第二章导电、绝缘与电气设备选择原理

第2章导体与绝缘体发电厂及变电站电气部分三峡大学电气与新能源学院CollegeofElectricalEngineering&NewEnergy第一节绝缘及绝缘子绝缘是电气设备结构中的重要组成部分。绝缘和按照一定要求组成的绝缘系统(绝缘结构)是支撑高电压设备的基础。1.绝缘绝缘是使用不导电的物质将带电体隔离或包裹起来，使之与其它不等电位的物体之间不发生接触、不相关连，从而保持不同的电位。良好的绝缘可以有效地避免短路和危及人身安全，是保证电气设备与线路的安全运行和防止人身触电事故发生的最基本、最可靠的手段。电气设备绝缘需满足两个基本条件：①设备本身绝缘良好，没有局部放电、过热和化学等老化或劣化的因素存在；②工作电压必须和设备的额定电压相适应，不能超越允许的范围，也不能承受雷电等外部及内部的瞬变过电压。第一节绝缘及绝缘子绝缘按物质分类：气体绝缘、液体绝缘和固体绝缘绝缘按恢复能力分类：自恢复绝缘（指空气间隙和与空气接触的外绝缘）、非自恢复绝缘（固体介质、液体介质构成的设备内绝缘）外绝缘：不同设备外表面之间或设备与大地之间的绝缘，受风、雨、雪、雾、雷电及温度变化等自然条件、表面污秽和外力影响。一般由电力设计部门设计。绝缘介质：不导电的气体、不导电的液体和不导电的固体。内绝缘：设备内部的绝缘，一般不与空气接触，不受空气湿度与外界污秽程度等的影响，相对比较稳定；一般是由制造厂家设计。1.绝缘电力设备的外绝缘包括：空气间隙和绝缘子(包括套管)。空气间隙在工频交流电场中的平均放电梯度近似为400kV/m。①电极形状，不同形状电极间的场强越均匀，绝缘水平也越高。②电压波形的影响，包括正弦波、操作冲击波、雷电冲击波及直流叠加操作波等四种典型电压波形。③气象状况，包括气压、气温和湿度。影响空气的绝缘水平的因素：第一节绝缘及绝缘子1.绝缘绝缘子：安装在不同电位的导体之间或导体与地电位构件之间，能够耐受工作电压和机械应力的器件。图-绝缘子的结构示意图绝缘子必须具有足够的机械强度和绝缘强度，并能在恶劣环境(高温、潮湿、多尘埃、污秽等)下安全运行。第一节绝缘及绝缘子2.绝缘子2.1绝缘子的作用按结构：支柱式绝缘子、悬式绝缘子、防污型绝缘子和套管绝缘子。按材料：陶瓷绝缘子，玻璃钢绝缘子，合成绝缘子，半导体绝缘子。按装设地点：户内（无伞裙、无防污型）和户外（有较大伞裙、有防污型多用在多尘埃、盐雾和化蚀气体的污秽环境中）按应用场合：电站绝缘子、电器绝缘子和线路绝缘子，其中用于电站、电器的可击穿型绝缘子有针式支柱、空心支柱和套管，不可击穿型有棒形支柱和容器瓷套。用于线路的可击穿型绝缘子有针式、蝶形、盘形悬式，不可击穿型有横担和棒形悬式第一节绝缘及绝缘子2.绝缘子2.2绝缘子的分类支柱绝缘子和穿墙套管外胶装支柱绝缘子内胶装支柱绝缘子6~10kV棒式绝缘子高压110~220kV户外棒式绝缘子穿墙套管第二节常用导体发电厂和变电站中常用的导体通常包括：硬导体和软导线。硬导体：矩形导体、槽型导体、管形导体软导线：钢芯铝绞线、组合导线、分裂导线和扩径导线按导体结构，导体可以分为导线、母线和电力电缆母线：汇集、分配和传送电能；导线和电力电缆：传送电能；导线包括：裸导线、绝缘导线1.导线1)单股导线包括：铝包钢线、钢包钢线、镀锌低碳钢线、硬铜圆单股线(特殊环境使用)。线径细、强度高、载流容量小，常用于小容量配电线路或通讯明设架空线，硬铜圆单线因价格昂贵仅用于特殊环境中。第二节常用导体1.导线2)普通绞线包括：铝绞线、铝合金绞线、铝包钢丝绞线、镀锌钢绞线、硬铜丝绞线。铝绞线用于小跨距的配电线路。铝合金绞线常用于一般输配电线路。铝包钢丝绞线主要用于重冰区或大跨距导线，通讯或避雷线等。3)组合绞线由两种单股线(即导电金属单股线和高强度金属单股线)绞制而成，如钢芯铝绞线、钢芯铝合金绞线、钢芯铝包钢绞线等。此类导线是电网中应用最为广泛的导体，具有抗拉强度高、价格低等优点。