发电厂电气部分复习

第一章绪论

电力系统：由各种电压的电力线路将一些发电厂、变电所和电力用户联系起来的一个发电、输电、变配电和用电的整体。

发电系统：电源、各种发电厂

输电系统：输电线路、设备

变配电系统：变配电线路、设备

用电系统：用电器、负荷

发电厂（power plant）又称发电站，是将自然界蕴藏的各种一次能源转换为电能（二次能源）的工厂。发电厂按其所利用的能源不同，分为水力发电厂、火力发电厂、核能发电厂以及风力发电厂、海洋能发电厂、地热发电厂、太阳能发电厂、生物质能发电站、磁流体发电等类型。

火力发电：利用煤、石油、天然气和垃圾等燃料所含能量发电的方式。

主要设备：锅炉、汽轮机、发电机及各种辅机

能量转换过程：燃料化学能→热能→机械能→电能

生产过程：燃料在锅炉里燃烧→使水变成蒸汽→推动汽轮机转子旋转→带动发电机转子旋转→发电机产生电能

分类：凝汽式汽轮机发电厂、燃气轮机发电厂、内燃机发电厂、蒸汽—燃气轮机发电厂

我国目前主要的电能来源，2012年煤电总装机75811万千瓦，占的66.2%；发电3.68万亿千瓦时，占总发电量的73.9%。

发展趋势：逐年降低

水力发电：利用水的位能来生产电能的电站

主要设备：压力水管、水轮机、发电机

能量转换过程：水流位能→机械能→电能

分类：坝后式、引水式、河床式、混合式、抽水蓄能水电厂

生产过程：高处的水经压力水管→推动水轮机转子旋转→带动发电机转子旋转→发电机发出电能

缺点：水电建设的初投资较大，建设周期较长。

优点：发电成本较低，仅为火电发电成本的1/3～1/4；而且水电属于清洁、可再生的能源，有利于环境保护；同时水电建设，通常还兼有防洪、灌溉、航运、水产养殖和旅游等多项功能

