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电力工程基础合肥工业大学电气与自动化工程学院第二章电气设备的原理与功能内容提要：2.1概述2.2同步发电机2.3电力变压器2.4电动机2.5高压断路器2.6互感器合肥工业大学.电气与自动化工程学院发电机升压变输电线路降压变用电设备水库水轮机第二章电气设备的原理与功能2.1概述一、发电厂和变电站的作用合肥工业大学.电气与自动化工程学院二、电气设备的粗分类第二章电气设备的原理与功能2.1概述一、发电厂和变电站的作用合肥工业大学.电气与自动化工程学院二、电气设备的粗分类3、电气设备的细分类（见书本）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的检修和维护；迅速消除故障，尽量减小故障的影响。一次设备：直接生产和输送电能的设备。如发电机、变压器、开关电器、载流导体、避雷器、互感器等。二次设备：对一次设备进行测量、监视和操作的设备。如继电器、仪表、自动装置等。2.2同步发电机一、发电机的基本结构合肥工业大学.电气与自动化工程学院二、发电机工作原理三、同步发电机的额定运行方式四、发电机励磁系统2.2同步发电机一、发电机的基本结构合肥工业大学.电气与自动化工程学院卧式（一般为汽轮发电机）立式（一般为水轮发电机）二、发电机工作原理蒸汽热能（火电厂）水能（水电厂）汽轮机或水轮机带动发电机转子转动发电机转子绕组通有直流电流，在空间中形成磁场在空间中形成一个旋转的磁场变化的磁力线切割定子线圈定子线圈中有感应电动势产生，形成发电机的端电压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。三、同步发电机的额定运行方式合肥工业大学.电气与自动化工程学院1、发电机的额定值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。3、同步发电机的非正常工作状态2、发电机带负荷运行与负荷调整运行当发电机启动后的转速和电压接近电力系统值时，依靠自动准同期并列装置可以将发电机并入大电网。并列后再使发电机带负荷运行。有功负荷的调整是通过汽轮机的调速器进行的，即调整汽轮机的进汽量的大小。无功功率和电压的调整是通过改变发电机励磁电流的大小来实现的。发电机过负荷运行、异步运行、不对称运行等。一般表现为温度升高。2.2同步发电机额定运行方式：发电机按照制造厂商铭牌规定数据运行的方式。四、发电机励磁系统产生可调磁场的直流励磁电流称为发电机的励磁电流，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。励磁功率单元（提供直流励磁功率）励磁调节器（自动调节励磁电流大小）2.2同步发电机2.3电力变压器合肥工业大学.电气与自动化工程学院一、变压器的结构形式和分类二、变压器工作原理三、变压器的额定值四、变压器的过负荷能力五、自耦变压器2.3电力变压器合肥工业大学.电气与自动化工程学院电力变压器定义：利用电磁感应原理把一种电压等级交流电能转换成相同频率的另一电压等级的交流电能的静止电气设备。一、变压器的结构形式和分类结构形式：心式线圈包围铁心壳式铁心包围线圈分类：用途：电力变压器、互感器、和特殊用途变压器相数：单相变压器和三相变压器绕组：两绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器冷却介质：油浸式变压器、干式变压器和水冷式变压器2.3电力变压器合肥工业大学.电气与自动化工程学院二、变压器工作原理空载运行：负载运行：电流关系：电压关系：阻抗变换：2.3电力变压器合肥工业大学.电气与自动化工程学院三、变压器的额定值额定容量额定电压、频率下，额定电流输出，温升不超过极限值时的变压器容量；额定电压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；额定电流根据额定电压和额定容量计算出的电流；阻抗电压短路阻抗与一次侧额定电流乘积；如何测量？