单元3 建筑供配电系统设备及线缆的选择(1)

教学内容 电气设备中电弧的产生及灭弧方法高低压一次设备功能 结构 工作原理 选择与校验互感器功能 结构 工作原理 选择与校验电力线路结构 选择电力变压器 重点内容 主要电气设备功能 结构 工作原理 选择与校验 单元3建筑供配电系统设备及线缆的选择 一次电路一次设备 概述 供配电系统的电气设备 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 保护电器 测量仪表 电力线路和用电设备等 担负输送 变换和分配电能任务的电路称为主电路 也叫一次电路 一次电路中的所有电气设备称为一次设备 用来控制 指示 监测和保护一次电路运行的电路 称为二次电路 二次电路中的所有电气设备称为二次设备 概述 本章主要介绍常用的高压和低压一次设备 也称为高压电器和低压电器 一次设备可按其在一次电路中的功能再进行分类 电弧的产生 电弧 开关电器在接通或开断有电流的电路时 触头间就可能产生电弧 电弧是一种气体放电现象 放电过程中伴随着高温和强光 电气设备中电弧的产生及灭弧方法 产生电弧的游离方式 强场发射 开关触头分断电流的瞬间 触头间很强的电场使阴极表面的电子逸出 成为自由电子 产生电弧的根本原因 触头本身及触头周围的介质中含有大量可被游离的电子 热电发射 当开关触头分断电流时 阴极表面由于大电流逐渐收缩集中而出现炽热的光斑 温度很高 可使其中电子获得巨大动能 逸出金属成为自由电子 电子崩 电弧的产生 产生电弧的游离方式 碰撞游离 在强电场的作用下 间隙中的自由电子向阳极加速移动而获得动能 动能积累到一定数值后 碰撞中性质点就会使中性质点游离 游离后新产生的电子和原有电子又将从电场获得动能 继续引起游离 使触头间隙中正离子和电子数目迅速增加 象 雪崩 一样 形成了所谓电子崩 电气设备中电弧的产生及灭弧方法 电弧的产生 产生电弧的游离方式 热游离 热游离 上述几种游离方式的综合作用 使得触头在带电开断时产生电弧并得以维持 电弧表面温度达3000 4000 弧心温度可高达10000 间隙中质点剧烈热运动而相互碰撞 电气设备中电弧的产生及灭弧方法 电弧的影响 延长开断时间 高温烧损触头 弧光短路 弧光伤眼 电弧的熄灭 熄灭电弧的条件去游离率大于游离率 熄灭电弧的去游离方式 正负带电质点的 复合 电弧中的电场强度越弱 电弧的温度越低电弧截面越小 则带电质点的复合越强此外 复合与电弧接触的介质性质也有关 正负带电质点的 扩散 扩散的原因 温度差 浓度差 电气设备中电弧的产生及灭弧方法 开关电器中常用的灭弧方法 速拉灭弧冷却灭弧吹弧灭弧粗弧分细长弧切短狭沟灭弧真空灭弧六氟化硫灭弧 开关电器中最基本的灭弧方法 利用介质来降低电弧的温度 增强去游离来加速熄弧 利用气流 油流或电磁力来吹动电弧 使电弧拉长而场强降低 同时电弧冷却 将粗弧分成若干平行的细小电弧 增大了电弧与周围介质的接触面 改善了电弧的散热条件 将长弧切成若干短弧 维持电弧燃烧的电压降增加 电弧在固体介质狭沟中燃烧 冷却条件改善 通常综合利用上述某几种灭弧方式组合 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 电气设备中电弧的产生及灭弧方法 高压熔断器 高压一次设备 熔断器 一种当所在电路的电流超过规定值并经一定时间后 使其熔体熔化而分断电流 断开电路的一种保护电器 功能 短路保护 有的 过负荷保护特点及应用 熔断器结构简单 价格低廉 维护方便 但其容量小 保护特性较差 因而仅使用在35kV及以下电压等级的小容量且不太重要的电气装置中符号 型号 高压熔断器 高压一次设备 高压熔断器 