電力系統(tǒng)設計第五講-電氣設備的選擇(互感器、斷路器、隔離開關等)

第五講

發(fā)電廠、變電站電氣一次系統(tǒng)設計(2)一、高壓斷路器原理與選擇1、開關電器的作用和種類

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)恢復正常運行。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、低壓閘刀開關、接觸器、磁力啟動器；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；既用來斷開或閉合正常工作電流，也用來斷開或閉合過負荷電流或短路電流。如：高壓斷路器、低壓空氣開關（能起控制和保護的作用）；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。2、開關電器電弧形成的物理過程1）電弧放電的特征及危害2）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）被游離的結果。游離就是中性質(zhì)點轉化為帶電質(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3）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、復合去游離

拉長電?。患涌祀娀〉睦鋮s；加大氣體介質(zhì)的壓力。

b、擴散去游離

濃度擴散；溫度擴散；用高速冷氣吹弧4）游離與去游離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。

開關電器中，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)轉化為其它物態(tài)。3、交流電弧的特點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。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

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。電弧過零后，如果電源電壓大于介質(zhì)強度恢復電壓，弧隙被擊穿，電弧重燃，反之，電弧便熄滅：

Ud(t)≥Ur(t)Ud(t)---弧隙介質(zhì)強度恢復過程中的耐受電壓

由滅弧裝置的結構和滅弧介質(zhì)的性質(zhì)決定

滅弧介質(zhì)：油、空氣、真空、SF6Ur(t)---弧隙電壓恢復過程中的弧隙電源電壓

Ur(t)與線路參數(shù)、負荷性質(zhì)等有關5、高壓斷路器熄滅交流電弧的基本方法1、利用滅弧介質(zhì)

2、采用特殊金屬材料作滅弧觸頭3、利用氣體或油吹動電弧

4、采用多斷口熄弧

5、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

1）斷路器的種類和形式的選擇按滅弧介質(zhì)和滅弧方式分為：多油、少油、壓縮空氣、SF6、真空

操動機構：斷路器進行合閘、分閘操作，并保持在合閘狀態(tài)，這些任務全靠操動機構完成。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，將動能傳到觸頭，去實現(xiàn)合閘或分閘，操動系統(tǒng)中獨立于斷路器本體的那一部分，稱為操動機構。其它作為傳遞動力的部分，稱傳動機構。包括：手動機構、電磁機構、氣動機構、彈簧機構、液壓機構2）額定電壓選擇

UN

≥UNS

3）額定電流選擇

IN≥Imax4）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，不應小于實際開斷瞬間的短路電流周期分量Ipt

INbr

≥Ipt當INbr

比系統(tǒng)短路電流大很多時，INbr

≥I”5）短路關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。且斷路器在關合短路電流時，接通后又跳閘，此時還要能夠切除短路電流。為保證斷路器在關合短路時的安全，其額定關合電流INcl

不應小于短路電流最大沖擊值ish， INcl≥ish

6）熱穩(wěn)定校驗

7）動穩(wěn)定校驗8）操作時間二、隔離開關的選擇1、隔離開關的主要用途

隔離電壓倒閘操作分合小電流：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、合電容電流不超過5A的空載線路2、隔離開關的選擇1）種類和形式的選擇安裝地點：屋內(nèi)式和屋外式絕緣支柱數(shù)目：單柱、雙柱、三柱2）額定電壓選擇UN≥UNS3）額定電流選擇

IN≥Imax

4）熱穩(wěn)定校驗5）動穩(wěn)定校驗三、互感器的原理與選擇1、互感器的作用

互感器包括電流互感器（TA或CT）和電壓互感器（TV或PT）。1)將一次回路的高電壓和大電流變?yōu)槎位芈窐藴实牡碗妷海?00V）和小電流（5A1A），使測量儀表和保護裝置標準化、小型化，并使其結構輕巧、價格便宜和便于屏內(nèi)安裝。2)使二次設備與高壓部分隔離，且互感器二次側均接地，從而保證了設備和人身安全。2、電磁式電流互感器1）特點：

a、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荷電流，而與二次電流大小無關。

b、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。額定電流比，一次、二次額定電流之比2）電流互感器的誤差定義電流誤差：

定義相位差：與

之間的夾角，超前

時為正。3）電流互感器的準確級和額定容量CT的準確級：

CT根據(jù)測量時誤差的大小而劃分為不同的準確級。準確級是指在規(guī)定的二次負荷范圍內(nèi)，一次電流為額定值時的最大電流誤差額定容量：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。同一個CT在不同的二次負荷下，準確級不同，額定容量也不同。如SN2=10VA(ZN2=0.4歐)，當Z2l<0.4時，能保證準確級為0.5級，當Z2l>0.4時，準確級降為1級，對應的額定容量為15VA（ZN2=0.6）4）電流互感器的運行參數(shù)對誤差的影響a、一次電流I1的影響

