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1、第7章 中高压系统主要配电设备及选择,1,本章所涉及的电器，主要有开关电器、保护电器、测量电器等，还包括由它们组合起来的组合电器，但不包括变压器和线缆。除发电机、变压器、电缆和用电设备以外的电气设备大多可归为配电设备。 本章配电设备以中压为主，兼顾110kV及以下高压设备。中压设备中，又以10kV设备为主要论述对象。,2,7.1 短路电流的效应,7.1.2 短路电流电动力效应 相邻载流导体在对方产生的磁场中受到的机械作用力，叫做电动力。 敷设在同一平面上的三相平行导体，中间相受力最大，其短路最大电动力为,式中：Ks为导体形状系数，通过（D-b）/（h+b）查得；l为平行导体长度；D为导体中心距
2、；b为导体厚度；h为导体高度；ip为短路电流峰值。,3,三相导体不是布置在一个平面上，而是等腰或直角三角形布置等情况，计算方法可查阅相关的设计手册等资料，此处不再赘述。,4,7.1.2短路电流热效应 短路电流在故障元件上产生的温升，叫做短路电流的热效应。高温是元件产生热损坏的最主要因素。 1、导体温升过程及短路热稳定热力学判断 讨论：导体未通电通电正常工作短路发生短路电流被切断，这几种情况下导体的发热与温升情况。短路温度=短路温升初始温度。 辩异：发热与温升。发热是温升的动力，但温升还受散热的影响。,5,1）未通电时。,2）正常工作时。,6,3）短路发生后，导体温度急剧上升，至短路被切除时，导
3、体温度达到最高值k，即：,式中，k为短路最高温度；kmax 为导体短路瞬时最高允许温度（简称短路允许温度）。,7,辩异：Nmax与kmax。 都是“最高允许温度”，前者是“长期工作”，后者是“短路瞬时”，有何区别？ Nmax取决于设计寿命。对绝缘导体，取决于绝缘的长期温度承受能力；对裸导体，取决于接头氧化和（或）机械参数（如弧垂等）。 kmax取决于是否发生瞬间不可逆损坏。对绝缘导体，取决于绝缘的极限温度承受能力；对裸导体，取决于接头极限温度承受能力和（或）是否因高温产生机械破坏。 常见导体的Nmax和kmax见表。,8,长期允许工作温度和短路最高允许温度举例,9,工作正常 短路热稳定,请你判
4、断,请你判断,请你判断,t0：短路开始时刻 tk：短路电流持续 时间,10,2、导体短路最高温度k计算 1）计算条件与特点。k是导体受到的短路能量热冲击的表征参量，是一个热力学参数，按热力学方法计算。计算的一些假定和依据如下。 （1）绝热过程假设，短路电流发热全部用于导体温升，这是一个偏于保守的假设。 绝热过程假设对短路持续时间较长的短路计算误差较大，但结果偏于保守，后果可能导致浪费，但不至于出现实际温度高于计算温度的情况。,11,（3）导体为长度l的棒形，底面积S，密度m，质量m为：,（2）导体电阻、比热均是温度的函数。以0电阻率0和比热C0为起点，计算公式为：,12,2）热力学过程分析。,
5、Ik(t)是短路全电流有效值，含周期与非周期分量。等式右边是导体温升吸收的热量；左边是电流发热量，全部供导体温升（绝热假设的结果）。 将各参量表达式代入，有：,13,对上式两边积分，有：,注意：未知量是k。上式左边是电气参量和导体几何参数，右边是材料参数，为变上限积分。,令等式右边积分的原函数为A()，有：,14,于是：,也即：,正常工作温度N是已知的（若不知，可取为Nmax），理论上，短路电流平方积分是可求出的，因此可求出A(k)，继而求出k。 现就把热力学计算转化成了电气参量计算，即短路全电流有效值平方在短路持续时间内的积分。,15,2、短路热脉冲与假想时间 1）短路热脉冲 热平衡方程已经
