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电气设备及系统
第一章绪论
知识要点
了解电力系统的组成和特点
掌握电能质量的各项指标
了解发电厂电气设备的分类及用途；了解电气主接线的基本构成和概念。

1.2 电力系统的基本概念
1.2.1 电力系统的组成
电力系统=发电厂+变电所+输电线路+用户
动力系统=电力系统+动力装置
电力网=变电所+输电线路(+用户)
1.2.2 电力系统的特点
电能不能大量存储。

发电、变电、输电和用电同时进行。

电力系统暂态过程非常短。

电力系统的发展和国民经济的发展密切相关。

电力系统电能质量要求高，对电压、频率、波形都有严格的国家标准。

1.2.3 电能质量指标
我国已颁布了6项电能质量指标的国标：电压允许偏差，公用电网谐波，电压波动和闪变，三相电压不平衡，电网频率，暂时过电压和瞬态过电压。

电压
频率
波形
额定电压：国家根据当前国民经济发展水平，以及满足电气设备设计与制造的标准化、系列化要求制定的额定电压等级。

各种电气设备在额定电压下运行时，能获得最佳的技术、经济性。

电网实际电压分布示意
电压等级的选择：导线的投资，绝缘的投资；电压等级越高，输电效率越高
选择电压等级，应根据负荷的大小和送电距离二个因素综合考虑
一般：
750kV以上：特高压输电线路
330～750kV：超高压输电线路
220kV ：高压输电线路
35 ～ 110kV ：高压配电线路
10kV：中压配电线路
380/220V：低压配电线路
我国规定供电电压的允许偏差
允许电压偏移一般为±5%
具体为：
由35kV及以上电压供电的用户±5%
由10kV及以下电压供电的用户±7%
低压照明用户＋7%～﹣10%
我国电力系统的标准频率为50HZ。

系统容量在3000MW及以上为±0.2HZ；系统容量在3000MW 以下为±0.5HZ。

电压波形的畸变率不得超过3%。

1.3 发电厂的类型
1.4 电力系统的负荷和负荷曲线
1.4.1 电力系统的负荷：系统中所有电力用户的用电设备所消耗的电功率总和。

也称电力系统的综合用电负荷，是把不同地区、不同性质的所有用户的负荷加起来而得到的。

电力系统的供电负荷：综合用电负荷加上电力网的功率损耗就是各发电厂应该供给的功率。

电力系统的发电负荷：供电负荷再加上发电厂自身的厂用电消耗的功率就是各发电厂应该发出的功率。

1.4.2 负荷曲线
负荷曲线是反映电力负荷随时间变化情况的曲线。

它直观地反映了用户用电的特点和规律。

负荷曲线对变电所、发电厂和电力系统的运行有重要意义。

它是变电所负荷控制，发电厂安排日发电计划，确定电力系统运行方式和主变压器、发电机组等设备检修计划以及制变电所、发电厂扩建新建规划的依据。

日负荷曲线：负荷在一昼夜间（0~24h）变化情况。

年最大负荷曲线
年持续负荷曲线
1.5 发电厂电气设备的分类及用途
一次设备——直接用于生产、输送、分配电能的电气设备。

由一次设备按一定规律联接起来，完成电能的发、变、输、配的电路称为电气主接线（或称为一次回路，一次系统），一次系统是大功率、高电压系统。

二次设备——用来对一次设备进行监视、测量、操作和控制的设备。

由二次设备联接的电路称为二次接线（或二次回路、二次系统），二次系统是低压信号测控系统。

断路器的控制回路、信号回路、同期回路、绝缘监察回路、继电保护装置、自动准同期装置等。

1.5.1 电气一次设备的分类
电机（发电机、电动机、变压器）
开关设备
载流导体（断路器、隔离开关等）
接地装置
互感器（电流互感器和电压互感器）
限制故障电流（限流电抗器）和防御过电压（避雷针和避雷器）
额定电流：电气设备的额定电流是指在一定的基础环境温度下，允许长期连续通过设备的最大电流，并且此时设备的绝缘和载流部分被长期加热的最高温度不超过所规定的允许温度。

