电力工程

电力工程基础第5章变电所的一次系统第5章变电所的一次系统5.1电气设备概述5.2高低压开关电器5.3高低压保护电器和限流电器5.4电力变压器5.5互感器5.6高低压成套配电装置5.7电气主接线5.8电气设备的选择5.9变电所的总体布置5.1电气设备概述一次系统（一次回路）：二次系统（二次回路）：担负电能的输送和分配任务的系统。对一次系统进行监视、控制、测量和保护作用的系统。一次系统中的所有电气设备，称为一次设备。二次系统中的所有电气设备，称为二次设备。一次设备按其功能可分为以下几类：变换设备：如电力变压器、电流互感器、电压互感器等。开关设备：如断路器、隔离开关、负荷开关等。保护设备：如熔路器、避雷器、电抗器等。无功补偿设备：如电力电容器、静止补偿器等。成套配电装置：如高压开关柜、低压配电屏等。一、开关电器的灭弧原理1．电弧的产生：是触头间中性质点被游离的结果。高电场发射热电发射碰撞游离热游离产生电弧的游离方式有：5.2高低压开关电器2．电弧的危害电弧电压所产生的危害严重的，其温度高达数千摄氏度，轻则损坏设备，重则可以产生爆炸，酿成火灾，威胁生命和财产的安全。特别是在石油、电力行业中，更需要额外的注意，由于行业的特殊性，更容易造成事故，甚至是人员的伤亡。在电力行业中，开关电器会产生电弧，因为其温度高达数千摄氏度，能烧坏触头，甚至导致触头熔焊。如果电弧不立即熄灭，就可能烧伤操作人员，烧毁设备，甚至酿成火灾。因此，有触头的电器应考虑其灭弧问题。尤其是高压配电方面更要注意。一但由于带负荷拉闸操作失误，或者是在开关箱内有异物（导电体），拉出开关箱的时候，异物瞬间接通了两极又分开，导致电弧产生，导致产生爆炸现象，炸伤、烧伤操作人员。3.开关电器中常用的灭弧方法速拉灭弧法；冷却灭弧法；吹弧灭弧法（图5-2）；图5-2吹弧方式a）横吹b）纵吹1—电弧2—触头长弧切短灭弧法（图5-3）；粗弧分细灭弧法；狭缝灭弧法（图5-4）；采用多断口灭弧；采用新型介质（SF6、真空）灭弧。图5-3长弧切短灭弧原理图5-4狭缝灭弧原理二、高压断路器1.高压断路器的用途和基本结构2.对高压断路器的基本要求绝缘应安全可靠；有足够的动稳定性和热稳定性；有足够的开断能力；动作速度快，熄弧时间短。用途：不仅能通断正常负荷电流，而且能通断一定的短路电流，并能在保护装置作用下自动跳闸，切除短路故障。结构：开断元件、支撑元件、传动元件、基座及操动机构结构特点：具有相当完善的灭弧结构。3.高压断路器的类型油断路器图5-5SN10—10型高压少油断路器图5-5是SN10-10型少油断路器的外形结构图。少油断路器优点：用油量少、体积小、重量轻、节约油和钢材、占地面积小。用于6～35kV配电装置中。多油断路器：油既作为灭弧介质，又作绝缘介质少油断路器：油只作为灭弧介质六氟化硫（SF6）断路器：按灭弧室结构分：双压式和单压式按对地绝缘方式分：落地罐式和瓷柱式图5-6为LW36-126型SF6断路器的外形结构。其它型号的外形结构图5-6LW36-126型SF6断路器优点：断流能力强、灭弧速度快、电绝缘性能好、检修周期长、没有燃烧爆炸危险等。缺点：要求加工精度高，密封性能好，价格较昂贵。双压式：结构复杂，辅助设备多，性能较差单压式：结构简单，可靠性高，便于维护真空断路器：利用真空作为灭弧介质和绝缘介质的，其触头装在真空灭弧室内。图5-7为真空断路器灭弧室的结构。图5-7真空断路器的灭弧室结构1—静触头2—动触头3—屏蔽罩4—波纹管5—导电杆6—外壳目前，国际上真空断路器的设计、制造单位主要是德国西门子公司和ABB公司两大派别。西门子公司的代表产品有3AF、3AG及3AH等；ABB公司的代表产品有VD4。引进技术并国产化的产品，如ZN12-12、ZN18-12、ZN21-12、ZN67-12分别是引进西门子3AF、日本东芝公司VK、比利时EIB公司产品和日本三菱电机VPR型真空断路器等。