电气设备的工作原理与选择

1、 第第2章章 电气设备的工电气设备的工作原理及选择作原理及选择2.1 开关电器中的电弧开关电器中的电弧 2.1.1 电弧现象电弧现象u电弧绝缘介质(空气、油等)被击穿的放电现象。u现象：电流通过某些绝缘介质会产生瞬间的火花及耀眼的白光。 焊接电弧电弧炉电弧球电弧现象n当用开关电器断开电流时，如果电路电压不低于1020伏，电流不小于80100mA，开关的触头间便会产生电弧。 n其主要特征如下： (1)电弧是一种能量集中、温度很高、亮度很强的放电现象，电弧柱的温度可高达50000C以上。 (2)电弧由阴极区、弧柱区及阳极区3部分组成。弧柱阳极区阴极区(3)电弧是一种自持放电现象。 一般维持电弧燃烧

2、的电压较低 ，例如维持1cm长的直流电弧，在大气中只需15V30V，在变压器油中需100V200V。 (4)电弧是一束游离气体，质量很轻，容易变形。 2.1.2 电弧的产生与维持电弧的产生与维持 电弧的产生主要是触头间产生大量自由电子的结果。 其产生与维持的过程如下： 1切断大电流时，阴极在高温下发生热电子发射。 2阴极在强电场(3106V/m以上)作用下发射电子。弧柱阳极区阴极区 3弧柱区产生碰撞游离 。快速运动的自由电子会碰撞绝缘介质，使绝缘介质的原子或分子发生碰撞游离，产生自由电子和正离子。大量的自由电子向阳极运动形成电流。 4弧柱区产生热游离使电弧维持和发展。在电弧的高温下，触头继续发

3、射热电子，并且触头会熔化蒸发，增加弧隙电导；另外，绝缘介质的分子在高温下互相碰撞，产生热游离。弧柱阳极区阴极区例题：真空断路器灭弧室经过多次开断短路电流后，触头在电弧作用下有烧损，规定点损失不大于（A）mm。A 3 B 4 C 2绝缘介质在被游离被游离的过程中，还会出现去游离去游离现象。去游离：去游离：包括复合和扩散。复合复合：自由电子和正离子中和。扩散扩散：由于带电质点的热运动或外力的作用，使带电质点从电弧区溢出。在稳定燃烧的电弧中，游离与去游离处于平衡状态；若去游离大于游离，则电弧会慢慢熄灭熄灭。u去游离去游离l影响游离与去游离的因素影响游离与去游离的因素： (1)介质的温度。 (2)气体

4、介质的压力。可采用压缩空气做为绝缘介质。 (3)触头之间的外加电压。 (4)触头之间的开断距离。E=U/d (5)开关电器的触头材料。如铜钨合金、银钨合金。 (6)触头之间的介质种类。SF6气体、真空等。2.2直流电弧的基本特性直流电弧的基本特性2.2.1直流电弧的静态伏安特性直流电弧的静态伏安特性电弧的电压随电流的增大而减小，即电弧的电阻随电流的增大而减小。当电弧电流相同时，弧隙越长，电压越大，即电阻越大。 直流电弧的静态特性除了与电弧的电流、长度有关外，还与电极材料、绝缘介质材料、压力等有关。UUh实际电路的电压方程即：当时，说明电弧电流随时间的增长而减小；反之增大。在区，电弧电流会随着时

5、间的延长而增大；在区和区，电弧的电流会随着时间的延长而减小。直线ac为U-Rh的静态伏安特性；曲线AB为电弧Uh的静态伏安特性；即在正常的直流上加一个交流电源，使电弧电流过零。可通过采用金属栅片。可增加气体压力。2.4.1 交流电弧的特性交流电弧的特性 (1)交流电弧的电流成正弦变化。电流每半周过零一次，电弧会暂时自动熄灭。 (2)电弧电压的波形呈马鞍形变化。 2.1.4交流电弧的熄灭条件交流电弧的熄灭条件n 电弧电流过零时，是熄灭电弧的有利时机，但电弧是否能熄灭，取决于两方面竞争的结果： 弧隙的绝缘能力。弧隙的绝缘能力。 施加于弧隙的恢复电压。施加于弧隙的恢复电压。1弧隙介质强度恢复过程弧隙

6、介质强度恢复过程 (1)近阴极效应使弧隙出现（150250V）起始介质强度。 电流过零后，弧隙两端的极性随之改变，新阴极处的自由电子会迅速向新阳极运动，新阴极附近便形成一个薄层不导电的正离子空间，使绝缘强度突然增高。 (2)弧柱区介质强度的恢复过程n影响弧柱区介质强度恢复的物理因素主要有以下几点： (1)气体介质的温度。 (2)气体介质的压力。可采用压缩空气做为绝缘介质。 (3)触头之间的外加电压。 (4)触头之间的开断距离。E=U/d (5)开关电器的触头材料。如铜钨合金、银钨合金。 (6)触头之间的介质种类。如下图。 介质强度恢复过程曲线1真空；2SF6；3压缩空气；4油 2弧隙电压的恢复

7、过程弧隙电压的恢复过程 恢复电压一般由两部分组成，如下图所示：瞬变恢复电压，工频恢复电压， 恢复电压的组成trusrurouaui 瞬态恢复电压；工频恢复电压；恢复电压起始值；电弧电压；电弧电流 3交流电弧的熄灭条件 交流电弧熄灭的条件式为 d( ) tur( ) tu介质强度与电压恢复过程曲线(a)在 时刻，恢复电压高于介质强度，电弧重燃； (b)总有介质强度高于恢复电压，电弧熄灭 (a) (b)1t2.1.6 熄灭交流电弧的基本方法熄灭交流电弧的基本方法 1采用灭弧能力强的灭弧介质采用灭弧能力强的灭弧介质 高压断路器中广泛采用以下几种灭弧介质： 变压器油 压缩空气 SF6气体 真空 2利用