短路损耗二次绕组短接时变压器所吸取有功功率；空载损耗空载实验变压器所吸取有功功率；空载电流百分值空载试验变压器所流入电流的三相算术平均值；链接组号代表变压器各相绕组的连接法和相位关系的符号。2.3电力变压器合肥工业大学.电气与自动化工程学院四、变压器的过负荷能力定义：在较短时间内所能输出的功率。分类：正常情况过负荷能力和事故情况下过负荷能力。五、自耦变压器一次绕组和二次绕组之间有电的联系，二次绕组是一次绕组的一部分。合肥工业大学.电气与自动化工程学院2.4电动机电机是完成机械能和电能相互转化的机械，其中将机械能转化为电能的称为发电机，而将电能转化为机械能的成为电动机。2.5高压断路器合肥工业大学.电气与自动化工程学院一、工作原理二、断路器的基本技术数据三、断路器的型号含义四、断路器的类型2.5高压断路器合肥工业大学.电气与自动化工程学院一、工作原理电力系统中最重要的开关电器，其作用主要是投切线路或设备；快速切除故障。断路器最关键的问题是如何熄灭在开断电路时形成的电弧。电弧怎么形成的？电弧使电路不能断开；高温烧毁触头；使周围空气膨胀形成爆炸力。2.5高压断路器合肥工业大学.电气与自动化工程学院一、工作原理电弧产生的过程：触头刚刚分离时间隙很小强电场发射电子形成电弧电弧使阴极出现炙热点阴极表面出现热电子发射碰撞游离使触头间充满电子和离子电子速度高时撞击中性质点弧隙温度高气体热运动速度增加金属蒸气发生热游离维持电弧电弧的游离过程电弧怎么形成的？电弧怎么熄灭？正负离子互相中和形成复合去游离带电质子从电弧内部逸出形成扩散去游离电弧的去游离过程2.5高压断路器合肥工业大学.电气与自动化工程学院一、工作原理电力系统中最重要的开关电器，其作用主要是投切线路或设备；快速切除故障。断路器开断交流电：电弧的游离过程电弧的去游离过程交流电弧过零后是否重燃，取决于弧隙中游离过程和去游离过程的竞争结果。电流过零时若弧隙介质的能力达到不会被弧隙外施电压击穿的程度，电弧熄灭电弧熄灭后弧隙介质强度的恢复过程以耐受电压表示，与结构和灭弧介质有关常用介质：油、空气、真空、六氟化硫合肥工业大学.电气与自动化工程学院一、工作原理迅速拉长电弧利用液体或气体进行吹弧，分为横吹和纵吹，使电弧拉长、冷却。分自能式灭弧和外能式灭弧。吹弧工程上采用的熄灭交流电弧的方法：提高断路器的分闸速度，采用多断开结构。采用真空设法降低触头间气体的压力，使碰撞游离的数量大为减少，且恢复介质绝缘强度的速度很快。提高弧隙介质压力断路器触头两端并联小电阻，可抑制电弧燃烧及自然熄弧后恢复电压的变化。在多断口断路器触头上并联大电阻可使断口之间电压分布均匀。弧隙并联电阻有利于加强正负离子复合过程。2.5高压断路器合肥工业大学.电气与自动化工程学院二、断路器的基本技术数据1、额定电压。指断路器长期工作的标准电压（线电压）。它决定着断路器的绝缘尺寸及熄弧条件。可在1.1~1.15倍的系统额定电压下正常工作。2、额定电流。指断路器长时间允许通过的最大工作电流。它决定着断路器的导电回路和几何尺寸。3、额定开断电流。指断路器在额定电压下能保证正常开断的最大短路电流（即触头刚分离瞬间通过断路器的电流的有效值）。它是断路器开断能力的一个重要参数。以短路电流周期分量有效值表示，以kA为单位。它与断路器的工作电压有关，当电压低于额定电压时，其值可以提高，但一般有其极限值，称为极限开断电流。我国目前断路器的额定电压有10kV、20kV、35kV、60kV、110kV、220kV、330kV和500kV。我国断路器额定电流有200A、400A、600A、1250A、1600A、2000A、3150A、4000A、5000A、6300A、8000A、10000A、12500A、16000A、20000A等。2.5高压断路器合肥工业大学.电气与自动化工程学院二、断路器的基本技术数据4、短路关合电流。