第二章_常用高压电气设备及电气主接线.

第二章常用高压电气设备及电气主接线2.1电气设备的定义供配电系统的电气设备是指用于发电、输电、变电、配电和用电的所有设备，包括发电机、变压器、控制电器、保护设备、测量仪表、线路器材和用电设备（如电动机、照明用具）等。2.1.1电气设备的分类1.按电压等级分（1）高压设备交流50Hz、额定电压1200V以上直流、额定电压1500V以上（2）低压设备交流50Hz、额定电压1200V及以下直流、额定电压1500V及以下2．按设备所属回路分（1）一次回路及一次设备一次回路:供配电系统中用于传输、变换和分配电力电能的主电路一次设备或一次电器:设置在一次回路中的电气设备（2）二次回路及二次设备二次回路:指用来控制、指示、监测和保护一次回路运行的电路二次设备或二次电器:设置在二次回路中的电气设备。3．按在一次电路中的功能分（1）变换设备:用来按电力系统工作的要求变换电压或电流的电气设备，如变压器、互感器等。（2）控制设备:用于按电力系统的工作要求控制一次电路通、断的电气设备，如高低压断路器、开关等。（3）保护设备:用来对电力系统进行过电流和过电压等的保护用电气设备，如熔断器、避雷器等。（4）补偿设备:用来补偿电力系统中无功功率以提高功率因数的设备，如并联电容器等。（5）成套设备(装置):按一次电路接线方案的要求，将有关的一次设备及其相关的二次设备组合为一体的电气装置，如高低压开关柜、低压配电屏、动力和照明配电箱等。2.2.1电弧及其主要危害电弧—一种高温、强光的电游离现象，开关电器和线路中一种必然的物理现象，是电流的延续。1．电弧的主要特征（1）能量集中，发出高温、强光。（10kvQF断开20kv的电流,电弧功率达到一万kw以上）（2）自持放电，维持电弧稳定燃烧所需电压很低。（在大气中,1cm长的直流电弧的弧柱电压仅15~30v,在变压器油中,1cm长的直流电弧的弧柱电压仅100~220v）（3）游离的气体，质轻易变。（电弧在气体或液体的流动作用下或电动力作用下,能迅速移动,伸长或弯曲）.2．电弧的危害（1）延长了电路的开断时间，从而使故障对供配电系统造成更大的损坏。（2）高温使开关触头变形、熔化，从而导致接触不良甚至损坏。（3）高温可能造成人员灼伤甚至直接或间接的死亡，强光可能损害人的视力。（4）引起弧光短路，严重时造成爆炸事故。2.2电弧的产生及灭弧方法1．产生电弧的根本原因触头间很大电场强度和很高的温度导致触头本身的电子及触头周围介质中的电子被游离而形成电弧电流。（电路电压不低于10~20伏，电流不小于80~100mA）2．产生电弧的游离方式（1）强电场发射：电弧的形成是触头间中性质子(分子和原子)被游离的过程。开关触头分离时，触头间距离很小，电场强度E很高(E=U/d)。当电场强度超过3×106V/m时，阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头空间的自由电子。（2）热电发射：电弧形成后，弧隙间的高温使阴极表面的电子获得足够的能量而向外发射，形成热电场发射。2.2.2电弧的产生（3）碰撞游离：从阴极表面发射出来的自由电子和触头间原有的少数电子，在电场力的作用下向阳极作加速运动，途中不断地和中性质点相碰撞。只要电子的运动速度v足够高，电子的动能A=mv2足够大，就可能从中性质子中打出电子，形成自由电子和正离子。这种现象称为碰撞游离。新形成的自由电子也向阳极作加速运动，同样地会与中性质点碰撞而发生游离。碰撞游离连续进行的结果是触头间充满了电子和正离子，具有很大的电导；在外加电压下，介质被击穿而产生电弧，电路再次被导通。（4）高温游离：在电弧形成后的高温的作用下(电弧中心部分维持的温度可达10000℃以上)，气体中性质点的不规则热运动速度增加。当具有足够动能的中性质点相互碰撞时，将被游离而形成电子和正离子。也称热游离。触头越分开，电弧越大，高温游离也越显著。注：强电场发射和热电发射的游离方式在触头分开之初占主导作用，碰撞游离和高温游离使电弧持续和发展它们是互相影响，互相作用的。