第三章输变电系统

电气工程武汉理工大学电气工程绪论------电力系统的基本概念和知识发电系统输变电系统电力系统负荷电力网的稳态计算电力系统的短路计算电气主接线的设计与设备选择电力系统继电保护实验电气工程第三章输变电系统第一节概述输变电系统是电力系统的重要组成部分，包括变电所和输电线路。发电厂生产的电能，经输变电系统（网络），供给配电系统和用户。本章主要讨论：

1、输变电系统中主要电气设备（电气一次设备）；

2、根据电气一次设备的作用和对它们的工作要求,依一定的顺序用导线连接起来的电路，即电气主接线，也称电气一次接线或一次系统。第二节输变电设备输电线路：架空线、电力电缆开关电器：断路器、隔离开关、熔断器。测量电压和电流的电器：电流互感器、电压互感器。变换电压的设备：变压器。限制故障电流的电器：电抗器。&1输电线路两种结构分为架空线路和电缆线路一、灭弧概念

开关在闭合状态时它是电路的一部分，当它断开时，电路即被断开。当断路器的动、静触头刚刚分开瞬间，如触头两端电压不低于10～20V、电流不小于80～100mA就要出现电弧。电弧把分开的触头两端联接起来，电流仍继续流通，只有在极短的时间内使电弧熄灭，电路才被切断。图

吹弧方式a）横吹b）纵吹

1—电弧2—触头&2开关电器开关电器是断开或接通电路的电气设备总称断路器、隔离开关、熔断器。二、高压断路器1.高压断路器的用途（功能）2.对高压断路器的基本要求绝缘应安全可靠；有足够的动稳定性和热稳定性；有足够的开断能力；动作速度快，熄弧时间短。结构特点：具有相当完善的灭弧结构。不仅能通断正常负荷电流，而且能通断一定的短路电流，并能在保护装置作用下自动跳闸，切除短路故障。3.高压断路器的类型油断路器：分为多油断路器和少油断路器两大类。SN10-10型高压少油断路器1—铝帽2—上接线端子3—油标4—绝缘筒5—下接线端子6—基座7—主轴8—框架9—断路弹簧

SN10-10型少油断路器多油断路器

少油断路器

六氟化硫（SF6）断路器是80年代广泛采用的断路器。它以SF6(六氟化硫）气体作为灭弧和绝缘介质。优点：它切断性能好,开断能力大,动作迅速,防火防爆。缺点：结构复杂、工艺要求高,它是超高压电器的主要发展方向。瓷柱式SF6断路器落地罐式SF6断路器LW8-40.5型SF6断路器真空断路器：图

真空断路器的灭弧室结构1—静触头2—动触头3—屏蔽罩

4—波纹管5—导电杆6—外壳优点：体积小、重量轻、动作快、寿命长、操作噪声小、安全可靠、便于维护。缺点：价格较贵。VD4型真空断路器ZW10-12型真空断路器ZN12型真空断路器ZW7-40.5型真空断路器4、高压断路器的型号：5.高压断路器的基本参数额定电压UN：指断路器长期正常工作所能承受的电压。额定电流IN：指断路器允许长期通过的最大工作电流。额定开断电流IN.oc：指断路器在额定电压下能够正常开断的最大短路电流，它表征断路器的开断能力。额定开断容量SN.oc：指断路器额定电压和额定开断电流的乘积，即说明：如果断路器的实际运行电压U低于额定电压UN而额定开断电流不变，此时的开断容量应修正为：热稳定电流

Its：表征断路器承受短路电流热效应的能力。动稳定电流

imax：表征断路器承受短路电流力效应的能力。分闸时间：指断路器从得到分闸命令起，到三相电弧完全熄灭为止的一段时间，它包括断路器的固有分闸时间和燃弧时间两部分。合闸时间：指断路器从接到合闸命令起，到三相触头刚接触为止的一段时间。

固有分闸时间：指断路器从得到分闸命令起，到主触头刚分离的一段时间；燃弧时间：指从主触头分离到三相电弧完全熄灭的一段时间。三、高压隔离开关（俗称刀闸）1.隔离开关的特点和用途结构特点：没有灭弧装置。

隔离电压：隔离开关断开后在电路中可以造成一明显可见的断开点，建立可靠的绝缘间隙，保证检修人员的安全。倒闸操作：合闸时，先合上隔离开关，后合上断路器；跳闸时，先断开断路器，后断开隔离开关。分、合小电流：可以接通或断开电流较小的回路（如电压互感器、避雷器、空载母线、励磁电流不超过2A的空载变压器、电容电流不超过5A的空载线路等）。2.高压隔离开关的类型按安装地点分：户内式和户外式；按绝缘支柱的数目分：单柱式、双柱式和三柱式；按刀闸的运行方式分：水平旋转式、垂直旋转式、摆动式和插入式；按有无接地刀闸分：单接地刀闸、双接地刀闸和无接地刀闸。户内式隔离开关3.隔离开关的外形与结构GN8-10型户内隔离开关的外形结构。图

