第3章-一次系统

第三章发电厂和变电所的一次系统

primarysystem电力工程2/4/202315.1电气主接线

Busarrangement5.2高压电器

HVelectricalapparatus

5.3高压配电装置HVDistributionequipment

5.4保护接地Protectivegrounding2/4/20232

电气设备概述一次系统（一次回路）：担负电能的输送和分配任务的系统。一次系统中的所有电气设备，称为一次设备。二次系统（二次回路）：对一次系统进行监视、控制、测量和保护作用的系统。二次系统中的所有电气设备，称为二次设备。变换设备：如电力变压器、电流互感器、电压互感器等。开关设备：如断路器、隔离开关、负荷开关等。保护设备：如熔断器、避雷器、电抗器等。无功补偿设备：如电力电容器、静止补偿器等。成套配电装置：如高压开关柜、低压配电屏等。2/4/202333.1电气主接线

Busarrangement2/4/20234Saturday,February4,2023表常用的电气设备图形符号和文字符号电气设备名称文字符号图形符号电气设备名称文字符号图形符号刀开关QK母线W断路器（自动开关）QF导线、线路W隔离开关QS三相导线负荷开关QL端子X熔断器FU电缆及其终端头熔断器式开关S交流发电机G2/4/20235Saturday,February4,2023电气设备名称文字符号图形符号电气设备名称文字符号图形符号阀式避雷器F交流电动机M三相变压器T单相变压器T三相变压器T电压互感器TV电流互感器（具有一个二次绕组）TA三绕组变压器T电流互感器（具有两个铁心和两个二次绕组）TA三绕组电压互感器TV电抗器L电容器C2/4/20236一、概述发电厂和变电所的电气主接线图是由各种电气设备的图形符号和联接线组成的表示电能生产流程的电路图。电气主接线，又叫一次接线，是由各种开关电器、变压器、互感器、线路、电抗器、母线等按一定顺序连接而成的接受和分配电能的总电路。主接线的基本环节是电源（发电机、变压器）和引出线,母线。母线（汇流排）的作用：中间环节，汇总和分配电能。母线可方便地把多路电源进线和出线通过电气开关连接在一起，提高供电的可靠性和灵活性。电气主接线的作用：（1）可以了解各种电气设备的规范、数量、联接方式和作用，以及和各电力回路的相互关系和运行条件等。（2）主接线的选择正确与否，对电气设备选择、配电装置布置、运行可靠性和经济性等都有重大的影响。2/4/20237

对电气主接线的基本要求

（1）保证供电的安全性。保证在进行任何切换操作时人身和设备的安全。（2）保证供电的可靠性。电气主接线应根据负荷的等级，满足负荷在各种运行方式下对负荷供电连续性的要求。（3）具有一定的灵活性和方便性。电气主接线应能适应各种运行方式，并能灵活地进行运行方式的转换，以保证正常运行时能安全可靠供电，在系统故障或设备检修时，保证非故障和非检修回路继续供电。（4）具有经济性。在满足以上要求的前提下，主接线应力求简单，尽可能减少一次性投资和年运行费用。（5）具有发展和扩建的可能性。此外，对主接线的选择，还应考虑受电容量和受电地点短路容量的大小、用电负荷的重要程度、对电能计量（如高压侧还是低压侧计量、动力及照明分别计费等）及运行操作技术的需要等因素。2/4/20238Saturday,February4,2023主接线方式有汇流母线无汇流母线（无母线）单母线双母线简单单母线单母分段单母带旁母单母分段带旁母双母线双母单分段双母带旁母双母双断路器3/2接线（一倍半）桥形接线（内桥、外桥）多边形接线单元接线扩大单元接线2/4/20239图单母线接线（一）单母线接线1.简单单母线接线只有一组母线的接线称为单母线接线。二、电气主接线的基本形式

断路器用于切断和关合正常的负荷电流，并能切断短路电流。隔离开关的作用隔离电压，使停电设备和带电设备隔离，保证运行人员和设备工作的安全。断路器与隔离开关的操作程序：先合隔离开关，后合断路器；先断开断路器，后断开隔离开关。2/4/202310优点：接线简单、使用设备少、操作方便、投资少、便于扩建。缺点：当母线及母线隔离开关故障或检修时，将造成整个配电装置停电；当检修一回路的断路器时，该回路要停电。因此，单母线接线的供电可靠性和灵活性均较差，只适用于容量小和用户对供电可靠性要求不高的场所。这种接线适用于单电源进线的一般中、小型容量的用户，电压为6～10kV级。2/4/2023112.单母线分段接线把单母线分成两段，并在两段之间装设能够分段运行的开关电器，称为单母线分段接线，如图所示。用隔离开关分段的单母线接线用断路器分段的单母线接线图单母线分段接线单母线分段便于分段检修母线，减小母线故障影响范围，提高了供电的可靠性和灵活性。但该接线仍不能克服出线断路器检修时的停电问题。

