第三章城市轨道交通变电所中的一次设备

第三章城市轨道交通变电所中的一次设备一、电气设备的分类城市轨道交通变电所中的电气设备可以分为一次设备和二次电气设备两大类，一次设备是城轨供电系统的主体，二次设备是城轨供电系统安全可靠运行的重要保障，二者缺一不可，共同协调工作才能保证变配电系统安全可靠地运行。1.一次设备电气一次设备也被称为主设备，是指直接用于接受电能、改变电能电压和分配电能的设备和载流导体。它主要包括变压器、断路器、隔离开关、整流器等。由电气一次设备相互连接，构成的电气回路称为一次回路或一次接线系统。第一节一次设备概述根据一次设备的功能，可将它们分为以下几类：（1）开关电器用来关合和开断电路的电器，包括断路器、隔离开关、熔断器和负荷开关。（2）限制电器用来限制电路中电压或电流的电器，包括电抗器、避雷器。（3）变换电器用来变换电路中的电压和电流使之便于检测的电器，包括电流互感器、电压互感器。（4）成套装置和组合电器将开关电器、限制电器和变换电器按一定的线路装配成一个整体的电器组合。主要有高压开关柜、低压成套电器装置以及气体绝缘金属封闭组合电器GIS等。（5）补偿电器指用于补偿系统的无功功率、提高功率因数的设备。主要有电力电容器和同步补偿机等。一次设备还可以按照电流制式分为交流电器和直流电器。交流电器是工作于三相或单相工频交流制式的电器。直流电器是指工作于直流制系统的电器。第一节一次设备概述2.二次设备对一次设备进行控制、保护、监测和指示的设备，称为二次设备。如各种继电器、控制开关、成套继电保护装置等。二次设备是城轨供电系统的重要组成部分。由二次设备相互连接，构成对一次设备进行监测、控制、调节和保护的电气回路称为二次回路或二次接线系统。第一节一次设备概述二、对一次电气设备的基本要求一次电气设备是城轨供电系统的主体，设备故障可能导致停电甚至发生重大安全事故，在对电气设备进行设计和选择时，应考虑安全、可靠和经济等多方面的因素，并满足以下基本要求：1）能长期承受工频最高工作电压、短期承受内部过电压和外部过电压的作用而不被击穿；2）能长期承受额定电流、短期过载电流的作用，温升在允许范围之内；3）能承受短路电动力效应和热效应的作用而不被损坏；4）开关电器的断流能力应符合有关的规定；5）供测量和保护用变换电器应符合规定的精度要求；6）在规定的使用环境中能承受一定外界条件的影响并安全可靠地运行第一节一次设备概述一、变压器概述1.什么是变压器变压器是一种静止的电气设备，它通过线圈间的电磁感应,将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种或几种电压等级的交流电能。2.变压器的用途变压器除用于改变电压外，还可用于改变电流、变换阻抗等。3.变压器的基本结构及基本工作原理。（1）基本结构虽然变压器种类繁多，用途各异，但变压器的基本结构大致相同。最简单的变压器是由一个闭合的软磁铁心和两个套在铁心上相互绝缘的绕组构成的。如图3-1所示。第二节变压器第二节变压器图3-1变压器基本结构及工作原理示意图（2）基本工作原理4、变压器的分类变压器的常用分类方式如下：1）按用途分：电力变压器和特种变压器。2）按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。电力变压器3）按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。4）按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。5）按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和充气式变压器。6）按调压方式分：有载调压变压器和无励磁调压变压器。变压器二次侧不带负载，一次侧也与电网断开(无电源励磁)的调压，称为无励磁调压，带负载进行变换绕组分接的调压，称为有载调压。第二节变压器第二节变压器5．变压器的主要技术参数（1）额定容量它是变压器额定工作条件下输出能力的保证值，是额定视在功率，单位有：伏安（V•A）或千伏安（kV•A）或兆伏安（MV•A）。