高低压电器及设计第三篇--第7章-第13章-高压电器.ppt
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1、教教 学学 内内 容容第第7章章 高压电器概述高压电器概述 第第8章章 电力系统短路故障的关合与开断电力系统短路故障的关合与开断 第第9章章 高压断路器高压断路器第第10章章 六氟化硫断路器和全封闭组合电器六氟化硫断路器和全封闭组合电器 第第11章章 真空断路器真空断路器第第12章章 其他高压电器其他高压电器第第13章章 高压开关设备试验高压开关设备试验本章讨论:本章讨论:什么是高压电器?什么是高压电器?高压电器的作用和特点?电力高压电器的作用和特点?电力系统对高压电器有要求和高压电器的工作条件?高压系统对高压电器有要求和高压电器的工作条件?高压电器的工作环境?高压电器的分类?高压电器的基本电
2、器的工作环境?高压电器的分类?高压电器的基本技术参数?高压电器设备的发展?技术参数?高压电器设备的发展?第第7 7章章 高压电器概述高压电器概述一、高压电器一、高压电器 是指是指运行于电运行于电压压 及以上,及以上,频率频率 或或 及以下及以下的电力系统中,的电力系统中,起控制、保护、安全隔离和测量作用起控制、保护、安全隔离和测量作用的电器。的电器。二、高压电器的作用:二、高压电器的作用:根据电力系统安全、可靠和经济运行的需要,根据电力系统安全、可靠和经济运行的需要,开断和关合正常线路和故障线路,开断和关合正常线路和故障线路,隔离高压电源,隔离高压电源,起控制(起控制(使电力线路、使电力线路、
3、设备投入或退出运行设备投入或退出运行)、保护()、保护(切除故障线路或设备,切除故障线路或设备,建立可靠的绝缘断口,建立可靠的绝缘断口,将停运的电力线路或设备可靠接地将停运的电力线路或设备可靠接地)和安全隔离的作用。和安全隔离的作用。三、高压电器的特点:三、高压电器的特点:可靠性高;可靠性高;能承受很大的瞬时功率;能承受很大的瞬时功率;动作时间快。动作时间快。第第7 7章章 高压电器概述高压电器概述 四、设计高压电器时,应全面考虑自然工作环境的影响,四、设计高压电器时,应全面考虑自然工作环境的影响,包括周围空气温度,海拔,包括周围空气温度,海拔,湿度湿度,地震,污秽,风力等。,地震,污秽,风力
4、等。五、高压电器的分类:五、高压电器的分类:分类一:按分类一:按额定电压高低的不同,可细分为中压级(额定电压高低的不同,可细分为中压级(及以下及以下者)、高压级(者)、高压级(、)、超高压级(、)、超高压级()和特高压级()和特高压级(及以上者)四类电器。及以上者)四类电器。分类二:分类二:按用途和功能的不同,分为高压开关电器(按用途和功能的不同,分为高压开关电器()、高压限制电器、高压保护)、高压限制电器、高压保护电器、高压变换电器、高压成套电器与组合电器五大类电器、高压变换电器、高压成套电器与组合电器五大类。第第7 7章章 高压电器概述高压电器概述)真空断路器真空断路器)断路器断路器)隔离
5、开关隔离开关)负荷开关负荷开关)高压真空接触器高压真空接触器.高压开关电器高压开关电器由导电回路、可分触头、灭弧装置、绝缘部件、底座、传动机构、操动机构等组成。图图 典型高压开关电器的结构典型高压开关电器的结构合分单元合分单元绝缘支撑单元绝缘支撑单元传动单元传动单元基座基座操动机构操动机构.高压开关电器高压开关电器.高压开关电器高压开关电器(1)高压开关电器高压开关电器按功能和作用不同,可分为:元件及其组合:包括高压断路器高压断路器(高压断路器又称高压开关,是能接通、分断承载线路正常电流,也能在规定的异常电路条件下(如短路)和一定时间内接通、分断承载电流的机械式开关电器)、高压隔离开关、高压接
