电气工程基础

电气工程基础

教师：徐潇源教授
学分/学时：4/64
教材：《电气工程基础》，刘笙等，中国科学出版社
参考书目：
《电力系统分析》，何仰赞等，华中科技大学出版社
《发电厂电气部分》，范锡普，中国电力出版社

第一章 引论

电力系统发展历史

电能是现代社会中最重要、也是最方面的能源。

电能优点:

• 易于转化为别的形式的能量：机械能、热能、光能等
• 便于远距离输送（输电线路、电缆）
• 传输速度快、能量大

电力系统是由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消费系统

• 两大电网公司：
  南方电网公司、国家电网公司
• 五大发电集团公司
  华能、华电、大唐、中电投、国电投
• 国家电网公司下属六个分部：
  • 东北分部：辽宁、吉林、黑龙江、蒙东
  • 华北分部：北京、天津、冀北、河北、山西、山东
  • 华东分部：上海、江苏、浙江、福建、安徽
  • 华中分部：河南、江西、湖北、湖南
  • 西北分部：陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆
  • 西南分部：四川、重庆、西藏
• 南方电网：
  广东、广西、云南、贵州、海南

电力系统的组成

发电

发电：利用发电动力装置将一次能源转换为电能，这里的一次能源包括了化石燃料的化学能、水能、核能、太阳能、风能等等。

变电

变电：通过一定设备将电压由低等级转变为高等级（升压）或由高等级转变为低等级（降压）的过程

• 主变压器：简称主变，是变电站的核心部分
• 母线：发电厂或变电站输送电能用的总导线，起着汇集、分配和传送电能的作用
• 断路器：用于切断或闭合高压电路中的负荷电流，而且当系统发生故障时通过继电器保护装置的作用、切断过负荷电流和短路电流，因此具有完善的灭弧结构
  有两方面的作用：
  1、控制作用。根据电力系统运行的需要，将部分或全部电气设备，以及部分或全部线路投入或退出运行。
  2、保护作用。当电力系统某一部分发生故障时，它和保护装置、自动装置相配合，将该故障部分从系统中迅速切除，减少停电范围，防止事故扩大，保护系统中各类电气设备不受损坏，保证系统无故障部分安全运行
• 隔离开关：用于隔离电源和倒闸操作的开关器件，无灭弧功能
• 互感器：包括电流互感器和电压互感器，能将高电压变成低电压、大电流变成小电流，用于量测或保护系统
  一次系统：高电压、大电流（强电）；由发电机、送电线路、变压器、断路器等发电、输电、变电、配电等设备组成的系统
  二次系统：低电压、小电流（弱电）；由继电保护、安全自动控制、系统通讯、调度自动化等组成的系统

输电

输电：即电能的传输，把相距甚远的（可达数千千米）发电厂和负荷联系起来，使电能的开发和利用超越地域的限制

• 绝缘子：输电线路上唯一电气绝缘件和重要结构支撑件
• 避雷线：为了避免输电线路遭受雷击而安装的引雷入地的导线，通过电杆上的金属部分和埋设在地下的接地装置，使雷电流流入大地
• 分裂导线：高压输电线路为抑制电晕放电和减少线路电抗所采取的导线架设方式。一般220kV为2分裂，500kV为4分裂，西北电网750kV为6分裂，1000kV为8分裂
  分裂导线的优势：
  1.增加等效截面积或等效半径，减少电晕损耗
  2.利用集肤效应，增加载流量的同时节约材料（集肤效应：当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小）
  3.与单根导线相比，分裂导线能使输电线的电感减小、电容增大，使其对交流电的波阻抗减小，提高线路的输电能力

配电

配电：在电力系统中直接与用户相连并向用户分配电能的环节

• 国内配电网存在的问题：
  配电网发展滞后，发展不平衡；
  配电网结构薄弱，自动化水平低；
  配电网基础数据差，信息化手段落后；
  城市配电网存在规划混乱的问题。

• 配电网未来的发展方向：
  新能源的大量接入对配电网的安全可靠运行提出挑战
  负荷需求的提高对配电网网络结构建设提出更高要求

用电

负荷：电能用户的用电设备在某一时刻向电力系统取用的电功率，称为电力负荷。

额定电压等级、接线图

• 电力系统基本参量
  
• 额定电压：电力设备正常运行的工作电压
  当输送功率一定时，输电电压愈高，则输送电流愈小，因而所用导线截面积愈小 ；但电压愈高对绝缘的要求愈高，杆塔、变压器、断路器的绝缘投资也愈大。对应于一定的输送功率与输送距离应有一最佳的输电电压
• 电力系统的额定电压等级

例题：

• 电力系统的接线方式

发电厂变电站类型

电力系统运行的特点、要求

特点：
（1）不能大量储存
（2）工况改变迅速
（3）对电能质量的要求严格。

要求：可靠、优质、经济

电能质量：
电压质量：允许偏移为额定值的 ± 5%
频率质量：-允许偏移为额定值的 ± 0.2~0.5Hz
波形质量：畸变率是否超过给定值。

第二章 基本概念

电力与电能系统

• 电力系统中的电能形式
  电场能：电容器的极板间、输电线路间以及输电线对地之间
  磁场能：发电机的定子及转子绕组、变压器绕组、输电线回路及感应电动机定子及转子绕组中
  耗散能：电阻性负荷的热能、输电电阻中的损耗
• 发电机组中能量形式
  机械能（即转子动能与位能）
• 旋转电机中的能量转换
  电功率 ↔ 机械功率（损耗

