第二章電氣設(shè)備的原理和選擇

1、東南大學電氣工程學院 3.1 3.1 電弧的基本理論電弧的基本理論 3.2 3.2 高壓開關(guān)電器高壓開關(guān)電器 3.3 3.3 互感器互感器 3.4 3.4 限流電器限流電器 3.5 3.5 其它高壓電器其它高壓電器 3.6 3.6 電氣設(shè)備選擇電氣設(shè)備選擇 3.1 3.1 電弧的基本理論電弧的基本理論 電弧是電力系統(tǒng)及電能利用工程中常見的物理現(xiàn)象。隨處可見的電弧焊接機是利用電弧產(chǎn)生的高熱能進行焊接的電力設(shè)備，電弧煉鋼爐也是利用電弧的大型用電設(shè)備。但是，對于電力系統(tǒng)中的開關(guān)電器，當開斷有電流通過的電路時，在斷開的觸頭間也會產(chǎn)生電弧。顯然，開關(guān)電器中的電弧是不希望產(chǎn)生的，要求盡快地熄滅。在高電壓大

2、電流下，快速熄滅電弧有一定困難，因此電弧的產(chǎn)生對電力裝置的正常操作與安全運行帶來不利影響。學習中，要著重理解其物理概念。電流從金屬導(dǎo)體(觸頭)通過空間氣體、導(dǎo)電體,從而產(chǎn)生弧光放電現(xiàn)象，電弧的電特性與金屬導(dǎo)體的電特性有很大差異。隨著電弧的產(chǎn)生與熄滅，觸頭間的空間氣體將由絕緣體向?qū)щ姷牡入x子體轉(zhuǎn)化，繼而由等離子體向絕緣體轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化中電能熱能的轉(zhuǎn)換起著重要的作用。教教 學學 內(nèi)容內(nèi)容 掌握電弧的形成及熄滅條件 熟悉電弧形成的物理過程、特性 掌握交流電弧的特性及熄滅條件 掌握開關(guān)電器常用的熄弧方法3.1.1 電弧的形成和維持電弧的形成和維持強電場發(fā)射強電場發(fā)射熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射碰撞游離碰撞游離溫度

3、溫度熱游離熱游離電弧下節(jié) 觸頭剛分離時，由于間隙很小，其間形成很高的電場強度，當電場強度超過10萬伏cm時，陰極觸頭表面的自由電子在強電場力的作用下，被拉出金屬表面，這種靠電場力的作用將自由電子拉出而進入空間的現(xiàn)象稱為強電場發(fā)射。返回 陰極表面溫度較高時，熱能可以使金屬表面的自由電子獲得足夠的動能，發(fā)射到四周空間，這種現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。在開關(guān)觸頭開始分離時，觸頭間的接觸壓力和接觸面積減小，接觸電阻增大，從而使接觸表面劇烈發(fā)熱，局部溫度很高，使此處自由電子獲得動能發(fā)射出來。由于陰極觸頭表面電子的上述兩種發(fā)射，使陰極附近出現(xiàn)了少量自由電子，這就是開關(guān)觸頭剛分離時發(fā)生的現(xiàn)象。 返回碰撞游離形成電孤

4、 從陰極表面發(fā)射出來的自由電子，在觸頭間電場的作用下獲得加速度，從而積累起動能，當這些具有一定數(shù)量動能的電子撞擊到間隙中的氣體中性質(zhì)點時(原子或分子)，將其能量傳遞給中性質(zhì)點，使其外層電子受到激發(fā)跳出原子殼層，成為自由電子，原中性質(zhì)點成為正離子，這種游離過程稱為碰撞游離。返回 電弧產(chǎn)生后，由于電源不斷地輸送能量，弧柱的溫度很高，此時，弧柱中的氣體介質(zhì)的原子和分子產(chǎn)生強烈的分子熱運動，具有較大的熱分子動能，它們之間不斷地發(fā)生碰撞，互相傳遞能量，其結(jié)果使原子或分子游離成為正離子和電子，此即所謂熱游離。電弧形成以后，弧隙電導(dǎo)很大，孤隙電壓和電場強度很低，碰撞游離大大減小或停止。但是，由于電弧溫度很高

