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1、第五讲第五讲发电厂、变电站电气一次系统设计发电厂、变电站电气一次系统设计(2)一、高压断路器原理与选择高压断路器原理与选择n1、开关电器的作用和种类、开关电器的作用和种类 n 在正常状况下电力系统中的发电机、变压器、在正常状况下电力系统中的发电机、变压器、线路等由于检修或变更运行方式，须要将它们线路等由于检修或变更运行方式，须要将它们接入或退出；在故障时，必需快速切断故障部接入或退出；在故障时，必需快速切断故障部分，使电力系统复原正常运行。分，使电力系统复原正常运行。n仅用来在正常工作状况下，断开或闭合正常工作电流。如：高压负荷开关、低压闸刀开关、接触器、磁力启动器；n仅用来断开故障状况下的过
2、负荷电流或短路电流。如：高、低压熔断器；n既用来断开或闭合正常工作电流，也用来断开或闭合过负荷电流或短路电流。如：高压断路器、低压空气开关（能起限制和爱护的作用）；n不要求断开或闭合电流，只用来在检修时隔离电压。如：隔离开关。2、开关电器电弧形成的物理过程n1）电弧放电的特征及危害n2）电弧形成的过程：电弧的产生和维持是触头间中性质点（分子和原子）被游离的结果。游离就是中性质点转化为带电质点。游离的过程有四种形式：n 强电场放射 n 热电子放射 n 碰撞游离 n 热游离n3）去游离的形式n 电弧中发生游离的同时，还进行着使带电质点削减的去游离过程：n a、复合去游离 n 拉长电弧；加快电弧的冷
3、却；加大气体介质的压力。n b、扩散去游离 n 浓度扩散；温度扩散；用高速冷气吹弧n4）游离与去游离n游离和去游离是电弧燃烧的两个相反过程，游离过程使弧道中带电离子增加，有助于电弧燃烧；去游离过程使弧道中带电离子削减，有利于电弧熄灭。n开关电器中，为加强灭弧实力，都接受各种措施减弱游离过程。从等离子体观点看，就是限制温度，使触头间的介质，由等离子体态转化为其它物态。3、沟通电弧的特点n沟通电弧具有热惯性。随着沟通电流的瞬时值不断变更，电弧的温度、直径、电弧电压也随时间变更。沟通电弧每半周过零一次，电弧自然熄灭。n电弧的热惯性：沟通电弧的电流瞬时值随时间周期变更，电弧的温度、直径及电弧电压也随时
4、间变更，但弧柱的受热升温或散热降温都有确定过程，跟不上电流的变更，这种现象叫电弧的热惯性。4、沟通电弧的熄灭条件n沟通电弧熄灭的基本条件：弧隙介质的绝缘实力达到不被弧隙外施电压击穿的程度，才能保证电弧不被重燃而最终熄灭。电弧过零后，假如电源电压大于介质强度复原电压，弧隙被击穿，电弧重燃，反之，电弧便熄灭：nUd(t)Ur(t)nUd(t)-弧隙介质强度复原过程中的耐受电压n由灭弧装置的结构和灭弧介质的性质确定n灭弧介质：油、空气、真空、SF6nUr(t)-弧隙电压复原过程中的弧隙电源电压nUr(t)与线路参数、负荷性质等有关5 5、高压断路器熄灭沟通电弧的基本方法、高压断路器熄灭沟通电弧的基本
5、方法n1、利用灭弧介质n2、接受特殊金属材料作灭弧触头n3、利用气体或油吹动电弧n4、接受多断口熄弧n5、拉长电弧并增大断路器触头的分别速度6、高压断路器选择高压断路器选择n1）断路器的种类和形式的选择n按灭弧介质和灭弧方式分为：多油、少油、压缩空气、SF6、真空nn操动机构：断路器进行合闸、分闸操作，并保持在合闸状态，这些任务全靠操动机构完成。操动系统的动作过程，事实上是使操动元件（如合闸元件或分闸元件）获得动能，再通过拐臂和连杆机构，将动能传到触头，去实现合闸或分闸，操动系统中独立于断路器本体的那一部分，称为操动机构。其它作为传递动力的部分，称传动机构。包括：手动机构、电磁机构、气动机构、
