第六章 导体和电气设备的原理与选择

4) 回路最大持续工作电流Imax 的计算:
回路名称 发电机、调相机回路 最大持续工作电流 1.05倍发电机、调相机额定电流 说明 发电机和变压器在电压降低到0.95额 定电压运行时，出力可以保持不变， 故电流可以增大5% 若要求承担另一台变压器事故或检 修时转移的负荷
变压器回路
1.05倍变压器额定电流 1.3~2.0倍变压器额定电流
UN ≥ UNs
注意： 1) 海拔影响电气设备的绝缘性能，随装设地点海拔的增加， 空气密度和湿度相应减小，使得电气设备外部空气间隙和 固体绝缘外表面的放电特性降低，电气设备允许的最高工 作电压减小。 对海拔超过1000m的地区，一般应选用高原型产品或 外绝缘提高一级的产品。 对于现有110kV及以下大多数电器的外绝缘有一定裕 度，可在海拔2000m以下地区使用。 2) 在空气污秽(腐蚀减低绝缘强度)或有冰雪的地区，某些 电气设备应选用绝缘加强型或高一级电压的产品。 2. 额定电流 1) 电气设备的额定电流IN（或载流量Ial）：在额定环境温度θ0 下，长期允许通过的电流。 2) 为了满足长期发热条件，应按额定电流IN（或载流量Ial）不 得小于所在回路最大持续工作电流Imax的条件进行选择，即
短路计算点的确定方法： (1)对两侧均有电源的电气设备，应比较电气设备前、后短 路时的短路电流，选通过电气设备短路电流较大的地点作 为短路计算点。例如，校验下图中的发电机出口断路器QF1 时，应比较k1和k2短路时流过QF1的电流，选较大的点作 为短路计算点。
(2)短路计算点选在并联支路时，应断开一条支路。因为断开 一条支路时的短路电流大于并联短路时流过任一支路的短路 电流。例如，校验前图中分段回路的断路器QF5或主变低压 侧断路器QF2时，应选k2和k3点为短路计算点，并断开变压 器T2。
方式 ①复合 异性质点靠近而相互中和的现象。→ 冷却 ②扩散 带电质点逸出弧柱外的现象(浓度扩散，温度扩散) 。 →吹弧 2.交流电弧的熄灭 交流电弧的特点：过零值自然熄灭，动态的伏安特性
(1)交流电弧的熄灭条件 如图6-1所示，交流电弧中电流每半个周期要经过一 次零值，这时电弧暂时自然熄灭，电流停止向弧隙输入电 能，弧隙介质因高温而产生的热游离迅速减弱，此时，设 法加强去游离，使弧隙介质的绝缘能力达到不会被弧隙外 施电压击穿的程度，则在下半周电弧就不会重燃而最终熄 灭。因此交流电弧的熄灭条件就是电弧不发生重燃的条件。
这是由于此时的空气已被游离，游离状态下的空气和导 体一样具有导电性能。在切断电路时介质(如空气)由绝缘状 态转变为导电状态，可分为如下几个过程： ①强电场发射： 在开关触头刚刚分离的瞬间，触头间距离s很小，虽然触 头间电压U不一定很高，则可能产生很强的电场强度E （E=U/d）。如果电场强度超过3×106V/M以上，金属触头 阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头空间的自由电 子。这种游离方式称为强电场发射，也是在弧隙间最初产生 电子的原因。 触头间电弧燃烧的间隙称为弧隙。 ②热电子发射: 在触头即将分开的瞬间,触头压力以及接触面积减小,接 触电阻(Rc)增大,电能损耗(I2Rc)增大,在触头表面出现炽热点; 特别是电弧形成后,弧隙间的高温亦使触头表面受热出现强 烈的炽热点。高温使得自由电子能量增加,运动加剧,阴极表 面就会有电子跑出，形成热电子发射。
3.短路电流计算条件 作验算用的短路电流应按下列条件确定： (1)短路计算容量和接线：应按本工程的设计规划容量及可 能发生最大短路电流的正常接线方式计算，并考虑电力系 统的远景发展规划(一般为本期工程建成后5~10年)。 (2)短路种类：电气设备的热稳定和动稳定以及电器的开断 电流，一般按三相短路验算。若发电机出口的两相短路， 或中性点直接接地系统、自耦变压器等回路中的单相、两 相接地短路较三相短路严重时，则应按严重情况验算。 (3)短路计算点：在正常接线方式时，通过电气设备的短路 电流为最大的短路点，称为短路计算点。 (4)短路电流的实用计算方法：在进行电气设备的热稳定验 算时，需要用短路后不同时刻的短路电流，即计及暂态过 程，通常采用短路电流实用计算方法，即运算曲线法。该 内容可在今后的有关毕业设计中学习。