5、，此時的主要游離形式為熱游離，氣體介質(zhì)已成為離子濃度很高的等離子體。 返回3.1.2 電弧熄滅的物理過程 電弧為什么能穩(wěn)定燃燒。這是由于弧隙中不但進行著游離過程，同時還進行著去游離過程。去游離過程是指自由電子和正離子相互吸引而中和的過程。在穩(wěn)定燃燒的電弧中，一定的弧溫之下，新增加的離子數(shù)與電子、正離子的中和數(shù)相等，使弧隙正負離子總數(shù)保持恒定， 電導(dǎo)不變，從而達到平衡。如果去游離的強度大于游離的強度，弧隙等離于體中的導(dǎo)電離子數(shù)減少，電導(dǎo)下降。電弧將愈來愈小，弧溫下降，致使熱游離下降或停止，最終導(dǎo)致熄滅。 去游離由于復(fù)合和擴散使帶電質(zhì)子減少的過程。 去游離方式有2種： 復(fù)合：正負離子相互吸引，彼此

6、中和。 擴散：弧柱中的帶電質(zhì)點由于熱運動逸出弧柱外 濃度擴散、溫度擴散。 介質(zhì)的游離作用電弧產(chǎn)生 介質(zhì)的去游離作用電弧熄滅 當 游離去游離電弧電流 當 游離=去游離電弧電流不變（穩(wěn)定燃燒） 當 游離100MVA0.13主變?nèi)萘?40100MVA0.11遠 離 發(fā) 電 廠 處0.05表 不同短路點等效時間常數(shù)T 的推薦值（2）等值時間法（自學）注意：由于短路電流非周期分量衰減很快，當短路的切除時間1s時，可不計非周期分量的影響，否則必須考慮。3.6.2 電器和載流的電動力效應(yīng)電器和載流的電動力效應(yīng) 載流導(dǎo)體之間將產(chǎn)生電動力的相互作用，有這就是載流導(dǎo)體的電動力效應(yīng)。 載流導(dǎo)體間的作用大小，可用比奧

7、沙瓦定律計算，即作用于長度為L,通過電流為i，并位于磁感應(yīng)強度為 ，與該磁場的磁力線方向成角的載流導(dǎo)體上的電動力： dL處的磁感應(yīng)強度 dL與的夾角 其方向可以由左手定則確定 短路電流所產(chǎn)生的巨大電動力，對于電器或配電裝置具有很大的危害性。如： 電器的載流部分可能因為電動力而振動，或者因電動力所產(chǎn)生的應(yīng)力大于其材料允許應(yīng)力而變形，甚至使絕緣部件或載流部件損壞。 電氣設(shè)備的電磁繞組，受到巨大的電動力作用，可能使繞組變形或損壞。dlBFlsin01 兩根平行導(dǎo)體之間的電動力兩根平行導(dǎo)體之間的電動力 當兩根平行導(dǎo)體的電流方向相反時，兩根導(dǎo)體之間將產(chǎn)生斥力；當兩根平行導(dǎo)體的電流方向相同時，兩根導(dǎo)體之間

8、將產(chǎn)生吸力；式中 、 通過平行導(dǎo)體的電流(A)； L 該段導(dǎo)體的長度(m)； a 平行導(dǎo)體軸線間的距離(m)。 有時兩根平行導(dǎo)體間的間距，并不比導(dǎo)體的幾何尺寸大得多，這按上式計算將產(chǎn)生很大的誤差。在工程設(shè)計中，可以用形狀系數(shù)K來修正（形狀系數(shù)K見圖3-18、3-19、表3-4）。)(10227110101TaiaiuHuB(N)10aLi2ilBidlsinBiF7211212l01i2i(N)10aLi2KiF7212 三相系統(tǒng)中導(dǎo)體間的電動力三相系統(tǒng)中導(dǎo)體間的電動力 三相母線布置在同一平面中，是實際中經(jīng)常采用的一種布置型式。母線分別通過三相正弦交流電流Ia、Ib和Ic，在同一時刻，各相電流

