第二章电气设备的原理与功能

第二章电气设备的原理与功能第1页，课件共86页，创作于2023年2月2.1概述发电厂和变电站的作用：生产、输送和分配电能；根据电力负荷的变化启停机组、调整运行方式和运行参数；根据电力系统要求投切线路；监视主要设备的工作状态；对主要设备进行定期检修和维护；迅速消除故障，尽量减小故障的影响。第2页，课件共86页，创作于2023年2月2.1概述一次设备：担负电能输送和分配任务。二次设备：对一次系统进行监视、控制、测量和保护。电气设备的分类按地位和作用按功能生产和变换电能设备：如电力变压器、电流互感器、电压互感器等。第3页，课件共86页，创作于2023年2月2.1概述开关设备：如断路器、隔离开关、负荷开关等。保护设备：如熔路器、避雷器、电抗器等。载流导体：如母线、电缆等。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。第4页，课件共86页，创作于2023年2月2.2同步发电机一、发电机基本结构发电机卧式：汽轮发电机立式：水轮发电机发电机主要组成部分转子铁心线圈转子线圈中通入直流电流，形成一个电磁铁，在周围空间中形成磁场，而高速旋转的转子形成了高速旋转的磁场。第5页，课件共86页，创作于2023年2月2.2同步发电机定子铁心和定子线圈提供磁通路，定子线圈受磁通变化的影响产生感应电动势，若连接导线、接上负荷，会产生电流，向外提供功率。冷却系统使发电机在运行过程中由于各种原因造成的温度升高得到冷却。第6页，课件共86页，创作于2023年2月2.2同步发电机二、发电机工作原理发电机发电的过程就是将原动机转轴上的动能通过发电机转子与定子间的磁场耦合作用，在定子绕组上变成电能的过程。第7页，课件共86页，创作于2023年2月2.2同步发电机发电机的分类按原动机的不同水轮发电机、汽轮发电机、燃气轮发电机、柴油发电机按冷却介质的不同空气冷却、氢气冷却和水冷却第8页，课件共86页，创作于2023年2月2.2同步发电机三、同步发电机的额定运行方式1、发电机的额定值额定运行方式：发电机按照制造厂铭牌规定数据运行的方式。正常运行方式：发电机的额定运行方式以及在其运行参数允许变化范围内的运行方式。发电机的额定容量：是指在额定电压、额定频率、额定功率因数和额定冷却介质温度等条件下，发电机所能长期连续发出的最大功率。第9页，课件共86页，创作于2023年2月2.2同步发电机

发电机温升：发电机各部分温度与冷却介质入口温度之差。发电机频率：50Hz发电机转速：发电机输出有功功率：发电机输出无功功率：第10页，课件共86页，创作于2023年2月2.2同步发电机

2、发电机带负荷与负荷调整

有功负荷的调整:通过调速器进行无功功率和电压的调整:改变发电机励磁电流大小3、同步发电机的非正常总作状态过负荷运行、异步运行、不对称运行

非正常运行的情况一般表现为温度升高，因此在运行中主要通过温度升高程度和非正常运行时间对定子电流和转子电流进行限制。第11页，课件共86页，创作于2023年2月2.2同步发电机四、发电机励磁系统为发电机提供可调节励磁电流的设备，构成发电机的励磁系统。励磁系统励磁功率单元励磁调节器第12页，课件共86页，创作于2023年2月2.2同步发电机控制电压合理分配并联运行发电机间的无功功率提高电力系统稳定性改善电力系统运行条件防止发电机过电压励磁系统的主要任务第13页，课件共86页，创作于2023年2月2.2同步发电机对励磁系统的要求有足够的强励顶值电压具有足够的励磁电压上升速度有足够的调节容量稳定可靠，响应快、调节平滑，具有足够的电压调节精度第14页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器变压器是利用电磁感应原理把一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一电压等级的交流电能。一、变压器的结构形式和分类1、变压器结构心式：线圈包围铁心壳式：铁心包围线圈第15页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器变压器铁心的作用是构成磁路，由硅钢片交错叠装而成。变压器线圈即变压器绕组，为变压器的电力部分，连接电源的绕组为一次绕组，连接负载的绕组为二次绕组。主要部分：闭合铁心、高压线圈、低压线圈第16页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器2、变压器的分类按用途分电力变压器互感器特殊用途变压器按相数三相变压器单相变压器按绕组数目两绕组变压器三绕组变压器自耦变压器按冷却介质油浸式变压器干式变压器水冷式变压器第17页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器二、变压器工作原理1、空载运行当变压器的一次绕组施加电压而二次绕组不接负载时称为变压器的空载运行。第18页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器主磁通:空载电流通过一次绕组时，在铁心中产生磁通，此磁通即通过一次绕组又通过二次绕组。漏磁通:空载电流除产生主磁通以外，还产生少量的磁通，这部分磁通不经过二次绕组，仅在一次绕组周围构成回路。第19页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器若磁通按正弦规律变化根据电磁感应定律第20页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器其中则电动势的有效值第21页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器变压器一次绕组的电压方程由于空载电流很小，一般情况下变压器空载时的二次绕组电压第22页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器故一次、二次绕组电压的数值关系为K为变压器变比，当变压器的电源电压不变时，只要改变匝数比，就可得到不同的输出电压。第23页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器2、有载运行电流关系（磁动势平衡方程）其中由于空载电流很小，一般情况下第24页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器电压关系有载时的电压方程可近似为变压器一次、二次绕组电压关系第25页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器3、阻抗变换若忽略绕组阻抗压降，接入负载Z对电源而言，用等效阻抗Z′代替变压器则或第26页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器三、变压器的额定值额定容量SN（V·A，kV·A或MV·A

