城市轨道交通供变电技术 教学课件 ppt 作者 徐亚辉 第三章城市轨道交通变电所中的一次设备

第三章城市轨道交通变电所中的一次设备第一节一次设备概述一、电气设备的分类城市轨道交通变电所中的电气设备可以分为一次设备和二次电气设备两大类，一次设备是城轨供电系统的主体，二次设备是城轨供电系统安全可靠运行的重要保障，二者缺一不可，共同协调工作才能保证变配电系统安全可靠地运行。1.一次设备电气一次设备也被称为主设备，是指直接用于接受电能、改变电能电压和分配电能的设备和载流导体。它主要包括变压器、断路器、隔离开关、整流器等。由电气一次设备相互连接，构成的电气回路称为一次回路或一次接线系统。第一节一次设备概述根据一次设备的功能，可将它们分为以下几类：（1）开关电器用来关合和开断电路的电器，包括断路器、隔离开关、熔断器和负荷开关。（2）限制电器用来限制电路中电压或电流的电器，包括电抗器、避雷器。（3）变换电器用来变换电路中的电压和电流使之便于检测的电器，包括电流互感器、电压互感器。（4）成套装置和组合电器将开关电器、限制电器和变换电器按一定的线路装配成一个整体的电器组合。主要有高压开关柜、低压成套电器装置以及气体绝缘金属封闭组合电器GIS等。（5）补偿电器指用于补偿系统的无功功率、提高功率因数的设备。主要有电力电容器和同步补偿机等。一次设备还可以按照电流制式分为交流电器和直流电器。交流电器是工作于三相或单相工频交流制式的电器。直流电器是指工作于直流制系统的电器。第一节一次设备概述2.二次设备对一次设备进行控制、保护、监测和指示的设备，称为二次设备。如各种继电器、控制开关、成套继电保护装置等。二次设备是城轨供电系统的重要组成部分。由二次设备相互连接，构成对一次设备进行监测、控制、调节和保护的电气回路称为二次回路或二次接线系统。第一节一次设备概述二、对一次电气设备的基本 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 一次电气设备是城轨供电系统的主体，设备故障可能导致停电甚至发生重大安全事故，在对电气设备进行 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和选择时，应考虑安全、可靠和经济等多方面的因素，并满足以下基本要求：1）能长期承受工频最高工作电压、短期承受内部过电压和外部过电压的作用而不被击穿；2）能长期承受额定电流、短期过载电流的作用，温升在允许范围之内；3）能承受短路电动力效应和热效应的作用而不被损坏；4）开关电器的断流能力应符合有关的规定；5）供测量和保护用变换电器应符合规定的精度要求；6）在规定的使用环境中能承受一定外界条件的影响并安全可靠地运行第二节变压器一、变压器概述1.什么是变压器变压器是一种静止的电气设备，它通过线圈间的电磁感应,将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种或几种电压等级的交流电能。2.变压器的用途变压器除用于改变电压外，还可用于改变电流、变换阻抗等。3.变压器的基本结构及基本工作原理。（1）基本结构虽然变压器种类繁多，用途各异，但变压器的基本结构大致相同。最简单的变压器是由一个闭合的软磁铁心和两个套在铁心上相互绝缘的绕组构成的。如图3-1所示。第二节变压器（2）基本工作原理第二节变压器4、变压器的分类变压器的常用分类方式如下：1）按用途分：电力变压器和特种变压器。2）按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。电力变压器3）按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。