6、弹簧机构、液压机构n2）额定电压选择nUNUNSn3）额定电流选择nINImaxn4）开断电流选择-断路器灭弧实力的参数，指在额定电压下可能开断的最大电流，不应小于实际开断瞬间的短路电流周期重量IptnINbrIptn当INbr比系统短路电流大很多时，nINbrI”n5）短路关合电流的选择n断路器合闸前，线路有短路故障，断路器在合闸过程中，动、静触头在未接触时，产生电弧，有短路电流流过，简洁使触头熔焊和受到电动力破坏。且断路器在关合短路电流时，接通后又跳闸，此时还要能够切除短路电流。为保证断路器在关合短路时的平安，其额定关合电流INcl不应小于短路电流最大冲击值ish，n INclishn6）
7、热稳定校验n7）动稳定校验n8）操作时间二、隔离开关的选择隔离开关的选择n1、隔离开关的主要用途n隔离电压n倒闸操作 n分合小电流：分、合避雷器、电压互感器和空载母线 分、合励磁电流不超过2A的空载变压器 关、合电容电流不超过5A的空载线路n2、隔离开关的选择n1）种类和形式的选择n安装地点：屋内式和屋外式n绝缘支柱数目：单柱、双柱、三柱n2）额定电压选择 UN UNSn3）额定电流选择 IN Imaxn4）热稳定校验n5）动稳定校验三、互感器的原理与选择互感器的原理与选择n1、互感器的作用n互感器包括电流互感器（TA或CT）和电压互感器（TV或PT）。n1)将一次回路的高电压和大电流变为二次
8、回路标准的低电压（100V）和小电流（5A1A），使测量仪表和爱护装置标准化、小型化，并使其结构灵活、价格便宜和便于屏内安装。n2)使二次设备与高压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证了设备和人身平安。n2、电磁式电流互感器、电磁式电流互感器n1）特点：）特点：n a、一次绕组串联在电路中，匝数很少。、一次绕组串联在电路中，匝数很少。故一次绕组中的电流完全取决于被测电路的故一次绕组中的电流完全取决于被测电路的负荷电流，而与二次电流大小无关。负荷电流，而与二次电流大小无关。n b、二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很、二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，正常状况下，在接近于短路状态下运行。小，正
9、常状况下，在接近于短路状态下运行。n额定电流比额定电流比 ，一次、二次额定电流之比，一次、二次额定电流之比n2 2）电流互感器的误差）电流互感器的误差定义定义电流误差：定义定义相位差：与 之间的夹角，超前 时为正。n3）电流互感器的精确级和额定容量）电流互感器的精确级和额定容量nCT的精确级：的精确级：n CT依据测量时误差的大小而划分为不同的精确依据测量时误差的大小而划分为不同的精确级。精确级是指在规定的二次负荷范围内，一次电级。精确级是指在规定的二次负荷范围内，一次电流为额定值时的最大电流误差流为额定值时的最大电流误差n额定容量：额定容量：n CT的额定容量是指的额定容量是指CT在额定二次
10、电流（在额定二次电流（5A、1A）IN2和额定二次阻抗和额定二次阻抗ZN2下运行时，二次绕组下运行时，二次绕组输出容量，也可用二次阻抗表示。输出容量，也可用二次阻抗表示。n 由于由于CT的误差和二次负荷有关。同一个的误差和二次负荷有关。同一个CT在不在不同的二次负荷下，精确级不同，额定容量也不同。同的二次负荷下，精确级不同，额定容量也不同。如如SN2=10VA(ZN2=0.4欧欧)，当，当Z2l0.4时，精确级降为时，精确级降为1级，对级，对应的额定容量为应的额定容量为15VA（ZN2=0.6）n4 4）电流互感器的运行参数对误差的影响）电流互感器的运行参数对误差的影响na a、一次电流、一次