直流传输

为使具有电阻的输电系统输送功率 , 必须使始端和末端间具有电压差 , 且 ,

若 ，则功率反向流动

交流传输

单相系统

有功功率 规定为 的平均值，其物理意义是被传送的有用功率。
无功功率 定义为 的顶值， 在线路上往返传送，平均值为零，所以是“无用”功率。但它为建立电场和磁场所必需。

电压电流矢量

复功率

视在功率

交流传输与功率方向

在没有有功损耗的情况下，送受两端功率相等

交流电输送的条件：输电线路的始端电压和末端电压之间必须要有相位角

例题：如何判断交流电路中的功率方向？

对称三相系统

对称三相传输系统由对称三相电源和对称三相网络组成。单相传输系统具有功率的脉动特性，三相交流系统可以消除功率和转矩的脉动，且比较经济。

• 三相对称电源
  发电机端电压（相对于中性点的电位）为

线电压是相电压的 倍，条件是对称三相系统。电力装置额定电压都是指线电压。

• 三相功率

三相系统输送的全部三相功率等于三相单相功率之和，即

三相无功功率

三相视在功率

• 连接的三相负载

• 单项分析法

对称三相系统的稳态运行情况，实际上只要进行其中某一相（如a相）的计算，而其他两相即b和c相的电流和电压根据相序关系易于求得。

1. 选择电源的中性点作为电压参考点
2. 如有Δ联结负载，转换成Y联结
3. 将所有元件的中性点相连，计算a相电路，求解a相变量

例题：三相系统交流传输单项分析

第三章 电力系统负荷的运行特性及数学模型

一 电力系统负荷

负荷概念：用户的用电设备所消耗的功率。

电力系统的总负荷＝系统中所有用电设备所消耗功率的总和。

负荷曲线

概念：负荷功率随时间变化的关系曲线，即负荷在某一段时间内变化的规律。

负荷曲线的分类：按功率性质、按时间、按负荷范围

• 日负荷曲线：电力负荷在一日24小时内的变化规律

有功功率和无功功率的最大负荷不同时出现，不同类型的用户其负荷曲线不同

• 负荷特性指标

  • 峰荷：日最大负荷
  • 谷荷：日最小负荷
  • 日峰谷差：

• 日负荷曲线
  一日内所消耗总电能 ，即日负荷曲线下边的面积。若有功功率单位kW，时间单位h，则电能A单位为kW·h

• 日负荷曲线的作用

  • 安排日发电计划
  • 确定各发电厂的发电任务及系统运行方式
  • 计算用户日用电量

---

• 年最大负荷曲线：一年之内系统逐日或逐月的系统最大负荷变化情况
• 年最大负荷曲线作用
  • 制订发电设备检修计划
  • 为新建或扩建电厂容量提供依据

$$\mathbf{P}_\text{s}{\geq}\mathbf{P}\text{max}{+}\mathbf{P}{\mathbb{R}}$$

---

• 年持续负荷曲线：电力系统全年负荷按其大小及其持续运行时间的顺序排列而成的曲线
• 作用
  • 安排发电计划及进行可靠性估计
  • 估算电网全年用电量

电力网全年用电量的估算方法：年最大负荷利用小时数

根据运行经验，已知(全年用电量)

三 负荷特性与负荷模型

• 负荷特性：负荷功率随负荷端电压或系统频率变化而变化的规律。
• 负荷特性包括：电压特性与频率特性
• 负荷模型：负荷模型是指描述负荷端口的功率及电流随其端口电压和频率变化特性的数学方程和相应参数。

第四章（1） 输电线的参数及模型

一 电力线路及结构

架空线路：将导线通过杆塔架设在露天
电缆线路：埋在地底下的电缆沟或者管道中

架空线的结构：导线、避雷线、杆塔、绝缘子、金具

1. 架空导线

   1. 单股线

   2. 单金属多股绞线

   3. 钢芯铝绞线
      钢芯铝绞线：铝制成的导线机械强度较低，为满足机械强度要求，采用钢芯铝绞线。
      JGJ：普通钢芯绞线，LGJQ：轻型钢芯铝绞线，JGJJ：加强型钢芯铝线

   4. 扩径导线

   5. 分裂导线

   为减少电晕损耗和线路电抗，对电压等级在220kV以上的输电线路都采用分裂导线或者扩径空心导线。

2. 避雷线：
   为了避免输电线路遭受雷击而安装的引雷入地的导线，通过电杆上的金属部分和埋设在地下的接地装置，使雷电流流入大地

3. 绝缘子：
   绝缘子使导线和杆塔之间进行绝缘；重要的结构支撑件。

4. 金具：
   支撑、连接导线，使导线固定在绝缘子上，并保护导线、避雷线以及将绝缘子固定在杆塔上。

5. 杆塔：
   支撑导线和避雷线，使导线与导线间、导线与地之间保持一定绝缘距离。(木杆、钢筋混凝土杆和铁塔)

二 三相电力线路的参数计算

电力线路的电气参数是指线路的电阻、电抗、电导和电纳。

电阻 : 反映有功损耗

单位长度直流电阻：

线路实际运行温度非20°C:

电阻温度系数

交流电阻和直流电阻的差别：集肤效应。集肤效应是指导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀的一种现象。

理想中(图左)电子在导体中以平均分布的方式传导流通
集肤效应（图右）则是电子集中在导体的近外肤位置上流通，使横切面的核心部位呈现空泛状态，进而使电流输送量减少。
产生原因：变化的电磁场在导体内部产生了涡旋电场，与原来的电流相抵消。由于导线内截面电流分布不均匀，导线有效电阻（交流电阻）比直流电阻大。
故使用钢芯铝绞线、扩径导线

