《电力系统及电气设备概论》读书笔记(2)

2电气设备

在第二章电气设备中，主要学到了电气设备概述、水轮发电机、电力变压器、开关电器、互感器、载流导体和绝缘子、雷电的危害及防雷措施、电器设备选择的一般条件这8大块内容。 2.1概述

发电厂和变电站的主要工作是：1生产、输送和分配电能2根据电力系统要求，启动或停止机组，改变运行方式，调整器参数3对电路进行必要的切换4不间断地监视主要设备的工作5周期性地检查和维护主要设备6迅速消除发生的故障

电气设备按照其在电能生产过程中的地位和作用，可分为一次设备和两次设备。

直接生产，输送、分配和使用电能的设备，称为一次设备，主要包括一下几个方面：

1 生产和转换电能的设备；如将机械能转换成电能的发电机，变换电压，传输电能的变压器，将电能变成机械能的电动机等。

2 接通和断开电路的开关设备。如高低压断路器、负荷开关、熔断器、隔离开关、接触器、磁力启动器等。

3 保护电气。如限制短路电流的电抗器、防御过电压的避雷器等。 4 载流导体。如传输电能的软、硬导体及电缆等。 5 接地装置

对一次设备进行监察，测量，控制，保护，调节的补助设备，称为二次设备。 1 测量表计，如电压表、电流表、功率表、电能表用于测量电路中的电器参数。

2 绝缘监察装置 3 控制和信号装置

4 继电保护及自动装置，如继电器、自动装置等，用于监视一次系统的运行状况，迅速反应异常和事故，然后作用于断路器，进行保护控制。

5 直流电源设备，如蓄电池组、直流发电机、硅整流装置等，供给控制保护用的直流电源及用直流负荷和事故照明用电等。

6 高频阻波器

为确保不间断地安全可靠地进行电能生产、电能输送和电能分配，电气设备应满足如下要求：1安全可靠的绝缘2必要的载流能力3良好的机械性能4其他要求。 2.2水轮发电机

水轮发电机时指以水轮机为原动机将水能转化为电能的发电机。水流经过水轮机时，将水能转换成机械能，水轮机的转轴又带动发电机的转子，将机械能转换成电能而输出。是水电站生产电能的主要动力设备。

水轮发电机按轴线位置可分为立式与卧式两类。大中型机组一般采用立式布置，卧式布置通常用于小型机组和贯流式机组。立式水轮发电机按导轴承支持方

式又分为悬式和伞式两种。伞式水轮发电机按导轴承位于上下机架的不同位置又分为普通伞式、半伞式和全伞式。悬式水轮发电机的稳定性比伞式好，推力轴承小，损耗小，安装维护方便，但钢材耗量多。伞式机组总高度低，可降低水电站厂房高度。卧式水轮发电机一般用于转速大于375r/min的情况，以及一些小容量电站。 水轮发电机

水轮发电机由转子、定子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等主要部件组成。定子主要由机座、铁芯和绕组等部件组成。定子铁芯用冷轧硅钢片叠成，按制造和运输条件可做成整体和分瓣结构。水轮发电机冷却方式一般采用密闭循环空气冷却。特大容量机组倾向于以水作为冷却介质，直接冷却定子。如同时冷却定子和转子则为双水内冷水轮发电机组。

水轮发电机的主要技术参数包括：1额定电压，即水轮发电机在额定工况下运行时的线电压。2额定容量，即发电机在额定电压，额定转速，额定功率因素等规定条件下，长时期所能发出的最大有功功率3额定电流，即由发电机额定容量和额定电压所决定的线电流4额定功率因素，即发电机在额定工况下运行的功率因素5额定转速，即发电机在额定工况下每分钟的转速。 2.3电力变压器

变压器是一种静止的电气设备，是用来将某一数值的交流电压（电流）变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压（电流）的设备。

在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。

电力变压器一般是由铁芯、绕组、邮箱、绝缘套管、分接头开关盒冷却系统、保护装置等主要部件组成。 2.4开关电器

开关电器是用来接通和断开电路的电器设备。其主要任务是在正常工作情况下可靠地接通和断开电路；在改变运行方式时灵活地进行切换操作；在系统发生故障时迅速切除故障部分，以保证非故障部分的正常运行；在检修设备时隔离带电部分，以保证工作人员的安全。