11、电流I1I1的影响的影响n 一次电流一次电流I1I1在额定值在额定值ININ时，磁导率时，磁导率接近最大，接近最大，此时电流误差此时电流误差 和相角差和相角差 最小。当一次电流较小时，最小。当一次电流较小时，磁导率小，磁导率小，H H小，铁芯损耗角小，电流误差和相角小，铁芯损耗角小，电流误差和相角差增大，但相角差增大得更快。差增大，但相角差增大得更快。nb b、二次负载阻抗及功率因数对误差的影响、二次负载阻抗及功率因数对误差的影响n 二次负载阻抗二次负载阻抗Z2lZ2l与误差成正比，因此二次与误差成正比，因此二次侧接入的仪表或继电器及连接导线的总阻抗不能大侧接入的仪表或继电器及连接导线的总阻抗
12、不能大于额定二次阻抗，以保证其精确级。于额定二次阻抗，以保证其精确级。n 当功率因数当功率因数coscos增大时，在二次线圈内感增大时，在二次线圈内感应的电势应的电势E2E2与二次回路电流与二次回路电流I2I2相位差增大，电流误相位差增大，电流误差差fifi增大，相角差增大，相角差ii减小。减小。n5 5）电流互感器的选择）电流互感器的选择na a、一次回路的额定电压和电流的选择、一次回路的额定电压和电流的选择n UN1 UNS UN1 UNSn IN1 Imax IN1 Imaxnbb、二次额定电流的选择、二次额定电流的选择n CT CT的二次额定电流有的二次额定电流有5A5A和和1A1A两
13、种，一般两种，一般弱电系统用弱电系统用1A1A，强电系统用，强电系统用5A5A。当配电装置。当配电装置距离限制室较远，为能使电流互感器能多带距离限制室较远，为能使电流互感器能多带二次负荷或减小电缆截面，提高精确级，应二次负荷或减小电缆截面，提高精确级，应尽量接受尽量接受1A1A。n c、种类和形式的选择、种类和形式的选择 依据安装地点（屋内、屋外）和安装方式（如依据安装地点（屋内、屋外）和安装方式（如穿墙式、支持式、装入式）选择其形式。穿墙式、支持式、装入式）选择其形式。按安装地点分屋内和屋外式。按安装地点分屋内和屋外式。20KV及以下制成及以下制成屋内式，屋内式，35KV及以上多制成屋外式。
14、及以上多制成屋外式。2）按安装方式分为穿墙式、支持式、装入式。）按安装方式分为穿墙式、支持式、装入式。3）按绝缘可分为干式、浇注式、油浸式等。）按绝缘可分为干式、浇注式、油浸式等。4）按一次绕组匝数分为单匝式和多匝式。）按一次绕组匝数分为单匝式和多匝式。nd、精确级和额定容量的选择、精确级和额定容量的选择n CT的精确级不得低于所供测量仪表的精确级。的精确级不得低于所供测量仪表的精确级。n装装于于重重要要回回路路（如如发发电电机机、调调速速器器、变变压压器器、厂厂用用馈馈线线、出出线线等等）中中的的电电能能表表和和计计费费的的电电能能表表一一般般接接受受0.51级级表表，相相应应的的互互感感器
15、器的的精精确级不应低于确级不应低于0.5级；级；n对对测测量量精精度度要要求求较较高高的的大大容容量量发发电电机机、变变压压器、系统干线和器、系统干线和500KV宜用宜用0.2级；级；n供供运运行行监监视视、估估算算电电能能的的电电能能表表和和限限制制盘盘上上仪仪表表，一一般般皆皆用用11.5级级的的，相相应应的的电电流流互互感感器应为器应为0.51级级 n供只需估计电参数仪表的互感器可用供只需估计电参数仪表的互感器可用3级。级。nCT二次侧所接负荷S2应不大于该精确级所规定的额定容量SN2n电流互感器与仪表的接线形式：n 单相接线n 星形接线n 不完全星形接线ne、热稳定和动稳定校验n对瓷绝