习题
电力网、电力系统和动力系统的定义？
衡量电能质量的指标及要求？
目前我国电力系统的额定电压等级有哪些？额定电压等级选择确定原则？
发电厂电气设备的分类及用途
1. 一次设备：直接用于生产、输送、分配电能的电气设备。

由一次设备按一定规律联接起来，完成电能的发、变、输、配的电路称为电气主接线（或称为一次回路，一次系统），一次系统是大功率、高电压系统。

电路图是用规定的图形符号绘制成的三线图或单线图。

电气主接线图常常绘制成单线图的形式，即用一条线代表三相电路。

2. 二次设备：用来对一次设备进行监视、测量、操作和控制的设备。

由二次设备联接的电路称为二次接线（或二次回路、二次系统），二次系统是低压信号测控系统。

常用绝缘材料及其允许温度限值
当绝缘材料处于上述规定的极限工作温度时，电机的使用寿命可以长达成15~20年。

若高于上述规定的温度连续运行，电机的使用寿命将迅速下降。

据实验统计，A级绝缘的工作温度每上升6℃，绝缘的寿命将减少一半。

第 2 章开关电器
2.1 开关电器的作用和分类
2.2 电弧理论
2.3 高压开关设备
2.1 开关电器的作用和分类
对电气设备或者线路的控制，都是通过对相应电路中的开关设备的操作来实现的。

开关电器是电路的控制和保护元件。

开关电器的作用：正常时可靠接通或断开电路；改变运行方式时灵活切换；系统故障时迅速切除故障；检修时隔离带电部分。

开关电器的分类
接通或断开正常工作电流。

断开过负荷电流或短路电流。

既用来接通或断开正常工作电流，也用来断开或闭合过负荷电流或短路电流。

用于检修等工作时隔离电源。

2.2 电弧理论
开关电器的原理即熄灭电弧的原理。

试验证明，用开关电器断开电路时，电路电压不低于10~20V，电流不小于80~100mA，开关的触头间就会产生电弧。

电弧的形成：强电场发射、碰撞游离、热游离、热电子发射
电弧的熄灭：要使电弧熄灭，必须使触头间带电质点消失的速率大于其产生的速率。

去游离的方式：扩散、复合
影响电弧熄灭的主要因素：
冷却方式、触头间介质的特性、触头的材质以及触头两端电压的幅值与变化特性。

交流电弧熄灭的条件
弧隙介质强度恢复速度＞弧隙电压恢复速度
熄灭电弧的方法：
利用气体或油吹灭电弧
吹弧的方式有纵吹、横吹以及纵、横混合吹弧的方式。

采用多断口
高压断路器常制成每相有两个或多个串联的，使加在每个断口的电压降低，易于电弧的熄灭。

采用新介质
利用灭弧性能优越的新介质，如SF6断路器和真空断路器等。

低压电器采用金属灭弧栅灭弧
2.3 高压开关电器
高压断路器
断路器的作用
控制作用：接通断开正常运行的电路
保护作用：与继电保护装置配合，断开故障回路或元件
高压断路器的结构：灭弧室，通断元件（导电部分），中间传动机构，绝缘支撑件，操动机构（基座），操作机构
高压断路器的类型
根据装设地点分：屋内式和屋外式
根据灭弧介质分：
少油断路器
空气断路器
六氟化硫断路器
真空断路器
真空断路器
断路器的型号
隔离开关的作用
隔离电压：以确保检修的安全
等电位操作：倒闸操作
分合小电流：避雷器、电压互感器、空载变压器、空载线路等
隔离开关的型号
隔离开关的技术参数
2.2 互感器
2.2.1 概述
互感器包括电压互感器和电流互感器，是一次系统和二次系统间的联络元件，用以分别向测量仪表、继电器的线圈等供电，正确反应一次电气设备的正常运行和故障状态。

互感器的作用
将一次侧的高电压或大电流变换成二次侧标准的低电压或小电流
隔离二次回路与一次回路，且将互感器二次侧接地，保证设备和人身安全
使二次回路可采用低电压、小电流控制电缆，实现远方测量和控制
接线灵活，维护、调试方便
2.2.2 电流互感器
电流互感器的额定变流比：电流互感器一、二次额定电流之比
电流互感器正常运行时的注意事项：一次绕组串联在被测电路中，二次设备串联在二次绕组中；为了确保运行人员在接触测量仪表和继电器时的安全，互感器的二次绕组必须有可靠的保护接地点；正常运行时，近于短路状态下运行，二次侧不允许开路。

