电气工程概论

电气工程概论第2部分1第二节变换电器2一、变压器基本原理（一）变压器的工作原理变压器是通过电磁感应原理，通过电磁耦合实现电能传递的一种静止电气设备，主要由铁芯及绕在铁芯上的两个绕组组成。变压器原理图3（二）变压器的结构1油浸式变压器2干式变压器用环氧树脂浇注的变压器称为环氧树脂干式变压器。4（三）变压器基本参数及性能指标1基本参数（1）额定电压U1N,U2N。三相变压器指线电压。（2）额定容量SN。（3）额定电流I1N,I2N。根据额定电压和额定容量计算得出。（4）额定频率fN。我国规定工业用电频率为50Hz。2基本参数（1）变压器负载运行，二次侧端电压变化率∆u%。变压器外特性5（2）变压器损耗Σp。（3）变压器效率η。6（四）变压器分类

7（五）变压器应用综述1电力变压器

电力变压器用途示意图我国的电压等级及相应的输电容量和输电距离82特种变压器

特种变压器用途表9二、变压器等值电路（一）空载运行等值电路空载运行示意图空载运行等值电路10（二）负载运行等值电路负载运行示意图负载运行等值电路11三、三相变压器（一）三相变压器的磁路结构1三相组式变压器2三相芯式变压器12（二）三相变压器的连接组三相变压器和三相变压器组可以连接成星形、三角形和曲折形。对应于高压和低压侧分别用Y、D、Z和y、d、z来表示。当有中性点引出时，用YN、

ZN和yn、

zn表示。若规定高压侧绕组的某感应线电压相量始终指向钟表的12点，则低压侧绕组所对应的感应线电压相量所指的小时数就称为标号。双绕组变压器常用连接组13双绕组变压器常用连接组14（三）变压器的并联运行变压器并联运行条件：（1）各台变压器的一、二次侧的额定电压相同，变压器连接组的标号相同。（2）各台变压器的阻抗电压相对值相等，各变压器的短路阻抗幅角相等。双绕组变压器常用连接组15四、多绕组变压器、分裂变压器和自耦变压器（一）多绕组变压器具有两个以上绕组的变压器称为多绕组变压器。1三绕组变压器三绕组变压器（a）升压变压器（b）降压变压器16（二）分裂绕组变压器1分裂绕组变压器结构

分裂绕组变压器低压侧绕组中有一个或几个绕组被分裂成额定容量相等的几个分裂绕组，各分裂绕组间无电气联系，而仅有较弱的磁联系。单相双绕组双分裂变压器（a）接线图（b）等值电路分裂绕组变压器在正常运行和低压侧短路时所呈现的电抗值不同，可完成电能变换的同时实现短路电流的限制。双柱式单相双绕组双分裂变压器（a）接线图（b）等值电路172分裂绕组变压器的应用分裂变压器—电机连接示意图（a）接线图（b）等值电路正常工作时，流入变压器的工作电流遇到的等效阻抗为穿越电抗XD=X1＋0.5X’2。当低压侧一台发电机出口处短路时，来自另外一台发电机的短路电流遇到的电抗为分裂电抗XF=X’2＋X’’2

,来自母线的电流遇到的电抗为半穿越电抗XB=X1＋X’2

。18（三）自耦变压器1自耦变压器的结构

2优缺点优点：用料省，体积小，效率高，造价低；缺点：自耦变压器变比的减小会使自耦变压器的短路阻抗值减小，短路故障电流增大。自耦变压器19五、互感器互感器是利用变压器的电磁感应原理，将大电量信号变换为小电量信号以方便测量的一种设备，可分为电流互感器和电压互感器。（一）电流互感器（TA）1、工作原理

电流互感器工作原理图202、使用注意事项（1）电流互感器二次侧绕组绝对不允许开路。（2）电流互感器的二次侧绕组和外壳必须可靠接地，以防止因绝缘击穿而危害人身安全。（二）电压互感器(TV)电压互感器按工作原理可分为电磁式电压互感器和电容式电压互感器。1、电磁式电压互感器（1）工作原理

电压互感器工作原理图21（2）电磁式电压互感器使用时的注意事项：1）电压互感器的二次侧绕组绝对不允许短路。2）电压互感器的二次侧绕组和铁芯必须可靠接地。3）电压互感器的二次侧负载不易接太多，以免降低负载阻抗，影响测量准确性。222、电容式电压互感器（CVT）

电容式电压互感器

电容式电压互感器理想情况下输出电压U2L的计算公式：其中，k1=c1/(c1+c2);k2为中间变压器的变换比。电容式电压互感器具有结构简单、体积小、成本低等优点，可用于110-500kV中性点直接接地系统中的电压测量。其缺点主要是输出容量较小，误差较大。23第三节限制电器24一、电力电容器（一）电力电容器分类和用途电容器是一种基本的电器元件，两个相互靠近的平行板即可构成一个最简单的电容器，两极板间的绝缘材料称为电介质。应用在电力系统中的电容器称为电力电容器，其基本功能是存储电能（电荷），可用来实现对电网的无功补偿（限制功率因数下降）、滤除高次谐波（限制高次谐波电流）等功能，对提高电能质量、提高电网运行的经济性、可靠性有重要的作用。根据电力电容器用途的不同，下表列出了详细的分类。25电容器的电性能很大程度上取决于绝缘介质的材料性能，通常总是希望介质的耐压性能好、介电常数大、损耗角正切小、体积电阻率高、耐老化性能好、介质无污染。根据介质的形态，电力电容器常用的介质见下表所示。电力电容器常用介质分类

