电气设备原理

发电机主要由定子、转子、端盖•电刷•机座及轴承等部件构成。定子由机座•定子铁芯、线包绕组、以及固定这些部分的其他结构件组成。转子由转子铁芯、转子磁极（有磁扼•磁极绕组）、滑环、（又称铜环集电环）、风扇及转轴等部件组成。通过轴承、机座及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，通过滑环通入一定励磁电流，使转子成为一个旋转磁场，定子线圈做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。由于电刷与转子相连处有断路处，使转子按一定方向转动，产生交变电流所以家庭电路等电路中是交变电流，简称交流电。中国电网输出电流的频率是50赫兹。（机械能转变为电能）变压器:利用电磁感应原理，由铁芯和线圈构成,可分为一次侧线圈与二次侧线圈两个部分，一次侧输入电压，二次侧就有感应电压输出，从而进行电能传递。二次侧可提供多种电压输出，有升压，降压功能，因此变压器在电路中可以满足多种不同电压的电力需求。变压器是变换交流电压、交变电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时,铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。隔离变压器是指输入绕组与输出绕组在电气上彼此隔离的变压器，用以避免偶然同时触及带电体（或因绝缘损坏而可能带电的金属部件）和地所带来的危险，它的原理与普通干式变压器相同，也是利用电磁感应原理，主要隔离一次电源回路，二次回路对地浮空，以保证用电安全。隔离变压器属于安全电源，一般用来机器维修、保养用，起保护、防雷、滤波作用。隔离变压器是一种1/1的变压器。初级单相220V，次级也是单相220V。或初级三相380V，次级也是三相380V。隔离变压器的主要作用是：使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，也使该回路隔离。另外，利用其铁芯的高频损耗大的特点，从而抑制高频杂波传入控制回路，从而给用电设备提供了纯净的电源电压。电压互感器简称PT，也简称TV和变压器很相像，都是用来变换线路上的电压。电压互感器的作用是：把高电压按比例关系变换成100V或更低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用。同时，使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。电压互感器虽然也是按照电磁感应原理工作的设备，但它的电磁结构关系与电流互感器相比正好相反。电压互感器二次回路是高阻抗回路，二次电流的大小由回路的阻抗决定。当二次负载阻抗减小时，二次电流增大，使得一次电流自动增大一个分量来满足一、二次侧之间的电磁平衡关系。可以说，电压互感器是一个被限定结构和使用形式的特殊变压器。简单的说就是“检测元件”。（压力测点）电流互感器原理是依据电磁感应原理的。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。它的一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的2次回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。如变比为400/5的电流互感器，可以把实际为400A的电流转变为5A的电流。在供电用电的线路中电流电压大大小小相差悬殊从几安到几万安都有。为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到变流和电气隔离作用。（流量测点）断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件（包括短路条件）下的电流的开关装置。断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。断路器的作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保证安全运行。隔离开关的作用是断开无负荷电流的电路•使所检修的设备与电源有明显的断开点，以保证检修人员的安全，隔离开关没有专门的灭弧装置不能切断负荷电流和短路电流，所以必须在电路在断路器断开电路的情况下才可以操作隔离开关。功能1•用于隔离电源，将高压检修设备与带电设备断开，使其间有一明显可看见的断开点。2•隔离开关与断路器配合，按系统运行方式的需要进行倒闸操作,以改变系统运行接线方式。3•用以接通或断开小电流电路。