电气一次设备和电气主接线讲义.docx

1、电气一次设备和电气主接线讲义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

2、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

3、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。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

4、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UN表示，为

5、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IN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值表示，是衡量断路器开断能力的指标，用Inbr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

6、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It：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It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ies：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iNcl：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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、关第二单元：安装地点，N，W第三单元：设计序号第四单元：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/V）、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

12、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IN1、IN2之比，称为电流互感器的额定互感比，用ki表示，其近似于一、二次绕组的匝数N1、N2成反比。即：IN1/IN2N2/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

13、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UN1、UN2之比，称为电压互感器的额定互感比，用ku表示，其近似于一、二次绕组的匝数N1、N2之比。即：UN1/UN2N1/N2。第二章 电气主接线第1节 概述电气主接线是指发电厂、变电所中的一次设备按照设计要求连接而成的电路，也称发电厂、变电所主电路或一次接线。电气主接线的形式对配电装置布置、供电可靠性、运行灵活性和建设投资资金都有很大影响。配电装置是发电厂、变电所的主要组成部分，是按主接线图的接线要求，由开关设备、载流导体以及其他必要的设备

14、组成的电工建筑物。将按规定符号绘制而成的主电路图称为电气主接线图，也称一次接线图。主接线图以单线图表示，即三相电路中只画出一相设备的连接图，只有在需要表明局部三相电路不对称时，才将局部绘制成三线图。发电厂和变电所的电气主接线必须满足以下基本要求： 根据发电厂和变电所在电力系统中的地位，满足必要的可靠性； 在正常情况下能根据调度的要求灵活地改变运行方式，在各种事故或检修时能尽快退出设备，切除故障，使停电时间最短、影响范围最小，并在检修设备时能保证检修人员的安全即具有一定的灵活性； 由于复杂的接线易引起误操作而发生事故，所以应力求接线简单、操作方便； 在保证可靠性、简单、灵活、方便的条件下，尽量降

15、低投资经济上要合理。电气主接线在满足以上技术经济方面基本的要求外，还应具有发展和扩建的可能性。典型的电气主接线大致可分为有母线和无母线两类，有母线类主接线包括单母线、双母线及带旁路母线的接线等，无母线类主接线包括桥形接线、多角形接线和单元接线。下面我们从单母线接线开始：第2节 单母线接线2.1单母线接线2.1.1单母线接线图单母线接线图如下图所示，基本支路是电源（发电机、变压器或其他电源进线）和引出线，电源和引出线之间用母线W连接。电源支路将电能送至母线，引出线从母线获取电能，母线起着汇集和分配电能的作用，所以也称汇流母线或汇流排。主接线中每一支路均装有断路器（QF），断路器在正常情况下用来接

16、通和断开电路，故障时自动切断电路。断路器两侧装有隔离开关（也称闸刀或刀闸），如QS1和QS3，靠近母线侧的叫母线侧隔离开关，如QS1和QS2，靠近线路侧的叫线路侧隔离开关，如QS3，接地闸刀EQS，在检修线路时闭合，以代替接地线使用。2.1.2倒闸操作发电厂变电所的电气设备分为运行、热备用、冷备用和检修四种状态。将设备由一种状态变为另一种状态所进行的操作称为倒闸操作。倒闸操作中，线路停、送电的操作顺序为： 送电时，先合母线侧隔离开关，再合线路侧隔离开关，最后合断路器； 停电时，先拉开断路器，再拉开线路侧隔离开关，最后拉开母线侧隔离开关。在断路器未断开的情况下拉开或合上隔离开关，是一种误操作，叫

17、做带负荷拉合闸，会引起严重事故，必须严禁。可加装防误闭锁装置，如电磁锁、程序锁等。2.2单母线分段接线当引出线数目较多、电源超过一个时，为提高供电可靠性，可用断路器将母线分段，这个断路器就叫母分断路器或分段断路器（当然，至少要增加一个断路器间隔的投资）。2.2.1单母线分段接线的运行方式正常情况下，单母线分段接线有两种运行方式： 母分断路器闭合、两段母线并列运行，当任一段母线发生故障时，继电保护动作，首先跳开母分断路器，再跳开故障母线的电源断路器，从而保证另一段母线继续供电。 母分断路器断开、两段母线分开运行，每个电源只向本段母线上的引出线供电，为提高供电可靠性，可加装备用电源自动投入装置，当

