第二章-供配电系统的主要电气设备

第二章供配电系统的主要电气设备第二章供配电系统的主要电气设备第一节电气设备概述第二节电力变压器和互感器第三节高低压开关电器第四节高低压熔断器和避雷器第五节无功补偿设备和成套配电装置第一节电气设备概述(１)变换设备指按系统工作要求来改变电压、电流或频率的设备，例如电力变压器、电压互感器、电流互感器及变流或变频设备等。(２)控制设备指按系统工作要求来控制电路通断的设备，例如各种高低压开关。(３)保护设备指用来对系统进行过电流和过电压保护的设备，例如高低压熔断器和避雷器。(４)无功补偿设备指用来补偿系统中的无功功率、提高功率因数的设备，例如并联电容器。(５)成套配电装置它是按照一定的线路方案的要求，将有关一次设备和二次设备组合为一体的电气装置，例如高低压开关柜、动力和照明配电箱等。第二节电力变压器和互感器一、电力变压器(一)概述１.电力变压器的类型２.电力变压器的联结组别图２-１变压器Ｙｙｎ０联结组第二节电力变压器和互感器(１)Ｙｙｎ０联结和Ｄｙｎ１１联结的两种配电变压器Ｙｙｎ０联结的示意图如图２-１所示。图２-２变压器Ｄｙｎ１１联结组第二节电力变压器和互感器１)Ｄｙｎ１１联结的变压器，对３次及其整数倍次的谐波电流可在其三角形联结的一次绕组内形成环流，从而不致注入高压公用电网中去。２)Ｄｙｎ１１联结的变压器，其零序阻抗较之Ｙｙｎ０联结的变压器的零序阻抗小得多㊀，因此Ｄｙｎ１１联结变压器二次侧的单相接地短路电流较之Ｙｙｎ０联结变压器二次侧的单相接地短路电流大得多，从而更有利于低压侧单相接地短路故障的保护和切除。第二节电力变压器和互感器㊀单相接地短路故障的切除，决定于单相接地短路电流的大小，而此单相接地短路电流等于相电压除以单相短路回路的计算阻抗，计算阻抗为其正序、负序和零序阻抗之和的１／３。如≫压器的单相接地短路电流比Ｙｙｎ０联结变压器的大得多，以致Ｄｙｎ１１联结变压器更有利低压单相接地短路故障的保护和切除。３)当接用单相不平衡负荷时，由于Ｙｙｎ０联结变压器要求中性线(Ｎ线)电流不宜超过二次绕组额定电流的２５％，因而严重限制了接用单相用电负荷的容量，影响了变压器负荷能力的充分发挥。第二节电力变压器和互感器图２-３Ｙｚｎ１１联结的防雷变压器(２)Ｙｚｎ１１联结的防雷变压Ｙｚｎ１１联结变压器的接线和相第二节电力变压器和互感器量图如图所示。３.电力变压器的结构和型号(二)电力变压器的容量和过负荷能力１.电力变压器的额定容量和实际容量图２-４三相油浸式电力变压器１—信号温度计２—铭牌３—吸湿器４—油枕５—油位指示器(油标)６—防爆管７—瓦斯继电器８—高压出线套管９—低压出线套管１０—分接开关１１—油箱１２—变压器油１３—铁心１４—绕组１５—放油阀１６—底座(小车)１７—接地端子第二节电力变压器和互感器图２-５三相树脂浇注绝缘干式电力变压器１—高压出线套管２—吊环３—上夹件４—低压出线接线端子５—铭牌６—树脂浇注绝缘绕组(内为低压，外为高压)７—上下夹件拉杆８—警示标牌(“高压危险!”)９—铁心１０—下夹件１１—底座(小车)１２—高压绕组相间连接杆１３—高压分接头及连接片第二节电力变压器和互感器㊀过去此项为“设计序号”，而且多写作下角。㊁一般变压器室进出口温度差按１５℃考虑，因此变压器室内温度比室外温度平均高１５℃／２≈８℃。第二节电力变压器和互感器图２-６油浸式电力变压器允许过负荷系数与日负荷率及最大负荷持续时间的关系曲线第二节电力变压器和互感器２.电力变压器的正常过负荷(１)因昼夜负荷不均衡而允许的过负荷油浸式电力变压器因昼夜负荷不均衡而允许的过负荷系数ＫＯＬ，可根据日负荷填充系数(日负荷率)β和最大负荷持续时间ｔ去查图２-６所示曲线求得。(２)因季节性负荷差异而允许的过负荷如果夏季(或冬季)的平均日负荷曲线中的最大负荷Ｓｍ低于油浸式变压器的实际容量ＳＴ时，则每低１％，可在冬季(或夏季)过负荷１％。例２-１某用户变电所的变压器室有一台１０００ｋＶＡ的油浸式电力变压器，已知该用户的平均日负荷率β＝０.