一般在断路器前后二面各安装一组隔离开关，目的均是要将断路器与电源隔离，形成明显断开点；因为原来的断路器采用的是油断路器，油断路器需要经常检修，故二侧就要有明显断开点，以利于检修；一般情况下，出线柜是从上面母线通过开关柜向下供电,在断路器前面需要一组隔离开关是要与电源隔离，但有时，断路器的后面也有来电的可能，如通过其它环路的反送，电容器等装置的反送,故断路器的后面也需要一组隔离开关。隔离开关主要用来将高压配电装置中需要停电的部分与带电部分可靠地隔离，以保证检修工作的安全。隔离开关的触头全部敞露在空气中，具有明显的断开点，隔离开关没有灭弧装置，因此不能用来切断负荷电流或短路电流，否则在高压作用下，断开点将产生强烈电弧，并很难自行熄灭，甚至可能造成飞弧（相对地或相间短路），烧损设备，危及人身安全，这就是所谓“带负荷拉隔离开关”的严重事故。隔离开关还可以用来进行某些电路的切换操作,以改变系统的运行方式。例如：在双母线电路中,可以用隔离开关将运行中的电路从一条母线切换到另一条母线上。同时，也可以用来操作一些小电流的电路。耦合电容器是用来在电力网络中传递信号的电容器。主要用于工频高压及超高压交流输电线路中，以实现载波、通讯、测量、控制、保护及抽取电能等目的。是使得强电和弱电两个系统通过电容器耦合并隔离，提供高频信号通路，阻止工频电流进入弱电系统，保证人身安全。带有电压抽取装置的耦合电容器除以上作用外，还可抽取工频电压供保护及重合闸使用，起到电压互感器的作用。阻波器是载波通信及高频保护不可缺少的高频通信元件，它阻止高频电流向其他分支泄漏，起减少高频能量损耗的作用。在高频保护中，当线路故障时，高频信号消失,高频保护无时限启动，立即切除故障。避雷器是变电站被保护设备免遭雷电冲击波袭击的设备。当沿线路传入变电站的雷电冲击波超过避雷器保护水平时，避雷器首先放电，并将雷电流经过良导体安全的引入大地，利用接地装置使雷电压幅值限制在被保护设备雷电冲击水平以下，使电气设备受到保护。避雷器的作用是用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一个电器。避雷器的类型主要有保护间隙、阀型避雷器和氧化锌避雷器。保护间隙主要用于限制大气过电压，一般用于配电系统、线路和变电所进线段保护。阀型避雷器与氧化锌避雷器用于变电所和发电厂的保护，在500KV及以下系统主要用于限制大气过电压，在超高压系统中还将用来限制内过电压或作内过电压的后备保护。接地刀闸的作用是为了保护人身安全，当你把地刀合上以后开始检修了，突然来电了直接把电导入大地强迫使其短路引起跳闸，这样可以减少被电击的可能。人体的电阻要比接地电阻大，就是利用电阻大分得的电流少的原理，从而大大减少从人体到地的电流。根据五防的要求，地刀只有在设备检修、断路器和隔离开关断开时才能闭合，相当于一根接地线。正常运行时地刀必须是断开，且通常设备中都设有机械联锁装置。断路器闭合时，地刀合不上；同样地刀合闸时，高压断路器也合不上。放电间隙，主要是为保护避雷器的.当雷击电压超过避雷器所能保护的值时，为防止避雷器被击穿损坏，装设放电间隙.当有很高的雷击电压时，间隙被击穿放电，从而保护了避雷器.至于之间如何配合，要依避雷器的防雷电压而定.防止接地变跳闸后，高压侧故障中性点出现危险过电压。110KV及以上系统中主变中性点放电间隙保护主要是：为了防止过电压！因为在这种电压等级的设备由于绝缘投资的问题所以都采用分级绝缘，在靠近中性点的地方绝缘等级比较低。如果发生过电压的话会造成设备损坏，间隙保护可以起到作用，但是又由于中性点接地的选择问题一个系统不要有太多的中性点接地，所以有的变压器的中性点接地刀闸没有合上（保护的配置原因）。在这时候如果由于变压器本身发生过电压的话就会由间隙保护实现对变压器的保护，原理就是电压击穿，在一定电压下他的间隙就会击穿，把电压引向大地。间隙保护可以起到变压器绕组绝缘的作用，当系统出现过电压（大气过电压、操作过电压、谐振过电压、雷击过电压等）时，间隙被击穿时由零序保护动作、间隙未被击穿时有过电压保护动作切除变压器。所谓保护间隙，是由两个金属电极构成的一种简单的防雷保护装置。其中一个电极固定在绝缘子上，与带电导线相接，另一个电极通过辅助间隙与接地装置相接，两个电极之间保持规定的间隙距离。在正常情况下，保护间隙对地是绝缘的，并且绝缘强度低于所保护线路的绝缘水平，因此，当线路遭到雷击时，保护间隙首先因过电压而被击穿，将大量雷电流泄入大地，使过电压大幅度下降，从而起到保护线路和电气设备的作用。补充：1、 在大电流接地系统中，为满足零序网络的需要，一般接入同一系统的多台主变只有一台的中性点是直接接地的，也就是说，主变的中性点接地刀闸合上或者断开是两种不同的运行方式。