（2）额定电压U1N/U2N均指变压器长时间运行所能承受的工作电压。原边额定电压U1N是指电源加在原绕组上的额定电压；副边额定电压U2N是指原边加额定电压副边空载时副绕组的端电压，单位有：伏（V）或千伏（kV）。（3）额定电流I1N/I2N原、副边额定电流是指在额定容量和额定电压时所长期允许通过的电流，单位是安（A）。三相变压器的额定电流都是指的线电流。（4）额定频率fN指工业用电频率，我国规定为50Hz。（5）联接组别第二节变压器二、油浸式电力变压器的结构油浸式电力变压器主要由铁心、绕组、油箱、调压装置、冷却装置、保护装置、引出线装置以及其他附件组成。城轨供电系统的主变电所中主变压器一般采用三相油浸式电力变压器，图3-3为其外形图。其主要部件及功能如下：图3-3油浸式变压器第二节变压器1、铁心2、绕组3、油箱4、调压装置5、冷却装置6、保护装置7、引出线装置第二节变压器图3-4心式变压器铁心第二节变压器三、干式变压器1、结构特点图3-510kV级SCB10型（IP00)高压接线端子低压接线端子温控仪冷却风机环氧树脂浇注的高、低压绕组铁心无载分接开关第二节变压器2、干式变压器的形式1）开启式2）封闭式3）浇注式图3-6环氧浇注式变压器铁心的典型结构a)拉板式b)拉螺杆式1-铁轭夹紧螺杆2-吊板3-上夹件4-旁螺杆5-拉板6-绑扎带7-拉板绝缘8-硅胶条9-硅钢片10-下夹件11-铁心封片12-拉螺杆第二节变压器3、干式变压器的温度控制系统图3-7TTC-310系列温度控制器的原理图第二节变压器4．干式变压器的冷却方式干式变压器冷却方式分为自然空气冷却(AN)和强迫空气冷却(AF)。自然空冷时，变压器可在额定容量下长期连续运行。强迫风冷时，变压器输出容量可提高50%。适用于断续过负荷运行，或应急事故过负荷运行；由于过负荷时负载损耗和阻抗电压增幅较大，处于非经济运行状态，故不应使其处于长时间连续过负荷运行。5．干式变压器的调压装置干式变压器调压分为无励磁调压和有载调压两种。（1）无励磁调压切换分接抽头时必须将干式变压器从电网中切除，停电后局进行。通常，无励磁调压通过调整绕组上的分接片来实现调压。（2）有载调压干式变压器有载调压采用有载调压分接开关，在变压器励磁或负载状态下，通过改变绕组匝数完成调压操作。第二节变压器6．干式变压器的优点由于环氧浇注干式变压器具有结构简单、绝缘强度高、抗短路能力强、不易燃烧、可在恶劣环境下正常工作、维护工作量很小、噪声低、体积小、重量轻、运行损耗低、运行效率高等优点，现被广泛应用于城轨的牵引变电所中。第三节整流机组整流机组由整流变压器和整流器组成。整流机组是城轨牵引变电所最重要的设备，其作用是将中压网路的AC35Kv(或AC33Kv、AC10Kv)的交流电压降为1180V的交流电压，再整流输出DC1500V的直流电压，经网上电动隔离开关给接触网供电，实现直流牵引。早期的城市轨道交通直流牵引系统，通常采用三相桥式整流电路，但三相桥式整流电路产生的谐波很严重，为提高直流供电质量，降低直流电源脉动量，现在通常采用多相整流方法，采用六相、十二相整流，甚至是二十四相整流。我国今后建设的城市轨道交通整流变电站将会以24脉波整流为主。整流变压器与整流器合称为整流机组。城轨的牵引变电所一般设于地下，所以整流机组也安装在地下室内。第三节整流机组1．整流变压器整流变压器不仅仅起降压作用，还将三相交流电变成多相交流电供整流器整流。整流变压器宜采用干式、户内、自冷、环氧树脂浇注变压器，其线圈绝缘等级为F级，线圈温升限值为70K／90K(高压，低压)，其承受极限温度为155℃，铁心温升在任何情况下不应产生损坏铁心金属部件及其附近材料的温度。在高湿期内可能产生凝露，应采取措施防止凝露对设备的危害。整流变压器的结构与普通变压器相同，有原、副边两个绕组，整流变压器的原边绕组接交流电力系统，称网侧绕组；副边接整流器，称阀侧绕组。这两个绕组共用一个铁芯。整流变压器和普通变压器的原理相同。第三节整流机组2．