電力系統(tǒng)設(shè)計第五講——電氣設(shè)備的選擇(互感器、斷路器、隔離開關(guān)等)

1、第五講第五講 發(fā)電廠、變電站電氣一次系統(tǒng)設(shè)計發(fā)電廠、變電站電氣一次系統(tǒng)設(shè)計 (2) 一、高壓斷路器原理與選擇高壓斷路器原理與選擇 n1、開關(guān)電器的作用和種類 在正常情況下電力系統(tǒng)中的發(fā)電機、變 壓器、線路等由于檢修或改變運行方式， 需要將它們接入或退出；在故障時，必 須迅速切斷故障部分，使電力系統(tǒng)恢復(fù) 正常運行。 n僅用來在正常工作情況下，斷開或閉合正常工作 電流。如：高壓負荷開關(guān)、低壓閘刀開關(guān)、接觸高壓負荷開關(guān)、低壓閘刀開關(guān)、接觸 器、磁力啟動器器、磁力啟動器； n僅用來斷開故障情況下的過負荷電流或短路電流。 如：高、低壓熔斷器高、低壓熔斷器； n既用來斷開或閉合正常工作電流，也用來斷開或

2、閉合過負荷電流或短路電流。如：高壓斷路器高壓斷路器、 低壓空氣開關(guān)低壓空氣開關(guān)（能起控制和保護的作用）； n不要求斷開或閉合電流，只用來在檢修時隔離電 壓。如：隔離開關(guān)隔離開關(guān)。 2、開關(guān)電器電弧形成的物理過程 n1）電弧放電的特征及危害 n2）電弧形成的過程：電弧的產(chǎn)生和維持是 觸頭間中性質(zhì)點（分子和原子）被游離的 結(jié)果。游離就是中性質(zhì)點轉(zhuǎn)化為帶電質(zhì)點。 游離的過程有四種形式： 強電場發(fā)射 熱電子發(fā)射 碰撞游離 熱游離 n3）去游離的形式 電弧中發(fā)生游離的同時，還進行著使帶電 質(zhì)點減少的去游離過程 ： a、復(fù)合去游離 拉長電??；加快電弧的冷卻；加大氣體介 質(zhì)的壓力。 b、擴散去游離 濃度擴散

3、 ；溫度擴散 ；用高速冷氣吹弧 n4）游離與去游離 n游離和去游離是電弧燃燒的兩個相反過程， 游離過程使弧道中帶電離子增加，有助于 電弧燃燒；去游離過程使弧道中帶電離子 減少，有利于電弧熄滅。 n開關(guān)電器中，為加強滅弧能力，都采用各 種措施減弱游離過程。從等離子體觀點看， 就是控制溫度，使觸頭間的介質(zhì)，由等離 子體態(tài)轉(zhuǎn)化為其它物態(tài)。 3、交流電弧的特點 n交流電弧具有熱慣性。隨著交流電流的瞬時值不 斷變化，電弧的溫度、直徑、電弧電壓也隨時間 變化。交流電弧每半周過零一次，電弧自然熄滅。 n電弧的熱慣性：交流電弧的電流瞬時值隨時間周 期變化，電弧的溫度、直徑及電弧電壓也隨時間 變化，但弧柱的受熱

4、升溫或散熱降溫都有一定過 程，跟不上電流的變化，這種現(xiàn)象叫電弧的熱慣 性。 4、交流電弧的熄滅條件 n交流電弧熄滅的基本條件：弧隙介質(zhì)的絕緣 能力達到不被弧隙外施電壓擊穿的程度，才 能保證電弧不被重燃而最終熄滅。電弧過零電弧過零 后，如果電源電壓大于介質(zhì)強度恢復(fù)電壓，后，如果電源電壓大于介質(zhì)強度恢復(fù)電壓， 弧隙被擊穿，電弧重燃，反之，電弧便熄滅：弧隙被擊穿，電弧重燃，反之，電弧便熄滅： Ud(t) Ur(t) nUd(t) -弧隙介質(zhì)強度恢復(fù)過程中的耐受電壓 由滅弧裝置的結(jié)構(gòu)和滅弧介質(zhì)的性質(zhì)決定 滅弧介質(zhì)：油、空氣、真空、SF6 nUr(t) -弧隙電壓恢復(fù)過程中的弧隙電源電壓 Ur(t)與線