）在额定使用条件下，变压器施加额定电压、额定频率，输出额定电流，温升不超过极限值时，变压器的容量。额定电压U1N，U2N（kV）根据变压器绝缘强度、铁心饱和限制和允许温升所规定的一次侧电压值，称为一次侧额定电压。一次侧和二次侧额定容量通常相等。第27页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器变压器在空载（调压开关接在额定分接头上）时，二次侧电压称为二次侧额定电压。供调压的分接头一般安装在高压侧。变压器高压绕组一般在外侧，抽头引出连接方便；高压侧电流相对于其它侧要小些，引出线和分头开关的载流部分导体截面小些，接触不良的影响较易解决。第28页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器额定电流I1N，I2N（A）根据额定容量和额定电压计算出的电流，称为额定电流。阻抗电压Uk％又称为短路电压，是短路阻抗与一次侧额定电流I1N的乘积。对于三相变压器，额定电压和额定电流均为线电压和线电流。第29页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器短路损耗Pk(kW)做短路试验时，额定电流通过变压器的一次绕组，二次绕组短接时变压器所吸收的功率。空载损耗P0（kW）用额定电压施加于变压器一个绕组上，其余绕组均为开路，变压器所吸收的有功功率。第30页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器空载电流百分值I0％空载试验时，变压器所流入电流的三相算术平均值称为变压器的空载电流，常用额定电流的百分数表示。连接组号代表变压器各相绕组的连接法和相位关系的符号。Y表示星形连接N表示中性点接地D表示三角形连接数字代表二次侧与一次侧电压的相位移第31页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器例如：一台YNd11连接的三相变压器，额定容量SN＝3150kV·A，U1N/U2N＝35/6.3kV，则第32页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器四、变压器的过负荷能力变压器过负荷能力是指在较短时间内所能输出的功率，在一定条件下，可超出变压器的额定容量。其大小和持续时间，由变压器运行情况及绝缘老化等条件决定。正常情况下过负荷能力事故情况下过负荷能力第33页，课件共86页，创作于2023年2月2.3电力变压器五、自耦变压器自耦变压器二次绕组是一次绕组的一部分。一、二次侧的电压和电流之比与普通变压器相同。优点：材料省、体积小、成本低缺点：一、二次之间有电联系，使用时不够安全。第34页，课件共86页，创作于2023年2月2.4电动机电动机是将电能转换成机械能的机械。直流电动机交流电动机同步电动机异步电动机绕线式异步电动机鼠笼式式异步电动机第35页，课件共86页，创作于2023年2月2.4电动机一、三相异步电动机1、三相异步电动机的结构定子由铁心、定子绕组和机座等组成。定子铁心是定子中的磁路部分；定子绕组是定子中的电路部分。第36页，课件共86页，创作于2023年2月2.4电动机转子由铁心、转子绕组、风扇及转轴组成。转子绕组笼型：在转子铁心槽内压入铜条或直接将铝浇注在铁心槽内。绕线型：在转子槽内嵌置对称的三相绕组，三相绕组星形连接。第37页，课件共86页，创作于2023年2月2.4电动机2、三相异步电动机的工作原理转差率s：转子转速n与同步转速n0之差(n0－n)对同步转速n0的比值。电动机状态发电机状态电磁制动状态第38页，课件共86页，创作于2023年2月2.4电动机3、三相异步电动机的特性⑴转子电路分析转子电动势当转子以转速n旋转，转差率为s，转子的感应电动势转子感应电动势的频率第39页，课件共86页，创作于2023年2月2.4电动机转子阻抗和转子电流转子旋转时的漏感抗设转子导体电阻为R2，则转子电路阻抗为转子电路的电流和功率因数第40页，课件共86页，创作于2023年2月2.4电动机⑵电磁转矩特性和T－s曲线异步电动机电磁转矩当s较小时，T与s成正比；当s较大时，T与s成反比。第41页，课件共86页，创作于2023年2月2.4电动机最大转矩：T－s曲线上转矩的最大值。通过求极值，可得过载能力：电动机最大转矩与额定转矩的比值第42页，课件共86页，创作于2023年2月2.4电动机启动转矩：电动机启动瞬间，转子尚未转动，转速n=0，转差率s=1。此时的转矩称为启动转矩。启动能力：电动机启动转矩与额定转矩的比值。第43页，课件共86页，创作于2023年2月2.4电动机⑶机械特性和n－T曲线电动机转速n与电磁转矩T之间的关系称为电动机的机械特性，可用n－T曲线表示。第44页，课件共86页，创作于2023年2月2.4电动机4、三相异步电动机的额定参数额定电压UN额定运行状态下定子绕组施加的线电压（V）额定电流IN额定运行状态下定子绕组流过的线电流（A）额定功率PN额定运行状态下转轴端输出的机械功率（kW）额定转速nN额定运行状态下的转速（r/min）第45页，课件共86页，创作于2023年2月2.4电动机额定转矩TN：额定运行状态下的转矩（N·m）额定功率因数额定运行状态下定子绕组每相电路的功率因数。一般为0.7～0.9。额定效率额定运行状态下的效率。一般为75％～92％第46页，课件共86页，创作于2023年2月2.4电动机5、三相异步电动机的启动和调速⑴启动方法电动机从接通电源导正常运行的过程叫启动过程。异步电动机的启动性能启动转矩:一般为额定转矩的1～1.2倍。启动电流:一般为额定电流的4～7倍。启动方式全压启动（直接启动）：电动机用额定电压启动。降压启动：为减小启动电流，电动机定子绕组启动时采用降压措施。绕线型电动机启动：增大转子电路的电阻。第47页，课件共86页，创作于2023年2月2.4电动机2、调速方法调速是指负载不变时人为地改变电动机地转速。变频调速：改变异步电动机供电电源地频率。变极调速：改变定子绕组地接法而改变极对数。第48页，课件共86页，创作于2023年2月2.4电动机二、单相异步电动机1、工作原理单相异步电动机地的定子绕组是单相绕组，转子为笼式。