７，日最大负荷持续时间为８ｈ，夏季的平均日最大负荷为８４０ｋＶＡ，当地的年平均气温为１６℃。试求该变压器的实际容量和冬季可允许的过负荷能力。第二节电力变压器和互感器解(１)求变压器的实际容量(２)求变压器冬季允许的过负荷能力３.电力变压器的事故过负荷表２-１电力变压器事故过负荷允许值(三)电力变压器的并列运行条件(１)所有并列变压器的额定一次电压和二次电压必须对应相等这也就是所有并列变压器的电压比必须相同，允许差值范围为±５％。第二节电力变压器和互感器(２)所有并列变压器的阻抗电压必须相等由于并列变压器二次侧的负荷是按其阻抗电压值成反比分配的(参看下面例２-２)，因此并列变压器的阻抗电压如果不同，将导致阻抗电压较小的变压器过负荷甚至烧毁。(３)所有并列变压器的联结组别必须相同图２-７Ｙｙｎ０联结变压器与Ｄｙｎ１１联结变压器并列运行时二次侧电压相量图第二节电力变压器和互感器例２-２现有一台Ｓ９—８００／１０型变压器与一台Ｓ９—２０００／１０型变压器并列运行，均为Ｄｙｎ１１联结。问负荷达到２８００ｋＶＡ时，上列变压器中哪一台变压器将要过负荷?过负荷将达到多少?解并列运行的变压器之间的负荷分配是与阻抗的标幺值㊀成反比的，因此先计算各台变压器的阻抗标幺值。第二节电力变压器和互感器㊀标幺值是一种相对值。某物理量的标幺值，是该量的实际值与所选定的基准值的比值，详见第四章第三节关于“采用标幺制法进行三相短路的计算”的有关内容。二、电流互感器(ＣｕｒｒｅｎｔＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，文字符号ＴＡ)(一)电流互感器的功用和接线方案第二节电力变压器和互感器图２-８电流互感器的原理结构和接线１—铁心２—一次绕组３—二次绕组ＰＡ—电流表ＫＡ—电流继电器第二节电力变压器和互感器１.电流互感器的功用(１)用来使仪表、继电器等二次设备与主电路绝缘这既可防止主电路的高电压直接引入仪表、继电器等二次设备，又可防止仪表、继电器等二次设备的故障影响主电路，从而提高整个一、二次电路运行的安全性和可靠性，并有利于保障人身安全。(２)用来扩大仪表、继电器等二次设备应用的电流范围例如用一只５Ａ的电流表，通过不同变流比的电流互感器就可测量任意大的电流。２.电流互感器的结构和接线方案(１)一相式接线(图２-９ａ)电流线圈中通过的电流，反映一次电路对应相的电流。第二节电力变压器和互感器(２)两相Ｖ形接线(图２-９ｂ)这种接线也称为两相不完全星形接线。(３)两相电流差接线(图２-９ｃ)这种接线也称为两相交叉接线。图２-９电流互感器的接线方案第二节电力变压器和互感器图２-１０两相Ｖ形接线电流互感器的一、二次侧电流相量图第二节电力变压器和互感器图２-１１两相电流差接线电流互感器的一、二次侧电流相量图第二节电力变压器和互感器(４)三相星形接线(图２-９ｄ)这种接线中的三个电流线圈，正好反映各相的电流，广泛用于三相负荷一般不平衡的三相四线制系统如低压ＴＮ系统中，也用在负荷可能不平衡的三相三线制系统中，作三相电流、电能测量及过电流继电保护之用。(二)电流互感器的类型和型号图２-１２ＬＱＪ—１０型电流互感器１—一次接线端子２—一次绕组(树脂浇注绝缘)３—二次接线端子４—铁心５—二次绕组６—警示牌(上写“二次侧不得开路”等字样)第二节电力变压器和互感器图２-１３ＬＭＺＪ１—０.５型电流互感器１—铭牌２—一次母线穿孔３—铁心，外绕二次绕组(树脂浇注绝缘)４—底座(安装孔)５—二次接线端子第二节电力变压器和互感器JG20.tif(三)电流互感器使用注意事项第二节电力变压器和互感器１.电流互感器工作时二次侧不得开路２.电流互感器的二次侧必须有一端接地３.电流互感器连接时必须注意其端子极性三、电压互感器(ＶｏlｔａｇｅＴｒａｎｓｆｏｒｍeｒ，文字符号ＴＶ)(一)电压互感器的功用和接线方案１.