电力工程基础

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电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 第一节 电气设备的分类 一次设备 直接 生产、输送、分配和使用电能的设备，包括： （ 1 ）生产和转换电能的设备，如发电机和变压器等； （ 2 ）接通或断开电路的开关设备，如断路器、隔离开 关、熔断器、接触器等； （ 3 ）将有关电气设备连接成电路的载流导体，如母线、 电缆等； （ 4 ）变换电气量的设备，电压互感器和电流互感器； （ 5 ）保护电器，如电抗器和避雷器等； （ 6 ）接地装置，电力系统中有工作接地、保护接地和 防雷接地； 二次设备 在电力系统中为了能对电气一次设备和系统的运行状况进行 测量、控制、保护和监察 而需要一些专门的设备，包括： （ 1 ）测量表计。如电压表、电流表、功率表、电能表、频率表等，用于测量一次电路中的电气参数。 （ 2 ）继电保护及自动装置。如各种继电器和自动装置等， 用于监视一次系统的运行状况，迅速反应不正常情况并进行调节或作用于断路器跳闸，切除故障。 （ 3 ）直流设备。如直流发电机、蓄电池组、硅整流装置等，为保护、控制和事故照明等提供直流电源。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 第二节 同步发电机 发电机 将机械能转变为电能的机械 水轮机 风力机 蒸汽轮机 燃气轮机 柴油机 … 定子 转子 （ a ） 转子 定子 (b) 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 第三节 电力变压器 4 变压器 将一种电压的电能变换为另一种电压的电能的装置 单相变压器 三相变压器 … 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （一）变压器的工作原理 变压器是通过电磁感应原理，通过电磁耦合实现电能传递的一种静止电气设备，主要由铁芯及绕在铁芯上的绕组组成。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （二）变压器的结构 1 油浸式变压器 2 干式变压器 用环氧树脂浇注的变压器称为环氧树脂干式变压器。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （三）变压器基本参数及性能指标 1 基本参数 （ 1 ）额定电压 U 1N , U 2N ， 三相变压器指线电压； （ 2 ）额定容量 S N ； （ 3 ）额定电流 I 1N , I 2N ， 根据额定电压和额定容量计算得出； （ 4 ）额定频率 f N ， 我国规定工业用电频率为 50Hz ； （ 5 ）阻抗电压（短路电压），通常以额定电压的百分数表示 由变压器 短路 试验获得，其反映在变压器在额定负载下运行时，漏阻抗压降的大小，相应的有 短路损耗 P k （ 6 ）空载电流，通常以额定电流的百分数表示 由变压器 空载 试验获得，相应的有 空载损耗 P 0 （ 7 ）连接组号 Y—— 星形连接， YN—— 星形连接并有中性点引线， d—— 三角形连接， 例 YNd11 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 2 性能参数 （ 1 ）变压器负载运行，二次侧端电压变化率 ∆ u% 。 变压器外特性 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （ 2 ）变压器损耗 Σ p 。 （ 3 ）变压器效率 η 。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （四）变压器分类 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 第四节 电动机 电动机 将电能变换为机械能的装置 异步电动机 同步电动机 特种电机 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 第五节 高压断路器 额定电压为 3kV 及以上，能够关合、承载和开断运行状态的正常电流，并能在规定时间内关合、承载和开断规定的异常电流（如短路电流、过负荷电流）的开关电器称为 高压断路器 。高压断路器的 作用 ：电力网正常工作和发生故障时开断和关合电路。也即， ①控制（操作）作用；②保护作用 。 工作原理 断路器的基本技术参数 断路器的型号含义 断路器的类型 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 一、高压断路器的工作原理 1. 电弧的 概念 当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头 刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。 2. 电弧的 本质 电弧的实质是一种 气体 放电现象：绝缘气体（或绝缘油受热分解出气体）游离产生的自由电子导电。 3. 电弧放电的 特征 （ 1 ）电弧由三部分组成：阴极区、阳极区和弧柱区； （ 2 ）电弧温度很高 ，可达 5000-7000 。 C ； （ 3 ）电弧是一种自持放电现象； （ 4 ）电弧是一束游离的的气体 。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 4. 电弧的 危害 （ 1 ）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。 （ 2 ）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。 （ 3 ）由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 5. 