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1、电气工程基础第 44 章 发电厂变电站的主设备44.1 高压断路器44.1.1 高压断路器中电弧的产生与熄灭用开关电器切断通有电流的电路时，只要电源电压大于 1020V，电流大于 80100mA，在开关电器的动、静触头分离瞬间，触头间就会出现电弧。此时，触头虽已分开，但电路中的电流还在继续流通。只有电弧熄灭，电路才被真正断开。1. 电弧的产生、维持与熄灭电弧的产生阴极发射电子热电子发射强电场电子发射碰撞游离电弧的维持热游离去游离电弧的熄灭若游离过程大于去游离过程，则电弧继续燃烧；若去游离过程大于游离过程，则电弧逐渐熄灭。2. 交流电弧的熄灭(0) 交流电弧的特性电弧温度随时间变化电弧电流数值随
2、时间变动，电弧的功率也随电弧电流变动。电弧功率增大时，电弧的温度增加；反过来，当电弧功率减小时，电弧的温度降低。电弧有热惯性电弧的温度跟不上电流的变化，存在一个滞后过程。交流电弧每半周自动熄灭一次随着交流电流的周期性变化，电弧电流每隔半周过零一次。在电弧电流自然过零前后，电源向弧隙输送的能量较少，电弧温度和热游离下降，而去游离作用继续进行，电弧将自然熄灭。d UdE(-)动触头(+)静触头 m/V1036ud0 t油空气SF6真空油空气SF6真空(1) 交流电弧的熄灭条件在交流电流过零时，电弧将自动熄灭，但不等于最终熄灭。在交流电弧自动熄灭后，弧隙中存在两个恢复过程：弧隙介质强度恢复过程弧隙电
3、压恢复过程1) 弧隙介质强度恢复过程含义：弧隙中介质强度恢复到绝缘的正常状态的过程。以能耐受的电压 ud(t)表示。影响因素：主要是断路器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质。真空断路器和 SF6 断路器灭弧性能较好。2) 弧隙电压恢复过程含义：弧隙电压由熄弧电压逐渐恢复到电源电压的过程。以 ur(t)表示。影响因素：线路参数、负荷性质等。对不同的线路参数，弧隙电压恢复过程可能是周期性的变化过程或非周期性的变化过程。综上所述，在电弧自然熄灭后，弧隙中同时存在着两个恢复过程，即弧隙电压恢复过程 ur(t) 和介质强度恢复过程 ud(t) 。 如果弧隙电压高于介质强度耐受电压，则弧隙就被击穿，电弧重燃。
4、如果弧隙电压低于介质强度耐受电压，则电弧不再重燃，即最终熄灭。可见，断路器开断交流电路时，电弧熄灭的条件应为(2) 高压断路器熄灭交流电弧的基本方法1) 利用灭弧介质a) 不同灭弧介质具有不同的传热能力、介电能力、热游离温度和热容量。b) 这些参数数值越大，去游离作用就越强，电弧就越容易熄灭。ur0tusrutrutrusr瞬态恢复电压工频恢复电压)(r)(dttu ur0 tusrutr2) 采用特殊金属材料作灭弧触头a) 采用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属作触头材料。b) 如采用铜、钨合金和银、钨合金等。3) 利用气体或油吹动电弧a) 吹弧利于冷却而使复合加强、带电离子的扩散。4)
5、 采用多断口熄弧a) 电弧被拉长，触头分离速度加快，断口电压降低。5) 拉长电弧并增大断路器触头的分离速度44.1.2 弧隙电压恢复过程分析微分方程微分方程的通解：弧隙电压恢复过程是非周期性的。恢复电压最大值不会超过 U0。弧隙电压恢复过程是周期性振荡过程。恢复电压最大值可达 2U0。弧隙电压恢复过程仍是非周期性的。恢复电压最大值不会超过 U0。临界并联电阻为：当 r rcr时，电压恢复过程为周期性。44.1.3 不同短路形式对断路器开断能力的影响G TQFkkR LrQFG CU0uri12iCrrutCiLiRUC0d0CC2C1dUurRtrLRtLttecrUu210C LCrRrLR