5、路參數(shù)、負荷性質(zhì)等有關(guān) 5 5、高壓斷路器熄滅交流電弧的基本方法、高壓斷路器熄滅交流電弧的基本方法 n1、利用滅弧介質(zhì) n2、采用特殊金屬材料作滅弧觸頭 n3、利用氣體或油吹動電弧 n4、采用多斷口熄弧 n5、拉長電弧并增大斷路器觸頭的分離速度 6、高壓斷路器選擇高壓斷路器選擇 n1）斷路器的種類和形式的選擇 n按滅弧介質(zhì)和滅弧方式分為：多油、少油、壓縮空氣、 SF6、真空 n操動機構(gòu)：斷路器進行合閘、分閘操作，并保持在合 閘狀態(tài)，這些任務(wù)全靠操動機構(gòu)完成。操動系統(tǒng)的動 作過程，實際上是使操動元件（如合閘元件或分閘元 件）獲得動能，再通過拐臂和連桿機構(gòu)，將動能傳到 觸頭，去實現(xiàn)合閘或分閘，操動

6、系統(tǒng)中獨立于斷路器 本體的那一部分，稱為操動機構(gòu)。其它作為傳遞動力 的部分，稱傳動機構(gòu)。包括：手動機構(gòu)、電磁機構(gòu)、 氣動機構(gòu)、彈簧機構(gòu)、液壓機構(gòu) n2）額定電壓選擇 UN UNS n3）額定電流選擇 IN Imax n4）開斷電流選擇 -斷路器滅弧能力的參數(shù)， 指在額定電壓下可能開斷的最大電流，不應(yīng) 小于實際開斷瞬間的短路電流周期分量Ipt INbr Ipt 當(dāng)INbr 比系統(tǒng)短路電流大很多時， INbr I” n5）短路關(guān)合電流的選擇 斷路器合閘前，線路有短路故障，斷路器 在合閘過程中，動、靜觸頭在未接觸時，產(chǎn) 生電弧，有短路電流流過，容易使觸頭熔焊 和受到電動力破壞。且斷路器在關(guān)合短路電

7、流時，接通后又跳閘，此時還要能夠切除短 路電流。為保證斷路器在關(guān)合短路時的安全， 其額定關(guān)合電流INcl 不應(yīng)小于短路電流最大 沖擊值ish ， INcl ish n6）熱穩(wěn)定校驗 n7）動穩(wěn)定校驗 n8）操作時間 kt QtI 2 shes ii 二、隔離開關(guān)的選擇隔離開關(guān)的選擇 n1、隔離開關(guān)的主要用途 n隔離電壓 n倒閘操作 n分合小電流 ： 分、合避雷器、電壓互感器和空載母線 分、合勵磁電流不超過2A的空載變壓器 關(guān)、合電容電流不超過5A的空載線路 n2、隔離開關(guān)的選擇 n1）種類和形式的選擇 n安裝地點：屋內(nèi)式和屋外式 n絕緣支柱數(shù)目：單柱、雙柱、三柱 n2）額定電壓選擇 UN UN

8、S n3）額定電流選擇 IN Imax n 4）熱穩(wěn)定校驗 n5）動穩(wěn)定校驗 kt QtI 2 shes ii 三、互感器的原理與選擇互感器的原理與選擇 n1、互感器的作用互感器的作用 n互感器包括電流互感器（TA 或CT）和電壓互感器 （TV或 PT）。 n1)將一次回路的高電壓和大電流變?yōu)槎位?路標(biāo)準(zhǔn) 的低電壓（100V）和小電流（5A 1A），使測量儀 表和保護裝置標(biāo)準(zhǔn)化、小型化，并使其結(jié)構(gòu)輕巧、 價格便宜和便于屏內(nèi)安裝。 n2)使二次設(shè)備與高壓部分隔離，且互感器二次側(cè)均 接地，從而保證了設(shè)備和人身安全。 n2、電磁式電流互感器、電磁式電流互感器 n1）特點：）特點： a、一次繞組串聯(lián)

