第二章 電氣設(shè)備的原理與功能

第二章電氣設(shè)備的原理與功能2.1概述2.2同步發(fā)電機(jī)2.3電力變壓器2.4電動機(jī)2.5高壓斷路器2.6互感器2.1概述發(fā)電廠和變電站的作用：生產(chǎn)、輸送和分配電能；根據(jù)電力負(fù)荷的變化啟停機(jī)組、調(diào)整運(yùn)行方式和運(yùn)行參數(shù)；根據(jù)電力系統(tǒng)要求投切線路；監(jiān)視主要設(shè)備的工作狀態(tài)；對主要設(shè)備進(jìn)行定期檢修和維護(hù)；迅速消除故障，盡量減小故障的影響。2.1概述一次設(shè)備：擔(dān)負(fù)電能輸送和分配任務(wù)。二次設(shè)備：對一次系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制、測量和保護(hù)。電氣設(shè)備的分類按地位和作用按功能生產(chǎn)和變換電能設(shè)備：如電力變壓器、電流互感器、電壓互感器等。2.1概述開關(guān)設(shè)備：如斷路器、隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)等。保護(hù)設(shè)備：如熔路器、避雷器、電抗器等。載流導(dǎo)體：如母線、電纜等。無功補(bǔ)償設(shè)備：如電力電容器、靜止補(bǔ)償器等。成套配電裝置：如高壓開關(guān)柜、低壓配電屏等。2.2同步發(fā)電機(jī)一、發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)臥式：汽輪發(fā)電機(jī)立式：水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)主要組成部分轉(zhuǎn)子鐵心線圈轉(zhuǎn)子線圈中通入直流電流，形成一個電磁鐵，在周圍空間中形成磁場，而高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子形成了高速旋轉(zhuǎn)的磁場。2.2同步發(fā)電機(jī)定子鐵心和定子線圈提供磁通路，定子線圈受磁通變化的影響產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，若連接導(dǎo)線、接上負(fù)荷，會產(chǎn)生電流，向外提供功率。冷卻系統(tǒng)使發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中由于各種原因造成的溫度升高得到冷卻。2.2同步發(fā)電機(jī)二、發(fā)電機(jī)工作原理發(fā)電機(jī)發(fā)電的過程就是將原動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的動能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子間的磁場耦合作用，在定子繞組上變成電能的過程。2.2同步發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)的分類按原動機(jī)的不同水輪發(fā)電機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)按冷卻介質(zhì)的不同空氣冷卻、氫氣冷卻和水冷卻2.2同步發(fā)電機(jī)三、同步發(fā)電機(jī)的額定運(yùn)行方式1、發(fā)電機(jī)的額定值額定運(yùn)行方式：發(fā)電機(jī)按照制造廠銘牌規(guī)定數(shù)據(jù)運(yùn)行的方式。正常運(yùn)行方式：發(fā)電機(jī)的額定運(yùn)行方式以及在其運(yùn)行參數(shù)允許變化范圍內(nèi)的運(yùn)行方式。發(fā)電機(jī)的額定容量：是指在額定電壓、額定頻率、額定功率因數(shù)和額定冷卻介質(zhì)溫度等條件下，發(fā)電機(jī)所能長期連續(xù)發(fā)出的最大功率。2.2同步發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)溫升：發(fā)電機(jī)各部分溫度與冷卻介質(zhì)入口溫度之差。發(fā)電機(jī)頻率：50Hz發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速：發(fā)電機(jī)輸出有功功率：發(fā)電機(jī)輸出無功功率：2.2同步發(fā)電機(jī)

2、發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷與負(fù)荷調(diào)整

有功負(fù)荷的調(diào)整:通過調(diào)速器進(jìn)行無功功率和電壓的調(diào)整:改變發(fā)電機(jī)勵磁電流大小3、同步發(fā)電機(jī)的非正?？傋鳡顟B(tài)過負(fù)荷運(yùn)行、異步運(yùn)行、不對稱運(yùn)行

