发电厂电气部分第六章习题解答

第6章导体和电气设备的原理与选择

6-1什么是验算热稳定的短路计算时间t k以及电气设备的开断计算时间t br？

答：演算热稳定的短路计算时间t k为继电保护动作时间t pr和相应断路器的全开断时间t br之和，而t br是指断路器分断脉冲传送到断路器操作机构的跳闸线圈时起，到各种触头分离后的电弧完全熄灭位置的时间段。

6-2开关电器中电弧产生与熄灭过程与那些因素有关？

答：电弧是导电的，电弧之所以能形成导电通道，是因为电弧柱中出现了大量的自由电子的缘故。电弧形成过程：⑴电极发射大量自由电子：热电子+强电场发射；⑵弧柱区的气体游离，产生大量的电子和离子：碰撞游离+热游离。电弧的熄灭关键是去游离的作用，去游离方式有２种：复合：正负离子相互吸引，彼此中和；扩散：弧柱中的带电质点由于热运行逸出弧柱外。开关电器中电弧产生与熄灭过程与以下因素有关：⑴电弧温度；⑵电场强度；⑶气体介质的压力；⑷介质特性；⑸电极材料。

6-3开关电器中常用的灭弧方法有那些？

答：有以下几种灭弧方式：

1）利用灭弧介质，如采用SF6气体；2）采用特殊金属材料作灭弧触头；3）利用气体或油吹动电弧，吹弧使带电离子扩散和强烈地冷却面复合；4）采用多段口熄弧；5）提高断路器触头的分离速度，迅速拉长电弧，可使弧隙的电场强度骤降，同时使电弧的表面突然增大，有利于电弧的冷却和带电质点向周围介质中扩散和离子复合。

6-4什么叫介质强度恢复过程？什么叫电压恢复过程？它与那些因素有关？

答：弧隙介质强度恢复过程是指电弧电流过零时电弧熄灭，而弧隙的绝缘能力要经过一定的时间恢复到绝缘的正常状态的过程为弧隙介质强度的恢复过程。

弧隙介质强度主要由断路器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质所决定，随断路器形式而异。

弧隙电压恢复过程是指电弧电流自然过零后，电源施加于弧隙的电压，将从不大的电弧熄灭电压逐渐增长，一直恢复到电源电压的过程，这一过程中的弧隙电压称为恢复电压。电压恢复过程主要取决于系统电路的参数，即线路参数、负荷性质等，可能是周期性的或非周期性的变化过程。

6-5电流互感器常用的二次接线中，为什么不将三角形接线用于测量表计？

答：计量用电流互感器接线方式的选择，与电网中性点的接地方式有关，当为非有效接地系统时，应采用两相电流互感器，当为有效接地系统时，应采用三相电流互感器，一般地，作为计费用的电能计量装置的电流互感器应接成分相接线（即采用二相四线或三相六线的接线方式），作为非计费用的电能计量装置的电流互感器可采用二相三线或三相的接线方式，

6-6为提高电流互感器容量，能否采用同型号的两个互感器在二次侧串联或并联使用？

答：可以将电流互感器串联使用，提高二次侧的容量，但是要求两个电流互感器型号相同。因为电流互感器的变比是一次电流与二次电流之比。两个二次绕组串联后，二次电路内的额定电流不变，一次电路内的额定电流也没有变，故其变比也保持不变。二次绕组串联后，因匝数增加一倍，感应电势也增加一倍，互感器的容量增加了一倍。也即每一个二次绕只承担二次负荷的一半，从而误差也就减小，容易满足准确度的要求。在工程实际中若要扩大电流互感器的容量，可采用二次绕组串联的接线方式。

不能将电流互感器并联使用。

6-7电压互感器一次绕组及二次绕组的接地各有何作用？接地方式有何差异？

答：电压互感器一次绕组直接与电力系统高压连接，如果在运行中电压互感器的绝缘损坏，高电压就会窜入二次回路，将危及设备和人身的安全。所以电压互感器二次绕组要有一端牢固接地。

6-8电流互感器的误差与那些因素有关？

答：电流互感器的电流误差fi及相位差δi决定于互感器铁心及二次绕组的结构，同时又与互感器运行状态（二次负荷Z2L及运行铁心的磁导率μ值）有关。

6-9运行中为什么不允许电流互感器二次回路开路？

答：需要强调的是电流互感器在运行时，二次绕组严禁开路。二次绕组开路时，电流互感器由正常工作状态变为开路状态，I2=0，励磁磁动势由正常为数甚小的10N1骤增为11N1，铁心中的磁通波形呈现严重饱和和平顶波，因此，二次绕组将在磁能过零时，感应产生很高的尖顶电动势，其值可达数千伏甚至上万伏（与Ki及Ii大小有关），危及工作人员的安全和仪表、继电器的绝缘。由于磁感应强度剧增，会引起铁心和绕组过热。此外，在铁心中还会产生剩磁，使互感器准确级下降。