8、气体或油吹弧利用气体或油吹弧 吹弧方式有纵吹和横吹2种。也可采用纵横复合吹弧，效果更好。 (a)纵吹 (b)横吹3采用特殊金属材料作灭弧触头采用特殊金属材料作灭弧触头 常用的触头材料有铜、钨合金和银、钨合金等，在电弧高温下不易熔化和蒸发 。4在断路器的主触头两端加装低值并联电阻在断路器的主触头两端加装低值并联电阻 (a)辅助触头Q2与主触头Q1串联 (b) 辅助触头Q2与主触头Q1并联 5采用多断口熄弧采用多断口熄弧每相有两个断口的断路器 1-静触头；2-电弧；3-动触头6提高断路器触头的分离速度提高断路器触头的分离速度 使弧隙的电场强度骤降及电弧表面积突然最大。使电弧拉长速度和长度是单使电弧

9、拉长速度和长度是单断口的两倍。断口的两倍。每个断口的电压为单断口的每个断口的电压为单断口的一半。一半。7低压开关中的熄弧方法低压开关中的熄弧方法 (1)利用金属灭弧栅灭弧。 (a)灭弧栅装置 (b)栅片结构 1-灭弧栅片，2-电弧；3-电弧移动位置； 4-静触头；5-动触头灭弧栅是由许多带缺口的钢片制成。 (2)利用固体介质狭缝灭弧。利用固体介质狭缝灭弧。 (a)灭弧装置；(b)灭弧片；(c)磁吹力工作原理1-磁吹铁芯；2-磁吹线圈；3-静触头； 4-动触头；5-灭弧片；6-灭弧罩； 7-电弧移动位置灭弧片由耐高温的绝缘材料做成。2.2 载流导体的发热和电动力载流导体的发热和电动力2.2.1

10、概述概述 1.载流导体的发热载流导体的发热发热主要是由于功率损耗产生的，这些损耗包括以下三种： “铜损”，即电流在导体电阻中的损耗； “铁损”，即在导体周围的金属构件中产生的磁滞和涡流损耗，如变压器铁芯； “介损”，即绝缘材料在电场作用下产生的损耗。n长期发热长期发热电气设备由正常工作电流引起的发热。n短时发热短时发热由短路电流引起的发热。n发热产生不良的影响：发热产生不良的影响： (1)导体的机械强度下降。 (2)接触电阻增加。 由于接触压力下降和表面氧化的原因。 (3)绝缘性能下降。 u长期允许温度：裸导体700C，电缆500C800C。u 短时允许温度：铝2000C，铜3000C，钢30

11、00C；电缆1200C2500C。2.2.2 导体的长期发热导体的长期发热 1.导体的温升过程 对于均匀导体，其持续发热的热平衡方程为其持续发热的热平衡方程为RW1fQQQQ其中 QR导体产生的热量； QW温度升高所需的热量。 Q1对流散热量； Qf辐射散热量； 2. 导体的载流量导体的载流量导体的载流量与导体的长期允许温升和导体的电阻长期允许温升和导体的电阻有关。导体的载流量为 W01f()FQQIRR散热系数；F换热面积；w导体的温度；0环境温度。3提高导体载流量的措施 (1)减小导体的电阻。 (2)增大有效散热面积。 (3)提高散热系数。 加强冷却； 室内裸导体表面涂漆。 A、B、C三相

12、母线分别涂成黄、绿、红三种颜色，中性线颜色采用淡蓝色 。 2.2.3 导体的短时发热导体的短时发热1短时发热过程短路前后导体温度的变化 n由于短路时的发热过程很短，发出的热量向外界散热很少，几乎全部用来升高导体自身的温度，即可认为是一个绝热过程。 n由于导体温度的变化范围很大，电阻和比热容也随温度而变： 温度系数。n比热容是单位质量物质的热容量，即是单位质量物体改变单位温度时吸收或释放的热量。 0(1)lRS0(1)cc2热效应Qk的计算n短路电流的热效应 n当短路电流持续时间大于1s时，非周期分量的热效应值所占比例很小，可以忽略不计。 ddd222kktpnppnp000tttQI dtI

13、dtI dtQQddff222npf0( 2)(1)tttTTQI edtT Iedd222dp2t4t(10)12tQIII其中2.2.4 短路电流的电动力短路电流的电动力 电动力电动力 导体通过电流时，相互之间的作用力。 两导体通过的电流方向相同，则产生的电动力为吸引力。正常工作电流所产生的电动力不大。短路冲击电流所产生的电动力数值很大，可能导致导体或电器发生变形或损坏。n短路电流所产生的巨大电动力对电气设备具有很大的危害性危害性： (1)载流部分可能因为电动力而振动，或者因电动力所产生的应力大于其材料允许应力而变形，甚至使绝缘部件(如绝缘子)或载流部件损坏。 (2)电气设备的电磁绕组受到

14、巨大的电动力作用，可能使绕组变形或损坏。 (3)巨大的电动力可能使开关电器的触头瞬间解除接触压力，甚至发生斥开现象，导致设备故障。导体或电器必须能承受这一作用力，才能可靠地工作。 1两平行导体间电动力的计算7x 1 2210lFK iial导体长度；两导体之间的距离；Kx形状系数；对于圆形和管型为1，对于矩形如右图，槽型如下表。l槽型导体的形状系数槽型导体的形状系数2三相短路时的电动力计算 7AABACA BA C2 10(0.5)lFFFi ii ia(a)作用在中间相的电动力 (b)作用在外边相的电动力7BABBCB AB C2 10()lFFFi ii ia72Bmaxch1.73 10

15、lFia72AmaxCmaxch1.616 10lFFia作用在中间相的最大作用力：作用在中间相的最大作用力：ich短路电流有效值作用在边相的最大作用力：作用在边相的最大作用力：l作用在中间相的作用力最大。作用在中间相的作用力最大。3考虑母线共振影响时对电动力的修正考虑母线共振影响时对电动力的修正q固有频率：固有频率：导体受到一次外力的作用时发生弯曲变形，当外力除去时，导体会在平衡位置两侧按一定频率作往复运动，这个频率就称为固有频率。q强迫振动：强迫振动：导体在周期性外力的作用下发生的振动称为强迫振动。如导体在短路电动力的作用下所发生的振动就属于强迫振动。q电动力中含有工频和2倍工频的分量。当