单相异步电动机无启动转矩，有运行转矩。转子旋转时，若沿顺时针方向若沿逆时针方向转子静止时，第49页，课件共86页，创作于2023年2月2.4电动机2、启动方法两相启动电动机启动后的运行方式两相启动单相运行两相启动两相运行罩极启动

定子做成凸极形式，上面绕有励磁绕组，磁极约1/3部分装有闭合铜环。转子为笼式转子。启动转矩小，适用于空载下启动的设备。电动机定子上装设两个轴线在空间互差90°的两相绕组，其中一个绕组串联电容器。第50页，课件共86页，创作于2023年2月2.5高压断路器高压断路器作用正常运行时，根据电网运行需要，将电力设备或线路投入或退出运行；系统发生故障时，将故障部分迅速从电网中切除，保证其它部分正常运行。第51页，课件共86页，创作于2023年2月2.5高压断路器一、工作原理断路器开断有电流通过的电路时，在开关触头分离瞬间，触头间会出现电弧，若不采取有效措施，可能烧坏触头及电器部件绝缘，危害电力系统的运行。1、电弧的产生电弧的产生和维持是触头间中性质子（分子和原子）被游离的结果。产生电弧的游离方式有：高电场发射碰撞游离热电发射热游离第52页，课件共86页，创作于2023年2月2.5高压断路器2、电弧的熄灭电弧熄灭的条件：使触头间电弧中的去游离率大于游离率，即使离子消失的速度大于离子产生的速度。去游离的主要方式：复合：指正、负带电质点重新结合为中性质点。扩散：指电弧中的带电质点向周围介质扩散开去。第53页，课件共86页，创作于2023年2月2.5高压断路器3、开关电器中常用的灭弧方法速拉灭弧法；吹弧灭弧法；采用真空；弧隙并联电阻；提高弧隙介质压力。第54页，课件共86页，创作于2023年2月2.5高压断路器二、断路器的基本技术数据额定电压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INbr：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。第55页，课件共86页，创作于2023年2月2.5高压断路器热稳定电流Ith：我国规定4s内所能承受的热稳定电流为额定热稳定电流。短路关合电流INC1：额定电压下，能可靠关合、开断的最大短路电流。动稳定电流ies：极限通过电流，是指断路器处在合闸位置时，允许通过的短路电流最大峰值。第56页，课件共86页，创作于2023年2月2.5高压断路器分闸时间tab：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ton：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。额定开断容量SNbr：指断路器额定电压和额定开断电流的乘积，即

