电气一次设备和电气主接线讲义

电气一次设备和电气主接线讲义

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电气一次设备及主接线

第一章电气设备

第1节概述

发电厂变电站的电气设备，根据其用途常分为一次设备和二次设备。一次设备是指直接生产、输送和分配电能的设备，包括有生产变换电能的设备（如发电机、变压器），开关设备（如高、低压断路器、隔离开关、接触器等），限流限压设备（如避雷器、电抗器），接地装置，载流导体（如母线、电力电缆等）。二次设备是对一次设备进行控制、测量、监视和保护的电气设备，包括测量表计（如电压表、电流表、功率表），继电保护及自动装置（如各种继电器、端子排），直流设备（如直流发电机、蓄电池）。下面主要针对部分一次设备的作用和工作原理进行介绍。

第2节母线

在发电厂变电站中，将发电机、变压器和各种电器连接的导线称为母线。母线是电气主接线和各级电压配电装置中的重要环节。它的作用是汇集和分配电能。

母线按所使用的材料可分为铜母线、铝母线和钢母线。

铜母线：具有电阻率低、机械强度高、抗腐蚀性强等特点，是很好的导电材料。但铜的储量少，属贵重金属，一般在含有腐蚀性气体的场合采用。

铝母线：电阻率比铜高，但储量丰富，比重小，加工方便，价格便宜，通常情况下采用铝母线。

钢母线：机械强度高，价格便宜，但钢的电阻率是铜的7倍，用于交流时会有很强的集肤效应，所以仅用于高压小容量回路（如电压互感器）。

母线按其截面形状可分为矩形母线、管形母线和槽形母线。

矩形母线：具有集肤效应系数小、散热条件好、安装简单、连接方便等优点，在35kV 及以下的户内配电装置中多采用矩形母线。

管形母线：是空芯导体，集肤效应系数小，且电晕放电电压高。在35kV以上的户外配电装置中广泛采用。

槽形母线：电流分布比较均匀，与同截面的矩形母线相比，具有集肤效应系数小、冷却条件好、金属材料的利用率高、机械强度高等优点。当母线的工作电流很大，每相需要三条以上的矩形母线才能满足要求时，一般采用槽形母线。

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第3节高压断路器

高压断路器是电力系统最重要的控制和保护设备，是开关电器中最完善的一种设备，它的基本功能如下：

1、关合状态下为良导体

2、开断状态下具有良好绝缘

3、能开断额定开断电流以下的电流

4、关合短路电流

5、高的运行可靠性

3.1 高压断路器的类型

高压断路器按安装地点分可分为户内型和户外型两种；按灭弧介质及灭弧原理可分为SF6断路器、真空断路器、油断路器（又分为多油、少油断路器）、空气断路器等。

3.2 高压断路器的基本结构

虽然高压断路器有多种类型，具体结构也不相同，但其基本结构类似。高压断路器的基本结构主要包括：

开断元件：包括断路器的动、静触头以及消弧装置等；

绝缘支柱：用来支撑断路器、绝缘；

基座：支撑和固定断路器；

操动机构：操动断路器分、合闸；

3.3 高压断路器的技术参数

高压断路器通常用下列技术参数表示其技术性能。

1、额定电压：

断路器正常工作时所能承受的电压（kV），决定了断路器的绝缘水平，用U N表示，为保证高压电器有足够的绝缘距离，通常其额定电压越高，其外形尺寸越大；

2、额定电流：

在规定的环境温度下，断路器长期通过的最大工作电流有效值（A），决定了触头、导体等载流部分的截面积，用I N表示。额定电流越大，载流部分的尺寸越大，否则不能满足最高允许温度的要求；

3、额定开断电流：

在额定电压下断路器所能可靠开断的最大短路电流（kA），以短路电流周期分量有效

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值表示，是衡量断路器开断能力的指标，用I nbr表示；我国规定的高压断路器的额定开断电流为1.6、3.15、6.3、8、10、12.5、16、20、25、31.5、40、50、63、80、100kA等。在电压低于额定电压的情况下，开断电流可以提高，但由于灭弧装置机械强度的限制，开断电流有一极限值。

4、热稳定电流I t：

在保证断路器不损坏的条件下，在规定的时间t秒内（产品目录一般给定2s、4s、5s、10s等）允许通过断路器的最大短路电流有效值，它表明断路器承受短路电流热效应的能力，当断路器持续通过t秒时间的I t时，不会发生触头熔接或其他妨碍其正常工作的异常现象。

5、动稳定电流i es：

断路器在闭合状态下，允许通过的最大短路电流峰值，又称极限通过电流。它表明断路器承受短路电流电动力效应的能力。当断路器通过这一电流时，不会因电动力作用而发生任何机械上的损坏。

6、短路关合电流i Ncl：

如果断路器合闸之前，线路或设备上已存在短路故障，则在断路器合闸过程中，在触头即将接触时即有巨大的短路电流通过（预击穿），要求断路器能承受而不会引起触头熔接和遭受电动力的损坏；而且在关合后，由于继电保护动作，不可避免的又要自动跳闸，此时仍要求能切断短路电流，此参数用来说明断路器关合短路故障的能力，一般等于断路器的动稳定电流；

