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

第五講

發(fā)電廠、變電站電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)(2)一、高壓斷路器原理與選擇1、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(jī)、變壓器、線路等由于檢修或改變運(yùn)行方式，需要將它們接入或退出；在故障時(shí)，必須迅速切斷故障部分，使電力系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)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(fù)荷開關(guān)、低壓閘刀開關(guān)、接觸器、磁力啟動(dòng)器；僅用來斷開故障情況下的過負(fù)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(fù)荷電流或短路電流。如：高壓斷路器、低壓空氣開關(guān)（能起控制和保護(hù)的作用）；不要求斷開或閉合電流，只用來在檢修時(shí)隔離電壓。如：隔離開關(guān)。2、開關(guān)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(diǎn)（分子和原子）被游離的結(jié)果。游離就是中性質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為帶電質(zhì)點(diǎn)。游離的過程有四種形式：強(qiáng)電場(chǎng)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(shí)，還進(jìn)行著使帶電質(zhì)點(diǎn)減少的去游離過程：

a、復(fù)合去游離

拉長(zhǎng)電??；加快電弧的冷卻；加大氣體介質(zhì)的壓力。

b、擴(kuò)散去游離

濃度擴(kuò)散；溫度擴(kuò)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(gè)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(guān)電器中，為加強(qiáng)滅弧能力，都采用各種措施減弱游離過程。從等離子體觀點(diǎn)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(diǎn)交流電弧具有熱慣性。隨著交流電流的瞬時(shí)值不斷變化，電弧的溫度、直徑、電弧電壓也隨時(shí)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(shí)值隨時(shí)間周期變化，電弧的溫度、直徑及電弧電壓也隨時(shí)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(dá)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(qiáng)度恢復(fù)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(qiáng)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、SF6Ur(t)---弧隙電壓恢復(fù)過程中的弧隙電源電壓

Ur(t)與線路參數(shù)、負(fù)荷性質(zhì)等有關(guān)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(dòng)電弧

4、采用多斷口熄弧

5、拉長(zhǎng)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(dòng)機(jī)構(gòu)：斷路器進(jìn)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(dòng)機(jī)構(gòu)完成。操動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作過程，實(shí)際上是使操動(dòng)元件（如合閘元件或分閘元件）獲得動(dòng)能，再通過拐臂和連桿機(jī)構(gòu)，將動(dòng)能傳到觸頭，去實(shí)現(xiàn)合閘或分閘，操動(dòng)系統(tǒng)中獨(dú)立于斷路器本體的那一部分，稱為操動(dòng)機(jī)構(gòu)。其它作為傳遞動(dòng)力的部分，稱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。包括：手動(dòng)機(jī)構(gòu)、電磁機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)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(yīng)小于實(shí)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(shí)，INbr

≥I”5）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(dòng)、靜觸頭在未接觸時(shí)，產(chǎn)生電弧，有短路電流流過，容易使觸頭熔焊和受到電動(dòng)力破壞。且斷路器在關(guān)合短路電流時(shí)，接通后又跳閘，此時(shí)還要能夠切除短路電流。為保證斷路器在關(guān)合短路時(shí)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

6）熱穩(wěn)定校驗(yàn)

7）動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)8）操作時(shí)間二、隔離開關(guān)的選擇1、隔離開關(guān)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(lì)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2、隔離開關(guān)的選擇1）種類和形式的選擇安裝地點(diǎn)：屋內(nèi)式和屋外式絕緣支柱數(shù)目：?jiǎn)沃?、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(yàn)5）動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)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?biāo)準(zhǔn)的低電壓（100V）和小電流（5A1A），使測(cè)量?jī)x表和保護(hù)裝置標(biāo)準(zhǔn)化、小型化，并使其結(jié)構(gòu)輕巧、價(jià)格便宜和便于屏內(nèi)安裝。2)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。2、電磁式電流互感器1）特點(diǎn)：

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(cè)電路的負(fù)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，正常情況下，在接近于短路狀態(tài)下運(yùn)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(shí)為正。3）電流互感器的準(zhǔn)確級(jí)和額定容量CT的準(zhǔn)確級(jí)：