电抗：反映磁场效应

输电线路的电抗与磁场有关

为导线电感系数()

当磁链随电流做线性变化时，电感系数有下面关系式

非铁磁材料的圆柱形长导线每单位长度的自感

每单位长度的互感

• 对于单股导线

• 对于非铁磁材料的多股线

• 对于钢芯铝绞线

• 三相线路等值电感
  
  
  
  
  

分裂导线的三相输电线电感

计算方式1：

分裂根数为2时

分裂根数为3时

分裂根数为4时

等值半径增大,分裂导线使电感减少

根据电抗和电感的关系 ，
则可得单位长度导体电抗的一般形式

电纳：反映电场效应

输电线路的电纳（电容）与导线周围电场有关。当导线中通有交流电时，其周围就存在电场。电位与电荷密度的比例系数的倒数就是电容。

1）O为参考点，当线电荷+q单独存在时，在P点产生电位为

2）当线电荷-q单独存在时，

在P点产生电位

3）当线电荷+q和-q同时存在时，}\end{array}\mathbf{P}$点的电位为

4）若选与两线电荷等距离处(图中虚线)作为电位参考点

导线A的电位

电纳与电容的关系为

三相普通导线每相电纳为（r本身半径）

2分裂:

3分裂:

4分裂:

或者

电导：反映泄漏和电晕

电导是用来反映泄漏电流和空气游离所引起的有功功率损耗的一种参数。

• 泄漏电流一般忽略
• 考虑电晕现象引起的功率损耗.
  电晕现象就是架空线路带有高电压的情况下，当导线表面的电场强度超过空气的击穿强度时，导线附件的空气游离而产生局部放电现象。发出嘶嘶声，并产生臭氧，夜间可以看到紫色晕光。

线路电导表示如下：

出现电晕的电压为临界电压

影响电晕临界电压因素：材料表面光滑程度、天气、空气密度、材料半径、分裂情况

线路设计时已考虑晴天不发生电晕，可忽略。

---

总结

架空输电线路参数有四个：

1. 电阻：反映线路通过电流时产生的有功功率损耗效应。
2. 电抗：反映载流导体的磁场效应。
3. 电导 ：线路带电时绝缘介质中产生的泄漏电流及导体附近空气游离而产生有功功率损耗。
4. 电纳 ：带电导体周围的电场效应。

输电线路的以上四个参数沿线路均匀分布。

三 三相输电线模型

输电线路方程和等值电路

若长度为 的输电线路，参数均匀分布，单位长度的阻抗和导纳：

在微段阻抗中的电压降为：

流入微段并联导纳中的电流为：

α称为衰减系数，β称为相移系数

忽略电阻及电导时

短输电线路

中等长度的输电线路

长距离输电线路

均匀长线概念

、

在线路上以电磁波形式输送电能，传播速度为

电磁波在线路末端发生反射。在线路上不仅有前进的波，还有反射波，线路上电流和电压是前进波及反射波的合成，它们各以相同的速度及相反的方向移动。反射波增加了线路中的电压和电流。

当输电线路末端接上一负载阻抗等于特性阻抗

距线路末端（x＋1）和x处的电压、电流的比值

$$\begin{cases}\dfrac{\dot{U}_{(x+1)}}{\dot{U}_x}=\dfrac{\dot{U}_2e^{\gamma(x+1)}}{\dot{U}2e^{\gamma x}}=e^\gamma=e^\alpha\cdot e^{j\beta}\dfrac{\dot{I}{(x+1)}}{\dot{I}_x}=\dfrac{\dot{I}_2e^{\gamma(x+1)}}{\dot{I}_2e^{\gamma x}}=e^\gamma=e^\alpha\cdot e^{j\beta}\end{cases}$$

始末端功率

传输效率

当, 即有损耗线路，此时

当,即无损耗线路，此时 ,传输效率最高，此时线路传输的功率或者负载所消耗的功率称为线路自然功率。

线路上任一点电压和电流同相位时，沿线路全长存在着谐振，并在线路上任一段内磁场能量与电场能量时刻相等，即任一段内线路中无功功率损耗恰好等于该段中产生的无功功率。

第四章（2） 三相变压器的参数及等值电路

细节内容略，只记录考试要点，详见电机学

变压器参数计算

变压器的参数是指其等值电路中的电阻，电抗，电导和电纳。变压器的变比也是变压器的一个参数。，，和分别由变压器出厂铭牌上四个数据，即短路损耗、短路电压、空载损耗、空载电流计算得到。

电阻计算

用kW， 用MVA， 用kV，则上式可写成：

标幺值表示

电抗计算

在短路试验中，短路电压等于变压器阻抗在额定

电流下产生的压降，即

电导计算

变压器空载试验所得变压器空载损耗近似等于铁耗，因此，电导可由空载损耗求得

电纳计算

变压器的电纳代表变压器的励磁功率。由于变压器的空载电流包含有功分量和无功分量，与励磁功率对应的是无功分量。

由于有功分量很小，无功分量和空载电流在数值上几乎相等，即。而

所以

例题：有一台SFL120000/110型向10kV网络供电的降压变压器，铭牌给出的试验参数为短路损耗135kW，短路电压百分数为10.5，空载损耗为22kW，空载电流百分数为0.8。试计算归算到高压侧的变压器参数。