18、任一电源断路器跳开之后，分段断路器自动合上，由一个电源向两段母线供电。两段母线分开运行的一大优点是可以限制短路电流。2.2.2单母线分段接线的主要优、缺点： 当母线发生故障时，仅故障母线段停止工作，另一段母线仍继续工作； 对重要用户，可从不同段母线分别引出两路线供电，一供一备，以提高供电可靠性。 当一段母线故障或检修时，该母线上所有进出线全停。 任一出线断路器检修时，该回路停止供电。2.3带旁路母线的单母线接线断路器经过长期运行和切断数次短路电流后都需要检修，为保证线路断路器检修时该出线不停电，可增设旁路母线SW和旁路断路器间隔（包括断路器SQF、隔离开关QS3、QS4）。各出线经各自的旁路隔

19、离开关SQS与旁路母线连接。当需要检修某出线断路器QF，又不能停该线路时，可这样操作： 合上旁路间隔中的母线侧隔离开关QS3、旁母侧隔离开关QS4，再合上旁路断路器SQF，对旁路母线充电；（若旁路母线有故障，旁路断路器SQF会自动分闸） 合上该线路旁路隔离开关SQS； 拉开要检修的断路器QF及两侧隔离开关QS2、QS1； 挂好QF两侧接地线（或合上两侧接地闸刀）、做好安全措施，就可以检修QF了。QF要检修！线路不能停！ 当检修电源回路断路器期间不允许断开电源时，旁路母线还可与电源回路连接，此时还需在电源回路中加装旁路隔离开关，如上图虚线所示。有了旁路母线，检修与它相连的任一回路断路器时，该回路

20、便可以不停电，因而提高了供电的可靠性。单母线分段带旁路母线的接线,有母线分段断路器、每段母线与旁母之间又有旁路断路器间隔，如下图，如果本身进出线并不多，那么增加的投资占总投资的比例就特别大，所以如果进出线不太多时，我们会采用“母分兼旁路”或“旁路兼母分”的接线方式。2.3.1旁路断路器兼作母分断路器下图就是旁路兼母分的接线方式，即QF2既是旁路断路器，又可以兼做母分断路器。这样就省去了两个断路器间隔，节省了投资。提高了可靠性，也满足了经济性，但是操作变得相当复杂。母线分段断路器呢？B段母线的旁路断路器呢？下面我们来看一下它的运行方式和倒闸操作：1、 A、B两段母线并列运行、QF2作母分断路器：

21、 先合上隔离开关QS1、QS2再合上断路器QF2，对旁路母线充电； 拉开断路器QF2； 合上B段母线上的隔离开关QS3； 合上断路器QF2。此时旁路断路器QF2就作为A、B两段母线的分段断路器使用，旁母带电。2、 QF2作旁路断路器使用：（QS1、QS2、QF2、QS3在合闸位置） 若线路断路器QF1要检修，该线路又不能停电，可这样操作： 合上QS4（若A、B段母线分列运行，可以不要这一步）； 拉开QF2和QS3； 合上QS7 合上QF2； 拉开QF1、QS6、QS5； 在QF1两侧挂上接地线（或合上接地闸刀）做好安全措施；就可检修QF1了。对于单母线接线来说，不管是单母线分段还是单母线分段带

