变配电技术.docx

1、变配电技术第七章 变配电技术第一节 电力系统概要一、电力系统组成电力系统是由发电厂、送电线路、变电站、配电网和电力负荷组成的系统，是将生产、输送、消费电力的环节经电力网有机联结成的整体。简单的电力系统见图7-1。图7-1 电力系统 发电厂将燃料的热能、水的位能或动能、核能等转换为电能。电力系统至少含有两个以上的发电厂。发电机输出的电压一般需要升压后送往送电线路。送电线路指电压35kV及35kV以上的电力线路。送电线路是电力系统的主要网络。其作用是将电输送到各个地区的区域变电站和大型企业的用户变电站。送电线路分架空线路和电缆线路。变电站构成电力系统的中间环节，用以汇集电源、升降电压和分配电力。可

2、分为区域变电站（中心变电站）和用户变电站。配电网由电压10kV及10kV以下的配电线路和相应电压等级的配电站组成。其作用是将电能分配到各个用户。配电线路也有架空线路与电缆线路之分。电力负荷包括国民经济各部门用电及人民生活用电的各种负荷。二、电能质量指标电压及对称性、频率、波形、可靠性是电能的基本质量指标。电压主要受系统内无功功率的影响。电压指标通常用用户受电端电压与系统额定电压偏差的相对值来衡量。电压偏差的相对值表示为式中，U和UN分别表示实际电压和额定电压。用户电压太低的危害是： 电动机起动困难甚至无法起动； 电动机转速下降，对于恒功率负载，电流增大，发热增加； 用电设备达不到额定出力； 装

3、有欠电压保护的设备停机或不能起动； 灯具发光效率降低，气体放电灯起动困难或无法起动； 无线电设备工作质量下降。用户电压太高有增加线路和设备发热，缩短其使用寿命等危害。用户供电电压允许变化范围见表7-1。三相电压不对称不得超过5%。各相电压应依次相差120。电压波形应为正弦波形。 表7-1用户供电电压允许变化范围线路额定电压UN电压允许变化范围35kV及以上10kV及以下低压照明农业用电5% UN7% UN+5% UN -10% UN+5% UN -10% UN频率主要受系统中有功功率的影响。电力网频率允许偏差见表7-2。 表7-2 电力网频率允许偏差运行情况频率允许偏差 /Hz正常运行中、小容

4、量系统大容量系统0.50.2事故运行30min以内15min以内不允许11.5-4 按照可靠性的要求，10kV系统每年停电不应超过3次。第二节 企业供电企业供电系统由高压配电线路、变电站、配电室、低压配电线路等组成。企业供电方式决定于高压受电距离、企业总负荷的大小和负荷的分布、负荷的性质等因素。一、负荷分级根据供电可靠性的要求及中断供电在政治上、经济上造成损失的大小或影响程度，用电负荷分为以下三级：(1)一级负荷 指中断供电将造成人身伤亡，或造成重大经济损失，或影响有重大政治意义、经济意义的用电单位的正常工作的负荷。其中，中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，应视为特别重要的一级负荷。(

5、2)二级负荷 指中断供电将在政治上、经济上造成较大损失，或中断供电将影响重要用电单位的正常工作的负荷。(3)三级负荷 指不属于一级、二级负荷的负荷。一级负荷应由两个电源供电，而且当一个电源发生故障时另一个电源不得同时受到损坏。对于特别重要的一级负荷，除两个电源外，还应增设应急电源。二级负荷宜由双回线路供电。当取得双回线路有困难时，允许由一回专用线路供电。三级负荷对供电无特殊要求。二、供电电压从前级变电站给用户供电的供电电压主要决定于用户负荷大小和受电距离。各种供电电压的合理供电容量和供电距离可参见表7-3。 表7-3线路供电容量和供电距离供电电压 /kV线路类型供电功率 /kW供电距离 /km