2、 第一条的表述有点问题，放电间隙并不是为了保护避雷器，现在的变压器多采用分级绝缘，一般中性点绝缘较低，在小电流接地系统和大电流接地系统的主变中性点不接地是，为保护主变中性点绝缘不被击穿，设置了放电间隙，并配置间隙零序电流保护。它和中性点接地装置及中性点避雷器三者的作用都是保护变压器中性点绝缘，防止过电压，它们的关系是：当中性点刀闸接地时，放电间隙与避雷器均不起作用；当中性点刀闸断开后，放电间隙与避雷器有一个互相配合关系，也就是当中性点电压逐渐升高到一定电压值时放电间隙先击穿，如此时电压降低，则避雷器就无需动作了，如电压继续升高，则避雷器就要动作。放电间隙的作用就是防止避雷器的频繁动作，以延长避雷器的寿命。浅谈变压器中性点接地刀闸的操作变压器中性点接地刀闸的切换，是变压器操作中的重要内容之一。在电网实际操作中，应注意以下事项：对变压器进行操作前，一般应先推上变压器中性点接地刀闸，操作完毕后，再将变压器中性点刀闸置于系统要求的位置，以防止操作过电压危及设备安全。在三圈变压器高压侧停电，中、低压侧运行的方式下，应推上高压侧中性点接地刀闸。因为在这种方式下，虽然变压器高压侧开关在断开位置，但其高压绕组仍处于运行状态，为保证该方式下变压器高压侧发生故障时，零序电流等保护能够正确动作，故应推上变压器中性点接地刀闸。3•变压器停电检修时，应拉开其中性点接地刀闸。不论是中性点直接接地还是中性点不接地系统，正常运行中其中性点都存在一定的位移电压，该中性点位移电压在系统发生单相接地等故障时会增大。如果在停电检修时不将检修设备中性点与运用中设备的中性点断开，就有可能使这些电压通过中性点传递到检修设备上去，危及人身和设备的安全。因此，拉开被检修设备的中性点地刀，应作为现场保证安全的技术措施之一予以落实。同一厂站多台变压器间中性点接地刀闸的切换，为保证电网不失去应有的接地点，应采用先合后拉的操作方式，即先合上备用接地点刀闸，再拉开工作接地点刀闸。自耦变压器和绝缘有特殊要求的变压器中性点，应采取直接接地方式，不宜切换。由于自耦变压器的特殊结构，其一、二次绕组之间不仅存在磁的联系，而且还有电的联系，为避免高压侧网络发生单相接地故障时，在低压绕组上出现超过其绝缘水平的过电压，其中性点必须直接接地。对于绝缘有特殊要求的变压器，为防止过电压危及设备安全，其中性点也宜直接接地。对变压器中性点接地刀闸的操作，必须同步进行零序保护的切换。在一、二次切换操作过程中，操作人员必须根据现场变压器零序保护的配置和实际接线，合理安排一、二次操作步骤，严防不合理的操作顺序引发操作事故。变压器中性点接地运行方式的变更，应根据系统总体要求，按照保持网络零序阻抗基本不变的原则，由调度下令进行。变压器中性点接地与不接地系统1.1变压器中性点接地系统的优缺点：优点：对电源中性点接地系统，若发生某单相接地，另两相电压不升高，这样可使整个系统绝缘水平降低；另外，单相接地会产生较大的短路电流Is,从而使保护装置(继电器、熔断器等)迅速准确地动作，提高了保护的可*性。缺点：对电源中性点接地系统，由于单相短路电流Is很大，开关及电气设备等要选择较大容量，并且还能造成系统不稳定和干扰通讯线路等；1.2变压器中性点不接地系统的优、缺点：优点：对变压器中性点不接地系统，由于限制了单相接地电流，对通讯的干扰较小；另外单相接地可以运行一段时间，提高了供电的可*性。缺点：对变压器中性点不接地系统，当一相接地时，另两相对地电压升高倍，易使绝缘薄弱地方击穿，从而造成两相接地短路2各种电压等级供电线路的接地方式在110kv及以上的高压或超高压系统中，一般采用中性点接地系统，其目的是为了降低电气设备绝缘水平，免除由于单相接地后继续运行而形成的不对称性。工厂供电系统采用电压在1kv~35kv，一般为中性点不接地系统，因工厂供电距离短，对地电容小(Xc大)，单相接地电流小，这样可以运行一段时间，提高了系统的稳定性和供电可*性，对通讯干扰小等优点。在煤矿井下，我国、西德等国禁止中性点接地，其主要目的是为安全，减小了单相接地电流，但即使小的单相接地电流，煤矿井下也不允许存在，因此在煤矿井下，安装有检漏继电器，就是当电网对地绝缘阻抗降低到危险值或人触及一相导体或电网一相接地时，能很快地切断电源，防止触电、漏电事故，提前切断故障设备。1kv以下的供电系统(380/220伏)，除某些特殊情况下(井下、游泳池)，绝大部分是中性点接地系统，主要是为了防止绝缘损坏而遭受触电的危险。3电气设备的保护接地3.1保护接地将电气设备的金属外壳通过接地线与接地体相接，其原理是分流原理(如图1)。由于人体电阻Rr远大于接地电阻Rd，所以Ir《Id。保护接地，适应于变压器中性点不接地的供电系统中。