在开关电器的触头间，发生游离过程的同时，还发生着使带电质点减少的去游离过程。1．电弧熄灭的条件去游离率大于游离率，即其中离子消失的速率大于离子产生的速率。2．去游离方式（1）复合正、负带电质点重新结合为中性质点电弧中温度越低，电场强度越弱，截面越小，介质的性质越稳定，密度越高，复合愈快。（2）扩散电弧中的带电质点向电弧周围介质散发开去，使弧区带电质点的浓度减少。电弧与周围介质的浓度差越大，电弧与周围介质的温度差越大，电弧截面越小，扩散就越强烈。3．交流电弧的熄灭电流过零时，电弧将暂时熄灭，弧柱温度急剧下降，高温游离中止，去游离大大增强，阴极附近空间的绝缘强度迅速增高。由于交流电流每一个周期两次过零值，在熄灭交流电弧时，就是充分利用这一特点来加速电弧的熄灭。2.2.3电弧的熄灭1．速拉灭弧法是开关电器中最基本的灭弧方法。高低压断路器中都装有强力的断路弹簧，目的就是加速触头的分断速度。2．冷却灭弧法利用介质如油等来降低电弧的温度从而增强去游离来加速电弧的熄灭。3．吹弧灭弧法利用外力如气流、油流或电磁力来吹动电弧，使电弧拉长，同时也使电弧冷却，电弧中的电场强度降低，复合和扩散增强，加速电弧熄灭。（1）按吹弧的方向(相对电弧方向)分纵吹和横吹，如图2–1a和图2–1b所示。2.2.4开关电器中常用的灭弧方法（2）按施加外力的性质来分，气吹、油吹、磁力吹和电动力吹等。图2–2所示的低压刀开关迅速拉开刀闸时电动力吹弧使电弧加速拉长。图2–3所示采用专门的磁吹线圈来吹弧。图2–4所示利用铁磁物质钢片来吸动电弧，这相当于反向吹弧。4．长弧切短灭弧法如图2–5所示，利用金属片（如钢栅片）将长弧切成若干短弧。当外施电压(触头间)小于电弧上的电压降时，电弧不能维持而迅速熄灭。低压断路器和部分刀开关的灭弧罩就是利用这个原理来灭弧的。5．粗弧分细灭弧法将粗弧分成若干平行的细小电弧，增大了接触面，降低电弧的温度，从而使带电质点的复合和扩散得到加强，使电弧加速熄灭。6．狭沟灭弧法如图2-6所示，陶瓷制成的绝缘灭弧栅使电弧在固体介质所形成的狭沟中燃烧，冷却条件改善，电弧与介质表面接触使带电质点的复合增强，从而加速电弧的熄灭。如有的熔断器在熔管中充填石英砂，就是利用狭沟灭弧原理。7．真空灭弧法将开关触头装在真空容器内，产生的电弧（真空电弧）较小，且在电流第一次过零时就能将电弧熄灭。真空断路器就是利用这种原理来熄灭电弧的。8．六氟化硫（SF6）灭弧法SF6气体具有优良的绝缘性能和灭弧性能，绝缘强度约为空气的3倍，而绝缘强度的恢复速度约比空气快100倍，可极大的提高开关的断流容量和减少灭弧所需时间。注：电气设备的灭弧性能往往是衡量其运行可靠性和安全性的重要指标之一。2.2.5对电气触头的基本要求1．满足正常负荷的发热要求触头必须接触紧密良好，尽量减少或避免触头表面产生氧化层，以降低接触电阻。2．具有足够的机械强度能够经受规定的通断次数而不致发生机械故障或损坏。3．具有足够的动稳定度和热稳定度具有足够的动稳定度指在可能发生的最大短路冲击电流通过时，触头不至于因最大电动力作用而损坏具有足够的热稳定度指在可能最长的短路时间内通过最大短路电流时所产生的热量不致使触头烧损或熔焊。4．具有足够的断流能力在开断规定的最大负荷电流或最大短路电流时，触头不应被电弧过度烧损，更不应发生熔焊现象。各种触头实物图全球核电站分布图全球核电站分布图全球核电站分布图沸水堆核电站工作流程是：冷却剂（水）从堆芯下部流进，在沿堆芯上升的过程中，从燃料棒那里得到了热量，使冷却剂变成了蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，将分离出的蒸汽来推动汽轮发电机组发电。沸水堆核电站工作原理压水堆核电站工作原理日本核电站分布图福岛核电站福岛核电站（FukushiniaNuclearPowerPlant）位于北纬37度25分14秒，东经141度2分，地处日本福岛工业区。