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第四章高压电气设备的选择

课程

供电技术

授

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课题

第四章高压电气设备的选择

教学

目的

对一次设备着重介绍其功能、结构特点、基本原理及其选择。

重点

电弧产生与熄灭的机理，高压断路器的功能特点，仪用互感器的使用注意事项，隔离开关不能带电操作的原理及后果。

难点

高压断器的选择计算，互感器的选择。

教具

多媒体教学、播放高压开关设备短片。

作业

P125页1、2、4、5、9、10

教学内容（含理论联系实际）、时间分配与教学方法设计

时间分配：

第一节

电气设备选择的一般原则（2学时）

第二节开关电弧

第三节

高压开关设备的选择

第四节母线及绝缘子选择（2学时）

第五节

互感器选择

第六节设计计算实例（2学时）

教学方法：

利用多媒体讲授电气设备的选择和设计计算实例，开关电弧和断路器结构部分用动画演示或播放教学短片。

教学内容：

第一节　电气设备选择的一般原则

对各种电气设备的基本要求是正常运行时安全可靠，短时通过短路电流时不致损坏，因此，电气设备必须按正常工作条件进行选择，按短路条件进行校验。

一、按正常条件选择

1．环境条件

2．按电网额定电压选择电气设备的额定电压UN≥UNS

3．按最大长时负荷电流选择电气设备的额定电流

电气设备的额定电流IN应不小于通过它的最大长时负荷电流Ilo.m（或计算电流Ica），即IN≥Ilo.m

电器设备的额定电流是指规定环境温度为+40℃时，长期允许通过的最大电流。

如果电器周围环境温度与额定环境温度不符时，应对额定电流值进行修正。

方法是：

当高于+40℃时，每增高1℃，额定电流减少1.8%；当低于+40℃时，每降低1℃，额定电流增加0.5%，但总的增加值不得超过额定电流的20%。

若已知电气设备的最高允许工作温度，当环境最高温度高于40℃，但不超过60℃时，额定电流也可按下式修正：

选电气设备时，应使修正后的额定电流IN不小于所在回路的最大长时负荷电流Ilo.m，即

二、按短路情况校验

1．热稳定校验

短路电流通过电器设备时，电器的各部件温度（或发热效应）应不超过短时允许发热温度。

即

≥

或

≥

或

2．动稳定性校验

短路电流通过电器设备时，电器设备各部件应能承受短路电流所产生的机械力效应，不发生变形损坏，即

≥

或

≥

第二节　开关电弧

断路器切断通有电流的回路时，只要电源电压大于10～20V，电流大于80～100mA，在动、静触头分开瞬间，触头间隙就会出现电弧。

此时，触头虽然已分开，但是电路中的电流还在继续流通，只有熄灭电弧，电路才真正断开。

电弧，从本质上说，是一种极强烈的电游离现象，其特点是光很强和温度很高。

一、电弧的形成

发生电弧的游离方式：

１、热电发射２、高电场发射３、碰撞游离４、热电游离。

二、电弧的熄灭

在中性质点发生游离的同时，还存在着使带电质点不断减少的去游离。

去游离的主要形式是复合与扩散。

复合是异性带电质点彼此的中和。

扩散是指带电质点从弧隙逸出进入周围介质中的现象。

三、交流电弧的开断

交流电弧电流每周自然过零两次。

在电流过零时，电弧暂时熄灭。

因此熄灭交流电弧，就是让交流电弧过零后电弧不重燃。

交流电弧过零时自然熄灭，过零后是否重燃，取决于电源加在弧隙上的恢复电压与弧隙介质强度的耐压能力的恢复情况。

交流电弧的熄灭条件是，交流电弧过后，弧隙介质强度恢复过程永远大于弧隙电压恢复过程。

四、灭弧的基本方法

1.利用介质灭弧

2．利用气体或油吹动电弧

3．采用特殊的金属材料作灭弧触头

4．电磁吹弧

5．使电弧在固体介质的狭缝中运动

6．将长弧分隔成短弧

7．采用多断口灭弧

8．提高断路器触头的分离速度

第三节　高压开关设备的选择

一、高压断路器的选择

高压断路器（QF）是供电系统中最重要的设备之一。

它有完善的灭弧装置，是一种专门用于断开或接通电路的开关设备。

正常运行时把设备或线路接入或退出运行，起着控制作用；当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，起着保护作用。