但在干燥场所，交流电压50V及以下，或直流电压110V及以下的电气设备，金属外壳可不接地；在干燥且有木质、沥青等不良导电地面的场所，交流额定电压380V及以下，或直流额定电压440V及以下的电气设备金属外壳，除另有规定外(在爆炸危险场所仍应接地)，可不接地。电气设备在高处时，不应采取保护接地措施，否则会把大地电位引向高处，反而增加触电危险。3.2保护接地时应注意问题由同一变压器（中性点不接地）供电系统中各电气设备不应分别接地，而应形成一个保护接地系统。这样做不仅降低了接地电阻，而且也防止了不同电气设备的不同相，同时碰壳（接地）所带来的危险。形成保护接地系统后，这时两相短路电流主要通过接地网流通，因而提高了两相短路电流的数值，保证过流保护装置可*动作。4电气设备保护接零4.1保护接零由于低电压网（380V/220V）中性点不接地只有个别场合，如矿井、游泳池等，而一般低压电网都采用了中性点接地的三相四线制供电系统。在这种电网中工作的设备，其金属外壳要与零线紧密相接，即保护接零，如图2所示。保护接零的目的，也是为了保证安全，当设备发生一相碰壳时，则造成单相短路，使保护装置迅速动作，切断故障设备。按中性线与保护线的组合情况，保护接零分以下三种情况：（1） 整个系统中性线N与保护线PE是合一的，如图2,通常适用于三相负荷比较平衡且单相负荷容量较小的场所。（2） 整个系统中性线N与保护线PE是分开的，如图3。即将设备外壳接在保护线PE上，在正常情况下保护线上没有电流流过，所以设备外壳不带电。（3） 系统中的一部分采用中性线与保护线合一的，局部采用专设的保护线。4.2保护接零应注意问题：（1） 由同一台发电机或同一台变压器供电的线路，不允许有的设备保护接地，有的设备保护接零。（2） 沿零线上把一点或多点再行接地，即重复接地。以确保护接地装置的可*。但重复接地只能起到平衡电位的作用，因此，中性线尽量避免断裂，对中性线要求精心施工，注意维护。中性点接地刀闸的作用需要中性点接地（合上接地刀闸），有时需要中性点不接地（断开接地刀闸）主变中心点接地倒闸的主要作用是防止操作过电压，所以一般在主变停送电的时候，主变中心点接地刀闸是合的，在主变正常运行期间，是分的。在停送电的瞬间，主变绕组电流瞬间变换很大，根据楞次原理，必须得有另外一种感应电流来阻碍变换，所以会在瞬间产生很大的电压，为了保护主变，所以在停送电的时候，主变中心点接地刀闸是合的。继电保护主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元件（发电机、变压器、输电线路等），使之免遭损害，当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了故障，是保护区内故障还是区外故障的功能。保护装置要实现这一功能，需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。电力系统发生故障后，工频电气量变化的主要特征是：（1） 电流增大。短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大至大大超过负荷电流。（2） 电压降低。当发生相间短路和接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降，且越靠近短路点，电压越低。（3）电流与电压之间的相位角改变。正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角，一般约为20°，三相短路时，电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的，一般为60。〜85°，而在保护反方向三相短路时，电流与电压之间的相位角则是180°+（60°〜85°）。⑷测量阻抗发生变化。测量阻抗即测量点（保护安装处）电压与电流之比值。正常运行时，测量阻抗为负荷阻抗；金属性短路时，测量阻抗转变为线路阻抗，故障后测量阻抗显著减小，而阻抗角增大。不对称短路时，出现相序分量，如两相及单相接地短路时，出现负序电流和负序电压分量；单相接地时，出现负序和零序电流和电压分量。这些分量在正常运行时是不出现的。利用短路故障时电气量的变化，便可构成各种原理的继电保护。此外，除了上述反应工频电气量的保护外，还有反应非工频电气量的保护。一般情况而言，整套继电保护装置由测量元件、逻辑环节和执行输出三部分组成。继电保护工作回路一般包括：将通过一次电力设备的电流、电压线性地转变为适合继电保护等二次设备使用的电流、电压，并使一次设备与二次设备隔离的设备，如电流、电压互感器及其与保护装置连接的电缆等；断路器跳闸线圈及与保护装置出口间的连接电缆，指示保护动作情况的信号设备；保护装置及跳闸、信号回路设备的工作电源等。