6、地开关、重合器、分断器、高压负荷开关、高压高压隔离开关、高压接地开关、重合器、分断器、高压负荷开关、高压接触器、高压熔断器接触器、高压熔断器以及上述元件组合而成的高压负荷开关高压负荷开关 高压熔断高压熔断器组合电器器组合电器、高压接触器高压接触器 高压熔断器(高压熔断器()组合电器)组合电器,隔离负荷隔离负荷开关开关、熔断器式开关熔断器式开关、敞开式组合电器敞开式组合电器等。.高压开关电器高压开关电器(1)高压开关电器高压开关电器按功能和作用不同,可分为:成套设备:将上述元件及其组合与其他电器产品(如变压器、电流互感器、电压互感器、电容器、电抗器、避雷器、母线、进出线套管、电缆终端和二次元件等
7、)进行合理配置,有机地组合在金属封闭外壳内,具有相对完整使用功能的产品。如金属封闭开关设备(开关柜)金属封闭开关设备(开关柜)、气体绝缘金属封闭开关设备()气体绝缘金属封闭开关设备()和高低压预装式变电站高低压预装式变电站等。(2)高压开关电器高压开关电器按电路控制器件不同,有利用触头来合分电路的机利用触头来合分电路的机械开关电器械开关电器和利用半导体可控导电性来关合电路的半导体开关电器利用半导体可控导电性来关合电路的半导体开关电器。2.2.高压限制电器高压限制电器(174-175174-175)主要有电抗器、电阻器、电力电容器、避雷器电抗器、电阻器、电力电容器、避雷器。3.3.高压保护电器高
8、压保护电器主要有高压熔断器、高压避雷器,以及负荷开关高压熔断器、高压避雷器,以及负荷开关 熔断器熔断器组合电器、接触器组合电器、接触器 熔断器(熔断器()组合电器、隔离负)组合电器、隔离负荷开关、熔断器式开关荷开关、熔断器式开关等。4.4.高压变换电器高压变换电器 又称高压互感器,包括高压电压互感器和高压电流互感器两大类。用来把电路中的大电量信号按比例变换成小信号,并将相关电量信息传递给测量仪器、仪表和控制装置,以便提供测量和继电保护所需信号。5.5.高压开关设备高压开关设备包括空气绝缘敞开式高压开关设备()空气绝缘敞开式高压开关设备()、气体绝缘金属封闭式高压开关设备(,气体绝缘金属封闭式高
9、压开关设备(,全封闭组合电器)全封闭组合电器)及混合技术高压开关混合技术高压开关设备(,指利用敞开式开关设备组合及设备(,指利用敞开式开关设备组合及气体绝缘金属封闭开关设备组合而成的高压开气体绝缘金属封闭开关设备组合而成的高压开关设备)关设备)。由高压开关与控制、测量、保护、调节装置以及辅件、外壳和支持件等部件及其电气和机械连接组成的设备,总称为高压开关设备。1)电压电压高压电器的基本技术参数高压电器的基本技术参数标称值标称值是标识一个元件、器件或设备的合适的近似量值。是标识一个元件、器件或设备的合适的近似量值。标称电压是系统被指定的电压。标称电压是系统被指定的电压。额定值额定值是由制造厂对一
10、个元件、器件或设备在规定工作条件下所规定是由制造厂对一个元件、器件或设备在规定工作条件下所规定的一个量值。的一个量值。2、电流电流高压电器的基本技术参数高压电器的基本技术参数3、时间、时间高压电器的基本技术参数高压电器的基本技术参数4、压力(密度)、压力(密度)高压电器的基本技术参数高压电器的基本技术参数高压电器设备的发展高压电器设备的发展我国第一座我国第一座750kV750kV高压变电站高压变电站-750kV官亭变电站是目前海拔最高的特高压变电站,对打通我国“西电东送”北通道发挥了重要作用。第第8 8章章 电力系统短路故障的关合与开断电力系统短路故障的关合与开断8-1 综综 述述一、短路故障