（一）高压断路器种类

1.多油断路器：

开关触头在绝缘油中闭合和断开。

油兼有灭弧和绝缘功能，油量多，有易燃易爆危险。

体积大，维护麻烦。

2.少油断路器：

开关触头在绝缘油中闭合和断开。

油只作灭弧功能，油量少，易燃易爆危险性较小。

体积小，价廉，维护方便。

不能频繁操作。

6～10kv多用。

3.六氟化硫断路器

开关触头在SF6气体中闭合和断开。

SF6气体兼有灭弧和绝缘功能。

灭弧能力强，属高速断路器。

断流容量大，电绝缘性能好，检修周期长。

可频繁操作。

无燃烧爆炸危险，体积小，维护要求严格，价贵。

在全封闭组合电器中多采用。

不适于高寒地区。

本身无毒，但电弧在高温作用下会生成氟化氢等强烈腐蚀性的剧毒物，检修时，应注意防毒。

4.真空断路器

开关触头在真空的容器内闭合和断开。

灭弧能力强燃弧时间短，属高速断路器。

开断能力强。

结构简单，重量轻，体积小。

寿命长，易维修。

可频繁操作。

无易燃易爆危险。

由于开断速度高,易产生截流过电压,对变压器等感性负载易造成危害,应配置过电压吸收装置。

（二）高压断路器选择

1．按工作环境选型

2．按所在的电网电压选择

高压断路器的额定电压，应不小于所在电网的额定电压。

3．按所在回路最大长时负荷电流选择额定电流

高压断路器的额定电流，应不小于所在回路的最大长时负荷电流。

4．校验断路器的热稳定

当短路电流通过高压断路器时，满足热稳定条件是其各部件温度（或发热效应）应不超过短时允许发热温度。

5．校验断路器的动稳定

短路电流通过高压断路器时，其各部件应能承受短路电流通所产生的机械力效应，不发生变形损坏，即

6．校验高压断路器的开断能力

高压断路器必须可靠地切除通过它的最大短路电流。

因此，其额定开断电流应不小于开断瞬间的最大短路电流。

7．校验断路器的额定关合电流（iNcl）

在断路器合闸之前，若线路上已存在短路故障，则在断路器合闸过程中，动、静触头间在未接触时即有巨大的短路电流通过（预击穿），触头更容易熔焊和遭受电动力的损坏。

为了保证断路器在关合短路电流时的安全，断路器的额定关合电流iNcl不应小于短路电流最大冲击值ish，即

。

二、高压负荷开关的选择

具有简单的灭弧装置。

1功能

（1）能通断一定的负荷电流和过负荷电流，不能切断短路电流故障。

（2）必须与高压熔断器串联，借助于熔断器切除短路电流。

（3）与隔离开关一样，具有明显的断开间隙，也具有隔离电源，保证安全检修的功能。

2类型

高压负荷开关按灭弧介质主要分为有产气式、压气式、真空式和SF6等类型，按安装地点分户内式和户外式两大类。

3.选择

负荷开关按额定电压、额定电流选择，按动、热稳定性进行校验。

当配有熔断器时，应校验熔断器的断流容量，其动、热稳定性可不作校验。

三、高压隔离开关的选择

没有灭弧装置，不能接通和切断负荷电流。

1功能：

隔离高压电源；倒闸操作；接通和断开较小电流。

2.类型

高压隔离开关按安装地点分为户内式和户外式两大类；按有无接地开关又可分为不接地、单接地、双接地三类。

3.选择

隔离开关按电网电压、额定电流及环境条件选择，并按短路电流校验其动、热稳定性。

四、高压熔断器的选择

是一种简单的保护电器.由熔体、熔体管和接触导电等部分组成。

1.功能

主要对电流和电路中的设备进行短路保护；有时也有过负荷保护

2.类型及特点

高压熔断器分户内与户外式，灭弧方式一种是熔管内壁为产气材料，在电弧作用下分解出大量的气体，使熔管内气压剧增，达到灭弧目的；或利用所产气体吹弧，达到熄弧目的（如国产RW4户外式跌落熔断器）。