CT根據(jù)測(cè)量時(shí)誤差的大小而劃分為不同的準(zhǔn)確級(jí)。準(zhǔn)確級(jí)是指在規(guī)定的二次負(fù)荷范圍內(nèi)，一次電流為額定值時(shí)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(yùn)行時(shí)，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(fù)荷有關(guān)。同一個(gè)CT在不同的二次負(fù)荷下，準(zhǔn)確級(jí)不同，額定容量也不同。如SN2=10VA(ZN2=0.4歐)，當(dāng)Z2l<0.4時(shí)，能保證準(zhǔn)確級(jí)為0.5級(jí)，當(dāng)Z2l>0.4時(shí)，準(zhǔn)確級(jí)降為1級(jí)，對(duì)應(yīng)的額定容量為15VA（ZN2=0.6）4）電流互感器的運(yùn)行參數(shù)對(duì)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(shí)，磁導(dǎo)率μ接近最大，此時(shí)電流誤差和相角差最小。當(dāng)一次電流較小時(shí)，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。b、二次負(fù)載阻抗及功率因數(shù)對(duì)誤差的影響二次負(fù)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(jí)。當(dāng)功率因數(shù)cosФ增大時(shí)，在二次線圈內(nèi)感應(yīng)的電勢(shì)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(qiáng)電系統(tǒng)用5A。當(dāng)配電裝置距離控制室較遠(yuǎn)，為能使電流互感器能多帶二次負(fù)荷或減小電纜截面，提高準(zhǔn)確級(jí)，應(yīng)盡量采用1A。

c、種類和形式的選擇根據(jù)安裝地點(diǎn)（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(diǎn)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(zhǔn)確級(jí)和額定容量的選擇CT的準(zhǔn)確級(jí)不得低于所供測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確級(jí)。裝于重要回路（如發(fā)電機(jī)、調(diào)速器、變壓器、廠用饋線、出線等）中的電能表和計(jì)費(fèi)的電能表一般采用0.5～1級(jí)表，相應(yīng)的互感器的準(zhǔn)確級(jí)不應(yīng)低于0.5級(jí)；對(duì)測(cè)量精度要求較高的大容量發(fā)電機(jī)、變壓器、系統(tǒng)干線和500KV宜用0.2級(jí)；供運(yùn)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(jí)的，相應(yīng)的電流互感器應(yīng)為0.5～1級(jí)供只需估計(jì)電參數(shù)儀表的互感器可用3級(jí)。CT二次側(cè)所接負(fù)荷S2應(yīng)不大于該準(zhǔn)確級(jí)所規(guī)定的額定容量SN2電流互感器與儀表的接線形式：?jiǎn)蜗嘟泳€星形接線不完全星形接線e、熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)對(duì)瓷絕緣型CT，應(yīng)校驗(yàn)瓷套管的機(jī)械強(qiáng)度：

對(duì)于母線型CT，其端部作用力如下校驗(yàn)：

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(diǎn)：容量小，類似一臺(tái)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(yùn)行時(shí)接近于空載狀態(tài)

電容式電壓PT實(shí)質(zhì)是一個(gè)電容分壓器，為減少負(fù)荷電流的影響，可在回路中加入補(bǔ)償電抗，并將測(cè)量?jī)x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(shè)備，不須選擇額定電流，PT不會(huì)受到外部電網(wǎng)短路電流的侵襲，不須進(jìn)行短路動(dòng)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定校驗(yàn)。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(cè)額定電壓應(yīng)滿足保護(hù)和測(cè)量使用標(biāo)準(zhǔn)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(jí)式電磁PT；110-500KV的配電裝置，當(dāng)容量和準(zhǔn)確級(jí)滿足要求時(shí)，可采用電容式電壓互感器。d、容量和準(zhǔn)確級(jí)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(fù)荷分布在各相上，然后計(jì)算各相負(fù)荷的大小，按照所接儀表的準(zhǔn)確級(jí)和容量選擇互感器的準(zhǔn)確級(jí)和額定容量，即電壓互感器的準(zhǔn)確級(jí)不得低于所供測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確級(jí)；電壓互感器對(duì)應(yīng)于要求準(zhǔn)確級(jí)的額定二次容量不應(yīng)小于電壓互感器二次最大相的負(fù)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(cè)量?jī)x表和保護(hù)裝置。