4）按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。5）按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和充气式变压器。6）按调压方式分：有载调压变压器和无励磁调压变压器。变压器二次侧不带负载，一次侧也与电网断开(无电源励磁)的调压，称为无励磁调压，带负载进行变换绕组分接的调压，称为有载调压。第二节变压器5．变压器的主要技术参数（1）额定容量它是变压器额定工作条件下输出能力的保证值，是额定视在功率，单位有：伏安（V•A）或千伏安（kV•A）或兆伏安（MV•A）。（2）额定电压U1N/U2N均指变压器长时间运行所能承受的工作电压。原边额定电压U1N是指电源加在原绕组上的额定电压；副边额定电压U2N是指原边加额定电压副边空载时副绕组的端电压，单位有：伏（V）或千伏（kV）。（3）额定电流I1N/I2N原、副边额定电流是指在额定容量和额定电压时所长期允许通过的电流，单位是安（A）。三相变压器的额定电流都是指的线电流。（4）额定频率fN指工业用电频率，我国规定为50Hz。（5）联接组别第二节变压器二、油浸式电力变压器的结构油浸式电力变压器主要由铁心、绕组、油箱、调压装置、冷却装置、保护装置、引出线装置以及其他附件组成。城轨供电系统的主变电所中主变压器一般采用三相油浸式电力变压器，图3-3为其外形图。其主要部件及功能如下：第二节变压器1、铁心2、绕组3、油箱4、调压装置5、冷却装置6、保护装置7、引出线装置第二节变压器第二节变压器三、干式变压器1、结构特点第二节变压器2、干式变压器的形式1）开启式2）封闭式3）浇注式第二节变压器3、干式变压器的温度控制系统第二节变压器4．干式变压器的冷却方式干式变压器冷却方式分为自然空气冷却(AN)和强迫空气冷却(AF)。自然空冷时，变压器可在额定容量下长期连续运行。强迫风冷时，变压器输出容量可提高50%。适用于断续过负荷运行，或应急事故过负荷运行；由于过负荷时负载损耗和阻抗电压增幅较大，处于非经济运行状态，故不应使其处于长时间连续过负荷运行。5．干式变压器的调压装置干式变压器调压分为无励磁调压和有载调压两种。（1）无励磁调压切换分接抽头时必须将干式变压器从电网中切除，停电后局进行。通常，无励磁调压通过调整绕组上的分接片来实现调压。（2）有载调压干式变压器有载调压采用有载调压分接开关，在变压器励磁或负载状态下，通过改变绕组匝数完成调压操作。第二节变压器6．干式变压器的优点由于环氧浇注干式变压器具有结构简单、绝缘强度高、抗短路能力强、不易燃烧、可在恶劣环境下正常工作、维护工作量很小、噪声低、体积小、重量轻、运行损耗低、运行效率高等优点，现被广泛应用于城轨的牵引变电所中。第三节整流机组整流机组由整流变压器和整流器组成。整流机组是城轨牵引变电所最重要的设备，其作用是将中压网路的AC35Kv(或AC33Kv、AC10Kv)的交流电压降为1180V的交流电压，再整流输出DC1500V的直流电压，经网上电动隔离开关给接触网供电，实现直流牵引。早期的城市轨道交通直流牵引系统，通常采用三相桥式整流电路，但三相桥式整流电路产生的谐波很严重，为提高直流供电质量，降低直流电源脉动量，现在通常采用多相整流 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，采用六相、十二相整流，甚至是二十四相整流。我国今后建设的城市轨道交通整流变电站将会以24脉波整流为主。整流变压器与整流器合称为整流机组。城轨的牵引变电所一般设于地下，所以整流机组也安装在地下室内。第三节整流机组1．整流变压器整流变压器不仅仅起降压作用，还将三相交流电变成多相交流电供整流器整流。