三绕组变压器参数计算

三绕组变压器用于连接三个不同电压等级的电网。
下图中三条支路阻抗代表三个绕组的等值电阻和等值漏抗，并联导纳代表变压器的励磁回路。

• 三绕组变压器参数也是由空载及短路试验求得
• 空载试验数据求GT和BT（与双绕组变压器相同）
• 三绕组变压器短路试验是在两个绕组间进行，另一绕组为开路。另外，额定容量不同，将受到较小容量绕组的额定电流的限制。
• 三绕组变压器三个绕组容量比可以为：100/100/100，100/100/50（第三绕组容量为变压器额定容量50%），100/50/100。

电阻计算

各绕组额定容量相同

可得三个绕组的铜耗，分别为

再利用前面双绕组公式计算各绕组的电阻

同理，可求得

由于短路试验时，只能使容量小的绕组达到它的额定电流值，所测得的短路损耗与按额定容量计算的额定电流流过时的短路损耗有差别，必须对工厂提供的短路试验的数据进行折算。

电抗计算

对于短路电压百分数，按国标规定制造厂提供的短路电压是已经归算到变压器额定电流时的数值。因此，绕组的额定容量不相同时，短路电压不需要再进行归算。

然后，求得各个绕组的电抗值

三绕组变压器的绕组在升压和降压变压器中排列不同，因此同一种容量和电压等级的变压器，其短路电压百分比有所不同。

例题：三绕组变压器参数计算

三绕组变压器处在中间位置绕组的等值电抗为负是常见现象。变压器的等值电抗是变压器的两两漏抗的和与差，所以会出现负数。
所求得的变压器等值电抗不是变压器的真实漏抗，而是等值效应。对变压器本身来说，该负值电抗决不能当做一个电容；对外部来讲，它可等值为一个容抗。

第六章 开关电器

电气一次设备

电气一次设备为直接与发配电电路相连的设备

• 进行能量转换的设备：发电机、变压器、电动机
• 接通和开断电路的开关设备：断路器、隔离开关、熔断器、负荷开关
• 连接电路的导体：控制电缆、小母线、连接线
• 限制电流和防止过电压的设备：电抗器、避雷器
• 接地装置

电气二次设备

电气二次设备为对一次设备、其他设备的工作进行监督和控制保护的设备

• 用于反映不正常工作状态：继电器、信号装置
• 测量电气参数的设备：仪表、示波器、录波器
• 控制及自动装置：控制开关，同期及自动装置
• 交换电路电气量，隔离高压的设备：电压互感器PT、电流互感器CT

电弧产生

电弧产生的条件：
当用开关电器断开电路时，如果电路电压>20V, 电流 > 100mA, 触头间就会产生电弧。

电弧定义：高温高导电率的游离气体

电弧的影响：破坏触头；延长断开电路的时间。

一般用来断开电流的开关电器，都备有专门的灭弧装置

电弧产生过程

• 游离：中性质点转化为带电质点（即带正电荷的离子和带负电荷的电子）的过程。
• 电弧的产生和维持是触头间中性质点（分子、原子）被游离的结果
• 弧隙中带电质点不断增多的游离过程可以由各种不同途径发生：① 强电场发射，② 碰撞游离， ③ 热游离，④ 热电子发射

强电场发射

• 过程：断路器触头分开瞬间在触头电极间形成强电场，金属电极表面的电子就会在电场力的作用下被拉出，即发生了所谓强电场发射。

• 影响因素：电压，距离
  金属表面发射电子的数量决定于极间电场强度的高低。当电场强度超过时，即使金属表面温度不高，其电子发射量也会显著增加。

碰撞游离

• 过程：具有一定强动能的电子撞击到中性质点时，使电子被释放，游离成正离子和新的自由电子。
• 当离子和电子达到一定浓度时，具有很大电导，在外加电压作用下，触头间介质被击穿，形成电弧。

热游离

• 过程：在高温下，气体分子和原子热运动加快，它们互相碰撞，在温度足够高时撞击产生离子和自由电子
• 弧光放电时，弧隙中主要的热力过程是热游离。
• 孤光放电后，弧柱中的电位梯度只有10-20V/cm，电子自由行程因带电质点的增加而减小，无法依靠碰撞游离维持弧隙带电质点浓度
• 热游离所需温度：一般气体9000-10000ºC；金属蒸汽4000-5000ºC。
• 电弧燃烧 -> 高温 -> 金属蒸汽 -> 热游离

热电子发射

• 过程：触头分离过程中，电极表面温度升高，从而造成其中的电子获得很大的动能后逸出到周围空间
• 影响因素：阴极材料、表面温度

总结

电弧的产生和维持过程：

• 电弧由碰撞游离产生
• 靠热游离维持
• 而阴极则借强电场发射和热电子发射提供传导电流的电子

电弧间隙的去游离

• 去游离：去游离对应的是弧隙中带电粒子（正离子或自由电子）减少的过程
• 游离和去游离过程同时存在
• 去游离种类：复合去游离和扩散去游离

复合去游离

• 概念：带异性电荷的质点相互接触，交换多余电荷二形成中性质点。
• 方式：电子先附着在中性介质质点上形成负离子，使运动速度减小，易与正离子结合形成中性质点
• 影响因素：电场强度、电弧的温度和截面积。

扩散去游离

• 概念/方式：带电质点从燃弧区域逃逸到周围介质中
• 原因：
  • 两区域的带电质点浓度不同 -> 浓度扩散
  • 温度不同 -> 温度扩散
• 影响因素：电弧表面积，与电弧直径成反比

电弧的熄灭

游离和去游离过程同时存在
电弧的熄灭与否取决于电弧燃烧过程中游离过程和去游离的强弱对比
游离 > 去游离：电弧燃烧更加激烈
游离 = 去游离：电弧稳定燃烧
游离 < 去游离：电弧燃烧减弱并熄灭