16、缘型CT，应校验瓷套管的机械强度：n对于母线型CT，其端部作用力如下校验：3、电压互感器的原理与选择电压互感器的原理与选择n1）分类：电磁式 PT、电容分压式PTn电磁式PTn 电磁式电压互感器的工作原理与特点：容量小，类似一台小容量的变压器,但结构上要求有较高的平安系数；正常运行时接近于空载状态 n 电容式电压PTn 实质是一个电容分压器，为削减负荷电流的影响，可在回路中加入补偿电抗，并将测量仪表经中间变压器升压后与分压器相连n2 2）电压互感器的选择）电压互感器的选择 nPTPT为与电网并联的电压变换设备，不须选择为与电网并联的电压变换设备，不须选择额定电流，额定电流，PTPT不会受到外部
17、电网短路电流的不会受到外部电网短路电流的侵袭，不须进行短路动稳定、热稳定校验。侵袭，不须进行短路动稳定、热稳定校验。PTPT的内部故障，由专用的熔断器快速切除。的内部故障，由专用的熔断器快速切除。na a、一次回路电压的选择、一次回路电压的选择n 0.8UN1UNs1.2UN10.8UN1UNs1.2UN1nb b、二次回路电压的选择、二次回路电压的选择n PT PT二次侧额定电压应满足爱护和测量运二次侧额定电压应满足爱护和测量运用标准仪表的要求。见表用标准仪表的要求。见表4-6 4-6 nc、种类和型式选择n在635KV屋内配电装置中，一般接受油浸式或浇注式；110220KV，常接受串级式电
18、磁PT；110-500KV的配电装置，当容量和精确级满足要求时，可接受电容式电压互感器。nd、容量和精确级的选择：n先依据仪表和继电器接线要求选择电压互感器的接线方式，尽量把负荷分布在各相上，然后计算各相负荷的大小，依据所接仪表的精确级和容量选择互感器的精确级和额定容量，即电压互感器的精确级不得低于所供测量仪表的精确级；电压互感器对应于要求精确级的额定二次容量不应小于电压互感器二次最大相的负荷。4、互感器在主接线中的配置原则n1）电压互感器的配置n母线：除旁母外，一般的工作、备用母线都装有一组电压互感器，用于同步、测量仪表和爱护装置。n线路：35KV及以上输电线路，当对端有电源时，为监视线路有
19、无电压、进行同步和设置重合闸，需装有一台单相电压互感器。n发电机：一般装有2-3组电压互感器，一组供自动调整励磁装置（三只单相双绕组）；一组供测量仪表、同步和爱护装置运用（三相五柱式或三只单相接地专用互感器，开口三角形供发电机在未并列前检查是否接地用），当负荷太大时，可增设一组不完全星形连接的互感器，专供测量仪表用。5万KW及以上的发电机中性点常接有单相电压互感器，用于100%定子接地爱护。n变压器：低压侧有时为满足同步或继电爱护的要求，设一组电压互感器。n2 2）电流互感器的配置）电流互感器的配置n为满足测量和爱护装置的要求，在发电机、为满足测量和爱护装置的要求，在发电机、变压器、出线、母线
20、分段、母联断路器、旁变压器、出线、母线分段、母联断路器、旁路断路器等回路，均设有电流互感器。中性路断路器等回路，均设有电流互感器。中性点干脆接地系统，一般按三相配置；对中性点干脆接地系统，一般按三相配置；对中性点非干脆接地的系统，依具体状况，可按二点非干脆接地的系统，依具体状况，可按二相和三相配置。相和三相配置。n对爱护用电流互感器的安装地点，应尽量按对爱护用电流互感器的安装地点，应尽量按消退主爱护的死区来设置。如有两组电流互消退主爱护的死区来设置。如有两组电流互感器时，在位置允许的状况下，应设在断路感器时，在位置允许的状况下，应设在断路器的两侧，是断路器处于交叉爱护范围中。器的两侧，是断路器
