《风电场电气系统 教学课件 ppt 作者 朱永强 张旭主编 风电场第3章2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《风电场电气系统 教学课件 ppt 作者 朱永强 张旭主编 风电场第3章2（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、风电场电气系统,第3讲 风电场主要一次设备2,制作：朱永强，张旭，申惠琪,华北电力大学,教学目标 基本掌握断路器和隔离开关的结构和工作原理， 识记断路器的型式和参数等， 对风电场的断路器和隔离开关的功能、结构、外观有具体认知,第3章 风电场主要一次设备2,关注的问题 关于电弧的基本知识有哪些？ 各种开关设备的结构是怎样的？其作用又是什么？,3.3 开关设备,在电力系统生产运行中，电气设备的相互联系及生产方式的转换，由开关电器的分合来实现。开关电器的分合实现了电路的有选择接通和断开。,闸刀开关的原理非常简单：当闸刀落下时，将两侧导体连接为一个导体，接通电路；当闸刀打开后，两侧导体不再有电路联系，
2、相互绝缘。闸刀开关所要达成的目的即通过其自身“导体绝缘体”的转换来分合电路。,电力系统中的高压开关电器要复杂的多常。用的开关电器有断路器、隔离开关、熔断器和接触器，它们的功能各不相同。,3.3.1 电弧的基本知识 3.3.1.1电弧的本质和特性 开关电器开断电流时候，只要电路中的电流达到几百毫安，电压有几十伏，开关的触头间就会出现电弧 电弧是导电体，只有电弧熄灭才能实现电路的开断。,电弧是一种气体放电现象，是一种等离子体状态，即带正电荷和负电荷的粒子数量相等的离子集团状态。随着温度的升高能量的输入，物质可以实现由固态、液态、气态和等离子状态的顺序转换。,可见，金属与等离子体有相似之处。,3.3
3、.1.1电弧的本质和特性 开关分合过程中所产生的电弧，对于开关电器以及整个系统的安全运行都具有重要影响。这主要是因为： 1、电弧是强功率放电，在电弧区的任何固体、液体或气体在电弧作用下都会产生强烈的物理及化学变化。 2、电弧是一种自持放电，很低的电压就能维持相当长的电弧稳定燃烧。 3、电弧是等离子体，质量很轻，极容易变形。,3.3.1.2电弧的物理过程 在电弧的形成与维持过程中，游离起了很重要的作用。所谓游离，即中性质点到带电质点的转化。 电弧通常可以分为三个区域：阴极区、弧柱区和阳极区,在阴极区、弧柱区及阳极区游离过程中产生了带电质点，并使其产生定向移动。电弧的电位和电位梯度分布，如下图,3
4、.3.1.2电弧的物理过程 电弧中的电流从微观上看是电子及正离子在电场下移动的结果，其中电子的移动构成电流的主要部分。 从电弧半径方向看，电弧中心温度最高，弧柱周围发光较暗的区域称为弧焰，其中电流密度很小。,3.3.1.2电弧的物理过程 （1）阴极区： 阴极的作用是发射大量电子，在电场作用下趋向阳极方向从而构成阴极区的电流。,3.3.1.2电弧的物理过程 （2）弧柱区： 弧柱部分导电需要在弧柱区域也能出现大量自由电子，这就要使弧柱区的气体原子游离。气体原子游离的方式通常有电场游离和热游离两种。 弧柱中的电子在电场作用下运动，不断与气体原子等粒子碰撞。当电子的动能超过原子的游离能 ，则可以使束缚
5、在原子周围的电子释放出来，形成自由电子和正离子。这种现象称为电场游离。 在弧柱中温度很高，粒子动能很大，其互相之间不断碰撞即可使原子游离，从而产生大量的自由电子。电弧导电的主要原因就在于热游离。 去游离包括复合和扩散两种方式。,3.3.1.2电弧的物理过程 （3）阳极区： 阳极的作用通常不像阴极那样重要。根据阳极作用的不同，可把阳极分为被动型和主动型两种。 在被动型中，阳极只起收集电子的作用。 在主动型中，阳极不但收集电子而且产生金属蒸汽，因而也可以向弧柱提供带电粒子。 对于长度只有几个毫米的电弧，电弧电压主要由阴极区压降和阳极区压降组成，其中的物理过程对电弧起主要作用，这种电弧称为短弧。真空