線路：35KV及以上輸電線路，當(dāng)對(duì)端有電源時(shí)，為監(jiān)視線路有無電壓、進(jìn)行同步和設(shè)置重合閘，需裝有一臺(tái)單相電壓互感器。發(fā)電機(jī)：一般裝有2-3組電壓互感器，一組供自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置（三只單相雙繞組）；一組供測(cè)量?jī)x表、同步和保護(hù)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(jī)在未并列前檢查是否接地用），當(dāng)負(fù)荷太大時(shí)，可增設(shè)一組不完全星形連接的互感器，專供測(cè)量?jī)x表用。5萬KW及以上的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)常接有單相電壓互感器，用于100%定子接地保護(hù)。變壓器：低壓側(cè)有時(shí)為滿足同步或繼電保護(hù)的要求，設(shè)一組電壓互感器。

2）電流互感器的配置為滿足測(cè)量和保護(hù)裝置的要求，在發(fā)電機(jī)、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)有電流互感器。中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，一般按三相配置；對(duì)中性點(diǎn)非直接接地的系統(tǒng)，依具體情況，可按二相和三相配置。對(duì)保護(hù)用電流互感器的安裝地點(diǎn)，應(yīng)盡量按消除主保護(hù)的死區(qū)來設(shè)置。如有兩組電流互感器時(shí)，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(hù)范圍中。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)。

為減輕內(nèi)部故障時(shí)發(fā)電機(jī)的損傷，用于勵(lì)磁調(diào)節(jié)的電流互感器應(yīng)布置在發(fā)電機(jī)定子繞組的出線側(cè)。為便于分析和在發(fā)電機(jī)并入系統(tǒng)前發(fā)現(xiàn)內(nèi)部故障，用于測(cè)量?jī)x表的電流互感器宜裝載發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)側(cè)。

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(dāng)?shù)闹鹘泳€形式和運(yùn)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(tái)發(fā)電機(jī)額定電流的50％～80％；變電所中的母線分段電抗器應(yīng)滿足用戶的一級(jí)負(fù)荷和大部分二級(jí)負(fù)荷計(jì)算。3、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)幺值正常運(yùn)行時(shí)電壓損耗校驗(yàn)：

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

熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)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(gòu)成。

熔斷器的作用是保護(hù)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(hù)電力電容器、配電線路和變壓器，在電廠中多用于保護(hù)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(hù)35KV及以下電力變壓器時(shí)INfs=KImax

K-----可靠系數(shù)（不計(jì)電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)時(shí)K＝1.1～1.3，考慮電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)時(shí)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(lì)磁涌流和保護(hù)范圍以外的短路及電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)等沖擊電流時(shí)誤動(dòng)作。保護(hù)電力電容器時(shí)

INfs=KINc

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

INbr≥Ish

限流式：

INbr≥I”對(duì)于沒有限流作用的熔斷器，選擇時(shí)用沖擊電流的有效值Ish進(jìn)行校驗(yàn)；對(duì)于有限流作用的熔斷器，在電流達(dá)最大值之前已截?cái)?，故可不?jì)非周期分量的影響，而采用I”進(jìn)行校驗(yàn)。4、熔斷器選擇性校驗(yàn)

為了保證前后兩級(jí)熔斷器之間或熔斷器與電源（或負(fù)荷）保護(hù)裝置之間動(dòng)作的選擇性，應(yīng)進(jìn)行熔體選擇性校驗(yàn)。各種型號(hào)熔斷器的熔體熔斷時(shí)間可由制造廠提供的安秒特性曲線上查出。發(fā)電機(jī)型號(hào)含義：T---同步QF---汽輪發(fā)電機(jī)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