9、是不相同的。發(fā)生對稱三相短路時，作用于每相母線上的電動力大小是由該相母線的電流與其它兩相電流的相互作用力所決定的。在校驗?zāi)妇€動穩(wěn)定時，用可能出現(xiàn)的最大電動力作為校驗的依據(jù)。經(jīng)過證明，B相所受的電動力最大，比A、C相大7%，由于電動力的最大瞬時值與短路沖擊電流有關(guān)，故最大電動力用沖擊電流表示，則B相所受到的電動力為：)(1073. 127maxNaLiFch）母線絕緣跨距（mL）相間距離（ma三相短路沖擊電流ich 導(dǎo)體發(fā)生振動時，導(dǎo)體內(nèi)會發(fā)生動態(tài)應(yīng)力，對于動態(tài)應(yīng)力的考慮，一般采用修正靜態(tài)計算法，即：)(1073. 127maxNaLiFch）體見圖力系數(shù)和頻率有關(guān)（具動態(tài)應(yīng)力系數(shù)，動態(tài)應(yīng)233

10、 在同一地點兩相短路時最大電動力比三相短路小，所以，校驗電器設(shè)備時，采用三相短路來校驗其動穩(wěn)定。3 校驗電氣設(shè)備動穩(wěn)定的方法校驗電氣設(shè)備動穩(wěn)定的方法按下式校驗?zāi)妇€動穩(wěn)定)(pazdy 3.6.3 電氣設(shè)備選擇的一般條件電氣設(shè)備選擇的一般條件 正確地選擇設(shè)備是使電氣主接線和配電裝置達到安全、經(jīng)濟運行的重要條件。電氣設(shè)備要能可靠地工作，必須按正常工作條件進行選擇，并按短路狀態(tài)來校驗其動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定。1 按正常工作條件進行選擇導(dǎo)體和電器按正常工作條件進行選擇導(dǎo)體和電器（1） 額定電壓和額定最高工作電壓額定電壓和額定最高工作電壓 導(dǎo)體和電器所在電網(wǎng)的運行電壓因調(diào)壓或負荷的變化，常高于電網(wǎng)的額定電壓 ，

11、故所選電器和電纜允許最高工作電壓 不得低于所接電網(wǎng)的最高運行電壓 ，即：ewUmaxyUmaxgUmaxmaxgyUU 一般電纜和電器允許的最高工作電壓：當額定電壓在220kV及以下時為 ；當額定電壓為330500kV時為 。而實際電網(wǎng)運行的 一般不超過 ，因此在選擇設(shè)備時，一般可按照電器和電纜的額定電壓 ，不低于裝置地點電網(wǎng)額定電壓 的條件選擇，即： 短路電流所產(chǎn)生的巨大電動力，對于電器或配電裝置具有很大的危害性。如： 電器的載流部分可能因為電動力而振動，或者因電動力所產(chǎn)生的應(yīng)力大于其材料允許應(yīng)力而變形，甚至使絕緣部件或載流部件損壞。 電氣設(shè)備的電磁繞組，受到巨大的電動力作用，可能使繞組變形

12、或損壞。eU15. 1eU1 . 1eU1 . 1maxgUeUewUeweUU （2） 額定電流額定電流 導(dǎo)體和電器的額定電流是指在額定周圍環(huán)境溫度導(dǎo)體和電器的額定電流是指在額定周圍環(huán)境溫度 下，導(dǎo)體和電下，導(dǎo)體和電器的長期允許電流器的長期允許電流 （或額定電流（或額定電流 ）應(yīng)不小于該回路的最大持）應(yīng)不小于該回路的最大持續(xù)工作電流續(xù)工作電流 ，即：，即： 由于發(fā)電機、調(diào)相機和變壓器在電壓降低由于發(fā)電機、調(diào)相機和變壓器在電壓降低5%時時,出力保持不變出力保持不變,故其相應(yīng)回路的故其相應(yīng)回路的 ( 為電機的額定電流為電機的額定電流);母聯(lián)斷路器回母聯(lián)斷路器回路一般可取母線上最大一臺發(fā)電機或變壓

