输变电电气设备与输电网知识

1．电气设备组成

一次设备：直接生产和输送电能的设备（发电机、变压器、主母线、高压互感器、隔离开关等） 。

二次设备:对一次设备进行监视、控制和保护的设备

图1-1 电气设备组成：发电-输电设备

2．一次设备

①生产和转换电能的设备：

发电机-机械能转换为电能；

电动机-电能转化为机械能；

变压器-电压升高或降低，满足输配电需要。

②接通或断开电路的开关电器：正常或事故时，将电路闭合或断开。

断路器，正常时用来接通和断开负荷电流；故障时受继电保护作用，将电路自动断开。

图2-1 断路器

隔离开关，将一次设备与带电部分可靠隔离，没有灭弧装置，因此只有在断路器断开后，才能接通和断开隔离开关。

图2-2 隔离开关

熔断器，熔断器是根据电流超过规定值一定时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开的原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于低压配电系统和控制系统及用电设备中，作为短路和过电流保护，是应用最普遍的保护器件之一。

图2-3 熔断器

接触器，接触器是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常闭触头闭合；常开触头断开。

图2-4 接触器

③限制故障电流和防御过电压的电器

电抗器-限制短路电流，维持母线残压。

避雷器-防御过电压

图2-5 避雷器1

图2-6 避雷器2

④接地装置：电力系统中性点的工作接地或保护人身安全的保护接地，与地中的接地网相连。

⑤载流导体：将电气设备连接起来

母线，汇集和分配电能

架空线，终端线、联络线

电缆，城市、厂站内部或附近、穿越江河或海峡时使用

图2-1 主要电气一次设备的图形符号

3．二次设备

①仪用互感器：将电路中的高电压或大电流转换成低电压、小电流，供给仪表和保护装置使用。

电压互感器PT；电流互感器CT

②测量表计：测量电路中的电气参数。

电压表；电流表；功率因数表

③继电保护及自动装置：迅速反应不正常情况并进行监控和调节。

④直流电源设备：供给控制、保护和厂用直流负荷、事故照明的直流用电。

直流发电机组；蓄电池组；硅整流设备

⑤操作电器、信号设备及控制电缆。

4．输变电电气设备主要内容

4.1电力变压器

4.1.1电力变压器的作用

电力变压器室电力系统中广泛使用的升压和降压设备，它的作用主要有：

①高压输电：

发电机输出电压受绝缘水平限制，最高为20KV左右，如果用这样的电压远距离输电，电流大，功率损耗大。

②在用户端保证使用人员的安全，降低用电设备造价

图4-1 电力变压器图示

4.1.2电力变压器的分类

按用途分：升压变压器、降压变压器、联络变压器、配电变压器

按相数分：单相变压器、三相变压器

按每相绕组的线圈数：双绕组、三绕组、自耦、低压分裂绕组

4.1.3电力变压器的结构

核心设备：铁芯 + 绕组     （本体）

外围设备：

（1）油：绝缘和散热

     需要油的部位：本体、调压开关、引出线

     结构：

储油（油枕）

               吸湿（硅胶）

               监视油位（油枕、调压开关、套管）

               监视油温

               监视油的分解，诊断内部故障（瓦斯继电器）

（2）冷却系统：强迫油循环风冷（大容量变压器）

               风扇

               潜油泵（油流继电器）

图4-2 电力变压器的结构

图4-3 电力变压器实物照片

4.2开关设备

4.2.1开关电器的作用和种类

（1）作用：在正常情况下，由于检修或改变运行方式，将发电机、变压器、线路等接入电网或退出，起控制作用。在故障时，迅速切断故障部分，保证无故障部分正常运行，起保护作用。

