中压电气设备选择培训课件16214.pptx
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1、第七章 中压电气设备选择 设计一个供配电系统时,在网络结构及设备配置已经确定的条件下,选择设备的恰当型式与参数,谓之设备选择。所选设备应具备完成其任务所需功能,应能承受正常的负荷与故障能量冲击。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。电器与线缆、变压器选择的不同在于设备加入后对系统本身的影响。电器加入系统后主要改变系统功能,但基本不改变系统性能,而变压器和线缆加入系统后,会明显改变系统性能。第1节 短路电流效应7.1.1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。温度是元件产生热损坏的最主要因素。1
2、、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。温度=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。1)未通电时。2)正常工作时。3)短路发生后,导体温度急剧上升,至短路被切除时,导体温度达到最高值k,即:式中:k为短路最高温度,kmax 为导体瞬时允许最高短路温度(简称短路允许温度)。辩异:Nmax与kmax。都是“最高允许温度”,前者是“长期工作”,后者是“瞬时短路”,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
3、垂等)。kmax取决于是否发生瞬时不可逆损坏。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。导体式电缆的长期允许导体式电缆的长期允许最高最高温度和温度和短路短路最高允许温度最高允许温度工作正常短路热稳定请你判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 2、导体短路最高温度k计算 这是导体受到的短路能量的极限热冲击,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:#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。#导体电阻、比热均是温度的函数。以0
4、电阻率0和比热C0为起点计算,计算公式为:#导体为长度l的棒形,底面积s,密度m,质量m为 1)计算从热平衡方程开始。上式左边是电流发热量,右边是导体温升吸收的热量。将各参量表达式代入,有:对上式两边积分,有:注意:未知量是k。上式右边是电气参量和导体几何参数,左面是材料参数,为变上限积分。令积分的原函数为A(),有:则:也即:N是已知的(若不知,可取为Nmax),理论上,短路电流积分是可求出的,因此可求出A(k),继而求出k。但问题在于短路电流积分实际上很难求出。2)求短路电流热脉冲 不管怎样,热平衡方程已经将求温度k的问题转化成了求短路电流积分的问题,即将热力学参数计算转化成了电气参量计算
5、。定义这个积分为热脉冲Q,即:短路热脉冲的物理意义为: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。(1)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SFDEO=I2tim=Q22SFDEO=I2tim=Q (2)远端短路假想时间计算 远端短路电流由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timnp、timp
6、为短路电流非周期分量和周期分量的假想时间,则 a)timp 计算。由于远端短路I=Ip(t),故 b)timnp 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 timnp=0 当tk 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。熄弧后介质的绝缘强度有一个恢复过程,其恢复速度应大于外加电压的上升速度,否则电弧会重燃。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。3、电器的灭弧方法 吹弧方式(吹弧方式(1-电弧
7、;电弧;2-触头)触头)a)横吹横吹 b)纵吹纵吹 电动力吹弧电动力吹弧磁力吹弧磁力吹弧 1-磁吹线圈;磁吹线圈;2-灭弧触头;灭弧触头;3-电弧电弧1)吹弧灭弧 拉长、冷却电弧,增强去游离。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绝缘灭弧栅对电弧的作用(1-绝缘灭弧片;绝缘灭弧片;2-电弧电弧;3-触头)触头)金属金属灭弧栅对电弧的作用灭弧栅对电弧的作用(1-钢栅片钢栅片;2-电弧;电弧;3-触头)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。7.3.2 断路器简介 1、功能:开关电器。能开合负荷电流,开断短路电流。2
8、、分类 1)按开关的对象分:发电机用、输电用、配电用、控制用等。本节讨论335kV的配电断路器。2)按灭弧介质分:油、真空、气体、磁吹断路器等。3、结构:触头、灭弧室、机械机构、外壳、支柱等。机械机构中断路弹簧在断路器闭合时为储能状态,可在脱扣器失扣时分断触头。1-铝帽 2-油气分离器 3-上接线端子 4-油标 5-插座式静触头 6-灭弧室 7-动触头(导电杆)8-中间滚动触头 9-下接线端子 10-转轴 11-拐臂(曲柄)12-基座 13-下支柱瓷瓶 14-上支柱瓷瓶 15-断路弹簧 16-绝缘筒 17-逆止阀 18-绝缘油 4、断路器操动机构 控制断路器主触头状态、且在断路器本体以外的完整