13、器的路一般可取母線上最大一臺發(fā)電機或變壓器的 ;母線分段電抗器母線分段電抗器的的 應(yīng)為母線上最大一應(yīng)為母線上最大一 臺發(fā)電機跳閘時臺發(fā)電機跳閘時,保證該段母線負荷所需的保證該段母線負荷所需的電流電流;出線回路的出線回路的 除考慮線路正常負荷電流除考慮線路正常負荷電流(包括線路損耗包括線路損耗)外外,還還應(yīng)考慮事故時由其他回路轉(zhuǎn)移過來的負荷。應(yīng)考慮事故時由其他回路轉(zhuǎn)移過來的負荷。0yIeImaxgImaxmaxgyIIegII05. 1maxeImaxgImaxgImaxgI2 按當?shù)丨h(huán)境條件校核按當?shù)丨h(huán)境條件校核 在選擇電器時在選擇電器時,還應(yīng)考慮電器安裝地點的環(huán)境條件還應(yīng)考慮電器安裝地點的環(huán)

14、境條件,當氣溫、風速、當氣溫、風速、濕度、污穢等級、海拔高度、地震強度和覆厚度等環(huán)境條件超過濕度、污穢等級、海拔高度、地震強度和覆厚度等環(huán)境條件超過 一一般電器使用條件時般電器使用條件時,應(yīng)向制造部門提出要求或采取相應(yīng)的措施。應(yīng)向制造部門提出要求或采取相應(yīng)的措施。 當環(huán)境溫度當環(huán)境溫度 和導(dǎo)體和導(dǎo)體(或電器或電器 )額定環(huán)境溫度額定環(huán)境溫度 不等時不等時,其長期允其長期允許電流許電流 可按下式修正：可按下式修正： 式中式中 K 修正系數(shù)；修正系數(shù)； 導(dǎo)體或電氣設(shè)備正常發(fā)熱允許最高溫度導(dǎo)體或電氣設(shè)備正常發(fā)熱允許最高溫度,當導(dǎo)體用螺連當導(dǎo)體用螺連接時接時, 。 0yyyYyKIII0yCy 703

15、 按短路情況校驗按短路情況校驗（1） 短路熱穩(wěn)定校驗短路熱穩(wěn)定校驗 短路電流通過時短路電流通過時, 導(dǎo)體和電器各部件溫度導(dǎo)體和電器各部件溫度(或發(fā)熱效或發(fā)熱效應(yīng)應(yīng))應(yīng)不超過允許值應(yīng)不超過允許值,即滿足熱穩(wěn)定的條件為：即滿足熱穩(wěn)定的條件為： 或或 式中式中 短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)；短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)； 短路時導(dǎo)體和電氣設(shè)備允許的熱效應(yīng)；短路時導(dǎo)體和電氣設(shè)備允許的熱效應(yīng)； 由廠商給出的電氣設(shè)備在由廠商給出的電氣設(shè)備在t秒內(nèi)的熱穩(wěn)定秒內(nèi)的熱穩(wěn)定 電流電流 ； tjz 短路電流熱效應(yīng)等值計算時間。短路電流熱效應(yīng)等值計算時間。drQQ tItIrjz22dQrQ（2） 電動力穩(wěn)定校驗電動力穩(wěn)定校驗 電動

16、力穩(wěn)定是導(dǎo)體和電器承受短路電流機械效應(yīng)的能力電動力穩(wěn)定是導(dǎo)體和電器承受短路電流機械效應(yīng)的能力,亦稱動亦稱動穩(wěn)定。滿足動穩(wěn)定的條件為：穩(wěn)定。滿足動穩(wěn)定的條件為： 或或式中式中 、 短路沖擊電流幅值及其有效值；短路沖擊電流幅值及其有效值； 、 廠家允許通過穩(wěn)定電流的幅值和有效值。廠家允許通過穩(wěn)定電流的幅值和有效值。 下列幾種情況可不校驗熱穩(wěn)定或動穩(wěn)定：下列幾種情況可不校驗熱穩(wěn)定或動穩(wěn)定： (1) 用熔斷器保護的電器用熔斷器保護的電器,其熱穩(wěn)定由熔斷時間保證其熱穩(wěn)定由熔斷時間保證,故可不驗算熱故可不驗算熱穩(wěn)定。穩(wěn)定。 (2) 采用有限電阻的熔斷器保護的設(shè)備可不驗算動穩(wěn)定采用有限電阻的熔斷器保護的設(shè)備