整流变压器宜采用干式、户内、自冷、环氧树脂浇注变压器，其线圈绝缘等级为F级，线圈温升限值为70K／90K(高压，低压)，其承受极限温度为155℃，铁心温升在任何情况下不应产生损坏铁心金属部件及其附近材料的温度。在高湿期内可能产生凝露，应采取 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 防止凝露对设备的危害。整流变压器的结构与普通变压器相同，有原、副边两个绕组，整流变压器的原边绕组接交流电力系统，称网侧绕组；副边接整流器，称阀侧绕组。这两个绕组共用一个铁芯。整流变压器和普通变压器的原理相同。第三节整流机组2．整流器整流器的作用是将交流电变成直流电供电动车辆的牵引电动机使用。整流器由大功率二极管及其散热器、保护器件、故障显示器件、通信接口等组成。如图3-8所示。第三节整流机组3．整流器的工作原理（1）三相桥式全波整流第三节整流机组（2）12脉波整流电路第三节整流机组（3）24脉波整流电路第三节整流机组第四节电弧一、电弧现象电气设备的开关电器切断有电流的电路时，如果电路中的电压大于20V，电流超过80mA时，触头间会产生强烈而耀眼的白光柱，即产生电弧。从现象上看，电弧是一束明亮的光柱。实质上，电弧是一种游离状态的气体放电现象，它是电流通过某些绝缘介质(例如空气)所产生的瞬间火花。按产生电弧的电路电源不同，可将电弧分为：交流电弧、直流电弧和脉冲电弧。电极上电弧的孳生点（温度最高、最明亮的斑点）称为阴极斑点或阳极斑点。第四节电弧电弧具有以下特点：1）起弧电压、电流的数值很低。2）电弧中含有大量的电子、离子，因此电弧有良好的导电性能，具有很高的电导。弧柱电流密度可达10KA/cm2。电孤存在时，尽管开关电器的触头是断开的，电路中仍然有电流流过，电路将继续导通。3）电弧能量集中，温度很高。弧放电时，能量高度集中，弧心温度可达10000℃左右，电弧表面的温度也可达到3000℃～4000℃。4）电弧是一束质量很轻的游离状态的气体，在外力的作用下，能迅速移动、伸长、弯曲、变形。第四节电弧电弧对电力系统和电气设备造成危害，主要有以下几种：1）延长了开关电器切断电路的时间。2）由于电弧的温度很高，如果电弧长时间燃烧，不仅将触头表面的金属熔化或蒸发，而且引起电弧附近电气绝缘材料烧坏，引起事故。对充油电气设备，还可能使设备的内部温度和压力剧增，从而引起爆炸、火灾等。3）由于电弧能在外力的作用下迅速移动，很容易形成飞弧造成电源短路事故和伤人。　第四节电弧二、电弧的产生与维持1．热电子发射2．强电场发射3．碰撞游离4．热游离电弧的产生是开关电器开断负荷电路时，触头间的中性质点被游离的结果。电弧产生，第一是由于热的作用，发生热电子发射和热游离；第二是由于电场的作用，发生强电场发射和碰撞游离，在气隙间出现大量电子流，使气体由绝缘体变成导体。强电场发射和碰撞游离是产生电弧的主要原因，而电弧得以维持和发展的主要原因是热游离作用。应该注意的是，在整个过程中几种物理作用并不是截然分开的，而是交叉进行或同时存在的。电弧燃烧期间，起主要作用的是热游离。第四节电弧三、电弧的熄灭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。去游离就是正、负带电粒子中和而变成中性粒子的过程。去游离的方式分两类：复合和扩散。1．复合2．扩散3．影响去游离的主要因素主要有以下几个：（1）电弧温度（2）介质的特性（3）气体介质的压力（4）触头材料（5）触头间电场的强弱（6）开断电流的大小第四节电弧四、电弧的特性及熄灭1、电弧电压沿弧长的分布第四节电弧2、直流电弧的特性及熄灭第四节电弧直流电弧具体的灭弧方法有：（1）拉长电弧（2）开断电路时在电路中逐级串人电阻（3）在断口上装灭弧栅（4）吹弧冷却电弧第四节电弧3、交流电弧的特性及熄灭交流电弧是指在开断交流回路过程中所产生的电弧。