核能电站：利用原子核的裂变来生产电能的电站

主要设备：核反应堆、蒸汽发生器、汽轮机、发电机

特点：巨大的能源、安全、清洁

一个1000MW的火电厂一天燃煤9600t，同样大的核电厂只要3.3kg的U235。

国外为常规能源电站，我国为新能源电站。

能量转换过程：核裂变能→热能→机械能→电能

风力发电

原理：利用风力的动能生产电能

主要设备：叶片、风力机、升速齿轮、发电机

特点：清洁、廉价、可再生、密度小、随机性、不稳定、单机容量不大、绿色能源、过程性能源、不能直接存储、技术要求高

太阳能发电简介

原理：利用太阳光能或太阳热能生产电能

太阳能光热发电：用反光镜集热产生蒸汽，用汽轮机来发电

太阳能光伏发电：用光电池直接把太阳能转化为电能

特点：安全、经济、无污染、取之不尽

地热发电

原理：利用地球内部蕴藏的大量地热能生产电能

特点：不消耗燃料、清洁

海洋能（潮汐发电厂图形）

海洋能发电，海洋能是蕴藏在海水中的可再生能源，如潮汐能、波浪能、海流能、海洋温差能、海洋盐差能等。

变电所

1、电压等级分：特高压（1000kV及以上）、超高压（330kV～750kV）、高压（35kV～

220kV）、中压（3kV～10kV）、低压（0.28kV～0.38kV）

2、供电对象差异分：城镇变电所、工业变电所、农业变电所

3、在电力系统中的低位和作用分：系统枢纽变电所、地区重要变电所、一般变电

所

一次设备：供配电系统中，用于发出、传输、变换、分配和使用电能的主电路。

发用电设备：发电机、电动机

变换设备：变压器、互感器

控制设备：高低压断路器、开关

保护设备：熔断器、继电保护设备

补偿设备：电容器、电抗器、调相机、消弧线圈

成套设备：高低压开关柜、低压配电屏、动力和照明配电箱

输送设备：母线、架空线、电缆、配电线

防御过电压设备：避雷针、避雷线、避雷带、避雷网、避雷器

绝缘设备：绝缘子，绝缘层

二次设备：用来控制、指示、监测和保护一次回路运行的电路。

测量设备

绝缘监察装置

控制和信号装置

继电保护及自动装置

直流电源设备

塞流线圈（高频阻波器）

电气主接线：一次设备按预期的生产流程所连接成的电路。

目的：表明电能的生产、汇集、转换、分配关系和运行方式，是运行操作、切换电路的依据。

配电装置：按主接线图，由母线、开关设备保护电器、测量表计及必要的辅助设备组建成接受和分配电能的装置。

安装地点分：屋内配电装置、屋外配电装置

电气设备组装方式分：装配式配电装置、成套式配电装置

电压等级分：10kV、35kV、110kV、220kV、500kV

第二章导体的发热、电动力及开关电器的灭弧原理

导体和电器的运行状态：正常、短路、空闲、过载、轻载

短路和过载都会导致导体和电器发热。

1、发热原因：

（1）当电流通过导体时，在导体电阻中所产生的电阻损耗。

（2）绝缘材料在电压作用下所产生的介质损耗。

（3）导体周围的金属构件，特别是铁磁物质，在电磁场作用下，产生的涡流和磁滞损耗。

2、发热分类：

（1）长期发热：导体和电器中长期通过正常工作电流所引起的发热。

（2）短时发热：由短路电流通过导体和电器时引起的发热

3、发热对导体和电器的不良影响：

（1）机械强度下降

（2）接触电阻增加

（3）绝缘性能降低

4、为了保证导体在长期发热和短时发热作用下能可靠、安全地工作，应使其发热

的最高温度不超过导体的长期发热和短时发热最高允许温度。

（1）导体的长期发热最高允许温度不应超过+70℃，在计及日照影响时，钢心铝线及管形导体可按不超过+80℃考虑。当导体接触面处有镀（搪）锡的可靠覆盖层时，可提高到+85℃。

（2）导体的短时最高允许温度，对硬铝及铝锰合金可取+200℃，硬铜可取+300℃。

为提高导体的载流量，可采取下列措施。

（1）减小导体电阻R。①采用电阻率P小的材料，如铜、铝、铝合金等；②减小接触电二，如接触面镀锡、银等；③增加截面积S，但S增加到一定程度时，K s随S 的增加而增，故单根标准矩形导体的S不大于1250mm2，单根不满足要求时，可采用2～4根，或采用槽形、管形导体。

（2）增大导体的换热面F。同样截面积S下，实心圆形导体的表面积最小，而矩形、槽形导体的表面积较大。

（3）提高换热系数α。①导体的布置尽量采用散热最佳的方式，如矩形导体竖放较平放乳热效果好；②屋内配电装置的导体表面涂漆，可提高辐射系数ε，从而提高辐射散热能力，但屋外配电装置的导体不宜涂漆，而保留光亮表面，以减少对日照

热量的吸收；③采用强迫冷却。

目的：确定导体通过短路电流时的最高温度（短路故障切除时的温度）是否超过短时最高允许温度，若不超过，则称导体满足热稳定，否则就是不满足热稳定。

短时发热过程特点：

（1）发热时间很短，电流比正常工作电流大的多，导体产生的热量来不及散失到周围介质中去，全部用来使导体温度升高，散热量可以忽略不计。

（2）在短时间内，导体的温度快速升高，其电阻和比热容（温度变化1℃，单位质量物体吸热量的变化量）不再是常数而是温度的函数。

大电流导体（母线）的周围存在强大的交变磁场，使附近的钢铁构件（如支持母线结构的钢梁、防护遮栏的钢柱或网板、混凝土中的钢筋、金属管路等）产生很大的磁滞和涡流损耗，钢构因而发热；如果钢构成闭合回路，还会感应产生环流，使功率损耗和发热更严重。

钢构中的损耗和发热随导体工作电流的增加而急剧增大，当导体电流大于3000A时，其附近钢构的发热便不容忽视，钢构的温升可能使材料产生变形和损坏，混凝土中的钢筋受热膨胀可能使混凝土产生裂缝，并明显影响运行的经济性、恶化设备和工作人员的运行条件。

