高压电器及成套配电装置

第四章高压电器及成套配电装置进网电工培训在电力系统中，高压开关电器是最重要的电气设备之一，其所承担的任务是：1、在正常工作情况下可靠地接通或开断电路；2、在改变运行方式时灵活地切换操作；3、在系统发生故障时迅速切除故障部分，以保证非故障部分的正常运行；4、在设备检修时隔离带电部分以保证工作人员的安全。第三章高压电器及成套配电装置第一节高压电器相关知识第二节高压断路器第三节隔离开关第四节高压负荷开关第五节高压熔断器第六节高压电容器第七节高压成套配电装置第八节高压/低压预装箱式变电站第三章高压电器及成套配电装置第一节高压电器相关知识第一节高压电器相关知识一、电力系统短路基本概念“短路”是指电力系统中相与相之间或相与地之间，通过电弧或其他较小阻抗的一种非正常连接。（P52）电力系统在运行中，如发生短路会流过非常大的电流。其电流值远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10～15倍。大容量电力系统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。第一节高压电器相关知识三相系统中发生的短路有4种基本类型：（P52)三相短路，两相短路，单相对地短路和两相对地短。其中，除三相短路时，三相回路依旧对称，因而又称对称短路外，其余三类均属不对称短路。在中性点接地的电力网络中，以一相对地的短路故障最多，约占全部故障的90％。在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。第一节高压电器相关知识短路类型示意图代表符号三相短路两相短路单相短路两相接地短路kkkk(3)(2)(1)(1,1)各种短路故障示意图和代表符号第一节高压电器相关知识1）由于在短路电流忽然增大时，其瞬间放热量很大，大大超过线路正常工作时的发热量，不仅能使绝缘烧毁，而且能使金属熔化。引起可燃物燃烧发生灾。短路电流的主要危害：（53）2）短路电流通过电气设备时，在相间会产生很大的电动力作用于导体之上，可造成设备的变形和损坏。3）在短路处一般会有电弧产生，高温电弧可烧毁故障设备或烧伤周围的人员，也可引起可燃物燃烧而发生灾。第一节高压电器相关知识4）短路电流通过变压器、线路等阻抗元件时，将产生很大的电压降，还会引起发电机端电压的降低，因此影响电力系统的正常供电。造成短路的主要原因有：⑴线路老化，绝缘破坏而造成短路；⑵电源过电压，造成绝缘击穿；⑶小动物（如蛇、野兔、猫等）跨接在裸线上；⑷人为的多种乱拉乱接造成；⑸室外架空线的线路松弛，大风作用下碰撞；⑹线路安装过低与各种运输物品或金属物品相碰造成短路。第一节高压电器相关知识二、高压电器中的电弧什么是电弧电弧是一种气体游离的放电现象。三部分组成：阴极区、阳极区和弧柱区＋－静触头阳极区弧柱区阴极区动触头电弧的气体放电是自持放电，维持电弧稳定燃烧的电压很低。电弧是一束游离的气体，质量极轻，容易变形。在气体或液体的流动作用下，或在电动力的作用下，电弧能迅速移动、伸长或弯曲。第一节高压电器相关知识1、开关电器中电弧的产生与熄灭当用开关电器开断电流时，如果电路电压不低于10—20伏，电流不小于80～100mA，电器的触头间便会产生电弧。(P53)＋－静触头阳极区弧柱区阴极区动触头◆触头的周围原本是空气或其它绝缘质，为什么在动静触头分离瞬间会变成导电的电弧呢？◆原因就在于在绝缘介质中出现了大量的自由电子。大量自由电子由阴极到阳极的定向运动就形成了电弧。第一节高压电器相关知识1）电弧的形成：①热电子发射当断路器的动、静触头分离时，触头间的接触压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子，形成热电子发射。②强电场发射开关电器分闸的瞬间，由于动、静触头的距离很小，触头间的电场强度就非常大，使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来，就形成强电场发射。电弧的本质：电弧的实质是一种气体放电(离子导电）现象。