电弧的 形成 —— 弧柱中自由电子的主要来源 （ 1 ）热电子发射 当断路器的动、静触头分离时，触头间的接触压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子 ，形成热电子发射。 （ 2 ）强电场发射 开关电器分闸的瞬间，由于动、静触头的距离很小，触头间的电场强度就非常大，使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来，就形成强电场发射。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （ 3 ）碰撞游离 从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动，在运动过程中不断地与中性质点（原子或分子）发生碰撞。当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离，这一过程称为碰撞游离。 （ 4 ）热游离 弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。 弧柱导电就是靠热游离来维持的。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 5. 电弧的 形成过程 断路器断开过程中电弧是这样形成的：触头刚分离时突然解除接触压力，阴极表面立即出现高温炽热点，产生 热电子发射 ；同时，由于触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生 强电场发射 。从阴极表面逸出的电子在强电场作用下，加速向阳极运动，发生 碰撞游离 ，导致触头间隙中带电质点急剧增加，温度骤然升高，产生 热游离 并且成为游离的的主要因素，此时，在外加电压作用下， 间隙被击穿 ，形成电弧。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 6. 电弧的 去游离过程： 包括 复合 和 扩散 两种形式。 （ 1 ）复合 复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。由于弧柱中电子的运动速度很快，约为正离子的 1000 倍，所以电子直接与正离子复合的几率很小。一般情况下，先是电子碰撞中性质点时，被中性质点捕获变成负离子，然后再与质量和运动速度相当的正离子互相吸引而接近，交换电荷后成为中性质点。 还有一种情况 就是电子先被固体介质表面吸附后，再被正离子捕获成为中性质点。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （ 2 ）扩散 扩散是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质的现象。扩散有 三种形式 ： ①温度扩散 ：由于电弧和周围介质间存在很大 温差 ，使得电弧中的高温带电质点向温度低的周围介质中扩散，减少了电弧中的带电质点； ②浓度扩散 ：因为电弧和周围介质存在 浓度差 ，带电质点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质点减少； ③利用吹弧扩散 ：在断路器中采用 高速气体吹弧 ，带走电弧中的大量带电质点，以加强扩散作用。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 7. 影响去游离的因素 （ 1 ）电弧温度 电弧是由 热游离 维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离，减少新的带电质点的的产生。同时，也减小了带电质点的运动速度，加强了复合作用。通过 快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使电弧与固体介质表面接触 等，都可以降低电弧的温度。 （ 2 ）介质的特性 电弧燃烧时所在 介质 的特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度，这些特性包括：导热系数、热容量、热游离温度、介电强度等。若这些 参数值越大 ，则去游离过程就越强，电弧就越容易熄灭。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （ 3 ）气体介质的压力 气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。因为，气体的 压力越大 ，电弧中质点的浓度就越大，质点间的距离就越小，复合作用越强， 电弧就越容易熄灭， 如压缩空气 。 在高度的 真空 中，由于发生碰撞的几率减小，抑制了碰撞游离，而扩散作用却很强。因此， 真空是很好的灭弧介质 。 （ 4 ）触头材料 触头材料也影响去游离的过程。当触头采用 熔点高、导热能力强和热容量大的耐高温金属 时，减少了热电子发射和电弧中的金属蒸汽，有利于电弧熄灭。 除了上述因素以外，去游离还受 电场电压 等因素的影响。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 8. 交流 电弧的 特性 在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间变化，电弧的这种特性称为 动特性 。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变化总 滞后 于电流的变化，这种现象称为电弧的 热惯性 。 交流电弧在交流电流自然过零时将 自动熄灭 ，但在下半周随着电压的增高，电弧又 重燃 。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄灭。熄灭交流电弧的 关键 在于电弧电流过零后，弧隙的 介质强度的恢复过程 能否始终大于 弧隙电压的恢复过程 。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 9. 