第五讲电气设备及其选择

矿山供电MineElectricPowerSupplyInstructor:张仕进CollegeofResources&EnvironmentalScienceChongqingUniversity第五讲电气设备及其选择电气设备及其选择主要内容：首先介绍供配电系统中电气设备触头间电弧产生和熄灭的知识，然后介绍主要的电气设备。重点讲述其功能作用、结构特点、型号，以及选择使用过程中的注意事项和操作要求。电气设备及其选择主要内容：电弧的基本知识（包括电弧的本质、产生的原因及过程、熄灭条件、灭弧手段)导体及电气设备选择的一般原则（一般按正常工作条件进行选择，按故障条件进行校验）常用高压开关设备及选择。电弧：有触点的开关电气设备动作时，静触头和动触头间产生的弧光。◆电弧是开关设备操作过程中发生的一种物理现象，实质是一种极强烈的电游离现象或气体放电现象。◆游离过程：中性质点转化为带电质点的过程，是开关电器的动、静触头间的空气由绝缘变为导体的过程。电弧的基本知识电弧产生的物理过程：◆强电场发射：触头分离瞬间，全电路的电压加在两触头间，电场强度急剧增大。◆热电场发射：触头分离瞬间，接触面积很小，接触电阻较大，产生大量热。◆碰撞游离：电子碰撞中性质点，产生自由电子和正离子，发生联锁反应，产生“雪崩效应”，开始弧光放电。◆热游离：电弧表面温度高达3000~4000°中心温度高达10000°，进一步加剧了游离过程。电弧的基本知识电弧的危害：◆延长了切断时间；◆温度高，易烧坏电气设备，严重时可发生火灾；◆弧光会影响人的视力。电弧的熄灭◆去游离。◆游离≥去游离，电弧增强。游离、去游离平衡，电弧维持。游离≤去游离，电弧熄灭。◆去游离形式：复合、扩散。电弧的基本知识交流电弧的基本特点：◆交流电弧过零时，电弧会暂时熄灭，温度降低，热游离中止，去游离增强；◆在阴极附近很小的弧隙区域内有较大的介质强度（近阴极效应）。当外加电压小于150~250V时，电弧会熄灭。电弧的基本知识电弧的基本知识电弧的基本知识6、粗弧分细灭弧法（改善散热条件、降温）。7、真空灭弧法8、特殊气体灭弧法对电气设备触头的基本要求：1、满足正常负荷的发热要求，需要附加特殊材料；2、具有足够的机械强度；3、具有足够的动稳定度和热稳定度；4、具有足够的断流能力电弧的基本知识一般原则:按正常工作条件下选择额定电流、额定电压及型号等，按短路情况下校验开关的开断能力、短路热稳定和动稳定。◆电气设备的额定电压不得低于所接电网的最高运行电压。◆电气设备的额定电流不小于该回路的最大持续工作电流或计算电流。◆选择电气设备时还应考虑设备的安装地点、环境及工作条件，合理地选择设备的类型，如户内户外、海拔高度、环境温度及防尘、防腐、防爆等。电气设备选择原则按短路情况进行校验◆短路热稳定校验当系统发生短路，有短路电流通过电气设备时，导体和电器各部件温度(或热量)不应超过允许值，即满足热稳定的条件式中：I∞—短路电流的稳态值；tima—短路电流的假想时间；It—设备在t秒内允许通过的短时热稳定电流；t—设备的热稳定时间。tItItima22电气设备校验短路动稳定校验当短路电流通过电气设备时，短路电流产生的电动力应不超过设备的允许应力，即满足动稳定的条件或式中：ish，Ish——短路电流的冲击值和冲击有效值;imax，Imax——设备允许的通过的极限电流峰值和有效值。maxiishmaxIIsh电气设备校验开关设备断流能力校验对要求能开断短路电流的开关设备，如断路器、熔断器，其断流容量不小于安装处的最大三相短路容量，即：或式中：，—三相最大短路电流与最大短路容量；，—断路器的开断电流与开断容量。max·kOFFSS）（3max·kOFFII）（3max·kImax·kSOFFIOFFS电气设备校验高压断路器作用：正常运行时，能够通断正常负荷电流；系统故障时，能配合继电保护装置，切除故障电路（一般与继电保护装置配合使用）。