第四节电弧交流电流每半个周期过零一次，称为“自然过零”。交流电弧电流过零期间，同时存在两个对立的基本过程，一个是弧隙介质绝缘强度(或介电强度)的恢复过程，另一个是弧隙电压恢复过程。在恢复过程中，电弧是否重燃取决于弧隙介质绝缘强度的恢复和弧隙电压的恢复快慢程度。若恢复电压高于介质的绝缘强度，电弧将会重燃，这种现象叫电击穿；反之，若采取有效措施加强弧隙的冷却，使弧隙介质的绝缘强度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。第四节电弧(1)介电强度恢复过程影响介质介电强度恢复速率的主要因素有：1）弧隙温度。弧隙温度降低越快，弧隙介质强度恢复速率越大。2）弧隙介质特性。不同的灭弧介质中弧隙介质强度恢复速率不同，如图3-22所示。3）灭弧介质的压力。压力高不易击穿产生电弧。4）断路器触头的分断速度。分断越快，开距越大，介质介电强度的恢复速率越大。第四节电弧（2）弧隙电压恢复过程电流过零使电弧熄灭后，电路施加于弧隙的电压，将从不大的电弧电压逐渐增长，一直恢复到电源电压，这一过程中加在弧隙上的电压称为恢复电压。电弧电流过零前，弧隙电压呈马鞍形变化，电压值很低，电源电压的绝大部分降落在线路和负载阻抗上。电流过零时，弧隙电压等于熄弧电压，正处于马鞍形的后峰值处（图3-21的C点），电流过零后，弧隙电压从后峰值逐渐增长，一直恢复到电源电压，弧隙电压从熄弧电压变成电源电压的过程称为弧隙电压恢复过程。电压恢复过程与电路参数、负荷性质等有关。受电路参数等因素的影响，电压恢复过程可能是周期性的变化过程，也可能是非周期性变化过程。这里用ur(t)表示电压恢复过程。第四节电弧交流电弧电流过零自然熄灭后，是否重燃主要取决于弧隙介质介电强度ud(t)的恢复过程和弧隙电压ur(t)的恢复过程。交流电弧的熄灭条件为：ud(t)>ur(t)第四节电弧目前，广泛采用的交流电弧的灭弧方法有以下几种：（1）速拉灭弧（2）冷却灭弧法（3）采用多断口灭弧第四节电弧（4）吹弧或吸弧灭弧法按方向可把吹弧分为：1）横吹。2）纵吹。3）纵横吹。第四节电弧灭弧方法按外力的性质分，有气吹、油吹、电动力吹及磁力吹弧或吸弧等。有的开关采用专门的磁吹线圈来吹动电弧，也有的开关利用铁磁物质如钢片来吸引电弧，这相当于反向吹弧。第四节电弧（5）长弧切短灭弧法（6）粗弧分细灭弧法（7）狭沟灭弧法（8）真空灭弧法（9）六氟化硫（SF6）灭弧法（10）静止油中电弧的熄灭第五节断路器一、断路器概述1、断路器的作用断路器是电力系统及牵引供电系统中的最重要的一种开关电器。它具有两方面的作用：一是控制作用，即根据电力系统的运行要求，接通或断开工作电路；二是保护作用，即在电气设备或线路发生故障时，通过继电保护装置及自动装置使断路器动作，将故障部分从电力系统中迅速切除，防止事故扩大，保证电力系统的无故障部分正常运行。第五节断路器2.对高压断路器的基本要求高压断路器工作的好坏，直接影响到电力系统的安全运行。因此，对高压断路器的基本要求是：（1）工作可靠，具有足够的机械强度和良好的稳定性能（2）具有足够的开断能力（3）具有尽可能短的切断时间（4）具有自动重合闸性能（5）结构简单、价格低廉在满足安全、可靠的前提下，高压断路器还应有机构简单、安装、检修方便、体积小、重量轻等优点。第五节断路器3.高压断路器的分类高压断路器种类很多，按其安装地点的不同可分为户内式断路器和户外式断路器两种。按操动机构可分为：电磁式、弹簧式、液压式、气动式等。按其灭弧的不同，可分为：1）油断路器2）真空断路器3）空气断路器，又称压缩空气断路器。