6、电弧一般属于短弧。 而对于长度较大的电弧，弧柱则起主要作用，这种电弧称为长弧。,3.3.1.3交流电弧的熄灭 交流电弧的熄灭主要有以下三种情况： 强迫熄弧 因电弧电压很高，电源电压不能维持，电弧电流很快被减小到零而熄灭。 截流开断 在此情况下，电弧因不稳定而熄灭。 过零熄弧 在这种情况下，电弧是在电流零点时熄灭的。这种熄弧过程称为过零熄弧。,3.3.1.3交流电弧的熄灭 如电流过零后，弧隙未复燃，电弧就最后熄灭；反之，如发生复燃，则电弧在电流此次过零时不能熄灭，至少需燃烧至电弧电流下次过零时再熄灭。 弧隙是否复燃决定于两方面：一是弧隙的介质强度，另一是加在弧隙上的电压，通常称为恢复电压。 介质
7、强度和恢复电压都是时间t的函数，通常称为介质强度恢复过程和电压恢复过程。 介质恢复过程取决于电流及断路性能，电压恢复过程主要决定于电网的结构和参数,3.3.1.3交流电弧的熄灭 显然，在电弧电流过零后电弧是最终熄灭还是复燃决定于介质强度ud和恢复电压utr 交流电弧过零熄灭的条件如下：,3.3.1.3交流电弧的熄灭 一般把介质恢复过程分为热击穿阶段和电击穿阶段 热击穿阶段 在开断大电流时，电弧电流过零后，弧隙的介质温度仍很高，弧隙仍有一定的电导率。当恢复电压加在弧隙上时，弧隙中即有一小电流流过。此时在弧隙中同时进行着两个过程：一方面电源供给弧隙以能量；另一方面弧隙又将能量传给周围介质。如果电源
8、供给弧隙的能量超出传出的能量，弧隙温度将不断上升，最后导致击穿，这称为热击穿 电击穿阶段 当弧隙温度降低热游离基本停止时，弧隙转变为介质。在此阶段中，如发生复燃，则与气体介质击穿过程相似。,3.3.2 断路器 断路器是电力系统不可缺少的主要控制、保护设备，是电力系统中最重要的开关电器，其作用为切断电路。 为了可以熄灭电路分合时所产生的电弧，断路器都装设有灭弧装置 常用的断路器类型有：油断路器、真空断路器和SF6断路器等,3.3.2.1油断路器 油断路器的触头浸在油中，触头分合时电弧能量中除一小部分通过传导、辐射等方式向四周散出外，大部分能量使四周的油蒸发和分解，在电弧周围形成气泡。 气泡体积受
9、到周围油的惯性力和油箱壁的限制，气泡压力是比较高的，因此电弧是处在压力较高、导热性很好的气体包围之中，使电流过零后弧隙介质强度恢复很快，电弧容易熄灭。 利用电弧自身能量熄灭电弧的方法称为自能式灭弧。利用其它能量熄灭电弧的方法称为外能式灭弧。绝大多数油断路器都采用自能式灭弧，如多油断路器 按照绝缘结构的不同，油断路器可分为多油断路器和少油断路器两种,3.3.2.1油断路器 多油断路器 多油断路器的触头系统放置在装有变压器油的由钢板焊成的油中，油箱是接地的。 多油断路器的导电部分多做成“U”形，每相至少有两个断口。,1绝缘套管； 2电流互感器； 3变压器油； 4静触头和灭弧室； 5油箱； 6横梁（
10、动触头）； 7箱盖；,电压等级的多油断路器，每相各有一个油箱，称为分箱式结构 有些电压等级较低的多油断路器，三相共用一个油箱，称为共箱式结构。,3.3.2.1油断路器 多油断路器内部带有电流互感器，配套性强；在户外使用时，不易受大气条件的影响。,多油断路器的缺点是 油量多，钢材消耗也 多。油量太多不仅给检修断路器带来困难，而且增加了爆炸和火灾的危险性。,3.3.2.1油断路器 少油断路器 少油断路器中，变压器油用来熄灭电弧和作为触头间的绝缘介质，但不作为对地绝缘。 按使用地点的不同，少油断路器可分为户内式与户外式两种。 户外式少油断路器如图：,绝缘筒1通过支持瓷瓶3安装于基座4上，5为接线端子
11、，2为断路器操作机构。大部分110kV少油断路器都采用这种结构，灭弧室装在绝缘筒内。 一般高电压等级的少油断路器的结构是细而高，结构稳定性较差，不宜在强烈地震地区使用。,3.3.2.2真空断路器 利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器称为真空断路器，真空断路器中的电弧和气体电弧有明显的不同。 （1）真空的概念 真空一般指的是气体稀薄的空间。真空的程度以气体的绝对压力值来表示，压力越低称之真空度越高。凡是绝对压力低于正常大气压力的状态都可称为真空状态。绝对压力等于零的空间称为绝对真空，才是真正的真空或理想真空。 真空的程度以气体的绝对压力值来表示，压力越低称之真空度越高。,3.3.2.2真空
