电力工程基础 变电所的一次系统 第一版

第五章变电所的一次系统电力工程基础2021/10/142第五章变电所的一次系统5.1概述5.2高低压开关电器5.3高低压保护电器和限流电器5.4电力变压器5.5互感器5.6高低压成套配电装置5.7电气主接线5.8电气设备的选择5.9变电所的总体布置2021/10/1435.1概述一、电气设备概述一次系统（一次回路）：二次系统（二次回路）：担负电能的输送和分配任务的系统。对一次系统进行监视、控制、测量和保护作用的系统。一次系统中的所有电气设备，称为一次设备。二次系统中的所有电气设备，称为二次设备。2021/10/1445.1概述一次设备按其功能可分为以下几类：变换设备：如电力变压器、电流互感器、电压互感器等。开关设备：如断路器、隔离开关、负荷开关等。保护设备：如熔路器、避雷器、电抗器等。无功补偿设备：如电力电容器、静止补偿器等。成套配电装置：如高压开关柜、低压配电屏等。2021/10/1455.1概述二、开关电器的灭弧原理1．电弧的产生：高电场发射热电发射在开关触头分开的瞬间，由于触头距离很小，电场强度很大。在高电场的作用下，阴极表面的电子就会被强拉出去，成为自由电子。当开关分断电流时，弧隙间的高温使触头阴极表面受热出现强烈的炽热点，不断地向外发射自由电子，在电场力的作用下，向阳极作加速运动。碰撞游离当电场强度足够大时，自由电子以相当大的动能向阳极运动，途中与中性质点碰撞，产生碰撞游离，中性质点被游离成正离子和自由电子。热游离由于电弧的温度很高，在高温下电弧中的中性质点会产生剧烈运动，它们之间相互碰撞，又会游离出正离子和自由电子，从而进一步加强了电弧中的游离。是触头间中性质点被游离的结果。产生电弧的游离方式有：2021/10/1465.1概述2．电弧的熄灭电弧熄灭的条件：去游离的主要方式有：复合：指正、负带电质点重新结合为中性质点。复合与电弧中的电场强度、温度及电弧截面等因素有关。电弧中的电场强度越弱，电弧温度越低，电弧截面越小，带电质点的复合越强。扩散：指电弧中的带电质点向周围介质扩散开去。扩散的主要原因是由于电弧与周围介质带电质点的温度不同和离子浓度不同而引起。扩散也与电弧截面有关，电弧截面越小，离子扩散就越强。使触头间电弧中的去游离率大于游离率，即使离子消失的速度大于离子产生的速度。2021/10/1475.2高低压开关电器一、高压断路器1.高压断路器的用途（功能）2.对高压断路器的基本要求绝缘应安全可靠；有足够的动稳定性和热稳定性；有足够的开断能力；动作速度快，熄弧时间短。结构特点：具有相当完善的灭弧结构。不仅能通断正常负荷电流，而且能通断一定的短路电流，并能在保护装置作用下自动跳闸，切除短路故障。2021/10/1485.2高低压开关电器3.高压断路器的类型油断路器：分为多油断路器和少油断路器两大类。图5-5和图5-6是SN10-10型少油断路器的外形结构图及其一相油箱内部结构。图5-6少油断路器的内部结构图5-5SN10-10型高压少油断路器2021/10/1495.2高低压开关电器六氟化硫（SF6）断路器：有双压式和单压式两类。SN10-10型少油断路器的灭弧原理可用图5-7表示。图5-7少油断路器灭弧原理示意图图5-8SF6断路器的灭弧室结构双压式具有两个气压系统，低压气体系统主要用作断路器的内部绝缘；高压气体系统用于灭弧。其优点是开断容量大，动作迅速，但结构复杂。单压式只有一个低压气压系统，其优点是结构简单，易于制造，可靠性高，便于维护，应用比较广泛。图5-8为单压式SF6断路器灭弧室的结构。优点：断流能力强、灭弧速度快、电绝缘性能好、检修周期长、没有燃烧爆炸危险等。缺点：要求加工精度高，密封性能好，价格较昂贵。图5-9为LW36-126型SF6断路器的外形结构。其它型号的外形结构图5-9LW36-126型SF6断路器2021/10/14105.2高低压开关电器真空断路器：图5-10真空断路器的灭弧室结构真空断路器灭弧室的结构如图5-10所示。