11、关合与开断电路时电弧的燃烧与熄灭一、短路故障关合与开断电路时电弧的燃烧与熄灭1.断路器关合和开断断路器关合和开断电力系统电力系统某些元件某些元件时,都会出现时,都会出现电弧电弧。关合与开断。关合与开断的电流愈大,电弧愈强烈,工作条件也愈严重,尤以的电流愈大,电弧愈强烈,工作条件也愈严重,尤以开断开断为甚。为甚。2.介质强度介质强度ujf(指触头间能承受的电压值指触头间能承受的电压值)和恢复电压)和恢复电压uhf(电流过零电流过零后在断口两端出现的外加电压后在断口两端出现的外加电压)是影响电力系统开断的两个重要因素,其)是影响电力系统开断的两个重要因素,其恢恢复过程复过程分别用分别用ujf(t)
12、和和uhf(t)表示,表示,如图如图8-1所示。所示。当当恢复电压的上升速度比介质强度的增长快恢复电压的上升速度比介质强度的增长快时,时,ujf(t)和)和uhf(t)两曲线将两曲线将相交相交(a图图),),电弧会重燃电弧会重燃,电流继续以电弧形式通过断口,电路,电流继续以电弧形式通过断口,电路不能开断。不能开断。当当介质强度的增长比恢复电压的上升快介质强度的增长比恢复电压的上升快时,时,ujf(t)和)和uhf(t)两曲)两曲线将线将不会相交不会相交(b图图),电弧不再重燃,电路即被开断。),电弧不再重燃,电路即被开断。二、高压断路器关合与开断不同负载时的过电压二、高压断路器关合与开断不同负
13、载时的过电压在在开断小电感电流开断小电感电流(如(如空载变压器空载变压器、电抗器电抗器或或电动机电动机)、)、电电容性电流容性电流(如(如空载长线空载长线或或电容器组)电容器组)以及以及关合电容性电流关合电容性电流时,时,高压高压断路器常产生断路器常产生过电压过电压(危及包括断路器本身在内的电力系(危及包括断路器本身在内的电力系统中的各种电气设备)。为此,必须对各种统中的各种电气设备)。为此,必须对各种时,时,电力系统中电压和电流的过渡过程进行研究。电力系统中电压和电流的过渡过程进行研究。讨论可讨论可先从单相回路先从单相回路着手,阐明物理过程,然后再分析三相着手,阐明物理过程,然后再分析三相问
14、题。问题。一、电力系统短路一、电力系统短路1.1.定义定义:是指:是指电力系统中一相或多相导体电力系统中一相或多相导体接地接地或或互相互相短接短接而而将负载阻抗短接掉将负载阻抗短接掉。2.2.形式形式:单相接地短路单相接地短路、两相接地短路两相接地短路、两相不接地两相不接地短路短路、三相接地短路三相接地短路、三相不接地短路三相不接地短路和和断路器异侧两相断路器异侧两相接地短路接地短路。理想的短路前提是。理想的短路前提是三相负载相等三相负载相等。3.3.类型类型;(1 1)正常关合正常关合:指关合前线路或电气设备不存在绝缘:指关合前线路或电气设备不存在绝缘故障;故障;8-2 8-2 短路故障的关
15、合短路故障的关合(2 2)短路故障的关合短路故障的关合:指关合前线路或电气设备已:指关合前线路或电气设备已存在绝缘故障,甚至处于短路状态的情况。存在绝缘故障,甚至处于短路状态的情况。因短路故障关合因短路故障关合问题最严重,问题最严重,因此,只讨论因此,只讨论短路故障短路故障的的关合关合。出现短路故障关合的四种前提:出现短路故障关合的四种前提:存在未被发现的预伏故障;存在未被发现的预伏故障;试探性自动重合闸;试探性自动重合闸;人为的接地短路;人为的接地短路;误操作。误操作。二、二、短路电流短路电流 参看图参看图8-2(a)。设电源电压)。设电源电压e=Emsin(ta),),a为电源电压的初相角