16、固有频率接近这两个频率时就会发生共振现象，将会产生很大的破坏。f12NEIfLm母线的一阶固有振动频率为 lNf频率系数，计算如右图； L跨距lE导体材料的弹性模量； lI导体截面惯性矩,如下表； lm导体单位长度的质量。跨数及支承方式 频率系数 Nf单跨、两端简支1.57单跨、一端固定、一端简支；两等跨、简支2.45单跨、两端固定；多等跨、简支3.56单跨、一端固定、一端活动0.56 每相条数布置方式123三相水平布置，导体竖放b3h/122.167b3h8.25b3h三相水平布置，导体平放或三相垂直布置，导体竖放bh3/12bh3/6bh3/472Bmaxch1.73 10lFia动态应力

17、系数随导体固有频率的变化n对于共振的影响，可采用动态应力系数对于共振的影响，可采用动态应力系数对电动力计算公对电动力计算公式进行修正式进行修正 为了避免导体产生危险的共振，应使导体为了避免导体产生危险的共振，应使导体的固有频率在下列范围以外：的固有频率在下列范围以外：n对于矩形导体为对于矩形导体为35HZ135HZ；n对于槽型和管型为对于槽型和管型为30HZ160HZ。2.3 电气设备选择的一般条件电气设备选择的一般条件2.3.1 按正常工作条件选择按正常工作条件选择 1.额定电压n所选设备的最高允许工作电压应不低于所连接电网的最高运行电压。实际电网的最高运行电压一般不超过1.1UN,而导体和

18、电器的最高工作电压一般为(1.11.15) UN。因此，设备的额定电压可按不低于安装地点电网额定电压UNs来选择。NNsUU2.额定电流（长期允许电流）额定电流（长期允许电流）NmaxIIl 由于发电机、调相机和变压器在电压降低5时出力保持不变，故其相应回路的最大持续工作电流Imax=1.05IN (IN为电机的额定电流)；l母联断路器和母线分段断路器的最大持续工作电流，一般取该母线上最大一台发电机或一组变压器的Imax=1.05IN ；l母线分段电抗器的最大持续工作电流，按母线上最大一台发电机额定电流的50%80计算；l馈电线回路的最大持续工作电流，除考虑线路正常负荷电流外，还应包括线路损耗

19、和事故时转移过来的负荷。3.自然环境条件自然环境条件 当周围环境温度与设备规定的环境温度0不等时，其长期允许电流可按下式修正 alalalalal0IIKIl导体或电气设备正常发热允许最高温度al =70；l裸导体的额定环境温度为+25；l电气设备的规定环境温度0=40 4. 短路热稳定校验短路热稳定校验 短路热稳定就是要求所选的电气设备能承受短路电流所产生的热效应 。 1) 对一般电器，热稳定度校验条件为 2）对于导体，可按下列条件校验其热稳定度：n或按导体或电缆的截面积进行校验2tkI tQkalkminSS5. 短路动稳定校验短路动稳定校验 1) 对一般电器，动稳定校验条件 或 2) 绝

20、缘子的动稳定度校验条件 最大允许载荷 3) 对母线等硬导体 最大允许应力eschii(3)maxcFFmaxceschII所允许的最大电流峰值所允许的最大电流有效值6. 几种特殊情况说明几种特殊情况说明 由于回路的特殊性，对下列几种情况可不校验热稳定或动稳定： 1）用熔断器保护的电源，其热稳定由溶体的熔断时间保证，故可不校验热稳定。 2）采用限流熔断器保护的设备可不校验动稳定。 3）在电压互感器回路中的裸导体和电器可不校验动、热稳定。 4）对于电缆，因其内部为软导线，外部机械强度很高，不必校验其动稳定。7.短路计算点的选择短路计算点的选择 按通过导体或电器的短路电流为最大的地点来选择。8. 短

21、路计算时间短路计算时间 短路计算时间td为短路开始到短路电流完全切断的时间，包括继电保护动作时间tb和断路器的全分闸时间toff之和，即 其中，toff包括断路器的固有分闸时间和灭弧时间。dboffttt2.4 高压断路器高压断路器2.4.1高压断路器的分类及基本参数高压断路器的分类及基本参数 1、断路器的分类 油断路器 压缩空气断路器 SF6断路器 真空断路器 磁吹断路器 自产气断路器。 利用固体绝缘材料在电弧的作用下分解出大量的气体进行气吹灭弧。常用的灭弧材料有聚氯乙烯和有机玻璃等。 2、对断路器的基本要求、对断路器的基本要求 (1)在额定条件下，应能长期可靠地工作； (2)应具有足够的断

22、路能力； (3)具有尽可能短的开断时间； (4)结构简单，价格低廉。 3、断路器的型号表示法、断路器的型号表示法例如：SN10-10/300-40表示：少油户内型，额定电压10kV，额定电流300A，额定开断电流40kA。n油断路器油断路器于1895年研制成功。1930年以前，主要采用油断路器。有多油断路器和少油断路器两种。n多油断路器多油断路器q油除了作为灭弧介质外，还作为触头断开后弧隙绝缘及带电部分与外壳之间的绝缘。q触头间形成电弧时，电弧周围的绝缘油在电弧的高温作用下分解大量的氢气，氢气的灭弧能力是空气的7.5倍，且使得电弧周围的压力增大，加强了灭弧能力。优点：优点： 结构简单、制造方便

23、。缺点：缺点： （1）耗钢、耗油量大。 （2）体积大，运输、安装不方便。 （3）全开断时间长。 （4）有发生火灾的危险。n油断路器的爆炸燃烧原因有以下几个方面：油断路器的爆炸燃烧原因有以下几个方面： （1）油面过低 。产生的氢气与空气混合燃烧爆炸。 （2）油箱内的油面过高。析出的气体在油箱内得不到空间缓冲。 （3）油的绝缘强度劣化 。杂质或水分过多，引起油断路器内部闪络。 （4）操作机构部件失灵。会使操作时动作缓慢或合闸后接触不良，使油箱内产生过多的可燃气体。 （5）遮断容量小。（6）对地短路。密封不严，油箱进水受潮，或绝缘套管有机械损伤造成对地短路引起爆炸或火灾事故。 n防止爆炸燃烧的措施防