9、在電路中，匝數(shù)很少。故一次繞組串聯(lián)在電路中，匝數(shù)很少。故 一次繞組中的電流完全取決于被測電路的負一次繞組中的電流完全取決于被測電路的負 荷電流，而與二次電流大小無關(guān)。荷電流，而與二次電流大小無關(guān)。 b、二次繞組所接儀表的電流線圈阻抗很小，二次繞組所接儀表的電流線圈阻抗很小， 正常情況下，在接近于短路狀態(tài)下運行。正常情況下，在接近于短路狀態(tài)下運行。 n額定電流比額定電流比 ，一次、二次額定電流之比 1221 /NNIIK NNi n2 2）電流互感器的誤差）電流互感器的誤差 定義定義電流誤差： 定義定義相位差 ： 與 之間的夾角， 超前 時為正。 (%)100 1 12 I IIK f i i

10、2 I 2 I 1 I1 I n3）電流互感器的準(zhǔn)確級和額定容量）電流互感器的準(zhǔn)確級和額定容量 nCT的準(zhǔn)確級的準(zhǔn)確級： CT根據(jù)測量時誤差的大小而劃分為不同的準(zhǔn)確級。準(zhǔn)確級 是指在規(guī)定的二次負荷范圍內(nèi)，一次電流為額定值時的最最 大大電流電流誤差誤差 n額定容量：額定容量： CT的額定容量是指CT在額定二次電流（5A、 1A） IN2和額定二次阻抗ZN2下運行時，二次繞組輸出容 量，也可用二次阻抗表示。 由于CT的誤差和二次負荷有關(guān)。同一個CT在不同的二次負 荷下，準(zhǔn)確級不同，額定容量也不同。如SN2=10VA(ZN2=0.4 歐)，當(dāng)Z2l0.4時， 準(zhǔn)確級降為1級，對應(yīng)的額定容量為15VA

11、（ZN2=0.6） n4 4）電流互感器的運行參數(shù)對誤差的影響）電流互感器的運行參數(shù)對誤差的影響 na、一次電流一次電流I1的影響的影響 一次電流I1在額定值IN時，磁導(dǎo)率接近最大，此時電流誤差 和相角差 最小。當(dāng)一次電流較小時，磁導(dǎo)率小，H小，鐵 芯損耗角小，電流誤差和相角差增大，但相角差增大得更 快。 nb、二次負載阻抗及功率因數(shù)對誤差的影響二次負載阻抗及功率因數(shù)對誤差的影響 二次負載阻抗Z2l與誤差成正比，因此二次側(cè)接入的儀表或 繼電器及連接導(dǎo)線的總阻抗不能大于額定二次阻抗，以保 證其準(zhǔn)確級。 當(dāng)功率因數(shù)cos增大時，在二次線圈內(nèi)感應(yīng)的電勢E2與二 次回路電流I2相位差增大，電流誤差fi

12、增大，相角差i減小。 n5 5）電流互感器的選擇）電流互感器的選擇 a、一次回路的額定電壓和電流的選擇一次回路的額定電壓和電流的選擇 UN1 UNS IN1 Imax b、二次額定電流的選擇二次額定電流的選擇 CT的二次額定電流有5A和1A兩種，一般弱 電系統(tǒng)用1A，強電系統(tǒng)用5A。當(dāng)配電裝置 距離控制室較遠，為能使電流互感器能多帶 二次負荷或減小電纜截面，提高準(zhǔn)確級，應(yīng) 盡量采用1A。 c、種類和形式的選擇種類和形式的選擇 根據(jù)安裝地點（屋內(nèi)、屋外）和安裝方式（如 穿墻式、支持式、裝入式）選擇其形式。 n按安裝地點分屋內(nèi)和屋外式。20KV及以下制 成屋內(nèi)式，35KV及以上多制成屋外式。 n2