③碰撞游离： 强电场的作用下，自由电子向阳极加速运动，具有很 高的速度和巨大的动能，不断地与其他中性质点（介质原 子或分子）发生碰撞，使束缚在原子核周围的电子释放出 来，形成自由电子和正离子，这种现象就称为碰撞游离。 新产生的电子也向阳极加速运动，同样也会使它所碰撞的 中性质点游离。碰撞游离连续进行就可能导致触头间充满 了电子和离子，它具有很大的电导，在外加电压作用下， 触头间介质可能被击穿而形成电弧。 ④热游离： 热电子发射同时在高温的作用下(电弧中心部分维持的温度 可达10000℃以上)，气体中性质点的不规则热运动速度增 加。当具有足够动能的中性质点相互碰撞时，将被游离而 形成电子和正离子，这种现象称为热游离，维持电弧燃烧， 增加了开关电器灭弧困难。
(3)在同一电压等级中，汇流母线或无电源支路短路时，短 路电流最大。校验汇流母线、厂用电分支电器（无电源支 路）和母联回路的电器时，短路计算点应选在母线上。例 如，校验前图中10kV母线时，选k2点。
(4)带限流电抗器的出线回路，由于干式电抗器工作可靠， 故校验回路中各电气设备时的短路计算点一般选在电抗器 后。例如，校验前图中出线回路的断路器QF3时，短路计 算点选在出线电抗器后的k5点。
随着触头分开的距离增大，触头间的电场强度E逐渐 减小，这时电弧的燃烧主要是依靠热游离维持的。在开关 电器的触头间，发生游离过程的同时，还发生着使带电质 点减少的去游离过程。
电弧的形成： 阴极发射（起因）→碰撞游离（重要因素）→击穿（量变 到质变）→热游离（主要因素）→电弧
阴极区 阳极区
弧柱
(2)电弧的熄灭 游离去游离是电弧燃烧中的两个相反过程，游离过程使 弧道中带电粒子增加，有助于电弧燃烧；去游离能使弧道中 带电离子减少，有利于电弧熄灭。这两个过程的动态平衡， 将使电弧稳定燃烧。若游离过程大于去游离过程，将会使电 弧愈加强烈地燃烧。若去游离过程大于游离过程，将会使电 弧燃烧减弱，以至最终电弧熄灭。开关电器中，为了加强灭 弧能力，都采用各种措施减弱游离过程。
(5)110kV及以上电压等级，因其电气设备的裕度较大，短路计 算点可以只选一个，选在母线上。例如，校验前图中110kV的 电气设备时，短路计算点可选在110kV母线上，即k6点。
3．短路计算时间 计算短路电流热效应时所用的短路切除时间tk等于继电保 护动作时间tpr与相应断路器的全开断时间tbr之和，即
第二节 高压断路器和隔离开关的原理和选择
高压断路器和隔离开关是发电厂和变电站电气主系统的 重要开关电器。 高压断路器的主要功能：
1.控制作用：正常运行倒换运行方式，把设备或线路接入电 网或退出运行。 2.保护作用：设备或线路发生故障时，能快速切除故障回路， 保证无故障部分正常运行。
高压断路器的特点：能断开电器中负荷电流和短路电流。 高压隔离开关的主要功能：保证高压电器及装置在检修工 作时的安全，不能用于切断、投入负荷电流或开断短路电 流，可用于不产生强大电弧的某些切换操作。
Fra Baidu bibliotek
一、按正常工作条件选择额定电压和额定电流 1. 额定电压 1)正常电压要求是：电气设备所在回路的最高运行电压不得 高于电气设备的允许最高工作电压。 2) 由于电气设备的允许最高工作电压为其额定电压的UN的 1.1~1.15倍，而电网电压正常波动引起的最高运行电压不超过 电网额定电压UNs的1.1倍。 3) 一般可以按电气设备的额定电压UN不得低于其所在电网的 额定电压UNs的条件来选择电气设备，即
第六章
第一节
电气设备选择
电气设备选择的一般条件
第二节 高压断路器与隔离开关的原理与选择
第三节 第四节 第五节 第六节 互感器的原理和选择 限流电抗器的选择 高压熔断器的选择 裸导体的选择
第七节 电缆、绝缘子和套管的选择
