导体和电气设备的原理与选择

第六章导体和电气设备的原理与选择导体和电气设备选择是电气设计的主要内容之一。本章将介绍导体和电气设备的一般选择条件和校验条件；载流导体和主要电气设备的原理及选择条件、方法。全部内容分7各部分。第1节电气设备选择的一般条件第2节高压断路器和隔离开关的原理与选择第3节互感器的原理及选择第4节限流电抗器的选择第5节高压熔断器的选择第6节裸导体的选择第7节电缆、绝缘子和套管的选择6.1电气设备选择的一般条件一、按正常工作条件选择电气设备二、按短路状态校验正常工作条件选择项目：1.按额定电压选择2.按额定电流选择3.依环境条件对额定电压、额定电流修正。各种不同回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax发电机、调相机和变压器回路的Imax=1.05（由于发电机、调相机和变压器在电压降低5％时，出力保持不变）。若变压器有可能过负荷运行时的Imax应按过负荷确定（1.3一2倍变压器额定电流）；母联断路器回路的Imax取母线上最大一台发电机或变压器的Imax；母线分段电抗器的Imax为母线上最大一台发电机跳闸时，保证该段母线负荷所需的电流，或最大一台发电机额定电流的50％－80%；出线回路的Imax除考虑正常负荷电流外，还应考虑事故时由其他回路转移过来的负荷按使用环境的海拔高度修正设备的最高工作电压非高原型的电气设备使用环境的海拔高度不超过1000m。当海拔在1000一3500m范围内，若海拔制造厂家规定值每升高100m，则电气设备允许最高工作电压要下降1%。当最高工作电压不能满足要求时，应采用高原型电气设备，或采用外绝缘提高一级的产品。对于110KV及以下电气设备，由于外绝缘裕度较大，可在海拔2000m以下使用。按使用环境的温度度修正设备的额定电流我国生产的电气设备一般使用的额定环境温度θ0=+40℃。如周围环境温度高于+40℃90（但蕊+60℃）时，其允许电流一般可按每增高1℃，额定电流减少1.8％进行修正；当环境温度低于+40℃时，环境温度每降低1℃，额定电流可增加0.5%，但其最大电流不得超过额定电流的20%。此外，还应按电器的装置地点、使用条件、检修和运行等要求，对电器进行种类（屋内或屋外）和型式（防污型、防爆型、湿热型等）的选择。短路状态校验项目1.短路热稳定校验2．电动力稳定校验可不校验热稳定或动稳定几种情况：(1)用熔断器保护的电气设备，其热稳定由熔断时间保证，故可不验算热稳定。(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动、热稳定。3.短路电流计算条件作验算用的短路电流计算条件：(1)容量和接线容量——按本工程设计最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划（一般为本工程建成后5一10年）；接线——应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式，但不考虑在切换过程中可能短时并列的接线方式（如切换厂用变压器时的并列）。(2)短路种类一般按三相短路验算，若其他种类短路较三相短路严重时，则应按最严重的情况验算。(3)计算短路点在计算电路图中，同电位的各短路点的短路电流值均相等，但通过各支路的短路电流将随着短路点的位置不同而不同。在校验电器和载流导体时，必须确定电气设备和载流导体处于最严重情况的短路点，使通过的短路电流校验值为最大。例如：1)两侧均有电源的断路器，如发电厂与系统相联系的出线断路器和发电机、变压器回路的断路器，应比较断路器前、后短路时通过断路器的电流值，择其大者为计算短路点。2)母联断路器应考虑当采用该母联断路器向备用母线充电时，备用母线故障流过该备用母线的全部短路电流。3)带电抗器的出线回路由于干式电抗器工作可靠性较高，且断路器与电抗器间的连线很短，故障几率小，电器一般可选电抗器后为计算短路点，这样出线可选用轻型断路器，以节约投资。4.短路计算时间4.