6、14122,1 为 实 根 。、时 ，） 当 21241LCR为 虚 根 。、时 ，） 当212142r为 实 数 重 根 。、时 ，） 当 212143LCrR2cr 开断单相短路电路当电流过零时，工频恢复电压的瞬时值 U0 = Umsin通常短路时， 角接近 90，所以 U0 = Umsin = Um 开断中性点不直接接地系统中的三相短路电路首先开断相：电弧电流先过零，电弧先熄灭。在 A 相熄弧后，经过 0.005s( 90)，B、C 两相电流同时过零，电弧同时熄灭。每个断口电压为 0.5UBC=0.866UB(UC)。结论：首先开断相的恢复电压最大，为 1.5 倍的相电压；后续开断相的燃
7、弧时间比首先开断相延长 0.005s 开断中性点直接接地系统中的三相接地短路电路三相接地短路：当零序阻抗与正序阻抗之比不大于 3 时，首先开断相恢复电压的工频分量为相电压的 1.3 倍；第二开断相恢复电压的工频分量为相电压的 1.25 倍；最后开断相恢复电压的工频分量为相电压。三相直接短路：各相工频恢复电压与中性点不直接接地系统中的三相短路分析结果相同，即首先开断相恢复电压的工频分量为相电压的 1.5 倍。 开断两相短路电路中性点直接接地系统：工频恢复电压可达相电压的 1.3 倍。其余情况：工频恢复电压为相电压的 0.866 倍小结：影响工频恢复电压的因素：中性点接地方式短路故障类型三相开断顺
8、序首先开断相的工频恢复电压最大值：aQFAbXLAXLBIXLO C kQFBQFCOABCAOab 5.12U AUBCBC21O sm1m32UKK1首先开断相开断系数； Usm电网最高运行电压。44.1.4 熄灭电弧及降低断口恢复电压上升速度的措施 断路器加装并联电阻 作用：a) 改变恢复电压的恢复特性；b)使电弧电流被分流。 问题：电弧熄灭后还有短路电流流通。 措施：增加辅助触头。 断路器加装并联电容问题：多断口断路器，断口电压分配不均匀，影响断路器的灭弧能力。并联电容后：44.2 电流互感器44.2.1 电磁式电流互感器的特点1Q21主触头2Q辅助触头r1Q2rUU12QC00Q12
9、C 0Q2UCU21)(2)(2Q0Q1 C)()(02电流互感器的特点：1）一次绕组串联在电路中，并且匝数很少；故一次绕组中的电流完全取决于被测电路的负荷电流，而与二次电流大小无关；2）电流互感器二次绕组所接仪表的电流线圈阻抗很小，所以正常情况下，电流互感器在近于短路的状态下运行。44.2.2 电流互感器的误差1、电流误差（又称比差）电流互感器实际测量出来的电流 K2 与实际一次电流1 之差，占1 的百分数，即2、角误差（角差）旋转 1800 的二次电流与一次电流之间的夹角。规定二次电流负相量超前于一次电流相量时，角误差 为正，反之角误差 为负。44.2.3 额定容量(1)电流互感器的准确值
10、 所谓额定准确限值一次电流即一次电流为额定一次电流的倍数，也称为额定准确限值系数。例如 10P20 表示准确级为 10P，准确限值系数为 20。这一准确级电流互感器在 20 倍额定电流下，电流互感器负荷误差不大于 10%。电流互感器的 10%误差曲线：当一次电流为 n 倍一次额定电流时，电流误差达-10% ，n= 1/1N 称为10%倍数。 10%倍数与互感器二次允许最大负荷阻抗 Z21 的关系曲线为 n=f(Z21)，便叫做电流互感器的10%误差曲线。（2）电流互感器的额定容量 SN2 系指电流互感器在额定二次电流 N2 和额定二次阻抗 ZN2 下运行时，二次绕组输出的功率 SN2= 2N2
11、ZN2。由于电流互感器的额定二次电流为标准值，也为了便于计算，有的厂家提供电流互感器的值。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。例如：LMZ1-10-3000/5 型互感器在 0.5 级下工作时，Z N2=1.6(相应容量为 40VA)在 1 级工作时, ZN2=2.4(相应容量为 60VA)。44.2.4 电流互感器在使用中应注意的事项1电流互感器的接线应保证正确性。一次绕组和被测电路串联，而二次绕组和连接的所有测量仪表、继电保护装置或自动装置的电流线圈串联，同时要注意极性的正确性，一次绕组与二次绕组之间应为减极性关系，一次电流若从同名端