电弧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，电器的触头间便会产生电弧。

电弧主要由以下几种危害：

1 延长了开关电器切断故障的时间

2 强大的电弧表面温度可达3000~4000℃，电弧中心温度更高

3 在冲油开关电器中，电弧将使绝缘油强烈分解，产生大量气体，其温度和压力迅速升高，易引起着火甚至爆炸

4 电弧在洛伦兹力作用下，可能飞弧而引起相间或相对地短路，以致造成严重事故或扩大事故

5 电弧可能是电弧熔焊，破坏电器设备的正常工作；亦会产生高次谐波，干扰附近的通信。

断路器有油断路器、真空断路器、六氟化硫断路器、空气断路器、磁吹断路

器以及产气断路器等。

隔离开关是高压开关电器中使用最多的一种电器，顾名思义，是在电路中起隔离作用的它本身的工作原理及结构比较简单，但是由于使用量大，工作可靠性要求高，对变电所、电厂的设计、建立和安全运行的影响均较大。刀闸的主要特点是无灭弧能力，只能在没有负荷电流的情况下分、合电路。

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。熔断器是一种过电流保护电器。熔断器主要由熔体和熔管两个部分及外加填料等组成。使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，起到保护的作用。以金属导体作为熔体而分断电路的电器。串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身将发热而熔断，从而对电力系统、各种电工设备及家用电器起到保护作用。具有反时延特性，当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。因此，在一定过载电流范围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。熔断器主要由熔体、外壳和支座3 部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。 2.5互感器

互感器是按比例变换电压或电流的设备。互感器的功能是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压（100V）或标准小电流（5A或1A，均指额定值），以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。

互感器分为电压互感器和电流互感器两大类，其主要作用有：将一次系统的电压、电流信息准确地传递到二次侧相关设备；将一次系统的高电压、大电流变换为二次侧的低电压（标准值）、小电流（标准值），使测量、计量仪表和继电器等装置标准化、小型化，并降低了对二次设备的绝缘要求；将二次侧设备以及二次系统与一次系统高压设备在电气方面很好地隔离，从而保证了二次设备和人身的安全。

电压互感器按用途分为测量用电压互感器（或电压互感器的测量绕组。在正常电压范围内，向测量、计量装置提供电网电压信息、保护用电压互感器（或电压互感器的保护绕组。在电网故障状态下，向继电保护等装置提供电网故障电压信息。

按绝缘介质分为干式电压互感器（由普通绝缘材料浸渍绝缘漆作为绝缘）、浇注绝缘电压互感器（由环氧树脂或其他树脂混合材料浇注成型）、油浸式电压互感器（由绝缘纸和绝缘油作为绝缘，是我国最常见的结构型式）、气体绝缘电压互感器（由气体作主绝缘）。

通常专供测量用的低电压互感器是干式，高压或超高压密封式气体绝缘(如六氟化硫)互感器也是干式。浇注式适用于35kV及以下的电压互感器，35kV以上的产品均为油浸式。

按电压变换原理分为电磁式电压互感器（根据电磁感应原理变换电压，原理与基本结构和变压器完全相似）、电容式电压互感器（由电容分压器、补偿电抗器、中间变压器、阻尼器及载波装置防护间隙等组成，用在中性点接地系统里作电压测量、功率测量、继电防护及载波通讯用）、光电式电压互感器（通过光电

变换原理以实现电压变换）。

按使用条件分为户内型电压互感器（安装在室内配电装置中，一般用在及以下电压等级）、户外型电压互感器（安装在户外配电装置中）。

按一次绕组对地运行状态分为一次绕组接地的电压互感器（单相电压互感器一次绕组的末端或三相电压互感器一次绕组的中性点直接接地）、一次绕组不接地的电压互感器（单相电压互感器一次绕组两端子对地都是绝缘的；三相电压互感器一次绕组的各部分，包括接线端子对地都是绝缘的，而且绝缘水平与额定绝缘水平一致）。

按磁路结构分为单级式电压互感器（一次绕组和二次绕组）、串级式电压互感器（一次绕组分成几个匝数相同的单元串接在相与地之间，每一单元有各自独立的铁芯，具有多个铁芯，且铁芯带有高电压，根据需要可设多个二次绕组处在最末一个与地连接的单元）。

组合式互感器由电压互感器和电流互感器组合并形成一体的互感器称为组合式互感器，也有把与组合电器配套生产的互感器称为组合式互感器。

电流互感器按用途分为测量用电流互感器（在正常工作电流范围内，向测量、计量等装置提供电网的电流信息）、保护用电流互感器（在电网故障状态下，向继电保护等装置提供电网故障电流信息）。