（为什么）正常运行时，电流互感器二次侧接近于短路运行状态，励磁磁势很小；二次绕组开路，一次电流全部用于激磁，铁心急剧饱和，①在二次绕组两端感应幅值很高的尖顶波形电动势，危及工作人员人身安全、损坏仪表和继电器的绝缘；②可能引起铁心、绕组过热，互感器损坏；③剩磁也会使互感器误差增大。

电流互感器的测量误差：电流误差；相位误差
电流互感器的准确级：在规定的二次负荷范围内，一次电流在额定值附近时的最大误差限值。

为了继电保护整定的需要，制造厂提供这类保护级电流互感器10％误差曲线：在保证电流误差不超过-10％的条件下，一次电流的倍数n（n=I1/IN1）与允许最大二次负载阻抗Z2L的关系曲线。

电流互感器的额定容量
额定二次电流和额定二次阻抗下运行时，二次线圈输出的容量。

电流互感器的分类
按用途分
（1）测量用电流互感器。

（2）保护用电流互感器。

稳态特性型：保证电流在稳态时的误差，如：P、PR、RX。

暂态特性型：保证电流在暂态时的误差，如：TPX、TPY、TPZ、TPS等。

按绝缘介质分
干式电流互感器；
浇注式电流互感器；
油浸式电流互感器；
气体绝缘电流互感器。

干式电流互感器
浇注式电流互感器
油浸式电流互感器
气体绝缘电流互感器
按工作原理分
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。

按安装方式分
支柱式流互电感器
套管式电流互感器
母线式电流互感器
穿墙式电流互感器
按一次绕组匝数分
单匝式电流互感器：一次绕组为单匝式；一般110KV及以上系统采用。

多匝式电流互感器：一般中、小型电流互感器常用。

按电流比分
单电流比电流互感器：一、二次绕组匝数不能改变，电流比恒定。

多电流比电流互感器：一、二次绕组匝数可以改变，有不同电流比。

按安装地点分
户内型：一般用于35kV及以下电压等级。

户外型：一般用于66kV及以上电压等级。

电流互感器型号
第一字母：L—电流互感器
第二字母：A—穿墙式；Z—支柱式；M—母线式；D—单匝贯穿式；V—结构倒置式；J—零序接地检测用；W—抗污秽；R—绕组裸露式
第三字母：Z—环氧树脂浇注式；C—瓷绝缘；Q—气体绝缘介质；W—与微机保护专用
第四数字：B—带保护级；C—差动保护；D—D级；Q—加强型；J—加强型ZG
第五数字：电压等级产品序号
LMK－0.5S型
表示使用于额定电压500V及以下电路，塑料外壳的穿心式S级电流互感器。

LA－10型
表示使用于额定电压10kV电路的穿墙式电流互感器
电流互感器的极性
减极性原则
电流互感器的接线方式
电压互感器
电压互感器的准确级：规定的一次电压和二次负荷变化范围内，负荷功率因数为额定值时，电压误差的最大值。

电压互感器正常运行时的注意事项：一次绕组并联在被测电路中，二次设备并联在二次绕组两端；二次绕组有一可靠的保护接地点；正常运行时，二次侧相当于开路，不允许短路。

电压互感器的分类和结构
按线圈数分：双线圈和三线圈
按绝缘分：浇注式、油浸式等
从结构上可分为：普通式电压互感器、串级式电压互感器、电容式电压互感器等
按相数分：单相和三相
20kV以下才有三相式
电压互感器的接线方式
电容式电压互感器
电容式电压互感器的工作原理
电容式电压互感器的误差
电容式电压互感器的等效电路
电容式电压互感器的基本结构
电容式电压互感器的主要缺点
2.3.1 熔断器
熔断器作用和特点：熔断器是最早使用的一种比较简单的保护电器。