母线可分段运行，也可不分段运行。这种接线适用于双电源进线的比较重要的负荷，适用于中小型发电厂和出线不多的35～220kV级变电所。2/4/2023123.单母线带旁路母线接线（补充）为解决单母线分段接线出线断路器检修时的停电问题，可采用单母线加旁路母线接线，如所示，图中母线W2为旁路母线，QF2为旁路断路器，QS3、QS4、QS7、QS10、QS13为旁路隔离开关。这种接线适用于配电线路较多、负载性质较重要的主变电所或高压配电所(110kV以上)。图单母线带旁路母线接线2/4/202313(二)双母线接线每一回路都通过一台断路器和两组隔离开关与两组母线相连，其中一组隔离开关闭合，另一组隔离开关打开，两组母线之间通过母线联络断路器（简称母联）连接起来，如图所示。双母线接线有两种运行方式：只有一组母线工作：正常运行时母联打开（两侧的隔离开关闭合），全部回路接在工作母线上，相当于单母线运行。两组母线同时工作，互为备用：正常运行时母联闭合，相当于单母线分段接线。图双母线接线2/4/202314双母线接线的优点：检修任一回路的母线隔离开关时仅使该回路停电；工作母线发生故障时，经倒闸操作后可迅速恢复供电；检修任一回路断路器时，可用母联断路器来代替，不致于使该回路的供电长期中断。轮换检修母线而不致中断供电；双母线接线的缺点：在倒闸操作中隔离开关作为操作电器使用，易误操作；工作母线发生故障时会引起整个配电装置短时停电；隔离开关数目多，配电装置复杂，占地面积较大，投资较高。适用于负载较重要的用户，运行可靠，运行灵活、方式多变：单母分段、单母线，扩建方便。多用于电源和引出线较多的大中型发电厂和电压为220kV及以上的区域变电所。2/4/202315双母线分段接线双母线带旁路接线2/4/202316双母线双断路器接线（很少采用）一个半断路器接线（超高压电网，我国330，500kv变电站）图一个半断路器接线2/4/2023171.桥形接线（一次侧）当变电所具有两台变压器和两条线路时，在线路—变压器单元接线的基础上，在其中间跨接一连接“桥”，便构成桥形接线，如图所示。内桥接线外桥接线(三)无母线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。2/4/202318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35kV及35kV以上的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35kV及35kV以上的电源进线线路较短而变压器需要经常切换的场所。图桥形接线a）内桥b）外桥2/4/2023192.角形接线角形接线的优点：回路数等于断路器数目，供电的可靠性和灵活性较高。2/4/202320扩大单元接线（1）发电机-变压器单元接线没有或者很少当地负荷的大型发电厂2.单元接线（一次侧）2/4/202321Saturday,February4,2023（2）线路—变压器组单元结线（无母线）

当只有一路电源进线和一台变压器时，可采用线路－变压器组单元结线。这种结线的优点是结线简单，高压侧无母线，低压侧单母线不分段。所用电气设备少，配电装置简单，节约了建设投资。缺点为该线路中任一设备发生故障或检修时，变电所全部停电，供电可靠性不高。它适用于小容量三级负荷、小型工厂或非生产性用户。2/4/202322以上全面介绍了主接线的基本形式，从原则上说这些接线方式对各种发电厂和变电所都是适用的，但是根据具体问题具体分析的原则，不同类型的发电厂和变电所由于他们的地位和作用以及容量大小等因素的不同，所采用的接线方式也都各自具有一定的特点。电气主接线示例：149页。2/4/202323地方性火力发电厂的电气主接线2/4/202324水力发电厂电气主接线2/4/2023252/4/202326图某工厂35kV总降压变电所的主接线图2/4/202327SummaryPage105Chapter52/4/2023283.2高压电器HVelectricalapparatus2/4/202329Saturday,February4,20231电弧电弧是开关电器和线路中一种必然的物理现象，是电流的延续，电弧是一种高温、强光的电游离现象。当开关电器切断（包括正常操作和误操作）有电流的线路时，或线路、触头、绕组发生短路时，就可能产生电弧。原因是开关触头在分断电流时，触头间电场强度很大，使触头本身的电子及触头周围介质中的电子被游离而形成电弧电流。开关开断电压高于10～20V，电流大于80～100mA的电路时，开关的动、静触头间就会产生电弧。危害：电路不能正常开断；破坏开关触头，引起电器烧毁，形成相间短路；如电弧不熄灭，使空气急剧膨胀，爆炸；高温可能造成人员灼伤甚至直接或间接的死亡。