6、0.4架 空 线1000.250.4电 缆1750.3510架 空 线300051510电 缆50001035架 空 线2000100002050 就电压等级而言，电力用户主要有以下四种供电方式：进线电压35kV，经总变电站降低为10kV分送到各车间，再经车间变电站降低为0.4kV送往配电箱或用电设备。这种供电方式适用于大型企业和大中型企业。进线电压10kV，经总配电站分送到各车间，在车间变电站降低为0.4kV送往配电箱或用电设备。这种供电方式适用于中型企业。进线电压10kV，经变电站降低为0.4kV分送到各车间，再经车间配电室送往配电箱或用电设备。这种供电方式适用于中小型企业和小型企业。进线

7、电压0.4kV，经配电室送往配电箱或用电设备。这种供电方式适用于小型企业。这种用户叫做低压用户。三、企业配电1企业高压配电企业高压配电有放射式、树干式、环式等三种基本方式。放射式配电是经一条母线分别给大型电动机、电炉变压器、电力变压器送电的配电方式。放射式配电的优点是各线路上的故障不影响其他线路，配电可靠性高；各线路继电保护容易整定，便于实现自动化。放射式配电适用于负荷地点分散，但大型负荷集中的企业。树干式配电是由一条干线引下若干支线向用电负荷送电的配电方式。树干式配电可节省投资、简化线路结构，但由于一条线路的故障可能影响到其他线路，供电可靠性较低。环式配电是树干式的一种。正常时也是开环运行。

8、不同之处在于每一干线各自成环。其配电可靠性较高。2企业低压配电企业低压配电有放射式、树干式、混合式及链式等方式。低压放射式配电（图7-2）与高压放射式配电相似，可靠性高。低压树干式配电的机动性差、可靠性低，纯树干式配电极少采用。 图7-2 低压放射式配电 图7-3 低压混合式配电1-配电站；2-配电箱；3-大型设备 1-配电站；2-主干线兼有树干式特点和放射式特点的混合式配电又叫变压器-干线式配电（图7-3）。其结构比较简单，配电适应性强，应用比较广泛。链式配电如图7-4所示。这种配电方式只用于车间内相互距离近、容量又很小的同类型用电设备。链式配电接线简单但可靠性低。图7-4 低压链式配电第三

9、节 变配电站一、变配电站组成35kV及35kV以上的变配电站，由于变、配电设备体积较大，要求的安全间距也较大，为了节省投资，多建成室外变配电站。室外变配电站占地面积大、建筑面积小、土建费用低、受环境的影响比较严重。10kV及10kV以下者，由于变、配电设备的体积和安全间距较小，为了便于管理，多建成室内变配电站。室内变配电站占地面积小、建筑费用高。在人员密集的场所和污染严重的场所，宜采用全封闭的箱式成套变电站。一般变配电站由高压配电室、低压配电室、值班室、变压器室、电容器室等组成。变配电站装有电力变压器、高、低压开关电器、电力电容器、高、低压母线、仪用互感器、测量仪表、继电保护装置等多种高、低压

10、电气设备。二、变配电站主接线变配电站的主接线是变配电站变压器、断路器等高压电器、互感器、母线等主要一次设备的连接方式。变配电站的主接线用单线图表示。单线图是用一条线代替同样功能和同样连接的三条线以表示三相电路。图7-5所示为几种常见主接线方式。 图7-5 变配电站主接线(a)线路变压器式接线 (b)单电源单母线接线 (c)双电源单母线分段接线第四节 电力变压器和互感器变压器变配电站的核心设备。电力变压器是静止的电气设备，起升高或降低电压的作用。工业企业的变压器大部分是起降低电压作用的。通常是把1035kV的高压电降低为0.4kV的低压电，供给电气设备使用。这种变压器称作配电变压器。一、变压器原

11、理电力变压器的电磁部分由铁心和线圈组成。其基本原理是电产生磁和磁产生电的作用。变压器的原理如图7-6所示。当一次边接通电源时，一次电流I1在铁心内产生磁通 。该图7-6 变压器的原理磁通同时通过一次线圈和二次线圈，在一次线圈和二次线圈内产生感应电动势E1和E2。图中，N1和N2是一次线圈和二次线圈的匝数。按照电磁感应定律，感应电动势与线圈的匝数成正比，即二者符合以下关系：不难证明，E1和E2分别为于是，电压与匝数就有了以下关系：即变压器的端电压近似与线圈匝数成正比。变压器一次额定电压与二次额定电压之比称作变压器的变压比。又由于变压器是传送电能的设备，本身消耗的功率很小，其一次边的容量与二次边的

