电力系统设计第五讲-电气设备的选择(互感器、断路器、隔离开关等)

第五讲

发电厂、变电站电气一次系统设计(2)一、高压断路器原理与选择1、开关电器的作用和种类

在正常情况下电力系统中的发电机、变压器、线路等由于检修或改变运行方式，需要将它们接入或退出；在故障时，必须迅速切断故障部分，使电力系统恢复正常运行。仅用来在正常工作情况下，断开或闭合正常工作电流。如：高压负荷开关、低压闸刀开关、接触器、磁力启动器；仅用来断开故障情况下的过负荷电流或短路电流。如：高、低压熔断器；既用来断开或闭合正常工作电流，也用来断开或闭合过负荷电流或短路电流。如：高压断路器、低压空气开关（能起控制和保护的作用）；不要求断开或闭合电流，只用来在检修时隔离电压。如：隔离开关。2、开关电器电弧形成的物理过程1）电弧放电的特征及危害2）电弧形成的过程：电弧的产生和维持是触头间中性质点（分子和原子）被游离的结果。游离就是中性质点转化为带电质点。游离的过程有四种形式：强电场发射热电子发射碰撞游离热游离3）去游离的形式电弧中发生游离的同时，还进行着使带电质点减少的去游离过程：

a、复合去游离

拉长电弧；加快电弧的冷却；加大气体介质的压力。

b、扩散去游离

浓度扩散；温度扩散；用高速冷气吹弧4）游离与去游离游离和去游离是电弧燃烧的两个相反过程，游离过程使弧道中带电离子增加，有助于电弧燃烧；去游离过程使弧道中带电离子减少，有利于电弧熄灭。

开关电器中，为加强灭弧能力，都采用各种措施减弱游离过程。从等离子体观点看，就是控制温度，使触头间的介质，由等离子体态转化为其它物态。3、交流电弧的特点交流电弧具有热惯性。随着交流电流的瞬时值不断变化，电弧的温度、直径、电弧电压也随时间变化。交流电弧每半周过零一次，电弧自然熄灭。电弧的热惯性：交流电弧的电流瞬时值随时间周期变化，电弧的温度、直径及电弧电压也随时间变化，但弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不上电流的变化，这种现象叫电弧的热惯性。4、交流电弧的熄灭条件

交流电弧熄灭的基本条件：弧隙介质的绝缘能力达到不被弧隙外施电压击穿的程度，才能保证电弧不被重燃而最终熄灭。电弧过零后，如果电源电压大于介质强度恢复电压，弧隙被击穿，电弧重燃，反之，电弧便熄灭：

Ud(t)≥Ur(t)Ud(t)---弧隙介质强度恢复过程中的耐受电压

由灭弧装置的结构和灭弧介质的性质决定

灭弧介质：油、空气、真空、SF6Ur(t)---弧隙电压恢复过程中的弧隙电源电压

Ur(t)与线路参数、负荷性质等有关5、高压断路器熄灭交流电弧的基本方法1、利用灭弧介质

2、采用特殊金属材料作灭弧触头3、利用气体或油吹动电弧

4、采用多断口熄弧

5、拉长电弧并增大断路器触头的分离速度6、高压断路器选择

1）断路器的种类和形式的选择按灭弧介质和灭弧方式分为：多油、少油、压缩空气、SF6、真空

操动机构：断路器进行合闸、分闸操作，并保持在合闸状态，这些任务全靠操动机构完成。操动系统的动作过程，实际上是使操动元件（如合闸元件或分闸元件）获得动能，再通过拐臂和连杆机构，将动能传到触头，去实现合闸或分闸，操动系统中独立于断路器本体的那一部分，称为操动机构。其它作为传递动力的部分，称传动机构。包括：手动机构、电磁机构、气动机构、弹簧机构、液压机构2）额定电压选择

UN

≥UNS

3）额定电流选择

IN≥Imax4）开断电流选择---断路器灭弧能力的参数，指在额定电压下可能开断的最大电流，不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量Ipt

INbr

≥Ipt当INbr

比系统短路电流大很多时，INbr

≥I”5）短路关合电流的选择断路器合闸前，线路有短路故障，断路器在合闸过程中，动、静触头在未接触时，产生电弧，有短路电流流过，容易使触头熔焊和受到电动力破坏。且断路器在关合短路电流时，接通后又跳闸，此时还要能够切除短路电流。为保证断路器在关合短路时的安全，其额定关合电流INcl

不应小于短路电流最大冲击值ish， INcl≥ish

6）热稳定校验

7）动稳定校验8）操作时间二、隔离开关的选择1、隔离开关的主要用途

隔离电压倒闸操作分合小电流：分、合避雷器、电压互感器和空载母线分、合励磁电流不超过2A的空载变压器关、合电容电流不超过5A的空载线路2、隔离开关的选择1）种类和形式的选择安装地点：屋内式和屋外式绝缘支柱数目：单柱、双柱、三柱2）额定电压选择UN≥UNS3）额定电流选择