一次電流I1在額定值IN時，磁導率μ接近最大，此時電流誤差和相角差最小。當一次電流較小時，磁導率小，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。b、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，因此二次側接入的儀表或繼電器及連接導線的總阻抗不能大于額定二次阻抗，以保證其準確級。當功率因數(shù)cosФ增大時，在二次線圈內(nèi)感應的電勢E2與二次回路電流I2相位差增大，電流誤差fi增大，相角差δi減小。5）電流互感器的選擇a、一次回路的額定電壓和電流的選擇UN1≥UNSIN1≥Imax

b、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，提高準確級，應盡量采用1A。

c、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。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。2）按安裝方式分為穿墻式、支持式、裝入式。3）按絕緣可分為干式、澆注式、油浸式等。4）按一次繞組匝數(shù)分為單匝式和多匝式。d、準確級和額定容量的選擇CT的準確級不得低于所供測量儀表的準確級。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0.5～1級表，相應的互感器的準確級不應低于0.5級；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；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1～1.5級的，相應的電流互感器應為0.5～1級供只需估計電參數(shù)儀表的互感器可用3級。CT二次側所接負荷S2應不大于該準確級所規(guī)定的額定容量SN2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e、熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定校驗對瓷絕緣型CT，應校驗瓷套管的機械強度：

對于母線型CT，其端部作用力如下校驗：

3、電壓互感器的原理與選擇

1）分類：電磁式

PT、電容分壓式PT電磁式PT電磁式電壓互感器的工作原理與特點：容量小，類似一臺小容量的變壓器,但結構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PT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2）電壓互感器的選擇

PT為與電網(wǎng)并聯(lián)的電壓變換設備，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。a、一次回路電壓的選擇

0.8UN1<UNs<1.2UN1b、二次回路電壓的選擇PT二次側額定電壓應滿足保護和測量使用標準儀表的要求。見表4-6

c、種類和型式選擇在6～35KV屋內(nèi)配電裝置中，一般采用油浸式或澆注式；110～220KV，常采用串級式電磁PT；110-500KV的配電裝置，當容量和準確級滿足要求時，可采用電容式電壓互感器。d、容量和準確級的選擇：

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，按照所接儀表的準確級和容量選擇互感器的準確級和額定容量，即電壓互感器的準確級不得低于所供測量儀表的準確級；電壓互感器對應于要求準確級的額定二次容量不應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

1）電壓互感器的配置

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。

線路：35KV及以上輸電線路，當對端有電源時，為監(jiān)視線路有無電壓、進行同步和設置重合閘，需裝有一臺單相電壓互感器。發(fā)電機：一般裝有2-3組電壓互感器，一組供自動調(diào)節(jié)勵磁裝置（三只單相雙繞組）；一組供測量儀表、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，開口三角形供發(fā)電機在未并列前檢查是否接地用），當負荷太大時，可增設一組不完全星形連接的互感器，專供測量儀表用。5萬KW及以上的發(fā)電機中性點常接有單相電壓互感器，用于100%定子接地保護。變壓器：低壓側有時為滿足同步或繼電保護的要求，設一組電壓互感器。

2）電流互感器的配置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；對中性點非直接接地的系統(tǒng)，依具體情況，可按二相和三相配置。對保護用電流互感器的安裝地點，應盡量按消除主保護的死區(qū)來設置。如有兩組電流互感器時，在位置允許的情況下，應設在斷路器的兩側，是斷路器處于交叉保護范圍中。為防止支柱式電流互感器套管閃絡造成母線故障，電流互感器通常布置在斷路器的出線或變壓器側。

為減輕內(nèi)部故障時發(fā)電機的損傷，用于勵磁調(diào)節(jié)的電流互感器應布置在發(fā)電機定子繞組的出線側。為便于分析和在發(fā)電機并入系統(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。

四、電抗器的選擇1、限制短路電流的目的和方法限制短路電流的目的選擇輕型斷路器及較小截面

的電纜限制短路電流的方法采用適當?shù)闹鹘泳€形式和運行方式；增設電抗器：普通電抗器、分裂電抗器；采用分裂繞組變壓器2、額定電壓和額定電流UN≥UNS

IN≥Imax普通電抗器的Imax：主變回路或出線回路，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)電機額定電流的50％～80％；變電所中的母線分段電抗器應滿足用戶的一級負荷和大部分二級負荷計算。3、電抗百分值的選擇：Id-----基準電流Ud-----基準電壓I”-----短路電流X*∑’-----電源至電抗器前的系統(tǒng)電抗標幺值正常運行時電壓損耗校驗：

式中φ----負荷功率因數(shù)角，一般cosφ=0.8短路時母線殘壓校驗：3．

熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定校驗It2t

≥Qkies≥

ish

五、高壓熔斷器的選擇

熔斷器主要由金屬熔件（熔體）、支持熔件的觸頭和外殼（熔管）構成。

熔斷器的作用是保護電氣設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。

1、額定電壓的選擇不限流式：UN≥

UNS

限流式：UN=

UNS

UN-------熔斷器額定電壓UNS-------電網(wǎng)額定電壓2、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

保護35KV及以下電力變壓器時INfs=KImax

K-----可靠系數(shù)（不計電動機自啟動時K＝1.1～1.3，考慮電動機自啟動時K=1.5~2.0）Imax-----電力變壓器回路最大工作電流目的：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。保護電力電容器時

INfs=KINc

K－可靠系數(shù)（對限流式高壓熔斷器，當一臺電力電容器時K=1.5~2.0，當一組電力電容器時K=1.3~1.8）INc-----電力電容器回路的額定電流目的：當系統(tǒng)電壓升高或波形畸變引起回路電流增大或運行中產(chǎn)生涌流時不應誤熔斷。3、熔斷器開斷電流校驗不限流式：

INbr≥Ish

限流式：

INbr≥I”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。4、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：定子繞組和轉子繞組有空冷、水內(nèi)冷、氫冷鐵芯有