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供电所讲义3
供电所的电气设备讲义(3)
三、高压开关设备
1、高压断路器
(1)高压断路器的用途
高压断路器在正常运行时接通或切断负荷电流;在电力系统发生短路故障或严重过负荷时,借助继电保护装置自动、迅速切断故障电流,防止扩大事故范围;同时高压断路器又能完成自动重合闸任务,以提高供电的可靠性。
因此,要求高压断路器必须具有很完善的灭弧装置和快速动作的特性。
(2)高压断路器的型号含义
(3)高压断路器的主要技术参数
①额定电压
额定电压是指其导电和载流部分长期工作允许承受的(线)电压等级。
考虑到电网在实际运行中电压有可能略高于额定电压,因此断路器允许长期承受的最高工作电压高于额定电压值的10%~15%。
同时,按电网可能出现的短时过电压倍数,断路器的绝缘也具有对应的承受过电压的能力
断路器的额定电压等级与电网的额定电压等级是一致的。
目前国家标准规定断路器的额定电压有3,6,35,110,220,330和500KV等。
②额定电流
额定电流是指在规定环境温度下,当断路器的绝缘和载流部分不超过长期工作的最高允许温度时,断路器允许通过的最大电流值。
国家标准规定,断路器的额定电流有200,400,630,1000,1600,2000,2500,4000,5000,6300,8000,10000,12500,16000,2000各级。
③额定开断电流
额定开断电流是指断路器工作在电网额定电压下所能开断的最大的短路电流的有效值。
(有时也可用额定开断容量表示,额定开断容量定义为额定电压与额定开断电流的乘积)。
④额定峰值耐受电流(额定动稳定电流)
额定耐受峰值电流是表明断路器的机械结构能承受短路电流电动力冲击的能力,即断路器在闭合状态下时能通过的保证机械部分不变形及损坏的最大短路电流(峰值)。
⑤.额定短时耐受电流(额定热稳定电流)
额定短时耐受电流是表明断路器通过短路电流时承受短时发热的能力,额定短时耐受电流值应等于额定短路开断电流值。
⑥额定短路持续时间(额定热稳定时间)
当额定短时耐受电流通过断路器的时间为额定短路持续时间时,断路器的各部分温度不超过短时允许发热的最高温度。
⑦分闸时间
断路器分闸时间指从断路器跳闸控制回路接受分闸信号瞬间起,到断路器各极触头间的电弧完全熄灭为止所经过的时间。
它包括固有分闸时间和燃弧时间。
⑧合闸时间
断路器的合闸时间指从断路器的合闸控制回路接受合闸信号到主触头全部接通电路所经过的时间。
(4)高压断路器的分类
高压断路器一般按下列方法分类:
①按断路器的安装地点可分为:
户内式和户外式两种
②按断路器的灭弧介质及作用原理可分为:
油断路器(多油式和少油式),压缩空气断路器,真空断路器,SF6(六氟化硫)断路器,磁吹断路器等。
与之配套使用的操动机构的类型,按断路器操作合闸作功方式可划分有:
电磁机构,气动机构,液压机构,弹簧机构等。
目前城乡配电装置中应用比较多的是少油断路器、真空断路器、SF6(六氟化硫)断路器。
(5)常用断路器的灭弧原理
①少油断路器
少油断路器以变压器油作为灭弧介质及动、静触头之间的绝缘。
而用空气、陶瓷或有机绝缘材料作为相与相之间或相与地之间的绝缘。
因此,少油断路器油量少、体积小、耗用钢材,价格便宜。
目前在我国10~220KV电力系统中得到广泛应用。
其灭弧原理是少油断路器在油中开断电流时,触头间将产生电弧。
高温电弧使油急速蒸发和分解。
于是电弧便在油蒸汽和油分解的气体气泡中燃烧。
油分解的气体中氢气约占70%~80%,而且氢气的热导率非常高,并有很强的扩散作用。
氢气和其他冷热气体对弧道产生强烈的冷却和去游离作用,特别是当电流经过零值瞬间,这种作用更加强烈,有利于熄灭电弧。
断路器通常采用绝缘材料制成灭弧室,电弧在灭弧室中燃烧,利用灭弧室内升高的压力(可达几十兆帕)使油一方面流动,一方面与电弧接触,则灭弧效果更好。
②六氟化硫断路器