IN≥Imax

4）热稳定校验5）动稳定校验三、互感器的原理与选择1、互感器的作用

互感器包括电流互感器（TA或CT）和电压互感器（TV或PT）。1)将一次回路的高电压和大电流变为二次回路标准的低电压（100V）和小电流（5A1A），使测量仪表和保护装置标准化、小型化，并使其结构轻巧、价格便宜和便于屏内安装。2)使二次设备与高压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证了设备和人身安全。2、电磁式电流互感器1）特点：

a、一次绕组串联在电路中，匝数很少。故一次绕组中的电流完全取决于被测电路的负荷电流，而与二次电流大小无关。

b、二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，正常情况下，在接近于短路状态下运行。额定电流比，一次、二次额定电流之比2）电流互感器的误差定义电流误差：

定义相位差：与

之间的夹角，超前

时为正。3）电流互感器的准确级和额定容量CT的准确级：

CT根据测量时误差的大小而划分为不同的准确级。准确级是指在规定的二次负荷范围内，一次电流为额定值时的最大电流误差额定容量：CT的额定容量是指CT在额定二次电流（5A、1A）IN2和额定二次阻抗ZN2下运行时，二次绕组输出容量，也可用二次阻抗表示。

由于CT的误差和二次负荷有关。同一个CT在不同的二次负荷下，准确级不同，额定容量也不同。如SN2=10VA(ZN2=0.4欧)，当Z2l<0.4时，能保证准确级为0.5级，当Z2l>0.4时，准确级降为1级，对应的额定容量为15VA（ZN2=0.6）4）电流互感器的运行参数对误差的影响a、一次电流I1的影响

一次电流I1在额定值IN时，磁导率μ接近最大，此时电流误差和相角差最小。当一次电流较小时，磁导率小，H小，铁芯损耗角小，电流误差和相角差增大，但相角差增大得更快。b、二次负载阻抗及功率因数对误差的影响二次负载阻抗Z2l与误差成正比，因此二次侧接入的仪表或继电器及连接导线的总阻抗不能大于额定二次阻抗，以保证其准确级。当功率因数cosФ增大时，在二次线圈内感应的电势E2与二次回路电流I2相位差增大，电流误差fi增大，相角差δi减小。5）电流互感器的选择a、一次回路的额定电压和电流的选择UN1≥UNSIN1≥Imax

b、二次额定电流的选择CT的二次额定电流有5A和1A两种，一般弱电系统用1A，强电系统用5A。当配电装置距离控制室较远，为能使电流互感器能多带二次负荷或减小电缆截面，提高准确级，应尽量采用1A。

c、种类和形式的选择根据安装地点（屋内、屋外）和安装方式（如穿墙式、支持式、装入式）选择其形式。按安装地点分屋内和屋外式。20KV及以下制成屋内式，35KV及以上多制成屋外式。2）按安装方式分为穿墙式、支持式、装入式。3）按绝缘可分为干式、浇注式、油浸式等。4）按一次绕组匝数分为单匝式和多匝式。d、准确级和额定容量的选择CT的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。装于重要回路（如发电机、调速器、变压器、厂用馈线、出线等）中的电能表和计费的电能表一般采用0.5～1级表，相应的互感器的准确级不应低于0.5级；对测量精度要求较高的大容量发电机、变压器、系统干线和500KV宜用0.2级；供运行监视、估算电能的电能表和控制盘上仪表，一般皆用1～1.5级的，相应的电流互感器应为0.5～1级供只需估计电参数仪表的互感器可用3级。CT二次侧所接负荷S2应不大于该准确级所规定的额定容量SN2电流互感器与仪表的接线形式：单相接线星形接线不完全星形接线e、热稳定和动稳定校验对瓷绝缘型CT，应校验瓷套管的机械强度：

对于母线型CT，其端部作用力如下校验：

3、电压互感器的原理与选择

1）分类：电磁式

PT、电容分压式PT电磁式PT电磁式电压互感器的工作原理与特点：容量小，类似一台小容量的变压器,但结构上要求有较高的安全系数；正常运行时接近于空载状态

电容式电压PT实质是一个电容分压器，为减少负荷电流的影响，可在回路中加入补偿电抗，并将测量仪表经中间变压器升压后与分压器相连2）电压互感器的选择

PT为与电网并联的电压变换设备，不须选择额定电流，PT不会受到外部电网短路电流的侵袭，不须进行短路动稳定、热稳定校验。PT的内部故障，由专用的熔断器快速切除。a、一次回路电压的选择

0.8UN1<UNs<1.2UN1b、二次回路电压的选择PT二次侧额定电压应满足保护和测量使用标准仪表的要求。见表4-6

c、种类和型式选择在6～35KV屋内配电装置中，一般采用油浸式或浇注式；110～220KV，常采用串级式电磁PT；110-500KV的配电装置，当容量和准确级满足要求时，可采用电容式电压互感器。d、容量和准确级的选择：