12、容量近似相等，即S1=U1I1S2=U2I2。由此可以得到即变压器的电流近似与匝数成反比。由以上规律可以知道，变压器高压侧电流小，而低压侧电流大。二、电力变压器结构1油浸式变压器非封闭油浸式电力变压器和全封闭油浸式电力变压器的外形见图7-7。 (a) (b)图7-7 油浸式电力变压器外形(a)S9系列油浸式电力变压器 (b) S9-M系列全封闭油浸式电力变压器非封闭油浸式电力变压器由器身、油箱、冷却装置、保护装置和出线装置组成。器身包括铁心、绕组（线圈）、绝缘、引线和分接开关；油箱包括油箱本体和油箱附件（放油阀、接地螺钉、小车、铭牌等）；冷却装置包括散热器和冷却器；保护装置包括油枕、油标、防爆

13、管、吸湿器、测温元件和气体继电器；出线装置包括高、低压套管。变压器的铁心是由铁心柱和铁轭组成的闭合磁路，用厚度0.3mm左右的硅钢片叠压而成。变压器绕组套装在铁心（柱）上，用绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制而成。 油浸式电力变压器的铁心和绕组都浸没在绝缘油里。变压器里的油兼有散热、绝缘、防止内部元件和材料氧化以及内部发生故障时熄灭电弧的作用。容量稍大的变压器，油箱外焊有散热管，油经过油箱的散热管循环流动，把绕组的铁心发出的热量散发到空气中去。大型变压器还可采用加装风扇、强迫油循环以及水内冷等冷却方式。油箱是油浸式变压器的外壳。其作用除装油外，还用来安装其他部件。非封闭油浸式电力变压器油箱四周的散热管

14、或散热片的作用是散发热油携带的热量。全封闭油浸式电力变压器油箱的波纹结构有良好的伸缩性能，能适应油箱内油的体积随温度升降而发生变化的需要。油箱底部的侧面有用于放油和取油样的放油阀和用于接地的螺栓。 非封闭油浸式电力变压器油箱上方窄端一侧装有油枕。油枕的下部有油管与油箱连通。油枕的作用是给油的热胀冷缩留有缓冲余地，保持油箱始终充满油；同时，由于有了油枕，减小了油与空气的接触面积，可减缓油的氧化。油枕上有油标，供观察之用。油枕经呼吸器或注油器与外界相通。油枕上还有集污盒、取油样放油阀、注油孔等附件。非封闭油浸式电力变压器油枕的下方或侧面装有呼吸器（吸湿器）。呼吸器主要由玻璃筒、干燥剂（硅胶）、底罩

15、（盛油槽）、连接管等组成。其连接管上方伸进油枕，且其上端高出油枕内油面。呼吸器是变压器油枕的内部空间与变压器外部空间连接的通道。外部空气进入变压器内部时，空气先经过呼吸器底罩内的变压器油过滤，再经过干燥剂吸潮。其作用是使油箱内、外压力保持一致；并减缓油箱内变压器油的氧化和受潮。非封闭油浸式电力变压器装有气体继电器。变压器的气体继电器安装在变压器油箱与油枕之间连接油管的中部。气体继电器的作用是当变压器内部发生故障时给出信号或切断电源。 800kV A及以上的非封闭油浸式电力变压器的油箱顶盖上装有防爆管。防爆管下端与变压器油箱相连、上端弯曲向外。当变压器内部发生放电等严重故障，内部压力剧增时，安全