在借鉴国外同类产品的基础上开发的产品，如ZN63-12和ZN65-12分别效仿ABB的VD4和西门子的3AH。自行设计的产品，如ZN15-12、ZN28-12、ZN30-12等。国内生产的真空断路器归纳起来大致可分为三类：图5-8和图5-9分别为ZN28A-12型户内式和ZW32-12型户外式真空断路器的外形结构。其它型号的外形结构图5-11ZN28A-12型真空断路器图5-12ZW32-12型户外高压真空断路优点：体积小、重量轻、动作快、寿命长、操作噪声小、安全可靠、便于维护。缺点：价格较贵。高压断路器的型号：4.断路器的操作机构说明：断路器合闸时，操作机构必须克服断路器开断弹簧的阻力和可动部分的重量及摩擦阻力等，所以合闸操作需做的功很大；断路器跳闸时，只要将维持机构的脱扣器释放打开，在跳闸弹簧的作用下可迅速跳闸，所以跳闸操作所需做的功很小。手动式（CS型）直流电磁式（CD型）弹簧储能式（CT型）操作机构是指用以进行断路器合闸、保持合闸位置和跳闸的设备，每种操作机构均包括合闸机构、跳闸机构和维持机构三部分。能手动跳、合闸和远距离跳闸，不能远距离合闸，操作电源为交流。能手动和远距离跳合闸，便于实现自动化，结构简单，零件数量少，工作可靠，制造成本低，但需直流操作电源，且合闸功率大。能手动和远距离跳合闸，结构复杂，零件数量多，且要求加工精度高，制造工艺复杂，成本高，但可用交流操作电源，还可实现一次重合闸。5.高压断路器的基本参数额定电压UN：指断路器长期正常工作所能承受的电压。额定电流IN：指断路器允许长期通过的最大工作电流。额定开断电流IN.oc：指断路器在额定电压下能够正常开断的最大短路电流，它表征断路器的开断能力。额定开断容量SN.oc：指断路器额定电压和额定开断电流的乘积，即ocNNocNIUS3说明：如果断路器的实际运行电压U低于额定电压UN而额定开断电流不变，此时的开断容量应修正为：NocNocUUSS热稳定电流Its：表征断路器承受短路电流热效应的能力。ocNtsII动稳定电流imax：表征断路器承受短路电流力效应的能力。分闸时间：指断路器从得到分闸命令起，到三相电弧完全熄灭为止的一段时间，它包括断路器的固有分闸时间和燃弧时间两部分。合闸时间：指断路器从接到合闸命令起，到三相触头刚接触为止的一段时间。固有分闸时间：指断路器从得到分闸命令起，到主触头刚分离的一段时间；燃弧时间：指从主触头分离到三相电弧完全熄灭的一段时间。三、高压隔离开关（俗称刀闸）1.隔离开关的用途结构特点：没有灭弧装置。隔离电压：隔离开关断开后在电路中可以造成一明显可见的断开点，建立可靠的绝缘间隙，保证检修人员的安全。倒闸操作：合闸时，先合上隔离开关，后合上断路器；跳闸时，先断开断路器，后断开隔离开关。分、合小电流：可以接通或断开电流较小的回路（如电压互感器、避雷器、空载母线、励磁电流不超过2A的空载变压器、电容电流不超过5A的空载线路等）。2.高压隔离开关的类型按安装地点分：户内式和户外式；按绝缘支柱的数目分：单柱式、双柱式和三柱式；按刀闸的运行方式分：水平旋转式、垂直旋转式、摆动式和插入式；按有无接地刀闸分：单接地刀闸、双接地刀闸和无接地刀闸。户内式隔离开关图5-10为GN8-10型户内隔离开关的外形结构。图5-10GN8-10型隔离开关1—上接线端子2—静触头3—闸刀4—套管绝缘子5—下接线端子6—框架7—转轴8—拐臂9—升降绝缘子10—支持绝缘子户外式隔离开关图5-11为GW4-110型双柱式户外隔离开关的外形结构。图5-11GW4-110型双柱式隔离开关1—接线座2—主触头3—接地刀闸触头4—支柱绝缘子5—主闸刀传动轴6—接地刀闸传动轴7—轴承座8—接地刀闸9—交叉连杆图5-12为GW5-110D型V形户外隔离开关的外形结构。