24、止爆炸燃烧的措施断路器的遮断容量必须大于装设该断路器回路的短路容量。 在运行时应经常检查油面高度，油面必须严格控制在油位指示器范围之内。发现异常，如漏油、渗油、有不正常声音等时，应采取措施。n适用的电压等级：适用的电压等级：10kV、35kV。n目前只有少量的35kV多油断路器在户外使用，基本趋于淘汰。 n少油断路器少油断路器油主要做灭弧介质和触头间的弧隙绝缘，具有冷却功能。按照产生气吹的能源,灭弧室可以分为3类： 自产气吹式灭弧室。 强迫油吹式灭弧室。 综合式灭弧室。超高压少油断路器中大多数采用这种灭弧室。优点：优点： （1）全开断时间短。 （2）结构简单、制造方便。 （3）耗钢、耗油量小。

25、 （4）价格低。缺点：缺点：发展特高压等级有困难。 适用电压等级：220kV及以下。可用于户内或户外。但近年来，35kV及以下油断路器有被真空断路器取代的趋势。110kV及以上油断路器有被SF6断路器取代的趋势n压缩空气断路器压缩空气断路器采用压缩空气作为灭弧介质，利用压力较高的压缩空气吹动电弧，致使电弧迅速熄灭。自40年代问世以来，在50、60年代迅速发展，广泛用于高压和超高压的电力系统中。n优点：优点：具有较高的开断能力，开断时间短。 无火灾危险。n缺点：缺点：结构复杂，需附设空气压缩装置。 价格高。 噪声大。n 适用于适用于：开断大容量电路；330kV电压等级及以上。n由于出现了结构简单

26、、灭弧性能良好和电寿命长的六氟化硫断路器，使得压缩空气断路器的使用范围缩小。n但一些高寒地区，由于SF6气体液化和开断能力降低（降低20左右）等原因，有些国家在高压、超高压电网中还在使用压缩空气断路器。n此外，大容量发电机断路器，要求开断容量大，动作迅速，现在还广泛应用压缩空气断路器。真空断路器真空断路器 采用低于1标准大气压的空气作为灭弧介质。 于20世纪60年代投入运行。优点：优点： （1）开断能力强、灭弧时间短。 （2）运行维护简单。 （3）触头不易氧化。 （4）体积小、质量轻。 （5）无火灾、爆炸危险。 （6）寿命长。 （7）噪声低。缺点缺点：（1）开断电流和断口电压不能做得很高，这是

27、因为其开断间距不能做的太大。 （2）制造工艺和密封条件要求高。适用：适用：35kV及以下电压等级。n SF6断路器断路器 SF6气体： （1）无色、无味、无毒、不可燃、不助燃的气体。 （2）吸附自由电子的能力较强。 （3） SF6气体在电弧的高温作用下，能够分解成低氟化合物，分解时需要吸收大量热量。 （4）电弧电流过零时，低氟化合物又能迅速合成SF6气体，介质强度恢复极快。 （5）灭弧能力为同等条件下空气的100倍。 户外型 户内型T型SF6断路器I型SF6断路器优点：（优点：（1）断口耐压高，开断容量大。 （2）体积小。 （3）噪声低。 (4)电寿命长、检修间隔周期长。 缺点：缺点：结构复杂

28、，价格昂贵。适用：适用：任何电压等级，尤其是220kV及以上电压等级。4、断路器的技术参数 1)额定电压 交流电压等级有3、6、10、20、35、60、110、220、330、500、750、1000kV等；直流电压等级有500、800kV。 2)额定电流 NNsUUNmaxII3)额定开断电流 开断电流在一定的电压下断路器能够安全无损地进行开断的最大电流。 Ikp断路器实际开断的短路电流周期分量有效值。 NbrkpII5.额定关合电流选择 6.热稳定校验7.动稳定校验Nclchii2tkI tQeschii 2.5 隔离开关隔离开关隔离开关没有专门的灭弧装置不能切断If及Id 2.5.1 隔

29、离开关的用途与分类隔离开关的用途与分类 1.主要用途 (1)隔电保安； (2)倒闸操作：等电位操作 (3)切合小电流电路。如：电压互感器、避雷器、空载母线；分合电流不超过2A的空载变压器；电容电流不超过5A的空载线路。 2.对于隔离开关的基本要求： (1)有明显的断开点 ； (2)断口应有足够可靠的绝缘强度； (3)具有足够的动、热稳定性 ； (4)结构简单，分、合闸动作灵活可靠 ； (5)隔离开关与断路器配合使用时，应具有机械的或电气的连锁装置，即满足“隔离开关先通后断”的原则； (6)隔离开关带有接地开关时，主开关与接地开关之间也应设有机械的或电气的连锁装置。3.隔离开关的型号 例如：GW

30、10-35600表示10型、额定电压35kV、额定电流600A的户外型隔离开关 。2.5.2 屋内隔离开关屋内隔离开关 1-底座；2-支持绝缘子；3-静触头； 4-动触头；5-操作绝缘子；6-转轴 屋内式隔离开关的原理图 2.5.3 屋外隔离开关屋外隔离开关GW5系列双柱水平开启式隔离开关外形图 1-底座；2、3-动触头；4-接线端子； 5-挠性连接导体；6-棒式绝缘子剪刀式结构 优点：优点：占地面积小。常用于母线隔离开关。双柱伸缩式隔离开关 2.5.4 隔离开关的选择隔离开关的选择1、额定电压选择2、额定电流选择 3、热稳定校验 4、动稳定校验NNsUUNmaxII2tkI tQeschii