整流器整流器的作用是将交流电变成直流电供电动车辆的牵引电动机使用。整流器由大功率二极管及其散热器、保护器件、故障显示器件、通信接口等组成。如图3-8所示。图3-8整流器结构第三节整流机组3．整流器的工作原理（1）三相桥式全波整流图3-9三相桥式全波整流电路a)电路图b)波形图第三节整流机组（2）12脉波整流电路图3-1012脉波整流电路及矢量图a)原理图b)变压器一次、二次绕组矢量图c)整流换相图第三节整流机组（3）24脉波整流电路图3-10整流变压器一次绕组接线图第三节整流机组图3-11整流机组原理图第四节电弧一、电弧现象电气设备的开关电器切断有电流的电路时，如果电路中的电压大于20V，电流超过80mA时，触头间会产生强烈而耀眼的白光柱，即产生电弧。从现象上看，电弧是一束明亮的光柱。实质上，电弧是一种游离状态的气体放电现象，它是电流通过某些绝缘介质(例如空气)所产生的瞬间火花。按产生电弧的电路电源不同，可将电弧分为：交流电弧、直流电弧和脉冲电弧。电极上电弧的孳生点（温度最高、最明亮的斑点）称为阴极斑点或阳极斑点。+弧柱区阳极区阴极区－图3-12电弧的结构第四节电弧电弧具有以下特点：1）起弧电压、电流的数值很低。2）电弧中含有大量的电子、离子，因此电弧有良好的导电性能，具有很高的电导。弧柱电流密度可达10KA/cm2。电孤存在时，尽管开关电器的触头是断开的，电路中仍然有电流流过，电路将继续导通。3）电弧能量集中，温度很高。弧放电时，能量高度集中，弧心温度可达10000℃左右，电弧表面的温度也可达到3000℃～4000℃。4）电弧是一束质量很轻的游离状态的气体，在外力的作用下，能迅速移动、伸长、弯曲、变形。第四节电弧电弧对电力系统和电气设备造成危害，主要有以下几种：1）延长了开关电器切断电路的时间。2）由于电弧的温度很高，如果电弧长时间燃烧，不仅将触头表面的金属熔化或蒸发，而且引起电弧附近电气绝缘材料烧坏，引起事故。对充油电气设备，还可能使设备的内部温度和压力剧增，从而引起爆炸、火灾等。3）由于电弧能在外力的作用下迅速移动，很容易形成飞弧造成电源短路事故和伤人。第四节电弧二、电弧的产生与维持1．热电子发射2．强电场发射3．碰撞游离4．热游离电弧的产生是开关电器开断负荷电路时，触头间的中性质点被游离的结果。电弧产生，第一是由于热的作用，发生热电子发射和热游离；第二是由于电场的作用，发生强电场发射和碰撞游离，在气隙间出现大量电子流，使气体由绝缘体变成导体。强电场发射和碰撞游离是产生电弧的主要原因，而电弧得以维持和发展的主要原因是热游离作用。应该注意的是，在整个过程中几种物理作用并不是截然分开的，而是交叉进行或同时存在的。电弧燃烧期间，起主要作用的是热游离。第四节电弧三、电弧的熄灭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。去游离就是正、负带电粒子中和而变成中性粒子的过程。去游离的方式分两类：复合和扩散。1．复合2．扩散3．影响去游离的主要因素主要有以下几个：（1）电弧温度（2）介质的特性（3）气体介质的压力（4）触头材料（5）触头间电场的强弱（6）开断电流的大小第四节电弧四、电弧的特性及熄灭1、电弧电压沿弧长的分布阴极区+－弧柱区阳极区IUUh0U1U2U3图3-13电弧电压沿弧长分布第四节电弧2、直流电弧的特性及熄灭图3-14具有电弧的R-L直流电路dtdiLiREuh图3-15直流电弧的伏安特性图3-16直流电弧的稳定燃烧点第四节电弧直流电弧具体的灭弧方法有：（1）拉长电弧（2）开断电路时在电路中逐级串人电阻（3）在断口上装灭弧栅（4）吹弧冷却电弧图3-17拉长电弧使电弧熄灭图3-18外电路逐级引入电阻灭弧图3-19金属栅片分割短弧灭弧第四节电弧3、交流电弧的特性及熄灭交流电弧是指在开断交流回路过程中所产生的电弧。图3-20含R-L-C的交流电弧电路图3-21交流电弧的伏安特性及电压、电流波形（a）伏安特性；（b）波形图第四节电弧交流电流每半个周期过零一次，称为“自然过零”。交流电弧电流过零期间，同时存在两个对立的基本过程，一个是弧隙介质绝缘强度(或介电强度)的