图5-12GW5-110D型V形双柱式隔离开关1—主闸刀底座2—接地静触头3—出线座4—导电带5—绝缘子6—轴承座7—伞齿轮8—接地刀闸隔离开关的操作机构：手动式、电动式和气动式隔离开关的型号：四、高压负荷开关结构特点：有简单的灭弧装置。功能：可以接通或断开正常的负荷电流，但不能切断短路电流；多与高压熔断器配合使用。有明显的断开点，具有隔离开关的作用。负荷开关的分类：按安装地点分：户内式和户外式；按灭弧介质不同分：压气式、产气式、真空式、SF6负荷开关；负荷开关的型号：图5-13和图5-14分别为ZFN-10型户内高压真空负荷开关和ZFN-10R型高压真空负荷开关-熔断器组合电器的外形结构。图5-13ZFN-10型高压真空负荷开关图5-14ZFN-10R型高压真空负荷开关其它真空负荷开关的外形结构如图所示。五、低压开关1．低压刀开关按极数分：有单极、双极和三极三种;按用途分：有单投和双投两种；按操作方式分：直接手柄操作和连杆操作两种；按灭弧结构分，有不带灭弧罩和带灭弧罩两种。低压刀开关的分类说明：不带灭弧罩的刀开关只能在无负荷下操作，可作低压隔离开关使用；带灭弧罩的刀开关能通断一定的负荷电流。图5-15为HD13型刀开关的外形结构。低压刀开关的型号图5-15HD13型刀开关1—上接线端子2—钢栅片灭弧罩3—闸刀4—底座5—下接线端子6—主轴7—静触头8—连杆9—操作手柄2．低压刀熔开关HR系列刀熔开关是将HD型刀开关的闸刀换以具有刀形触头的RT型熔断器的熔管，具有刀开关和熔断器双重功能。刀熔开关的型号:3．低压负荷开关由低压刀开关与低压熔断器串联组合而成，具有带灭弧罩的刀开关和熔断器的双重功能，既可以带负荷操作，又能进行短路保护。常用的低压负荷开关有HH和HK两种系列:HH系列：为封闭式负荷开关，外装铁壳，俗称铁壳开关；HK系列：为开启式负荷开关，外装胶盖，俗称胶壳开关。六、低压断路器（低压自动开关或空气开关）功能：既能带负荷通断电路，又能在线路发生短路、过负荷、低电压（或失压）等故障时自动跳闸。1.低压断路器的工作原理过流脱扣器：用于短路或过负荷保护；失压（欠压）脱扣器：用于失电压或欠电压保护；图5-16低压断路器的动作原理图1—主触头2—跳钩3—锁扣4—分励脱扣器5—失压脱扣器6—过流脱扣器7—热脱扣器8—加热电阻9、10—脱扣按钮2．低压断路器的分类按灭弧介质分：有空气断路器和真空断路器等；按操作方式分：有手动操作、电磁铁操作和电动机储能操作；按用途分：有、电动机保护用、照明用和漏电保护用等。热脱扣器：用于线路或设备长时间过负荷保护；分励脱扣器：用于远距离跳闸。配电用按保护性能分按结构型式分：塑料外壳式和万能式非选择型：瞬时动作，作短路保护选择型：两段式和三段式保护特性智能型：脱扣器为微处理器两段式：瞬时和长延时；三段式：瞬时、短延时和长延时。图5-17低压断路器的保护特性a）两段式保护特性b）三段式保护特性低压断路器的型号：又称装置式自动开关，其全部机构和导电部分均装设在一个塑料外壳内，仅在壳盖中央露出操作手柄，供手动操作之用，如图5-18所示。塑料外壳式低压断路器（DZ系列）图5-18装置式低压断路器操作手柄有三个位置：合闸位置：手柄扳向上方，跳钩被锁扣扣住，自由脱扣位置：手柄位于中间位置，主触头断开，跳钩被释放（脱扣）分闸和再扣位置：手柄扳向下方，主触头断开，跳钩又被锁扣扣住——“再扣”操作特点：采用钢灭弧栅，脱扣器的脱扣速度快，整个断路时间不超过一个周期（0.02s），且断流能力也较大。又称框架式自动开关。它无外壳，其全部机构和导电部分敞开地装设在塑料的或金属的框架上。由于它的保护方案和操作方式较多，装设地点也很灵活，故称“万能式”或“框架式”。图5-19和图5-20分别为DW15和CW1系列低压断路器的外形结构图。万能式低压断路器特点：合闸操作方式较多，可手柄操作、杠杆操作、电磁铁操作和电动机操作；采用钢灭弧栅，灭弧断流能力较强，但由于操作机构的影响，动作