GN8-10型隔离开关1—上接线端子2—静触头3—闸刀

4—套管绝缘子5—下接线端子6—框架7—转轴8—拐臂

9—升降绝缘子10—支持绝缘子户外式隔离开关

GW4-110型双柱式户外隔离开关的外形结构。图

GW4-110型双柱式隔离开关1—接线座2—主触头

3—接地刀闸触头4—支柱绝缘子

5—主闸刀传动轴6—接地刀闸传动轴

7—轴承座8—接地刀闸9—交叉连杆GW5-110D型V形户外隔离开关的外形结构。图

GW5-110D型V形双柱式隔离开关1—主闸刀底座2—接地静触头3—出线座

4—导电带5—绝缘子6—轴承座7—伞齿轮8—接地刀闸4.隔离开关的操作机构手动杠杆操作机构；手动蜗轮操作机构；隔离开关的型号：电动操作机构；气动操作机构。&3互感器一、概述互感器在供配电系统中的作用是：将一次回路大电流、高电压变换为二次回路的小电流和低电压；使测量仪表、继电器等二次设备与一次回路（主电路）隔离；使测量仪表、继电器等标准化，使用范围扩大。二、电流互感器1.电流互感器的工作原理一次绕组：匝数很少，导线很粗，串联一次回路中；二次绕组：匝数很多，导线很细，与测量仪表、继电器等的电流线圈串联。电流互感器的一次电流I1与二次电流I2之间的关系为式中，Ki为电流互感器的变流比，。2．电流互感器的误差电流互感器的简化等效电路和相量图如图所示。图

电流互感器原理接线图根据磁势平衡原理可知:∴由相量图可知，与不仅在数值上不相等，而且相位也不相同，即出现了电流误差和相位误差。图

电流互感器的等效电路和相量图a）等效电路b）相量图xx电流误差fi（又称比值差）：是二次电流乘以额定变流比Ki与一次电流数值差的百分数，即相位误差（又称角差）：是与的相角差，并规定若超前于，为正值，反之为负值。由于很小，由图可得：电流互感器的误差与下列因素有关：与励磁安匝大小有关：励磁安匝加大时，误差加大。与二次负荷阻抗大小有关：二次负荷阻抗加大时，误差加大。3.电流互感器的类型和型号按一次电压分：有高压和低压两大类；按一次线圈匝数分：有单匝式和多匝式；按安装地点分：有户内式和户外式；按用途分：有测量用和保护用两大类；按准确度等级分：有0.2、0.5、1、3、5P、10P等级；按绝缘介质分：有油浸式和干式（含环氧树脂浇注式）；按安装型式分：有穿墙式、母线式、套管式、支持式等。图

LQJ-10型电流互感器1—一次接线端子2—一次绕组3—二次接线端子4—铁心5—二次绕组6—警告牌LQJ-10型电流互感器：其外形结构如图所示，有两个铁心和两个二次线圈，0.5级用于测量，3级用于继电保护。图

LMZJ1-0.5型电流互感器1—铭牌2—一次母线穿孔3—铁心4—安装板5—二次接线端子LMZJ1-0.5型电流互感器：其外形结构如图所示，属于单匝式电流互感器，互感器铁心为环形（5～800A）或矩形卷铁心（1000～3000A）。图

LLB-110型

SF6电流互感器LLB-110型电流互感器：其外形结构如图所示，为倒挂式结构，互感器的底座、瓷套与顶部躯壳内部充以SF6(六氟化硫)气体作为绝缘介质。4.电流互感器的极性与接线方式电流互感器的极性：采用“减极性”原则。通常，一次绕组的出线端子标为L1和L2，二次绕组的出线端子标为K1和K2，其中L1和K1为同名端，L2和K2为同名端。如果一次电流从极性端流入时，则二次电流应从同极性端流出。减极性：在一次绕组和二次绕组的同极性端（同名端）同时加入某一同相位电流时，两个绕组产生的磁通在铁心中同方向。电流互感器的接线方式（见图）一相式接线：用于负荷平衡的三相电路中。两相两继电器接线：用于中性点不接地的三相三线制系统中。两相一继电器接线：用于中性点不接地的三相三线制系统中。三相三继电器接线：用于三相四线制或三相三线制系统中。又叫两相不完全星形接线或两相V形接线又叫两相电流差接线又叫三相完全星形接线图