电压互感器的功用(１)用来使仪表、继电器等二次设备与主电路绝缘图２-１４电压互感器的原理结构和接线１—铁心２—一次绕组３—二次绕组ＰＶ—电压表ＫＶ—电压继电器第二节电力变压器和互感器(２)用来扩大仪表、继电器等二次设备应用的电压范围例如用一只１００Ｖ的电压表，通过不同变压比的电压互感器就可测量任意高的电压，这也有利于电压表、继电器等二次设备的规格统一和批量生产。２.电压互感器的结构和接线方案图２-１５电压互感器的接线方案第二节电力变压器和互感器(１)一个单相电压互感器接线(图２-１５ａ)这种接线供仪表、继电器的电压线圈接于三相电路的一个线电压。(２)两个单相电压互感器接成Ｖ／Ｖ形(图２-１５ｂ)这种接线供仪表、继电器的电压线圈接于三相三线制电路的各个线电压，广泛应用在变配电所的６～１０ｋＶ高压配电装置中。(３)三个单相电压互感器接成Ｙ０／Ｙ０形(图２-１５ｃ)这种接线供要求线电压的仪表、继电器，并供接相电压的绝缘监视电压表。第二节电力变压器和互感器(４)三个单相三绕组电压互感器或一个三相五芯柱三绕组电压互感器接成Ｙ０／Ｙ０／(开口三角)形(图２-１５ｄ)其接成Ｙ０的二次绕组，供电给需线电压的仪表、继电器及接相电压的绝缘监视用电压表，与以上图２-１５ｃ的二次接线相同；其接成(开口三角)形的辅助二次绕组，则接电压继电器。图２-１６ＪＤＺＪ—１０型电压互感器１—一次接线端子２—高压绝缘套管３—一、二次绕组(环氧树脂浇注)４—壳式铁心５—二次接线端子第二节电力变压器和互感器(二)电压互感器的类型和型号(三)电压互感器使用注意事项１.电压互感器工作时二次侧不得短路２.电压互感器的二次侧必须有一端接地３.电压互感器在连接时也必须注意其极性第三节高低压开关电器一、开关电器中的电弧问题高低压开关电器用于高低压电路的通断控制。(一)电弧的产生(１)热电发射当开关触头分断电流时，阴极表面由于大电流逐渐集中而出现炽热的光斑，温度很高，从而使触头表面分子中外层电子吸收足够的热能而发射到触头间的介质中去，形成自由电子。(２)高电场发射开关触头分断之初，电场强度很大。(３)碰撞游离当触头间隙存在足够大的电场强度时，其中的自由电子以相当大的动能向阳极运动，在运动中碰撞中性质点(介质分子)，有可能使中性质点分裂为带电的正离子和自由电子。(４)热游离亦称高温游离。第三节高低压开关电器(二)电弧的熄灭(１)正负带电质点的“复合”复合就是正负带电质点重新结合为中性质点。(２)正负带电质点的“扩散”扩散就是电弧中的带电质点向周围介质中扩散开去，从而使电弧区域内的离子浓度降低，带电质点减少。(三)开关电器中常用的灭弧方法(１)速拉灭弧法迅速拉长电弧，使弧隙的电场强度骤降，使离子的复合迅速增强，从而加速灭弧。第三节高低压开关电器图２-１７吹弧方式１—电弧２—触头(２)冷却灭弧法降低电弧温度，可使电弧中的热游离减弱，正负离子的复合增强，从而有助于电弧熄灭。第三节高低压开关电器(３)吹弧或吸弧灭弧法利用外力(如气流、油流或电磁力)来吹动或吸动电弧，使电弧加速冷却，同时拉长电弧，降低电弧中的电场强度，使电弧中离子的复合和扩散加强，从而加速灭弧。图２-１８电动力吹弧(刀开关断开时)第三节高低压开关电器图２-１９磁力吹弧１—磁吹线圈２—灭弧触头３—电弧第三节高低压开关电器(４)长弧切短灭弧法由于电弧的电压降主要降落在阴极和阳极上，其中以阴极电压降最大，而弧柱(电弧中间部分)的电压降极小。图２-２０铁磁吸弧１—钢片２—电弧第三节高低压开关电器图２-２１钢灭弧栅对电弧的作用１—钢栅片２—电弧３—触头第三节高低压开关电器(５)粗弧分细灭弧法将粗大的电弧分散成若干平行的细小电弧，使电弧与周围介质的接触面增大，改善电弧的散热条件，降低电弧的温度，从而使电弧中离子的复合和扩散都得到增强，加速电弧的熄灭。(６)狭沟灭弧法使电弧在固体介质所形成的狭沟中燃烧，由于电弧的冷却条件改善，从而使去游离增强，同时固体介质表面的复合也比较强烈，从而有利于加速灭弧。图２-２２绝缘灭弧栅对电弧的作用１—绝缘栅片２—电弧３—触头第三节高低压开关电器(７)真空灭弧法真空具有相当高的绝缘强度。(８)六氟化硫(