22、旁路接线，当母线故障或母线检修时，接于该段母线上的进出线全停；任一支路的母线侧隔离开关故障或检修时，接于该段母线上的进出线全停；而且要等检修完毕，才能恢复供电。所以，对于供电可靠性要求更高的，我们可以采用双母线接线。第3节双母线接线3.1双母线接线如图所示，它具有两组母线。每回线路都经一台断路器和两组隔离开关分别与两组母线相连（所以也叫单断路器的双母线接线），母线与母线之间用母线联络断路器CQF（简称母联）连接，有两组母线后，使运行的可靠性和灵活性大为提高。 3.2带旁路母线的双母线接线3.2.1带旁路母线的双母线接线3.3 3/2接线运行灵活可靠。正常运行时成环形供电，任意一组母线发生故障时

23、，只是与故障母线相连的断路器自动分闸，任何回路均不会停电，甚至在一组母线检修，一组母线故障的情况下，仍能继续输送功率。操作方便。隔离开关只起隔离电压作用，。任何一台断路器检修或任何一组母线检修时，只需拉开对应的断路器及隔离开关，不影响各支路运行，不需要切换任何回路，避免了利用隔离开关进行倒闸操作，。一般情况下，一台母线侧断路器发生短路故障，只影响一条支路工作，而联络断路器发生短路故障时，该串的两个支路会短时停电。为减少供电损失，应尽可能将同名元件布置在不同串上，避免当联络断路器故障时，同时切除两个电源。投资较大，二次接线和继电保护比较复杂。这种接线目前广泛用于大型发电厂和变电站330500kV

24、的配电装置中。第4节无母线类接线 无母线类接线，其最大的特点是使用断路器数量较少，一般使用的断路器数都小于或等于进出线回路数，从而结构简单，投资较少。常见的有单元接线、桥形接线和多角形接线。4.1 单元接线（a）为发电机双绕组变压器组单元接线。除在发电机出口引接厂用分支，发电机与变压器之间不装设断路器。为满足试验工作需要，仅装设隔离开关或可拆卸的连接装置。这是目前大型机组广为采用的接线形式。（b）为发电机三绕组变压器组单元接线。该接线在发电机出口处（也有厂用分支）装设断路器和隔离开关，在三绕组变压器的其余两侧也装设了断路器和隔离开关，这样连接便于三绕组变压器任一侧断路器检修时，不影响其他两个绕

25、组的正常运行。在这种接线中，发电机容量不宜太大，太大容量的发电机出口断路器制造成本极高。（c）为发电机双绕组变压器扩大单元接线。（d）为发电机分裂绕组变压器扩大单元接线。4.2 桥形接线当只有两台变压器和两条线路时，采用桥形接线，使断路器数目最少，如图所示。按照桥断路器3QF的位置，桥形接线可分为内桥接线和外桥接线。4.2.1 内桥接线 内桥接线如图（a）所示，其桥断路器3QF设置在变压器侧，内桥接线与（只有两台主变压器和两条线路的）单母线分段接线相比较，省掉了两台主变压器侧断路器。较为经济。但因为变压器侧没有断路器，所以投切变压器的操作较复杂。内桥接线一般用于变压器不经常切换的终端变电所和地

26、区变电所。4.2.2 外桥接线外桥接线如图（b）所示，其桥断路器3QF设置在线路侧，外桥接线与（只有两台主变压器和两条线路的）单母线分段接线相比较，省掉了两台线路侧断路器。较为经济。但因为线路侧没有断路器，所以投切线路的操作较复杂。当线路较短，且变压器随经济运行的需求需经常切换时，或者，系统有穿越功率流经本变电所或电厂（如双回出线均接入环行电网）时，采用外桥接线就更为适宜。因为穿越功率只流经一个断路器（桥断路器QF3），被截断的可能性较流经3个断路器（内桥接线要流经1QF、2QF、3QF）的要小。为了检修桥断路器时不致引起系统开环运行，可增设旁路隔离开关QS7和QS8（若只有一台隔离开关，则检

