高低壓電器及設計第一篇-第1章-第2章--電力系統(tǒng)及其對高低壓電器的基本要求

1、前 言全書共分三篇。 第一篇為電力系統(tǒng)及其對高低壓電器的基本要求，包括第章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算和第章電力系統(tǒng)中的高低壓電器及其設計技術綜述； 第二篇為低壓電器，包括第章低壓電器概述、第章低壓配電電器、第章低壓控制電器和第章低壓電器試驗技術； 第三篇為高壓電器，包括第章高壓電器概述、第章電力系統(tǒng)短路故障的關合與開斷、第章高壓斷路器及其操動機構、第10 章六氟化硫高壓斷路器和全封閉組合電器、第11 章高壓真空開關電器、第12章其他高壓電器和第13章高壓開關設備試驗。1第一 篇電力系統(tǒng)及其對高低壓電器的基本要求第1 章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算 1.1 概述 1.2 電力系統(tǒng)的關合與開斷 1.

2、3 電力系統(tǒng)短路故障 1.4 短路故障關合與開斷的計算 1.5 電容負荷的關合與開斷 1.6 開斷小電感電流電路時的過電壓 1.7 開斷近區(qū)故障時的過電壓與限制措施 1.8 失步故障的開斷2第一篇電力系統(tǒng)及其對高低壓電器的基本要求第2 章電力系統(tǒng)中的高低壓電器及其設計技術綜述 2.1 概述 2.2 電力系統(tǒng)對高低壓電器的基本要求2.3 高低壓電器與用電設備間的特性配合2.4 關于高低壓開關設備的解釋性說明 2.5 低壓電器研發(fā)新技術及應用3第二 篇低壓電器第3章低壓電器概述 3.1 低壓電器類型 3.2 低壓電器市場 3.3 低壓電器行業(yè) 3.4 低壓電器技術的發(fā)展 第4章低壓配電電器 4.1

3、 低壓配電電器的定義、分類和性能 4.2 低壓開關類電器 4.3 低壓熔斷器類電器 4.4 低壓斷路器類電器 4.5 終端電器4第5章低壓控制電器 5.1 定義與分類 5.2 接觸器 5.3 繼電器 5.4 起動器 5.5 主令電器 5.6 變阻器和電阻器 5.7 電磁鐵 5.8 低壓電器用銀基觸頭材料5第6 章低壓電器試驗技術6.1 概述6.2 一般檢查6.3 動作范圍試驗6.4 溫升試驗 6.5 絕緣介電性能試驗 6.6 額定接通與分斷能力試驗 6.7 短路接通與分斷能力試驗 6.8 短時耐受電流能力試驗6.9 壽命試驗第二篇低壓電器高低壓電器低壓電器部分6第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算

4、1.1概述1.1.1動力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和電力網間的關系7一、 三個系統(tǒng)的定義 二、 三個系統(tǒng)的結構關系分析（圖1-1） 三、 低壓配電系統(tǒng)示例（圖1-2） 第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.1概述1.1.2電力系統(tǒng)中的電能質量標準參數8一、 標稱值和額定值的定義 二、 三個主要指標-頻率、電壓和波形 三、 三個主要指標的標準參數第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.1概述1.1.3 電力系統(tǒng)的接線9一、接線方式 包括電力網接線、發(fā)電廠主接線和變電所主接線（也稱一次接線）二、 中性點的運行方式第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算10三、 電力系統(tǒng)電氣主接線 電力系統(tǒng)的電氣主接線也稱一次電路、主電路或

5、一次設備連接電路。它反映了電能產生、匯集、分配和傳輸的關系，決定了電力系統(tǒng)的運行方式、電氣設備的選擇以及繼電保護與控制方式等。 電氣主接線圖一般畫成單線圖，用規(guī)定的圖形符號和文字符號描述主接線中設備在“正常狀態(tài)（如電路無電壓、無外力作用）”下的連接情況。 某10kV 變電所的一次線路如圖1-3所示。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.2電力系統(tǒng)的關合與開斷1.2.1 電力系統(tǒng)關合與開斷的類型11 根據關合與開斷電流的大小、電流與電源電壓間的相位差、開斷后恢復電壓的波形及其幅值的不同，可將電力系統(tǒng)關合與開斷分為四大類。 電力系統(tǒng)關合與開斷的類型及其特點如表1-1所示。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的