六氟化硫断路器采用SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质,SF6气体具有良好的绝缘性能和灭弧能力,因此在断路器中的应用得到迅速发展。
SF6断路器的类型按灭弧方式分,有单压式和双压式;按触头工作方式可分为定开距式和变开距式;按总体结构分,有落地罐式和瓷瓶支柱式。
灭弧原理:
单压式SF6断路器只有一种压力较低的压力系统,既只有0.3~0.6MPa压力(表压)的SF6气体作为断路器的内绝缘。
在断路器开断的过程中,由动触头带动压力活塞或压气罩,利用压缩气流吹熄电弧。
分闸完毕,压气作用停止,分离的动静触头处在低压的SF6气体中
双压式SF6断路器内部有高压区和低压区,低压区0.3~0.5Mpa的SF6气体作为断路器的主绝缘。
在分闸过程中,排气阀开启,利用高压区约1.5MPa的气体吹熄电弧。
分闸完毕,动、静触头处于低压气体中或高压气体中。
高压区喷向低压区的气体,再经气体循环系统和压缩机抽回高压区。
目前我国生产的SF6断路器采用单压式;并且触头多采用变开距结构
③真空断路器
真空断路器是利用真空(真空度为10-4mm汞柱以下)具有良好的绝缘性能和耐弧性能等特点,将断路器触头部分安装在真空的外壳内而制成的断路器。
真空断路器具有体积小、重量轻、噪音小、易安装、维护方便等优点。
尤其适用于频繁操作的电路中。
真空灭弧室中电弧的点燃是由于真空断路器刚分瞬间,触头表面蒸发金属蒸汽,并被游离而形成电弧造成的。
真空灭弧室中电弧弧柱压差很大,质量密度差也很大,因而弧柱的金属蒸汽(带电质点)将迅速向触头外扩散,加剧了去游离作用,加上电弧弧柱被拉长、拉细,从而得到更好的冷却,电弧迅速熄灭,介质绝缘强度很快得到恢复,从而阻止电弧在交流电流自然过零后重燃。
2、高压隔离开关
(1)高压隔离开关的用途
隔离开关是一种没有专门灭弧装置的开关设备,在分闸状态有明显可见的断口,在合闸状态能可靠地通过正常工作电流和短路电流。
隔离开关的主要用途如下:
①检修设备隔离高压电源
用隔离开关断口的可靠绝缘能力,将需要检修的设备与带电部分相互隔离。
②倒换母线
在断口两端接近等电位的条件下,带负荷进行分闸、合闸;变换双母线或其他不长的并联线路的接线方式。
③合空载电路
利用隔离开关断口在分开时将电弧拉长和空气的自然熄弧能力,分、合一定长度的母线、空载电缆或架空线路的电容电流(不超过5A),一定容量的变压器的空载励磁电流(不超过2A),以及分、合电压互感器,避雷器和消弧线圈等回路。
(2)高压隔离开关的主要技术参数
隔离开关的主要技术参数有:
额定电压、额定电流、额定峰值耐受电流(额定动稳定电流)、额定短时耐受电流(额定热稳定电流)、额定短时持续时间(额定热稳定时间)等。
各参数的意义及额定等级与高压路器的主要技术参数相同。
(3)高压隔离开关的型号含义
3、高压负荷开关
(1)高压负荷开关的用途
负荷开关是专门用于接通和断开负荷电流的开关设备;当装有脱扣器时,在过负荷情况下也能自动跳闸。
但负荷开关仅具有简单的灭弧装置,所以不能切断短路电流。
在大多数情况下,负荷开关与高压熔断器(一般为RN1型)串联组合使用,由熔断器切断过载及短路电流,负荷开关接通和断开负荷电流。
负荷开关用于35kv及以下功率较小和对保护性能要求不高的场所。
(2)高压负荷开关的型号含义
4、高压熔断器
(1)高压熔断器的用途
高压熔断器是6-35kv电力系统小容量电路中常用的保护电器。
它由熔体、支持触头和保护外壳三部分组成。
串接于电路中,主电路发生过负荷或短路故障时,故障电流超过熔体的额定电流,熔体被迅速加热熔断,切断故障电流。
在不太重要而又允许较长时间停电的线路中,高压熔断器和隔离开关或负荷开关配合使用可代替价格高的断路器。
跌落式熔断器不仅能保护电气装置,在一定条件下还能断开和接通空载的架空线路、变压器和小负荷电流。
具有重合闸功能的跌落式熔断器还可以缩短停电时间、提高供电可靠性。
(2)高压熔断器的分类及特点
其分类一般如下表所示。
分类方式
分类名称
性能
限流式、非限流式
保护范围