熄灭 交流 电弧 的 方法 本质 ：削弱游离过程，加强去游离过程 （ 1 ）提高触头的分闸速度 （ 2 ）采用多断口 （ 3 ）吹弧 （ 4 ）短弧原理灭弧 （ 5 ）利用固体介质的狭缝狭沟灭弧 （ 6 ）用耐高温金属材料作触头、优质灭弧介质 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （ 1 ）提高触头的分闸速度 迅速拉长电弧，有利于迅速减小弧柱中的电位梯度，增加电弧与周围介质的接触面积，加强冷却和扩散的作用。因此，现代高压开关中都采取了迅速拉长电弧的措施灭弧，如采用强力分闸弹簧，其分闸速度已达 16m/s 以上。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （ 2 ）采用多断口 每一相有 两个或多个 断口相 串联 。在熄弧时，多断口把电弧分割成多个相串联的小电弧段。多断口使电弧的总长度加长， 导致弧隙的电阻增加 ；在触头行程、分闸速度相同的情况下，电弧被拉长的速度成倍增加，使弧隙电阻加速增大，提高了介质强度的恢复速度，缩短了灭弧时间。 采用多断口时，加在 每一断口上的电压成倍减少 ， 降低了弧隙的恢复电压 ，亦有利于熄灭电弧。在要求将电弧拉到同样的长度时，采用多断口结构成倍减小了触头行程，也就 减小了开关电器的尺寸 。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （ 3 ）吹弧 用新鲜而且低温的介质吹拂电弧时，可以将带电质点吹到弧隙以外， 加强了扩散 ，由于电弧被拉长变细，使 弧隙的电导下降 。吹弧还使电弧的 温度下降 ，热游离减弱，复合加快。吹弧可分为以下几种： 按吹弧气流产生的方法分： 用油气吹弧 用压缩空气或六氟化硫气体吹弧 产气管吹弧 按吹弧的方向分为： 纵吹 横吹 纵横吹 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 按吹弧气流产生的方法分 ①用油气吹弧 用油气作吹弧介质的断路器称为 油断路器 。在这种断路器中，有用专用材料制成的灭弧室，其中充满了绝缘油。当断路器触头分离产生电弧后，电弧的高温使一部分绝缘油迅速分解为氢气、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳等气体，其中氢的灭弧能力是空气的 7.5 倍。这些油气体在灭弧室中积蓄能量，一旦打开吹口，即形成高压气流吹弧。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 ②用压缩空气或六氟化硫气体吹弧 将 20 个左右大气压的压缩空气或 5 个大气压左右的六氟化硫气体（ SF6 ）先储存在专门的储气罐中，断路器分闸时产生电弧，随后打开喷口，用具有一定压力的气体吹弧。 ③产气管吹弧 产气管由纤维、塑料等有机固体材料制成，电弧燃烧时与管的内壁紧密接触，在高温作用下，一部分管壁材料迅速分解为氢气、二氧化碳等，这些气体在管内受热膨胀，增高压力，向管的端部形成吹弧。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 按吹弧的方向分为 ①纵吹 吹弧的介质（气流或油流）沿电弧方向的吹拂称为纵吹，纵吹能增强弧柱中的带电质点向外 扩散 ，使新鲜介质更好地与炽热电弧接触，加强电弧的 冷却 ，有利于迅速灭弧。 ②横吹 横吹时气流或油流的方向与触头运动方向是垂直的，或者说与电弧轴线方向垂直。横吹不但能加强 冷却 和增强 扩散 ，还能将电弧迅速 吹弯吹长 。 有介质灭弧栅 的横吹灭弧室，栅片能更充分地冷却和吸附电弧，加强去游离。 在相同的工作条件下，横吹比纵吹效果要好 。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 ③纵横吹 横吹灭弧室在开断小电流时因室内压力太小，开断性能较差。为了改善开断小电流时的灭弧性能，可将纵吹和横吹结合起来。在 大电流时 主要靠横吹， 小电流 时主要靠纵吹，这就是纵横吹灭弧室。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （ 4 ）短弧原理灭弧 灭弧装置是一个 金属栅灭弧罩 ，其将电弧分为多个串联的短弧的方法来灭弧。由于受到电磁力的作用，电弧从金属栅片的缺口处被引入金属栅片内，一束长弧就被多个金属片分割成多个串联的短弧。如果所有串联短弧阴极区的起始介质强度 或阴极 区的电压降的总和永远大于触头间的外施电压，电弧就不再重燃而熄灭。采用 缺口铁质栅片 ，是为了减少电弧进入栅片的阻力，缩短燃弧时间。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （ 5 ）利用固体介质的狭缝狭沟灭弧 灭弧装置的 灭弧片是由石棉水泥或陶土制成的 。触头间产生电弧后，在磁吹装置产生的磁场作用下，将电弧吹入由灭弧片构成的狭缝中，把电弧迅速拉长的同时，使电弧与灭弧片内壁紧密接触，对电弧的表面进行冷却和吸附，产生强烈的去游离。 石英砂熔断器 中的熔丝熔断时，在石英砂的狭沟中产生电弧。由于受到石英砂的冷却和表面吸附作用，使电弧迅速熄灭。同时，熔丝气化时产生的金属蒸汽渗入石英砂中遇冷而迅速凝结，大大减少了弧隙中的金属蒸汽，使得电弧容易熄灭。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （ 6 ）用耐高温金属材料作触头、优质灭弧介质 触头材料 对电弧中的去游离也有一定影响，用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属制作触头，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸汽，从而减弱了游离过程，有利于熄灭电弧。 灭弧介质的特性 ，如导热系数、电强度、热游离温度、热容量等，对电弧的游离程度具有很大影响，这些参数值越大，去游离作用就越强。在高压开关中，广泛采用 压缩空气、六氟化硫（ SF 6 ）气体、真空 等作为灭弧介质。