熔断器串接在电路中使用，主要用于线路及电力变压器等电气设备的短路及过载保护。

当电力系统由于过载引起电流超过某一数值、电气设备或线路发生短路事故时，过负荷电流或短路电流通过熔体在其上产生发热。

熔体在被保护设备的温度未达到破坏设备绝缘之前熔断，即应能在规定的时间内迅速动作，切断电源以起到保护设备，保证正常部分免遭短路事故的破坏。

特点：结构简单，体积小，布置紧凑；动作直接，不需继电保护与二次回路配合；熔断后，需更换，增加停电时间；保护特性不稳定，可靠性低；保护选择性不容易配合。

高压熔断器的结构：高压熔断器由金属熔体（熔丝）、触头、灭弧装置（熔管）、绝缘底座组成。

熔断体（熔体、熔丝，核心）正常工作时起导通电路的作用，在故障情况下熔体将首先熔化，从而切断电路实现对其他设备的保护。

熔断器载熔件用于安装和拆卸熔体，常采用触点的形式。

熔断器底座用于实现各导电部分的绝缘和固定。

熔管用于放置熔体，限制熔体电弧的燃烧范围并可灭弧。

充填物一般采用固体石英砂，用于冷却和熄灭电弧。

熔断指示器用于反映熔体的状态，即完好或已熔断。

熔体
熔体是熔断器内的主要元件。

由金属制成，具有一定的截面。

常用金属材料有铜、银、铅、铅锡合金和锌。

铅、铅锡合金和锌的熔点低，电阻率较大，所以制成的熔体截面积大，形成的电弧截面也大，不易熄弧。

铜、银的电阻率小，热传导率高，制成的熔体截面小，缺点是熔点高，小而持久的过负荷时不易熔化。

解决方法：在铜或银熔体的表面焊上小锡球或小铅球，当熔体发热到锡或铅的熔点时，锡或铅的小球先熔化，渗入铜或银的内部，形成合金（电阻大，熔点低），在小球处熔断——冶金效应法。

熔断器的保护特性：熔断器熔体的熔断时间与熔体的材料和熔断电流的大小有关。

熔断时间与电流的大小关系，称为熔断器的安秒特性，也称为熔断器的保护特性。

熔断器的保护特性为反时限的保护特性曲线，其规律是熔断时间与电流的平方成反比。

熔体上通过电流越大，熔断越快。

熔断器的技术参数
熔断器的额定电压：既是绝缘所允许的电压等级，又是熔断器允许的灭弧电压等级。

熔断器的额定电流：指一般环境温度（不超过40℃）下熔断器壳体的载流部分和接触部分允许通过的长期最大工作电流。

熔体的额定电流：熔体允许长期通过而不致发生熔断的最大有效电流。

（≤熔断器的额定电流）熔断器的开断电流：熔断器所能开断的最大短路电流。

若被开断的电流大于此电流时，有可能导致熔断器损坏，或由于电弧不能熄灭而引起相间短路。

高压熔断器的分类
按使用地点分：户内式和户外式。

按是否有限流作用：限流式和非限流式。

户内高压熔断器全部是限流型熔断器。

熔断器的熔断时间（包括熄弧时间）小于短路电流达到最大值的时间，即认为熔断器限制了短路电流的发展。

因为灭弧时间很短，电流变化很大，会产生过电压，可能会超过正常电源电压的几倍。

高压熔断器的分类
具体的型号：
RN1型、RN2型、RN5型、RN6型——户内式（以RN1型为典型代表的设计序号为奇数系列的熔断器，用于3～35kV的电力线路和电气设备的过载和短路保护；以RN2型为代表的设计序号为偶数系列的熔断器，专门用于保护电压互感器。

）
电抗器按用途不同分为：
串联电抗器
并联电抗器
并联电抗器的作用：
削弱线路的电容效应，降低工频暂态过电压，并进而限制操作过电压的幅值；
改善沿线电压分布，提高负载线路中的母线电压，增加了系统的稳定性及输电能力；
改善轻负载线路中的无功分布，降低有功损耗。