另一种是利用石英砂作为灭弧介质，填充在熔管内，熔件熔断后，电弧与石英砂紧密接触，弧电阻很大起到了限制短路电流的作用，使电流未达到最大值时即可熄灭，所以又叫限流熔断器。

国产RN1-10、RN2-10及RW9-35等均属此类产品。

3.选择

高压熔断器除按工作环境条件、电网电压、长时最大负荷电流（对保护电压互感器的熔断器不考虑负荷电流）选择型号外，还必须校验熔断器的断流容量，即

限流式的熔断器，不能用在低于其额定电压的电网上（10kV熔断器不能用于6kV电网），以免熔件熔断时电弧电阻过大而出现截流过电压。

熔断器额定电流有两个，即熔件和熔管的额定电流，应按下式选取

所选熔件应在最大长时负荷电流及设备起动电流的作用下不应熔断，在短路电流作用下可靠熔断；要求熔断器特性应与上级保护装置的动作时限相配合（即动作要有选择性），以免保护装置越级动作，造成停电范围的扩大。

对保护变压器的熔件，其额定电流可按变压器额定电流的l.5～2倍选取。

五、高压开关柜的选择

按一定线路方案将有关一、二次设备组装而成的一种高压成套配电装置。

1用途：

作为电能接受、分配的通断和监视保护之用。

2类型：

固定式；手车式

3选择

1）据使用环境和工作条件决定开关柜类型和相应的电气设备。

2）据变配电所一次电路图的要求并经几个方案的技术经济比较，优选开关柜及其一次方案编号，并确定一、二次设备型号和规格。

3）结合控制、计量、保护和信号等方面要求，选用或自行设计二次接线，并确定二次设备型号和规格。

4）向厂家订购时，应向厂家提供一、二次电路图纸等有关技术资料。

第四节　母线及绝缘子选择

一母线的选择

母线的选择项目主要包括母线选型、截面积以及动热稳定校验。

（一）母线选型

1.母线选型包括材料、截面形状和布置方式。

2.母线材料有铜、铝、铝合金等。

3.母线形状有矩形、管形和多股绞线等种类。

矩形母线的散热和机械强度与导体布置方式有关。

平放布置机械强度高，但散热条件差，长时允许电流下降。

当母线宽度大于60mm时，长时允许电流降低8％；小于60mm时降低5％。

（二）母线截面积选择

汇流母线的截面积，一般按长时最大负荷电流选择，按短路条件校验其动、热稳定性。

对年平均负荷较大，长度在20m以上的变压器回路导体，才按经济电流密度选择。

1．按最大长时负荷电流选择母线截面积

应满足下式要求：

2．按经济电流密度选择母线截面

按经济电流密度选择母线截面应满足下式，即

（三）按短路条件进行校验

1．母线热稳定性校验

所选母线的截面S应不小于最小热稳定截面Smin，即

2．母线动稳定性校验

母线在短路冲击电流电动力作用下应保证不会产生永久性变形或断裂，即母线材料允许应力al应不小于短路电流作用母线上的电动应力max，即

二、母线支柱绝缘子和套管绝缘子的选择

支柱绝缘子对母线起着支持、固定与绝缘等作用。

母线穿过建筑物或其它物体时，必须用套管绝缘子绝缘。

（一）支柱绝缘子的选择

绝缘子按使用地点分户内式及户外式两种。

支柱绝缘子应根据使用地点、母线电压选择后，再按短路条件校验其动稳定性。

1．额定电压选择

支柱绝缘子额定电压不小于所在电网的电压，即

2．支柱绝缘子动稳定性校验

按最大允许力Fal进行校验，即Fal=0.6Fde≥KFmax

（二）套管绝缘子的选择

套管绝缘子的额定电流是绝缘子内导体在环境温度为40℃，最高发热温度为80℃时的最大长时允许电流。

当环境年最高温度（℃）高于40℃，且低于60℃时，允许电流值可按下式进行修正：