目前，国际上真空断路器的设计制造单位主要是西门子公司和ABB公司两大派别。西门子公司的代表产品有3AF、3AG及3AH等；ABB公司的代表产品有VD4。2021/10/14115.2高低压开关电器优点：体积小、重量轻、动作快、寿命长、操作噪声小、安全可靠、便于维护。图5-11和图5-12分别为ZN28A-12型户内式和ZW32-12型户外式真空断路器的外形结构。其它型号的外形结构缺点：价格较贵。图5-11ZN28A-12型真空断路器图5-12ZW32-12型户外高压真空断路2021/10/14125.2高低压开关电器高压断路器的型号：2021/10/14135.2高低压开关电器4.断路器的操作机构断路器合闸时，操作机构必须克服断路器弹簧阻力等，合闸操作需做的功很大；断路器跳闸时，只要将维持机构的脱扣器释放打开，在跳闸弹簧作用下可迅速跳闸，所以跳闸操作所需做的功很小。手动式（CS型）直流电磁式（CD型）弹簧储能式（CT型）操作机构是指用以进行断路器合闸、保持合闸位置和跳闸的，每种操作机构均包括合闸机构、跳闸机构和维持机构三部分。能手动跳、合闸和远距离跳闸，不能远距离合闸，操作电源为交流。能手动和远距离跳合闸，便于实现自动化，结构简单，零件数量少，工作可靠，制造成本低，但需直流操作电源，且合闸功率大。能手动和远距离跳合闸，结构复杂，零件数量多，且要求加工精度高，制造工艺复杂，成本高，但可用交流操作电源，还可实现一次重合闸。2021/10/14145.2高低压开关电器5.高压断路器的基本参数额定电压UN：指断路器长期正常工作所能承受的电压。额定电流IN：指断路器允许长期通过的最大工作电流。额定开断电流IN.oc：指断路器在额定电压下能够正常开断的最大短路电流，它表征断路器的开断能力。额定开断容量SN.oc：指断路器额定电压和额定开断电流的乘积，即ocNNocNIUS3说明：如果断路器的实际运行电压U低于额定电压UN而额定开断电流不变，此时的开断容量应修正为：NocNocUUSS2021/10/14155.2高低压开关电器热稳定电流Its：表征断路器承受短路电流热效应的能力。ocNtsII动稳定电流imax：表征断路器承受短路电流力效应的能力。分闸时间：指断路器从得到分闸命令起，到三相电弧完全熄灭为止的一段时间，它包括断路器的固有分闸时间和燃弧时间两部分。合闸时间：指断路器从接到合闸命令起，到三相触头刚接触为止的一段时间。固有分闸时间：指断路器从得到分闸命令起，到主触头刚分离的一段时间；燃弧时间：指从主触头分离到三相电弧完全熄灭的一段时间。2021/10/14165.2高低压开关电器二、高压隔离开关（俗称刀闸）1.隔离开关的用途结构特点：没有灭弧装置。隔离电压：隔离开关断开后在电路中可以造成一明显可见的断开点，建立可靠的绝缘间隙，保证检修人员的安全。倒闸操作：合闸时，先合上隔离开关，后合上断路器；跳闸时，先断开断路器，后断开隔离开关。分、合小电流：可以接通或断开电流较小的回路（如电压互感器、避雷器、空载母线、励磁电流不超过2A的空载变压器、电容电流不超过5A的空载线路等）。2021/10/14175.2高低压开关电器2.高压隔离开关的类型按安装地点分：户内式和户外式；按绝缘支柱的数目分：单柱式、双柱式和三柱式；按刀闸的运行方式分：水平旋转式、垂直旋转式、摆动式和插入式；按有无接地刀闸分：单接地刀闸、双接地刀闸和无接地刀闸。2021/10/14185.2高低压开关电器户内式隔离开关3.隔离开关的外形与结构图5-13GN8-10型户内式隔离开关图5-13为GN8-10型户内隔离开关的外形结构。2021/10/14195.2高低压开关电器户外式隔离开关图5-14为GW4-110型双柱式户外隔离开关的外形结构。