限流电抗器：主要限制电力系统中的短路电流，以便于采用轻型电气设备和截面较小的载流体。

限流电抗器是电阻很小的电感线圈，无铁芯，使用时串接于电路中。

限流电抗器的参数
额定电压
额定电流
百分电抗：百分电抗间接反应电抗值的大小，实用中该值不可过大（否则会影响用户的电能质量），但也不可过小（否则会减弱限制短路电流的效果）。

2.3.3 其它电器
架空线路和电力电缆
绝缘子和套管
避雷器
2.3.3.1 电力线路的结构
什么是架空线？
通过铁塔、水泥杆塔架设在空气中的导线，一般为裸导线。

架空线造价低廉，但占用通道面积大，为目前主要线路型式。

什么是电缆？
利用绝缘层将导线（一般为铜线或铝线）包裹起来，一般110kV以上为单相，以下为三相。

铺设电缆占地面积小，但电缆造价极高。

一般在城市使用。

架空线路主要由导线、避雷线（架空地线）、杆塔、绝缘子和金具等部件所组成。

作用
导线：传导电流、输送电能；
避雷线：将雷电流引入大地，以保护线路免受雷击；
绝缘子：使不同带电体之向及其与接地杆塔之间保持良好的绝缘。

金具：连接导线，或将导线固定在绝缘子上以及将绝缘子固定在杆塔上，也可作连接绝缘子或保护绝缘子和导线等用；
杆塔：支持导线和避雷线，并使导线之间、导线和杆塔以及大地间保持一定的距离。

架空线路导线的结构型式
单股线
多股绞线
钢芯铝绞线
钢芯铝导线按其机械强度的大小，可分为普通型、轻型和加强型三种。

主要差别在于铝钢截面比。

铝钢截面比越小，机械强度越大；反之，铝钢截面比越大，导线质量越轻。

通常，轻型结构（标号为LGJQ）的铝钢截面比为8.0～8.1；普通型结构（标号为LGJ）的铝钢截面比为5.3～6.0；加强型结构（标号为LGJJ）的铝钢截面比为4.3～4.4。

架空线路导线型号
架空线路导线的型号是用导线材料和结构（拉丁字母）以及载流截面积（mm2）这三部分来表示的，如T-铜线；L-铝线；G-钢线；J-多股绞线；TJ-铜绞线；LJ-铝绞线；GJ-钢绞线；HLJ-铝合金绞线；LGJ-钢芯铝绞线。

LGJ-120表示截面积为120mm2的钢芯铝绞线。

避雷线
避雷线设置于输电导线的上方，用作防雷保护。

避雷线又称架空地线，架设在杆塔顶部，一根或二根，用于防雷，110~220千伏线路一般沿全线架设。

避雷线一般使用镀锌钢绞线架设，常用的截面是25、35、50、70平方毫米。

导线的截面越大，使用的避雷线截面也越大。

分裂导线
相比总截面相同的大导线，不容易产生电晕，送电能力更高一些。

输电线路有关术语
档距：相邻两杆塔上导线悬挂点之间的水平距离叫档距。

弧垂：导线上任一点到悬挂点连线之间在铅垂方向的距离。

限距：导线最低点到地面的最小允许距离。

杆塔
根据所用材料的不同，架空线路的杆塔分为木杆、铁塔和钢筋混凝土杆三种类型。

根据杆塔使用目的和受力情况的不同，架空线路的杆塔大致可分为下列五种类型。

直线杆塔
耐张杆塔
转角杆塔
终端杆塔
特种杆塔
直线塔（z）——用于线路的直线中间部分，以悬垂的方式支持导、地线，主要承受导、地线自重或覆冰等垂直荷载和风压及线路方向的不平衡拉力。

直线转角塔（2）——除起直线塔的作用外，还用于小于5°的线路转角。

耐张塔（N）——支承导线和地线，能将线路分段，限制事故范围，便于施工检修；其机械强度较大，除承受直线杆塔承受的荷载外，还承受导、地线的直接拉力，事故情况下承受断线拉力。