套管绝缘子的动稳定性校验，按其最大允许抗弯力进行校验，即

套管绝缘子的热稳定校验，应使其额定热稳定电流应满足下式，即

第五节　限流电抗器的选择

一、短路电流的限制

限制短路电流的措施就是增加短路回路的总电抗，具体方法如下。

1．改变供电系统的运行方式

2．在回路中串入限流电抗器来增加短路回路总阻抗

二、普通电抗器的选择

电抗器除了按一般条件选择外，还应进行电抗百分数选择、电压损失和残压校验。

（一）电抗器的选择

1．额定电压选择

按所在电网电压选电抗器的额定电压

2．额定电流选择

按所在线路的最大长时负荷电流选择电抗器的额定电流，即

3．电抗百分值的选择

按短路电流限制到一定数值的要求来选择。

设要求将电抗器后的短路电流限制到I″，则电源到电抗器后的短路电的总电抗标幺值为XL*=Id/I″，设电源到电抗器前的系统原有电抗标幺值是Xs*，则所需电抗器的电抗标幺值为

根据电抗器的额定电压、额定电流可计算出电抗器在额定参数下电抗值的百分值，即

（二）电抗器校验

1．正常运行时电压损失校验

正常运行时，电抗器有一定的电压降，考虑到电抗器电阻很小，其电压损失主要由无功分量产生，为了使用户的端电压不致过分降低，其应满足

2．母线残余电压校验

若出线电抗器回路未装速断保护，为减轻短路对其他用户的影响，当短路直接发生在电抗器后面时，母线残压应不小于所在电网电压的（60~70%），即

如果低于此值，则应选择XL%大一级的电抗器，或者在出线上采用速断保护装置以减少电压降低的时间。

3．动、热稳定校验

为了使动稳定性得到保证，应满足动稳定条件，即

为了使热稳定得到保证，应满足热稳定条件

第六节　互感器的选择

一、电磁式电流互感器

电流互感器主要由一次绕组、铁心和二次绕组构成，工作原理与变压器相似。

其特点是：

①一次绕组匝数少且粗，有的型号还没有一次绕组，利用穿过其铁心的一次电路作为一次绕组（相当于1匝）；而二次绕组匝数很多，导体较细；

②一次绕组串接在一次电路中，二次绕组与仪表、继电器电流线圈串联，形成闭合回路，由于这些电流线圈阻抗很小，所以电流互感器二次回路接近短路状态；

③互感器等值总阻抗在一次回路中所占比重极小，其一次回路电流大小取决于其负荷电流的大小，而与互感器二次负荷无关，因此电流互感器可看作一恒流源。

电流互感器的额定电流比称为电流互感器的变比，用Ki表示。

（一）电流互惑器误差和准确级

1．电流互感器误差

电流互感器二次侧测量的I2′与一次回路的I1在大小和方向上有差别，这种差别称为电流互感器的测量误差。

大小误差称为电流误差（fi），方向误差称为角误差（δi）。

两种误差均与互感器的激磁电流、原边电流、二次负载阻抗和阻抗角等的大小有关。

电流误差可以使所有接于电流互感器二次回路的设备产生误差，角误差仅对功率型设备有影响。

2．电流互感器的准确级

根据电流互感器测量的误差大小可划分为不同的准确级。

准确级是指在规定的二次负荷变化范围内，一次电流为额定值的最大电流误差。

电流互感器按功能分为计量型和保护型两类。

计量用电流互感器，当电路发生过流或短路时，铁心应迅速饱和，以免二次电流过大，对仪表产生危害。

保护用的电流互感器，当短路发生时，铁心不应饱和，应能给继电保护提供较准确的短路电流，保证其可靠动作。

（二）常用电流互惑器的类型

电流互感器的类型很多，按一次绕组匝数分有单匝（包括母线式、芯柱式、套管式）和多匝式（包括线圈式、绕环式、串级式）；按用途有测量用和保护用两大类；按绝缘介质类型分有油浸式，环氧树脂浇注式、干式、SF6气体绝缘式等。