图5-14GW4-110型双柱式隔离开关2021/10/1420图5-15GW5-110D型V形双柱式隔离开关图5-15为GW5-110D型V形户外隔离开关的外形结构。5.2高低压开关电器2021/10/14215.2高低压开关电器4.隔离开关的操作机构手动杠杆操作机构；手动蜗轮操作机构；隔离开关的型号：电动操作机构；气动操作机构。2021/10/14225.2高低压开关电器三、高压负荷开关结构特点：有简单的灭弧装置。功能：可以接通或断开正常的负荷电流，但不能切断短路电流；多与高压熔断器配合使用。与隔离开关一样，具有明显的断开间隙，也具有隔离电源，保证安全检修的功能。负荷开关的分类：按安装地点分：户内式和户外式；按结构不同分：油负荷开关、真空负荷开关、SF6负荷开关、产气式负荷开关、压气式负荷开关；按操作方式分：手动操作和电动操作。2021/10/14235.2高低压开关电器图5-16为FN3-10型户内压气式负荷开关的外形结构。负荷开关的型号：图5-16FN3-10RT型高压负荷开关2021/10/14245.2高低压开关电器图5-17和图5-18分别为ZFN-10型户内高压真空负荷开关和ZFN-10R型高压真空负荷开关-熔断器组合电器的外形结构。图5-17ZFN-10型高压真空负荷开关图5-18ZFN-10R型高压真空负荷开关其它真空负荷开关的外形结构如图所示。2021/10/14255.2高低压开关电器四、低压开关1．低压刀开关按极数分：有单极、双极和三极三种;按用途分，有单投和双投两种；按操作方式分：直接手柄操作和连杆操作两种；按灭弧结构分，有不带灭弧罩和带灭弧罩两种。低压刀开关的分类不带灭弧罩的刀开关只能在无负荷下操作，可作低压隔离开关使用；带灭弧罩的刀开关能通断一定的负荷电流。2021/10/14265.2高低压开关电器图5-19为HD13型刀开关的外形结构。图5-19HD13型低压刀开关低压刀开关的型号2021/10/14275.2高低压开关电器2．低压刀熔开关HR系列刀熔开关是将HD型刀开关的闸刀换以具有刀形触头的RT型熔断器的熔管，具有刀开关和熔断器双重功能。刀熔开关的型号:2021/10/14283．低压负荷开关由低压刀开关与低压熔断器串联组合而成，具有带灭弧罩的刀开关和熔断器的双重功能，既可以带负荷操作，又能进行短路保护。常用的低压负荷开关有HH和HK两种系列:5.2高低压开关电器HH系列：为封闭式负荷开关，将刀开关与熔断器串联，安装在铁壳内构成，俗称铁壳开关；HK系列：为开启式负荷开关，外装瓷质胶盖，俗称胶壳开关。2021/10/14295.2高低压开关电器五、低压断路器（低压自动开关或空气开关）功能：既能带负荷通断电路，又能在线路发生短路、过负荷、低电压（或失压）等故障时自动跳闸。1．低压断路器的工作原理低压断路器原理图图5-2051098764321CAB低压断路器的动作原理可用图5-20表示。2021/10/14302．低压断路器的分类按电源种类分：有交流和直流两种；按结构型式分：有装置式和万能式两大类；按其灭弧介质分：有空气断路器和真空断路器等；按操作方式分：有手动操作、电磁铁操作和电动机储能操作；按保护性能分：有非选择型断路器、选择型断路器和智能型断路器；按用途分：有配电用断路器、电动机保护用断路器、照明用断路器和漏电保护断路器。5.2高低压开关电器2021/10/14315.2高低压开关电器低压断路器的型号：2021/10/14325.2高低压开关电器装置式低压断路器又称塑料外壳式自动开关，其全部机构和导电部分均装设在一个塑料外壳内，仅在壳盖中央露出操作手柄，供手动操作之用，如图5-21所示。2021/10/14335.2高低压开关电器万能式低压断路器又称框架式自动开关。它无外壳，其全部机构和导电部分敞开地装设在塑料的或金属的框架上。由于它的保护方案和操作方式较多，装设地点也很灵活，故称“万能式”或“框架式”。图5-22为DW15系列低压断路器的外形结构图。2