17、可不驗算動穩(wěn)定;電纜因足電纜因足夠的強度夠的強度, 亦可不驗算動穩(wěn)定。亦可不驗算動穩(wěn)定。 (3) 裝設(shè)在電壓互感器回路中的裸導(dǎo)體和電器可不驗算動、熱穩(wěn)裝設(shè)在電壓互感器回路中的裸導(dǎo)體和電器可不驗算動、熱穩(wěn)定定 dwcjiidwcjII cji cjIdwidwI 作業(yè)： 發(fā)電機額定電壓為10.5kV，額定電流為1500A，裝有2(1008)m m2的矩形鋁母線。三相短路時，起始次暫態(tài)電流I”(3) 28kA，穩(wěn)態(tài)短路電流I20kA。繼電保護動作時間為0.ls，斷路器全開斷時間為0.2s。正常負荷運行時，其母線的溫度為46。試計算短路電流的熱效應(yīng)和母線的最高溫度?？捎蒙鲜郊敖滩闹蠵70中的方法各計

18、算一次，比較差別。3.6.5 3.6.5 硬母線的選擇與校驗硬母線的選擇與校驗 硬母線一般按下列各項進行選擇和校驗： （1）導(dǎo)體材料 （2）類型和敷設(shè)方式 （3）導(dǎo)體截面電暈 （4）熱穩(wěn)定 （5）動穩(wěn)定 （6）共振頻率1 母線的選型 工業(yè)上常用的硬母線截面為矩形，槽形和管形。 （1）矩形母線散熱條件較好，有一定的機械強度，便于固定和連接，但集膚效應(yīng)較大。為避免集膚效應(yīng)系數(shù)過大，單條矩形母線的截面最大不超過1250mm2。當工作電流超過最大截面單條母線允許電流時，可用24條矩形母線并列使用。但由于集膚效應(yīng)的影響，多條母線并列的允許載流量并不成比例增加，故一般避免采用4條矩形母線。矩形導(dǎo)體一般只用

19、于35kV及以下，電流在4000A及以下的配電線路中。 （2）槽型母線機械強度較好，載流量較大，集膚效應(yīng)系數(shù)也較小。槽型母線一般用于40008000A的配電裝置中。 （3）管形母線集膚效應(yīng)系數(shù)小，機械強度高，管內(nèi)可以通水和通風，用此，可用于8000A以上的大電流母線。另外，由于圓管形表面光滑，電暈放電電壓高，因此可用作110kV及以上配電裝置母線。 母線的布置方式應(yīng)根據(jù)載流量的大小、短路電流水平和配電裝置的具體情況確定。 矩形母線的布置形式 槽形形母線的布置形式 2 母線截面選擇 除配電裝置的匯流母線按長期發(fā)熱允許電流選擇外，其余導(dǎo)體的截面一般按經(jīng)濟電流密度選擇。 （1）按導(dǎo)體長期發(fā)熱允許電流

20、選擇 導(dǎo)體所在電路中最大持續(xù)工作電流應(yīng)不大于導(dǎo)體長期發(fā)熱的允許電流，即 式中 相應(yīng)于導(dǎo)體允許溫度和基準環(huán)境條件 下導(dǎo)體長期允許電流，A； 綜合修正系數(shù)，裸導(dǎo)體的值與海拔和環(huán) 境溫度有關(guān)。 maxmaxgyIKImaxyIK （2）按經(jīng)濟電流密度選擇 按經(jīng)濟電流密度選擇導(dǎo)體截面可使年計算費用最低。年計算費用包括電流通過導(dǎo)體所產(chǎn)生的年電能損耗費、導(dǎo)體投資（包括損耗引起的補充裝機費）和折舊費、以及利息等，對應(yīng)不同種類的導(dǎo)體和不同的最大負荷年利用小時數(shù)將有一個年計算費用最低的電流密度經(jīng)濟電流密度（J）。 導(dǎo)體的經(jīng)濟截面可由下式?jīng)Q定： 式中 正常工作時的最大持續(xù)工作電流,A。JISg maxmaxgI3