非正常運(yùn)行的情況一般表現(xiàn)為溫度升高，因此在運(yùn)行中主要通過溫度升高程度和非正常運(yùn)行時間對定子電流和轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行限制。2.2同步發(fā)電機(jī)四、發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)為發(fā)電機(jī)提供可調(diào)節(jié)勵磁電流的設(shè)備，構(gòu)成發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)勵磁功率單元勵磁調(diào)節(jié)器2.2同步發(fā)電機(jī)控制電壓合理分配并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)間的無功功率提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性改善電力系統(tǒng)運(yùn)行條件防止發(fā)電機(jī)過電壓勵磁系統(tǒng)的主要任務(wù)2.2同步發(fā)電機(jī)對勵磁系統(tǒng)的要求有足夠的強(qiáng)勵頂值電壓具有足夠的勵磁電壓上升速度有足夠的調(diào)節(jié)容量穩(wěn)定可靠，響應(yīng)快、調(diào)節(jié)平滑，具有足夠的電壓調(diào)節(jié)精度2.3電力變壓器變壓器是利用電磁感應(yīng)原理把一種電壓等級的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一電壓等級的交流電能。一、變壓器的結(jié)構(gòu)形式和分類1、變壓器結(jié)構(gòu)心式：線圈包圍鐵心殼式：鐵心包圍線圈2.3電力變壓器變壓器鐵心的作用是構(gòu)成磁路，由硅鋼片交錯疊裝而成。變壓器線圈即變壓器繞組，為變壓器的電力部分，連接電源的繞組為一次繞組，連接負(fù)載的繞組為二次繞組。主要部分：閉合鐵心、高壓線圈、低壓線圈2.3電力變壓器2、變壓器的分類按用途分電力變壓器互感器特殊用途變壓器按相數(shù)三相變壓器單相變壓器按繞組數(shù)目兩繞組變壓器三繞組變壓器自耦變壓器按冷卻介質(zhì)油浸式變壓器干式變壓器水冷式變壓器2.3電力變壓器二、變壓器工作原理1、空載運(yùn)行當(dāng)變壓器的一次繞組施加電壓而二次繞組不接負(fù)載時稱為變壓器的空載運(yùn)行。2.3電力變壓器主磁通:空載電流通過一次繞組時，在鐵心中產(chǎn)生磁通，此磁通即通過一次繞組又通過二次繞組。漏磁通:空載電流除產(chǎn)生主磁通以外，還產(chǎn)生少量的磁通，這部分磁通不經(jīng)過二次繞組，僅在一次繞組周圍構(gòu)成回路。2.3電力變壓器若磁通按正弦規(guī)律變化根據(jù)電磁感應(yīng)定律2.3電力變壓器其中則電動勢的有效值2.3電力變壓器變壓器一次繞組的電壓方程由于空載電流很小，一般情況下變壓器空載時的二次繞組電壓2.3電力變壓器故一次、二次繞組電壓的數(shù)值關(guān)系為K為變壓器變比，當(dāng)變壓器的電源電壓不變時，只要改變匝數(shù)比，就可得到不同的輸出電壓。2.3電力變壓器2、有載運(yùn)行電流關(guān)系（磁動勢平衡方程）其中由于空載電流很小，一般情況下2.3電力變壓器電壓關(guān)系有載時的電壓方程可近似為變壓器一次、二次繞組電壓關(guān)系2.3電力變壓器3、阻抗變換若忽略繞組阻抗壓降，接入負(fù)載Z對電源而言，用等效阻抗Z′代替變壓器則或2.3電力變壓器三、變壓器的額定值額定容量SN（V·A，kV·A