6、計算1.2電力系統(tǒng)的關合與開斷1.2.2 電力系統(tǒng)關合與開斷時電弧的燃燒與熄滅12 對交流電力系統(tǒng)，關合與開斷時電弧產生與熄滅的情況由交流電弧熄滅條件決定。 介質強度 ：指高壓開關電器一極端子之間能承受的電壓值； 恢復電壓 ：指電流過零后在高壓開關電器一極端子之間出現(xiàn)的外加電壓值； 兩者是決定高壓開關電器關合和開斷過程中電弧是否熄滅的兩個重要因素。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.3電力系統(tǒng)短路故障1.3.1 電力系統(tǒng)短路電流的定義13 1. 定義 電力系統(tǒng)短路：是指電力系統(tǒng)中的一相或多相導體因發(fā)生接地或互相短接而將負載阻抗短接掉。短路沖擊電流短路關合電流額定熱穩(wěn)定電流額定短路開斷電流第1章

7、電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.3電力系統(tǒng)短路故障1.3.1 電力系統(tǒng)短路電流的定義14 2. 不同短路電流之間的關系第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.3電力系統(tǒng)短路故障1.3.2 電力系統(tǒng)短路故障的形式15電力系統(tǒng)短路故障包括單相短路、兩相短路和三相短路。 如圖1-5所示，電力系統(tǒng)短路故障包括單相接地短路、兩相接地短路、兩相不接地短路、三相接地短路、三相不接地短路和斷路器異側兩相接地短路六種常見形式。 從短路的危害看，三相短路的短路電流最大，危害也最嚴重，因此，高低壓電器常用三相短路電流值來校核電器的動穩(wěn)定性能。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.3電力系統(tǒng)短路故障1.3.3 電力系統(tǒng)短路故

8、障的關合16 電力系統(tǒng)存在正常關合和短路故障關合兩種情況。其中，后者是因為“已存在未被發(fā)現(xiàn)的預伏故障、試探性自動重合閘、人為接地短路或誤操作”，致使電力線路或電氣設備呈現(xiàn)短路狀態(tài)的情況。 開關電器最重要的關合任務是關合三相短路故障。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.3電力系統(tǒng)短路故障1.3.3 電力系統(tǒng)短路故障的關合17第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.3電力系統(tǒng)短路故障1.3.4 電力系統(tǒng)短路故障的開斷18 一. 開斷電流 1. 定義：開斷電流是指觸頭分離瞬間， 流過斷路器斷口的電流。 2. 表示方式：一是短路電流周期分量有效值，二是短路電流非周期分量與周期分量的比值。第1章電力系統(tǒng)及其

9、短路故障的計算1.3電力系統(tǒng)短路故障1.3.4 電力系統(tǒng)短路故障的開斷19 一. 開斷電流 3. 短路電流包含非周期分量時的電流和電壓曲線 如圖1-8所示。 4. 高壓斷路器開斷單相短路故障時斷口處的電氣參數 分單頻單相和雙頻單相兩種情況。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算20 5. 高壓斷路器開斷三相短路故障時斷口處的電氣參數第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.3電力系統(tǒng)短路故障1.3.5 電力系統(tǒng)開斷短路故障時的瞬態(tài)恢復電壓21一、雙頻振蕩的斷口瞬態(tài)恢復電壓 1. 開關電器開斷中性點接地的發(fā)電機輸電線路時，在電抗器后發(fā)生的單相接地短路如圖1-10所示。其斷口兩端的瞬態(tài)恢復電壓 為： 2. 圖

10、1-11為計及衰減時的c1和c2的變化曲線以及由此合成的雙頻恢復電壓gh的波形。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算22二、電力系統(tǒng)的瞬態(tài)恢復電壓 1. 當系統(tǒng)電壓低于110kV，或雖高于110kV但短路電流相對較小，只有最大短路電流的1030%時，瞬態(tài)恢復電壓為近似于衰減的單頻振蕩。兩參數法的缺點：由于不能正確反映恢復電壓起始部分的變化情況，因而無法確定電弧是否重燃。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算23二、電力系統(tǒng)的瞬態(tài)恢復電壓 2. 系統(tǒng)電壓高于110kV且短路電流相對于最大短路電流來說百分數較大（為最大短路電流的60%100%）時，瞬態(tài)恢復電壓uhf（t）包含一個上升速度較高的初始部分，以及