21、处于交叉爱护范围中。n为防止支柱式电流互感器套管闪络造成母线为防止支柱式电流互感器套管闪络造成母线故障，电流互感器通常布置在断路器的出线故障，电流互感器通常布置在断路器的出线或变压器侧。或变压器侧。n为减轻内部故障时发电机的损伤，用于励磁为减轻内部故障时发电机的损伤，用于励磁调整的电流互感器应布置在发电机定子绕组调整的电流互感器应布置在发电机定子绕组的出线侧。为便于分析和在发电机并入系统的出线侧。为便于分析和在发电机并入系统前发觉内部故障，用于测量仪表的电流互感前发觉内部故障，用于测量仪表的电流互感器宜装载发电机的中性点侧。器宜装载发电机的中性点侧。四、电抗器的选择n1、限制短路电流的目的和方
22、法n限制短路电流的目的n选择轻型断路器及较小截面的电缆n限制短路电流的方法n接受适当的主接线形式和运行方式；n增设电抗器：一般电抗器、分裂电抗器；n接受分裂绕组变压器n2 2、额定电压和额定电流、额定电压和额定电流n UN UNS UN UNSn IN Imax IN Imax n 一般电抗器的一般电抗器的ImaxImax：主变回路或出线回路，：主变回路或出线回路，取其最大持续工作电流；发电厂的母线分段取其最大持续工作电流；发电厂的母线分段电抗器，取相邻母线上最大一台发电机额定电抗器，取相邻母线上最大一台发电机额定电流的电流的50508080；变电所中的母线分段电；变电所中的母线分段电抗器应满
23、足用户的一级负荷和大部分二级负抗器应满足用户的一级负荷和大部分二级负荷计算。荷计算。n3 3、电抗百分值的选择：、电抗百分值的选择：Id-基准电流Ud-基准电压I”-短路电流X*-电源至电抗器前的系统电抗标幺值 正常运行时电压损耗校验：正常运行时电压损耗校验：式中-负荷功率因数角，一般cos=0.8短路时母线残压校验：短路时母线残压校验：n3 3 热稳定和动稳定校验热稳定和动稳定校验 I I t t2 2 t t Q Qk k i ieses i ish sh 五、五、高压熔断器的选择高压熔断器的选择n熔断器主要由金属熔件（熔体）、支持熔件的触头和外壳（熔管）构成。n熔断器的作用是爱护电气设备
24、免受过载和短路电流的损害。屋内型高压熔断器在变电站中常用于爱护电力电容器、配电线路和变压器，在电厂中多用于爱护电压互感器。n 1、额定电压的选择、额定电压的选择不限流式不限流式：UN UNS限流式限流式：UN=UNS UN-熔断器额定电压UNS-电网额定电压n2、额定电流的选择、额定电流的选择 INft INfsINft-熔管的额定电流；INfs-熔体的额定电流 n爱护爱护35KV及以下电力变压器时及以下电力变压器时 INfs =K Imax n K-牢牢靠靠系系数数（不不计计电电动动机机自自启启动动时时K1.11.3，考考虑虑电电动动机机自自启启动动时时K=1.52.0）Imax-电电力变压
25、器回路最大工作电流力变压器回路最大工作电流n目目的的：为为了了防防止止熔熔体体在在通通过过变变压压器器励励磁磁涌涌流流和和爱爱护护范范围围以以外外的的短短路路及及电电动动机机自自启启动动等等冲冲击击电电流流时时误动作。误动作。n爱护电力电容器时爱护电力电容器时 INfs =K INc nK牢牢靠靠系系数数（对对限限流流式式高高压压熔熔断断器器，当当一一台台电电力力电电 容容 器器 时时 K=1.52.0，当当 一一 组组 电电 力力 电电 容容 器器 时时K=1.31.8）nINc-电力电容器回路的额定电流电力电容器回路的额定电流n目目的的：当当系系统统电电压压上上升升或或波波形形畸畸变变引引