7、断路器动作时间：

跳闸时间：

断路器接到跳闸指令开始到各相电弧熄灭为止的时间，包括固有分闸时间和燃弧时间合闸时间：

断路器操动机构接到合闸指令到动静触头接通为止的时间；电力系统对断路器合闸时间一般要求不高，但要求其合闸稳定性好。

3.4 高压断路器的型号含义

第一单元：产品名称，用字母表示：S－少油断路器；D－多油断路器；K－空气断路器；L－六氟化硫断路器；Z－真空断路器；C－磁吹断路器；

第二单元：安装场所，用字母表示：N－户内式；W－户外式；

第三单元：设计序号；

第四单元：额定电压（kV）；

第五单元：补充工作特性；

第六单元：额定电流（A）；

第七单元：额定开断电流（kA）

如：SN10-10/3000型，代表10kV，3000A，10型户内式高压少油断路器

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3.3 断路器的操动机构

断路器触头的分、合闸动作是通过某种机械操动系统实现的。机械操动系统可分为两部分：

1、操动机构：指断路器本体以外的，与操动能源直接联系的机械操动装置。其作用是把其他形式的能量，如人力、电磁能、弹簧能、气体或液体的压缩能等转变为机械能，为断路器提供操作动力。

2、传动机构：指连接操动机构和断路器动触头的传动部分，通常由若干拉杆、拐臂、及连杆等组成，其作用是改变操作力的大小和方向，并带动动触头运动，实现断路器的合闸和分闸。

操动机构按照合闸能源取得方式的不同可分为：

1、手动式；用手力直接合闸，适用于操作电压等级低、开断电流小的断路器；

2、电磁式；利用电磁力合闸；

3、弹簧式；利用储能的弹簧为动力使断路器动作；

4、气动式；利用压缩空气为能源使断路器动作；

5、液压式；利用高压压缩氮气作为能源，液压油作为传递能量的媒介，注入带有活塞的工作缸内，推动活塞做功，实现断路器的合闸和分闸。

第4节隔离开关

隔离开关的用途是：

1、在检修电气设备时用来隔离电压，使检修的设备与带电部分之间有明显可见的断口；

2、在改变设备状态（运行、备用、检修）时用来配合断路器协同完成倒闸操作；

3、分、合小电流，可用来分、合电压互感器、避雷器和空载母线，分、合励磁电流不超过2A的空载变压器，关合电容电流不超过5A的空载线路；

4、隔离开关的接地开关可代替接地线，保证检修工作安全。

隔离开关没有灭弧装置，不能用来接通和断开负荷电流和短路电流

隔离开关的操作机构有手动式和动力式两大类。

隔离开关的种类和型式很多，按安装地点分可分为户内式、户外式；按产品组装极数分可分为单极式（每极单独安装在一个底座上）和三极式（三极装于同一底座上）；按每极绝缘支柱数目分可分为单柱式、双柱式、三柱式。

隔离开关的型号含义：

第一单元：G－隔离开关

第二单元：安装地点，N，W

第三单元：设计序号

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第四单元：额定电压（kV）

第五单元：T，G，D，K，E，W，TH，TA

第六单元：额定电流

例如：GW7-220D/2000表示户外式，7型，带接地刀闸，额定电压220kV，额定电流为2000A。

第5节互感器

互感器是一次系统和二次系统的联络元件，包括电流互感器和电压互感器。互感器属于特种变压器，其作用如下：

1、将一次回路的高电压、大电流变为二次回路标准的低电压（100、100/3V）、小电流(5A或1A)，使测量仪表和保护装置小型化、标准化；

2、使二次设备与高压部分隔离，且互感器二次侧均接地，保证人身和设备的安全；

5.1 电磁式电流互感器

电磁式电流互感器的特点：

1、一次绕组串联在一次回路中，匝数很少，流过的电流是一次系统的负荷电流，与二次侧电流无关，这点与变压器不同。

2、二次绕组与二次回路串联，匝数通常是一次绕组的很多倍。

3、电流互感器的二次绕组的负荷为仪表或继电保护的电流线圈，阻抗很小，近似于短路运行。

电流互感器的额定一、二次电流I N1、I N2之比，称为电流互感器的额定互感比，用k i 表示，其近似于一、二次绕组的匝数N1、N2成反比。即：I N1/I N2≈N2/N1。

运行中的电流互感器二次侧为什么不能开路？

5.2电压互感器

目前，在电力系统中广泛采用的电压互感器，按其工作原理可分为电磁式和电容式两种。下面介绍电磁式电压互感器的特点：

1、一次绕组并联在一次回路中，二次绕组与二次回路并联

2、电压互感器的二次绕组的负荷为仪表或继电保护的电压线圈，阻抗很大，近似于开路运行。

电压互感器的额定一、二次电压U N1、U N2之比，称为电压互感器的额定互感比，用k u表示，其近似于一、二次绕组的匝数N1、N2之比。即：U N1/U N2≈N1/N2。

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