电流互感器的接线方式a）一相式接线b）两相两继电器接线

c）两相一继电器接线d）三相三继电器接线5.电流互感器的使用注意事项电流互感器在工作时二次侧绝对不允许开路；电流互感器的二次侧必须有一端接地。6.电流互感器的10%误差曲线电流互感器的10%误差曲线，是指电流互感器的误差为10%时，一次电流倍数与二次负荷阻抗最大允许值的关系曲线，如图所示。用于继电保护回路的电流互感器，应按10%误差曲线进行校验。图

电流互感器的10%误差曲线

三、电压互感器1.电压互感器的工作原理一次绕组：匝数很多，并联在供电系统的一次电路中；右图为电压互感器的原理接线图。电压互感器的一次电压U1与二次电压U2之间的关系为二次绕组：匝数很少，与电压表、继电器的电压线圈等并联。式中，Ku为电压互感器的变压比，。2.电压互感器的误差电压互感器的等效电路和相量图如下图所示。图

电压互感器的等效电路和相量图a）等效电路b）相量图由相量图可知，与不仅在数值上不相等，而且相位也不相同，即出现了电压误差和相位误差。电压误差fu（又称比值差）：是二次电压乘以额定变压比Ku与一次电压数值差的百分数，即相位误差（又称角差）：是与的相角差，并规定若超前于，为正值，反之为负值。电压互感器的误差与下列因素有关：互感器的励磁电流有关：励磁电流增大时，误差也增大。与互感器绕组的阻抗及漏抗有关：阻抗和漏抗加大时，误差也加大。与互感器二次负荷阻抗大小有关：二次负荷阻抗加大时，误差加大。3.电压互感器的类型和型号按相数分：有单相和三相两大类；按用途分：有测量用和保护用两大类；按准确度等级分，有0.2、0.5、1、3、3P、6P等级；按安装地点分：有户内式和户外式；按绝缘介质分：有油浸式和干式（含环氧树脂浇注式）。图

JDJ-10型电压互感器图

JDJ2-35型电压互感器JDJ型单相双绕组油浸式电压互感器：图

JDZJ-10型电压互感器1—一次接线端子2—高压绝缘套管

3—一、二次绕组4—铁心5—二次接线端子JDZJ-10型单相三绕组环氧树脂浇注绝缘绝缘电压互感器：其外形结构如图所示，采用Y0/Y0/∆（开口三角形）接线，额定电压为4.电压互感器的极性与接线方式电压互感器的极性：采用“减极性”原则。通常，单相电压互感器一次绕组的出线端子标为A和X，二次绕组的出线端子标为a和x，其中A和a为同名端，X和x为同名端。如果一次电压的方向由A指向X，则二次电压的方向由a指向x。电压互感器的接线方式（见图）图

电压互感器的接线方式d）Y0/Y0/（开口三角）形接线a）单相式接线可测量一个线电压b）V/V形接线可测量三个线电压c）Y0/Y0形接线可测量电网的线电压，并可供电给接相电压的绝缘监视电压表5.电压互感器的使用注意事项电压互感器在工作时二次侧绝对不允许短路；电压互感器的二次侧必须有一端接地。Y0/Y0/∆

（开口三角）形接线（见图d）：接成Y0的二次绕组，接绝缘监视电压表；接成开口三角形的辅助二次绕组，构成零序电压过滤器。100/3UcUaUbc相接地时三角形开口电压(√3×100/3)×√3=100伏电流互感器电压互感器&4电力变压器

电力变压器是电力系统中广泛使用的升压和降压设备。按用途，电力变压器可分为升压变、降压变、联络变和配电变。按相数分，可分为单相变和三相变。按每相绕组的线圈数，分为双绕组和三绕组变压器。&5高压开关柜GG-1A(F)型固定式高压开关柜JYN1-35交流金属封闭移开关柜第三节电气一次接线电力系统电气一次接线概述电气主接线的基本接线形式发电厂及变电所的电气主接线举例一、电力系统接线和输变电网接线三种接线形式1、电力系统地理接线各发电厂、变电所的相对地理位置和它们之间的联接关系。2、输变电网络接线无备用接线单回路放射式、干线式和链式。图无备用电力网a）放射式b）干线式c）链式d）树枝式优点：简单明了、运行方便，投资费用少。缺点：供电的可靠性差。有备用接线由两条及两条以上电源线路向电力用户供电。分为双回路放射式、双回路干线式、双回路链式、双回路树枝式、环式和两端供电式。优点：供电可靠性高，适用于对一级负荷供电。