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 二、高压断路器的基本技术数据 （ 1 ）额定电压（ kV ） 保证断路器长时间正常运行能承受的工作电压（线电压）， 我国 采用的额定电压等级： 3 、 6 、 10 、 35 、 60 、 110 、 220 、 330 、 500 、 750 、 1000kV 等。 （ 2 ）最高工作电压（ kV ） 通常规定， 220kV 及以下 设备，其最高工作电压为额定电 压的 1.15 倍；对于 330kV 及以上 的设备规定为额定电压的 1.1 倍 。 我国 采用的最高电压有： 3.5 、 6.9 、 11.5 、 40.5 、 69 、 126 、 252 、 363 、 550 、 825 、 1100kV 等。 （ 3 ）额定电流（ A ） 断路器在规定的基准环境温度下允许长期通过的最大工作电流 有效值 。 我国 采用的额定电流有： 200 、 400 、 630 、 1000 、 1250 、 1600 、 2000 、 2500 、 3150 、 4000 、 5000 、 6300 、 8000 、 10000 、 12500 、 16000 、 20000A 等。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （ 4 ）额定开断电流（ kA ） 在额定电压下 ，断路器能可靠开断的最大电流 有效值 ，称为该电压下的 额定开断电流 。 在电压低于额定电压时 ，开断电流可以比额定开断电流大，但由于灭弧装置机械强度的限制，开断电流有个极限值，称为 极限开断电流 。 （ 5 ）额定关合电流（ kA ） 在额定电压下 ，断路器能可靠地闭合的最大短路电流 峰值 。额定关合电流反映断路器关合短路故障的能力，主要决定于断路器灭弧装置的性能、触头构造及操动机构的型式。 （ 6 ）额定热稳定电流（ kA ） 断路器在规定时间（通常为 4s ）内允许通过的最大短路电流 有效值 。额定热稳定电流 表明 断路器承受短路电流 热效应 的能力。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （ 7 ）额定动稳定电流（ kA ） 断路器在 闭合 状态下，允许通过的最大短路电流 峰值 ，又称 极限通过电流 。额定动稳定电流 表明 断路器在冲击短路电流的作用下，承受 电动力效应 的能力，它决定于导体和绝缘等部件的机械强度 。 （ 8 ）合闸时间（ s ） 断路器从接到合闸命令（合闸回路通电）起到断路器触头刚接触时所经过的时间间隔，称为合闸时间。 （ 9 ）分闸时间（ s ） 分闸时间是反映断路器 开断过程快慢 的参数。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 1 ）固有分闸时间 t 1 指断路器接到分闸命令起到灭弧触头刚分离时所经过的时间 2 ）灭弧时间 t 2 触头分离到各相电弧完全熄灭所经过的时间 3 ）全分闸时间 t t 断路器从接到分闸命令起到断路器触头开断至三相电弧完全熄灭时所经过的时间间隔。 t t =t 1 +t 2 （ 10 ）额定开断容量（ MVA ） 断路器的开断能力也可间接用开断容量来表示，其大小与额定电压与额定开断电流的有关： 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 三、高压断路器的型号含义 1 2 3 4 5 6 7 产品名称； S — 少油断路器， D — 多油断路器， L — 六氟化硫（ SF6 ）断路器， Z — 真空断路器， K — 压缩空气断路器， Q — 自产气断路器， C — 磁吹断路器 安装地点； N －户内型， W －户外型 设计序号 额定电压（或最高工作电压）（ kV ） 补充特性： C －手车式， G －改进型， W －防污型， Q －防震型 额定电流（ A ） 额定开断电流（ kA ） 例如： ZN28 － 12/1250 － 25 ，表示户内式真空断路器，设计序号为 28 ，最高工作电压 12kV ，额定电流为 1250A ，额定开断电流为 25kA 。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 四、高压断路器的类型 按灭弧介质的不同分类 （ 1 ）油断路器 采用 绝缘油 作为 灭弧介质 的断路器， 逐渐被淘汰。 （ 2 ）压缩空气断路器 采用 压缩空气 作为 灭弧介质 及操作机构能源的断路器。 （ 3 ）真空断路器 在真空中开断电流，利用 真空 的高绝缘强度来实现 灭弧 的断路器。 （ 4 ）六氟化硫（ SF6 ）断路器 采用具有优良灭弧性能的 SF6 气体 作为 灭弧介质 的断路器。 （ 1 ）油断路器 多油断路器 多油断路器的触头和灭弧系统放置在由钢板焊接成的装有大量绝缘油的油箱中，其绝缘油 既是 灭弧介质， 又是 主要的绝缘介质，承受不同的导体之间及导体与地之间的绝缘。 结构特点： 结构简单，制造方便，便于在套管上加装电流互感器，配套性强；耗钢、耗油量大、体积大、重量重；属自能式灭弧结构。 技术特点： 额定电流不易做得很大；开断小电流时，燃弧时间较长；开断电路的速度较慢；油量多，有发生爆炸和火灾的危险性。 运行维护特点： 运行维护简单；噪声低；检修周期短；需配备一套油处理装置。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 少油断路器 少油断路器的触头和灭弧系统放置在装有少量绝缘油的绝缘筒中，其 绝缘油 主要 作为灭弧介质，只承受触头断开时断口之间的绝缘， 不作为主要 的绝缘介质 。少油断路器中不同相的导电部分之间及导体与地之间是利用空气、陶瓷和有机绝缘材料来实现绝缘。 结构特点： 结构简单，制造方便，可配用各种操动机构；比多油断路器油量少、重量轻；采用积木式结构，便于制成各种电压等级产品。 技术特点： 开断电流大， 10kV 等级可通过加并联回路以提高额定电流； 110kV 及以上电压等级时采用积木结构；全开断时间较短；增加压油活塞装置加强机械油吹后，提高开断小电流的能力；存在火灾危险。 运行维护特点： 运行经验丰富，易于维护；噪声低；油质容易劣化；需配备一套油处理装置。