12、流入，则二次电流应从同名端流出。 2电流互感器二次侧所接负载是测量仪表、继电器的电流线圈等，它们匝数少、阻抗小，通过的电流%12IKfii非常大，因此电流互感器在正常运行状态下近似于短路状态。 3电流互感器的二次绕组绝对不允许开路。这是因为电流互感器正常工作时，二次电流有去磁作用，使合成磁势很小。当二次绕组开路时，二次电流的去磁作用消失，一次电流将全部用来激磁，这时，将在二次侧产生超过正常值几十倍的磁通，结果会使铁芯过热而损坏互感器。同时，由于铁芯中磁通的急剧增加，在二次绕组上产生过电压，可能达到数百甚至数千伏，将危及人身和设备安全。因此，为了防止二次绕组开路，规定在二次回路中不准装熔断器等开
13、关电器。如果在运行中必须拆除测量仪表或继电器及其他工作时，应首先将二次绕组短路。 4电流互感器的二次侧必须可靠接地，但接地点只允许有一个。这是为了防止一、二次绕组之间绝缘损坏或击穿时，一次高电压窜入二次回路，危及人身和设备安全44.2.5 电流互感器的接线（a）两相星形接线 （b）两相电流差接线 （c）三相星形接1两相星形接线：如图（a）所示。两相星形接线又称不完全星形接线，这种接线只用两组电流互感器，一般测量两相的电流，但通过公共导线，也可测第三相的电流。主要适用于小接地电流的三相三线制系统，在发电厂、变电所 610kv 馈线回路中，也常用来测量和监视三相系统的运行状况。 2两相电流差接线
14、如图（b）所示。两相电流差接线也称为两相交叉接线。这种接线很少用于测量回路，主要应用于中性点不直接接地系统的保护回路。 3三相星形接线 如图（c）所示。三相星形接线又称完全星形接线，它是由三只完全相同的电流互感器构成。由于每相都有电流流过，当三相负载不平衡时，公共线中就有电流流过，此时,公共线是不能断开的，否则就会产生计量误差。这种接线方式适用于高压大接地电流系统、发电机二次回路、低压三相四线制电路。 44.2.6 电流互感器在主接线中的配置(1）每条支路的电源侧均装设足够数量的电流互感器，供该支路测量、保护使用。此原则同于开关电器的配置原则，因此有断路器与电流互感器紧邻布置。配置的电流互感器
15、应满足下列要求：1）一般应将保护与测量用的电流互感器分开；2）尽可能将电能计量仪表互感器与一般测量用互感器分开，前者必须使用 0.5 级互感器，并应使正常工作电流在电流互感器额定电流的 2/3 左右；3）保护用互感器的安装位置应尽量扩大保护范围，尽量消除主保护的不保护区；4）大接地电流系统一般三相配置以反应单相接地故障；小电流接地系统发电机、变压器支路也应三相配置以便监视不对称程度，其余支路一般配置于 A、C 相。（2）为了减轻内部故障时发电机的损伤，用于自动调节励磁装置的电流互感器应布置在发电机定子绕组的出线侧。为了便于分析和在发电机并入系统前发现内部故障，用于测量仪表的宜装在发电机中性点侧
16、。（3）配备差动保护的元件，应在元件各端口配置电流互感器，当各端口属于同一电压级时，互感器变比应相同，接线方式相同。Y，d11 接线组别变压器的差动保护互感器接线应分别为三角形与星形。（4）为了防止支持式电流互感器套管闪络造成母线故障，电流互感器通常布置在断路器的出线或变压器侧。44.3. 电压互感器44.3.1 电压互感器的误差与准确级由于电压互感器存在励磁电流和内阻抗 ，因此电压互感器测量结果呈现误差，通常用电压误差（又称比值差）和角误差（又称相角差）表示。 （1）电压误差： 电压误差为二次电压的测量值乘额定互感比所得一次电压的近似值（U 2kn）与实际一次电压 U1 之差，而以后者的百分数表示 ，即（2）角误差角误差为旋转 1
