第4章供配电系统的主要电气设备

第4章供配电系统的主要电气设备第4章供配电系统的主要电气设备4.1电气设备概述4.2电弧的产生及灭弧方法4.3电力变压器4.4互感器4.5高压开关设备4.6熔断器4.7低压开关设备4.8成套配电装置4.9高低压电气设备的选择基本技能训练电气设备及其运行维护思考题与习题第4章供配电系统的主要电气设备4.1电气设备概述供配电系统中担负输送和分配电能任务的电路，称为一次电路，也称主电路。供配电系统中用来控制、指示、监测和保护一次电路及其中电气设备运行的电路称为二次电路，通常称为二次回路。相应地，供配电系统中的电气设备可分为两大类：一次电路中的所有电气设备，称为一次设备；二次回路中的所有电气设备，称为二次设备。供配电系统的主要电气设备是指一次设备。一次设备按其功能可分以下几类。(1)变换设备：指按系统工作要求来改变电压或电流的设备，例如电力变压器、电压互感器、电流互感器及变流设备等。第4章供配电系统的主要电气设备(2)控制设备：指按系统工作要求来控制电路通断的设备，例如各种高低压开关。(3)保护设备：指用来对系统进行过电流和过电压保护的设备，例如高低压熔断器和避雷器。(4)无功补偿设备：指用来补偿系统中的无功功率、提高功率因数的设备，例如并联电容器。(5)成套配电装置：指按照一定的线路方案的要求，将有关一次设备和二次设备组合成一体的电气装置，例如高低压开关柜、动力和照明配电箱等。供配电系统中主要一次设备的图形符号和文字符号如表4-1所示。第4章供配电系统的主要电气设备第4章供配电系统的主要电气设备第4章供配电系统的主要电气设备4.2电弧的产生及灭弧方法1.电弧及其主要危害电弧是一种高温、强光的电游离现象。当开关电器切断(包括正常操作和误操作)有电流的线路或线路、触头、绕组发生短路时，就可能产生电弧。第4章供配电系统的主要电气设备1)电弧的主要特征电弧是开关电器和线路中一种必然的物理现象，是电流的(1)能量集中，发出高温、强光。(2)是自持放电，维持电弧稳定燃烧所需的电压很低。例如，在电气触头间如有大于10～20V的电压、大于80～100mA的电流就会产生电弧；电力变压器中的油在10～100V的电压下就能维持电弧的燃烧。(3)电弧是游离的气体，是触头周围的介质向等离子状态转化的结果。第4章供配电系统的主要电气设备2)电弧的危害(1)延长了电路的开断时间。当开关分断短路电流时，触头间的电弧延长了短路电流持续的时间，使短路故障蔓延，从而给供配电系统造成了更大的损坏。(2)高温可使开关触头变形、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，强光则可能损害人的视力。(4)引起弧光短路，严重时会造成爆炸事故。因此，为了保证供配电系统的安全运行和值班人员的生命安全，必须采取有效措施迅速熄灭电弧。第4章供配电系统的主要电气设备2.电弧的产生与熄灭1)电弧的产生产生电弧的根本原因是开关触头在分断电流时，触头间电场强度很大，使得触头本身的电子及触头周围介质中的电子被游离，从而形成电弧电流。产生电弧的游离方式有高电场发射、热电发射、碰撞游离和高温游离。在触头分开之初是高电场发射和热电发射的游离方式占主导作用，接着碰撞游离和高温游离使电弧持续并发展，而且它们是互相影响、互相作用的。第4章供配电系统的主要电气设备2)电弧的熄灭在电弧产生的过程中，游离和去游离是共同存在的两个过程。当游离率等于去游离率时，电弧在间隙中稳定燃烧。要使电弧熄灭，必须使触头间电弧中的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。熄灭电弧的去游离方式主要有“复合”和“扩散”两种。带电质点的复合和扩散都会使电弧中的带电质点数量减少，使去游离增强，从而有利于电弧的熄灭。第4章供配电系统的主要电气设备3.开关电器中常用的灭弧方法当高低压开关电器通断负荷电路，特别是通断存在短路故障的电路时，就会在开关电器的触头间产生电弧。