但电流互感器均为单相式，以便于使用。

（三）电流互感器的选择

电流互感器按一般条件选择外，还应根据二次设备要求选择电流互感器的准确级和校验二次侧额定容量，对继电保护用的电流互感器应校验其10％误差倍数。

1．额定电压应大于或等于电网额定电压

2．额定电流应大于或等于一次回路最大长时负荷电流

3．电流互感器的准确级应不小于二次侧所接仪表的准确级

4．电流互感器的额定容量应不小于所接二次设备的容量

5．动稳定性校验

内部动稳定按下式校验：

外部动稳定按下式校验：

若产品样本未标明出线端部的允许力Fal，而给出特定相间距离a＝40cm和出线端部至相邻支持绝缘子的距离L＝50cm为基础的动稳定倍数Kes时，则其动稳定按下式校验

当电流互感器为瓷绝缘母线式时，产品样本一般给出电流互感器端部瓷帽处的允许应力值，则其动稳定可按下式校验：

6．热稳定校验

电流互感器的热稳定性一般用热稳定倍数Kts表示，一般是1s时间内的热稳定电流Its与其额定电流IN2之比值。

因此，电流互感器可根据下式校验热稳定，即：

7．10％误差校验

保护型的电流互感器，为保证继电保护可靠动作，允许其误差不超过10％，因此对保护型的电流互感器需进行10％误差校验。

校验时根据二次回路的负载阻抗值，从所选电流互感器的10％误差曲线上，查出允许的电流倍数m，其数值应大于保护装置动作时的实际电流倍数mp，即

（四）电流互感器运行中应注意事项

1）电流互感器在接线时，应注意接线端子的极性（同名端）。

2）电流互感器的二次线圈及外壳均应接地。

3）电流互感器二次回路不准开路或接熔断器。

二、电磁式电压互感器

电压互感器一次线圈是并联接在高压电路上，二次线圈与仪表和继电器的电压线圈相并联，工作原理与变压器相似。

其特点是：

①一次线圈并联接在电路中，其匝数很多，阻抗很大，因而它的接入对被测电路没有影响；

②二次侧并接的仪表和继电器的电压线圈具有很大阻抗，在正常运行时，电压互感器接近于空载运行；

③其一次回路电压大小与互感器二次负荷无关，因此电压互感器对二次系统相当于一个恒压源。

电压互感器的变比是一、二次侧额定电压之比。

（一）电压互感器的误差和准确级

电压互感器的误差分为电压误差和角误差。

电压误差影响所有二次设备的电压精度，角误差仅影响功率型设备。

电压互感器的两种误差均与空载激磁电流、一次电压大小、二次负载及功率因数有关。

互感器的一定准确级对应一定的二次容量，如二次容量超过其额定值，准确级将相应下降。

（二）电压互感器的类型及接线

电压互感器按相数分单相、三相三芯柱和三相五芯柱式；按线圈数分双线圈和三线圈；按绝缘方式分干式、油浸式和充气（SF6）式；按安装地点分户内和户外等多种型式。

（三）电压互感器的选择

35kV及以下的电压互感器一、二次侧均装有熔断器保护，不需要校验短路动稳定和热稳定。

电压互感器的选择原则如下。

1．电压互感器一次额定电压U1N不小于电网的额定电压UNs

2．电压互感器二次额定电压U2N按表4－6进行选择

3．电压互感器的准确值不小于所接仪表的准确值

4．电压互感器的额定容量不小于二次侧负荷的容量

（四）电压互感器运行中应注意事项

l）电压互感器在接线时，应注意接线端子的极性同名端。

2）电压互感器在运行时，二次侧不能短路。

3）电压互感器二次绕圈的一端及外壳应接地。