先根据仪表和继电器接线要求选择电压互感器的接线方式，尽量把负荷分布在各相上，然后计算各相负荷的大小，按照所接仪表的准确级和容量选择互感器的准确级和额定容量，即电压互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级；电压互感器对应于要求准确级的额定二次容量不应小于电压互感器二次最大相的负荷。

4、互感器在主接线中的配置原则

1）电压互感器的配置

母线：除旁母外，一般的工作、备用母线都装有一组电压互感器，用于同步、测量仪表和保护装置。

线路：35KV及以上输电线路，当对端有电源时，为监视线路有无电压、进行同步和设置重合闸，需装有一台单相电压互感器。发电机：一般装有2-3组电压互感器，一组供自动调节励磁装置（三只单相双绕组）；一组供测量仪表、同步和保护装置使用（三相五柱式或三只单相接地专用互感器，开口三角形供发电机在未并列前检查是否接地用），当负荷太大时，可增设一组不完全星形连接的互感器，专供测量仪表用。5万KW及以上的发电机中性点常接有单相电压互感器，用于100%定子接地保护。变压器：低压侧有时为满足同步或继电保护的要求，设一组电压互感器。

2）电流互感器的配置为满足测量和保护装置的要求，在发电机、变压器、出线、母线分段、母联断路器、旁路断路器等回路，均设有电流互感器。中性点直接接地系统，一般按三相配置；对中性点非直接接地的系统，依具体情况，可按二相和三相配置。对保护用电流互感器的安装地点，应尽量按消除主保护的死区来设置。如有两组电流互感器时，在位置允许的情况下，应设在断路器的两侧，是断路器处于交叉保护范围中。为防止支柱式电流互感器套管闪络造成母线故障，电流互感器通常布置在断路器的出线或变压器侧。

为减轻内部故障时发电机的损伤，用于励磁调节的电流互感器应布置在发电机定子绕组的出线侧。为便于分析和在发电机并入系统前发现内部故障，用于测量仪表的电流互感器宜装载发电机的中性点侧。

四、电抗器的选择1、限制短路电流的目的和方法限制短路电流的目的选择轻型断路器及较小截面

的电缆限制短路电流的方法采用适当的主接线形式和运行方式；增设电抗器：普通电抗器、分裂电抗器；采用分裂绕组变压器2、额定电压和额定电流UN≥UNS

IN≥Imax普通电抗器的Imax：主变回路或出线回路，取其最大持续工作电流；发电厂的母线分段电抗器，取相邻母线上最大一台发电机额定电流的50％～80％；变电所中的母线分段电抗器应满足用户的一级负荷和大部分二级负荷计算。3、电抗百分值的选择：Id-----基准电流Ud-----基准电压I”-----短路电流X*∑’-----电源至电抗器前的系统电抗标幺值正常运行时电压损耗校验：

式中φ----负荷功率因数角，一般cosφ=0.8短路时母线残压校验：3．

热稳定和动稳定校验It2t

≥Qkies≥

ish

五、高压熔断器的选择

熔断器主要由金属熔件（熔体）、支持熔件的触头和外壳（熔管）构成。

熔断器的作用是保护电气设备免受过载和短路电流的损害。屋内型高压熔断器在变电站中常用于保护电力电容器、配电线路和变压器，在电厂中多用于保护电压互感器。

1、额定电压的选择不限流式：UN≥

UNS

限流式：UN=

UNS

UN-------熔断器额定电压UNS-------电网额定电压2、额定电流的选择

INft

≥INfs

INft-----熔管的额定电流；INfs-----熔体的额定电流

保护35KV及以下电力变压器时INfs=KImax

K-----可靠系数（不计电动机自启动时K＝1.1～1.3，考虑电动机自启动时K=1.5~2.0）Imax-----电力变压器回路最大工作电流目的：为了防止熔体在通过变压器励磁涌流和保护范围以外的短路及电动机自启动等冲击电流时误动作。保护电力电容器时

INfs=KINc

K－可靠系数（对限流式高压熔断器，当一台电力电容器时K=1.5~2.0，当一组电力电容器时K=1.3~1.8）INc-----电力电容器回路的额定电流目的：当系统电压升高或波形畸变引起回路电流增大或运行中产生涌流时不应误熔断。3、熔断器开断电流校验不限流式：

INbr≥Ish

限流式：

INbr≥I”对于没有限流作用的熔断器，选择时用冲击电流的有效值Ish进行校验；对于有限流作用的熔断器，在电流达最大值之前已截断，故可不计非周期分量的影响，而采用I”进行校验。4、熔断器选择性校验

为了保证前后两级熔断器之间或熔断器与电源（或负荷）保护装置之间动作的选择性，应进行熔体选择性校验。各种型号熔断器的熔体熔断时间可由制造厂提供的安秒特性曲线上查出。发电机型号含义：T---同步QF---汽轮发电机Q---氢外冷N---氢内冷S或SS---双水内冷冷却方式：定子绕组和转子绕组有空冷、水内冷、氢冷铁芯有