6、将求温度k的问题转化成了求短路电流积分的问题。定义这个积分为热脉冲Q，即：,短路热脉冲的物理意义：热脉冲量值等于短路电流在短路持续时间内在1恒定电阻上产生的热量。 求短路热脉冲的工程方法有假想时间法、假想电流法、数值积分法等，根据工程现状，下面介绍假想时间法。,16,2）假想时间。假设短路全电流有效值Ik(t)一直等于稳态短路电流，要产生与实际短路热脉冲相等的热脉冲所需要的时间，叫做假想时间，记作tim。即,17,3）远端短路假想时间计算 远端短路电流由幅值恒定的周期分量和衰减的非周期分量组成（近端短路还要加上一个衰减的周期分量），根据谐波理论，短路电流有效值为各次谐波的方均根，即,分别称ti
7、mDC、timAC为短路电流非周期分量和周期分量的假想时间 ,则,18,（1）timAC 计算。由于远端短路IAC(t)= Ik ，故,（2）timDC 计算。 当tk1s时，导体发热主要由周期分量决定，可不计入非周期分量的影响，此时 timDC =0 当tk1s时，因 ，有,19,于是有,Tk取典型值0.05s，当tk0.1s时，指数项已过4倍时 间常数，而tk通常总是大于0.1s的，因此：,综上所述，对远端短路,20,用假想时间计算导体短路最高温度k 。根据公式：,用假想时间计算上式积分，有,据此可计算出k。,21,4）短路电流持续时间tk计算 tk=top+tQA 式中 tk短路电流持续
8、时间； top保护动作时间； tQA断路器额定开断时间，含固有分闸时间和燃弧持续时间。 保护动作时间为保护装置起动机构、执行机构和延时机构动作时间总和。前两者总计一般为0.020.05s，近似计算时可忽略不计。,22,7.2 电气设备选择的一般性问题,7.2.1 电气设备选择的基本原则 （1）正常工作条件下，应符合使用要求并保证工作寿命。 符合使用要求：设备功能与工作任务相适应；设备参数与系统参数相匹配；与其他相关设备在参数、功能及工艺过程等方面相协调。 保证工作寿命：安装处实际工况符合设计工况。 （2）故障条件下，应尽可能保证设备不致损坏，并尽量不扩大故障影响范围。,23,7.2.2 按正常
9、工作条件选择设备参数 1、额定电压和最高电压选择,式中，Umax为设备最高电压；Uopmax为设备安装处最高运行电压，极限值可取系统最高电压。 （见第1章“标准电压”） 2、额定电流选择,式中，ICmax为最大负荷电流；Ir为设备额定电流。,24,ICmax不仅要考虑正常运行，还要考虑故障切换等原因导致的负荷转移等情况，取各种运行方式下的最大者。 Ir要考虑环境温度的影响。,负荷转移示例,25,7.2.3 按环境条件选择设备类型并校验设备参数 环境条件分自然环境条件（如正常、湿热、沙尘、高海拔等）和应用环境条件（如户内、户外、火灾危险性等）。现应用环境条件引用IEC标准，增加了人员和建筑结构、
10、材料等条件，连同自然环境条件统称外部条件，主要是增加了人员安全的考虑。 为标准化需要，将不利于设备的环境条件，按严重程度分出一系列等级，称为环境条件严酷程度分级。电气设备按分级有不同的产品系列相对应。,26,示例 1）环境温度。主要对额定电流产生影响。环境温度高于设备标称环境温度，额定电流降低，工程上应进行相应的修正。 2）海拔高度。影响额定电流与耐压两个参数。 海拔高，空气稀薄，散热能力降低，但环境温度也低，相互抵消，在海拔4000m以下时，可不修正载流量。 高海拔降低电器设备的外绝缘性能。在海拔14km范围，按1% / 100m降低外绝缘耐压。,27,7.2.4 按短路动、热稳定校验设备参
11、数。 动、热稳定校验是对设备短路承受力的考核。动稳定意味着能承受短路电动力冲击，否则就是动不稳定的；热稳定意味着短路最高温度未超过短路最高允许温度，否则就是热不稳定的。 短路电流电动力效应和热效应计算原理已如前述，但工程上，对电气设备和导体，动、热稳定性校验的具体方法有所不同，下面分别介绍。,28,1、动稳定校验的工程方法 1）电器的动稳定性校验 结构确定的情况下，设备所受电动力唯一取决于短路电流大小，它们之间呈单调的正相关性。据此，工程体系规定： 设备制造厂家必须给出与设备能承受的最大电动力相对应的动稳定电流值ims（movable stable），又称为设备的峰值耐受电流ipw（peak-