因此，规定了钢构发热的最高允许温度：人可触及的钢构为70℃（避免烫伤），人不可触及的钢构为100℃（避免引起火灾），混凝土中的钢筋为80℃。

减少钢构损耗和发热的措施：

（1）加大钢构和载流导体的距离

（2）断开载流导体附近的钢构闭合回路并加上绝缘垫

（3）采用电磁屏蔽（短路环）

（4）采用分相封闭母线

导体通过电流时，相互之间的作用力称电动力。

正常工作电流所产生的电动力不大，但短路冲击电流所产生的电动力可达很大的数值，可能导致导体或电器发生变形或损坏。导体或电器必须能承受这一作用力，才能可靠地工作。为此，必须研究短路冲击产生的电动力大小和特征。

进行电动力计算的目的，是为了校验导体或电器实际所受到的电动力是否超过其允许应力，以便选择适当强度的电气设备，这种校验称动稳定校验。

大电流敞露母线的缺点：

①容易受到外界影响

②发生短路时，发热和电动力很大

分相封闭母线具有以下优点：

①不受自然环境和外物影响，能防止相间短，外壳多点接地，保证了人员接触外壳的安全；

②外壳的环流和涡流的屏蔽作用，使壳式分相封闭母线内磁场大为减弱，从而使短路时母线间的电动力大大减小，可增大支持绝缘子的跨距；

③壳外磁场也大大减弱，从而减少了母线附近钢构的发热；

④外壳可兼作强迫冷却管道，提高母线载流量；

⑤安装、维护工作量小。

其主要缺点是：①母线散热条件较差；②外壳产生损耗；③有色金属消耗量增加。

电弧：一种气体放电现象，电流通过某些绝缘介质(例如空气)所产生的瞬间火花。动画

特点：功率大，光亮很高，温度很高，自持性、扩散性

危害：

①延长电路开断时间；

②高温烧坏触头母线和电气设备以及人员；

③弧光损伤人的视力。

1、电弧的产生原因：

（1）触头和触头周围的介质中含有大量可被游离的电子；

（2）分断的触头间存在足够大的外施电压；

2、游离方式：

（1）热电发射：炽热光斑→温度升高→电子吸收热量→发射成为自由电子；

（2）高电场发射：开关断开→强大电场→拉出电子；

（3）碰撞游离：“雪崩”现象；

（4）高温游离：高温→中性质子→正离子和电子

3、去游离方式：

（1）正负带电质点的“复合”

（2）正负带电质点的“扩散”