因此对于开关电器，其触头间电弧的产生和熄灭问题很值得关注，这直接影响开关电器的结构性能。高低压开关电器中常用的灭弧方法有以下几种。(1)速拉灭弧法：迅速拉长电弧，使弧隙的电场强度骤降，使离子的复合迅速增强，从而加速灭弧。这是开关电器最基本的一种灭弧方法。开关电器中装设有断路弹簧，其目的就在于加速触头的分断速度，迅速拉长电弧。(2)冷却灭弧法：降低电弧温度可使电弧中的热游离减弱，正负离子的复合增强，从而有助于电弧熄灭。第4章供配电系统的主要电气设备(3)吹弧或吸弧灭弧法：利用外力(如气流、油流或电磁力)来吹动或吸动电弧，使电弧加速冷却，同时拉长电弧，降低电弧中的电场强度，使电弧中离子的复合和扩散加强，从而加速灭弧。吹弧方法按吹弧的方向可分为横吹(见图4-1(a))和纵吹(见图4-1(b))两种；按外力的性质可分为气吹、油吹、电动力吹和磁力吹弧或吸弧等。低压刀开关在拉开刀闸时，开关的电流回路产生的电动力会使电弧拉长，如图4-2所示。有的开关采用专门的磁吹线圈来吹动电弧，如图4-3所示。也有的开关利用铁磁物质(如钢片)来吸引电弧，如图4-4所示，这相当于反向吹弧。第4章供配电系统的主要电气设备图4-1吹弧方法(a)横吹；(b)纵吹第4章供配电系统的主要电气设备图4-2电动力吹弧第4章供配电系统的主要电气设备图4-3磁力吹弧第4章供配电系统的主要电气设备图4-4铁磁吸弧第4章供配电系统的主要电气设备(4)长弧切短灭弧法：由于电弧的电压降主要降落在阴极和阳极上，其中以阴极的电压降最大，而弧柱(电弧中间部分)的电压降极小，因此，如果利用金属片将长弧切割成若干短弧，则电弧中的电压降将近似增大若干倍。当外施电压小于电弧中总的电压降时，电弧不能维持而迅速熄灭。图4-5为钢灭弧栅将长弧切割成若干短弧的情形。电弧进入钢灭弧栅内，一方面利用如图4-2所示的电动力吹弧，另一方面则利用如图4-4所示的铁磁吸弧。此外，钢片对电弧还有冷却降温作用。第4章供配电系统的主要电气设备图4-5钢灭弧栅对电弧的作用第4章供配电系统的主要电气设备(5)粗弧分细灭弧法：将粗大的电弧分散成若干平行的细小电弧，使电弧与周围介质的接触面增大，改善电弧的散热条件，降低电弧的温度，从而使电弧中离子的复合和扩散都得到增强，加速电弧的熄灭。(6)狭沟灭弧法：使电弧在固体介质所形成的狭沟中燃烧，这样电弧的冷却条件得到了改善，从而使去游离增强，同时固体介质表面的复合也比较强烈，有利于加速灭弧。有一种用耐弧的绝缘材料(如陶瓷)制成的灭弧栅就利用了这种狭沟灭弧原理，如图4-6所示。有的熔断器在装有熔丝的熔管内填充石英砂，这也是利用狭沟灭弧原理来加速熔丝的熔断。第4章供配电系统的主要电气设备图4-6绝缘灭弧栅对电弧的作用第4章供配电系统的主要电气设备(7)真空灭弧法：真空具有相当高的绝缘强度，因此装在真空容器内的触头分断时，在交流电流过零时即能熄灭电弧而不致复燃。真空断路器就是利用真空灭弧原理制成的。(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，其绝缘强度约为空气的3倍，绝缘恢复的速度约为空气的100倍，因此SF6气体能快速灭弧。六氟化硫断路器就是利用SF6作绝缘介质和灭弧介质的。在现代的电气开关电器中，常常根据具体情况综合利用上述某几种灭弧方法来达到快速灭弧的目的。第4章供配电系统的主要电气设备4.3电力变压器4.3.1电力变压器的分类及特点电力变压器是变电所中最关键的一次设备，其主要功能是将电力系统中的电能电压升高或降低，以利于电能的合理输送、分配和使用。(1)按功能分类，电力变压器有升压变压器和降压变压器两种。在远距离传输配电系统中，为了把发电机发出的较低电压升高为较高的电压级，需采用升压变压器；而对于直接供电给各类用户的终端变电所，则采用降压变压器。(2)按相数分类，电力变压器有单相变压器和三相变压器两种。其中，三相变压器广泛用于供配电系统的变电所中，而单相变压器一般供小容量的单相设备专用。