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 户外多油断路器 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （ 2 ）压缩空气断路器 结构特点： 结构比较复杂，工艺和材料要求高；有色金属消耗量大、价格高；需要装设专用的空气压缩系统；操动机构与断路器合为一体；体积和重量比较轻。 技术特点： 额定电流和开断电流都可以做得很大，适合开断大容量电路；动作快，全开断时间短；快速自动重合闸时断流容量不降低；无火灾危险。 运行维护特点： 维修周期长；噪声较大；无火灾危险；需要一套压缩空气装置作为气源；运行费用大。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （ 3 ）真空断路器 结构特点： 灭弧室材料及工艺要求高；体积小、重量轻；触头不易氧化；灭弧室的机械强度比较差，不能承受较大的冲击振动。 技术特点： 可连续多次操作，开断性能好；灭弧迅速，开断时间短；开断电流及断口电压不易做得很高；无火灾危险；开距小，约为同等电压油断路器触头开距的 1/10 左右；所需操作能量小；开断时产生的电弧能量小；灭弧室的机械寿命和电气寿命都很高。 运行维护特点： 运行维护简单，灭弧室不需要检修；噪声低；运行费用低；无火灾和爆炸危险。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 ZW32-12 真空断路器 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （ 4 ） SF 6 断路器 结构特点： 结构简单，工艺及密封要求严格，对材料要求高；体积小、重量轻；用于封闭式组合电器时，可大量节省占地面积。 技术特点： 额定电流和开断电流都可以做得很大；开断性能好，适合于各种工况开断； SF 6 气体灭弧、绝缘性能好，故断口电压可做得较高；断口开距小。 运行维护特点： 维护工作量小；噪声低；检修周期长；运行稳定，安全可靠，寿命长；可频繁操作。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 罐式 SF6 断路器 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 瓷柱式 SF6 断路器 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 第六节 互感器 互感器的概念、作用和种类 电磁式电流互感器 电磁式电压互感器 电容式电压互感器 新型互感器 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 一、互感器的概念、作用和类型 1. 概念 ：互感器是电力系统中一次系统和二次系统之间的联络元件，用以 变换电压或电流 ，分别为测量仪表、保护装置和控制装置 提供电压或电流信号 ，反映电气设备的正常运行和故障情况，分为电压互感器 （ TV ） 和电流互感器 （ TA ） 。 2. 作用： （ 1 ） 将一次回路的高电压和大电流变为二次回路的标准值。 电压互感器的额定二次电压为 100V 或 100 ／ V ，电流互感器的额定二次电流为 5A 、 1A 或 0.5A 。这样，二次设备的绝缘水平可按低压设计，使测量仪表和继电保护装置标准化、小型化，结构轻巧、价格便宜。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （ 2 ）所有二次设备 可用低电压、小电流的电缆连接 ，使配电屏内布线简单、安装方便；便于集中管理，可以实现远距离控制和测量。 （ 3 ）二次回路 不受一次回路的限制 ，接线灵活方便。对二次设备进行维护、调换以及调整试验时，不需中断一次系统的运行。 （ 4 ） 使二次侧的设备与高电压部分隔离，且互感器二次侧要有一点接地， 保证二次系统设备和工作人员的安全 。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 3. 类型 目前，互感器常用 电磁式 和 电容式 ，随着电力系统容量的增大和电压等级的提高， 光电式、无线电式 互感器正应运而生，逐渐应用于电力生产中。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 二、电磁式电流互感器 工作原理和工作特性 测量误差 准确级与额定容量 接线 分类 型号 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （一）工作原理和工作特性 电流互感器的 一次绕组串联 于被测量电路内，二次绕组与 二次回路串联 。 当一次侧流过 电流 I 1 时，在铁芯中产生 交变磁通 ，此磁通穿过二次绕组，产生 电动势 ，在二次回路中产生电流 I 2 。 磁势平衡方程 忽略很小的励磁安匝 只考虑电流数值得 电流互感器的额定电流比 K i ： 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 工作特性： 一次绕组匝数很 少 ，二次绕组匝数 多 。 正常运行时，二次绕组近似于 短路 工作状态。 一次电流的大小 决定于一次负载电流， 与二次电流大小无关 。 运行中 的电流互感器 二次回路不允许开路 。 运行中当需要检修、校验二次仪表时，必须先将电流互感器二次绕组回路短接，再进行拆卸操作。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电流互感器二次侧 不能开路的原因 正常工作时： 磁动势平衡方程 ， N l I l 和 N 2 I 2 互相抵消一大部分，激磁磁势 N l I 0 数值不大。 二次电路开路时： N 2 I 2 等于零，激磁磁势猛增到 N l I l ， 铁心中 磁感应强度猛增 ，造成铁心磁饱和。