交流电弧的特性及熄灭

交流电弧的特性：

• 交流电弧存在自然暂时熄弧点,原因：交流电弧电流每半个周波过零
• 交流电弧具有动态伏—安特性 ,原因：电弧柱具有热惯性,弧隙电压跟不上电流减小的速度
• 交流电弧每半个周波过零一次：交流电弧比直流电弧容易熄灭
• 当电弧过零时，电弧暂时熄灭。此时开始，在电弧间隙将发生两个相互影响而作用相反的过程：
  电压恢复过程 <-> 介质强度恢复过程

介质强度恢复过程

• 定义：电弧间隙中介质所能承受而不被击穿的最大外加电压
• 表示形式：耐受电压
• 影响因素：电弧电流大小、灭弧介质的性质、开关电器灭弧装置结构（触头分离速度）、电弧的冷却条件

电压恢复过程

• 定义：电弧电流自然过零后，施加于弧隙上的电压由息弧电压过渡到电源电压的过程
• 表示形式：触头间电压
• 影响因素：线路结构、参数、负荷性质

交流电弧的熄灭条件

在电弧电流过零，电弧自然熄灭开始：

• Ud(t) >Ur(t) ：熄灭
• Ud(t) <Ur(t) ：介质击穿，电弧重燃

交流电弧熄灭条件 Ud(t) >Ur(t)

熄灭交流电弧的基本方法

1. 采用新型介质熄弧：去游离程度 <- 介质特性

• SF6（六氟化硫）：负电性气体，有很强的吸附电子能力，加强复合去游离
• 真空：自由电子少，减少碰撞游离可能性

2. 利用气体或油吹动电弧
   按吹动气流的方向不同，吹弧可以分为：横吹、纵吹和纵横结合吹弧。
3. 采用多断口灭弧
   在高压断路器中，往往多个断口串联，使每一断口上电压降低，并增加灭弧过程中触头分离速度，加快弧隙电阻增长，从而增大介质强度的恢复速度，所以电弧易于熄灭。
4. 采用特殊金属材料作为灭弧触头
   熔点高、导热系数大、耐高温
5. 采用并联电阻
   断路器触头两端并联小电阻可抑制电弧燃烧及自然息弧后恢复电压的变化，有利于电弧的熄灭；多断口断路器触头上并联高电阻可使断口之间电压分布均匀，充分发挥各断口作用。
6. 其他方法
   采用固体介质狭缝灭弧，把长弧分成串联短弧以及加快断路器触头分离速度

开关电器

开关电器主要任务：

高压断路器

• 作用
  • 控制：正常运行时完成调度指令的投切
  • 保护：故障时切除故障设备
• 要求
  • 正常情况下开断和关合电路
  • 电力系统故障时，应以较短时间将故障部分从电力系统中切除，减轻故障对设备的损害
  • 配合自动重合闸进行多次关合和开断，短时间内连续可靠的关合两次和开断三次断路故障
• 基本类型
  按灭弧介质的不同，断路器可分为
  1. 油断路器（少油断路器，多油断路器）
  2. 压缩空气断路器
  3. 六氟化硫断路器
  4. 真空断路器
  5. 磁吹断路器
  6. 固体产气断路器（简称自产气断路器）
     按断路器安装地点，又可将其分为
  7. 屋内式
  8. 屋外式

SF6断路器

• 结构特点：
• 三个垂直瓷瓶单元，每一单元有一个气吹式灭弧室；
• 每个灭弧室通过与三个灭弧室共连的管子填充SF6气体
• 优点：
• 具有优越的开断能力；
• 具有可靠的绝缘能力：将SF6气体与大地隔开；
• 不排放气体，操作噪音极低，
• 结构简单，重量轻，具有优良的抗震能力。
• 缺点：
• 对结构的密封性、元件加工精度及SF6气体质量的要求高
• 造价高，维护困难
  

基本技术参数

断路器型号

隔离开关

隔离开关是一种没有灭弧装置的开关设备。它一般只用来关合和开断有电压无负荷的线路，而不能用以开断负荷电流和短路电流，它需要与断路器配合使用，由断路器来完成关合、开断任务。

• 特点：
  • 没有灭弧装置的开关设备 -> 不能开断负荷电流和短路电流 -> 与断路器配合使用
  • 形成安全的电气设备检修断口
• 对隔离开关的特殊要求
  • 隔离开关在分闸状态时应有明显可见的断口，使运行人员能明确区分电器是否与电网断开，但在全封闭式配电装置中除外；
  • 隔离开关断点之间应有足够的距离，可靠的绝缘，在任何状态下都不能被击穿而引起过电压危及工作人员的安全；
  • 具有足够的短路稳定性，包括动稳定和热稳定。
  • 隔离开关应结构简单，动作可靠；
  • 带有接地闸刀的隔离开关应有保证操作顺序的闭锁装置，以供安全检修和检修完成后恢复正常运行。
• 类型
  • 安装地点：户内（GN）；户外（GW）
  • 绝缘支柱的数目：单柱式、双柱式和三柱式
  • 刀闸的运行方式：隔离开关可分为水平旋转式、垂直旋转式、摆动式和插入式
  • 有无接地闸刀：带接地刀闸和不带接地刀闸
• 隔离开关的典型结构
  • 户内隔离开关：户内隔离开关有三极式和单极式两种，一般为刀闸隔离开关（GN，一般用于35kV电压等级及以下的配电网装置中）
  • 户外隔离开关：户外隔离开关有单柱式、双柱式和三柱式三种（GW，隔离开关的触头直接暴露于大气中，绝缘强度和机械强度要求高）