31、2.6 高压负荷开关高压负荷开关n它具有灭弧装置和一定的分合闸速度，能开断正常负荷电流和过负荷电流，但不能开断短路电流。n在分闸状态有明显可见的断口，可起到隔离开关的作用，但性能又优于隔离开关，是介于隔离开关与断路器之间的一种开关电器。n 高压负荷开关一般不作为直接的保护开关，必须与熔断器配合。正常的负荷电流操作由负荷开关来完成，故障电流由熔断器来实现分断。n可代替断路器被广泛地应用于35kV及以下功率较小和对保护性能要求不高的场所。型号：型号：1F，代表负荷开关。2灭弧介质，S少油；K空气；LSF6；Z真空。3安装地点。N屋内；W屋外。4设计序号5额定电压（kV）6R带熔断器；S熔断器置于开

32、关上端；G改进型；D带接地开关。7额定电流（A）例如：FKW4-10G/400；FLN3-10D/1000 n高压负荷开关的选择高压负荷开关的选择 1.额定电压选择 2.额定电流选择 NNsUUNmaxII 4.额定关合电流选择 5.热稳定校验 6.动稳定校验 2tkI tQeschiiNclchii2.7 熔断器熔断器 2.7.1概述概述 作用：作用：短路保护或过载保护，不能切断和接通正常负荷电路。 原理：原理：将熔体串接在电路中，当电路发生过负荷或短路时，熔体由于自身的温度过高而熔化，将电路切断。 它广泛使用在电压为1kV及以下的装置中；在电压为3110kV高压装置中，主要作为小功率电力线

33、路、配电变压器、电力电容器、电压互感器等设备的保护。n熔体熔体高压熔断器中，熔体采用铜、银等材料，这些材料的熔点较高，而电阻率较小，因而熔体截面可做的较小。在低压熔断器中，熔体采用铅、锌等材料，这些材料的熔点较低，而电阻率较大，因而熔体截面较大。熔断器的型号含义熔断器的型号含义熔断器安秒特性 熔断器（RM型）结构1-熔管；2-管夹；3-管帽；4-触刀；5-螺栓；6-熔体2.7.1高压熔断器 按其结构可分为跌落式和支柱式两种，结构图如下： RW3-10II型跌落式熔断器 RWl0-35型支柱式熔断器高压熔断器选择高压熔断器选择1.额定电压选择 2.额定电流选择 1)熔管额定电流的选择 NNsUU

34、NtNsII2)熔体额定电流选择 对于保护35kV及以下电压级电力变压器的高压熔断器。 K可靠系数(不计电动机自起动时K=1.11.3， 考虑电动机自起动时K=1.52.0）； 用于保护电力电容器的高压熔断器 K可靠系数(当一台电力电容器时K=1.52.0，当一组电力电容器时K=1.31.8；NsmaxIKINsNcIKI3.熔断器开断电流校验4.熔断器选择性校验 为了保证前后两级的熔断器之间的选择性，同一电流同时通过前后两级的熔断器时，后一级熔体应先熔断。NbrchII2.7.2 低压熔断器低压熔断器 1、无填料封闭管式熔断器q通常每个熔体有24个窄部，以加速电弧的熄灭。 当发生短路故障时，

35、其熔体窄部几乎同时熔化，形成数段电弧，同时残留的宽部受重力作用而下落，将电弧拉长变细；q在电弧高温的作用下，纤维管的内壁有少量纤维气化并分解为氢(占40)、二氧化碳(占50)和水汽(占10)，这些气体都有很好的灭弧性能，加之熔管是封闭的，使其内部压力迅速增大，加速了电弧的去游离，从而使电弧迅速熄灭。 2、有填料封闭管式熔断器 管内充满石英砂，当被保护电路发生短路时，工作熔体几乎同时熔断，金属蒸气向周围石英砂的缝隙喷射，并被迅速凝结，使电弧迅速熄灭。 2.8 低压开关电器低压开关电器 低压开关通常用来接通和分断1kV以下的交、直流电路。 2.8.1刀开关刀开关n用于不频繁地手动接通和分断低压电路

36、的正常工流或作隔离开关用，不能分断短路电流。n刀开关的分类刀开关的分类: 按转换方向不同可分为单投和双投； 按极数不同可分为单极、二极和三极三种； 按灭弧机构不同可分为灭弧装置和带灭弧装置两种。2.8.2 接触器接触器接触器是用来远距离接通和断开负荷电流的低压开关。可用于频繁控制电动机、电容器、照明线路、电阻炉等电气设备，但不能切断短路电流和过负荷电流。接触器的使用寿命很高机械寿命通常为数百万次至一千万次，电寿命一般则为数十万次至数百万次。 机械寿命是由于内部机械来回动作而造成弹簧或哪个部分因为多次动作而损坏的时间。多为弹簧打弯的弯脚部分。 电器寿命是由于通电后，接触器内部触头烧蚀，线圈烧断，

37、绝缘老化造成损坏的时间。 接触器的基本结构及工作原理示意图 n型号含义 2.8.3 磁力起动器磁力起动器 n 磁力起动器由三极交流接触器、热继电器和控制按钮组成。n 主要用来远距离控制三相异步电动机，并具有过负荷和低电压保护功能。1磁力起动器工作原理 用磁力起动器控制电动机的原理接线图 2热继电器 (a)JRl系列； (b)JRl5系列n由于双金属片受热变形需要一定的时间，所以热继电器只能起到过负荷保护的作用，不能起短路保护作用，必须与熔断器配合使用。2.8.4 自动空气开关自动空气开关又称低压断路器。它是低压开关中性能最完善的开关，不仅可以接通和切断正常负荷电流及过负荷电流，而且可以切断短路

38、电流，常用作低压大功率电路的主控电器。由于其结构上着重提高灭弧能力，故不适用于频繁操作。1自动空气开关的工作原理三极自动开关工作原理示意图 2.型号含义 n框架式自动开关：框架式自动开关：为敞开式结构。它所有的部件都敞开装在一个绝缘或金属框架上，结构较复杂、尺寸较大、额定电流和断流能力较大、保护方案和操作方式较多、功能较齐全。n塑壳式自动开关：塑壳式自动开关：又称装置式自动开关，为封闭式结构。除操作手柄和板前接线头露出外，其余部分均装在一个封闭的塑料壳体内，结构较简单、体积小、外观整洁、使用安全、额定电流较小。n空气开关的灭弧方法是采用金属灭弧栅片灭弧。 框架式自动空气开关框架式自动空气开关2