高压一次设备 高压熔断器的结构及工作原理 RN1 RN2型户内高压管式熔断器 冶金效应 熔丝并联 粗弧分细 石英砂 冷却灭弧 指示器 限流 熔断器 RNl 高压线路和设备的短路保护 也能起过负荷保护的作用 RN2 电压互感器一次侧短路保护 0 5A 高压熔断器 高压一次设备 高压熔断器的结构及工作原理 XRNT XRNP型高压限流熔断器 组成 瓷质熔管 丝状或片状熔体 纯铜或纯银 高纯度石英砂 瓷芯柱 撞击器等 撞击器 当出现短路故障熔丝熔断时 与撞击器相连接和熔体并联的高阻钨丝 或康铜丝 流过大电流而熔断 撞击器迅速弹出 驱动连锁电器 常用负荷开关 的脱扣器而使开关跳闸或并发出熔断信号 高压熔断器 高压一次设备 高压熔断器的结构及工作原理 RW4型户外高压跌开式熔断器 正常运行时 借熔丝张力拉紧使电路接通 线路上发生短路时 短路电流使熔丝熔断 形成电弧 消弧管由于电弧烧灼而分解出大量气体 使管内压力剧增 并沿管道形成强烈的气流纵向吹弧 使电弧熄灭 熔丝熔断后 失去张力 回转跌开 造成明显可见的断开间隙 非限流 熔断器 高压熔断器 高压一次设备 高压熔断器的结构及工作原理 RW10 10F负荷型户外高压跌开式熔断器 一般跌开式熔断器的静触头上加装简单的灭弧室 因而能带负荷操作 高压熔断器 高压一次设备 熔断器的工作特性 弧前电流 时间特性 保护特性 反时限 高压限流熔断器限流特性 反映灭弧能力 它能将预期短路电流限制在较小的范围内 高压隔离开关 高压一次设备 功能 隔离电源 安全检修通断小电流 空载变压器 空载线路 电压互感器 避雷器结构特点 具有明显可见的断开间隙 无灭弧装置注意事项 不能带负荷操作 符号 高压隔离开关 高压一次设备 型号 高压隔离开关 高压一次设备 结构 GN8 10 GN19 12 功能 通断负荷电流和过负荷电流隔离电源 安全检修 结构有明显可见的断开间隙 结构特点 隔离开关 简单的灭弧装置注意事项 一般 不能断开短路电流 与高压熔断器串联使用 借助熔断器来切断短路电流 符号 高压负荷开关 高压一次设备 型号 高压负荷开关 高压一次设备 高压负荷开关 高压一次设备 结构 作为分 合负载电流 过载电流及关合短路电流之用 与限流熔断器组合后的组合电器可以可靠开断直至短路电流的任何电流 负荷开关开断工作电流 熔断器开断短路电流 熔断器通过其撞击器使负荷开关分闸 联合开断工作电流与全短路电流之间的任何过电流 FN12 12型系列户内交流高压压气式负荷开关 高压负荷开关 高压一次设备 FN3 12系列 FN5 12系列 FN7 12系列 FZN16A 12户内高压真空负荷开关 FLN36 型户内高压六氟化硫负荷开关 高压断路器 高压一次设备 功能 通断正常负荷电流自动跳闸 切除短路故障 结构特点 有完善灭弧装置无明显可见的断开间隙 符号 一般与高压隔离开关配合一起使用 按系统要求完成各自不同的功能 高压断路器 高压一次设备 型号 断流容量M VA 高压断路器 高压一次设备 油断路器 多油断路器 少油断路器 真空断路器 SF6断路器 压缩空气断路器 磁吹断路器 油作为灭弧和绝缘用 油只作灭弧介质用 目前在10 35kV电压等级中尚有使用 利用真空作为绝缘和灭弧介质 利用SF6气体作灭弧和绝缘介质 利用磁场对电弧的作用而熄弧 利用压缩空气吹弧 现基本无应用 断路器 高压开关柜 高压一次设备 按一定的线路方案将有关一 二次设备组装而成的一种高压成套配电装置高压开关设备保护电器监测仪表和母线绝缘子应用用于6 10kV供配电系统中受电及配电的控制 监测和保护 35kV系统现也已开始大量采用发电厂和变配电所中控制和保护发电机 变压器 高压线路大型高压交流电动机的起动和保护 