11、繼之而來的上升速度較低的部分，IEC推薦用“四參數法” 表征其瞬態(tài)恢復電壓的特性。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算24二、電力系統(tǒng)的瞬態(tài)恢復電壓 如圖1-14所示，四參數是指“第一波幅值U1（kV）， 達到第一波幅值的時間t1（us）， 瞬態(tài)恢復電壓峰值Ughm（kV） 和峰值參考時間t2（us）” 四個參數。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算25二、電力系統(tǒng)的瞬態(tài)恢復電壓 3. 我國各級電壓的瞬態(tài)恢復電壓特性的相關規(guī)定可參看相關國家標準。在進行斷路器試驗時， 所加恢復電壓應符合標準的規(guī)定。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算26三、電力系統(tǒng)短路電流的計算 在計算短路電流時， 須知電力系統(tǒng)各元件的阻

12、抗。對高壓線路， 一般只考慮電抗， 僅在電阻大于總電抗的1/3 時才計入電阻； 對低壓線路，電阻、電抗都考慮。 為簡化計算，允許不考慮占回路總阻抗值不超過10%的元件。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.4.2單相短路故障的開斷1.4.2.1 恢復電壓的計算27 圖1-19為開斷中性點直接接地發(fā)電機電路中的母線單相接地短路故障，a圖為開斷發(fā)電機母線單相接地短路故障的主接線圖，b圖為其等效電路。圖中，L和R分別為發(fā)電機的電感和電阻，C為發(fā)電機的對地電容。圖1-19 開斷發(fā)電機母線單相接地短路故障第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.4.2.1 恢復電壓的計算28由三要素法， 得高壓開關電器斷口恢復

13、電壓hf為由于0， 90，上式可簡化為：式中， 為電路固有衰減系數； 為電路固有振蕩頻率。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.4.2.2 單相短路故障時的恢復電壓平均上升速度（duhf/dt）p的計算29 計算方法一：分為兩種情況計算高頻振蕩第一個半周內的恢復電壓平均上升速度 ）不考慮振蕩衰減（假設無衰減）式中，f0為固有振蕩頻率； Ugh為工頻恢復電壓。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算30 ） 考慮振蕩衰減，恢復電壓的最大值有所降低式中，m是恢復電壓的振幅系數， 取1.41.5。計算方法二：如圖1-22，用瞬態(tài)恢復電壓的波形圖表示。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算31計算方法二：如圖1-22

14、，用瞬態(tài)恢復電壓的波形圖表示。1、從原點0做一條射線，與u=uhf交于A點，tm為峰值時間，則恢復電壓的平均上升速度（duhf/dt）p 值為線段OA 的斜率值。2、用恢復電壓的最大平均速度（duhf/dt）pm表示，即從原點O做恢復電壓曲線的切線OB。按此速度上升時，恢復電壓達到最大值的時間將提前到t3。t3又稱峰值參考時間。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算32計算方法三：考慮到電力線路的實際損耗，常取電力系統(tǒng)的最大工作電壓為額定電壓的1.15倍，則可用系統(tǒng)額定電壓Ue（三相線電壓） 表示的瞬態(tài)恢復電壓最大值ghm和恢復電壓平均上升速度（duhf/dt）p的計算式，分別為式中， Km是恢復電

15、壓的振幅系數。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.4.2.3 降低關合單相短路故障時出現(xiàn)的操作過電壓的措施及機理33 在高壓斷路器斷口兩端并聯(lián)電阻， 可降低短路故障關合時的操作過電壓。1. 并聯(lián)電阻“低值（幾個到幾十歐姆，可限制短路電流、降低工頻恢復電壓和振幅系數及減慢恢復電壓上升速度）、中值（幾百到幾千歐姆） 和高值（幾萬歐姆及以上，可為每相使用的高壓斷路器多個斷口進行均壓）”三類。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.4.2.3 降低關合單相短路故障時出現(xiàn)的操作過電壓的措施及機理342. 并聯(lián)電阻的電路 如圖1-23所示，該電器有主斷口QF1和輔助斷口QF 2兩個斷口。電阻Rb并聯(lián)在主斷口Q