39、.9 绝缘子绝缘子 2.9.1 概述概述n作用：支持支持支持及固定带电裸导体。 绝缘绝缘带电导体之间和导体与地之间的绝缘。n技术要求：要有足够的绝缘强度、机械强度、耐热性和防潮性。n分类分类按额定电压分：高压绝缘子和低压绝缘子。按安装地点不同可分为：户内式和户外式。按结构形式和用途可分为：支柱式、套管式及盘形悬式。按绝缘子材料的不同分：玻璃绝缘子、瓷绝缘子及复合绝缘子。复合绝缘子针式瓷绝缘子悬式玻璃绝缘子户内外胶装支柱绝缘子户内内胶装支柱绝缘子户内联合胶装支柱绝缘子户外棒形支柱绝缘子户外支柱式户外悬式n复合绝缘子复合绝缘子 早期复合绝缘子材质包括环氧树脂、乙丙橡胶、室温硅橡胶等。 20世纪70

40、年代，高温硫化硅橡胶复合绝缘子在德国问世。其耐污特性比瓷、玻璃绝缘子。 2.9.2 绝缘子的选择绝缘子的选择 绝缘子包括支柱绝缘子和穿墙套管。 1支柱绝缘子及穿墙套管的种类和型式选择q户内配电装置宜采用联合胶装多棱式支柱绝缘子；q户外配电装置宜采用棒式支柱绝缘子。在有严重的灰尘或对绝缘有害的气体存在的环境中，应选用防污型绝缘子。q穿墙套管一般采用铝导体穿墙套管。2按额定电压选择支柱绝缘子和穿墙套管3按最大工作电流选择穿墙套管4穿墙套管热稳定校验NNsUUNmaxII2tkI tQ5支柱绝缘子和穿墙套管动稳定校验alcaFFmax1caHFFH动稳定应满足： 短路时作用于绝缘子帽上的最大计算力为

41、： Fmax作用于母线上的最大电动力；H1支柱绝缘子高度，mm；H从绝缘子底部至母线水平中心线的高度，mm b母线支持片的厚度 。n悬挂式绝缘子串片数的选择悬挂式绝缘子串片数的选择 与电压等级有关电压 10kV 35kV110KV 220kV 330kV500kV片数1371317（19）25（28）2.10 母母 线线 发电机、变压器与相应配电装置之间的连接导体，称为母线。分为引出母线和汇流母线。 根据是否封闭分类硬母线敞露母线软母线封闭母线n母线材料母线材料q常用的母线材料有铜、铝和铝合金。q铜的电阻率低、机械强度大、抗腐蚀性强，是很好的母线材料。q我国铜的储量不多，价格高。q铜母线只用在

42、持续工作电流较大、且位置特别狭窄的发电机、变压器出口处，以及污秽对铝有严重腐蚀而对铜腐蚀较轻的场所(例如沿海、化工厂附近等)。2.10.1 敞露母线敞露母线 u硬母线硬母线 通过的功率大、要承受很大的动热稳定 常用硬母线的截面形状有矩形、槽形、管形。 直流：正极红色，负极兰色。 交流：A相黄色，B相绿色，C相红色。(a)每相1条矩形母线；(b) 每相2条矩形母线； (c) 每相3条矩形母线u矩形母线矩形母线矩形母线的特点：矩形母线的特点：q集肤效应较大，为了减小集肤效应，并兼顾机械强度，其截面积最大不超过1250mm2,短边与长边之比通常为1/121/5。q当工作电流大于最大截面的单条母线的允

43、许载流量时，每相可用24条并列使用。q三相平行布置时，导体竖放比平放散热好，因此比平放时的载流量要高5%8%，但机械强度低。q适合35KV及以下，持续工作电流在4000A及以下。u槽形母线槽形母线q集肤效应较小，散热条件较好。q与利用几条矩形母线相比，在相同的截面下允许载流量要大的多。q每相一般用两根槽型母线。q适合35KV及以下，持续工作电流在4000A8000A。 (a)圆形管母线；(b)异形管母线； (c)三、四分裂结构管母线u管形母线示意图管形母线示意图管型母线管型母线的特点：管型母线的特点：集肤效应系数小。管内可通风或通水改善散热条件。用于110KV及以上，持续电流为8000A以上。

44、u母线三相导体排列方式母线三相导体排列方式有水平排列和垂直排列两种。q管型母线一般为水平排列；q矩形母线和槽型母线可水平排列或垂直排列。n绞线圆形软母线绞线圆形软母线常用的绞线圆形软母线有钢芯铝绞线、组合导线。钢芯铝绞线由多股铝线绕在单股或多股钢线的外层构成，一般用于35kV及以上屋外配电装置；组合导线由多根铝绞线固定在套环上组合而成，常用于发电机与屋内配电装置或屋外主变压器之间的连接。软母线一般为三相水平布置，用悬式绝缘子悬挂。软母线软母线 2.10.2封闭母线封闭母线容量为200MW及以上的发电机至主变压器的连接母线广泛采用封闭母线。采用敞露母线的缺点： 1）容易积灰尘，造成绝缘子闪络。

45、2）不能防止由外物造成相间短路，当发电机出口发生相间短路时，短路电流会很大，母线和绝缘子受到很大的电动力，发电机本身也会受到很大的损伤。 3）人员容易触及带电母线。采用铝制外壳封闭。1.全连式分相封闭母线分相封闭母线结构示意图 (a)单个绝缘子支持；(b)两个绝缘子支持；(c)三个绝缘子支持；(d)四个绝缘子支持 1-母线；2-外壳；3-绝缘子；4-支座；5-三相支持槽钢。2共箱式封闭母线(a)无隔板共箱式； (b)有隔板共箱式 主要用于单机容量为200300MW的发电厂的厂用电回路。 （1）用于厂用高压变压器低压侧至厂用高压配电装置之间的连接； （2）可用作交流主励磁机出线端至整流柜的交流母