转角杆塔（J）——用于线路转角处，一般是耐张型的。

除承受耐张塔承受的荷载外，还承受线路转角造成的合力。

终端杆塔（D）——用于整个线路的起止点，是耐张杆塔的一种形式，但受力情况较严重，需承受单侧架线时全部导、地线的拉力。

分支杆塔（F）——用于线路的分支处。

受力类型为直线杆塔、耐张杆塔和终端杆塔的总和
跨越塔（K）——用于高度较大或档距较长的跨越河流、铁路及电力线路杆塔。

换位杆塔（H）——用于较长线路变换导线相位排列的杆塔。

转角杆塔
终端杆塔
换位杆塔
我国规定：电压在110kV以上，距离100km以上的输电线路应进行换位。

绝缘子
架空线路所使用的绝缘子主要有针式和悬式两类。

针式绝缘子：主要用于电压不超过35kV的线路上。

悬式绝缘子：广泛用于电压为35kV以上的线路。

瓷横担绝缘子：广泛应用于1l0kV及以下的线路上。

复合绝缘子：由环氧树脂玻璃纤维芯棒和高分子聚合物伞盘、护套组成。

悬式绝缘子链的绝缘子最小用量表
金具
架空线路所使用的金属部件总称为金具。

悬垂线夹。

主要用于将导线固定在直线杆塔的悬式绝缘子链上或将避雷线固定在直线杆塔上。

耐张线夹。

主要用于将导线固定在非直线杆塔的耐张绝缘子链上或将避雷线固定在非直线杆塔上。

接续金具。

主要用于导线或避雷线的两个终端的连接处，如压接管、钳接管等。

连接金具。

用于将绝缘子组装成链或将线夹、绝缘子链、杆塔横担等相互连接。

金具
保护金具。

保护金具包括防震保护金具和绝缘保护金具。

电缆线路的结构
电缆的构造一般包括三部分：导体、绝缘层和包护层。

电缆的附件：电缆附件主要有连接头（盒）和终端头（盒），而充油电缆则还有一整套供油系统。

电缆连接头是连接两段电缆的部件。

电缆终端头则是电缆线路末端用以保护缆芯绝缘并将缆芯导体与其它电气设备相连的部件。

第 4 章电气主接线
4.1 基本概念
4.1.1 定义：由多种电气设备和连接线按要求连接而成的，用来构成生产、传输和分配电能的通路。

电气设备运行方式的变化都是和电气一次主接线分不开的，而运行方式又是电气运行值班人员在正常运行时，巡视检查设备、监盘调整、倒闸操作以及事故处理过程中用来分析、判断各种异常和事故的依据。

对主接线的基本要求应包括可靠性、灵活性和经济性三方面。

具体要求如下：
1)保证必要的供电可靠性和电能质量
2)具有一定的灵活性以适应电力系统及主要设备运行方式的变化
3)接线简单、操作方便
4)投资和运行费用最少
5)具有扩建的可能
4.1.2 电气主接线图
用规定的设备文字和图形符号并按工作顺序，详细表示电气主接线基本组成和连接关系的单线接线图。

绘制电气主接线必须遵循的原则
一次设备和元件须采用规定的图形符号和文字符号表示。

图中断路器和隔离开关等开关电器都按断开位置画出，但控制室主接线图上的设备状态是随着实际运行状态变换的，以帮助运行人员正确的进行倒闸操作、分析和处理事故。

因为三相交流电气设备的各相接线是相同的，所以电气主接线图一般都采用单线图（即一相电路图）。

这样使主接线图简化、清晰。

如果在某些局部三相结构不同，则局部画成三相图。

电气主系统中开关电器的配置原则
断路器和隔离开关的操作顺序为：接通电路时，先合上断路器两侧的隔离开关，再合断路器；切断电路时，先断开断路器，再拉开两侧的隔离开关。

严禁在未断开断路器的情况下，拉合隔离开关。

为了防止误操作，除严格按照操作规程实行操作票制度外，还应在隔离开关和相应的断路器之间，加装电磁闭锁、机械闭锁或电脑钥匙等闭锁装置。

4.2 主接线基本形式
有母线的接线形式
无母线的接线形式
4.2.1 母线的作用和分类
母线的作用
发电厂、变电所中通常出线数目和发电机电源数目较多，为便于两者的连接，利于电能交换、易于扩建，用母线连接电源和出线。