13、）按安裝方式分為穿墻式、支持式、裝入式。 n3）按絕緣可分為干式、澆注式、油浸式等。 n4）按一次繞組匝數(shù)分為單匝式和多匝式。 nd、準(zhǔn)確級和額定容量的選擇準(zhǔn)確級和額定容量的選擇 CT的準(zhǔn)確級不得低于所供測量儀表的準(zhǔn)確級。 n裝于重要回路（如發(fā)電機、調(diào)速器、變壓器、廠用饋線、出 線等）中的電能表和計費的電能表一般采用0.51級表，相 應(yīng)的互感器的準(zhǔn)確級不應(yīng)低于0.5級； n對測量精度要求較高的大容量發(fā)電機、變壓器、系 統(tǒng)干線和500KV宜用0.2級； n供運行監(jiān)視、估算電能的電能表和控制盤上儀表， 一般皆用11.5級的，相應(yīng)的電流互感器應(yīng)為0.5 1級 n供只需估計電參數(shù)儀表的互感器可用3級。

14、 nCT二次側(cè)所接負荷S2應(yīng)不大于該準(zhǔn)確級所規(guī) 定的額定容量SN2 n電流互感器與儀表的接線形式： 單相接線 星形接線 不完全星形接線 ne、熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定校驗 n對瓷絕緣型CT，應(yīng)校驗瓷套管的機械強度： n對于母線型CT，其端部作用力如下校驗： k QI 2 kNt QIK 2 1) ( shes ii shesN iKI 1 2 aliF shal /1073. 15 . 0 27 aLiF cshal /1073. 1 27 3、電壓互感器的原理與選擇電壓互感器的原理與選擇 n1）分類：電磁式 PT 、電容分壓式PT n電磁式電磁式PT 電磁式電壓互感器的工作原理與特點：容量小，類 似一

15、臺小容量的變壓器,但結(jié)構(gòu)上要求有較高的安全 系數(shù)；正常運行時接近于空載狀態(tài) 電容式電壓電容式電壓PTPT 實質(zhì)是一個電容分壓器，為減少負荷電流的影響， 可在回路中加入補償電抗，并將測量儀表經(jīng)中間變 壓器升壓后與分壓器相連 n2 2）電壓互感器的選擇）電壓互感器的選擇 nPT為與電網(wǎng)并聯(lián)的電壓變換設(shè)備，不須選擇 額定電流，PT不會受到外部電網(wǎng)短路電流的 侵襲，不須進行短路動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定校驗。 PT的內(nèi)部故障，由專用的熔斷器快速切除。 na、一次回路電壓的選擇 0.8UN1UNs1.2UN1 nb、二次回路電壓的選擇 PT二次側(cè)額定電壓應(yīng)滿足保護和測量使用標(biāo) 準(zhǔn)儀表的要求。見表4-6 nc、種類和

16、型式選擇 在635KV屋內(nèi)配電裝置中，一般采用油浸式或澆 注式；110220KV，常采用串級式電磁PT；110- 500KV 的配電裝置，當(dāng)容量和準(zhǔn)確級滿足要求時， 可采用電容式電壓互感器。 nd、容量和準(zhǔn)確級的選擇： 先根據(jù)儀表和繼電器接線要求選擇電壓互感器的接 線方式，盡量把負荷分布在各相上，然后計算各 相負荷的大小，按照所接儀表的準(zhǔn)確級和容量選 擇互感器的準(zhǔn)確級和額定容量，即電壓互感器的 準(zhǔn)確級不得低于所供測量儀表的準(zhǔn)確級；電壓互 感器對應(yīng)于要求準(zhǔn)確級的額定二次容量不應(yīng)小于 電壓互感器二次最大相的負荷。 4、互感器在主接線中的配置原則 n1）電壓互感器的配置電壓互感器的配置 n母線：除旁

17、母外，一般的工作、備用母線都裝有一組電壓互感母線：除旁母外，一般的工作、備用母線都裝有一組電壓互感 器，用于同步、測量儀表和保護裝置。器，用于同步、測量儀表和保護裝置。 n線路：線路：35KV及以上輸電線路，當(dāng)對端有電源時，為監(jiān)視線路及以上輸電線路，當(dāng)對端有電源時，為監(jiān)視線路 有無電壓、進行同步和設(shè)置重合閘，需裝有一臺單相電壓互感有無電壓、進行同步和設(shè)置重合閘，需裝有一臺單相電壓互感 器。器。 n發(fā)電機：一般裝有發(fā)電機：一般裝有2-32-3組電壓互感器，一組供自動調(diào)節(jié)勵磁裝組電壓互感器，一組供自動調(diào)節(jié)勵磁裝 置（三只單相置（三只單相 雙繞組）；一組供測量儀表、同步和保護裝置雙繞組）；一組供測量