铁心饱和致使随时间变化的磁通 Ф 的波形由正弦波变为平顶波，在磁通曲线 Ф 过零前后磁通 Ф 在短时间内从+ Ф m 变为- Ф m ， 使 dФ/dt 值很大， 产生很高的尖顶波电动势 ，其值可达数千甚至上万伏，危害设备和人身安全；铁芯损耗加大，严重 过热，损坏铁芯绝缘 ；铁芯中的剩磁使 互感器误差增大 。 P53 图 2-23 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电流互感器使用 注意事项 电流互感器在工作时 其二次侧不得开路 。 电流互感器的 二次侧有一端必须接地 。 电流互感器在连接时，要 注意其端子的极性 。 电流互感器必须 保证一定的准确度 ，电流互感器的 负载阻抗不得大于 与准确级相对应的额定阻抗。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （二）测量误差 电流误差： 角误差（相位误差）： 旋转 180º 的二次电流 与一次电流 之间的夹角，规定二次侧相量 超前 于一次侧相量时角误差为 正 ，反之为负。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （三）电流互感器的准确级与额定容量 电流互感器的准确级 是指在 规定的二次负荷 范围内，一次电流为额定值时的电流误差限值（即 最大电流误差 ）。 测量用 电流互感器的准确级 有： 0.1 ， 0.2 ， 0.5 ， 1 ， 3 和 5 级； 保护用 电流互感器 按用途分为 稳态 保护用（ P ）和 暂态 保护（ TP ）两类。稳态保护用电流互感器规定有 5P 和 10P 两种准确级 。 稳态保护： P、PR、PX 其中 P 类为准确限值规定为稳态对称一次电流下的复合误差的电流互感器； PR 类是剩磁系数有规定限值的电流互感器；而 PX 类是一种低漏磁的电流互感器。 暂态保护用： TPS 级、 TPX 级、 TPY 级和 TPZ 级 能满足短路电流具有非周期分量的暂态过程性能要求的保护用电流互感器称为暂态保护用电流互感器（ TP 类）。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 一般 0.1 、 0.2 级 主要用于实验室精密测量和供电容量超过一定值（月供电量超过 100 万 kWh ）的线路或用户； 0.5 级 的可用于收费用的电能表； 0.5-1 级 的用于发电厂、变电所的盘式仪表和技术上用的电能表； 3 级、 5 级 的电流互感器用于一般的测量和某些继电保护上； 5P 和 10P 级 的用于继电保护，在旧型号产品中用 B 、 C 、 D 级表示。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 注意：复合误差的概念 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电流互感器的额定容量 电流互感器的 额定容量 S N2 系指电流互感器在额定二次电流和额定二次阻抗下运行时，二次绕组输出的容量。由于电流互感器的额定二次电流为标准值（ 5A 或 1A 或 0.5A ），也为了便于计算，有的厂家提供电流互感器的 额定阻抗 Z N2 值 。 因电流互感器的误差和二次负荷有关，故 同一台 电流互感器 使用在 不同 准确级 时，会有 不同 的额定容量 。 教材 P55 例 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电流互感器的 10% 误差曲线 对 测量用 TA ：要求在 正常工作范围 内有较高的准确度；而当电路发生 短路 时，希望 TA 过饱和，以免仪表受到短路电流的损害。 对 保护 用 TA ：要求其在系统发生 故障 时也能较准确的测量故障电流。因此保护 TA ，在可能出现的短路电流范围内，要求其 最大 误差限值（复合误差） 不超过 10% 。 10 ％误差曲线 是指在保证电流互感器误差不超过 10 ％ 的条件下，一次电流倍数与电流互感器允许最大二次负载阻抗的关系曲线。 一次电流倍数 二次负荷阻抗 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 按 10% 误差曲线选择校验保护用 TA 已知可能的最大短路电流 ，求得一次电流倍数 由 10% 误差曲线 查得可允许使用的 最大二次负荷阻抗 若 ，则能保证误差在 10% 内；否则，应减小 使其满足上式。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （四）电流互感器的接线 单相接线 主要用来测量单相负荷电流或三相系统中平衡负荷的某一相电流。 两相 V 形接线（不完全星形接线） 在 6 ～ 10kV 中性点不接地系统中应用较广泛。 两相电流差接线 通常应用于继电保护线路中 星形接线 用来测量负荷平衡或不平衡的三相电力系统中的三相电流。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （五）电流互感器的分类 按 安装地点 可分为 屋内 （ 20kV 及以下）和 屋外 式（ 35kV 及 以上）。 按 安装方式 可分为 穿墙式、支持式和装入式 （套管式）。 按 绝缘方式 可分为 干式、浇注式、油浸式 等。 干式 用绝缘胶浸渍，用于屋内低压电流互感器； 浇注式 以环氧树脂作绝缘，目前仅用于 35kV 及以下的屋内电流互感器； 油浸式 多为屋外式。 按 一次绕组匝数 可分为 单匝式和多匝式 。单匝式分为 贯穿型和母线型 两种。 按电流互感器的 工作原理 ，可分为 电磁式、电容式、光电式和无线电式 。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （六）电流互感器的型号 电流互感器全型号的表示和含义如下： 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 套管式电流互感器 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 穿墙式环氧电流互感器 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 SF 6 气体绝缘电流互感器 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 三、电磁式电压互感器 工作原理和工作特性 测量误差 准确级与额定容量 接线 分类 型号 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （一）工作原理和工作特性 电磁式电压互感器 一次绕组 与一次被测电力网 并联 ， 二次绕组 与二次测量仪表和继电器的电压线圈 并联 。 