（2）种类：

仅用来在正常工作情况下，断开或闭合正常工作电流。如：高压负荷开关、低压闸刀开关、接触器、磁力启动器。

仅用来断开故障情况下的过负荷电流或短路电流。如：高、低压熔断器。

既用来断开或闭合正常工作电流，也用来断开或闭合过负荷电流或短路电流。如：高压断路器、低压空气开关（能起控制和保护的作用）

不要求断开或闭合电流，只用来在检修时隔离电压。如：隔离开关。

4.2.2电弧的形成与熄灭

（1）电弧产生的条件：电源电压大于10~20V，电流大于80~100mA，动静触头分离瞬间，触头间产生电弧。

      触头分开后，电路中有电流，电弧导电，电弧中有大量自由电子。

（2）电弧的危害

电弧的温度很高，可达5000～7000度以上，常超过金属的汽化点，可能烧坏开关电器的金属触头。

烧坏开关电器的绝缘。如，烧坏瓷绝缘的表面，甚至完全损坏，或者使有机绝缘材料炭化，以致失去绝缘性能。

若电弧长时间不熄灭，不仅烧坏开关电器，而且造成系统事故，威胁电力系统安全运行。

（3）电弧产生的物理过程

电弧的产生和维持是触头间中性质点（分子和原子）被游离的结果。游离就是中性质点转化为带电质点。

4.2.3高压断路器熄灭交流电弧的基本方法

结构：灭弧装置 + 操纵机构

（1）灭弧介质具有较高的传热能力、介电强度、热游温度和热容量。

按灭弧介质和灭弧方式分为：多油、少油、压缩空气、SF6、真空

        压缩空气   1   减缓电子运动速度     压力表

        油（氢） 7.5   分解为H2             油压表，油位计

        SF6           100  很强的吸附电子的能力  压力表（0.6MPa左右）

        真空  15  降低电子浓度

图4-4 六氟化硫断路器

(2)采用特殊金属材料作灭弧触头：铜钨和银钨合金

熔点高、导热系数和热容量大的金属，减少热电子发射。

(3)利用气体或油吹动电弧 ：扩散和冷却

空气：2.3MPa   SF6: 0.3~0.6MPa

纵吹、横吹、环吹

(4)采用多断口熄弧 ：在相等的触头行程下，拉长电弧

各断口电压分布基本相等的措施：断路器加并联电容

(5)采用强有力的分闸机构，提高触头分离速度，拉长电弧

操动机构：断路器进行合闸、分闸操作，并保持在合闸状态，这些任务全靠操动机构完成。

操动系统的动作过程，实际上是使操动元件（如合闸元件或分闸元件）获得动能，再通过拐臂和连杆机构，将动能传到触头，去实现合闸或分闸，操动系统中独立于断路器本体的那一部分，称为操动机构。其它作为传递动力的部分，称传动机构。

图4-5 隔离开关示意图

4.2.4 隔离开关

主要用途

没有灭弧功能,隔离电压,倒闸操作

分合小电流：分、合避雷器、电压互感器和空载母线

               分、合励磁电流不超过2A的空载变压器

               关、合电容电流不超过5A的空载线路 

隔离开关的种类

      安装地点：屋内式和屋外式

      绝缘支柱数目：单柱、双柱、三柱

 

图4-4 GW4型隔离开关

4.3电力互感器

互感器包括电流互感器（TA 或CT）和电压互感器（TV或 PT）。

（1）将一次回路的高电压和大电流变为二次回路标准的低电压（100V）和小电流（5A 1A），使测量仪表和保护装置标准化、小型化，并使其结构轻巧、价格便宜和便于屏内安装。

（2）使二次设备与高压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证了设备和人身安全。

CT（电流互感器）

  充油的：                     油位计

  充SF6气体的：          压力表

PT（电压互感器）

  充油的：                     油位计

4.4 避雷器

监视泄露电流

4.5 阻波器

阻止高频信号进入厂站内

      高频保护：线路保护的一种，电网故障时，线路两端的收发讯机发出高于工频（50HZ）的信号，由阻波器限制该高频只在本线路上传输。

      悬挂式、支撑式

图4-5 阻波器

4.6电气主接线及配电装置

（1）各种电气设备根据工作的要求和它们的作用，依一定次序用导线连接成的电路，称为电气接线。

一次设备连接成的电路成为电气主接线。

二次设备连成的电路称为二次电路。

（2）配电装置：

由开关电器、保护和测量电器、母线和必要的辅助设备和建筑物组成的整体，用来接受和分配电能的装置。

按电气设备装设地点，分屋内和屋外配电装置。

图4-5 单母线接线

图4-5 单母线分段

图4-6 双母线带旁路

5．电力网的分类

（1）按作用分

输电网：由发电厂、输电线路及连接这些线路的变电所组成，主要任务是输送电力。电力系统的主网络（主网），电压最高的电网，起骨架作用（网架）。

配电网：由配电线路和配电变电所组成，其任务是分配电力到各配电所，再向用户供电。

（2）按结构分

开式电网：用户只能从单方向得到供电。

闭式电网：用户可从两个及两个以上方向得到供电。    

（3）按电压等级分

低压电网：<1KV              中压电网：1KV～10KV

高压电网：10KV～330KV

超高压电网：330KV～1000KV  

特高压电网：1000KV以上

（4）按研究计算分

地方电力网：≤35kV,几十公里以内,城市、工矿区和农村配电网.

区域电力网： ≤ 110～220kV,供电范围大,我国大部分省(自治区)电力网属于区域电力网。

超高压远距离输电网：≥ 330kV,联系几个区域性电力网形成的跨省(自治区)的电力网。

图5-1 电力网分类示意图