隔离开关型号

高压负荷开关

负荷开关主要用于配电系统中关合、开断正常条件下的电流，并能通过规定的异常电流，即负荷开关可以分、合正常的负荷电流和关合短路电流，但不能作为电路中的保护开关，因此它必须与具有开断短路电流能力的断路器或熔断器配合使用，一般将负荷开关与高压熔断器相配合，故障电流的开断由熔断器来完成，负荷开关则负责完成正常负荷电流的分合操作。

• 负荷开关的类型
  • 产气式负荷开关
  • 压气式高压负荷开关
  • 真空负荷开关
  • SF6负荷开关
• 适用范围：
  35kV及以下电压等级的小容量电网：配电系统
• 作用：
  熔体工作时串联在被保护回路中，正常情况下工作电流不应使熔体熔断，当流过熔体的电流超过一定数值（如短路电流或过负荷电流）时，熔体会因自身产生的热量而自行熔断，从而达到切断电路保护电网和设备的目的。
• 熔断过程
  • 熔体熔化时间
  • 熔体熔断 <-> 产生电弧
  • 燃弧时间\
• 熔断器特性
  • 时间-电流特性（安秒特性）
    表示融化时间与通过电流间的关系，随电流增加，熔化时间减小
• 最小熔化电流:
  最小熔化电流（Imin）是熔体熔化必须的最小电流。熔断器不可长期运行在Imin 下。Imin =(1.2~1.5) IN
  额定电流（ IN ）：长期工作而不致熔断的电流
• 高压熔断器类型：
  • 跌落式熔断器
  • 限流式熔断器
  • 熔断器型号的设备标志为R

全封闭组合电器

SF6全封闭组合电器（GIS）是把断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、母线、避雷器、电缆终端盒、接地开关等各种电气元件密封在SF6气体的若干间隔内，并按一定的方式组合起来而构成的一种可靠的输变电设备。

• 优点：
  • 占地面积小
  • 安全可靠
  • 运行安全可靠、维护工作量小、检修周期长
  • 施工工期短
  • 对无线电通信和电视广播无干扰
• 缺点：
  • 造价高、较常规变电站多消耗金属、维修复杂

第七章 电力系统接线

电气主接线基本要求

• 基本概念
  • 电气主接线：将电气一次设备按一定顺序接起来的电路，可表示电能生产流程的电路。
  • 电气主接线图：由各种电气设备的图形符号和连接线组成的表示电能生产流程的电路图。
• 基本要求
  • 可靠性：电力系统最基本的要求
  • 灵活性、方便性、适用性
  • 经济性：投资省、占地面积小、电能损耗少
  • 简化接线
  • 标准化

发电厂、变电所主变压器选择

• 什么是主变压器？
  • 主变压器：发电厂中向电力系统输送功率的变压器；在变电所中向用户输送功率的变压器
  • 联络变压器：用于两种电压等级之间交换功率的变压器
  • 厂用变压器：向厂用电系统供电的厂用变压器
• 主变形式选择
  • 相数：单相、三相 ；≤330kV系统：三相（投资小、电能损失小、占地少）
  • 绕组数：
    • 双绕组：200MW及以上发电机组（分相封闭母线）
    • 三绕组：125MW及以下发电机组
    • 自耦变：110kV及以上电压等级(经济性)
    • 低压分裂绕组：扩大单元接线（限制短路电流）
    • 连接组别：Y和△
      • 110kV及以上，变压器三绕组采用“YN”连接
      • 35kV，多采用中性点经消弧线圈接地的“Y”连接
      • 35kV以下，常采用“△”连接
    • 调压方式：调节发电机出口电压，投切调相机、补偿电容、调节变压器变比（有载调压、无载调压）

发电厂及变电所主接线基本形式

主接线是以电源（发电机、变压器）和引出线为基本环节，以母线（汇流排）为中间环节构成的电能通道。

母线（汇流排）的作用：中间环节，汇总和分配电能。

单母线接线

断路器有灭弧能力，可以用于开断和接通电路，而隔离开关不能。设置断路器是为了实现线路与电源等设备的投切，隔离隔离开关是为了在检修设备时，使其和电源分隔开来，保证检修人员的安全和避免对正常运行设备运行的影响。

• 隔离开关的操作规程：
  先通后断或在等电位状态下进行操作，不能用作操作电器断开电路。
• 优点：
  • （1）接线简单、清晰；
  • （2）采用设备少、投资省；
  • （3）操作方便、便于扩建和采用成套配电装置
• 缺点：
  • （1）母线、母线隔离开关故障或检修期间，连接在母线上所有回路都需长时间停止工作。
  • （2）检修出线回路断路器时，该回路必须停电。

单母分段主接线

单母分段主接线：把单母线分成二段或三段，在各段之间接上分段断路器或分段隔离开关的接线

分段断路器QF

• 优点：
  • 具有不分段单母线简单，清晰，经济，方便等优点
  • 缩小了母线故障和母线检修时的停电范围（停一半）
  • 提高了供电可靠性，灵活性
• 缺点：
  • 当一段母线及母线隔离开关故障或检修时，该母线上的所有回路都要在检修期停电
  • 任一回路断路器检修，该回路停电

单母线带旁路接线

母线W2为旁路母线，断路器QF5为旁路断路器，QS9，QS10， QS5， QS8， QS13为旁路隔离开关

正常运行时，旁路母线W2不带电，所有旁路隔离开关及旁路断路器均断开，以单母线方式运行。

检修断路器QF4（不停电检修） ：

1. 先闭合QS9和QS10，再闭合QF5对旁路母线W2进行充电
2. W2和W1等电位状态下闭合QS8，使得由QF4供电回路可通过旁路母线进行供电
3. 断开QF4以及QS6，QS7