4、交流电弧特点：

（1）交流电弧伏安特性，图；

（2）电弧电压的波形呈马鞍形变化；

（3）交流电流过零时，电弧暂时熄灭；

5、电弧的熄灭条件：去游离＞游离率

6、影响游离作用的物理因素：

（1）气体介质的温度。温度越高，热游离越强烈。

（2）介质的压力。压力越大，自由电子的平均自由行程越小，发生碰撞游离的可能性越小。

（3）触头之间的外加电压。电压越高越容易将间隙击穿。

（4）触头之间的开断距离。开断距离增大则减小间隙中的电场强度。

（5）触头之间的介质种类。不同介质游离电场不同，热游离温度也不同。

（6）开关电器的触头材料。不同金属的蒸气有不同的游离电压，有些金属耐高温，不易产生金属蒸气。

1、采用灭弧能力强的灭弧介质

（1）变压器油；（2）压缩空气；（3）SF6气体；（4）真空

2、利用气体或油吹弧

（1）横吹；（2）纵吹

3、采用特殊金属材料作灭弧触头

4、在断路器两端加装低值并联电阻

5、采用多断口熄弧

6、提高断路器触头的分离速度

7、低压开关中的熄弧方法

（1）金属灭弧栅灭弧；（2）固体介质狭缝灭弧

第三章电气设备的结构和工作原理

绝缘子：支持和固定裸载流导体，并使裸载流导体与地或装置绝缘。

绝缘子特点：足够的绝缘强度、机械强度、耐热、防潮

绝缘子分类：

电压分：高压绝缘子、低压绝缘子

用途分：电站绝缘子、电器绝缘子、线路绝缘子

安装地点分：户内式、户外式

绝缘材质分：瓷质绝缘子、玻璃绝缘子、复合材料绝缘子

结构形式分：1、支柱式绝缘子；2、盘形悬式绝缘子；3、套管式绝缘子

绝缘子组成：绝缘件、金属附件

绝缘子运行：能在115%额定电压运行、能承受短路电流产生的最大电动力

①外胶装：将铸铁底座和圆形铸铁帽均用水泥胶合剂胶装在瓷件的外表面，铸铁帽

上有螺孔，用来固定母线金具，圆形底座的螺孔用来将绝缘子固定在构架或墙壁上。

②内胶装：将绝缘子的上、下金属配件均胶装在瓷件孔内。

③联合胶装：绝缘子的上金属配件采用内胶装结构，而下金属配件则采用外胶装结

构的一种胶装方式。

①针式支柱绝缘子属空心可击穿结构，较笨重，易老化。

②棒式绝缘子为实心不可击穿结构，一般不会沿瓷件内部放电，运行中不必担心瓷

体被击穿，与同级电压的针式绝缘子相比，具有尺寸小、质量轻、便于制造和维护等优点。因此，它将逐步取代针式绝缘子。

2、悬式绝缘子：应用于35kV及以上屋外配电装置和架空线路上，按其帽及脚的连

接方式不同又分为球形的和槽形两种。

钟罩形防污绝缘子的污闪电压比普通型绝缘子高20％～50％；

双层伞形防污绝缘子具有泄漏距离大、伞形开放、裙内光滑、积灰率低、自洁性能好等优点；

草帽形防污绝缘子也具有积污率低、自洁性能好等优点。

3、套管绝缘子：用于母线在屋内穿过墙壁或天花板，以及从屋内向屋外引出，或

用于有封闭外壳的电器（断路器、变压器）的载流部分引出壳外。

套管绝缘子根据结构形式不同可分为带导体型和母线型两种。带导体型套管的载流导体与绝缘部分制成一个整体，导体材料有铜和铝，导体截面有矩形和圆形；母线型套管本身不带载流导体，安装使用时，将载流母线装于套管的窗口内。