3、发电厂、变电站电气主接线描述发电厂、变电站中各主要电气设备之间的电气联接关系。要求能识别电气主接线的基本形式以及掌握其特点：

1）供电的可靠性；

2）操作灵活性；

3）经济性二、电气主接线的基本接线形式分为有汇流母线接线和无汇流母线接线。1、有汇流母线接线（1）单母线接线母线隔离开关QS2线路隔离开关QS3接地刀闸QS4送电操作先合QS2、QS3再投QF2断电操作先断QF2再断QS3、QS2单母线接线主要优点：（1）接线简单、清晰、操作方便，所用电气设备少；（2）隔离开关仅作为隔离电源用，不作为操作电器，减少误操作机会。单母线接线主要缺点：可靠性灵活性差。若母线或隔离开关故障或检修时，整个系统全部停电。故这种接线只适用于单电源的发电厂和变电所，且出线回路少，用户对供电可靠性灵活性不高的场合。（2）单母线分段接线QFdQFQS1QS2电源1电源2分段的单母线接线保留了单母线接线优点,同时提高了重要用户供电的可靠性。因为：（1）重要用户可以分别从不同分段上取得双回路供电。（2）由于母线被分段,就可以轮流检修分段母线,总可以保留一半用户继续供电,从而提高了供电可靠性；（3）同时由于当一段母线故障,仍有一半用户继续供电，从而缩小了事故范围。

（3）单母线分段带旁路母线接线加装旁路母线的目的,检修出线断路器(如QF4),可不中断该回路的供电。若检修QF4时，A、B经QF1、QS1和QS2并列运行。操作：QS5合，QF1断、QS1断、QS3合、QF1合，使W3旁路母线充电3～5min,若无问题即可合上QS8,这时出线4同时从主母线和旁路母线供电,这时就可以断开出线断路器QF4及两侧相应的隔离开关QS6和QS7,这时QF1代替QF4工作,而出线并不中断供电。QS5QF2带有旁路母线的单母分段接线适用于出线回路数较多、容量不很大的中小型发电厂和电压为35~110kV的变电所，它具有足够的可靠性和灵活性。三种运行方式1)QF断，一组母线工作，另一组备用，全部进出线接于运行母线。2)QF断，进出线分别接于两组母线上。3)QF合，进出线平均分别接于两组母线上。检修一组母线，可使回路供电不中断。例W1工作母线检修，操作如下：QS1、QS2合，QF合给备用母线W2充电，若正常，先接通备用母线W2侧隔离开关，再断开接于工作母线W1的隔离开关。（4）双母线单母线接线具有接线简单、清晰，操作方便及易发展的优点。但是，当有大量重要用户而在系统中没有备用线路，这时为保证供电可靠性和灵活性，就应采用双母线接线。双母线接线具有较高的可靠性、切换灵活、易扩建，在中大型发电厂变电站广泛应用。（5）双母线分段接线多用于35kV以上电网，因为电压越高，断路器检修时间越长，停电时间也越长，有了旁路设施就可克服这一缺点。（6）双母线带旁路母线接线例如检修QF4

合QF2两侧隔离开关，再合QF2,给W3旁路母线充电，若正常合QS4。断QF4以及两侧隔离开关。该接线具有很高的可靠性和灵活性。目前我国500kV超高压系统大都采用此接线。1）高可靠性任一母线故障，只跳开与该母线相连的断路器，任何回路不停电。2）检修操作方便检修任一断路器，只要断开断路器，再断两侧隔离开关。(7)一台半断路器接线2、无汇流母线接线（1）单元接线及扩大单元接线单元接线及扩大单元接线简明清晰、故障范围小、运行可靠、设备元件少。单元接线的主要缺点是当单元中任一元件故障，即可引起整个单元停止工作。不过现代的发电机和变压器可靠性相当高，上述缺点并不突出，目前大中型电厂没有发电机端电压负荷，均采用单元接线。内桥接线：桥断路器在线路断路器之内。外桥接线：桥断路器在线路断路器之外。内桥适用于电源进线线路较长而变压器又不需要经常切换的场所。外桥适用于电源进线线路较短而变压器需要经常切换的场所。图5-60桥形接线a）内桥b）外桥(2)桥式接线

桥形接线的优点：四个回路只有三个断路器，投资小，接线简单，供电的可靠性和灵活性较高，适用于向一、二类负荷供电。三、发电厂及变电站的电气主接线举例1、发电厂的电气主接线区域性电厂:大型火水电厂，生产电能升高电压送入电力系统，发电机侧不设母线。地方性电厂：热电厂和中小型电厂，生产电能大部分直接送给地方用户，剩余电能升高电压送入电力系统。单元接线双母线加旁路双母分段2、变电所的电气主接线110KV第四节保护接地一、保护接地的作用为保障人身安全，防止间接触电而将设备外露可导电部分进行接地称为保护接地。

50mA以上的工频交流，较长时间通过人体就带来危险。上图中流过人体的电流为对地电压分布接地电压为了限制对人体危害，要限制接地电阻Re接触电压和跨步电压接触电压：当电气设备发生接地故障时，人体触及的电气设备和大地