利用旁路断路器替代QF4完成通断电路及保护作用

在电源回路加装与旁路母线相连的隔离开关，就可以不停电检修电源回路断路器

单母线分段带旁路接线

单母线分段的目的：减少母线故障的停电范围

旁路母线的作用：使任意一台出线QF故障或检修时，该回路不停电。

分两种： 采用专用旁路断路器 、分段断路器兼旁路断路器

对单母线的评价：工作母线或母线隔离开关在故障或检修时要停电

双母线接线

QF2：母联断路器

相比于单母线接线，多设置了一组母线，每个回路经断路器和两组隔离开关分别连接到两组母线上，两组母线之间通过母联断路器连接起来。

双母线接线主要优点有：

• 检修任一组母线时，不会中断供电。
• 检修任一回路的母线隔离开关时，只需断开该回路，其它回路倒换至另一组母线继续运行。
• 工作母线在运行中发生故障时，可将全部回路换接至备用母线，迅速恢复供电。
• 任一回路断路器检修时，可用母联断路器代替其工作。
• 方便试验。需要对某回路做试验时，只需把此回路单独切换至备用母线即可。

运行灵活——方式多变：单母分段、单母线、固定联接方式
扩建方便：

可不影响两组母线的电源和负荷自由组合负荷，向母线任意方向扩建。

检修工作母线操作

状态：母联断路器处在断开位置，所有电源、负荷均接在工作母线上，另一组母线W2为备用母线不带电，即双母线接线以单母方式运行。

为了检修工作母线，必须把所有电源、负荷均切换到W2母线，这一操作称为倒排操作（倒闸操作：运行中变更主接线方式的操作）。

1. 合上母联断路器两侧的隔离开关，合上母联断路器，对备用母线充电。
2. （两组母线处于等电位状态，允许采用隔离开关进行操作）先合上与备用母线相连的所有隔离开关，再断开与工作母线相连的所有隔离开关
3. 母线切换完成后，断开母联断路器及其两侧的隔离开关，对原工作母线进行检修。

检修任意回路断路器操作

1. 合上母联断路器两侧隔离开关，合上母联断路器对备用母线进行充电，检查其完好与否；若备用母线完好，则进入 2 ，否则断开母联，直至备用母线故障消除；然后断开母联和需要检修的断路器及其两侧隔离开关；
2. 使欲检修的断路器及其所在线路接地；
3. 将断路器两侧用临时跨条短接，并移走检修断路器；
4. 拆除线路接地，合上线路两侧隔离开关，合上短路的检修回路与备用母线相连的隔离开关
5. 合上母联断路器，使该回路重新进行供电。
   完成上述操作后，该回路可通过母联由工作母线经临时跨条、备用母线继续获得供电，并解决了出线不能无断路器运行的矛盾。

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缺点 ：

• 接线复杂，操作繁琐，容易引起误操作
• 工作母线故障会引起短时停电
• 检修出线断路器会造成该回路短时停电（用临时跨条、母联）
• 占地面积大，投资费用大

改进：

• 在隔离开关和断路器之间装设闭锁装置，运行人员严格按照操作制度进行操作。
• 为避免工作母线故障会造成装置停电的不利现象，可以采取正常运行时两组母线均带电的并列运行的方式。
• 双母单分段、双分段，减少母线故障时的影响
• 加旁母，以避免在检修线路断路器时造成该回路短时停电。

“一个半”断路器接线(3/2接线)

优点：
- 可靠性很高。任一组母线故障或者检修，极端情况下，两组母线同时故障时也不会影响所有回路的工作。
- 运行调度灵活。正常运行时两组母线、全部断路器均投入，从而形成多环形供电，运行调度灵活。
- 检修操作方便。隔离开关只起隔离电压作用，避免用隔离开关进行倒闸操作。任意一台断路器或母线检修，只需拉开对应的断路器及隔离开关，各回路仍可继续运行。

缺点：一个回路故障要跳开两台断路器，增加了维修工作量；二次接线和继电保护比较复杂；投资较大。

注意：

• 为提高运行可靠性，防止同名回路（指两个变压器或两回供电线路）同时停电， 一般采用交替布置的原则
• 重要的同名回路交替接入不同侧母线
• 同名回路接到不同串上
• 把电源与引出线接到同一串上

桥形接线

内桥接线的跨接桥靠近变压器侧，横向桥联断路器位于断路器的内侧。
内桥接线适用范围：
只适用于两台变压器、两条线路的接线；
适用于线路较长，变压器不需经常切换的情形；
线路故障不会影响变压器正常运行；变压器的投切会造成线路退出工作；
适用于穿越功率不大或者几乎无穿越功率的变电所；负荷曲线较平稳

外桥接线的跨接桥靠近线路侧，横向桥联断路器位于断路器的外侧。
外桥接线适用范围：
只适用于两台变压器、两条线路的接线；
变压器的故障不会影响线路的运行；线路故障会使变压器退出工作；
适用于较小容量的发电厂和变电所，负荷曲线变化大，变压器需要频繁切换或线路较短的情况；
可允许适用于线路有穿越功率的变电所的主接线设计