短路计算时验算热稳定的短路计算时间tktpr为继电保护动作时间，tbr为断路器的全开断时间tpr一般取保护装置的后备保护动作时间，这是考虑到主保护有死区或拒动；tbr是指对断路器的分闸脉冲传送到断路器操作机构的跳闸线圈时起，到各相触头分离后的电弧完全熄灭为止的时间段。断路器全开断时间tbr包括两个部分：tin为断路器固有分闸时间——由断路器接到分闸命令（分闸电路接通）起，到灭弧触头刚分离的一段时间，此值可在相应手册中查出；ta为断路器开断时电弧持续时间（熄弧时间）——由第一个灭弧触头分离瞬间起，到最后一极电弧熄灭为止的一段时间。少油断路器ta≈0.04～0.06s，SF6断路器和压缩空气断路器ta≈0.02一0.04s，真空断路器ta≈0.015s.效验断路器开断能力的短路计算时间tpr1——主保护动作时间。对于无延时保护，tpr1为主保护启动和执行机构动作时间之和，一般为0.05～0.06s。高压断路器和隔离开关是发电厂和变电站电气主系统的重要开关电器。高压断路器主要功能是：正常运行中时，倒换运行方式，把设备或线路接人电网或退出运行，起控制作用；设备或线路发生故障时，能快速切除故障回路，保证无故障部分正常运行，起保护作用。6.2高压断路器和隔离开关的原理与选择高压断路器与高压隔离开关高压断路器是开关电器中最为完善的一种设备（内部装有灭弧装置），其最大特点是能断开电器中负荷电流和短路电流。高压隔离开关的主要功能是保证高压电器及装置在检修工作时的安全，不能用于切断、投人负荷电流或开断短路电流，仅可允许用于不产生强大电弧的某些切换操作。252kVSF6断路器252kVSF6断路器126kVSF6断路器12kV真空断路器40.5kV真空断路器户内6.2.1电弧的形成与熄灭用开关电器切断通有电流的线路时，开关电器的动、静触头分离瞬间，触头间会出现电弧的电压、电流值：电源电压＞10～20V，电流大于＞80～100mA。电弧是导电的，电弧存在时，触头虽已分开，但是电路中的电流还在继续流通。只有电弧熄灭，电路才被真正断开。电弧之所以能形成导电通道，是因为电弧弧柱中出现了大量自由电子的缘故。真空断路器的弧光1．电弧的形成和弧隙介质的游离与去游离电弧是一种游离的气体放电现象。电弧的产生及维持是触头绝缘介质的中性质点（分子和原子）被游离的结果。游离——中性质点转化为带电质点。电弧的形成过程就是气态介质或固态、液态介质高温气化后向等离子体态的转化过程。电弧形成的物理过程阴极发射电子→弧隙气体原子游离→阳极收集电子阴极发射大量电子，在电场的作用下趋向阳极方向从而构成阴极区的电流。阴极发射电子的机制有两种：热电子发射强电场电子发射——弧隙间最初产生电子的主因。阴极表面电子发射只形成阴极区的电流，弧柱部分导电需要在弧柱区域也能出现大量自由电子，这就需要使弧柱区的气体原子游离弧隙气体原子游离的方式通常有两种：电场游离（碰撞游离）热游离电场游离（碰撞游离）——形成电弧，热游离——维持电弧燃烧。阳极收集电子或不但收集电子而且产生金属蒸气，向弧柱提供带电粒子。阳极的作用通常不象阴极那样重要。电弧的熄灭在电弧中热游离使得⊕、e不断增多（同时）去游离使得⊕、e减少电弧中游离、去游离同时存在，决定了弧柱导电性能的变化。热游离＞去游离电弧炙热燃烧热游离＝去游离电弧稳定燃烧热游离＜去游离电弧逐渐熄灭去游离的形式去游离——游离的逆过程，正、负带电质点减少的过程。去游离包括复合、扩散两种方式复合复合指⊕与e接近时，互相吸引成为中性原子失去带电性的过程。例：H＋＋eH由于⊕和e速度相差太大，直接复合的几率很小；间接复合过程：通常e先附在原子上形成负离子，再与⊕复合，如图：H＋eH－表面复合过程弧区有金属物时，可吸引带电粒子使金属带电，再吸引相反电荷的粒子复合为中性粒子。弧区绝缘物，也可促进复合。间接的空间复合在金属表面的复合扩散扩散——弧柱中的带电粒子，由于热运动从弧柱中浓度较高的区域移动到弧柱周围浓度较低的区域的现象。扩散的结果，使弧柱中的带电粒子减少，对弧柱而言是一种去游离。