16、F1。 當開斷電路時，主斷口QF1先打開，并聯(lián)電阻Rb被接入；當主斷口QF1的電弧完全熄滅后，輔助斷口QF 2打開，開斷流經并聯(lián)電阻的電流，使電路完全開斷。圖1-23 裝有并聯(lián)電阻的高壓開關電器開斷發(fā)電機母線單相接地故障時的電路第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算352. 并聯(lián)電阻Rb后，主斷口開斷時的電流和恢復電壓的計算 圖1-24的a圖為主斷口QF1開斷時的電路，b圖為等效電路圖。其中，電路的阻抗角等于arctan(L/R)。圖1-23 裝有并聯(lián)電阻的高壓開關電器開斷發(fā)電機母線單相接地故障時的電路1）恢復電壓uhf(t)式中，Ugh為工頻恢復電壓，Ugh =Em sin。第1章電力系統(tǒng)及其短路

17、故障的計算362）恢復電壓最大上升速度出現(xiàn)在 時， 其值為 由式（） 可知， 并聯(lián)電阻越小， 恢復電壓的最大上升速度就越低， 主斷口的開斷將比較輕松。2. 并聯(lián)電阻Rb后，主斷口開斷時的電流和恢復電壓的計算第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算373. 并聯(lián)電阻后開斷輔助斷口QF2時， 輔助斷口的開斷電流和電壓恢復過程1）恢復電壓uhf(t)式中，Ugh為工頻恢復電壓，Ugh =Em sin。2）主斷口并聯(lián)電阻后的恢復電壓uhf(t)的曲線，如圖1-25所示。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算383. 并聯(lián)電阻后開斷輔助斷口QF2時， 輔助斷口的開斷電流和電壓恢復過程3）恢復電壓uhf(t)最大上升速

18、度出現(xiàn)在 時， 其值為 由式（1-24）可知，并聯(lián)電阻Rb越小，恢復電壓的最大上升速度就越低， 主斷口的開斷將比較輕松。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算394. 并聯(lián)電阻后開斷輔助斷口QF2時，輔助斷口的開斷電流和電壓恢復過程1）輔助斷口的開斷電流 的計算。圖1-26a為輔助斷口QF2開斷時的電路， b圖為其等效電路。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算404. 并聯(lián)電阻后開斷輔助斷口QF2時，輔助斷口的開斷電流和電壓恢復過程1）輔助斷口的開斷電流 的計算 式中，id為流經主斷口的短路電流。由式（1-28）可見，輔助斷口QF2開斷的電流 i 要比主斷口id小。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算414

19、. 并聯(lián)電阻后開斷輔助斷口QF2時，輔助斷口的開斷電流和電壓恢復過程2）并聯(lián)電阻Rb后開斷輔助斷口時的恢復電壓ugh的計算式中，雖然輔助斷口的瞬態(tài)恢復電壓仍有高頻振蕩，但其工頻恢復電壓和開斷電流都得到了一定程度降低，所以，輔助斷口的開斷條件遠比主斷口的輕松。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.4.3三相短路故障的開斷1.4.3.1三相不接地短路故障開斷的計算421. 短路電流和短路電壓的計算 圖1-27為開斷三相不接地短路故障的等效電路。圖中，電源中性點一般不接地（也可以接地），電源相電壓的幅值為Em，三相短路電流的穩(wěn)態(tài)值分別見公式（1-30）。圖1-27三相不接地短路故障開斷時的等效電路第1

20、章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算432. 首開相短路電流的計算 三相交流電流過零的時刻有先后，因此，高壓開關電器在開斷三相短路故障時各相的熄弧也有先后。 將三相不接地短路故障開斷過程中最先斷開的相， 稱為首開相。 （1） 首開相 相需開斷的短路電流的有效值Id為（2） 相斷口的瞬態(tài)恢復電壓為ughA， 有：UghA為t=0時由斷口處測得的等效電源電壓值，在短路故障時，UghA=1.5Em。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算443. BC兩相短路故障的開斷 當三相不接地短路故障的A相被開斷后，短路故障由三相短路轉化為兩相短路。兩相圖1-31兩相短路開斷時的等效電路短路開斷時的等效電路如圖1-31所示。

21、圖1-31兩相短路開斷時的等效電路 BC兩相間的線電壓瞬時值eBC及流經B、C 兩相間的短路電流瞬時值iB和iC分別為：453. BC兩相短路故障的開斷 三相不接地短路故障開斷時的恢復電壓和短路電流的變化曲線如圖1-32所示。 由圖可見，三相不接地短路故障的A相電流過零開斷后，經過0.005s，流經相和相斷口的電弧因電流同時過零點而熄滅。 設電弧熄滅后加在B、C兩相串聯(lián)斷口上的恢復電壓均勻分配，則兩相斷口上的工頻恢復電壓ughB和ughC分別為：圖1-32 三相不接地短路故障開斷時的恢復電壓和短路電流1第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算1.4.3.2 三相不接地短路故障開斷的計算461. 分析方