L1故障：仅QF1跳闸，T1及其它回路继续运行

T1检修：

1. 断开QF、QF1，再拉开QS1，出线L1停电
2. 关合QF和QF1，恢复L1供电。

L1故障：

1. QF和QF1同时自动跳闸，T1被切除
2. 断开QS2，合QF1和QF，恢复T1运行。

T1检修：
仅停QF1和QS1 。

单元接线

将发电机、变压器及线路直接连接成一个单元称为单元接线。单元接线主要有三种形式：即发电机—变压器单元、变压器—线路单元及发电机—变压器—线路单元等。
一般应用于下列情况：
- 同一地区有几个大型电厂能源丰富，可以合起来建一个公共的枢纽变电所时。
- 电厂地位狭窄平面布置有困难时。
- 电厂离枢纽变电所较近，直接引线比较方便时。

多角形接线

多角形接线是一种将各断路器互相连接构成闭合环形的一种接线方式，其中没有集中母线，又称为多边形接线或单环形接线。

特点：

• 所用断路器台数与回路数相等，而每个回路都与两台断路器相连和进行操作。因此，在可靠性程度方面，该接线相当于双断路器连接的接线，但费用减小一般。
• 任何一台断路器检修，不需要中断供电，也不需要设置专门旁路装置。
• 不以隔离开关作为操作电器；具有运行灵活，操作方便的特点。

缺点：

• 任一台断路器检修时均需开环运行，降低了此时的系统可靠性；
• 电器选择困难，继保整定复杂；
• 不易发展和扩建。

总结

电力网络接线

1. 简单单母线

单母线接线的工作可靠性和灵活性均较差，无法满足重要用户的供电要求。故单母线接线一般只适用于一台发电机或一台主变压器或出线回路不多的小容量发电厂、变电所中：

6~10kV配电装置出线回路数不超过5回

35~63kV配电装置出线回路数不超过3回

110~220kV配电装置出线回路数不超过2回

2. 单母线分段
   单母线分段接线既保留了单母线接线本身的一些优点，如简单、经济、方便等，又在一定程度上克服了它的缺点，故这种接线目前应用广泛。适用于：

6~10kV配电装置出线回路数为6回及以上时

35~63kV配电装置出线回路数为4~8回及以上时

110~220kV配电装置出线回路数为3~4回时

3. 单母线带旁母
   由于提高了供电可靠性广泛地用于出线数较多的110kV及以上的高压配电装置中，而35kV级及以下的配电装置一般不设旁路母线（尤其是采用了SF6断路器后）。只有在向特殊重要的I、II类用户负荷供电，不允许停电检修断路器时，才考虑设置旁路母线。

4. 单母线分段兼旁母
   在进出线回路数不多的情况下，具有足够高的可靠性和灵活性，较多地用于容量不大的中、小型发电厂和电压等级为35~110kV的变电所中，但对于在电网中没有备用线路的重要用户以及出线回路数较多的大、中型发电厂和变电所，采用上述接线仍不能保证供电的可靠性。

5. 简单双母线
   当出线回路数或电源数较多、输送和穿越功率较大、母线或母线设备检修时不允许对用户停电、母线故障时要求迅速恢复供电、系统运行调度对接线的灵活性有一定要求时采用。用于电网中没有备用线路的重要用户以及出线回路数较多的大中型发电厂和变电所。

6. 双母线分段带旁路
   大规模电力系统中电压等级较高，连接多个电源（发电厂或上一级电源变电站）的大容量枢纽变电所。
   双母线四分段带旁母一般适用于330~500kV的超高压配电装置进出线6回以上。

7. 3/2断路器
   在大容量、超高压配电装置中得到了广泛的应用

8. 桥型接线
   一般可用于条件适合的中小型发电厂，变电站的35～220kV配电装置中，较易发展成为双母线或者单分段接线，可作为过渡接线方式。

内桥接线适用于变压器不需要经常切换、输电线路较长、线路故障断开机会较多、穿越功率较少的场合。

外桥接线适用于线路较短、故障率较低、主变压器需按经济运行要求经常切换以及电力系统有一定的穿越功率通过联桥的场合。

9. 多角形接线
   在110kV及以上配电装置中，当出线回数不多，且发展规模比较明确时，可以采用多角形接线。
   一般以采用三角形或四角形为宜，最多不要超过六角形。
10. 单元接线
    发电机侧。

网络基本接线方式：

• 放射式
• 链式
• 环式
• 多电源环式
• 多电源串链式
• 干线式
• 网格式

短路电流限制

• 短路是电力系统中经常发生的故障；短路电流直接影响电气的安全，危害主接线的运行。
• 当大容量发电厂采用有母线的主接线方式时，短路电流经常可达几万安或者几十万安，为使电器能承受短路电流的冲击，往往需选用加大容量的电器（即重型电器）—加大投资、大开断电流的高压电器制造困难。
• 为能合理选择轻型电器，在主接线设计时可采用限制短路电流的方法。
• 某一电压等级电网的短路电流水平的发展阶段
  • 某一级电压的输电线路刚刚出线，短路电流较小
  • 该级电网成为系统中最高电压主网，短路电流增加
  • 更高一级电压电网出线，高低压环网，短路电流大幅度增加，限制短路电流成为迫切需要解决的问题
  • 原有电压等级电网地位下降，短路电流水平降低
• 短路电流过大的问题与系统结构以及更高一级电压电网的形成相关

限制短路电流措施：

1. 选择合适的网络结构
   • 发展高级电压电网，低压电网分片运行
   • 解列电网
   • 环形接线，开环运行
   • 选择合适的系统接线方式：
     大容量机组的发电厂中采用单元接线
   • 多母线分列运行或母线分段运行
   • 发展直流互联
2. 采用高阻抗设备：高阻抗变压器、发电机，分裂绕组变压器
3. 加装串联电抗器：

• 出线电抗器：主要用来限制电缆馈线回路的短路电流。架空线一般不设
• 母线电抗器：一般装设在母线分段的地方

例题：检修