一、开关电器的灭弧原理2/4/2023302．电弧的熄灭1）电弧熄灭的条件

在电弧产生的过程中，游离和去游离是共同存在的两个过程。当游离率等于去游离率时，电弧在间隙中稳定燃烧。要使电弧熄灭，必须使触头间电弧中的去游离率大于游离率，即其中离子消失的速率大于离子产生的速率。

2）去游离方式

复合：指带异性电荷的质点相互接触，交换多余电荷而形成中性质点的现象。扩散：指电弧中的带电质点向周围介质扩散开去。扩散的速率决定于电弧表面上带电质点数目，故与电弧直径成反比。2/4/202331

伏安特性：如图所示。

UA——燃弧电压UB——熄弧电压每半个周期自然过零图交流电弧的伏安特性3．交流电弧的基本特性与熄灭交流电弧的熄灭

由于交流电流每一个周期两次过零值，电弧将暂时熄灭，弧柱温度急剧下降，高温游离中止，去游离大大增强，阴极附近空间的绝缘强度迅速增高。可以充分利用这一特点来加速交流电弧的熄灭。在低压系统中，由于电压较低，开关的交流电弧比较容易熄灭。而高压系统中具有完善灭弧结构的高压断路器，一般也只需要几个周期就能将电弧熄灭；真空断路器的灭弧只需半个周期，这也是近几年来真空断路器得到普遍使用的主要原因之一。2/4/2023324．开关电器中常用的灭弧方法速拉灭弧法；即迅速拉长触头间的电弧，使电场强度骤减，电弧与周围温度较低的介质增加接触，离子复合和扩散迅速增强，达到加速灭弧的目的，是开关电器中最基本的灭弧方法。高低压断路器中都装有强力的断路弹簧，目的就是加速触头的分断速度，以利灭弧。冷却灭弧法；利用介质如油等来降低电弧的温度从而增强去游离来加速电弧的熄灭。吹弧灭弧法；按吹弧的方向(相对电弧方向)分有纵吹和横吹；按施加外力的性质来分，有气吹、油吹、磁力吹和电动力吹等。2/4/202333长弧切短灭弧法；（采用多断口灭弧）

利用金属片（如钢栅片）将长弧切成若干短弧。粗弧分细灭弧法；狭缝灭弧法；采用特殊金属材料作为灭弧触头：采用新型介质熄弧

1）真空灭弧法真空具有较高的绝缘强度，若将开关触头装在真空容器内，在此间产生的电弧（真空电弧）较小，且在电流第一次过零时就能将电弧熄灭。真空断路器就是利用这种原理来熄灭电弧的。

2）六氟化硫（SF6）灭弧法SF6气体具有优良的绝缘性能和灭弧性能，其绝缘强度约为空气的3倍，而绝缘强度的恢复速度约比空气快100倍，因此采用SF6可极大的提高开关的断流容量和减少灭弧所需时间。2/4/202334现代的开关电器中，通常是综合利用上述中的几种灭弧方式的组合来达到灭弧的目的，而且，越是重要的电气设备，其灭弧措施越完善。同时，电气设备的灭弧性能往往是衡量其运行可靠性和安全性的重要指标之一。2/4/202335

二、高压开关电器1）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。应能配合自动重合闸进行多次关合和开断。高压断路器(文字符号为QF)是高压输配电线路中最为重要的电气设备，它的选用和性能直接关系到线路运行的安全性和可靠性。2/4/202336Saturday,February4,2023高压断路器按使用场合可分为户内型和户外型。

按分断速度分，有高速（＜0.01s）、中速（0.1～0.2s）、低速（＞0.2s），现采用高速比较多。

SF6断路器和真空断路器目前应用较广，少油断路器因其成本低，结构简单，依然被广泛应用于不需要频繁操作及要求不高的各级高压电网中，但压缩空气断路器和多油断路器已基本淘汰。下面将主要介绍少油断路器、SF6断路器和真空断路器。2/4/2023372.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。图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—断路弹簧图为SN10-10型少油断路器的外形结构图。2/4/202338少油断路器的特点是：开关触头在绝缘油中闭合和断开；油只作灭弧介质，油量少，检修周期短；结构简单，体积小，重量轻；外壳带电，必须与大地绝缘，人体不能触及，燃烧和爆炸危险少。少油断路器的主要缺点是：在户外使用受大气条件影响大，配套性差。