6-10三相三柱式电压互感器为什么不能测量相对地电压？

答：为了监视系统各相对地绝缘情况，就必须测量各相的对地电压，并且应使互感器

一次侧中性点接地，但是，由于普通三相三柱式电压互感器一般为Y ，yn 型接线，它不允许一次侧中性点接地，故无法测量对地电压．假使这种装置接在小电流接地系统中，互感器接成YN,yn 型，既把电压互感器中性点接地，当系统发生单相接地时，将有零序磁通在铁芯中出现．由于铁芯是三相三柱的，同方向的零序磁通不能在铁芯内形成闭和回路，只能通过空气或油闭合，使磁阻变得很大，因而零序电流将增加很多，这可能使互感器的线圈过热而被烧毁．所以，普通三相三柱式电压互感器不能作绝缘监视用，而作绝缘监视用的电压互感器只能是三相五柱式电压互感器(JSJW)或三台单相互感器接成YN,yn 型接线．

6-11 运行中为什么不允许电压互感器二次回路短路？

答：当电压互感器二次侧发电短路时，由于回路中电阻R 和剩余的电抗XL-XC 均很小，短路电流可达到额定电流的几十倍，此电流将产生很高的共振过电压，为此在LL 上关联放电间隙EE ，用以保护。此外由于电容式电压互感器系由电容（C1C2）和非线性电抗所构成，当受到二次侧短路或断开等冲击时，由于非线性电抗的饱和，可能激发产生某次谐波铁磁谐振过电压，为了拟制谐振的产生，常在互感器二次侧接入D 。

6-12 在发电厂中，电压互感器的配置原则有那些？ 答：1）母线；2）线路；3）发电机；4）变压器

6-13 如图6-14所示接线，设25MW 发电机（U N =10.5kV ，I N =1718A ），回路装有仪表：电流表3只，有功功率表、无功功率表、有功电能表、无功电能表、电压表及频率表各1只，互感器距控制室的距离为60m 。试选择该回路中供测量表计用的电流互感器4及电压互感器13。

解：

6-14 选择10kV 配电装置的出线断路器及出线电抗器。设系统容量为150MV A ，归算至10kV 母线上的电源短路总电抗X ?*Σ=0.14（基准容量S d ＝100MV A ），出线最大负荷为560A ，出线保护动作时间t pr ＝1s 。

解：假设选择断路器为SN10-10I I Nbr =16kA ，全分闸时间t br =0.1s ， 基准容量S d ＝100MV A U d ＝10.5kV ，I d =5.5kA

%

33.2%10010000

550010500600)

14.016

5.5(

%100)

'(

(%)*=???-=?-=∑N

d d N Nbr

d L U I U I x t I x

选择4％的电抗NKL-10-600-4，参数如下：

%4(%)=L x kA i es 28.38= s kA t I t ?=2

2

2

)(34计算如下：

3）电压损失和残压校验： 电抗标么值：349.010500

60010000550004.0(%)

*=???

==d

N N d L L U I U I x x

489.0349.014.0**

*=+=+'=∑∑L x x x 短路计算时间：s t t t br pr k 1.11.01=+=+=，查短路电流计算曲线并换算成短路电流有名值，kA I kA I kA I 35.9,9.9,1.12"1.155.0===。

电压损失和残压分别为：

%5%24.26.0600

56004.0sin (%)

(%)max <=??

=≈??N L I I x U

%70~%60%7.806

.01.1204.0"(%)

(%)>=?

==?N

L re I I x U

4）动、热稳定校验。 s

kA s kA t I I I Q k t t k k

k ?

++=

2

222

222

2

2/2

)(34)(42.301.112

35

.99.91.1212

10")

(28.38)(86.301.1255.2"2kA kA I K i sh

sh <=?==

可见，电压损失、残压、动热稳定均满足要求。

6-15 按经济电流密度选择的导体，为何还必须按长期发热允许电流进行校验？配电装置的汇流母线，为何不按经济电流密度选择导体截面？

答：略

6-16 设发电机容量为25MW ，最大负荷利用小时数T max ＝6000h ，三相导体水平布置，相间距离a ＝0.35m ，发电机出线上短路时间t k ＝0.2s ，短路电流I ''=27.2kA ，2

/k

t

I =21.9kA ，

k

t

I =19.2kA 。周围环境温度+40oC 。试选择发电机引出导体。 解：

1）按经济电流密度选择导线截面。 )(18048

.05.10310

2505.1cos 305.13

max A U P I N N =????=

=

?