特点：具有较完善的灭弧装置。断流能力强。高压断路器分类:少油断路器真空断路器SF6（六氟化硫）断路器高压断路器高压断路器少油断路器：以绝缘油（变压器油）作为灭弧介质。绝缘油一方面起灭弧作用，另一方面起静、动触点间的绝缘作用。其缺点是熄弧时间长，重合性能差。优点：◆重量轻、体积小、节约油、价格低；缺点：◆不能频繁操作，主要用于6·35KV的室内配电装置。高压断路器少油断路器注意事项：◆防止漏油和渗油，油位指示器良好，过高过低均不允许；◆油温正常、过高易引起爆炸；◆绝缘子清洁、良好（对地绝缘）真空断路器：灭弧和绝缘介质为真空，气压为10e-2~10e-6Pa，主要依靠真空中中性原子少的特点来灭弧。优点：开断能力强、开断时间短、体积小、重量轻、寿命长、适宜频繁操作、不需要经常检修等优点。缺点：结构复杂。高压断路器六氟化硫（SF6）断路器：以SF6气体作为绝缘介质和灭弧介质。优点：具有优良的电绝缘特性；断流能力强；灭弧速度快；可用于易燃、易爆场所。缺点：在电弧的高温作用下，SF6会分解出有毒气体F；加工精度要求高。高压断路器主要技术参数：◆额定电压：长期工作时所能承受的电压值；◆额定电流：长期工作时所能通过的电流值；◆额定开断电流：额定电压下所能正常开断电流的能力；◆额定断流容量：表示开断能力；高压断路器主要技术参数：◆额定关合电流：断路器的额定关合电流应大于短路电流的最大冲击值。主要原因是在断路器合闸前，如果线路上已存在短路故障，则在断路器合闸时，动、静触头间还未接触便有巨大短路电流通过，此时易出现触头熔焊损坏。合闸后，系统的短路故障要求开关能打开，故需要其大于短路电流。◆热稳定电流：表示断路器能承受短路电源热效应的能力。◆动稳定电流：表示断路器能够承受的电流点动力的作用（机械强度）。高压断路器高压隔离开关作用：◆隔离电源。便于工作人员检修。◆切断小电流。◆防止反方向送电（对双回路电源供电而言）。高压隔离开关分类：◆户外式◆户内式运行中需注意的问题：◆合闸时，静、动触头接触要紧密；◆分闸时，静、动触头距离远；◆绝缘子保持清洁；◆操作时，要严格按操作顺序执行。高压隔离开关作用：◆有简单灭弧装置，可通断负荷电流和过负荷电流，但不能通断短路电流；◆有明显断开点；◆与熔断器配合使用，可完成断路器的功能。特点：◆静触头有气囊，有吹弧灭弧作用。高压负荷开关注意事项：◆定期检查灭弧腔的完好情况；◆分闸时张开角大于58°；◆合闸时接触良好；◆绝缘子和操作杆保持清洁；◆垂直安装，分闸加速弹簧不能拆除。高压负荷开关高压熔断器跌落式熔断器限流式熔断器定义：熔断器是一种当电流超过规定值一定时间后,以它本身产生的热量使熔体熔化而分断电路的电器。作用：广泛应用于低压配电系统及用电设备中作短路和过电流保护。分类：◆户外式◆户内式高压熔断器高压熔断器高压熔断器高压熔断器互感器互感器：是一种特殊的变压器，用于一次回路与二次回路间的联络，属于一次设备。分类：◆电压互感器◆电流互感器作用：◆变换：将一次回路中的大电流、高电压,变为小电流、低电压供二次设备使用◆使测量仪表标准化、小型化◆隔离：使二次设备与一次侧电气隔离，保证设备和人身安全高压电流互感器电流互感器:将主回路的大电流变换成小电流，供计量和继电保护用。电流互感器二次侧额定电流通常为5A或1A。特点：◆一次绕组串接于一次回路，匝数少、阻抗小，其一次侧电流由负荷电流决定；◆二次侧所接表计阻抗小；◆使用时二次侧严禁开路高压电流互感器常用的电流互感器的接线有：1）单相接线：用于负荷对称的回路中，仅作一般监视高压电流互感器2）三相接线：又称星形接线，一般用于发电机、变压器、110kv及以上的线路高压电流互感器3）两相接线：又称不完全星形接线，一般用于110kv以下的线路或母联分段回路高压电流互感器电流互感器的使用注意事项：◆电流互感器二次侧不允许开路；◆电流互感器二次侧必须一点接地；◆注意电流互感器二次绕组的极性。