第4章供配电系统的主要电气设备(3)按绕组导体的材质分类，电力变压器有铜绕组变压器和铝绕组变压器两种。过去我国工厂变电所大多采用铝绕组变压器，但现在低损耗的铜绕组变压器，尤其是大容量的铜绕组变压器已得到了更为广泛的应用。(4)按绕组形式分类，变压器有双绕组变压器、三绕组变压器和自耦式变压器三种。双绕组变压器用于变换一个电压的场所；三绕组变压器用于需交换两个电压的场所，它有一个一次绕组和两个二次绕组；自耦式变压器大多在实验室中作调压用。第4章供配电系统的主要电气设备(5)按容量系列分类，电力变压器有R8系列和R10系列。目前，我国大多采用IEC推荐的R10系列来确定变压器的容量，即容量按的倍数递增，常用的有100kV·A、125kV·A、160kV·A、200kV·A、250kV·A、315kV·A、400kV·A、500kV·A、630kV·A、800kV·A、1000kV·A、1250kV·A、1600kV·A、2000kV·A、2500kV·A、3150kV·A等，其中容量在500kV·A以下的为小型，630～6300kV·A的为中型，8000kV·A以上的为大型。变压器容量的等级较密，便于合理选用。26.11010R10第4章供配电系统的主要电气设备(6)按电压调节方式分类，电力变压器有无载调压变压器和有载调压变压器两种。其中，无载调压变压器一般用于对电压水平要求不高的场所，特别是10kV及10kV以下的配电变压器；10kV以上的电力系统和对电压水平要求较高的场所主要采用有第4章供配电系统的主要电气设备(7)按冷却方式和绕组绝缘分类，电力变压器有油浸式、干式和充气式(SF6)等。其中，油浸式变压器分为油浸自冷式、油浸风冷式、油浸水冷式和强迫油循环冷却方式等，而干式变压器分为浇注式、开启式、封闭式等。油浸式变压器具有较好的绝缘和散热性能，且价格较低，便于检修，因此得到了广泛采用；但由于油具有可燃性，因此不便用于易燃易爆和安全要求较高的场合。干式变压器结构简单，体积小，质量轻，且防火、防尘、防潮，价格较同容量的油浸式变压器贵，主要用于在安全防火要求较高的场所，尤其是大型建筑物内的变电所、地下变电所和矿井内变电所等。第4章供配电系统的主要电气设备充气式变压器是利用填充的气体进行绝缘和散热，具有优良的电气性能，主要用于安全防火要求较高的场所，并常与其他充气电器配合组成成套装置。普通的中小容量的变压器采用自冷式结构，即变压器产生的损耗热经自然通风和辐射逸散；大容量的油浸式变压器采用水冷式和强迫油循环冷却方式。风冷式利用通风机来加强变压器的散热冷却，一般用于大容量变压器(2000kV·A及以上)和散热条件较差的场所。(8)按用途分类，电力变压器有普通变压器和防雷变压器两种。6～10kV／0.4kV的变压器常称做配电变压器，安装在总降压变电所的变压器通常称为主变压器。(9)按安装地点分类，电力变压器有户内式和户外式两种。第4章供配电系统的主要电气设备4.3.2电力变压器的结构及型号1.电力变压器的结构电力变压器是利用电磁感应原理进行工作的，因此其基本的结构组成有电路和磁路两部分。变压器的电路部分就是它的绕组，对于降压变压器来说，与系统电路和电源连接的称为一次绕组，与负载连接的称为二次绕组；变压器的铁芯构成了它的磁路，铁芯由铁轭和铁芯柱组成，绕组套在铁芯柱上。为了减少变压器的涡流和磁滞损耗，一般采用表面有绝缘漆膜的硅钢片交错叠成铁芯。如图4-7所示为三相油浸式电力变压器的外形结构图。如图4-8所示为三相树脂浇注绝缘干式电力变压器的外形结构图。第4章供配电系统的主要电气设备图4-7三相油浸式电力变压器第4章供配电系统的主要电气设备图4-8三相树脂浇注绝缘干式电力变压器第4章供配电系统的主要电气设备2.电力变压器的型号电力变压器全型号的表示和含义如下：例如，S9-1000／10为三相铜绕组油浸式电力变压器，设计序号为9，高压绕组电压为10kV，额定容量为1000kV·A。第4章供配电系统的主要电气设备第4章供配电系统的主要电气设备4.3.3电力变压器的联结组别电力变压器的