高压开关柜 N 户内型W 户外型 K 铠装式J 间隔式X 箱式H 环网式 一次线路方案编号 额定电压 kV 结构型式 G 固定式Y 移开式 操作机构 D 电磁式T 弹簧式 设计序号 安装地点 高压开关柜 高压一次设备 类型及型号 固定式高压开关柜 高压开关柜 高压一次设备 柜内所有电器部件都固定安装在不能移动的台架上 优点 构造简单 制造成本低 安装方便 不足 内部主要设备发生故障或需要检修时 必须中断供电 直到故障消失或检修结束后才能恢复供电 应用 企业中小型变配电所和负荷不是很重要的场所 常用系列 GG 1A F KGN XGN HXGN 手车式 移开式 高压开关柜 高压开关柜 高压一次设备 将某些主要电器设备 如高压断路器 电压互感器或避雷器等 固定安装在可移动的手车上 另一部分电器设备则装置在固定的台架上 价格较高 当手车上安装的电器设备发生故障或需检修 更换时 可以随同手车一起移出柜外 再推入同类备用手车 即可恢复供电 主要用于大中型变配电所和负荷较重要 供电可靠性要求较高的场所 主要新产品有JYN系列 KYN等系列等 高压开关柜 气体绝缘全封闭组合电器 高压一次设备 SF6全封闭组合电器 Gas insulatedswithgear 简称GIS 一座变电所中除变压器以外的一次设备经优化设计有机地组合成一个整体 并全部封闭在充以一定压力的SF6气体并接地的金属外壳内 优点 集成度高 占地少 不受外界环境条件影响 可靠性高 无触电及火灾危险 安全性能好 不会发生噪声和无线电干扰 维护方便 检修周期长等 缺点 制造工艺要求高 金属耗量大 价格昂贵 若发生故障 损失将十分严重 应用 起始电压为60kV 主要用于布置场地特别狭窄地区 如狭谷 地下 城区变电所 气体绝缘全封闭组合电器 高压一次设备 SF6全封闭组合电器 运行在中国天生桥水电站的550kVGIS 运行在中国福建水口电站的550kVHGIS 气体绝缘全封闭组合电器 高压一次设备 柜式气体绝缘金属封闭开关设备 充气柜C GIS 用于10 35kV或更高电压输配电系统以接受或分配电能并对系统实行控制 保护 测量 监视 通讯等功能的新型开关设备 优点 不受外界环境 如凝露 污秽 海拔高度 化学物质 小动物等的影响 无锈蚀 氧化程度很低 可靠性较高 占地面积少 可实现小型化 结构模块化 组合灵活 一次主接线可得到简化 二次部分功能增强 利于实现信息化等 应用 适用于地铁工程 机场 水运码头 工作环境潮湿且狭小的工矿企业 多尘多沙地区 建筑物密集的市区等 气体绝缘全封闭组合电器 高压一次设备 柜式气体绝缘金属封闭开关设备 充气柜C GIS XGN46 40 5 Z 型C GIS进线柜 ABB SafeRing充气柜 高压一次设备的选择与校验 高压一次设备 高压一次设备选择的一般条件 正常工作条件环境条件 位置 室内或室外 环境温度 海拔高度以及有无防尘 防腐 防火 防爆等电气要求 电压 电流 频率等断流能力短路故障条件动稳定度热稳定度 高压一次设备的选择与校验 高压一次设备 表4 3部分高压一次设备的选择校验项目 高压一次设备的选择与校验 高压一次设备 高压断路器的选择与校验 除了按电气条件选择额定电压和额定电流及按短路条件校验动稳定性和热稳定性外 高压断路器的选择还应注意以下几点 按短路电流或短路容量选择断流能力 按短路冲击电流选择短路关合能力 操作性能的要求 有频繁操作要求的线路或设备 配置的断路器应选择真空断路器或SF6断路器 高压一次设备的选择与校验 高压一次设备 高压负荷开关的选择与校验 除了按电气条件选择额定电压和额定电流及按短路条件校验动稳定性和热稳定性外 注意以下几点 