4)特种导线系指防电晕的扩径型钢芯铝绞线、高强度大跨距导线及自阻尼导线等，具有截面大，抗拉强度高，适用于重冰区超高压架空线路。第二节常用导体2.母线狭义母线指主接线中的主母线，广义母线包括：①电气主接线的主母线和设备之间的连接线；②厂用电部分的厂用母线；③电气二次系统中直流系统的直流母线；④二次部分的小母线等。按使用材料分类：1)铜母线导电率高、机械强度高、耐腐蚀，但产量少，价格贵，故主要用在易腐蚀的地区(如化工厂附近或沿海地区等)。2)铝母线导电率仅次于铜，且质轻、价廉、产量高，在屋内和屋外配电装置中广泛采用。3)铝合金母线包括：铝锰合金和铝镁合金两种，铝锰合金母线载流量大，但强度较差；铝镁合金母线机械强度大，但载流量小，焊接困难，使用范围较小。4)钢母线机械强度大，导电性差，仅用在高压小容量电路(如电压互感器回路以及小容量厂用、站用变压器的高压侧)、工作电流不大于200A的低压电路、直流电路以及接地装置回路中。220kV管形母线、支柱绝缘子第二节常用导体2.母线用外壳将导体连同绝缘等封闭起来的母线，用于单机容量在200MW以上的大型发电机组、发电机与变压器之间的连接线以及厂用电源和电压互感器等分支线。2.2.1封闭母线的基本结构1)载流导体一般用铝制成，采用空心结构以减小集肤效应。截面有矩形、槽形和管形，电流很大时可采用水内冷圆管母线。2)支柱绝缘子采用多棱边式结构以加长漏电距离，每个支撑点可采用一至四个绝缘子支撑，一般采用三个绝缘子支撑。2.2封闭母线3)保护外壳由5～8mm的铝板制成矩形或圆管形，在外壳上设置检修与观察孔。4)伸缩补偿装置在一定长度范围内设置焊接的伸缩补偿装置；在与设备连接处适当部位设置螺接伸缩补偿装置。5）密封隔断装置封闭母线靠近发电机端及主变压器接线端和厂用高压变压器接线端，采用大口径绝缘板作为密封隔断装置，并用橡胶圈密封，以保证区内的密封维持微正压运行的需要。2.2.2封闭母线的类型(1)按外壳材料可分为：塑料外壳母线和金属外壳母线(2)按外壳与母线间的结构形式可分为1)共箱封闭母线2)隔相封闭母线3)离相封闭式母线第二节常用导体2.母线2.2封闭母线2.2.1封闭母线的基本结构第二节常用导体2.母线2.2封闭母线2.2.2封闭母线的类型c离相封闭母线a共箱封闭母线b隔相封闭母线图-母线的结构母线绝缘子外壳隔板隔板母线外壳1)共箱封闭母线2)隔相封闭母线3)离相封闭式母线第二节常用导体2.母线2.2封闭母线2.2.3封闭母线的特点1)运行安全、可靠性高2)母线附近钢构中的损耗和发热显著减小3)短路时母线之间的电动力大为减小4)母线和外壳可兼作强迫冷却的管道，母线的载流量可大幅提高。缺点优点1)有色金属消耗约增加一倍。2)外壳产生损耗，母线功率损耗约增加一倍。3)相同截面母线载流量减小。第二节常用导体2.母线2.3绝缘母线在原敞露母线外表加上绝缘，取消支柱绝缘子，直接架在钢架结构上，在电流小于2500A的线路中使用，优点如下：1)绝缘母线全绝缘相间距不受电压等级的限制，只取决于安装尺寸，相间距大大减小，且运行可靠。2)单根绝缘母线可根据通过的电流的大小设计，可满足任何电流的要求，避免了电流较大时使用多根电缆并用所带来的电流不平衡问题。3)绝缘母线绝缘层的无模具浇注使得母线的形状尺寸可根据需要做随意调整，满足各种需要。4)绝缘母线连接装置的使用使得绝缘母线的安装非常灵活，可根据不同的空间位置、安装尺寸做随意分段组合，同时还可弥补由于某种原因造成的安装尺寸上的一些偏差。第二节常用导体3.电力电缆3.1电力电缆的种类1)按电压等级分：低压电缆(1kV及以下)；中压电缆(3、6、10、35kV)；高压电缆(60kV及以上)。2)按电缆导电线芯截面分：2.5，4，6，10，16，25，35，50，70，95，120，150，185，240，300，400，500，625，800mm2。3)按电缆芯数分：单芯、双芯、三芯、四芯。4)按传输电能的形式分：直流电缆和交流电缆。