一般、后备、全范围
熄弧方式
角壮式(大气中熄弧)、石英砂填料、喷射式、真空等
安装场所
户外、户内
保护对象
变压器、电动机、电压互感器、单台并联电容器、电容器组、电容器组、供电回路等
结构
型式
插入式、母线式、跌落式、非跌落式、混合式等
极数
单极、三级
底座绝缘子
单柱、双柱
①限流式熔断器
限流指的是限制短路电流。
我们知道,从电路短路瞬间开始到短路电流达到最大值是需要一定时间的。
限流式熔断器熔体装在充满石英砂的密封磁管内,当短路电流通过熔件使其熔断时,电弧产生在石英砂的填料中,受到石英砂颗料间狭沟的限制,弧柱直径很小,同时电弧还受到很多的气体压力作用和石英砂对它的强烈冷却,所以限流式熔断器灭弧能力强,在短路电流未在到最大值时,就将电弧很快熄灭,因而可限制短路电流的发展,大大减轻了电气设备所受危害的程度,降低了对被保护设备动、热稳定性的要求。
因它在开断电路时无游离气体排出,所以在户内配电装置中广泛采用。
限流式熔断器主要产品有国产RN1、RN2、RN3、RN5、RN6、RW9-35、以及引进国外技术生产的产品XRNT-10型(户内变压器保护用)。
RN1及RN3供6-35kv高压线路及设备的过载与短路保护用,RN5及RN6型是以RN1及NR2型为基础,仅在外形上进行改进而成。
RN2用来保护户内式电压互感器;RW9-35用来保护户外式电压互感器。
②跌落式熔断器
跌落式熔断器,当主线路发生故障时,大电流使熔体熔断后熔管绕轴跌落,造成明显可见断口。
跌落式熔断器的灭弧原理是靠消弧管产气吹弧和迅速拉长电弧而熄灭。
切断电流时,没有限流作用,不会截流,过电压较低。
可用于输电线路及户外315kvA及以下容量电力变压器的高压侧作短路和过负荷保护。
在一定条件下可以分断与关合空载架空线路,空载变压器和小负荷电流。
跌落式熔断器分单次式和重合式两种。
单次式只一根熔器;重合式有两根熔管(RW3-10Z),平时只有一根工作管接于电路上,当有短路故障时,工作熔管跌落,另一根熔管的接触机构便借助于工作熔管跌落时的冲击力而将触头闭合,并使该熔管接入电路通电,其间隔时间不大于0.3秒。
(3)高压熔断器的主要技术参数
①额定电压:
是指熔断器长期所能承受的正常工作电压。
目前我国高压熔断器的额定电压有3、6、10、15、20、35和110kv。
②熔断器的额定电流:
是指熔断器本身的载流部分和接触部分发热所允许的电流。
③熔体的额定电流:
是熔体本身发热所允许的电流。
在这一电流下长期工作,熔体特性不会改变。
在同一熔断器中可能用不同额定电流的熔体,熔体额定电流最大值应不超过熔断器的额定电流。
④熔体的熔断电流:
是熔体熔断的最小电流,通常是额定电流的2倍。
⑤熔断器的断路电流:
是熔断器所能切断的最大电流,当切断的电流小于此值时,只要换掉熔体,熔断器仍能使用;当切断的电流大于此值时,熔断器可能损坏,也可能由于电弧不能熄灭而引起相间短路,使事故扩大。
下表
(1)和表
(2)列出常用高压熔断器的技术参数。
表
(1) 限流式熔断器的主要技术参数
型号
额定电压(KV)
额定电流(A)
最大分断电流(KV)
最小分断电
(额定电数)
最大三相断流容量(MVA)
RN1-3
3
20
40
不规定
200
100
1.3
200
RN1-6
6
20
20
不规定
75
1.3
100
200
RN1-10
10
20
12
不规定
50
1.3
100
150
200
RN1-35
35
7.5
3.5
不规定
10
1.3
20
30
40
RW9-35
35
0.5
33
2000
2-10
10
600
RN2
3
0.5
100
熔断电流为0.6~1.8A,1min内熔断
500
6
85
1000
10
50
注:
RN1-3~10可配熔件额定电流的等级分为:
2,3,5,7.5,10,15,20,30,40,50,75,100,150A。
表
(2) 跌落式熔断器的主要技术参数
型号
额定电压(KV)
额定电流(A)
额定开断容量(MVA)
上限
下限
RW3-10