21、 母線截面的校驗 （1）電暈電壓校驗 對于110220kV裸母線，可按晴天不發(fā)生全面電暈條件進行校驗，即裸母線的臨界電壓應(yīng)大于最高工作電壓 對于330500kV超高壓配電裝置，電暈是選擇導(dǎo)線的控制條件。要求在1.1倍最高運行相電壓下，晴天夜間不發(fā)生可見電暈。選擇時應(yīng)綜合考慮導(dǎo)體直徑、分裂間距和相間距離等條件，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較，確定最佳方案。maxgljUU （2）熱穩(wěn)定校驗 按正常電流選出導(dǎo)體截面后，還應(yīng)按熱穩(wěn)定進行核驗。根據(jù)短路電流的熱效應(yīng)，并計及集膚效應(yīng)系數(shù) ，當導(dǎo)體通過短路電流 ，在假想時間 的情況下，與導(dǎo)體最高允許加熱溫度所對應(yīng)的截面為最小允許截面。 式中 熱穩(wěn)定系數(shù)，與導(dǎo)體材料、結(jié)構(gòu)及

22、 最高允許溫度、長期工作額定溫度有關(guān)（可查表）。fKIjxtfjxKtCISminC（3）硬母線的動穩(wěn)定校驗alph方法：校驗導(dǎo)體受到電動力時，電動力產(chǎn)生的計算應(yīng)力與導(dǎo)體材料允許應(yīng)力的比較，當計算應(yīng)力小于材料允許應(yīng)力時，動穩(wěn)定滿足。 ph導(dǎo)體相間最大應(yīng)力導(dǎo)體材料允許的應(yīng)力alphf 每相為單條矩形母線的應(yīng)力計算m)(N 10fM2chL)(p 10fa2chWLWMW=bh2/6 W=b2h/6 單位長度導(dǎo)體上所受的相間電動力導(dǎo)體支柱絕緣子間的跨距導(dǎo)體對垂直于作用力方向軸的截面系數(shù)LW就需要采用一定的措施就需要采用一定的措施: 限制短路電流 變更母線放置方式以加大截面系數(shù) 增大母線相間距離 減

23、小絕緣子間的跨距或增大母線截面積若不滿足公式:(m) 10maxfWLalmaxLL 計算滿足動穩(wěn)定要求的最大絕緣子跨距（4）母線共振的校驗 當母線的自振頻率與電動力交變頻率一致或接近時，將會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，增加母線的應(yīng)力。因此，對于重要回路（如發(fā)電機、變壓器及匯流母線等）的母線應(yīng)進行共振校驗。 當自振頻率無法限制在共振頻率范圍之外時，母線受力必須乘以動態(tài)應(yīng)力系數(shù)，值可由曲線查得。 4 封閉母線的選擇 凡屬定型產(chǎn)品的封閉母線，制造廠將提供有關(guān)封閉母線的額定電壓、額定電流、動穩(wěn)定電流和短時穩(wěn)定熱電流等參數(shù)，因此可按電器選擇一般條件中所述方法來進行選擇和校驗。由于各個工程的封閉母線布置情況不同，所連接的發(fā)電機、變壓器、配電裝置的標高和連接要求也不相同，因此，還要向制造廠提供封閉母線的平斷面布置圖，供制造廠進行布置和連接部分設(shè)計。當選用非定型封閉母線時，應(yīng)進行導(dǎo)體和外殼發(fā)熱、應(yīng)力以及絕緣子抗彎的計算，并進行共振校驗。 一相式接線一相式接線，常用于負荷平衡的三相電路的低壓動力線路中，供測量電流或接過負荷保護裝置用。三相星形三相星形，在中性點不接地的三相三線制電路中