第六章_导体和电气设备的原理与选择(一)

26.1电气设备选择的一般条件6.2高压断路器和隔离开关的原理与选择6.3互感器的原理与选择6.4限流电抗器的选择6.5高压熔断器的选择6.6裸导体的选择6.7电缆、绝缘子和套管的选择第六章导体和电气设备的原理与选择36.1电气设备选择的一般条件4作者：李长松版权所有电气设备选择的一般条件电力系统中的各种电气设备，它们的工作条件并不完全一致，它们的具体选择方法也不完全相同，但对它们的基本要求却是相同的。即：电气设备要能可靠地工作，必须按正常工作条件进行选择，并且按短路情况进行各种校验（如热稳定校验和动稳定校验）。5作者：李长松版权所有一、按正常工作条件选择电气设备电气设备的额定电压UN就是铭牌上标出的线电压。另外，电气设备还有一个最高工作电压Ualm，即电气设备长期运行所允许的最大电压。1．额定电压选择电气设备时，应使所选电气设备最高工作电压Ualm不低于电气设备装置点的电网最高运行电压Usm，即UalmUsm。6作者：李长松版权所有一、按正常工作条件选择电气设备1．额定电压通常，电气设备最高工作电压Ualm＝(110%～115%)UN而电网最高运行电压Usm＜(115%)UNS所以，一般按照电气设备的额定电压UN不低于装置地点电网额定电压UNS的条件选择即可。NSNUU7作者：李长松版权所有一、按正常工作条件选择电气设备电气设备的额定电流IN是指在一定周围环境温度下，长时间内电气设备所能允许通过的电流。2．额定电流选择电气设备时，应使所选电气设备额定电流IN不低于所工作回路在各种可能运行方式下的最大持续工作电流Imax。即电气设备工作的回路不同，其最大持续工作电流Imax不同。maxNII8作者：李长松版权所有一、按正常工作条件选择电气设备2．额定电流最大长期持续工作电流Imax的计算回路名称最大长期持续工作电流备注发电机变压器母联断路器母线分段电抗器出线φcosU3PINLmaxφcosU3P05.1I05.1INGNGNmaxNTNTNmaxU3S05.1I05.1I一般可取为等于该段母线上最大一台发电机或变压器的Imax一般可取为等于该段母线上最大一台发电机额定电流的50%-80%9A.海拔修正电气设备的最高工作电压是按一定的海拔高度设计的。如果电气设备布置在规定的海拔高度以上，电气设备的最大工作电压就要降低。空气隙的击穿电压（包括沿面闪络）随着空气密度的增大而升高的原因是，随着空气密度的增大，空气中自由电子平均自由程缩短了，不易造成撞击电离。空气隙的击穿电压随着空气湿度的增大而增大的原因是：水蒸汽是电负性气体，易俘获自由电子形成负离子，使最活跃的电离因素——自由电子的数量减小，阻碍电离的发展作者：李长松版权所有一、按正常工作条件选择电气设备在选择电气设备时，还应考虑电气设备安装地点的环境条件，如温度、海拔高度等。当环境条件超过电气设备的正常使用条件时，应采取相应措施。3．按当地环境进行修正海拔高度每增加100m，最大工作电压应降低1％。10B.温度修正电器设备的额定环境温度为θ0＝+40℃。如果周围环境温度高于+40℃，则设备额定电流要减小。如果周围环境温度低于+40℃，则设备额定电流可增大。作者：李长松版权所有一、按正常工作条件选择电器N0alalNNIKIIθθθθθK－温度修正系数即：在选择电气设备时，还应考虑电气设备安装地点的环境条件，如温度、海拔高度等。当环境条件超过电气设备的正常使用条件时，应采取相应措施。3．按当地环境进行修正11作者：李长松版权所有二、按短路条件校验电气设备短路电流通过电气设备时，电气设备各部分温度(或发热效应)应不超过允许值。1．短路热稳定校验电气设备满足短路热稳定的条件是：式中：Qk－短路电流产生的热效应It－电气设备允许通过的热稳定电流t－电气设备允许通过的热稳定电流的持续时间k2tQtI12作者：李长松版权所有二、按短路条件校验电气设备电动力稳定是指电气设备承受短路电流机械效应的能力，也称动稳定。