4）SF6断路器5）自产气断路器6）磁吹断路器第五节断路器4.高压断路器的基本参数（1）额定电压UN（kV）（2）额定电流IN（A）（3）额定短路开断电流INbr（kA）（4）额定关合电流INcl（kA）（5）额定热稳定电流It（kA）（6）额定动稳定电流Ies（kA）（7）合闸时间thz（s）（8）全分闸时间tkd（s）第五节断路器(9)额定操作顺序是根据实际运行需要制定的对断路器的断流能力进行考核的一组 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的规定操作。其操作顺序分为无自动重合闸断路器的额定操作顺序和能进行自动重合闸断路器的额定操作顺序两类：无自动重合闸断路器的额定操作顺序。它又分为两种：一种是发生永久性故障断路器跳闸后两次强送电的情况，即“分—180s—合分—180s—合分”；另一种是断路器合闸在永久故障线路上跳闸后强送电一次的情况，即“合分—15s—合分”。能进行自动重合闸断路器的额定操作顺序。该操作顺序为“分—0.3s—合分—180s—合分”。第五节断路器5.高压断路器的型号断路器的类型很多，根据行业标准JB/T8754-2007《高压开关设备和控制设备型号编制方法》的规定，目前我国断路器的型号一般由文字符号和数字按以下方式组成：□□□-□□/□-□其中：第一位表示产品名称：S—少油断路器，D—多油断路器，L—六氟化硫（SF6）断路器，Z—真空断路器，K—压缩空气断路器，Q—自产气断路器，C—磁吹断路器；第二位表示安装地点：N—户内型，W—户外型；第三位表示设计序号，用数字1，2，3，…表示；第四位表示额定电压（或最高工作电压）（kV）；第五位表示补充特性：C—手车式，G—改进型，w—防污型，Q—防震型；第六位表示额定电流（A）；第七位表示额定开断电流（kA）。第五节断路器6.高压断路器的基本结构图3-33高压断路器的基本结构第五节断路器二、真空断路器1.关于真空的基本概念真空是指在给定的空间内绝对压力低于一个大气压力的气体状态。人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状态。真空的程度用真空度表示第五节断路器真空中电极间电弧是这样产生的：当触头行将分离前，触头上原先施加的接触压力开始减弱，动静触头间的接触电阻开始增大，由于负荷电流的作用，发热量增加。在触头刚要分离瞬间，动静触头之间仅靠几个尖峰联系着，此时负荷电流将密集收缩到这几个尖峰桥上，接触电阻急剧增大，同时电流密度又剧增，导致发热温度迅速提高，致使触头表面金属产生蒸发。同时微小的触头距离下也会形成极高的电场强度，造成强烈的强电场发射，间隙击穿，继而形成真空电弧。真空电弧一旦形成，就会出现电流密度在104A/cm2以上的阴极斑点，使阴极表面局部区域的金属不断熔化和蒸发，以维持真空电弧。在电弧熄灭后，电极之间与电极周围的金属蒸气迅速扩散，密度快速下降直到零，触头间恢复高真空绝缘状态。第五节断路器真空中的电弧有两种形态，扩散型电弧和集聚型电弧。第五节断路器2.真空断路器的基本结构真空断路器的结构如图3-36所示。它由真空灭弧室（真空泡）、保护罩（屏蔽罩）、动触头、静触头、导电杆、开合操作机构、支持绝缘子、支持套管、支架等构成，其核心是真空灭弧室（真空泡）。第五节断路器真空灭弧室由真空容器（外壳）、触头系统（包括动触头和静触头）、波形管（不锈钢材料）、保护罩（屏蔽罩）、法兰、支持件等构成,如图3-37所示。第五节断路器第五节断路器3、真空断路器的分类由于真空断路器的灭弧室既可以垂直安装，又可以水平安装，还可以选择任意角度进行安装，因此真空断路器有多种多样的总体结构形式。按真空灭弧室的布置方式可分为落地式和悬挂式两种基本形式，以及这两种方式相结合的综合式和接地箱式。