12、断路器 真空包括的范围很广，为方便起见常将它划分为几个区域。 我国划分的区域为如下表所示。,真空灭弧室的真空度为1.3310-2Pa1.3310-5Pa，属于高真空范畴。,3.3.2.2真空断路器 （2）真空间隙击穿与真空电弧 真空间隙的击穿不是由于间隙中气体分子的碰撞游离所引起，而主要由电极现象决定。 电极表面在强电场作用下会产生电子发射。随着电极表面温度和外加电场强度的增大，电极表面电子发射的电流密度也增大。当电流密度达到某一临界值时，真空间隙就被击穿了，这被称为场致发射击穿机理。 电极表面不可避免地总会粘有一些微粒质点，它们在电场作用下会附着电荷运动，具有动能。在与另一电极碰撞时，动能转
13、变为热能，使微粒本身熔化和蒸发，蒸发产生的金属蒸汽又会与场致发射的电子产生碰撞游离，最终导致间隙的击穿, 这被称为微粒击穿机理。,3.3.2.2真空断路器 维持真空电弧的是金属蒸汽而不是气体分子，真空电弧实为金属蒸汽电弧。 真空电弧的电弧电压也由阴极压降、弧柱（等离子区）压降和阳极压降三部分组成。 真空电弧的长度很短，对电弧电压起主要作用的是阴极和阳极压降。 电弧电压随电流增大而增加，具有正的伏安特性。,3.3.2.2真空断路器 （3）真空断路器的基本结构 真空断路器的结构与其它断路器大致相同，主要由操动机构、支撑用的绝缘子和真空灭弧室组成。,真空灭弧室的外壳由玻璃或陶瓷制成，动触头运动时的密
14、封靠波纹管。 动、静触头的外周装有屏蔽罩,3.3.2.2真空断路器 （4）真空断路器的特点 真空断路器的特点： 真空断路器的机械寿命和电气寿命都很高。通常机械寿命和开合负载电流的寿命都可达到一万次以上。 真空灭弧室密封问题特别重要，否则就会导致开断失败，造成事故 真空灭弧室工作状态与外界大气条件无关，不会在开断短路电流时产生喷油、排气给外界带来污染，无须检修；开断过程中不会产生很高的压力，爆炸危险性小；开断短路电流时也没有很大的噪声,3.3.2.3 SF6断路器 （1）SF6气体简介 六氟化硫（SF6）是目前高压电器中使用的性能最优良的灭弧和绝缘介质。 SF6常以液态保存于钢瓶中，使用时减压放
15、出呈气态冲入电气设备内。 无色、无味、无毒，不会燃烧，化学性能稳定，常温下和其他材料不会发生化学反应。但在电弧的高温作用下，SF6的分解物SF4、S2F2、SF2、SOF2、SO2F2、SOF4、HF等都具有强烈的腐蚀性和毒性。安装有SF6电器的场所应装设合适的通风设备。,3.3.2.3 SF6断路器 SF6气体中的水分必须控制在一定的限度内，否则对设备运行带来危害。 SF6具有优良的灭弧性能，主要是由于：SF6电弧具有高温弧芯和低温弧焰，其电弧电压梯度小，功率低，对于熄灭电弧有利。电弧即使在电流很小时依然可以维持弧芯的导电状态，电流过零时弧柱残余体积小，能量小，有利于弧隙绝缘强度的恢复。 由
16、于SF6气体绝缘性能好，SF6断路器中动静触头间的距离不必很大，降低了上游部分电弧长度和电弧能,3.3.2.3 SF6断路器 （2）SF6断路器基本类型 按照结构不同，SF6断路器可分为瓷柱式与罐式两种。,罐式断路器的灭弧室安装在与地电位相连的金属罐体内。高电压下，每相需要将多个灭弧室串联装在同一罐体内。,瓷柱式断路器的灭弧室装在绝缘支柱上，通过串联灭弧室，并将它们安装在适当高度的绝缘支柱上，便可获得任意的电压额定值。,3.3.2.3 SF6断路器 按照灭弧方式的不同，SF6断路器又分为：双压式SF6断路器、压气式SF6断路器、自能式自吹SF6断路器和旋弧式SF6断路器等。,3.3.2.3 SF6断路器 压气式断路器,正常状态下，所有触头都是闭合的，电流通过主触头和压气缸从上载流部分向下载流部分传导。,在断开过程中， 主管道的活动部分、形成电弧的静触头、压气缸和喷嘴都被拉向断开状态。,在闭合过程中，充气阀会打开使得SF6气体能注入吹气室。,3.3.2.3 SF6断路器 自能自吹式SF6断路器