一般6kV～35kV户内配电装置中主要采用高压少油断路器。少油断路器的油量少，绝缘油只起灭弧作用而无绝缘功能，因此，在通电状态下，油箱外壳带电，必须与大地绝缘，人体不能触及。但燃烧爆炸的危险性小。不过在运行时，要注意观察油标，以确定绝缘油的油量，防止因油量的不足使电弧无法正常熄灭而导致的油箱爆炸事故的产生。

2/4/202339高压六氟化硫（SF6）断路器是采用SF6作断路器的绝缘介质和灭弧介质的一种断路器。外形尺寸小，占地面积少，开断能力强，电弧在SF6中燃烧时，电弧电压特别低，燃弧时间也短，因而SF6断路器触头烧损很轻微，适于频繁操作，检修周期长。SF6的缺点是：电气性能受电场均匀程度及水分等杂质影响特别大，故对SF6断路器的密封结构、元件结构及SF6气体本身质量的要求相当严格。要求加工精度高，价格较昂贵。六氟化硫（SF6）断路器：

2/4/202340图aLW36-126型SF6断路器图b为单压式SF6断路器灭弧室的结构。图bSF6断路器的灭弧室结构1—静触头2—绝缘喷嘴3—动触头4—绝缘筒5—压气活塞6—电弧分为双压式和单压式(气压系统)两类。

图a为LW36-126型SF6断路器的外形结构。2/4/202341瓷柱式SF6断路器落地罐式SF6断路器LW8-40.5型SF6断路器2/4/202342高压真空断路器，是利用“真空”（＜0.13Pa）灭弧的一种断路器。真空断路器的结构特点为：灭弧室作为独立的元件，安装调试简单、方便；触头开距短，故灭弧室小巧，操作功率小，动作快；灭弧能力强，燃弧时间短，一般只需半个周期，电磨损少，使用寿命长；防火防爆，操作噪声小；适用于频繁操作，特别是适用于开断容性负荷电流；开断能力强，目前开断短路电流已达50kA；具有多次重合闸功能，适合配电网要求。真空断路器：2/4/202343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。图ZN28A-12型真空断路器图ZW32-12型户外高压真空断路2/4/202344VD4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2/4/202345

高压隔离开关具有明显的分断间隙，是一种没有灭弧装置的开关设备。因此它主要用来隔离高压电源，保证安全检修，并能通断一定的小电流。隔离开关它一般只用来关合和开断有电压无负荷的线路，而不能用以开断负荷电流和短路电流，它需要与断路器配合使用，由断路器来完成关合、开断任务。

隔离开关与断路器配合使用控制电力线路时，断路器和隔离开关的操作必须按照一定顺序操作：分闸时，先分断路器，后分隔离开关；合闸时，先合隔离开关，后合断路器。2）高压隔离开关（俗称刀闸）QS2/4/202346户外式隔离开关图为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2/4/202347图为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2/4/2023483）高压负荷开关结构特点：有简单的灭弧装置。

功能：可以接通或断开正常的负荷电流，但不能切断短路电流；多与高压熔断器配合使用。与隔离开关一样，具有明显的断开间隙，也具有隔离电源，保证安全检修的功能。负荷开关的分类：按安装地点分：户内式和户外式；

按结构不同分：油负荷开关、真空负荷开关、SF6负荷开关、产气式负荷开关、压气式负荷开关；按操作方式分：手动操作和电动操作。2/4/202349图分别为ZFN-10型户内高压真空负荷开关和ZFN-10R型高压真空负荷开关-熔断器组合电器的外形结构。图ZFN-10型高压真空负荷开关图ZFN-10R型高压真空负荷开关2/4/202350三、互感器电流互感器（CT）和电压互感器（PT）统称为互感器，是一种特殊的变压器。（1）变换功能——把大电压和大电流变换为低电压和小电流，便于连接测量仪表和继电器。（2）隔离作用——使仪表、继电器等二次设备与一次主电路绝缘。提高了电路工作的安全性和可靠性，而且有利于人身安全。（3）扩大仪表、继电器等二次设备应用的电流范围，由于互感器的二次侧的电流或电压额定值统一规定为5A（1A）及100V，通过改变互感器的变比，可以反应任意大小的主回路电压和电流值，而且便于二次设备制造规格统一和批量生产。2/4/2023513.3高压配电装置