2．短路电动力稳定校验电气设备满足短路动稳定的条件是：式中：ish、Ish－短路冲击电流的幅值及有效值ies、Ies－电气设备允许通过的动稳定电流的幅值和有效值shesii或shesII13不需要校验热稳定或动稳定的情况•1)用熔断器保护的电气设备，其热稳定由熔断时间保证，可不校验热稳定。•2)采用有限流电阻的熔断器保护的设备可不校验动稳定。•3)装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备可不校验热、动稳定。二、按短路条件校验电气设备14作者：李长松版权所有二、按短路条件校验电气设备为使所选电气设备具有足够的可靠性、经济性和合理性，并在一定时期内适应电力系统发展的需要，作校验用的短路电流应按下列条件计算。3．短路电流计算条件(1)容量和接线按最终设计容量计算，并考虑远景发展规划接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式(2)短路种类一般按三相短路计算若其它种类短路比三相短路严重，则按该情况计算15作者：李长松版权所有二、按短路条件校验电气设备3．短路电流计算条件(3)短路计算点的选择选择通过电气设备的短路电流为最大的点为短路计算点发电机变压器回路：应比较断路器前后短路时通过断路器的电流值，择其大者为短路计算点。QF1QF2QF3QF4QF5Ig1Ig2Itk1k2k3k5k4k6k7k816作者：李长松版权所有二、按短路条件校验电气设备3．短路电流计算条件(3)短路计算点的选择母联断路器回路：选择通过电气设备的短路电流为最大的点为短路计算点QF1QF2QF3QF4QF5Ig1Ig2Itk1k2k3k5k4k6k7k8应考虑当由母联断路器向备用母线充电时，备用母线k4点短路，则全部短路电流流过母联断路器的情况。17作者：李长松版权所有二、按短路条件校验电气设备3．短路电流计算条件(3)短路计算点的选择出线电抗器回路：一般选电抗器后k8点为短路计算点。选择通过电气设备的短路电流为最大的点为短路计算点QF1QF2QF3QF4QF5Ig1Ig2Itk1k2k3k5k4k6k7k818作者：李长松版权所有二、按短路条件校验电气设备3．短路电流计算条件(4)短路计算时间校验热稳定短路计算时间tk为继电保护动作时间tpr和相应断路器的全开断时间tab之和。abprkttt而即ainabttt式中：tab－断路器全开断时间tpr－后备继电保护动作时间tin－断路器固有分闸时间(查产品参数表)ta－断路器燃弧时间19作者：李长松版权所有二、按短路条件校验电气设备3．短路电流计算条件(4)短路计算时间校验电气设备开断能力开断电气设备应能在最严重的情况下开断短路电流，因此短路开断计算时间tbr为主保护动作时间tpr1和断路器固有分闸时间tin之和。in1prbrttt即式中：tpr1－主继电保护动作时间tin－断路器固有分闸时间(查产品参数表)20作者：李长松版权所有二、按短路条件校验电气设备3．短路电流计算条件(4)短路计算时间tpr1tbrtktintatab动静触头分开短路开始电弧熄灭发出跳闸命令216.2高压断路器和隔离开关的原理与选择22作者：李长松版权所有高压断路器开关电器是电力系统的重要设备之一，其中，又以断路器的地位最重要，结构也最复杂。高压断路器是用来在正常情况下接通和断开电路、且在故障情况下能自动迅速开断故障电流的开关设备。对断路器的基本要求是：在各种情况下应具有足够的开断能力，尽可能短的动作时间和高度的工作可靠性。断路器最重要的任务就是熄灭电弧，所以，各种断路器都有不同结构的灭弧装置。23作者：李长松版权所有一、电弧的基本理论电弧是一种气体游离放电现象。能量集中，温度很高，亮度很强三部分组成：阴极区、阳极区和弧柱区＋－静触头阳极区弧柱区阴极区动触头电弧的气体放电是自持放电，维持电弧稳定燃烧的电压很低电弧是一束游离的气体，质量极轻，容易变形。