第一节高压电器相关知识③热游离从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动，在运动过程中不断地与中性质点（原子或分子）发生碰撞。当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离，这一过程称为碰撞游离。④碰撞游离弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。第一节高压电器相关知识第一节高压电器相关知识2）电弧的特征：①电弧由三部分组成。包括阴极区、阳极区和弧柱区。②电弧的能量集中，温度极高，亮度很强。③电弧是一种自持放电现象。④电弧是一束游离的的气体。3）电弧的危害：①电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。第一节高压电器相关知识②电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。③由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。4）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。要使电弧熄灭，就必须使去游离作用大于游离。第一节高压电器相关知识交流电弧熄灭tOABiuarc燃弧电压熄弧电压电弧电压、电流波形图随着正弦交流电流的周期性变化，交流电弧电流也将随之每半周过零一次。在电弧电流自然过零时，电弧向弧隙输送能量减少，电弧温度和热游离下降，电弧将自动熄灭。第一节高压电器相关知识交流电弧电流过零期间，同时存在两个对立的基本过程，一是介质强度恢复过程，一是弧隙电压恢复过程。交流电弧过零时自然熄灭，过零后是否重燃，取决于电源加在弧隙上的恢复电压与弧隙介质强度的耐压能力的恢复情况。如果在电流过零电弧自然熄灭时，采取有效措施加强弧隙的冷却，使弧隙介质的绝缘能力达到不会被弧隙外加电压击穿的程度，则在下半周电弧就不会重燃而最终熄灭。第一节高压电器相关知识(a)在t1时刻发生击穿，电弧重燃介质强度和弧隙电压的恢复过程tu0Ud(t)Ur(t)tu0Ud(t)Ur(t)tu0Ud(t)Ur(t)t1(b)电弧熄灭(c)电弧熄灭第一节高压电器相关知识交流电弧熄灭条件为：交流电弧电流过零后，如果弧隙介质强度恢复的速度超过了弧隙电压恢复的速度，则电弧熄灭。反之，电弧重燃。P54第一节高压电器相关知识2、加速电弧熄灭的方法开关电器中广泛采用的灭弧方法有⑴利用气体或油吹动电弧气体或液体吹弧即能加强对流散热，强烈冷却弧隙，又可部分取代原弧隙间已游离的气体或高温气体。利用灭弧介质:电弧中的去游离强度，很大程度上取决于电弧周围介质的特性，如介质的传热能力、介电强度、热游离温度和热容量等。这些参数的数值越大，则去游离作用越强，电弧就越容易熄灭。常用的灭弧介质有：空气，油(变压器油或断路器油)、SF6，真空第一节高压电器相关知识加快断路器触头的分离速度，快速拉长电弧，可使弧隙的电场强度骤降、电弧的长度和表面积增大，有利于冷却电弧和带电质点的扩散，去游离作用增强，加快介质强度的恢复。（P55)吹弧方式主要有纵吹与横吹两种。纵吹是吹动方向与电弧平行，它促使电弧冷却变细；横吹是吹动方向与电弧垂直，它把电弧拉长，使表面积增大并加强冷却而切断。(P55)⑵拉长电弧吹弧越强烈，对流散热能力越强，弧隙温度降低越快，弧隙间的带电质点扩散和复合越迅速，介质强度恢复就越快。第一节高压电器相关知识固体介质能使电弧迅速冷却，并使金属蒸汽大量在固体介质表面凝结。（P55）⑶电弧与固体介质接触⑷特殊介质灭弧SF6气体是一种人工合成气体，它具有强电负性，易俘获电子形成低活性的负离子，该负离子的运动速度要慢得多，使得去游离的几率增加。弧隙介质强度恢复过程极快，其灭弧能力相当于同等条件下空气的100倍。采用熔点高、导热系数大、耐高温的金属材料做成灭弧触头，可减少游离过程中的金属蒸汽、抑制游离作用。