HVDistribution

equipment

2/4/202352Saturday,February4,2023变配电所的作用

变电所的作用是：从电力系统接受电能，经过变压器降压，然后按要求把电能分配到出去。配电所的作用是：接受电能，然后按要求分配电能。两者所不同的是，变电所中有变压器，而配电所中没有配电变压器。

配电装置是发电厂和变电站用以接受和分配电能的电气装置。根据主接线的接线形式，由开关设备、母线、保护测量电器及辅助设备组合而成。2/4/202353一、变电所配电装置

配电装置是根据电气主接线方案，把各种高低压电气设备组装成为接收和分配电能的电气装置，包括变压器、开关电器、母线、保护电器、测量仪表、进出线路的导线或电缆及其它辅助设备等。通常分为以下几种：配电装置的类型优点：占地面积小、维护与运行操作方便、不受外界污秽空气和气候条件的影响；缺点：土建投资大。室内配电装置：把开关电器、母线、互感器等设备布置在室内，多用于35kV及以下系统中。2/4/202354优点：土建投资小、建设周期短、扩建方便；缺点：占地面积大，受气候条件的直接影响，运行维护不方便。优点：结构紧凑、占地面积小、建设周期短、维护方便、易于扩建和搬迁；缺点：造价高，耗用钢材多。室外配电装置：把变压器、开关电器、母线、互感器、避雷器等设备安装在室外露天布置，多用于110kV及以上系统中。成套配电装置：由制造厂成套供应的一种高低压配电装置，它是把开关电器、互感器、保护电器、测量仪表及自动设备等都装在一个金属柜中，运到变电所，在现场安装起来即构成成套配电装置。多用于3～35kV系统中。2/4/202355Saturday,February4,2023装配式配电装置配电装置成套配电装置高压成套配电装置（高压开关柜）低压成套配电装置（低压开关柜）图KYN28-12铠装移开式开关柜图XGN2-10箱型固定式开关柜2/4/202356GG-1A(F)型固定式高压开关柜HXGN-12环网柜JYN1-35交流金属封闭移开关柜2/4/202357GGD型低压配电屏PGL型低压配电屏GCK型低压抽屉式开关柜GCS型低压抽屉式开关柜2/4/202358Saturday,February4,2023变电站构架110kV变电站构架220kV变电站构架2/4/202359Saturday,February4,202335kV变电站构架500kV变电站构架2/4/202360三、全封闭组合电器（GIS）

全封闭组合电器是将变电站中除变压器以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线、出线套管和电缆终端等元件，按变电所主接线的要求，经优化设计有机地组合成一个整体，各元件的高压带电部位均封闭于接地的金属壳内，并充以SF6气体作为绝缘和灭弧介质，称之为SF6气体绝缘变电站，简称GIS。GIS的优点：小型化、可靠性高、安全性好、杜绝对外部的不利影响、安装周期短、护方便和检修周期长。GIS的缺点：需要专门的SF6气体系统的辅助设备，对制造工艺要求较高，价格较昂贵。2/4/202361全封闭组合电器（GIS）全封闭组合电器具有占地少、环境适应性强、安全可靠、不维修周期长等优点，特别适用于城市供电、发电厂、大型工矿企业、石油化工和铁路运输等部门的高压变电所。2/4/202362Saturday,February4,2023

运行在中国天生桥水电站的550KVGIS

运行在中国福建水口电站的550KVHGIS(西安西电公司)2/4/202363四、箱式变电站简介箱式变电站是将变压器、断路器、隔离开关、互感器、低压配电装置、计量仪表和无功补偿装置等设备，按所要求的预定接线顺序装配在封闭的箱体中所组成的紧凑型成套变配电装置，也叫组合式变电站或成套变电站。箱式变电站的优点：结构紧凑、成套性强、整体美观、占地面积小、可靠性高、安装维护方便、便于扩建和迁移。图ZBW系列箱式变电站图是一种具有综合自动化功能的ZBW系列智能型户外箱式变电站的外形结构。主要由高压室、变压器室和低压室三部分组成。2/4/202364SummaryPage1092/4/2023653.4保护接地

Protectivegrounding

2/4/202366一、接地的有关概念1．接地装置接地：电气设备的某部分与大地之间做良好的电气连接。接地体：直接与大地接触的金属导体。接地线：连接接地体与电气设备接地部分的金属导体。接地装置：接地体与接地线的总和，称为接地装置。接地网：由若干个接地体在大地中相互用接地线连接起来的一个整体，称为接地网，如图所