5)按特殊需求分：输送大容量电能的电缆、阻燃电缆和光纤复合电缆等6)按电缆绝缘材料和结构分：油浸纸绝缘电缆、聚氯乙烯绝缘电缆(简称塑力电缆)、交联聚乙烯绝缘电缆(简称交联电缆)、橡皮绝缘电缆、高压充油电缆和SF6气体绝缘电缆。1)电缆线芯：2)绝缘层：使用的材料：橡胶、聚乙烯、聚氯乙烯、交联聚乙烯、聚丁烯、棉、麻、丝、绸、纸、矿物油、植物油、气体等。3)保护层：分内保护层和外保护层。内保护层由铝、铅或塑料制成，外保护层由内衬层和外被层组成。第二节常用导体3.电力电缆3.2电力电缆的结构图2-5电力电缆的结构1－导体；2－相绝缘；3－纸绝缘；4－铅包皮；5－麻衬；6－钢带铠甲；7－麻被；8－钢丝铠甲；9－填充物第三节电流流过导体时的热效应1.概述导体和电器在实际工作中将产生损耗，并转化为热能，使导体和电器的温度升高（热效应）。当温度过高，会导致材料的物理性能和化学性能变坏损耗：（1）电阻损耗（2）介质损耗（3）涡流和磁滞损耗危害：（1）机械强度下降（2）接触电阻增加（3）绝缘性能降低1.概述电气设备在实际运行中的两种典型工作状态1）正常工作状态——正常运行2）短路工作状态——发生短路两种工作状态对应的发热标准（最高允许温度）。1）长期发热（正常），普通导体的正常最高工作温度不宜超过+70℃，在计及日照影响时，钢芯铝线及管形导体可按不超过+80℃考虑，普通导体接触面处有镀（搪）锡的可靠覆盖层时，可提高到+85℃2）短时发热（短路），硬铝及铝锰合金可取200℃，硬铜可取300℃。第三节电流流过导体时的热效应2.长期发热和载流量2.1发热量计算发热包括导体电阻损耗热量的计算和太阳日照热量的计算。在稳定状态下，依据能量守恒定律，导体发热过程中一般的热量平衡关系为：发热量=导体升高温度所需热量+散热量RscfQQQQRQ：单位长度导体电阻损耗的热量（W/m)：单位长度导体吸收太阳辐射的热量（W/m)：单位长度的对流散热（W/m)：单位长度导体辐射散热量（W/m)sQcQfQ第三节电流流过导体时的热效应2.1.1电阻损耗产生的热量单位长度的导体，通过有效值为Iw的交流电流时，由电阻损耗产生的热量222twwacwfwc[1(20)]W/)RsdQIRmIKIKRS（t：导体的直流电阻（Ω/m）；cdR：为20℃时电阻的温度系数（℃-1）；sK：导体的集肤效应系数：导体20℃时直流电阻率（Ω/m）；w：导体的运行温度（℃）；S：导体截面（mm2）。2.长期发热和载流量2.1发热量计算第三节电流流过导体时的热效应2.1.1电阻损耗产生的热量导体的集肤系数Ks与电流的频率、导体的形状和尺寸有关。矩形截面导体的集肤系数曲线2.长期发热和载流量2.1发热量计算第三节电流流过导体时的热效应2.1.1电阻损耗产生的热量2.长期发热和载流量2.1发热量计算第三节电流流过导体时的热效应圆管形截面导体的集肤系数曲线图中f为电源频率，Rdc为1000m长导体的直流电阻2.长期发热和载流量2.1发热量计算第三节电流流过导体时的热效应2.1.2太阳日照（辐射）的热量太阳照射（辐射）的热量也会造成导体温度升高，安装在屋外的导体，一般应考虑日照的影响，圆管形导体吸收的太阳日照热量为太阳辐射功率密度，我国取；21000W/msE太阳照射热量的吸收率，表面磨光的铝管取；0.6sA：单位导体长度受太阳的照射面积（㎡）。FsD：为导体的直径（m）。FDW/mssssssQEAEA（）2.长期发热和载流量2.2散热量计算2.2.1对流换热量的计算（自然对流和强迫对流）对流指由气体各部分发生相对位移将热量带走的过程对流换热量与导体对周围介质的温升及换热面积成正比:w0()CccQF：单位导体散热面积（㎡）。cF：导体的运行温度（℃）；w0：介质温度（℃）第三节电流流过导体时的热效应：对流散热系数（W/(㎡.℃))c2.长期发热和载流量2.2散热量计算2.2.1对流换热量的计算（自然对流和强迫对流）（1）自然对流换热量的计算屋内