或MV·A

）在額定使用條件下，變壓器施加額定電壓、額定頻率，輸出額定電流，溫升不超過極限值時，變壓器的容量。額定電壓U1N，U2N（kV）根據(jù)變壓器絕緣強(qiáng)度、鐵心飽和限制和允許溫升所規(guī)定的一次側(cè)電壓值，稱為一次側(cè)額定電壓。一次側(cè)和二次側(cè)額定容量通常相等。2.3電力變壓器變壓器在空載（調(diào)壓開關(guān)接在額定分接頭上）時，二次側(cè)電壓稱為二次側(cè)額定電壓。供調(diào)壓的分接頭一般安裝在高壓側(cè)。變壓器高壓繞組一般在外側(cè)，抽頭引出連接方便；高壓側(cè)電流相對于其它側(cè)要小些，引出線和分頭開關(guān)的載流部分導(dǎo)體截面小些，接觸不良的影響較易解決。2.3電力變壓器額定電流I1N，I2N（A）根據(jù)額定容量和額定電壓計算出的電流，稱為額定電流。阻抗電壓Uk％又稱為短路電壓，是短路阻抗與一次側(cè)額定電流I1N的乘積。對于三相變壓器，額定電壓和額定電流均為線電壓和線電流。2.3電力變壓器短路損耗Pk(kW)做短路試驗(yàn)時，額定電流通過變壓器的一次繞組，二次繞組短接時變壓器所吸收的功率。空載損耗P0（kW）用額定電壓施加于變壓器一個繞組上，其余繞組均為開路，變壓器所吸收的有功功率。2.3電力變壓器空載電流百分值I0％空載試驗(yàn)時，變壓器所流入電流的三相算術(shù)平均值稱為變壓器的空載電流，常用額定電流的百分?jǐn)?shù)表示。連接組號代表變壓器各相繞組的連接法和相位關(guān)系的符號。Y表示星形連接N表示中性點(diǎn)接地D表示三角形連接數(shù)字代表二次側(cè)與一次側(cè)電壓的相位移2.3電力變壓器例如：一臺YNd11連接的三相變壓器，額定容量SN＝3150kV·A，U1N/U2N＝35/6.3kV，則2.3電力變壓器四、變壓器的過負(fù)荷能力變壓器過負(fù)荷能力是指在較短時間內(nèi)所能輸出的功率，在一定條件下，可超出變壓器的額定容量。其大小和持續(xù)時間，由變壓器運(yùn)行情況及絕緣老化等條件決定。正常情況下過負(fù)荷能力事故情況下過負(fù)荷能力2.3電力變壓器五、自耦變壓器自耦變壓器二次繞組是一次繞組的一部分。一、二次側(cè)的電壓和電流之比與普通變壓器相同。優(yōu)點(diǎn)：材料省、體積小、成本低缺點(diǎn)：一、二次之間有電聯(lián)系，使用時不夠安全。2.4電動機(jī)電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的機(jī)械。直流電動機(jī)交流電動機(jī)同步電動機(jī)異步電動機(jī)繞線式異步電動機(jī)鼠籠式式異步電動機(jī)2.4電動機(jī)一、三相異步電動機(jī)1、三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)定子由鐵心、定子繞組和機(jī)座等組成。定子鐵心是定子中的磁路部分；定子繞組是定子中的電路部分。2.4電動機(jī)轉(zhuǎn)子由鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、風(fēng)扇及轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子繞組籠型：在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)壓入銅條或直接將鋁澆注在鐵心槽內(nèi)。繞線型：在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)嵌置對稱的三相繞組，三相繞組星形連接。2.4電動機(jī)2、三相異步電動機(jī)的工作原理轉(zhuǎn)差率s：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n0之差(n0－n)對同步轉(zhuǎn)速n0的比值。電動機(jī)狀態(tài)發(fā)電機(jī)狀態(tài)電磁制動狀態(tài)2.4電動機(jī)3、三相異步電動機(jī)的特性⑴轉(zhuǎn)子電路分析轉(zhuǎn)子電動勢當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)差率為s，轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢的頻率2.4電動機(jī)轉(zhuǎn)子阻抗和轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的漏感抗設(shè)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電阻為R2，則轉(zhuǎn)子電路阻抗為轉(zhuǎn)子電路的電流和功率因數(shù)2.4電動機(jī)⑵電磁轉(zhuǎn)矩特性和T－s曲線異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)s較小時，T與s成正比；當(dāng)s較大時，T與s成反比。2.4電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩：T－s曲線上轉(zhuǎn)矩的最大值。通過求極值，可得過載能力：電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值2.4電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩：電動機(jī)啟動瞬間，轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)差率s=1。此時的轉(zhuǎn)矩稱為啟動轉(zhuǎn)矩。啟動能力：電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值。2.4電動機(jī)⑶機(jī)械特性和n－T曲線電動機(jī)轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系稱為電動機(jī)的機(jī)械特性，可用n－T曲線表示。2.4電動機(jī)4、三相異步電動機(jī)的額定參數(shù)額定電壓UN