在气体或液体的流动作用下，或在电动力的作用下，电弧能迅速移动、伸长或弯曲24作者：李长松版权所有一、电弧的基本理论(一)电弧的产生、维持及物理过程触头的周围原本是空气或其它绝缘介质。为什么在动静触头分离瞬间会变成导电的电弧呢？原因就在于在绝缘介质中出现了大量的自由电子。＋－静触头阳极区弧柱区阴极区动触头大量自由电子由阴极向阳极的定向运动就形成了电弧。25作者：李长松版权所有一、电弧的基本理论(一)电弧的产生、维持及物理过程1.弧柱中自由电子的来源A.电极发射大量自由电子，对电弧的产生起决定作用热电子发射：动静触头分离时，触头间接触电阻增大，接触处大量发热，使阴极表面温度升高而发射电子。其数量取决于触头材料和表面温度。冷电子发射(强电场发射)：动静触头分离时，触头间的间隙很小，触头间会形成很高的电场强度，将阴极触头金属表面中的自由电子从中拉出来。其数量取决于电场强度的大小。26作者：李长松版权所有一、电弧的基本理论(一)电弧的产生、维持及物理过程1.弧柱中自由电子的来源B.弧柱区的气体游离，产生大量的自由电子和离子，对电弧的形成和维持起决定作用游离是指中性质点变成自由电子和正离子的过程。电场游离(碰撞游离)：在电场作用下，电子加速向阳极运动，途中与介质中的中性质点发生碰撞。若自由电子具有足够动能，就能与中性质点产生碰撞游离，使其游离为正离子和自由电子。这样的过程连续进行导致雪崩式碰撞，使触头间充满了自由电子。在外加电压作用下形成电子流，介质被击穿而形成电弧。27作者：李长松版权所有一、电弧的基本理论(一)电弧的产生、维持及物理过程1.弧柱中自由电子的来源热游离：电弧形成后，触头间电压立刻降低，但弧柱的温度很高。处于高温下的介质分子和原子产生剧烈运动，不断发生碰撞，也会游离出自由电子和离子(这就是热游离过程)，可以维持电弧的燃烧。B.弧柱区的气体游离，产生大量的自由电子和离子，对电弧的形成和维持起决定作用游离是指中性质点变成自由电子和正离子的过程。28作者：李长松版权所有一、电弧的基本理论(一)电弧的产生、维持及物理过程2.电弧的形成过程由以上分析可以看出，阴极在强电场作用下发射电子。发射的电子在触头电压作用下产生碰撞游离，就形成了电弧。在高温作用下，阴极产生热发射，并在介质中发生热游离，使电弧维持和发展。这就是电弧形成的过程。29作者：李长松版权所有一、电弧的基本理论(一)电弧的产生、维持及物理过程3.去游离过程在电弧中，发生游离过程的同时还进行着使带电质点减少的去游离过程。游离过程＞去游离过程：电弧电流增大，炽热燃烧游离过程＝去游离过程：电弧电流不变，稳定燃烧游离过程＜去游离过程：电弧电流减小，最终熄灭因此，要想使电弧熄灭，就必须设法加强去游离过程，使其大于游离过程。30作者：李长松版权所有一、电弧的基本理论(一)电弧的产生、维持及物理过程3.去游离过程A.复合去游离：带电质点的电荷彼此中和的现象电子碰撞中性质点→速度慢的负离子→与正离子中和复合去游离进行的快慢与弧隙电场强度的大小、电弧的温度及电弧的表面积有关。B.扩散去游离：弧柱中的自由电子和正离子由于热运动而从弧柱内部逸出进入周围冷介质的现象浓度扩散；温度扩散；高速冷气吹弧31作者：李长松版权所有一、电弧的基本理论(一)电弧的产生、维持及物理过程3.去游离过程由上可知，利用各种方法，人工地强迫冷却电弧的内部和表面，不仅可增强复合去游离的速度，同时也能增强扩散去游离的强度，使电弧很快熄灭。32作者：李长松版权所有一、电弧的基本理论(二)交流电弧的特性1.交流电弧的特性tOiuarc电弧电压、电流波形图A燃弧电压B熄弧电压33作者：李长松版权所有一、电弧的基本理论(二)交流电弧的特性1.交流电弧的特性tOABiuarc电弧电压、电流波形图随着正弦交流电流的周期性变化，交流电弧电流也将随之每半周过零一次。在电弧电流自然过零时，电弧向弧隙输送能量减少，电弧温度和热游离下降，电弧将自动熄灭。34作者：李长松版权所有一、电弧的基本理论(二)交流电弧的特性1.交流电弧