22、法： 開斷三相接地短路故障時工頻恢復電壓的求解用對稱分量法。2. 工頻恢復電壓。1.4.3.3 各種接地故障的首開相系數 首開相的工頻恢復電壓和電源電壓幅值之比，稱為首開相系數，用K1表示。第1章電力系統(tǒng)及其短路故障的計算471.4.3.3 各種接地故障的首開相系數 將不同接地故障形式的首開相系數列于表1-2。 由表可知，三相短路故障時首開相工作條件最嚴重。 當X03X1時，可取首開相系數為1.5； 當X03X1時，可取首開相系數為1.3（因實際上很少發(fā)生三相短路，故取1.3）。 額定短路分斷能力 在規(guī)定的電壓、頻率及規(guī)定的功率因數（AC）或時間常數（DC）下，斷路器能夠分斷的短路電流 。 交

23、流電器的分斷能力和接通能力所要求的功率因數相同。二、電器的動熱穩(wěn)定性 動穩(wěn)定性短路峰值電流 （標準規(guī)定：低壓電器的電動穩(wěn)定性取n倍短時耐受電 流作為允許通過的短路沖擊電流值） 熱穩(wěn)定性短時耐受電流（短路電流周期分量）48第三節(jié)系統(tǒng)對開關電器的要求第2章電力系統(tǒng)中的高低壓電器及其設計技術綜述2.1概 述2.1.1 高低壓電器的定義1. 電器 電器是指用于電力系統(tǒng)的工業(yè)和建筑用電器，即對電能的產生、輸送和應用，起控制、保護、檢測、變換與切換及調節(jié)作用的電氣器具的統(tǒng)稱。 根據額定電壓不同，電器分高壓電器和低壓電器，兩者統(tǒng)稱為“高低壓電器”。2.1.1 高低壓電器的定義2. 低壓電器 低壓電器是指用于

24、交流50Hz或60Hz、額定電壓1200V 及以下和直流額定電壓1500V 及以下電路中， 能根據外界的信號和要求， 手動或自動地接通、斷開電路， 以實現(xiàn)對電路或非電對象的切換、保護、控制、調節(jié)、檢測、變換和調節(jié)的電器元件或設備。它通常由感測部分和執(zhí)行部分組成。3. 高壓電器 高壓電器是指額定電壓3kV及其以上（交流至1200kV、直流至1000kV）， 在高壓輸電和配電線路中， 對電能輸送、分配與使用起關合、開斷、保護、控制、調節(jié)、安全隔離和測量作用的電器器件。 高壓開關設備目前所處的三相交流電網的標稱電壓等級分別為3kV、6kV、10kV、20kV、35kV、66kV、110kV、220k

25、V、330kV、500kV、750kV、1000kV、1200kV， 高壓開關設備的額定電壓值較電網的標稱電壓高10 20， 分別有36 kV、72kV、12kV、24kV、40.5kV、72.5kV、126kV、252kV、363kV、500kV、800kV、1100kV、1320kV。 表2-1 列出了部分高壓電器生產企業(yè)及其產品電壓等級。2.1.2 行業(yè)與產品的發(fā)展歷程1. 我國低壓電器行業(yè)與產品的發(fā)展歷程2. 我國高壓電器行業(yè)與產品的發(fā)展2.1.3 高低壓電器的技術發(fā)展1. 低壓電器的技術發(fā)展2. 高壓電器的技術發(fā)展2.2 電力系統(tǒng)對高低壓電器的基本要求2.2.1電力系統(tǒng)對低壓電器的基本要求1. 電力系統(tǒng)任務不同 示例：典型配電電路如圖2-1所示。2.2 電力系統(tǒng)對高低壓電器的基本要求2.2.1電力系統(tǒng)對低壓電器的基本要求電力系統(tǒng)工作要求不同 示例：典型配電電路如圖2-2所示。2.2 電力系統(tǒng)對高低壓電器的基本要求2.2.1電力系統(tǒng)對高壓電器的基本要求高壓電器在電力系統(tǒng)中“關斷線路或負載、保護線路或負載、隔離設備與電源、測量電源和電流”的四個主要作用；2. 高壓開關設備對線路的安全運行