16、,忽略电源阻抗,可得图为电源电压的初相角,忽略电源阻抗,可得图8-2(b)所示的计算短路关合电流的等值线路图,图中,所示的计算短路关合电流的等值线路图,图中,L、R分分别为包括变压器和输电线回路的电感和电阻。别为包括变压器和输电线回路的电感和电阻。1 1、短路电流短路电流 i id d的表达式:的表达式:如如t=0t=0时关合,则短路电流时关合,则短路电流i id d通过解微分方程,为:通过解微分方程,为:式中,第式中,第1 1项为项为稳态短路电流稳态短路电流 i iz z,也称,也称短路电流周期分量短路电流周期分量;第;第2 2项,是项,是按指数规律衰减的非周期暂态电流,也称为短路电流的非周
17、期分量,用按指数规律衰减的非周期暂态电流,也称为短路电流的非周期分量,用 i if f表示,其衰减快慢由回路时间常数表示,其衰减快慢由回路时间常数T T决定。决定。2.2.短路冲击电流:短路冲击电流:当正弦电压过零(即当正弦电压过零(即 =0=0)时合闸,时合闸,将出现的将出现的短路电流最大值短路电流最大值I Ichch 。由于由于非周期分量非周期分量的存在,的存在,短路电流的最大值短路电流的最大值 I Ich ch 一般在短一般在短路发生后的半个周期(即路发生后的半个周期(即 t=/=0.01s)时出现。时出现。I Ichch可由下式求出:可由下式求出:高压电器标准规定:高压电器标准规定:短
18、路冲击电流短路冲击电流Ich一般为一般为短路电流周期分短路电流周期分量幅值量幅值的的1.8倍倍,为,为短路电流周期分量有效值的短路电流周期分量有效值的2.55倍倍。(试证?)。(试证?)Ith=Ib 式中,式中,Ith:额定热稳定电流(:额定热稳定电流(It););Ib:额定短路:额定短路电流(电流(INK)。)。Idm=Icm 式中,式中,Idm:短路冲击电流(:短路冲击电流(Ich););Icm:额定短路:额定短路电流(电流(ING)3.各电流额定值之间的相互关系:各电流额定值之间的相互关系:一、恢复电压一、恢复电压 1、图、图8-3(a):开断:开断中性点直接接地发电机电路中性点直接接地
19、发电机电路中的母线单相接地故障。中的母线单相接地故障。2、图、图8-3(b):其等):其等值线路图。图中,值线路图。图中,L、R分分别为发电机的电感和电阻,别为发电机的电感和电阻,C为发电机的对地电容。为发电机的对地电容。8-3 8-3 单相短路故障的开断单相短路故障的开断图图 开断中性点直接接地开断中性点直接接地发电机电路中的母线单相短路故发电机电路中的母线单相短路故障障 设触头分离瞬间,短路电流的非周期分量已衰减完,即不设触头分离瞬间,短路电流的非周期分量已衰减完,即不考虑短路电流的非周期分量;忽略电弧压降考虑短路电流的非周期分量;忽略电弧压降u uh h。由三要素法,经简化计算,可得断口
20、的恢复电压由三要素法,经简化计算,可得断口的恢复电压hfhf为:为:8-3 8-3 单相短路故障的开断单相短路故障的开断二、二、恢复电压的上升速度恢复电压的上升速度(duduhfhf/dtdt)p p用用高频振荡第一个半周内的恢复电压平均升速高频振荡第一个半周内的恢复电压平均升速表示。表示。不考虑振荡衰减(假设无衰减)时:不考虑振荡衰减(假设无衰减)时:其中,其中,Km是恢复电压的振幅系数,取是恢复电压的振幅系数,取1.41.5。式中,式中,f0:固有振荡频率;:固有振荡频率;Ugh:工频恢复电压。:工频恢复电压。考虑衰减:考虑衰减:恢复电压上升速度:恢复电压上升速度:是是从原点至幅值点从原点