16、阀片被冲破，泄去变压器内部压力，防止变压器变形或爆炸。全封闭油浸式电力变压器的油箱顶盖上装有泄压阀。其作用也是泄放变压器内部发生严重故障时急剧增大的压力。高、低压绝缘套管位于变压器油箱顶盖上。油浸式变压器一般采用瓷质绝缘套管。绝缘套管的作用是使高、低压绕组引线与油箱保持良好绝缘，并对引线予以固定。 油浸式电力变压器油箱内装有分节开关。其作用是通过改变变压器一次绕组抽头，借以改变变压比，调整二次电压的专用开关。 安装在变压器油箱顶盖上的温度计插孔内的温度计或测温元件用于测量油温。 除上述保护装置和安全配件外，变压器还有接地螺钉、油箱放油阀、小车等附件。2干式变压器干式电力变压器的外形见图7-8。

17、图7-8 干式电力变压器的外形干式变压器没有油箱和变压器油，在很大程度上排除了火灾、爆炸隐患。由于空气的绝缘强度和散热性能都比绝缘油差，干式变压器有效材料消耗量比油浸式的大，但体积较小、重量较轻。 干式变压器有开启式、封闭式、浇注式等结构类型。干式变压器的铁心与油浸式变压器基本相同。容量较大者，铁心中有通风气道。干式变压器的高压绕组一般采用三角形接法。浇注式干式变压器的绕组采用玻璃纤维绝缘，并用环氧树脂浇注成型，强度高。绕组表面绝缘层很薄，散热性能好；薄绝缘层内外温差小，不容易开裂。真空下浇注的环氧树脂不留空隙，能防止局部放电；还能减小干式变压器的噪声。固体绝缘具有难燃性能，防火性能好。干式变

18、压器绕组外层还喷涂防潮覆盖漆。树脂浇注的干式变压器多为F级绝缘，最高工作温度允许达到155C。干式变压器采用树脂浇铸的高、低压套管，并配有相应的端子。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40% 50%。适用于断续过负荷运行，或应急事故过负荷运行。强迫空气冷却的装有专用风机。三、电力变压器运行 新投入的变压器带负荷前应空载运行24h。运行中变压器的运行参量应当符合规定。例如，高压侧电压偏差不得超过额定值的5%、Y,yn0接法者低压中性线最大电流不得超过额定电流的25%、D,yn11接法者低

19、压中性线最大电流不得超过额定电流的75%、温度和温升不得超过规定值；声音不得太大或不均匀；套管应保持清洁、外壳和低压中性点接地应保持完好、接线端子不应过热等。 变压器允许过负荷运行，但允许过载的时间必须与过载前上层油温和过载量相适应。油浸式电力变压器的允许过载时间可参考表7-4确定。 表7-4油浸式电力变压器允许过载时间 /min过负载量/%过 载 前 上 层 油 温 /18243036424854535032529024018090101023020517013085101517014511080352012510075452595755025307050303555351540402545

20、25105015 油浸式电力变压器采用的绝缘纸、木材、棉纱是A级绝缘材料。由于A级绝缘材料的最高工作温度为105，变压器发热元件温度不得超过105。因此，绕组温升不得超过65；铁心表面温升不得超过70；油箱上层油温最高不得超过95，但为了减缓变压器油变质，上层油温最高一般不应超过85。 干式变压器所在环境的相对湿度不超过7085。干式变压器承受冲击过电压的能力较差，不宜直接与架空线路相连。否则，应加特殊防雷保护，限制大气过电压幅值不超过工频试验电压幅值。干式变压器的最高允许温度不应超过生产厂家提供的数据。如无相应资料，可参考表7-5的数据。表7-5 干式变压器的允许温度绝缘等级BFH绕组温升

21、/K80100125参考平均温度 /100120145绕组热点温度 /120145175干式变压器的过载能力与环境温度、过载前的负载情况、变压器的散热条件情况和发热时间常数等有关，并应按照生产厂提供的过负荷曲线确定。 四、互感器 互感器的原理与变压器相似。其功能是把线路上的高电压变换成低电压，把线路上的大电流变换成小电流，以便于各种测量仪表和继电保护装置使用。变换电压的叫电压互感器、变换电流的叫电流互感器。有了互感器，不但大大简化了仪表和继电器的结构，有利于仪表和继电器产品的标准化，而且能使工作人员远离高压部分，免受高压威胁。我国生产的电压互感器二次边额定电压均为100V；我国生产的电流互感器