它是目前世界世界最大的核电站，由福岛一站、福岛二站组成，共10台机组（一站6台，二站4台），均为沸水堆。总输出功率净／毛值为8814／9096兆瓦，两站总容量超过原世界最大核电站加拿大布鲁斯核电站（6786／7226兆瓦）。3月12日下午15时30分左右福岛第一核电站1号机组发生爆炸3月14日上午10点01分福岛第一核电站3号机组发生爆炸福岛第一核电站1号机组发生爆炸发生爆炸后的福岛第一核电站1号机组福岛第一核电站3号机组发生爆炸发生爆炸后的福岛第一核电站3号机组中国核电站分布图•1了解常用开关设备的作用、功能、分类•2了解常用开关设备主要性能与参数的含义•3了解常用开关设备的工作原理2.3常用高压开关设备简介2.3.1高压电器应该满足的基本要求：•1、绝缘安全可靠；•2、温升符合标准；•3、有足够的热稳定性和动稳定性；•4、开关电器应能够迅速可靠的切断其额定开断电流。•5、高压电器应能够一定的自然条件的作用。•6、成本低、寿命长、维修量小。•1、额定电压UN（有效值）；•2、最高工作电压Um（有效值）；•3、额定电流IN（有效值）；•4、额定开断电流INk（有效值）；•5、动稳定电流（峰值耐受电流）IF（有效值）；•6、热稳定电流（短时耐受电流）Ik（有效值）；•7、燃弧时间trh•8、固有分闸时间tgf•9、全开断时间tkd•10、合闸时间thz•11、额定短路关合电流INg•12、额定操作顺序2、高压电器的基本技术参数开关电器概念和作用正常情况下可靠接通或断开电路；改变运行方式时进行切换操作；系统发生故障迅速切除故障部分，保证非故障部分的正常运行；在设备检修时隔离带电部分，以保证工作人员的安全。概念直接用于正常投切和故障切除电路的电气一次设备称为开关电器。作用（1）（2）（3）（4）开关电器的分类按电压等级分按安装地点分按功能分低压开关电器高压开关电器屋内式屋外式断路器隔离开关负荷开关熔断器自动重合器自动分段器开关电器2.3.2高压断路器高压断路器的作用高压断路器的基本要求高压断路器的分类高压断路器的技术参数高压断路器的分类少油断路器真空断路器SF6断路器主要内容高压断路器作用和要求1、高压断路器的作用其一是控制作用；其二是保护作用。2、高压断路器的基本要求工作可靠，有足够的开断能；尽可能短的开断时间，结构简单；足够的机械强度和良好的稳定性能；具有自动重合闸性能，价格低廉。系统正常情况系统故障情况问题：两种作用在何时发挥各自功能？断路器能通断任何性质电流电路（1）（2）（3）（4）3、高压断路器的分类按安装地点分类屋内式断路器屋外式断路器按采用的灭弧介质分类油断路器（油即作灭弧介质又作绝缘介质）压缩空气断路器（空气即作灭弧介质又作绝缘介质，20×105Pa空气压力）真空断路器（真空的介电强度高）SF6断路器（SF6即为灭弧介质又为绝缘介质）多油断路器少油断路器4、高压断路器技术参数（1）额定电压Ue：（2）额定电流Ie：指断路器的触头结构和导电部分在规定环境温度下允许通过的长期工作电流，其相应的发热温度不会超过国家标准。（决定了导体截面，结构）指断路器长时间运行能承受的正常工作电压。（决定了绝缘水平、尺寸、灭弧条件）（3）额定开断电流Iekd（4）额定开断容量:（5）动稳定电流（极限通过电流）idw指断路器在额定电压下能可靠断开的最大断路电流的有效值。它表征断路器的开断能力。ekdeekdIUS3指断路器在冲击短路电流作用下，承受电动力的能力。（其大小是由导电和绝缘等部分的机械强度所决定）（6）热稳定电流Irw（7）开断时间tkd指断路器承受短路电流热效应的能力。（利用热稳定时间tr对应的Irw）（一般取4S）从操作机构跳闸线圈接通跳闸脉冲起，到三相电弧完全熄灭时止的一段时间。（等于断路器的固有分闸时间和熄弧时间之和）xhgfkdttt5、高压断路器的型号特点—靠人力合闸，靠弹簧力分闸的操作机构。6、少油高压断路器开关内油的作用灭弧、触头间的绝缘。少油断路器特点用油量少、体积小、结构简单、节省钢材、防火防爆的特点，但检修周期短，在户外使用时，受大气条件影响