27、修该隔离开关时，该系统全停）。桥形接线虽采用设备少、接线简单，但可靠性不高，且隔离开关又用作操作电器，所以只适用于小容量发电厂或变电所，以及作为最终将发展为单母线分段或双母线的初期接线方式。第5节配电装置根据发电厂或变电所电气主接线的要求，将开关电器、载流导体及各种辅助设备按照一定方式建造、安装而成的电工建筑物，称为配电装置。配电装置是电气主接线的实际布置与体现，类型很多。随着国民经济的发展和电力工业技术水平的提高，配电装置的布置情况也在不断更新，结构日趋完善合理。5.1配电装置概述5.1.1配电装置的分类配电装置按其电气设备的安装场所的不同，可分为屋内配电装置和屋外配电装置；配电装置按其电气

28、设备组装方式的不同，可分为装配式配电装置和成套配电装置。屋内配电装置是将电气设备布置在专门建造的房屋内。屋内配电装置的特点是占地面积小，电气设备受污秽空气和气候条件影响较小，运行维护和操作方便，但需建造专门的房屋，投资增大。屋外配电装置是将电气设备安装在露天场所。屋外配电装置的特点是土建工程量小，建设周期短，投资少，扩建方便。但占地面积大，受外界环境影响大，运行维护条件相对较差。装配式配电装置是在配电装置的土建工程基本完工后，将电气设备逐件在现场安装而成。成套配电装置是在制造厂已将电气设备装配为一体，成套供应，在现场组装起来即可运行。成套配电装置具有工作可靠性高、结构紧凑、占地面积小、建设周期

29、短、运行维护方便、耗用钢材多、投资大等特点。选择配电装置的类型，应考虑该配电装置的电压等级、它在电力系统中的地位、作用、地理情况及环境条件等因数，并结合安装、维护、检修和操作等要求，通过技术经济比较后再来确定。在一般情况下：35kV及以下配电装置宜采用屋内式。为加快建设安装速度，宜采用成套配电装置。110220kV配电装置，采用屋外式较多；但在大中城市中心或场地狭窄地区、污秽特别严重的沿海地区、高海拔地区、历年最低气温在40以下对断路器有特殊要求的地区的配电装置，可采用屋内式和屋内式SF6全封闭组合电器。330500 kV配电装置，宜采用屋外式；但在大气严重污秽地区或场地受限制时，也可采用SF

30、6全封闭组合电器。5.1.2 对配电装置的基本要求 配电装置的设计、建造和安装应认真贯彻国家的技术经济政策，遵循有关的规程、规范和技术规定； 根据配电装置的电压等级、它在电力系统中的地位、作用、地理环境等条件，合理选择配电装置的形式，布置应力求简洁、美观并确保安全可靠运行； 便于维护、检修和巡视操作； 在保证满足上述各项要求条件下，尽量少占地，节省投资； 根据电力系统发展的需要，便于扩建和安装。5.1.3 配电装置的安全净距配电装置的整个结构尺寸，是综合考虑设备外形尺寸、检修和运输的安全距离等因素而决定的。对于敞露在空气中的配电装置，在各种间隔距离中，最基本的是带电部分对接地部分的之间和不同相

31、带电部分之间的空间最小安全净距，即A1和A2值。在这一距离下，无论在正常最高工作电压或出现过电压时，都不致使空气间隙击穿。B1、B2、C、D、E等类电气距离是在A1基础上再考虑一些其他实际因素决定的。A1：带电部分与接地部分之间的安全净距A2：不同相带电部分之间的安全净距B1：B1=A1+750mm 考虑手臂的活动范围B2：B2=A1+70mm+30mm考虑手指的活动范围和施工误差C： 屋内C=A1+2300mm考虑屋内人的摸高 屋外C=A1+2500mm考虑屋外人的摸高D： 屋内：D=A1+1800mm考虑检修人员及工具的允许活动范围屋外：D=A1+1800mm+200mm考虑检修人员及工具的允许活动范围E： 屋内配电装置套管中心线至屋外通道路面的距离：35 kV及以下 E取4米；63 kV及以上 E=A1+3.5米（取整数）3.5米为人站在载重汽车车厢内举手的高度屋内配电装置的安全净距（）符号适 用 范 围额 定 电 压（kV）610152035110220A11.带电部分与接地部分之间 2.网状和板状遮拦向上延伸线距