第一节 电气设备选择的一般条件 选择条件有 一般条件：多数电气设备共有的选择校验项目。 特殊条件：个别电气设备具有的选择校验项目。
出线回路
母联回路 分段回路
1.05倍线路最大负荷电流
考虑5%的线损，还应考虑事故时转 移过来的负荷
母线上最大一台发电机或变 压器的最大持续工作电流
母线上最大一台发电机额定电流 的50%~80% 变电所应满足用户的一级负荷和 大部分二级负荷
汇流母线
按实际潮流分布确定
电容器回路
1.35倍电容器组额定电流
部分电气设备动稳定按应力和电动力校验。 电器满足动稳定的条件为 ies≥ish ish——短路冲击电流的幅值， ish为：
ish 2 K sh I "
I”----0s短路电流周期分量有效值； Ksh----冲击系数，发电机机端取1.9，发电厂高压母线及 发电机电压电抗器后取1.85，远离发电机时取1.8。 ies——电器允许通过的动稳定电流幅值，生产厂家用此电 流表示电器的动稳定特性，在此电流作用下电器能继续正 常工作而不发生机械损坏。 下列情况可不校验热稳定或动稳定： 1)用熔断器保护的电气设备，其热稳定由熔断时间保证， 可不校验热稳定。 2)采用有限流电阻的熔断器保护的设备可不校验动稳定。 3)装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备可不校验 热、动稳定。
IN（或Ial）≥Imax 3) 当实际环境温度θ不同于导体的额定环境温度θ0时，其长 期允许电流应该用下式进行修正。 Ialθ = KIal ≥Imax 不计日照时，裸导体和电缆的综合修正系数K为
K
al al 0
θal——导体的长期发热允许最高温度，裸导体一般为70℃； θ0——导体的额定环境温度，裸导体一般为25℃。 我国生产的电气设备的额定环境温度θ0=40℃。在40~60℃ 范围内,当实际环境温度高于+40℃时，环境温度每增高1℃，按 减少额定电流1.8%进行修正；当实际环境温度低于+40℃时， 环境温度每降低1℃，按增加额定电流0.5%进行修正，但其最 大过负荷不得超过额定电流的20%,实际选择时一般不修正。
t k t pr tbr
断路器的全开断时间tbr等于断路器的固有分闸时间tin与 燃弧时间ta之和，即 t ab t in t a 验算裸导体的短路热稳定时，tpr宜采用主保护动作时间， 如主保护有死区时，则采用能对该死区起保护作用的后备保 护动作时间；验算电器的短路热稳定时，tpr宜采用后备保护 动作时间。 少油断路器的燃弧时间ta为0.04~0.06s，SF6断路器的燃 弧时间ta为0.02~0.04s。 tbr衡量高压断路器分闸速度的快慢， tbr>0.12s—低速断 路器， tbr<0.08s---高速断路器， 0.08<tbr<0.12s---中速断路器
一、电弧的形成与熄灭 当用开关电器断开电流时，如果电路电压不低于10~20 伏，电流不小于80~100mA，电器的动、静触头间便会产生 电弧。 此时触头虽已分开，但电弧是导电的，电路中的电 流仍在继续流通。只有电弧熄灭，电路才会真正断开。 电弧是高温高导电率的游离气体，它不仅对触头有很 大的破坏作用，而且使断开电路的时间延长。 因此，在了解开关电器的结构和工作情况之前，首先 来看看其是如何产生和熄灭的。 1.电弧的形成和弧隙介质的游离与去游离 (1)电弧的形成 在拉开刀闸时，动、静触头之间的空气原来是绝缘 体为什么会形成导电的弧道呢？
考虑过电压和谐波的共同作用
二、按短路条件校验
1. 短路热稳定校验 热稳定：指电气设备承受短路电流热效应而不损坏的能力。 热稳定校验的实质：使电气设备承受短路电流热效应时的短 时发热最高温度不超过短时最高允许温度。 导体通常按最小截面法校验热稳定。 电器的热稳定是由热稳定电流及其通过时间来决定的，满 足热稳定的条件为 I t2 t Qk Qk——短路电流热效应； It——所选用电器t（单位为s）内允许通过的热稳定电流。 2. 短路动稳定校验 动稳定：指电气设备承受短路电流产生的电动力效应而不 损坏的能力。