26、起起回回路路电电流流增大或运行中产生涌流时不应误熔断。增大或运行中产生涌流时不应误熔断。n3、熔断器开断电流校验、熔断器开断电流校验n不限流式：不限流式：INbr Ish n限流式：限流式：INbr I”n对对于于没没有有限限流流作作用用的的熔熔断断器器，选选择择时时用用冲冲击击电电流流的的有有效效值值Ish进进行行校校验验；对对于于有有限限流流作作用用的的熔熔断断器器，在在电电流流达达最最大大值值之之前前已已截截断断，故故可可不不计计非非周周期期重重量量的的影影响响，而而接接受受I”进进行行校验。校验。n 4、熔断器选择性校验、熔断器选择性校验n n 为为了了保保证证前前后后两两级级熔熔断断
27、器器之之间间或或熔熔断断器器与与电电源源（或或负负荷荷）爱爱护护装装置置之之间间动动作作的的选选择择性性，应应进进行行熔熔体体选选择择性性校校验验。各各种种型型号号熔熔断断器器的的熔熔体体熔熔断断时时间间可可由由制制造造厂厂供供应应的的安安秒秒特特性性曲曲线上查出。线上查出。发电机n型号含义：T-同步QF-汽轮发电机Q-氢外冷N-氢内冷S或SS-双水内冷冷却方式：定子绕组和转子绕组有空冷、水内冷、氢冷铁芯有空冷、氢冷上海电机厂以“水水空”、“水氢氢”为主哈尔滨电机厂、东方电机厂、北京重型电机厂以“水氢氢”为主QFN-100-2：定子氢外冷、转子氢内冷、铁芯氢冷QFSN-600-2：定子氢内冷、
28、水内冷，转子氢内冷、铁芯氢冷变压器n型号产品型号高压绕组电压等级（KV）额定容量（kVA）设计序号相数，单相相数，单相D，三相三相S绕组外绝缘介质，变压器油绕组外绝缘介质，变压器油 ，空气，空气G（K），），成型固体成型固体C冷却方式，油浸自冷（冷却方式，油浸自冷（J），空气自冷空气自冷，风冷风冷F，水冷水冷W（S）油循环方式，自然循环油循环方式，自然循环，强迫油导向循环，强迫油导向循环D，强迫油循环强迫油循环P绕组数，双绕组绕组数，双绕组 ，三绕组，三绕组S调压方式，无激磁调压调压方式，无激磁调压 ，有载调压，有载调压Z绕组导线型号，铜绕组导线型号，铜 ，铝（，铝（L）绕组耦合方式，自耦绕组
29、耦合方式，自耦O注：自耦变作升压用时，注：自耦变作升压用时，O列在型号后，作降压用时列在型号后，作降压用时O列在型号前列在型号前nODFPSZ-250000/500nOSFPSZ-360000/500nSFP-300000/500nSSP3-180000/220nSFPZ7-20000/220nSFPS1-180000/220nSSPSO3-120000/220断路器n型号额定开断电流额定开断电流（KA）额定电流（额定电流（KA）其他标记其他标记额定电压（额定电压（KV）设计序号设计序号安装场所安装场所产品名称产品名称产品名称：产品名称：S少油断路器，少油断路器，Z真空断路器，真空断路器，D多油断路器，多油断路器，LSF6断路器断路器安装场所：安装场所：N户内型，户内型，W户外型户外型其他标记：其他标记：G改进型；改进型；I、II、III 断流实力代号断流实力代号SN10-10I、SW2-110I、ZN10/1250、LW2-220操动机构操动机构n型号其他标记其他标记设计序号设计序号操动方式操动方式产品名称产品名称（C）操动方式：操动方式：S手动，手动，T弹簧储能式，弹簧储能式，Q气动式，气动式，D电磁式，电磁式，Y液压式液压式