9、独立的动力与机械机构,称为断路器的操动机构。操动机构功能:合闸、维持合闸状态、分闸。操动机构分闸一般是对维持断路器闭合状态的锁扣机构解扣,触头分开是靠断路器本身的分闸弹簧实现的,分闸弹簧还维持断路器分闸状态。按操动动力的分类:手力、弹簧、电磁、压缩空气、液压等各类操动机构。多数操动机构是独立的产品,与某些断路器配套,也有少数与断路器结为一体。某型断路器及其操动机构7.3.3 断路器参数及选择 1、常规参数选择 额定电压、电流,短路动、热稳定参数等。2、短路开、合电流及选择 1)短路开断电流。开断短路电流,是断路器的特别任务。其开断电流的大小主要取决于灭弧能力。额定开断电流Icr与最大开断电流I
10、cmax:前者指开断后能继续工作,后者指虽能开断,但开断后断路器已受实质性损坏。一般以前者校验,要求:Icr Ikmax 2)短路关合电流。预伏故障概念。短路关合电流指断路器能关合的最大短路电流瞬时值isp。要求:isp ish 超过关合能力的后果:有预伏故障时,触头关合前瞬间起弧,电弧电动排斥力使触头合不到底,电弧持续存在,产生烧毁触头或爆炸等严重后果。因此,短路关合电流是一个与受力相关的参数。通常短路关合电流与断路器动稳定电流相等。3)短路开/合电流与断路器操作顺序的关系 运行中,断路器可能出现短时多次开合的情况,如重合闸等,这种情况下断路器的开断能力比单次开断时要降低。因此,产品标准规定
11、了一些标准的试验操作顺序,开断能力与操作顺序相对应。OtCO,OtCOt CO O分闸;C合闸;CO合闸后无延时分闸;t、t 分、合闸间间隔时间。如 Oo.3sCO180sCO 3、开合特定空载、负载电流 主要是开、合时会碰到过电压和(或)涌流问题。这些情况下开、合电流比额定电流小很多。4、参数示例 以ZN28-10I-1250真空断路器为例。额定电压:10kV;额定电流:1250A;最高工作电压:12kV。动稳定电流:50kA(峰值);4s热稳定电流:20kA(有效值)。额定短路开断电流:20kA(有效值);额定短路关合电流:50kA(峰值);额定操作顺序:Oo.3sCO180sCO 额定开
12、合电容器组电流:630A;额定异相接地故障开断电流:17.3A。合闸时间:0.1s;分闸时间:0.06s。小结 1、将断路器作为开关电器的典型进行介绍,其他开关电器类似。2、应非常重视开关电器的电弧现象。3、第一步是读懂参数,第二步是会选择参数。4、注意开合特定负载与开合一般负载的差别,并应进一步探讨这种差别背后的本质原因。第4节 熔断器及其选择7.4.1 结构与工作原理 1、结构 由熔体、熔管和熔断器座等组成。石英沙石英沙熔断撞针熔断撞针金属熔体缠绕在内瓷管上金属熔体缠绕在内瓷管上瓷熔管剖面瓷熔管剖面 2、工作原理 根据熔体受热所产生的物态变化,可分为四个阶段。1)固态温升。电流在熔体电阻上
13、的损耗使熔体温度上升到金属熔化温度。2)定温熔化。从熔体开始熔化到全部熔化。3)液态温升。熔融金属液体温度上升至汽化。4)燃弧熄弧。熔体汽化出现断点,产生电弧,并最终熄弧。熔断与熔化:熔体一旦“熔化”,便不可逆回,但须“熔断”,保护才实现。熔化并不一定带来熔断。使熔体熔化的最小电流称为熔化电流,使熔体熔断的电流称为熔断电流。弧前时间与燃弧时间:通电至起弧称为弧前时间,即t1t3;起弧至熄弧称为燃狐时间,即t3t4。7.4.2 保护特性 1、弧前时间-电流特性。系反时限特性,有分散性,又称安秒特性。解释分散性。2、I 2t特性 对极短时间熔断的情况,安秒特性失效。因可视为绝热过程,熔体是否熔断完
14、全取决于发热大小,即I 2t。该特性以数据形式给出。某型熔断器的某型熔断器的I 2t 特性特性 因极短时间熔断,熔化与起弧几乎同时出现,因此熔化I 2t与弧前I 2t系同一特性。为什么取最大为什么取最小7.4.3 熔断器类型简介 (1)按最大开断能力分:非限流型(开断能力低)与限流型(开断能力高)。(2)按用途分:T型保护变压器;M型保护电动机;P型保护电压互感器;C型保护电容器;G型不指定保护对象。(3)按保护范围分(指限流型熔断器):分为后备、通用和全范围三类。三类熔断器的额定开断电流并无差异,但额定最小开断电流有较大不同。全范围型额定最小开断电流为熔化电流,通用型略大于熔化电流,均可考虑
15、用于过负荷保护;后备型额定最小开断电流较高,只能用于短路保护。熔断器熔化电流也比熔体额定电流大,因此对于轻度过负荷,熔断器是不能有效保护的。7.4.4 主要参数及选择 不需要校验短路动、热稳定,按保护要求和开断能力选择。1、熔体额定电流选择(多方案)按躲过正常工作电流选择(不误动)。IrFU熔断器熔体额定电流;IN被保护元件工作电流。对于变压器,取最大工作电流;对电容器(组),取额定电流;K系数。变压器无电动机自起动时,取1.11.3,有电动机自起动时取1.52.0;电容器考虑到自身容量偏差和运行电压偏差,以及合闸涌流冲击,单台时取1.52.0,成组时取1.431.55。2、保护选择性配合校验
16、 要求:下级被保护元件故障,下级熔断器熔断时,上级熔断器尚未开始熔化。对熔断时间大于0.1s的熔断器,原理上可通过安秒特性曲线上上级最小熔化特性与下级最大熔断特性是否重合或交叉来判断,但工程实际中更多的是使用一个叫“配合比”的参数来判断。若上、下级熔体额定电流之比大于配合比,可认为满足选择性要求。配合比由制造厂家给出。对0.01s内熔断的情况,以I 2t特性校验。对0.010.1s间熔断,视具体产品而定。3、开断能力校验 限流型熔断器特殊特性:不仅电流过大不能开断,电流过小也可能不能开断。因此,在开断能力校验时,不仅要校验最大开断能力,对后备式还要校验最小开断能力。后备式熔断器额定最小开断电流
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