第二节高压断路器一、高压断路器的用途、类型和主要技术数据第二节高压断路器高压断路器是变电所主要的电力控制设备,具有灭弧特性,它的作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保证安全运行。1、高压断路器的用途断路器的工作状态（断开和闭合）是由它的操作机构控制的。2、高压断路器的类型第二节高压断路器2、高压断路器的类型按安装地点分：户内式和户外式两种。按灭弧原理和灭弧介质分：油断路器、六氟化硫断路器（SF6断路器）、真空断路器、压缩空气断路器等。⑴油断路器油断路器是采用绝缘油作为灭弧介质，根据油量的多少它又可分为多油断路器和少油断路器第二节高压断路器多油式断路器多断路器中的油除了作灭弧介质外，还作为触头后的弧隙绝缘以及带电部分与接地外壳之间的绝缘质。缺点：体积大，用油量多，金属耗材量大，有爆炸火灾危险，检修工作量大。（P56）优点：加工工艺要求不高、耐用、价格较低，内部带有电流互感器。第二节高压断路器少油式断路器断路器中的油只作灭弧介质和触头开断后的弧隙绝缘介质，而带电部分对地之间的绝缘采用瓷柱。优点：结构简单，体积小，材料消耗少，用油量少，重量轻，性能稳定，运行方便。应用广泛。缺点：抗震性稍差（P56）第二节高压断路器⑵真空断路器真空断路器是利用“真空”作绝缘介质和灭弧介质来灭弧。所谓“真空”是相对而言的，指的是绝对压力低于1个大气压的气体稀薄的空间。在这样的空间里，其绝缘强度很高，电弧很容易熄灭。（P56）真空断路器是将其动、静触头安装在“真空”的密闭容器（真空灭弧室）内而制成的一种断路器。优点：触头开距短(10kV级只需10mm，而油断路器需125mm)；燃弧时间短，且与开断电流无关，一般只有半个周期；触头寿命长，开断次数多；体积小，重量轻；缺点：对灭弧室工艺及触头材料要求高第二节高压断路器(3)六氟化硫(SF6)断路器SF6断路器采用具有优良灭弧能力和绝缘能力的SF6气体作为灭弧介质,具有开断能力强、动作快、体积小、不自燃等优点,但金属消耗多,价格较贵。近年来SF6断路器发展很快,在高压和超高压系统中得到广泛应用。⑷压缩空气断路器压缩空气断路器是利用压缩空气吹灭电弧。此种介质虽防火、防爆、无毒、无腐蚀性,取用方便，但结构复杂,工艺要求高,有色金属消耗多，现已逐渐被SF6断路器取代。第二节高压断路器3、高压断路器的主要参数⑴额定电压额定电压是指高压断路器正常工作时所能承受的电压等级。额定电压UN是指其线电压。⑵额定电流额定电流是指在规定的环境温度下，断路器长期允许通过的最大工作电流（有效值）。断路器规定的环境温度是40℃。（P57）第二节高压断路器⑶额定开断电流表征断路器的开断能力的参数,即在额定电压下,断路器能可靠开断的最大短路电流,通常也简称为额定开断电流。⑷额定关合电流额定关合电流是表征断路器关合电流能力的参数。额定关合电流是指保证断路器能可靠关合而又不会发生触头熔焊或其他损伤时，断路器所允许接通的最大短路电流。第二节高压断路器4、断路器型号及含义第二节高压断路器4、断路器型号及含义SN10－10/600－350N户内W户外产品设计序号额定电压(kV)额定电流(A)额定开断容量(kVA)S少油D多油K压缩空气Z真空LSF6FSF6封闭式额定开断容量SNbr对三相电路有NbrNNbrIU3S第二节高压断路器二、高压真空断路器真空断路器是以真空作为灭弧和绝缘的介质，其核心部件是真空灭弧室。基本特点：价格高、但体积小、重量轻、噪音小、无可燃物、维护工作量少。大量使用于3KV—35KV发电厂、变电所及高压用户变电所。应用：1）真空灭弧室真空灭弧室是真空开关的核心部件，真空开关的合、分操作，是通过位于真空灭弧室外的操动机构使真空灭弧室内的一对对置触头闭合或分断来完成的。第二节高压断路器真空灭弧室的基础结构如上图1—静端盖板;2—主屏蔽罩;3—触头;4—波纹管;5—动端盖板;6—静导电杆;7—绝缘外壳;8—动导电杆第二节高压断路器真空灭弧室的主体结构真空灭弧室主要由：气密绝缘系统、导电系统、屏蔽系统、触头系统几部分组成。第二节高压断路器①绝缘外壳材料：绝缘外壳的材料有