用率为1：5~6。1.5.4高压负荷开关二、负荷开关的类型1.按结构分：油负荷开关、真空负荷开关、六氟化硫负荷开关、产气式负荷开关和压气式负荷开关。2.按操作方式分：手动操作和电动操作负荷开关。1.5.4高压负荷开关几种常用负荷开关：1.产气式负荷开关产气式负荷开关采用了相应的产气型绝缘材料，在电路电弧开断时，产气材料产生气压，以一定方向吹动电弧，使其拉长熄灭，从而起灭弧作用。1.5.4高压负荷开关2.压气式高压负荷开关压气式高压负荷开关为框架式结构，三相回路部件由六只环氧树脂支件固定，动触杆上下运动时在空腔内的活塞形成压气，由顶部的耐弧塑料喷口喷出，吹动电弧，使之熄灭。1.5.4高压负荷开关压气式高压负荷开关特点：1）三相可自动脱扣；2）无六氟化硫泄漏；3）采用压气灭弧，稳定可靠；4）体积小，便于安装；5）构成简单，便于接线；6）价廉、维护简单、更换方便。1.5.4高压负荷开关3.真空负荷开关采用真空开关管的灭弧优点以及相应的操作机构，结构简单，适用于电流小、动作频繁的场合，有户内型和户外柱上型两种。主要特点：无明显电弧、可靠性好，体积小，可用于各种成套配电装置。1.5.4高压负荷开关4.负荷开关负荷开关适用于10KV户外安装，用于关合负荷电流及额定短路电流，一般作为分段开关或分支线的配电开关。开断能力是油开关的2~4倍，单位开断容量的重量为油开关的1/8。主要优点：无老化现象，燃弧时间短，触头烧损轻，无爆炸、燃烧的可能。6SF6SF1.5.5高压熔断器一、熔断器的作用高压熔断器一般用在35KV以下电压等级的小容量电网中。它由熔断器管、接触导电体、绝缘支持体等组成。熔体串联在被保护回路中，当电流超过一定数值时，熔体发热熔断，达到切断电路保护电网和设备的目的。1.5.5高压熔断器二、熔断器的特性：1.时间—电流特性1000010001001010.10.0151010010001000050000弧前时间（s）预期电流有效数值（A）1.5.5高压熔断器2.最小熔化电流最小熔化电流（）是熔体熔化必须的最小电流。理论上，熔体通过时的熔化时间为无限长，但由于腐蚀以及熔体附近部件熔化温度较低等原因，使得熔断器不能长期运行在最小熔断电流下。一般最小熔化电流大于额定电流，两者之比在1.2~1.5左右，以保证动作的灵敏性和正确性。minIminI1.5.5高压熔断器三、高压熔断器的典型结构和工作原理1.跌落式熔断器绝缘支座钢纸管虫胶桑皮纸开口熔断管熔断器结构：1.5.5高压熔断器1.跌落式熔断器工作原理：当熔丝熔断，熔管内产生电弧。熔管内壁在电弧作用下，产生的大量气体高速向外喷出，使电弧在过零时熄灭。跌落式熔断器存在开断小电流能力较弱的缺点，往往采用分段排气方式加以解决。1.5.5高压熔断器2.限流式熔断器工作原理：当通过熔丝的短路电流很大时，被石英砂包围的熔丝立即熔化、蒸发，金属蒸气喷溅并深入到石英砂中，使短路电流达到最大值前截断，引起过电压。过电压使熔丝熔断形成的间隙击穿形成电弧。电弧直径小，同时石英砂的冷却、去游离作用，限制了短路电流上升。1.5.5高压熔断器1.5.6仪用互感器仪用互感器是保证电能系统安全运行的设备。电压互感器将一次系统高电压变成。VV3/100100或电流互感器将一次系统大电流变成。AA15或仪用互感器用于测量仪器或继电保护自动装置，使二次设备与高压隔离，保证设备和人身安全。1.5.6仪用互感器负荷VWA2L1U1L1N1N2N2NTVTA1I2I