电动势平衡方程 忽略绕组漏阻抗压降 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 E 1 E 2 工作特性： 一次绕组匝数很 多 ，二次绕组匝数很 少。 正常运行时，二次绕组近似于 空载 工作状态。 电压互感器一次侧的电压(即电网电压) 不受 互感器二次侧 负荷的影响 运行中 的电压互感器 二次回路不允许短路 。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 。 电压互感器使用 注意事项 电压互感器 二次侧不得短路 。电压互感器的一、二次侧都应装设熔断器（ 6 OkV 及以上 的电压互感器，其电源侧可不装设高压熔断器）。 电压互感器的 电源侧 要装设 隔离开关 。 电压互感器铁芯及 二次绕组一端必须接地 。防止一、二次绕组间的绝缘击穿时，一次侧的高电压窜入二次侧，危及工作人员人身和二次设备的安全。 电压互感器在接线时要 注意端子极性 的正确。接线时，应保证一、二次绕组的首尾标号及同名端的正确。 电压互感器的 负载容量应不大于 准确级相对应的额定容量。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （二）测量误差 电压误差： 角误差（相位误差）： 旋转 180º 的二次电压 与一次电压 之间的夹角，规定二次侧相量 超前 于一次侧相量时角误差为 正 ，反之为负。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （三）电压互感器的准确级与额定容量 电压互感器的准确级 是指在 规定的一次电压和二次负荷变化范围内 ，负荷 功率因数为额定值时 的电压误差限值（即 最大电压误差 ） 。 测量用 电压互感器的准确级有： 0.1 ， 0.2 ， 0.5 ， 1 和 3 级； 保护用 电压互感器的准确级规定有 3P 和 6P 两种。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电压互感器的额定容量 电压互感器的误差与二次负荷有关，因此同一台 TV 在不同准确度级下，都有相应的额定容量。 在功率因数为0.8(滞后)时，额定容量标准值为10、15、25、30、50、75、100、150、200、250、300、400、500 VA。 但一般说 电压互感器的额定容量 是指 最高 准确度级下的额定容量。 电压互感器按在最高电压下长期工作允许的发热条件，还规定了 最大极限容量 。 与电流互感器一样，要求在某些准确度级下测量时，二次负载不应超过该准确级规定的容量，否则准确度级下降，测量误差是满足不了要求的。 教材 P57 例 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （四）电压互感器的接线 单相电压互感器接线 用于 35kV 及以下的中性点非直接接地电网中测量 线电压 ； 用在 110kV 及以上中性点有效接地系统中测量 相对地电压 ； V ， V 形接线（不完全星形接线） 来 测量 三个线电压，但 不能测量 相电压，应用于 20kV 及以下中性点不接地或经消弧线圈接地的电网中； 一台三相三柱式电压互感器 Yyn 接线 用于 测量 线电压， 不能测量 相电压； 一台三相五柱式电压互感器的 YNynV 接线 测量 线电压、相电压和零序电压 （用作绝缘监察装置， 开口三角形 ），广泛应用于小接地电流电网中； 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 三个单相三绕组电压互感器接成的 YNynd 接线 主要应用于 3kV 及以上电网中，用于 测量线电压 、 相电压 和 零序电压 （用作绝缘监察装置， 开口三角形 ）。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 三相五柱式电压互感器的接线图 （五）电压互感器的分类 按 安装地点 分为户内式和户外式； 按 相数 分为单相式和三相式，只有 20kV 以下才制成三相式； 按 线圈数 可分为双线圈和三线圈； 按 绝缘结构 可分为干式、浇注式、普通油浸式、串级油浸式和电容式。 干式 多用于低压户内配电； 浇注式 用于 3 ～ 35kV ； 油浸式 主要用于 35kV 及以上的电压互感器。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 （六）电压互感器的型号 电压互感器全型号的表示和含义如下： 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 JDZ—10 型浇注式单相电压互感器 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 JSJW-10 型油浸式三相五柱 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 JCC-20 型串级式电压互感器 JDXN － 35 电压互感器 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 四、电容式电压互感器 1. 结构 2. 分压原理 主要由电容分压器、补偿电抗器、中间变压器、阻尼器及载波装置、防护间隙等组成。 在被测电网的 相和地之间 接有主电容 C1 和分压电容 C 2 ， Z i 为继电器、仪表等电压线圈阻抗。电容式电压互感器实质上是一个电容串接的分压器，被测电网的电压在电容 C 1 、 C 2 上按反比分压。 