額定運(yùn)行狀態(tài)下定子繞組施加的線電壓（V）額定電流IN

額定運(yùn)行狀態(tài)下定子繞組流過的線電流（A）額定功率PN

額定運(yùn)行狀態(tài)下轉(zhuǎn)軸端輸出的機(jī)械功率（kW）額定轉(zhuǎn)速nN

額定運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速（r/min）2.4電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩TN：額定運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩（N·m）額定功率因數(shù)額定運(yùn)行狀態(tài)下定子繞組每相電路的功率因數(shù)。一般為0.7～0.9。額定效率額定運(yùn)行狀態(tài)下的效率。一般為75％～92％2.4電動機(jī)5、三相異步電動機(jī)的啟動和調(diào)速⑴啟動方法電動機(jī)從接通電源導(dǎo)正常運(yùn)行的過程叫啟動過程。異步電動機(jī)的啟動性能啟動轉(zhuǎn)矩:一般為額定轉(zhuǎn)矩的1～1.2倍。啟動電流:一般為額定電流的4～7倍。啟動方式全壓啟動（直接啟動）：電動機(jī)用額定電壓啟動。降壓啟動：為減小啟動電流，電動機(jī)定子繞組啟動時采用降壓措施。繞線型電動機(jī)啟動：增大轉(zhuǎn)子電路的電阻。2.4電動機(jī)2、調(diào)速方法調(diào)速是指負(fù)載不變時人為地改變電動機(jī)地轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速：改變異步電動機(jī)供電電源地頻率。變極調(diào)速：改變定子繞組地接法而改變極對數(shù)。2.4電動機(jī)二、單相異步電動機(jī)1、工作原理單相異步電動機(jī)地的定子繞組是單相繞組，轉(zhuǎn)子為籠式。

單相異步電動機(jī)無啟動轉(zhuǎn)矩，有運(yùn)行轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，若沿順時針方向若沿逆時針方向轉(zhuǎn)子靜止時，2.4電動機(jī)2、啟動方法兩相啟動電動機(jī)啟動后的運(yùn)行方式兩相啟動單相運(yùn)行兩相啟動兩相運(yùn)行罩極啟動

定子做成凸極形式，上面繞有勵磁繞組，磁極約1/3部分裝有閉合銅環(huán)。轉(zhuǎn)子為籠式轉(zhuǎn)子。啟動轉(zhuǎn)矩小，適用于空載下啟動的設(shè)備。電動機(jī)定子上裝設(shè)兩個軸線在空間互差90°的兩相繞組，其中一個繞組串聯(lián)電容器。2.5高壓斷路器高壓斷路器作用正常運(yùn)行時，根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行需要，將電力設(shè)備或線路投入或退出運(yùn)行；系統(tǒng)發(fā)生故障時，將故障部分迅速從電網(wǎng)中切除，保證其它部分正常運(yùn)行。2.5高壓斷路器一、工作原理斷路器開斷有電流通過的電路時，在開關(guān)觸頭分離瞬間，觸頭間會出現(xiàn)電弧，若不采取有效措施，可能燒壞觸頭及電器部件絕緣，危害電力系統(tǒng)的運(yùn)行。1、電弧的產(chǎn)生電弧的產(chǎn)生和維持是觸頭間中性質(zhì)子（分子和原子）被游離的結(jié)果。產(chǎn)生電弧的游離方式有：高電場發(fā)射碰撞游離熱電發(fā)射熱游離2.5高壓斷路器2、電弧的熄滅電弧熄滅的條件：使觸頭間電弧中的去游離率大于游離率，即使離子消失的速度大于離子產(chǎn)生的速度。去游離的主要方式：復(fù)合：指正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)重新結(jié)合為中性質(zhì)點(diǎn)。擴(kuò)散：指電弧中的帶電質(zhì)點(diǎn)向周圍介質(zhì)擴(kuò)散開去。2.5高壓斷路器3、開關(guān)電器中常用的滅弧方法速拉滅弧法；吹弧滅弧法；采用真空；弧隙并聯(lián)電阻；提高弧隙介質(zhì)壓力。2.5高壓斷路器二、斷路器的基本技術(shù)數(shù)據(jù)額定電壓UN：指斷路器長期正常工作所能承受的電壓。額定電流IN：指斷路器允許長期通過的最大工作電流。額定開斷電流INbr：指斷路器在額定電壓下能夠正常開斷的最大短路電流，它表征斷路器的開斷能力。2.5高壓斷路器熱穩(wěn)定電流Ith：我國規(guī)定4s內(nèi)所能承受的熱穩(wěn)定電流為額定熱穩(wěn)定電流。短路關(guān)合電流INC1：額定電壓下，能可靠關(guān)合、開斷的最大短路電流。動穩(wěn)定電流ies：極限通過電流，是指斷路器處在合閘位置時，允許通過的短路電流最大峰值。2.5高壓斷路器分閘時間tab：指斷路器從得到分閘命令起，到三相電弧完全熄滅為止的一段時間，它包括斷路器的固有分閘時間和燃弧時間兩部分。合閘時間ton：指斷路器從接到合閘命令起，到三相觸頭剛接觸為止的一段時間。額定開斷容量SNbr：指斷路器額定電壓和額定開斷電流的乘積，即

2.5高壓斷路器三、高壓斷路器型號含義2.5高壓斷路器四、斷路器類型油斷路器利用絕緣油作為滅弧介質(zhì)?？煞譃槎嘤蛿嗦菲骱蜕儆蛿嗦菲鳌N10-10型高壓少油斷路器2.5