RW3-10G
RW4-10G
RW7-10
10
50
50
75
10
15
100
75
100
15
20
RW7-10G
RW9-10
200
150
200
30
40
RW3-35
RW3-35G
RW5-35
RW5-35G
35
50
150
200
60
80
100
300
400
60
80
RW6-60
RW6-60B
60
100
400
500
80
100
(4)熔断器的保护特性
熔断器的保护特性又称为安秒特性。
是熔体熔断电流和熔断时间的关系曲线。
如下图所示。
图3-13 熔断器的安秒特性
图3-13中I0称为最小熔断电流。
在理论上,熔体通过I0时,熔断时间为无穷大,即不应熔断。
而通过熔体的电流大于I0很多时,熔断时间迅速降低至最小值(0.01秒以下)。
通过熔体的电流愈大,熔体熔断时间愈短,通过相同的短路电流,熔体额定电流愈大,熔断时间愈长。
熔断器的保护特性,在许多情况下需要通过实测确定。
(5)高压熔断器的型号含义
(6)高压熔断器在运行和维护中应注意的问题
①运行维护时应注意下列事项
1)户内型熔断器瓷管的密封是否完好,导电部分与固定底座静触头的接触是否紧密。
2)户外型熔断器的导电部分接触是否紧密,弹性上触头的推力是否有效,熔体本身有否损伤,绝缘管有否损坏、受潮和变形。
3)检查瓷绝缘部分有无损伤、裂纹和放电痕迹。
4)检查所有连接部位是否松动,有无放电现象。
白天巡视应用耳细听有无嘶嘶的放电声,夜间巡视可观察有无放电的蓝色火花。
5)检查熔断器的额定电流与熔断的配合以及和负荷电流是否相适应。
6)以钢纸管为内壁的熔管,能连续三次开断额定断流容量。
如开断容量低于额定断流容量时,开断次数可以酌情增加。
当熔管内径因多次开断而扩大到允许的极限尺寸时,应及时更换,对于电接触部分所出现的烧灼疤痕应该锉平,以防止运行中触头温度过高。
②高压熔断器选用时应注意的问题
1)型式的选择
在3~35kV的电站和变电所常用的高压熔断器有两大类:
一类是户内高压限流熔断器,最高额定电压能达40.5kV,常用的型号有RN1、RN3、RN5、XRNM1、XRNT1、XRNT2、XRNT3型,主要用于保护电力线路、电力变压器和电力电容器等设备的过载和短路;RN2和RN4型额定电流均为0.5A,为保护电压互感器的专用熔断器。
另一类是户外高压喷射式熔断器,此类熔断器在熔体熔断产生电弧时,需要等待电流过零时才能开断电路,无限流作用。
常用的型号有RW3、RW4、RW7、RW9、RW10、RW11、RW12、RW13型等,其作用除与RN1型相同外,在一定条件下还可以分断和关合空载架空线路、空载变压器和小负荷电流。
RW10-35/0.5型为保护区35kV电压互感器专用的户外产品。
所以根据熔断器的型式和不同的保护对象来选择。
2)按工作电压选择
Ⅰ、一般条件:
Ue≥Uwe
式中 Ue--熔断器额定电压
Uwe--安装处电网额定电压
即熔断器的额定电压(kV)应不小于熔断器安装处电网额定电压(kV)。
Ⅱ、对于限流型熔断器:
以石英砂作为熔断器填充物的限流型熔断器只能按Ue=Uwe的条件选择,这种情况下此类熔断器熔断产生的最大过电压倍数限制在规定的2.5倍相电压之内,此值并未超过同一电压等级电器的绝缘水平。
如果熔断器使用在工作电压低于其额定电压的电网中,过电压倍数造成威胁可能增大3.5~4。
3)按工作电流及保护特性选择
Ⅰ、一般条件:
Ie≥Ije≥Ig·zd
式中 Ie--熔断器熔管的额定电流,A
Ije--熔断器熔体的额定电流,A
Ig·zd--回路最大持续工作电流,A
此条件为选择熔断器额定电流的总体要求,其中熔体额定电流的选择最为重要,它的选择与其熔断特性有关,应能满足保护的可靠性、选择性和灵敏度要求。
Ⅱ、具体情况:
a.保护配电设备(即35kV及以下电力变压器):
Ije=KIb·zd
式中 Ib·zd--变压器回路最大持续工作电流,A
K--可靠系数,不考虑电机自起动时,取1.1~1.3;考虑电机自起动时,取1.5~2.0