22、二次边额定电流均为5A。1电流互感器 电流互感器类似一台一次线圈匝数少、二次线圈匝数多的变压器。由于一次线圈串联在主线路中以及二次边串联的是阻抗很小的电流表和其他仪器仪表的电流线圈，运行中的电流互感器类似工作在短路状态的变压器。电流互感器按照一、二次电流与一、二次线圈匝数成反比的规律检测一次电流。电流互感器的一次电流决定于一次负荷的大小，而与二次负荷无关。在规定的范围内，电流互感器的二次电流与二次负荷无关，只决定于一次电流的大小。 电流互感器的种类很多。按绝缘型式，可分为瓷绝缘、浇注绝缘等型式的电流互感器；按安装方式，可分为支柱式、穿墙式、母线式等型式的电流互感器。电流互感器的示意图和符号见图

23、7-9。图7-9 电流互感器2电压互感器 电压互感器与变压器的工作原理完全相同。电压互感器二次边并联连接的是阻抗很大的电压表和其他仪器仪表的电压线圈。因此，运行中的电压互感器类似工作在开路状态的变压器。电压互感器的一次电压与二次负荷无关；在规定的范围内，电压互感器的二次电压也与二次负荷无关，而只决定于一次电压。 电压互感器的种类也很多。按绝缘型式，分为油浸式、干式、浇注式等型式的电压互感器；按照相数，分为单相电压互感器和三相电压互感器；按结构型式，分为五柱三线圈式、接地保护式、带补偿线圈式等型式的电压互感器。电压互感器的接线和符号见图7-10。 图7-10 电压互感器接线 (a) 单台互感器接

24、线 (b) V/V接线 (c) Y0/Y0/开口D接线第五节 高压电器一、高压熔断器 高压熔断器是最简单的高压保护电器，主要用于635kV小容量变压器、输电线路等装置的短路保护和过载保护。高压熔断器分为户内型管式熔断器和户外型跌开式熔断器。1户内型管式熔断器户内型管式熔断器由瓷质熔管、熔断指示器、金属管帽、弹性触座、熔断指示器、接线板、绝缘子、底座组成。其结构见图7-11。图7-11 户内型管式高压熔断器1-瓷质熔管；2-金属管帽；3-弹性触座；4-熔断指示器；5-接线板；6-绝缘子；7-底座熔断器的瓷管内充有直径0.20.3mm的石英砂。熔体熔断时伸入石英砂缝隙中的金属蒸气受到很强的去游离作

25、用和冷却作用，使得电弧很快熄灭。为了有效地灭弧，采用多根并联的熔体。这样一来，就能在熔体熔断时产生多条并列的电弧，即将粗大的电弧分成多条细小的电弧，加速电弧的熄灭。2户外型跌开式熔断器户外型跌开式熔断器的外形见图7-12。正常工作时，张紧的熔丝使熔丝管上端的活动关节锁紧，熔丝管处在接通位置。熔丝熔断时，活动关节松开，由熔丝管的自重和上触头（静触头）推力的作用，熔管绕下端的绞轴回转，熔丝管翻落开来，借以实现断路。熔丝管是用钢纸等固体产气材料制作的。熔丝管下端开启；上端用压盖封闭，可防止雨水进入管内。 图7-12 跌开式熔断器的外形 熔丝熔断时，熔丝管内壁在电弧高温的作用下分解出大量气体，沿熔丝管