断流能力按切断最大可能的过负荷电流来校验 应当具有等于其额定峰值耐受电流的额定短路关合电流 以保证负荷开关误投到短路回路时不致损坏 与限流熔断器配合使用的负荷开关 可不进行动稳定性和热稳定性的校验 高压一次设备的选择与校验 高压一次设备 高压隔离开关的选择与校验 高压隔离开关按照表4 3项目进行选择与校验 但 高压隔离开关不允许负荷操作 只作隔离电源用 因此不校验其断流能力 高压一次设备的选择与校验 高压一次设备 高压熔断器的选择与校验 按表4 3项目进行选择与校验时 应注意以下几点 对于一般的高压熔断器 其额定电压必须大于或等于电网的额定电压 对于高压限流熔断器 则只能用在等于其额定电压的电网中 同一熔管可配置不同额定电流的熔体 但熔管的额定电流应大于或等于熔体的额定电流 熔体额定电流选择 保护电力线路 保护电力变压器 保护电力电容器 保护电压互感器 断流能力校验 非限流式熔断器 限流式熔断器 低压一次设备 低压熔断器 类型 低压一次设备 低压熔断器 型号 低压一次设备 低压熔断器 RMl0型低压密闭管式熔断器 变截面锌熔片 长弧分短 纤维熔管 电弧灼烧而分解 产生高压气体 加强离子的复合 改善灭弧性能 灭弧断流能力较差 属非限流熔断器 结构简单 价廉 更换熔片方便 低压一次设备 低压熔断器 RT0型低压有填料封闭管式熔断器 限流 熔断器 保护性能好 断流能力大 应用广泛 熔体熔断后整个熔断体报废 不够经济 低压一次设备 低压熔断器 RT16 NT RT18型熔断器 一种高分断能力熔断器 其结构与RT0型相似 熔管为高强度陶瓷管 内装优质石英砂 熔体采用优质材料制成 主要特点为体积小 重量轻 功耗小 分断能力高 限流特性好 RT16 RT18 RT18圆筒帽形熔断器具有体积小 密封好 分断能力高 指示灵敏 动作可靠 安装方便等优点 低压一次设备 低压隔离器和低压隔离开关 低压隔离器 在低压配电系统中为了确保维护测试和检修人员的安全应有明显的断开装置 若电路中电流可忽略 隔离器能分断或接通电路 带灭弧室的产品在规定的条件下可用来接通或分断交流电路 能承载正常电路条件下的电流 以及在一定时间内承载非正常电路条件下 如短路 的电流 结构由操作机构 手柄 转轴 支架和拉杆 和安装在底板上的触头 刀片 灭弧罩等组成 常用的有HD系列 也称刀开关 HS系列 刀形转换隔离器 等 HS HD 低压一次设备 低压隔离器和低压隔离开关 低压隔离开关 在断开状态下能符合隔离器的隔离要求的开关称为低压隔离开关 QA系列隔离开关每相结构上由短接铜排直接串联两组触头组成 分断能力较高 QP系列隔离开关每相结构上由两组触头并联组成 分断能力较低 但电流容量较大 Q系列隔离开关不仅具有电气隔离作用 而且能不频繁接通和分断电路 主要使用在具有高短路电流 低功率因数的供配电电路中 作为手动 不频繁操作的主开关或总开关 尤其适合于安装在抽出式低压成套装置中 低压一次设备 低压熔断器组合电器 熔断器组合电器是将机械开关电器与一个或几个熔断器组装在同一单元的组合电器 类型较多 包括开关熔断器组 负荷开关 隔离器熔断器组 熔断器式开关 刀熔开关 熔断器式隔离器等 常用的有 QSA系列隔离开关熔断器组 HH系列负荷开关 HK系列开启式负荷开关 HR系列熔断器式刀开关 HG1系列熔断器式隔离器 QSA等 低压一次设备 低压断路器 低压断路器是低压供配电系统中性能最完善的开关电器 它不仅能带负荷通断电路 而且能在短路 过负荷 欠压或失压时自动跳闸 断开故障电路 低压断路器型号 D 低压断路器 产品名称 Z 塑料外壳式 装置式 W 框架式 万能式 其他标志 派生代号 P 电动操作M 密封式 极数 额定电流 A 结构型式 X 