18、儀表、同步和保護裝置 使用（三相五柱式或三只單相接地專用互感器，開口三角形供使用（三相五柱式或三只單相接地專用互感器，開口三角形供 發(fā)電機在未并列前檢查是否接地用），當(dāng)負荷太大時，可增設(shè)發(fā)電機在未并列前檢查是否接地用），當(dāng)負荷太大時，可增設(shè) 一組不完全星形連接的互感器，專供測量儀表用。一組不完全星形連接的互感器，專供測量儀表用。 5 5萬萬KWKW及以及以 上的發(fā)電機中性點常接有單相電壓互感器，用于上的發(fā)電機中性點常接有單相電壓互感器，用于100%100%定子接地定子接地 保護。保護。 n變壓器：低壓側(cè)有時為滿足同步或繼電保護的要求，設(shè)一組電變壓器：低壓側(cè)有時為滿足同步或繼電保護的要求，設(shè)一組

19、電 壓互感器。壓互感器。 n2 2）電流互感器的配置）電流互感器的配置 n為滿足測量和保護裝置的要求，在發(fā)電機、變壓器、出線、為滿足測量和保護裝置的要求，在發(fā)電機、變壓器、出線、 母線分段、母聯(lián)斷路器、旁路斷路器等回路，均設(shè)有電流互母線分段、母聯(lián)斷路器、旁路斷路器等回路，均設(shè)有電流互 感器。中性點直接接地系統(tǒng)，一般按三相配置；對中性點非感器。中性點直接接地系統(tǒng)，一般按三相配置；對中性點非 直接接地的系統(tǒng)，依具體情況，可按二相和三相配置。直接接地的系統(tǒng)，依具體情況，可按二相和三相配置。 n對保護用電流互感器的安裝地點，應(yīng)盡量按消除主保護的死對保護用電流互感器的安裝地點，應(yīng)盡量按消除主保護的死 區(qū)

20、來設(shè)置。如有兩組電流互感器時，在位置允許的情況下，區(qū)來設(shè)置。如有兩組電流互感器時，在位置允許的情況下， 應(yīng)設(shè)在斷路器的兩側(cè)，是斷路器處于交叉保護范圍中。應(yīng)設(shè)在斷路器的兩側(cè)，是斷路器處于交叉保護范圍中。 n為防止支柱式電流互感器套管閃絡(luò)造成母線故障，電流互感為防止支柱式電流互感器套管閃絡(luò)造成母線故障，電流互感 器通常布置在斷路器的出線或變壓器側(cè)。器通常布置在斷路器的出線或變壓器側(cè)。 n為減輕內(nèi)部故障時發(fā)電機的損傷，用于勵磁調(diào)節(jié)的電流互感為減輕內(nèi)部故障時發(fā)電機的損傷，用于勵磁調(diào)節(jié)的電流互感 器應(yīng)布置在發(fā)電機定子繞組的出線側(cè)。為便于分析和在發(fā)電器應(yīng)布置在發(fā)電機定子繞組的出線側(cè)。為便于分析和在發(fā)電 機

21、并入系統(tǒng)前發(fā)現(xiàn)內(nèi)部故障，用于測量儀表的電流互感器宜機并入系統(tǒng)前發(fā)現(xiàn)內(nèi)部故障，用于測量儀表的電流互感器宜 裝載發(fā)電機的中性點側(cè)。裝載發(fā)電機的中性點側(cè)。 四、電抗器的選擇 n1、限制短路電流的目的和方法 n限制短路電流的目的 選擇輕型斷路器及較小截面 的電纜 n限制短路電流的方法 采用適當(dāng)?shù)闹鹘泳€形式和運行方式； 增設(shè)電抗器：普通電抗器、分裂電抗器； 采用分裂繞組變壓器 n2 2、額定電壓和額定電流、額定電壓和額定電流 U UN N U UNS NS I IN N I Imax max 普通電抗器的普通電抗器的ImaxImax：主變回路或出線回路，主變回路或出線回路， 取其最大持續(xù)工作電流；發(fā)電廠