26、下口纵向吹出电弧，使电弧熄灭；熔管外电弧则随着熔管翻落迅速拉长而熄灭。分断很大的电流时，管内压力很大，可冲开熔管上端的压盖，两端排气吹灭电弧，以避免可能的机械破坏。熔丝熔断后，熔管下垂，形成明显可见的断开点。 跌开式熔断器除有过电流保护功能外，还可用来接通和分断空载架空线路、空载变压器和小负荷电流。二、高压隔离开关 隔离开关没有专门的灭弧装置，而不能用来接通和分断负荷电流，不能用来切断短路电流。在合闸状态，隔离开关应能可靠地通过负荷电流和短路电流。隔离开关主要用来隔断电源，以保证检修和倒闸操作的安全。10kV户内用高压隔离开关只可用来操作避雷器、电压互感器、励磁电流不超过2A的空载变压器以及电

27、容电流不超过5A的空载线路。 10kV户内用高压隔离开关的结构见图7-13。开关主要由片状静触头、双刀动触头、瓷绝缘、传动机构（转轴、拐臂）和框架（底座）组成。动触头两条铜板之间装有夹紧弹簧。两条铜板流过同方向的电流时，产生向内的作用力，可提高运行的稳定性。额定电流1000A以上的隔离开关动触头两条铜板的外侧，贴装着镀锌钢板。其作用是加大动触头的电动夹紧力。高压隔离开关分断时有明显可见的断开点。10 kV户内用隔离开关是三极开关、10kV户外用隔离开关是单极开关。图7-13 高压隔离开关1-上接线端；2-静触头；3-双刀动触头；4-套管绝缘子；5-下接线端；6-框架；7-转铀；8拐臂；9-操作

28、绝缘子；10-支持绝缘子三、高压负荷开关 高压负荷开关有比较简单的灭弧装置，用来接通和断开负荷电流。就分断能力而言，负荷开关是介于隔离开关与断路器之间的一种高压开关。高压负荷开关的种类很多。仅就灭弧介质而言，就有气体灭弧、油灭弧、六氟化硫（SF6）灭弧、真空灭弧等多种高压负荷开关。产气式高压负荷开关的灭弧室用有机玻璃等胶木材料制成，在电弧高温的作用下，灭弧室分解出大量的气体吹灭电弧。其结构见图7-14。 图7-14 高压负荷开关1-框架；2-分闸缓冲器；3-绝缘拉杆；4-支持绝缘子；5-出线；6-弹簧；7-主闸刀；8-弧闸刀；9-主触头；10-弧触头；11-喷口；12-出线；13-气缸；14-

29、活塞；15-主轴；16-分闸弹簧负荷开关的灭弧能力比断路器差得多，原则上只能用来接通和分断负荷电流，而不能用来切断短路电流。因此，负荷开关必须与有高分断能力的高压熔断器配合使用，由熔断器切断短路电流。装有熔断器击发机构的负荷开关在熔丝熔断后能自动分闸。四、高压断路器 高压断路器是高压开关设备中最重要、最复杂的开关设备。高压断路器有强有力的灭弧装置，既能在正常情况下接通和分断负荷电流，又能借助继电保护装置在故障情况下切断过载电流和短路电流。而且，很多高压断路器还可以借助自动装置实现自动重合操作。显然，高压断路器是能够实现控制与保护双重作用的电器。1少油断路器SN10-10型高压少油断路器的外形见

30、图7-15。少油断路器的上帽、底座是带电的，漆成红色，并由支持绝缘子与接地构件绝缘。少油断路器采用横吹、纵吹和机械油吹灭弧方式。少油断路器可配用直流电磁操作机构或弹簧储能操作机构。少油断路器结构不复杂、开断电流大、开断时间短，可用于各级电压的户内、外变电站。图7-15 框架式少油断路器的外形2真空断路器真空断路器的外形见图7-16。图7-16 真空断路器的外形真空断路器主要由导电部分、真空灭弧室、绝缘部分及传动部分组成。灭弧室内的真空度为1.3310-21.3310-4Pa（10-410-6 mmHg）。真空断路器的触头为对接式触头，10kV断路器的触头开距为1216mm。 真空断路器体积小、动作快、能频繁操作、防爆性能好、维护简单，但操作过电压较高、造价较高。真空断路器切断电感性小电流时，会产生较高的过电压。因此，用真空断路器控制高压电动机时，电动机应并联阻容保护电路或采取其他过电压抑制措施。基于同