高压电压互感器电压互感器：由两个或者三个互相绝缘的线圈绕在同一个铁芯上构成的，二次侧额定电压为100V。特点：◆一次绕组并接于一次回路，阻抗大，其一次侧电压由母线电压决定；◆二次侧所接表计阻抗大；◆使用时二次侧严禁短路。高压电压互感器电压互感器一般母线加装，为了测量线电压、相电压、相与地电压及零序电压，通常采取图示接线高压电压互感器电压互感器的使用注意事项：◆电压互感器在使用时，二次侧不能短路；◆为了安全起见，电压互感器二次侧必须有一端接地。互感器的选择电流互感器的选择原则：◆选择额定电压和额定电流◆确定装置类别和结构◆确定准确度级◆校验二次负荷或容量电流互感器的选择电流互感器二次侧所接实际负荷Z2或容量S2不超过该准确度级下的最大允许负荷ZN2或容量SN2，即：或式中：ZN2、SN2——电流互感器某一准确度级的允许负荷和容量。Z2、S2——电流互感器二次侧所接实际负荷和容量。22ZZN22SSN电流互感器的选择电流互感器动稳定校验：电流互感器的动稳定性倍数Kes是指电流互感器允许短时极限通过电流峰值与电流互感器一次侧额定电流峰值之比，即：电流互感器的动稳定性校验条件为：shNesiIK1212/NOFFesIiK电流互感器的选择电流互感器热稳定性校验：电流互感器的热稳定倍数Kt是指在规定时间(通常取1s)内所允许通过电流互感器的热稳定电流与其一次侧额定电流之比，即：电流互感器的热稳定条件应为：1/NttIIKimaNttItIK221)(电压互感器的选择电压互感器的选择◆选择额定电压◆确定电压互感器类型及结构◆选择准确度级◆二次容量的校验电压互感器的校验要求所接测量仪表和继电器电压线圈的总负荷S2不应超过所要求准确度级下的允许负荷容量SN2，即：式中：SN2——电压互感器二次侧允许负荷容量，即22SSN222)()(QPS互感器在主接线中的配置原则1．电流互感器的配置原则：(1)凡装有断路器的回路均装设电流互感器，其数量应满足仪表、保护和自动装置的要求。(2)发电机和变压器的中性点侧、发电机和变压器的出口端和桥式接线的跨接桥上等均应装设电流互感器。(3)对大接地电流系统线路，一般按三相配置；对小接地电流系统线路，依具体要求按两相或三相配置。电压互感器的配置原则2.电压互感器的配置原则(1)电压互感器的数量和配置与主接线方式有关，并应能满足测量、保护、同期和自动装置的要求.(2)6～220kV电压等级的每组主母线的三相均应装设电压互感器。(3)当需要监视和检测线路侧有无电压时，出线侧的一相上应装设电压互感器。返回母线、支柱绝缘子和穿墙套管选择母线的选择母线材料和类型选择◆母线的材料有铜和铝。◆母线的截面形状有矩形、槽形和管形。◆三相母线有水平布置和垂直布置两种布置方式，有立放和平放放置方式。母线、支柱绝缘子和穿墙套管选择母线截面的选择一般汇流母线按长期允许发热条件选择截面式中：—母线允许载流量（A）；—通过母线的计算电流（A）。caalIIalIcaI母线、支柱绝缘子和穿墙套管选择当母线较长或传输容量较大时，按经济电流密度选择母线截面式中：—经济截面（mm2）；—通过母线的计算电流（A）；—经济电流密度（A/mm2）。eccaecJIS/ecScaIecJ母线、支柱绝缘子和穿墙套管选择母线热稳定性校验当系统发生短路时，母线上最高温度不应超过母线短时允许最高温度。式中：，—母线截面积及最小允许截面(mm2)；—热稳定系数。—短路电流的假想时间(S)；—短路电流的稳态值(A)。imatCISSminSminSCimatI母线、支柱绝缘子和穿墙套管选择母线动稳定校验当短路冲击电流通过母线时，母线将承受很大电动力。要求每跨母线中产生的最大应力计算值不大于母线材料允许的抗弯应力,即：式中：—短路时每跨母线中的最大计算应力(Pa);—母线允许抗弯应力(Pa)。alcacaal母线、支柱绝缘子和穿墙套管选择根据材料力学的原理，母线在弯曲时最大相间计算应力为式中：W—母线对垂直于作用力方向轴的截面系数，又称抗弯矩(