22、的母線分段取其最大持續(xù)工作電流；發(fā)電廠的母線分段 電抗器，取相鄰母線上最大一臺發(fā)電機額定電抗器，取相鄰母線上最大一臺發(fā)電機額定 電流的電流的50508080；變電所中的母線分段電；變電所中的母線分段電 抗器應(yīng)滿足用戶的一級負荷和大部分二級負抗器應(yīng)滿足用戶的一級負荷和大部分二級負 荷計算。荷計算。 n3 3、電抗百分值的選擇：、電抗百分值的選擇： Id-基準(zhǔn)電流 Ud-基準(zhǔn)電壓 I ”-短路電流 X*-電源至電抗器前的系統(tǒng)電抗標(biāo)幺值 %100% * Nd dNd L UI UI x I I x）（ ” 正常運行時電壓損耗校驗：正常運行時電壓損耗校驗： 式中 -負荷功率因數(shù)角，一般cos=0.8

23、短路時母線殘壓校驗：短路時母線殘壓校驗： n3 3 熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定校驗熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定校驗 I I t t2 2 t t Q Qk k i ies es i ish sh %5sin% max N L I I xU %70%60 % N lre I I xU 五、五、高壓熔斷器的選擇高壓熔斷器的選擇 n熔斷器主要由金屬熔件（熔體）、支持熔件 的觸頭和外殼（熔管）構(gòu)成。 n熔斷器的作用是保護電氣設(shè)備免受過載和短 路電流的損害。屋內(nèi)型高壓熔斷器在變電站 中常用于保護電力電容器、配電線路和變壓 器，在電廠中多用于保護電壓互感器。 n 1、額定電壓的選擇、額定電壓的選擇 不限流式不限流式： UN UNS

24、 限流式限流式： UN = UNS UN-熔斷器額定電壓 UNS -電網(wǎng)額定電壓 n2、額定電流的選擇、額定電流的選擇 INft INfs INft-熔管的額定電流； INfs -熔體的額定電流 n保護保護35KV及以下電力變壓器時及以下電力變壓器時 INfs = K Imax K-可靠系數(shù)（不計電動機自啟動時K1.11.3，考慮電 動機自啟動時K=1.52.0）Imax-電力變壓器回路最大工 作電流 目的目的：為了防止熔體在通過變壓器勵磁涌流和保護范 圍以外的短路及電動機自啟動等沖擊電流時誤動 作。 n保護電力電容器時保護電力電容器時 INfs = K INc K可靠系數(shù)（對限流式高壓熔斷器

25、，當(dāng)一臺電力電容器時 K=1.52.0，當(dāng)一組電力電容器時K=1.31.8） INc-電力電容器回路的額定電流 目的目的：當(dāng)系統(tǒng)電壓升高或波形畸變引起回路電流增大 或運行中產(chǎn)生涌流時不應(yīng)誤熔斷。 n3、熔斷器開斷電流校驗、熔斷器開斷電流校驗 不限流式：不限流式： INbr Ish 限流式：限流式： INbr I ” n對于沒有限流作用的熔斷器，選擇時用沖擊 電流的有效值Ish進行校驗；對于有限流作用 的熔斷器，在電流達最大值之前已截斷，故 可不計非周期分量的影響，而采用I”進行校 驗。 n 4、熔斷器選擇性校驗、熔斷器選擇性校驗 為了保證前后兩級熔斷器之間或熔斷器與電 源（或負荷）保護裝置之間動作的選擇性， 應(yīng)進行熔體選擇性校驗。各種型號熔斷器的 熔體熔斷時間可由制造廠提供的安秒特性曲 線上查出。 發(fā)電機 n型號含義： T-同步 QF-汽輪發(fā)電機 Q-氫外冷 N-氫內(nèi)冷 S或SS-雙水內(nèi)冷 冷卻方式：定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組有空冷、水內(nèi)冷、氫冷 鐵芯有空冷、氫冷 上海電機廠以“水水空”、“水氫氫”為主 哈爾濱電機廠、東方電機廠、北京重型電機廠以“水氫氫”為 主 QFN-100-2：定子氫外冷、轉(zhuǎn)子氫內(nèi)冷、鐵芯氫冷 QFSN-600-2：定子氫內(nèi)冷、水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子氫內(nèi)冷、鐵芯氫