46、线； （3）励磁开关至发电机转子滑环的直流母线。n母线的选择母线的选择1.母线材料、类型的选择母线材料、类型的选择q矩形母线适合35KV及以下，持续工作电流在4000A及以下。q槽型母线适合35KV及以下，持续工作电流在4000A8000A。q管型母线用于110KV及以上，持续电流为8000A以上。2.母线截面的选择母线截面的选择 1）汇流母线按最大长期工作电流选择 almaxKIIalal0KK：修正系数，受环境温度的影响。Imax为与该母线连接的最大一台发电机或变压器的最大持续工作电流。2）引出母线截面按经济电流密度选择引出母线截面按经济电流密度选择 按经济电流密度选择可使年综合费用最低。

47、经济电流密度可根据年最大负荷利用小时数来确定。由表4-5可查。maxececISJJec经济电流密度。3.母线热稳定校验母线热稳定校验min1kfSQ KCC热稳定系数，由表4-6查出。Kf集肤效应系数，可查相关系数。4. 由共振选择最大跨距由共振选择最大跨距 最大允许跨距为fmax1NEILfmlNf频率系数；lf1导体固有频率；lE导体材料的弹性模量；lm导体单位长度的质量。lI导体截面惯性矩。 5.硬母线的动稳定校验硬母线的动稳定校验 alcacaMWmax10FlM 72maxch1.73 10lFia其中al母线材料的允许应力，对硬铝母线，al =69MPa；对硬铜母线，al = 1

48、37MPa。 弯曲力矩抗弯矩W计算如表4-76. 对于对于110kV以上母线进行电晕电压校验以上母线进行电晕电压校验 电晕是一种强电场下的放电现象。当导体周围电场强度超过了空气的耐压强度（ ）时，导体周围的空气便被电离，发出咝咝的撕裂声和蓝紫色的晕光（夜晚可见）。电晕发生时不仅引起电能损耗，而且伴随有金属腐蚀等不良影响。 为了避免或减少电晕现象，升高电压母线一般不采用有棱角的截面形状，而广泛采用表面比较光滑的圆形截面形状，如钢芯铝绞线、圆管形铝合金硬母线等，而且直径不可太小。crWmaxUUk：三相导体布置方式系数，水平布置时中间相易放电，k=0.96 ；垂直布置时k=1。m1：导线表面状况系

49、数，管形母线及单股导线:0.930.98。m2： 天气系数，晴好天气m2=1 ，阴雨天m2=0.8。：空气相对密度，在海拔1000m及以下地区为1，高于1000m可查有关手册。 r：导体半径。Dm：三相导体的相间距离。母线的电晕临界电压母线的电晕临界电压l当导线的直径大于以下直径时可不必校验当导线的直径大于以下直径时可不必校验2.11电力电缆电力电缆它可以直接埋在地下及敷设在电缆沟、电缆隧道中，也可以敷设在水中或海底。 特点特点 不用杆塔，不占地面，不影响环境。 结构紧凑、占用空间小。 具有防腐、防潮、防损伤、运行可靠等优点。 缺点：投资多，敷设麻烦，维修困难、难于发现和排除故障。n适用于有腐

50、蚀气体和易燃易爆的场所，以及不宜架设架空线路的场所。2.11.1 结构及性能结构及性能 ZQ20型三芯油浸纸绝缘电缆结构图 1-载流导体；2-电缆纸(相绝缘)；3-黄麻填料；4-油浸纸(统包绝缘)；5-铅套；6-纸带；7-黄麻护层；8-钢铠包括载流导体、绝缘层、密封护套、保护层等组成。载流导体：铜或铝。n分类分类n 按其绝缘和保护层的不同分为：q油浸纸绝缘电缆：35kV及以下。q聚氯乙烯绝缘电缆：6kV及以下。q交联聚乙烯绝缘电缆：1110kV。q橡皮绝缘电缆： 6kV及以下，多用于厂矿车间的输电线路。q高压充油电缆：110kV及以上。n按相数分：q单相电缆：110KV及以上。q三相电缆：35

51、KV及以下。n（4）型号q1导体的绝缘。Z纸；V聚氯乙烯；Y聚乙烯；YJ交联聚乙烯；X橡皮。q2载流导体。L铝；铜芯不表示。q3密封护套。Q铅套；L铝套；V聚氯乙烯；Y聚乙烯。q4特征。D不滴流即采用油浸纸；F分相；CY充油。q5铠装层。0无；2钢带；3细钢丝；4粗钢丝。q6外被层。0无；1麻被；2聚氯乙烯；3 聚乙烯。n例：ZQ20-1010kV铜芯油浸纸绝缘铅套裸钢带铠装电力电缆。 ZLQF23-1010kV铝芯油浸纸绝缘分相铅套钢带铠装聚乙烯外被层电力电缆。 VV32-3535kV铜芯聚氯乙烯绝缘，聚氯乙烯密封护套，细钢丝铠装聚氯乙烯外被层电力电缆。 5.6.2 电缆的选择与校验电缆的选

52、择与校验 1. 按结构类型选择电缆 常用的电力电缆有油浸纸绝缘电缆、塑料绝缘电缆和橡胶电缆等 。 2.按额定电压选择NNsUU3.电缆截面的选择电缆截面的选择 1)一般按最大长期工作电流选择一般按最大长期工作电流选择 a.在空气中敷设在空气中敷设 K=KtK1K1空气中多根电缆并列敷设的修正系数，可查下表。maxalKII0altalKb.空气中穿管敷设空气中穿管敷设 K=KtK2 K2：空气中穿墙套管敷设系数。在 时，c.直接埋地敷设直接埋地敷设 K=KtK3K4 K3：因土壤热阻不同的修正系数，可查附表18； K4：土壤中多根电缆并列敷设的修正系数，可查附表19。 10NUKV295,Sm