查图6-17曲线2，得：2/68.0mm A J =，则：)(265368

.018042

max mm J

I S J ===

选择100×10mm 2的三条矩形导体水平布置,允许电流A I C

al 328425

=

，集肤效应

7.1=f

K

截面积为3000mm 2

。当环境温度为C 40时：

)1804()(26813284816.0328425

704070max 2540A I A I K I C al C al =>=?=?--=

?=

2）热稳定校验。正常运行时导体温度：

C I I al al

541681

1804)

4070(40)

(2

22

2

max 000

=-+=-+=θθθθθ

查表6－9，得热稳定系数93=C ，则满足短路时发热的最小导体截面为：

np p k Q Q Q +=

s kA t I I I Q k t t p k

k ?=?++=

++=

2

2

222

22/2)(47.262.012

2

.199.212.2712

10"

发电机出口短路待会，非周期分量等值时间T 取0.2s s kA I T Q np ?=?=?=2

22)(0.1482.272.0" s kA Q Q Q np p k ?=+=+=2

)(47.1740.14847.26

)(3000)(18593

7

.11047.1742

26

min mm mm C

K Q S f

k <=??=

=

满足热稳定要求。

3）动稳定校验。导体自振频率由以下求得：

m kg w b h m /7.2270001.01.0=??=??=ρ

)(10

83.012

1

.001.012

4

6

3

2

m bh J -?=?=

=

Hz Hz m

EJ L

N f f 155)(5227

.21083.010

71

56.36

10

2

2

1>=???=

=

-

可不计母线共振影响。取发电机出口短路时，冲击系数9.0=K ，则

)(17.732.2769.2"29.1kA I i sh =?==

母线相间应力计算如下： )/(264635.0/73170

10

73.1/10

73.12

7

27

m N a i f sh ph =??=??=--

)(10

501.001.05.02

3

6

2

2

m bh W -?=??==

)(10292.510

50101

2646106

6

22Pa W

L f ph ph ?=???=

=

-ρ

母线同相条间作用应力计算如下：

1.0100

10==h b ，

091.0100

10102=+=

+-h

b b b ，

273.0110

304==+-h

b b b

45.012=K ，6.013=K 则：

)

(449701.0/73170

10

)6.045.0(8/10

)(82

9

29

1312Pa b i K K f sh b =??+?=??+=--临界跨距cr L （每相三条铝导体1197=λ）及条间衬垫最大跨距max b L 分别为：

)(822.04497/1.001.01197/44m f h b L b cr =?==λ

)(54.04497/10)2.570(1.0201.0/)(26

max m f h b L b ph

al b =?-?=-=σ

σ

所选衬垫跨距应小于cr L 及max b L 。

6-17 选择100MW 发电机和变压器之间母线桥的导体。已知发电机回路最大持续工作电流I max ＝6791A ，T max ＝5200h ，连接母线三相水平布置，相间距离a ＝0.7m ，最高温度+35oC ，母线短路电流I ''=36kA ，短路热效应Q k =421.1(kA)2

?s 。

解：1）按经济电流密度选择导线截面。

A I 6791max =，h T 5200max =

查图6-17曲线2，得：2

/78.0mm A J =，则：)(870678

.067912

max mm J

I S J ==

=

选择mm r mm C mm b mm h 16,5.12,105,225====的双槽形导体水平布置,导体截面积9760mm 2允许电流A I C

al 1015025

=

，集肤效应系数285.1=f

K

。当环境温度为C

35

时：

)6791()(89511015089.01015025

703570max 2535A I A I K I C al C al =>=?=?--=

?=

2）热稳定校验。正常运行时导体温度：

C I I al al

558951

6797)

3570(35)

(2

22

2

max 000

=-+=-+=θθθθθ

查表6-9，得热稳定系数93=C ，则满足短路时发热的最小导体截面为： 已知：s kA Q k ?=2)(1.421

)(9760)(25093

285

.1101.4212

26

min mm mm C

K Q S f

k <=??=

=

满足热稳定要求。

3）动稳定校验。导体自振频率由以下求得： 取发电机出口短路时，冲击系数9.1=K ，则 )(84.963669.2"29.1kA I i sh =?==

母线相间应力计算如下：

)/(2084225.0/96840

10

5110

5110

)5.0(22

8

2

8

7

2

m N h

i h

i f sh

sh b =??=?=?=---

)(10

5.663

6

m W W Y -?==

)1069()(10612.210

5.66121

208416

.4126

66

2

2

2

Pa Pa hW L i W L f al Y

b sh Y

b b b ?=

==

-ρρ