第57页，课件共86页，创作于2023年2月2.5高压断路器三、高压断路器型号含义第58页，课件共86页，创作于2023年2月2.5高压断路器四、断路器类型油断路器利用绝缘油作为灭弧介质。可分为多油断路器和少油断路器。SN10-10型高压少油断路器第59页，课件共86页，创作于2023年2月2.5高压断路器真空断路器利用真空的高介质强度来熄灭电弧和作为绝缘。ZN28A-12型真空断路器优点：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。第60页，课件共86页，创作于2023年2月2.5高压断路器压缩空气断路器利用压缩空气作为灭弧、绝缘合传动介质。优点：断流能力强、开断时间短、燃烧爆炸危险低等。缺点：结构复杂，价格较高。第61页，课件共86页，创作于2023年2月2.5高压断路器六氟化硫（SF6）断路器利用SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质。LW36-126型SF6断路器优点：断流能力强、灭弧速度快、电绝缘性能好、检修周期长、没有燃烧爆炸危险等。缺点：要求加工精度高，密封性能好，价格较昂贵。第62页，课件共86页，创作于2023年2月2.5互感器互感器是一次回路与二次回路的联络元件，在电力系统中专为测量和保护服务。使测量仪表、继电器等二次设备与主电路隔离；使测量仪表、继电器等标准化，有利于大批量生产；使测量仪表、继电器等二次设备的使用范围扩大。互感器的主要作用第63页，课件共86页，创作于2023年2月2.5互感器一、电流互感器1、电流互感器的工作原理及特性电流互感器原理接线图一次绕组：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。第64页，课件共86页，创作于2023年2月2.5互感器电流互感器的额定变比KN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。第65页，课件共86页，创作于2023年2月2.5互感器2、电流互感器的误差电流互感器的等效电路和相量图a）等效电路b）相量图根据磁势平衡原理可知:

或第66页，课件共86页，创作于2023年2月2.5互感器电流误差fi（又称比值差）：是二次电流乘以额定变流比KN与一次电流数值差的百分数，即由于很小相位误差（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。

第67页，课件共86页，创作于2023年2月2.5互感器用励磁磁动势表示电流互感器的电流误差和角误差均与合成磁动势F0以及一次磁动势F1有关。第68页，课件共86页，创作于2023年2月2.5互感器3、电流互感器的准确度等级及额定容量准确度等级(P55表2-1)电流互感器额定容量S2N电流互感器在二次额定电流I2N和额定二次阻抗Z2N下运行时，二次绕组输出的容量。10％误差曲线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。第69页，课件共86页，创作于2023年2月2.5互感器电流互感器的10%误差曲线，是指电流互感器的电流误差为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，如右图所示。第70页，课件共86页，创作于2023年2月2.5互感器4、电流互感器的接线及分类电流互感器的接线方式单相接线用于负荷平衡的三相电路中。完全星形接线用于三相四线制或三相三线制系统中。不完全星形接线用于中性点不接地的三相三线制系统中。第71页，课件共86页，创作于2023年2月2.5互感器电流互感器的类型按安装地点分：有户内式和户外式；按安装方式分：有穿墙式、支持式、装入式；按绝缘介质分：有油浸式、干式、浇注式；按一次线圈匝数分：有单匝式和多匝式。第72页，课件共86页，创作于2023年2月2.5互感器二、电压互感器1、电磁式电压互感器工作原理与特性电磁式电压互感器原理接线图一次绕组匝数多，并联在供电系统的一次电路中；二次绕组匝数少，与电压表、继电器的电压线圈等并联。右图为电压互感器的原理接线图。第73页，课件共86页，创作于2023年2月2.5互感器电压互感器额定变比KN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。第74页，课件共86页，创作于2023年2月2.5互感器电压互感器的误差电压互感器的等效电路和相量图下图所示。电压互感器的等效电路和相量图a）等效电路b）相量图第75页，课件共86页，创作于2023年2月2.5互感器由相量图可知，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KN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