按绝缘介质分为干式电流互感器（由普通绝缘材料经浸漆处理作为绝缘）、浇注式电流互感器（用环氧树脂或其他树脂混合材料浇注成型的电流互感器）、油浸式电流互感器（由绝缘纸和绝缘油作为绝缘）、气体绝缘电流互感器（主绝缘由气体构成）。

按电流变换原理分为电磁式电流互感器（根据电磁感应原理实现电流变换的电流互感器）、光电式电流互感器（通过光电变换原理以实现电流变换的电流互感器，目前还在研制中）。

按安装方式分为贯穿式电流互感器（用来穿过屏板或墙壁的电流互感器）、支柱式电流互感器（安装在平面或支柱上，兼做一次电路导体支柱用的电流互感器）、套管式电流互感器（没有一次导体和一次绝缘，直接套装在绝缘的套管上的一种电流互感器）、母线式电流互感器（没有一次导体但有一次绝缘，直接套装在母线上使用的一种电流互感器）。 2.6载流导体和绝缘子

载流导体主要包括裸载导体和电缆两大类。绝缘子用来支持和固定架空导线、配电装置母线以及电器设备的带电部分，使带电导体之间或导体与大地之间有足够的距离并绝缘。 2.7雷电的危害及防雷措施

雷电的危害由以下三种情况造成：直接雷击、感应雷击、雷电侵入波。 防雷措施包括：避雷针、避雷线和避雷器。

接地装置是指埋设在地下的接地电极与由该接地电极到设备之间的连接导线的总称。

按接地的目的，电气设备的接地可分为：工作接地、保护接地、保护接零、防雷接地、防静电接地。

工作接地：是为了保证电力系统正常运行所需要的接地。例如中性点直接接

地系统中的变压器中性点接地，其作用是稳定电网对地电位，从而可使对地绝缘降低。

保护接地：也称安全接地，是为了人身安全而设置的接地，即电气设备外壳(包括电缆皮)必须接地，以防外壳带电危及人身安全。

保护接零：在中性点直接接地的低压电网中，把电气设备的外壳与接地的中性线直接连接，以实现对人身安全的保护作用。

防雷接地：是针对防雷保护的需要而设置的接地。例如避雷针（线）、避雷器的接地，目的是使雷电流顺利导入大地，以利于降低雷过电压，故又称过电压保护接地。

防静电接地：对生产过程中有可能积蓄静电荷的设备所采取的接地。

用以实现接地作用的装置称为接地装置。包括自然接地体和人工接地体。 接地电阻是指电流经过接地体进入大地并向周围扩散时所遇到的电阻。大地具有一定的电阻率，如果有电流流过时，则大地各处就具有不同的电位。电流经接地体注入大地后，它以电流场的形式向四处扩散，离接地点愈远，半球形的散流面积愈大，地中的电流密度就愈小，因此可认为在较远处（15~20m以外），单位扩散距离的电阻及地中电流密度已接近零，该处电位已为零电位。图中曲线U=f(r)即表示地表面的电位分布情况（r表示离雷电流注入点的距离）。

接地点处的电位Um与接地电流I的比值定义为该点的接地电阻R，R=Um/I。当接地电流为定值时，接地电阻愈小，则电位Um愈低，反之则愈高。接地电阻主要取决于接地装置的结构、尺寸、埋入地下的深度及当地的土壤电阻率。因金属接地体的电阻率远小于土壤电阻率，故接地体本身的电阻在接地电阻中可以忽略不计

2.8电器设备选择的一般条件

1、正常工作条件主要指设备的额定电压、额定电流和环境条件 （1）额定电压

导体和电器所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，常高于电网的额定电压，故所选电气设备允许最高工作电压Ue不得低于所接电网的最高运行电压UN，即Ue?UN。

一般电气设备允许的最高工作电压：当额定电压在220kV及以下时为1.15；额定电压为330～500kV时为1.1。而实际电网运行的，一般不超过1.1，因此在选择设备时，一般可按照电气设备的额定电压不低于装置地点电网额定电压的条件选择。

（2）额定电流

电气设备的额定电流是指在额定周围环境温度下，导体和电器的长期允许电流（或额定电流）Ie应不小于该回路的最大持续工作电流Imax，即Ie?Imax 由于发电机、调相机和变压器在电压降低5％时，出力保持不变，故其相应回路的Imax=Ie（Ie为电机的额定电流）；母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机或变压器的Imax；母线分段电抗器Imax的应为母线上最大一台发电机跳闸时，保证该段母线负荷所需的电流；出线回路Imax的除考虑线路正常负荷电流（包括线路损耗）外，还应考虑事故时由其它回路转移过来的负荷。

（3）环境条件

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