限流式L 漏电保护 设计序号 脱扣器及辅助机构代号 低压一次设备 低压断路器 低压断路器分类 低压一次设备 低压断路器 常用低压断路器 塑料外壳式低压断路器 装置式 主要特征是 所有部件都安装在一个塑料外壳中 仅在塑壳正面中央有外露的操作手柄 没有裸露的带电部分 提高了使用的安全性 小容量的断路器 50A以下 采用手动操作 大容量断路器可以手动操作 亦可电动操作 一般用于配电馈线控制和保护 小型配电变压器的低压侧出线总开关 动力配电终端控制和保护 住宅配电终端控制和保护 也可用于各种生产机械的电源开关 我国自行开发的塑壳式断路器系列有 DZ15系列 DZ20系列 DZ25系列等 引进技术生产的有TO系列 TG系列 H系列 3VE系列 M611 DZ106 系列 C45N DZ47 系列等 装置式 低压一次设备 低压断路器 常用低压断路器 框架式低压断路器 万能式 框架式装在金属或塑料的框架上 框架式低压断路器的保护方案和操作方式较多 既有手柄操作 又有杠杆操作 电磁操作和电动操作等 安装地点也很灵活 既可装在配电装置中 又可安在墙上或支架上 相对于塑壳断路器 框架式断路器的电流容量和断流能力较大 主要用于配电变压器低压侧总开关 低压母线分段开关或大容量馈线开关和大型电动机控制开关等 我国自行开发的万能式断路器系列有DW15 DWl8 DW40 DW48 DW914系列等 引进技术的产品有ME系列 DW17 AH系列 DW914 AE系列 DW19 3WE系列等 万能式 低压一次设备 低压断路器 低压断路器保护特性 非选择型 两段式选择型三段式选择型 脱扣器一般为热 电磁式 脱扣器一般为电子式或智能式 原理图 低压一次设备 低压开关柜 类型及型号 低压开关柜是按不同用途和使用场合 将所需一 二次设备按一定的线路方案有机组合而成的一种成套配电装置 在低压供配电系统中用于控制 保护和测量 低压开关柜 P 开启式J 封闭式 一次线路方案编号 结构型式 G 固定式C 抽屉式H 混形式 用途代号 L D 动力用 设计序号 辅助电路方案编号 低压一次设备 低压开关柜 固定式低压开关柜 固定式低压开关柜的所有一 二次设备固定安装 结构简单 价格便宜 广泛用于中小用户 我国目前应用的主要有PGL1 2型和GGD GGL型等 抽屉式低压开关柜 抽屉式低压开关柜是将一 二次设备安装在各个抽屉内 再装于各个功能单元隔室 可根据需要推入或抽出 具有操作安全 易于检修及维护 更换故障开关容易等优点 可以缩短停电时间 我国目前应用的抽出式低压开关柜主要有GCL K GCS MNS型等 可用作动力中心 PC 和电动机控制中心 MCC 低压开关柜 低压一次设备 低压一次设备的选择与校验 低压一次设备的选择和高压一次设备的选择一样 除应满足电气设备正常工作条件外 根据情况按短路故障条件进行校验 同时在保证供配电系统安全可靠的前提下 做到运行维护方便 技术先进 经济合理 表4 7低压一次设备的选择校验项目 低压一次设备 低压一次设备的选择与校验 低压断路器的选择与校验 额定电压不应低于所在线路的额定电压 断路器的壳架额定电流应不小于它所安装的脱扣器额定电流 过电流脱扣器的额定电流应不小于线路的计算电流 过电流脱扣器动作电流和动作时间的整定 瞬时过电流脱扣器动作电流的整定 瞬时过电流脱扣器的动作时间通常在0 02s以内 动作电流应躲过最大一台电动机的全起动电流 尖峰电流 低压一次设备 低压一次设备的选择与校验 低压断路器的选择与校验 过电流脱扣器动作电流和动作时间的整定 短延时过电流脱扣器动作电流和动作时间的整定 动作电流应躲过线路的尖峰电流 动作时间按前后保护装置的保护选择性要求来确定 