12、current withstand），动稳定以设备安装处实际最大短路电流峰值ip校验，要求：实际承受冲击最大承受能力，即 ip ipw （ 或ims） 该法规避了力学计算，体现了工程体系配合所带来的效率。,29,2）导体的动稳定校验 导体是零件，现场安装，其数量、布置形式、安装间距等结构参数不确定，导体生产厂家无法预先测试与动稳定相对应的最大电流值。设计时只能按材料力学方法校验。工程中主要是母线动稳定性校验：,式中：c短路时母线可能承受的最大应力； max母线最大允许应力，硬铝69Mpa，硬铜为137Mpa。,30,两跨以上c的计算：,式中，为共振系数，取1.01.4；W为母线截面系数，平放时
13、为0.167bh2，立放时为0.167hb2，b、h分别为母线厚度和宽度。其他参数同前。,31,2、热稳定性校验的工程方法 1）电器的热稳定校验 短路温升与短路热脉冲呈单调的正相关性。工程体系规定：设备厂家应给出与设备能承受的最大短路温升相对应的短路热脉冲，形式为tth秒的热稳定电流为Ith，又称额定短时耐受时间tsw内的额定短时耐受电流Isw 。短路前设备温度默认为长期允许工作温度。 于是，设备的热稳定校验公式为：,32,2）导体的热稳定性校验,式中，kmax为导体短路最高允许温度，N为短路前导体工作温度，按最不利情况考虑为Nmax。于是，不等式右侧为常量，左侧短路热脉冲也为常量。不等式能否
14、成立，取决于导体截面积是否足够大。因此，导体热稳定校验的工程方法为校验导体截面积，即：,称C为热稳定系数，取决于导体和绝缘，可查表。,按前面推导，有：,33,思考性小结。 1、电器选择基本原则与一般方法有对应关系。你能否明确表述这些对应关系？ 2、短路动、热稳定性校验为什么分“电器”和“导体”而采用不同的方法？（技术原理与工程方法之间的异同，对“工程体系”的体会） 3、既然电器的动稳定性校验直接用短路电流峰值ip，那么短路热稳定性校验为什么不直接用短路电流最大有效值Ip，而要用热脉冲？（多因素关联性的分析理解）,34,7.3 配电断路器选择,7.3.1 开关电器的电弧与灭弧 1、电弧的产生与维
15、持,35,2、电弧的熄灭与重燃 游离 去游离电弧产生 游离 = 去游离电弧维持 游离 去游离电弧熄灭 去游离：弧柱中带电粒子不断减少的过程，主要有复合和扩散两种途径。 介质的燃弧与熄弧电压。前者总是大于后者。 近极效应：弧电流过零后的0.11s内，近阴极介质绝缘强度急剧上升到150250V。,36,电弧在电流过零时熄灭，此时断口外加电压（称为恢复电压）不为零，电弧熄灭后还可能重燃。 熄弧后弧隙介质的绝缘强度有一个恢复过程，其恢复速率应大于恢复电压的上升速率，否则介质可能被击穿导致电弧重燃。这是电弧重燃的电击穿理论。 熄弧后弧隙或许并非绝缘介质，还有一定的导电性，电弧虽熄灭但电流仍存在，继续向弧
16、隙提供热量，如果该热量大于散失热量，则弧隙温度升高，热游离加大，电弧可能重燃。这是电弧重燃的电击穿理论。,37,3、开关电器的灭弧方法,电动力吹弧,磁力吹弧 1-磁吹线圈； 2-灭弧触头； 3-电弧,1）吹弧灭弧 拉长、冷却电弧，增强去游离。,吹弧方式（1-电弧； 2-触头） a)横吹 b)纵吹,38,2）短弧及多断口灭弧 主要利用近极效应，每段短弧都有150250V恢复强度。,绝缘灭弧栅对电弧的作用 （1-绝缘灭弧片； 2-电弧 ；3-触头）,金属灭弧栅对电弧的作用 （1-钢栅片 ；2-电弧； 3-触头）,3）狭缝灭弧 拉长、冷却电弧；电弧分解栅片产生气体吹弧。,39,7.3.2 断路器简介 （1）功能。开关电器。能承载负荷电流和规定的短路电流；能开合负荷电流，开断短路电流。 （2）分类。 按开关的对象分：发电机用、输电用、配电用