53、m20.9;K 22120185,Smmmm20.85K 。 2)若发电机变压器回路中，最大负荷利用小时数超过5000h，且长度超过20m，按经济电流密度选择 截面S150 mm2时，其经济根数为一根；当截面大于150 mm2时，其经济根数可按S150决定。 maxececISJ 4.热稳定校验 5.电压损失校验 maxN3%100%5%ILUU Smin1kfSQ KCC热稳定系数。Kf集肤效应系数。 2.12 电抗器电抗器 2.12.1 限流电抗器限流电抗器（1）作用：q限制电力设备的短路电流；q维持母线电压；q以选择轻型断路器和小截面的电缆。限流电抗器电抗器 滤波电抗器补偿电抗器电抗器按

54、安装地点可分为线路电抗器和母线电抗器。有普通电抗器和分裂电抗器两类。线路电抗器母线电抗器n分裂电抗器分裂电抗器 当母线为分段母线，且两段母线的负荷电流近似相等时，或出线的负荷电流近似相等时，可采用分裂电抗器。优点： （1）正常运行时，分裂电抗器每个分段的电抗相当于普通电抗器电抗的1/4，使负荷电流造成的电压损失较小。 （2）当分裂电抗器的分支端短路时，该分段电抗较正常运行值增大四倍，故限制短路的作用比正常运行值大，有限制短路电流的作用。 缺点： 当两个分支负荷不相等或者负荷变化过大时，将引起两分段电压偏差增大，使分段电压波动较大，造成用户电动机工作不稳定，甚至分段出现过电压。 按结构型式可分为

55、混凝土柱式限流电抗器和干式空心限流电抗器。1.混凝土柱式限流电抗器 垂直布置的混凝土柱式限流电抗器水平布置的混凝土柱式限流电抗器l其型号含义如下：l适用于额定电压为6kV和10kV，额定电流为150A2000A 。l电抗百分值电抗器的电抗值与其所在回路的总阻抗之比。2.干式空心限流电抗器 损耗比水泥电抗器小的多，外层采用环氧树脂浸透的玻璃纤维包封，适用于200A4000A。其型号含义如下 干式空心限流电抗器u限流电抗器的选择限流电抗器的选择1.额定电压和额定电流的选择2.电抗百分数的选择 按将短路电流限制到一定数值的要求来选择。 NNsUUNmaxIIn设要求将短路电流限制到I，则电源至短路点

56、的总电抗标么值x*为n所需电抗器的电抗标么值x*L为电抗器在其额定参数下的电抗百分数为正常运行时电压损失U校验母线残压校验3.热稳定校验4.动稳定校验2tkI tQeschii2.12.2 滤波电抗器滤波电抗器 与并联电容器串联，组成谐振回路，滤除指定的高次谐波，抑制其他次谐波放大，减少系统电压波形畸变，提高电压质量，同时减少电容器组涌流。 (a) (b) (a)串接于由断路器投切交流滤波装置(b)串接于由可控硅投切的交流滤波装置2.补偿电抗器 用于补偿容性无功。一般并接在发电厂母线上或330kV及以上的输电线路上。(a) (b)(a) 中压并联电抗器接于663kV母线(b) 超高压并联电抗器

57、接于超高压线路上2.13 互感器互感器 2.13.1 概述概述 n互感器的用途有以下几个方面：互感器的用途有以下几个方面： (1)将一次回路的高电压和大电流变为二次回路的标准值。u 通常电压互感器额定二次电压为100V或 V，电流互感器额定二次电流为5A或1A。u 互感器使得测量仪表和保护装置标准化。3100/(2)(2)使二次设备的绝缘水平能按低电压设计，使其使二次设备的绝缘水平能按低电压设计，使其结构轻巧、价格便宜。结构轻巧、价格便宜。（3 3）互感器使二次侧的设备与高电压部分隔离，互感器使二次侧的设备与高电压部分隔离，保证二次系统设备和工作人员的安全。保证二次系统设备和工作人员的安全。（

58、4）二次侧必须有一点接地。）二次侧必须有一点接地。2.13.2 电磁式电流互感器电磁式电流互感器 1、工作原理电磁式电流互感器原理接线图 l电流互感器二次侧要有一点接地，保证二次系统设备和工作人员的安全。l电流互感器二次侧不允许开路。如果需要断开仪表或继电器时，必须先将电流互感器的二次绕组短接后，再断开该仪表，以防发生事故。 n运行中的电磁式电流互感器二次回路不允许开路，否则会在二次电路感应产生高电压，对人身和二次设备产生危险。电流互感器二次回路开路时磁通和二次电动势的波形 22deNdt 2.误差误差l电流误差电流误差 电流互感器的准确级准确级在额定电流下所规定的最大允许电流误差的百分数来标

59、称。I211100%ifK IIIl相位误差相位误差 由于铁芯中的磁通滞后于一次侧电流一个小于900的角，而二次侧感应的电压有滞后主磁通900，二次侧的电流滞后于二次侧电压小于900的角，因此二次侧的电流与一次侧的电流相位相差将近1800。相位误差：相位误差：为旋转1800的二次电流相量 与一次电流相量之间的夹角，并规定 超前时，相位差为正值；反之，相位差为负值。相位差 2I2I 准确级电流误差(在下列额定电流的%值时)相位差(在下列额定电流的%值时)mincrad5201001205201001205201001200.10.40.20.10.1158550.450.240.150.150.

60、20.750.350.20.2301510100.90.450.30.20.51.50.750.50.5904530302.71.350.90.913.01.51.01.01809060605.42.71.81.8（1）测量用电流互感器的准确级）测量用电流互感器的准确级 标准的准确级为0.1、0.2、0.5、1、3、5级。 准确级电流误差(%)50%IN100%IN333555l 当负荷电流变化大，实际负荷电流小于30%时，可采用供特殊用途的0.2S、0.5S级。准确级电流误差(在下列额定电流的%值时)相位差(在下列额定电流的%值时)mincrad1 520100120152010012015