前一级保护的动作时间应比后一级保护的动作时间长一个时间级差 0 1 0 2s 如 低压一次设备 低压一次设备的选择与校验 低压断路器的选择与校验 过电流脱扣器动作电流和动作时间的整定 长延时过电流脱扣器动作电流和动作时间的整定 动作电流应躲过应躲过线路的最大负荷电流 长延时过电流脱扣器的动作时间 应躲过允许过负荷的持续时间 其动作特性通常为反时限 低压一次设备 低压一次设备的选择与校验 低压断路器的选择与校验 断路器保护与被保护线路的配合 对过负荷保护 断路器长延时脱扣动作电流不大于线路导体允许持续载流量即可 对短路保护 配合条件是 满足导体的热稳定条件 根据经验 选用带短延时脱扣器的断路器所保护的配电干线截面不会太小 一般能满足热稳定要求 可不作校验 如果不满足配合要求 则应改选脱扣器的动作电流 或者适当加大绝缘导线和电缆的芯线截面 断路器保护与被保护线路的配合 K为灵敏度最小值 取1 3 低压一次设备 低压一次设备的选择与校验 低压断路器的选择与校验 断路器断流能力校验 当断路器动作时间在0 02s以上时 其极限分断电流应不小于通过它的最大三相短路电流周期分量有效值 当断路器动作时间在0 02s及以下时 其极限分断电流应不小于通过它的最大三相短路冲击电流 低压一次设备 低压一次设备的选择与校验 低压熔断器的选择与校验 低压熔断器额定电压不应低于所在线路的额定电压 低压熔断器额定电流是指熔断器的支持件的额定电流 其值应不小于它所安装的熔体额定电流 低压熔断器熔体额定电流的选择应满足以下条件 应不小于线路的计算电流 应躲过电动机正常起动产生的尖峰电流 熔体额定电流的选择与被保护线路的配合 对过负荷保护 熔体电流在16A以上时 熔体电流不大于线路导体允许持续载流量即可 对短路保护 可通过校验绝缘导体的热稳定来确定是否配合 低压一次设备 低压一次设备的选择与校验 低压熔断器的选择与校验 保护灵敏度的检验 为了保证熔断器在其保护范围内发生最轻微的短路故障时能可靠地熔断 熔断器保护的灵敏度必须满足下列条件 表4 8熔断器保护灵敏度最小值K 低压熔断器断流能力校验方法同高压熔断器 低压一次设备 低压一次设备的选择与校验 低压保护电器级间选择性配合 配电线路采用的上下级保护电器 既要保证其动作的可靠性 又要保证有选择性地切断故障电路 各级之间应能协调配合 即当在给定范围内出现过电流时 应是指定的保护电器动作 而其他的不动作 以达到尽可能地缩小断电范围 提高供电可靠性的要求 这就需要恰当的选择保护电器 正确整定保护电器的额定电流 动作电流和动作时间 以使两个或多个保护电器之间的保护特性合理配合 满足选择性的要求 对于非重要负荷的保护电器 也可采用无选择性切断 低压一次设备 低压一次设备的选择与校验 低压保护电器级间选择性配合 熔断器的级间配合 在过载和短路电流较小的情况下 上 下级熔断体之间可按时间 电流特性不相交或按上 下级熔断体的过电流选择比来选配 额定电流16 及以上的两级熔断体的熔体额定电流之比为1 6 1时 就能满足上 下级选择性配合要求 标准规定熔体额定电流值也是近似按这个比例制定的 如25 40 63 100 160 250以及32 50 80 125 200 315等 在短路电流非常大而熔断器弧前时间又小于0 01s时 除满足上述条件外 上级熔断器弧前I2t值大于下级熔断器I2t值 低压一次设备 低压一次设备的选择与校验 低压保护电器级间选择性配合 断路器的级间配合 对过负荷保护 对短路保护 上级用非选择型断路器 下级也用非选择型断路器 灵敏性要求和选择性要求很难同时满足 整体来说 这种方式没有选择性 结 低压一次设备 低压一次设备的选择与校验 低压保护电器级间选择性配合 断路器