分压比 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 L— 补偿电抗： 可补偿电容分压器的内阻抗 。 TV — 中间变压器： 将测量仪表经中间变压器 TV 后与分压器连接 ， 减小分压器的输出电流 以 减少误差 。 r d — 阻尼电阻： 在 TV 副边单独设置一只线圈，接入阻尼电阻 r d ， 用以抑制铁磁谐振过电压。 C K — 补偿电容器： 用来补偿电磁式电压互感器 TV 的磁化电流和副边负荷电流的无功分量，亦能减小测量装置的误差。 P 1 — 放电间隙： 用以保护 TV 的原绕组和补偿电抗器 L， 防止因受二次侧短路所产生的过电压而造成的损坏。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 3. 电容式电压互感器的特点 供 11 OkV 及以上 中性点直接接地系统测量电压之用 优点： 除作为电压互感器用外，还可将其分压电容兼做高频载波通讯的耦合电容； 电容分压式电压互感器的冲击绝缘强度比电磁式电压互感器高； 体积小，重量轻，成本低； 在高压配电装置中占地面积很小。 缺点： 误差特性和暂态特性比电磁式电压互感器差 输出容量较小 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 五、新型互感器 传统电磁式和电容式互感器 随着电压等级的提高， 成本 越来越高， 结构 也更复杂，测量时的 暂态响应速度 较慢，测量直流分量和高频分量时 误差 较大，从而推动了新型互感器的发展。 新型互感器 的研制是 光电子、光纤通信和数字信号处理 技术的发展和应用。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 1. 新型互感器的分类 新型互感器按高、低压部分的耦合方式，可分为 无线电电磁波耦合 、 电容耦合 和 光电耦 合式，其中光电式互感器性能最佳，研制工作进展很快。 光电式互感器 的 原理 是利用石英晶体材料的磁电效应和电场效应，将被测的电压、电流信号转换成光信号，经光通道传播，由接收装置进行数字化处理将接收到的光波转变成电信号，并经过放大，供仪表和继电器使用。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 2. 新型互感器的优缺点 优点 高低压间没有直接的电磁联系，使绝缘结构大为简化； 测量过程中不需要消耗很大能量； 测量范围宽，暂态响应快，准确度高； 二次绕组数量增多，满足多重保护需要； 重量轻、成本低。 缺点 输出容量较小 ，需研制功率更大的放大器或采用小功率的半导体继电保护装置来减小互感器的负荷 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 第七节 隔离开关 隔离开关 又称 （隔离）刀闸 ，是一种高压开关电器。因为它没有专门的灭弧装置，故 不能 用来切断负荷电流和短路电流。使用时应与断路器配合，只有在断路器断开时才能进行操作。隔离开关在分闸时，动静触头间形成明显可见的断口，绝缘可靠。 隔离开关的作用 隔离开关的基本技术参数 隔离开关的型号含义 隔离开关的类型 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 一、隔离开关的作用 隔离电源 ，保证检修工作的安全。 配合断路器，在电路中进行 倒闸操作 。 接通和断开 小电流 电路。 在某些终端变电所中，快分隔离开关与接地开关相配合， 代替 断路器的工作。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 二、隔离开关的技术参数 （ 1 ）额定电压 指隔离开关长期运行时所能承受的工作电压。 （ 2 ）最高工作电压 指隔离开关能承受的超过额定电压的最高电压。 （ 3 ）额定电流 指隔离开关可以长期通过的工作电流。 （ 4 ）热稳定电流 指隔离开关在规定的时间内允许通过的最大电流。 （ 5 ）极限通过电流峰值 指隔离开关所能承受的最大瞬时冲击短路电流。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 三、隔离开关的型号含义 隔离开关型号、规格一般由文字符号和数字表示： 第一单元：产品字母代号，隔离开关用 G ； 第二单元：安装场所代号，户内用 N ，户外用 W ； 第三单元：设计序列顺序号，用数字 1 、 2 、 3 、 …… 表示； 第四单元：额定电压， kV ； 第五单元：其他标志，如 T 表示统一设计， G 表示改进型， D 表示带接地刀闸， K 表示快分型等。 第六单元：额定电流， A 。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 G N 10 — 20 ／ 8000 额定电流( A) 额定电压( kV) 设计系列号 屋内型或屋外型 ( N 一屋内； W 一屋外) 隔离开关 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 四、隔离开关的分类 （ 1 ）按装设 地点 的不同，可分为户内式和户外式两种。 （ 2 ）按 绝缘支柱 数目，分为柱式、双柱式和三柱式三种。 （ 3 ）按 动触头运动方式 ，可分为水平旋转式、垂直旋转 式、摆动式和插入式等。 （ 4 ）按 有无接地闸刀 ，可分为无接地闸刀、一侧有接地闸 刀、两侧有接地闸刀三种。 （ 5 ）按 操动机构 的不同，可分为手动式、电动式、气动式 和液压式等。 （ 6 ）按 极数 ，可分为单极、双极、三极三种，以及按 安装 方式 分为平装式和套管式等 。 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 GNl9-12(c) 系列户内高压隔离开关 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能 GW5 系列双柱水平开启式隔离开关 电力工程基础 第二章 电气设备的原理与功能