定义：在发电厂和变电站的各级电压配电装置中，发电机、变压器等大型电气设备与各种电器装置之间连接的导体。

作用：汇集、分配和传送电能，故又称汇流排。

重要性：母线是构成电气主接线的主要设备，包括一次设备部分的主母线和设备连接线、站用电部分的交流母线、直流系统的直流母线、二次部分的小母线等。

1、母线材料

分类：铜母线、铝母线、铝合金母线及钢母线

铜母线：导电性能做好、铜贮藏量少、价格贵；

铝母线：且导电率仅次于铜、铝质轻、价廉、机械强度较差

铝合金母线：补强铝母线机械强度较差的措施

钢母线：机械强度大、价格低廉、导电性差、交流电路中会产生强烈的集肤效应、很大的磁滞损耗和涡流损耗

2、母线的截面形状

分类：矩形、槽形、管形、圆形和绞线等形式

矩形母线：安装简单、连接方便、散热好、集肤效应较大、35kV及以下应用；

槽形母线：机械强度更高、35kV及以下应用；

管形母线：空心导体、集肤效应小、电晕放电电压高、机械强度高、散热条件好、110kV及以上应用；

圆形母线：曲率半径不够大、抗弯能力差；

绞线：软母线、以钢芯铝绞线为例，由多股铝线绕在单股或多股钢线的外层构成，具有机械强度高、导电性好、安装方便、价格低廉等优点。

3、封闭母线

定义：用专门的外壳封闭

应用：常用于连接发电机与变压器

目的：可以避免由外物造成的母线短路故障，以及因气候剧烈变化及污秽造成地绝缘子闪络，从而大大提高了母线运行的可靠性。

分类：按外壳材料不同可分为塑料外壳和金属外壳。按外壳与母线间的结构形式不同可分为不隔相式、隔相式和分相封闭式三种。

结构：

a.载流导体，一般用铝制成，采用空心结构以减小集肤效应。当电流很大时，还可

采用水内冷圆管母线。

b.保护外壳，由5~8mm的铝板制成圆管形。

c.支柱绝缘子，采用多棱边式结构以加长漏电距离，每个支持点可采用1~4个支柱绝缘子

4、绝缘母线

应用：是变电站及发电厂厂用变电站内裸母线、电缆的最佳替代品，最适用于紧凑型变电站、地下变电站及地铁用变电站，可减少占地面积、运行可靠。

构成：导体、环氧树脂渍纸绝缘、地屏、端屏、端部法兰和接线端子。

6、母线的着色要求

硬母线安装后，应进行油漆着色，主要是为了便于识别相序、防锈蚀、美观及增强散热能力。实验结果表明：按规定涂刷相色漆的母线可增加12%~15%的载流量。母线油漆颜色应符合以下规定：

①三相交流母线：A相—黄色，B相—绿色，C相—红色。

②单相交流母线：从三相母线分支来的应与引出相颜色相同。

③直流母线：正极—赭色，负极—蓝色。

④直流均衡汇流母线及交流中性汇流母线：不接地者—紫色，接地者—紫色带黑色

横条。

软母线不需着色。但常在母线构架上、设备裸带电体或出线套管顶帽上涂刷相色漆，以示相序。

8、母线的布置方式：

水平布置：允许载流量不大、机械强度较高

竖直布置：散热性强、机械强度和绝缘能力都很高、投资高

电力电缆：各相导体之间及导体对地之间均有可靠绝缘层，且有密封护套将全部绝缘导体一并加以保护和封闭，而且还有外护层保护密封护套。

与母线相比，电缆结构极为紧凑，占用空间要小得多；走向和布置极为灵活方便；现场施工简便；在无外界严重损伤和破坏（包括机械损坏与火灾）的条件下运行可靠性高。

电缆的导体散热条件不如裸母线好，应用于在小电流长距离的配电；大电流短距离回路宜采用母线。

与架空线路相比，它可以直接埋在地下及敷设在电缆沟、电缆隧道中，也可以敷设在水中或海底，具有防潮、防腐、防损伤、不占地面、不占用空中走廊、不妨碍观瞻等优点，基本不受外力和气象条件影响，运行安全可靠，所以得到广泛应用。但是，电缆线路具有造价高、敷设麻烦、维护检修不便、难以发现和排除故障等缺点，故使用上应加以重视。

1、电缆分类、结构及性能

分类：

①按电压等级分：低压电缆；中压电缆；高压电缆；超高电缆及特高电缆。

②按电缆芯数分：有单芯、双芯、三芯、四芯四种。

③按传输电能的形式分：分为直流电缆和交流电缆。

④按特殊需求分：有输送大容量电能的电缆、阻燃电缆和光纤复合电缆等品种。

⑤按电缆绝缘材料和结构分：有油浸纸绝缘电缆、聚氯乙烯绝缘电缆（或称塑料电缆）、交联聚乙烯绝缘电缆（简称交联电缆）、橡皮绝缘电缆、高压充油电缆、SF6气体绝缘电缆等。

2、常用电缆中间接头盒和终端接头盒的结构和性能

电缆接头应达到的技术要求

①导体连接良好。

②绝缘可靠。

③密封良好。

④足够的机械强度。

架空线路：指室外架设在电杆上用于输送电能的线路。

优点：成本低、投资少、安装容易、维护和检修方便、易于发现和排除故障；

缺点：受大气影响、易受雷击、冰雪、风暴和污秽空气的危害、且要占用一定的地面和空间、有碍交通和观瞻。

现代化工厂有逐渐减少架空线路、改用电缆线路的趋向。

组成：导线、电杆、横担、绝缘子、线路金具、拉线、板桩、避雷线等。

1.架空线路的导线

2.电杆、横担和拉线

3.绝缘子和线路金具

4.架空线路的敷设

金具：送电线广泛使用的铁制或铝制金属附件