随着聚丙烯电工薄膜等材料的出现，电力电容器很快由全纸介质经过纸膜复合介质向全膜介质发展。全膜电力电容器具有击穿场强高、局部放电电压大、介质损耗低、体积电阻率高、运行寿命长、安全可靠等诸多优点，在我国得到了广泛的应用。26（二）电力电容器参数1基本参数（1）额定电容CN,电力电容器的设计值；（2）额定电压UN,表示正常运行时加到电容器上的额定电压(有效值)；（3）额定电流IN,电容器正常工作时的电流有效值。

（4）额定无功功率Q，等于电容器额定电压和额定电流的乘积。27

2性能指标（1）损耗角正切，,其中P是电容器在交流电压作用下，其内部的介质、熔丝、放电器件等产生的总有功损耗。损耗角正切越大，电容器相对有功损耗越大，内部发热越严重；反之，电容器发热较轻，电容器的质量及运行状况较好。通常损耗角正切会随外施电压和温度而有所变化。1—纸介质电容器2—膜/纸复合介质电容器3—全膜介质电容器

28（2）自放电时间常数T，T=RC,其中R是电容器的绝缘电阻，C为电容器的标称值。自放电时间常数T也是衡量电容器性能、制造工艺的重要指标，通常认为T越大越好。（3）耐压性和比特性：电力电容器出厂前必须经过各种测试，其中极间耐压试验和极对壳耐压试验十分重要，其性能的好坏将直接影响到投入运行后电容器的可靠性和安全性。比特性是表征电力电容器质量与容量关系的一个参数，单位为kg/kvar。29（三）并联电力电容器1并联电力电容器的结构高压并联电力电容器由许多电容器元件串联或并联组成，通常还附加一些辅助部件和结构，以满足电容器运行时的绝缘、散热、机械保护等方面的需要。并联电力电容器

302并联电力电容器的应用

并联电容器主要用在交流电力系统中，用来进行无功补偿、提高功率因数、降低线路损耗，发挥输变电设备效能。（1）补偿原理

电力系统中的感性负载较大时，会使母线上的电流滞后电压一定的电角度φ,称之为功率因数角。φ角的增大会增加系统的无功功率，造成电力系统及用户设备容量的浪费。采用并联电力电容器可以提高功率因数、降低线路损耗。等值电路

相量图

无功补偿示意图

31（2）并联电容器（组）的合闸涌流问题对电容器（组）进行投切时，会在电容器（组）之间和母线上出现一个高频衰减电流，其幅值通常是电容器工作电流的几倍甚至几十倍，称为并联电容器（组）涌流（SurgeCurrent）。涌流会导致电容器组及其它电力设备损坏。涌流产生的原因：(a)电容器组投切时产生涌流。（b）开断电容器组时可能发生的重击穿涌流。(c)电容器组内部电容器单元故障时产生的组内涌流。限制并联电容器(组)的涌流的方法：(a)串联电抗器。(b)加长电容器间连接引线，增加电容器单元间电感，可以降低电容器故障时组内涌流的幅值。323并联电力电容器成套装置

并联电容器成套装置分为高压和低压并联电容器成套装置两种。高压并联电容器成套装置内部集成了电容器、电容器过负载保护专用熔断器、放电装置、抑制涌流和限制高次谐波的空心电抗器、限制过电压的避雷器、断路器和开关等设备。低压并联电容器装置结构相对简单，一般接成三角形装设在负载附近。a高压并联电容器组装置接线

b低压并联电容器组装置接线33（四）其它电容器

1、串联电容器可以抵消输电线路的感抗，提高电力系统静态稳定性和输送能力，减小输电线路的电压降落。

2、电热电容器主要用于频率40-24000Hz范围内的感应加热电气系统中，可提高系统的功率因数及改善回路特征。3、高压交流滤波电容器连接到额定电压大于1000V的交流电力系统附近，可为大功率谐波源的谐波电流提供低阻抗通道，用来抑制谐波分量对电力系统及通讯系统的影响，改善电力系统功率因数。4、脉冲电容器脉冲电容器可在极短的时间内，将存储的能量迅速释放出来，广泛应用于高电压试验、海底探矿、激光技术和高能物理等领域。5、高原型电容器高原型电容器外壳内设绝对压力补偿装置，具有抗低气压、抗低气温、抗温度突变的能力，可用于1000米至5000米的高原地区进行无功补偿。34二、避雷装置和避雷器