21、至幅值点U Ughmghm所作的所作的直线直线,如如图图8-48-4的的直线直线1 1;tm称称为为 峰值时间峰值时间。最大平均速度:是最大平均速度:是从原点作恢复电压曲线的切线从原点作恢复电压曲线的切线,如,如图图8-48-4的的直线直线2 2。按此速度。按此速度上升,恢复电压最大值的对应时间为上升,恢复电压最大值的对应时间为t t3 3,称为,称为 峰值参考时间。峰值参考时间。图图 瞬态恢复电压的波形瞬态恢复电压的波形 考虑到在短路故障时功率因数一般很低,考虑到在短路故障时功率因数一般很低,cos0.15,sin1,得,得E0=Em,即将,即将工频恢复电压工频恢复电压取为取为电源相电压的幅
22、值,电源相电压的幅值,实际取实际取系统最大工作电压系统最大工作电压等于等于额定电压的额定电压的1.15倍倍。用用系统额定电压系统额定电压Ue(三相线电压三相线电压)表示的)表示的瞬态恢复电压最大值瞬态恢复电压最大值Ughm和和恢复电压的平均上升速度恢复电压的平均上升速度的计算公式分别为:的计算公式分别为:式中,式中,Km是是恢复电压的振幅系数。恢复电压的振幅系数。二、开断电流二、开断电流 指触头分离瞬间,流过断路器断口的电流指触头分离瞬间,流过断路器断口的电流。根据根据继电保护整定值的快慢继电保护整定值的快慢和和断路器动作断路器动作的的快慢快慢不同,触头不同,触头的分离可以出现在非周期分量尚未
23、全部衰减完时,也可以出现在的分离可以出现在非周期分量尚未全部衰减完时,也可以出现在非周期分量已全部衰减完后非周期分量已全部衰减完后。表示方法:表示方法:触头分离瞬间短路电流周期分量的有效值触头分离瞬间短路电流周期分量的有效值 Iz=Izm/2;非周期分量的相对值非周期分量的相对值 If/Izm。思考:思考:为什么在高压开关试验条件中要为什么在高压开关试验条件中要规定规定开断电流的非周期分量平均开断电流的非周期分量平均值值或或直流分量不能大于周期分量最大值或交流分量峰值的直流分量不能大于周期分量最大值或交流分量峰值的2020?三、三、降低过电压的措施降低过电压的措施并联电阻并联电阻 1 1、在为
24、、在为限制操作过电压限制操作过电压而而并联在断路器断口上的电阻并联在断路器断口上的电阻中,中,将将几欧到几十欧几欧到几十欧的称为的称为低值并联电阻低值并联电阻;将;将几百到几千欧几百到几千欧的并联的并联电阻称为电阻称为中值并联电阻中值并联电阻;将几万欧及以上的并联电阻称为;将几万欧及以上的并联电阻称为高值高值并联电阻并联电阻,它通常是为断路器每根有多个断口时均压设计的。,它通常是为断路器每根有多个断口时均压设计的。2 2、在断路器断口两端、在断路器断口两端并联并联低值并联电阻低值并联电阻,可以可以限制短路限制短路电流、降低工频恢复电压和振幅系数、减慢恢复电压上升速度电流、降低工频恢复电压和振幅
25、系数、减慢恢复电压上升速度。3、图图8-5是采用并联电阻的断路器是采用并联电阻的断路器开断发电机母线单相接地开断发电机母线单相接地故障时的电路图故障时的电路图。设高压断路器有。设高压断路器有主断口主断口QF1和和辅助断口辅助断口QF2,并联电阻并联电阻Rb并联在主断口并联在主断口QFl上。上。当断路器开断电路时,主断口先打开,把并联电阻接入;当当断路器开断电路时,主断口先打开,把并联电阻接入;当主断口间的电弧熄灭后,再打开辅助断口主断口间的电弧熄灭后,再打开辅助断口QF2,开断流经并联电,开断流经并联电阻的电流,使电路完全开断。阻的电流,使电路完全开断。采用采用并联电阻并联电阻阻尼阻尼振荡振荡
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