按此条件选择可确保变压器在通过最大持续工作电流,通过变压器励磁涌流,电动机自起动或保护范围以外短路产生的冲击电流时熔件不熔断,而且能保证前后级保护动作的选择性以及本段范围内短路能以最短时间切除故障。
b.保护电力电容器:
Ije=KIc·e
式中 Ic·e--电容器回路的额定电流,A
K--可靠系数,对于跌落式熔断器,取1.35~1.5;对于限流型熔断器,当一台电容器时,系数取1.5~1.8;当一组电容器时,系数取1.35~1.8
c.保护电力线路:
按一般条件选择:
Ie≥Ije≥Ig·zd
4)按开断电流选择
Ⅰ、一般条件:
Ike≥Idt(Ske≥Sdt)
式中 Ike(或Ske)--熔断器的额定开断电流,kA(或额定开断容量MVA)
Idt--短路全电流,kA
对于限流型熔断器取Idt≥I″(次暂态电流幅值);对于非限流型熔断器取Idt≥Ich(稳态短路电流最大有效值)。
Ⅱ、对于跌落式熔断器:
跌落式熔断器的开断能力应分别按上、下限值来验算,在验算上限值时要应用系统的最大运行方式;验算下限值时,应用最小运行方式。
5)短路电流的稳定性
a.对于限流型熔断器可不进行动、热稳定的校验;而对于非限流型熔断器,要求进行动、热稳定的校验工作。
热稳定校验:
动稳定校验:
式中
--短路电流峰值
Ich--稳态短路电流有效值
b.保护电压互感器的熔断器
只需要按额定电压和开断能力选择。
6)在选择熔断器开断容量时,应同时考虑其额定开断容量的上限和下限。
额定开断容量不能选得太高,否则当有些短路故障的容量落在熔断器的额定开断容量的下限之下时,熔断器开断时不能灭弧,这是电网(特别是农村电网)中熔管烧坏或爆炸的重要原因之一。
7)熔断器的保护特性应满足下列要求:
a.熔断器的保护特性必须处于被保护设备的允许过载之下,如图所示。
曲线1为被保护设备的允许过载特性,曲线2和3分别为两种熔断器的保护特性,其中典线3不能起可靠的保护作用。
b.熔断器的保护特性必须满足选择性配合的要求,当发生短路故障时,靠近短路点的熔断器应最先熔断,切除故障,使系统的其它部分迅速恢复正常运行。
如图3-15(a)的接线中,熔断器1是熔断器2的后备保护,熔断器1的保护特性必须置于熔断器2的保护特性之。
当C点发生短路故障时,熔断器2先熔断,切断故障电路,上级熔断器1不再通过故障电流,保证了正常支路继续运行。
熔断器的选择性是靠熔体截面的宽窄,即额定电流的大小来实现的,同型号同熔体材料的上下级熔断器之间,它们的熔体额定电流约相差2~4级,就能满足选择性要求。
③跌落式熔断器的若干问题
1)跌落式熔断器的安装。
Ⅰ、安装时务必检查熔丝是否拴紧,以防止触头过热。
Ⅱ、熔管轴线与铅垂线成300倾角,不得垂直或水平安装,以保证熔件熔断时熔管能靠自重自行跌落。
Ⅲ、不得装于变压器及其他设备的上方,以防熔管掉落发生事故。
若装于被保护设备的侧上方,与被保护设备外廓的水平距离应不小于0.5米。
Ⅳ、应保持足够的安全距离。
6-10KV户外安装时相间距离应不小于70mm,对地距离4.5m,户内安装时,相间距离应不小于60mm、对地距离3.0m为宜。
Ⅴ、应检查分合操作是否灵活,熔管上端口的磷铜膜片应完好,紧固熔体时应将膜片压封住熔管上端口以保证灭弧性能。
2)趺落式熔断器的操作
Ⅰ、跌落式熔断器一般情况下不得带负荷操作。
一般配电变压器容量在200KVA及以下的,其高压侧可以允许用熔断器分合负荷电流,若超过200KVA,分合闸时电弧较大,有可能引起相间弧短路,应先将负荷切去,然后再操作熔断器。
Ⅱ、跌落式熔断器在切除空载变压器时,由于空载励磁电流的存在,在高压侧切断的瞬间会产生较高的过电压,若操作不当时会导致相间弧光短路。
操作方法与单相隔离开关的操作方法及步骤相同。
Ⅲ、变压器出现故障的征兆(声音异常、喷油等)。
不得进行操作,应用变压器电源线路的断路器将其断开。
Ⅳ、天气不好(下雨天、雷雨天),尽量避免操作。
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