电器中采用各种吹弧方式，就是为对弧柱起扩散的去游离作用。阴极区、弧柱区和阳极区电弧通常可以分为三个区域：阴极区、弧柱区和阳极区。阴极区：阴极区压降Uca弧柱区：弧柱区压降Uco阳极区:阳极区压降Uan电弧的电位和电位梯度分布图见图。Ua=Uca+Uco+Uan;=Uca+Eala+Uan;Ea－电弧电位梯度；la－电弧长度UaEala阴极区、弧柱区和阳极区通常阴极区的电位降有10～20V，并与触头材料等有关。阴极区的长度很小，如在大气中只有10-4cm左右，因此电位梯度很大。阳极区的位降与阴极区的位降相近，长度稍长。弧柱长度与触头距离及电弧形状有关，弧柱电位降与电弧长度及所处介质的种类及状态（压力、流动情况等）等有关。弧柱的电位梯度一般不过几十伏上下最高几百伏，较阴极电位梯度小得多。2．交流电弧的熄灭交流电弧的两大特点：（1）过零值自然熄灭；（2）有动伏安特性，电弧参数由于外界条件的改变（电路上的或周围介质状况的）而随t不断变化。由于弧柱的热惯性，电弧温度变化即热游离程度变化滞后于电流变化，因而电弧电压呈现图6一1所示的马鞍形。对应于正弦波电流，半个波内，电弧电压中间大部分平坦，只有在电流靠近零点，瞬时值很小时，电弧电压升高，呈现为电弧尖峰。图中A点是电弧产生时的电压，称为燃弧电压，而B点是电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。显然，由于介质的热惯性，燃弧电压必然大于熄弧电压。(1)交流电弧的熄灭条件交流电弧在电弧电流过零时自然暂时熄灭，弧隙中间同时存在着两个恢复过程，即介质强度恢复过程和电源电压恢复过程。1)弧隙介质强度恢复过程——指在电弧电流过零时电弧熄灭时，弧隙的绝缘能力经一定时间从导电状态恢复到绝缘的正常状态的过程，以耐受电压Ud(t)表示。2)弧隙电压恢复过程——指电弧电流自然过零后，电源施加于弧隙的电压，从不大的电弧熄灭电压逐渐增长，一直恢复到电源电压的过程，这一过程中的弧隙电压称为恢复电压，以Ur(t)表示。弧隙介质强度恢复过程弧隙介质强度Ud(t)主要由断路器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质所决定，随断路器型式而异。目前，电力系统中常用的灭弧介质有油（变压器油或断路器油）、空气、真空、SF6等。图6一2示出其介质强度恢复过程的典型曲线。从图中可以看出：在t=0电流过零瞬间，介质强度突然出现Oa(0a’、Oa”）升高的现象，称为近阴极效应。继后的介质强度的增长速度和恢复过程，将与电弧电流的大小、介质特性、触头分离速度和冷却条件等因素有关。近阴极效应在电弧过零之前，弧隙充满着电子和正离子，当电流过零后，弧隙的电极极性发生改变，弧隙中的电子立即向新阳极运动，而比电子质量大一千多倍的正离子则基本未动，从而在新阴极附近呈现正离子层空间，如图6一3所示。因其电导很低，显示出一定的介质强度，约在0.1一1p的短暂时间内有150一250V起始介质强度。这种近阴极效应特性，交流电弧远大于直流电弧，特别对交流低压电气设备的熄弧有利弧隙电压恢复过程弧隙介质强度和恢复电弧隙电压恢复过程主要取决于系统电路的参数，即线路参数、负荷性质等。可能是周期性的或非周期性的变化过程。(1)交流电弧的熄灭条件熄灭电弧的条件为：弧隙介质强度恢复耐受电压大于电源恢复电压，即Ud(t)＞Ur(t)如果电源恢复电压高于介质强度耐受电压，弧隙就被电击穿，电弧重燃；反之，电弧便熄灭。(2)高压断路器熄灭交流电弧的基本方法电弧能否熄灭，决定于电弧电流过零时，弧隙的介质强度恢复速度和系统恢复电压上升速度的竟争。如果加强弧隙的去游离或减小弧隙电压的恢复速度，都可以促使电弧熄灭。现代高压开关电器中，广泛采用灭弧方法：参见P175～P1766.2.2断路器开断短路电流时的工作状态分析1．弧隙电压恢复过程分析电力系统的一条线路如图6-4(a)所示电路，k点短路时，断路器QF能否开断电路，取决于电弧电流过零自然熄灭后，介质强度的恢复与电源电压恢复的状态。交流电弧在电流过零值