供配电系统的常用电气设备

第4章供配电系统的常用电气设备§4.1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熔断器§4.7低压开关设备§4.6高压开关设备§4.9成套配电装置§4.8避雷器小结§4.1概述4.1.1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。4.1.2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。§4.1概述4.2.1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。（2）自持放电，维持电弧稳定燃烧所需电压很低。（3）游离的气体，质轻易变。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。§4.2电弧的产生及灭弧方法4.2.2电弧的产生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。2．产生电弧的游离方式（1）高电场发射强电场把触头表面的电子拉出，形成自由电子并发射到触头间隙中。（2）热电发射触头表面的电子吸收足够的热能而发射到触头间隙中形成自由电子向间隙四周发射出去。（3）碰撞游离高速移动的自由电子碰撞中性质点，使中性质点游离成带正电的正离子和自由电子。不断的碰撞使触头间隙中正离子和自由电子数越来越多，形成“雪崩”现象，当离子浓度足够大时，介质被击穿而产生电弧。（4）高温游离电弧形成后的高温，加强了正离子和自由电子的游离。触头越分开，电弧越大，高温游离也越显著。注：高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。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。4.2.3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4–1a和图4–1b所示。4.2.4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。如图4–2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。如图4–3所示采用专门的磁吹线圈来吹弧。4.2.4开关电器中常用的灭弧方法如图4–4所示利用铁磁物质钢片来吸动电弧，这相当于反向吹弧。4.2.4开关电器中常用的灭弧方法4．长弧切短灭弧法如图4–5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。4.2.4开关电器中常用的灭弧方法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4-6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。4.2.4开关电器中常用的灭弧方法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。4.2.4开关电器中常用的灭弧方法§4.2.5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。§4.3电力变压器4.3.1概述电力变压器（文字符号为T或TM）三相变压器额定容量在5KV·A及以上，单相的在1KV·A及以上的输变电用变压器，均称为电力变压器。它是供配电系统中最关键的一次设备，主要用于公用电网和工业电网中，将某一给定电压值的电能转变为所要求的另一电压值的电能，以利于电能的合理输送、分配和使用。§4.3.2电力变压器的分类及特点1.按功能分（1）升压变压器在远距离输配电系统中，用来把较低电压升高为较高的电压级。（2）降压变压器直接供电给各类用户的终端变电所，采用降压变压器。2．按相数分（1）单相变压器单相变压器一般供小容量的单相设备专用；（2）三相变压器三相变压器广泛用于供配电系统的变电所中；3．按绕组导体的材质分（1）铜绕组变压器铜绕组变压器的损耗更低，所以尤其是大容量的铜绕组变压器已得到更为广泛的应用（2）铝绕组变压器4．按绕组型式分（1）双绕组变压器用于变换一个电压的场所；（2）三绕组变压器用于需两个电压的场所，它有一个一次绕组，两个二次绕组；（2）自耦式变压器大多用在实验室中作调压用；5．按容量系列分，用R10系列来确定变压器的容量，即按R10==1.26的倍数递增，常用的有100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500、3150KV·A等。（1）小型变压器容量在500KV·A以下的变压器；（2）中型变压器容量在630～6300KV·A之间的变压器；（3）大型变压器容量在8000KV·A以上的的变压器；6．按电压调节方式分（1）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及以下的配电变压器；（2）有载调压变压器在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载调压变压器；7．按安装地点分（1）户内式（2）户外式§4.3.2电力变压器的分类及特点8．按冷却方式和绕组绝缘分（1）油浸式油浸自冷式、油浸风冷式、油浸水冷式和强迫油循环冷却方式特点：绝缘和散热性能好，价格较低，便于检修；油的可燃性使其不便用于易燃易爆和安全要求较高的场合。1）自冷式普通的中小容量的变压器采用；2）水冷式和强迫油循环冷却方式大容量的油浸式变压器采用；3）风冷式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。（2）干式浇注式、开启式、封闭式特点：结构简单，体积小，重量轻，防火、防尘、防潮，价格贵，用在安全防火要求较高的场所，如大型建筑物内的变电所、地下变电所和矿井内变电所。（3）充气式（SF6）利用充填的气体进行绝缘和散热的变压器特点：电气性能优良，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。§4.3.2电力变压器的分类及特点9．按用途分（1）普通变压器（2）防雷变压器（3）配电变压器6～10kV／0.4kV的变压器（4）主变压器安装在总降压变电所的变压器§4.3.2电力变压器的分类及特点4.3.3电力变压器的结构1.变压器的基本结构（1）电路部分：一次绕组与系统电路和电源连接的绕组二次绕组与负载连接的绕组（2）磁路部分：变压器的铁心（表面涂有绝缘漆膜的硅钢片交错叠成铁心）—由铁轭和铁心柱组成§4.3.3电力变压器的结构2．常用三相油浸式电力变压器如图4-7所示图4-7三相油浸式电力变压器的结构1—信号温度计2—铭牌3—吸湿器4—油枕(储油柜)5—油位指示器6—防爆管7—瓦斯继电器8－高压套管9—低压套管10—分接开关11—油箱及散热油管12—铁心13—绕组及绝缘14—放油阀15—小车16—接地端子2）油箱的四种结构：①散热管油箱散热管的管内两端与箱体内相通，油受热后，经散热管上端口流人管体，冷却后经下端口又流回箱内，形成循环，用于1600KV·A及以下的变压器。②带有散热器的油箱用于2000KV·A以上的变压器。③平顶油箱④波纹油箱（瓦楞型油箱）(2)高低压套管套管为瓷质绝缘管，内有导体，用于变压器一、二次绕组接入和引出端的固定和绝缘。（3）瓦斯继电器容量在800KV·A及以上的油浸式变压器、户内式的变压器容量在400KV·A及以上安装；其作用是在变压器油箱内部发生故障时进行瓦斯保护。§4.3.3电力变压器的结构（1）油箱箱体、箱盖、散热装置、放油阀1）箱体箱体内有绕组、铁心和变压器的油：变压器油既有循环冷却和散热作用，又有绝缘作用；绕组与箱体(箱壁、箱底)有一定的距离，由油箱内的油绝缘。(4)储油柜（油枕）内储有一定的油1）作用：补充变压器因油箱渗油和油温变化造成的油量下降，当变压器油发生热胀冷缩时保持与周围大气压力的平衡2）储油柜附件：吸湿器与油枕内油面上方空间相连通，能够吸收进入变压器的空气中的水分，以保证油的绝缘强度。（5）防爆管作用：防止油箱发生爆炸事故。当油箱内部发生严重的短路故障时，油的急剧分解产生大量的瓦斯气体，导致油箱内部压力剧增从而使防爆管的出口处玻璃会自行破裂，释放压力，并使油流向一定方向喷出。（6）分接开关作用：用于改变变压器的绕组匝数以调节变压器的输出电压。§4.3.3电力变压器的结构3．环氧树脂浇注的三相干式变压器（树脂绝缘干式变压器）图4-8为环氧树脂浇注绝缘的三相干式电力变压器的结构图。图4-8环氧树脂浇注绝缘的三相干式电力变压器1－高压出线套管和接线端子2－吊环3－上夹件