（一）雷闪放电与过电压雷云放电过程35雷闪过电压。发生雷闪时，除了会产生直击雷过电压之外，还会在输电线路中出现感应过电压，这两种过电压均会对输电线路和电力设备造成危害。（二）避雷装置避雷装置是一种接地良好的导电装置，可用来保护物体免遭雷击，它主要由引雷装置、接地装置和连接它们的引下线组成。按照引雷装置的形式，避雷装置可分为避雷针、避雷线和避雷带。（三）避雷器避雷器实质上是一种放电器，可优先于被保护电器放电动作，限制由线路传来的雷电冲击电压和操作过电压，完成保护后迅速恢复原来对地绝缘的状态，准备下次保护动作，同时使系统恢复正常工作状态。1、避雷器的分类通常将避雷器分为保护间隙、管式避雷器、阀式避雷器三种，参见下表。36避雷器的用途和分类

372、避雷器的电气性能指标及特性(1)额定电压:避雷器的最大允许工频电压。(2)工频放电电压:避雷器间隙放电时的工频电压有效值。(3)冲击放电电压:给定波形和极性的冲击电压施加到避雷器上，放电前所对应的电压峰值。(4)放电电流:避雷器保护动作时通过它的冲击电流及工频续流统称为放电电流。(5)残压:放电电流通过避雷器时，避雷器端子间的电压称为残压。(6)通流容量:即阀式避雷器的阀片耐受放电电流的能力，以规定的波形和通流次数下的电流幅值来表示。(7)伏秒特性:指避雷器的绝缘介质在不同幅值冲击电压作用下，冲击电压值与放电时间之间的关系曲线，它是综合衡量避雷器保护效果的重要依据。383、阀式避雷器根据阀片材料的不同，阀式避雷器可分为碳化硅阀式避雷器和金属氧化物阀式避雷器两种。（1）碳化硅避雷器将多个串联的保护间隙和串联的阀片相串联，压紧密封在避雷器瓷套内，阀片的材料采用金刚砂为主要成分。普通型碳化硅避雷器结构简图金刚砂颗粒非线性电阻39(2)金属氧化物避雷器(MOA)金属氧化物避雷器由压紧密封在避雷器瓷套内的若干片ZnO阀片构成。氧化锌阀片外加氧化铋及其它金属氧化物粉碎烧结成园饼状或环状，上下端面喷有金属电极，侧面涂有绝缘釉以防沿面闪络。这种阀片具有非常优异的非线性特性，在高压下电阻很小，泄放雷电流的同时能保持低残压,伏安特性曲线见下图：ZnO阀片伏–安特性曲线404、避雷器的选择、使用和维护注意问题（1）

避雷器连续雷电冲击保护能力。碳化硅避雷器没有连续雷电冲击保护能力；氧化锌避雷器有连续雷电冲击保护能力。（2）避雷器使用寿命。避雷器使用寿命与许多因素有关，除了制造工艺、机械故障、密封失效受潮等因素外，避雷器阀片的老化速度是影响寿命的关键因素。碳化硅避雷器和无间隙氧化锌避雷器寿命有效使用寿命通常在7-10年；串联间隙氧化锌避雷器寿命可达20年以上。（3）避雷器通常应垂直安装，且周围留有足够的空间；顶部引线水平压力不得超过允许值；对于由多节元件组装的避雷器，应严格按照出厂标号组装。（4）避雷器运行过程中应经常监视和维护，有条件的电站型阀式避雷器应安装动作次数记录装置。碳化硅避雷器和金属氧化物避雷器应按有关标准定期测试性能，发现隐患应及时退出运行。41三、电抗器电抗器属于感性元件，同电容器一样，也是一种基本的电器元件。电抗器主要用于实现电力系统和工业用户的限流、无功补偿、移相等功能，是电力、冶金、化工、电气化铁路等供电、输变电系统中所必需的重要设备。（一）电抗器的结构

干式电抗器

42（二）电抗器的基本参数(1)额定电感LN,是电抗器的设计值；(2)额定电压UN,电抗器的额定工作电压，通常大于等于电抗器所连接的交流电力系统额定工作电压；(3)额定电流IN,电抗器正常工作时所允许的长期通过电流；(4)电抗百分比xN%，指电抗器在额定电流下，绕组两端的电压降与系统每相电压值之比的百分数，即ΔU-绕组两端电压降；

xN-绕组电抗值；

LN-绕组电感值。

43(三)电抗器的分类和应用1、限流电抗器限流电抗器串联于发电机的输出回路、变压器或其它高压电器设备的输出或输入回路中，主要用来限制系统短路故障电流，保护输电线路和电力设备。在三相输电系统中，三相干式空芯串联电抗器是由三台单相电抗器排列构成，排列方式主要有以下三种：三相垂直

两相垂直，一相并列

三相并列442、分裂电抗器为了充分限制短路电流，希望电抗值越大越好，但是电抗值越大，电压和电能的损失也越大。采用分裂电抗器可以很大程度上避免这个问题。分裂电抗器比普通电抗器多出了一个中间抽头，从而形成了1、2两