第五节断路器4.真空断路器的操作过电压及抑制方法：用真空断路器断开电路时，可能会出现操作过电压，主要形式有：1）截流过电压，所谓截流就是强制交流电流在自然过零前突然过零的现象，由于电路中存在电感，因此会发生过电压；2）切断电容性负载时的过电压，这是因熄弧后间隙发生重击穿而引起的。所以，真空断路器的重击穿几率越小越好；3）高频多次重燃过电压，断路器开断感性电流时，当间隙被击穿后电弧重燃，因电路参数影响，击穿后电流中含有高频分量。当高频分量的幅值很大时，受其影响，间隙被反复击穿，使负载侧的电压不断升高，从而产生较高的过电压。第五节断路器高压真空断路器常用的抑制操作过电压的方法有：1)采用低电涌真空灭弧室。这种灭弧室既可降低截流过电压，又可提高开断能力。2)在负载端并联电容。既可以降低，也可减缓恢复电压的上升陡度。3)在负载端并联电阻和电容。它不仅能降低截流过电压及其上升速度，而且在高频重燃时可使振荡过程强烈衰减，对抑制多次重燃过电压有较好的效果，电阻一般选100～200Ω，电容选0.1～0.2μF。4)串联电感。可降低过电压的上升陡度和幅值。5)安装避雷器。用它限制过电压的幅值。第五节断路器5.真空断路器的特点真空断路器具有体积小、无噪声、无污染、寿命长、可以频繁操作、不需要经常检修等优点，因此特别适合配电系统使用。此外，真空断路器灭弧介质或绝缘介质不用油，没有火灾和爆炸的危险。触头部分为完全密封结构，不会因潮气、灰尘、有害气体等影响而降低其性能，工作可靠，通断性能稳定。灭弧室作为独立的元件，安装调试简单方便。由于它开断能力强、开断时间短，还可以用作其他特殊用途的断路器。第五节断路器三、高压SF6断路器1.SF6气体的基本特性SF6的分子量为146，它的比重约为空气的5倍，在常温下不易液化。SF6气体是一种无色、无臭、无毒和不可燃的惰性气体，在常温常压下化学性能稳定，具有较高的介电强度，它的绝缘强度是空气的2.5～3倍，是目前最优良的灭弧和绝缘介质。SF6气体具有很强的灭弧能力，静止的SF6气体的灭弧能力比空气大100倍以上。利用SF6气体吹弧时，在气体压力和吹弧速度都不是很大的情况下，就能在高电压下开断相当大的电流。第五节断路器SF6气体灭弧性能的原因主要是：1）SF6气体热热量大。2）SF6气体环境下的电弧能量小。3）SF6气体分子的负电性强。所谓负电性，是指SF6气体分子极易捕获、吸附自由电子形成低活动性负离子的特性。SF6气体负电性强，加强了去游离，降低导电率。在电弧电流过零后，弧柱温度将急剧下降，分解物急速复合。因此，SF6气体弧隙的介质性能恢复速度很高，能耐受很高恢复电压，电弧在电流过零后不易重燃。第五节断路器SF6气体绝缘性能好的原因主要是：SF6气体的分子体积大，使得电子的自由行程减小，从而减少碰撞游离的发生。且SF6气体分子又具有负电性，容易俘获电子形成负离子，使电子失去产生碰撞游离的能力，对去游离有利，故绝缘强度高。SF6的绝缘性能稳定，不会老化变质，当气压增大时，其绝缘能力也随之提高，以此可以提高SF6的使用压力来缩小绝缘尺寸和断路器的体积。第五节断路器2.SF6断路器分类SF6断路器按结构形式可分为落地罐式、瓷柱式和手车式；按灭弧室压力分可分为双压式（复压式）和单压式；按触头工作方式分可分为定开距式和变开距式。第五节断路器高压手车式SF6断路器，适用于三相交流50Hz，35kV，10kV电力系统。可用来分、合额定电流和故障电流，并可用于频繁操作场合，也可作联络断路器和开断关合电容器组断路器。具有结构紧凑、轻巧，检修方便的特点。图3-43是LN2-10型SF6断路器安装在手车上后的外形示意图。第五节断路器第五节断路器第五节断路器第五节断路器第五节断路器第五节断路器第五节断路器