蓄电池（StorageBattery）是将化学能直接转化成电能的一种装置，是按可再充电设计的电池，通过可逆的化学反应实现再充电，通常是指铅酸蓄电池，它是电池中的一种，属于二次电池。它的工作原理：充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出，比如生活中常用的手机电池等。UPS（UninterruptiblePowerSystem/UninterruptiblePowerSupply，即不间断电源，是将蓄电池（多为铅酸免维护蓄电池）与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。直流系统是应用于水力、火力发电厂，各类变电站和其它使用直流设备的用户，为给信号设备、保护、自动装置、事故照明、应急电源及断路器分、合闸操作提供直流电源的电源设备。直流系统是一个独立的电源，它不受发电机、厂用电及系统运行方式的影响，并在外部交流电中断的情况下，保证由后备电源一蓄电池继续提供直流电源的重要设备。整流模块系统电力整流模块就是把交流电整流成直流电的单机模块，通常是以通过电流大小来标称（如2A模块、5A模块、10A模块、20A模块等等），按设计理念的不同也可以分为：风冷模块、独立风道模块、自冷模块、自能风冷模块和自能自冷模块。它可以多台并联使用，实现了N+1冗余。模块输出是110V、220V稳定可调的直流电压。模块自身有较为完善的各种保护功能如：输入过压保护、输出过压保护、输出限流保护和输出短路保护等。监控系统监控系统是整个直流系统的控制、管理核心，其主要任务是：对系统中各功能单元和蓄电池进行长期自动监测，获取系统中的各种运行参数和状态，根据测量数据及运行状态及时进行处理，并以此为依据对系统进行控制，实现电源系统的全自动管理，保证其工作的连续性、可靠性和安全性。监控系统分为两种：一种是按键型还有一种是触摸屏型。：监控系统提供人机界面操作，实现系统运行参数显示，系统控制操作和系统参数设置。绝缘监测单元直流系统绝缘监测单元是监视直流系统绝缘情况的一种装置，可实时监测线路对地漏电阻，此数值可根据具体情况设定。当线路对地绝缘降低到设定值时，就会发出告警信号。直流系统绝缘监测单元目前有母线绝缘监测、支路绝缘监测。电池巡检单元电池巡检单元就是对蓄电池在线电压情况巡环检测的一种设备。可以实时检测到每节蓄电池电压的多少，当哪一节蓄电池电压高过或低过设定时，就会发出告警信号，并能通过监控系统显示出是哪一节蓄电池发生故障。电池巡检单元一般能检测2V-12V的蓄电池和巡环检测1-108节蓄电池。开关量检测单元开关量检测单元是对开关量在线检测及告警干节点输出的一种设备。比如在整套系统中哪一路断路器发生故障跳闸或者是哪路熔断器熔断后开关量检测单元就会发出告警信号，并能通过监控系统显示出是哪一路断路器发生故障跳闸或者是哪路熔断器熔断。开关量检测单元可以采集到1-108路开关量和多路无源干节点告警输出。降压单元降压单元就是降压稳压设备，是合母电压输入降压单元，降压单元再输出到控母，调节控母电压在设定范围内（110V或220V）。当合母电压变化时，降压单元自动调节，保证输出电压稳定。降压单元也是以输出电流的大小来标称的。降压单元目前有两种，一种是有级降压硅链，一种是无级降压斩波。有级降压硅链有5级降压和七级降压，电压调节点都是3.5V，也就是说合母电压升高或下降3.5V时降压硅链就自动调节稳定控母电压。无级降压斩波就是一个降压模块，它比降压硅链体积小，它没有电压调节点所以输出电压也比降压硅链要稳定，还有过压、过流、和电池过放电等功能。不过无级降压斩波技术还不是很成熟常发生故障，所以还是降压硅链使用效广泛。配电单元配电单元主要是直流屏中为实现交流输入、直流输出、电压显示、电流显示等功能所使用的器件如：电源线、接线端子、交流断路器、直流断路器、接触器、防雷器、分流器、熔断器、转换开关、按钮开关、指示灯以及电流、电压表等等。保安电源（Emergencypowersupply）为避免全厂事故停电时造成机组失控、损坏设备、影响电厂长期不能恢复供电而设置的向事故保安负荷供电的电源。事故保安电源分直流、交流两种，直流事故保安电源采用蓄电池，向直流润滑油泵等直流事故保安负荷供电；交流事故保安电源宜选用能快速自启动的柴油发电机（或燃气轮机），供给在全厂停电时保证安全停机的盘车、顶轴油泵及其它交流事故保安负荷。接触器分为交流接触器（电压AC）和直流接触器（电压DC），它应用于电力、配电与用电。接触器广义上是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以