指断路器在额定电压下，能可靠关合、开断的最大短路电流称为额定关合电流，它是表证断路器灭弧能力、触头和操作机构性能的重要参数之一。用于考核断路器合闸于有潜伏性故障回路时的性能。5、热稳定电流。又称短时耐受电流，指断路器承受短路电流热效应的能力。我国规定4s内所能承受的热稳定电流为额定热稳定电流。通常其值等于额定开断电流。6、动稳定电流。又称极限通过电流，指断路器承受短路电流电动力效应的能力，指断路器处于合闸位置时，允许通过的短路电流最大峰值，又称峰值耐受电流，以短路电流的第一个半波峰值电流来表示。它决定着导电部分及支持绝缘子部分的机械强度，及触头的结构形式。2.5高压断路器合肥工业大学.电气与自动化工程学院二、断路器的基本技术数据7、全开断（分闸）时间。指断路器从接到分闸命令瞬间到电弧完全熄灭为止的时间间隔。是用来表证断路器开断过程快慢的一种参数。其值等于断路器固有分闸时间与熄弧时间之和。8、合闸时间。指断路器从接到合闸命令瞬间到各相的触点均接触为止的时间间隔。电力系统对合闸时间一般要求不高，但希望稳定。2.5高压断路器9、额定断流容量。综合反映断路器的开断能力。NbrNNbr3IUS对于一般断路器，如未特别注明，当使用电压低于额定电压时，其额定开断电流不变，因而断流容量就要相应降低。NNbrbrUUSS/10kV断路器额定断流容量为500MVA，当使用电压为6kV时，其断流容量为多少？合肥工业大学.电气与自动化工程学院三、断路器的型号含义1、第一单元代表产品名称，用字母表示。S--------少油断路器；D----------多油断路器；K----------空气断路器L--------六氟化硫断路器；Z------------真空断路器；W--------磁吹断路器3、第三单元代表设计系列序号，用数字表示。2、第二单元代表安装场所，用字母表示：N----户内式；W----户外式。4、第四单元代表额定电压（kV）。5、第五单元代表工作特性，用字母表示：G-----改进型；F-----分相操作。6、第六单元代表额定电流（A）。7、第七单元代表额定开断电流（kA）。ZN28-10/1250-31.5型的QF2.5高压断路器合肥工业大学.电气与自动化工程学院三、断路器的型号含义ZN28-10/1250-31.5型的QF2.5高压断路器ZN28-10/1250-31.5型的QF断路器的符号断路器的额定开断电流（kA）断路器的额定电流（A）断路器的额定电压（kV）断路器灭弧介质断路器安装场所断路器设计序号额定电压为10kV、额定电流为1250A、额定开断电流为31.5kA的28型户内式高压真空断路器。合肥工业大学.电气与自动化工程学院四、断路器的类型1、油断路器利用绝缘油作为灭弧介质，分为多油式和少油式。其中多油式断路器中的油既作灭弧介质也作为绝缘介质；而少油式断路器中的油仅作灭弧介质。2、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。碰撞游离不是真空间隙击穿产生电弧的主要因素。真空断路器绝缘强度高，熄弧能力强，燃弧时间短（0.01s，又称半周波断路器），寿命长，防火防爆，适合频繁操作。在35kV以下的配电装置中得到广泛应用。3、压缩空气断路器利用压缩空气作为灭弧、绝缘和传动介质。比油断路器的开断能力强，开断时间短，不易爆炸和着火，但结构较复杂，价格较高。切除近距离故障和小电感电流时，需要在断路器的断口并联电阻。4、六氟化硫断路器利用六氟化硫作为灭弧介质。绝缘性能和灭弧性能强，电气性能好，在高压和超高压系统中应用广泛。合肥工业大学.电气与自动化工程学院四、断路器的类型类别结构特点技术性能特点运行维护特点及型号举例油断路器多油式以油作为灭弧介质和绝缘介质；触头系统及灭弧室安置在接地点油箱中；结构简单，制造方便，易于加装单匝环形电流互感器及电容分压装置；耗钢、耗油量大，体积大；属自能式灭弧结构。额定电流不易做得大；灭弧装置简单，灭弧能力差；开断小电流时，燃弧时间较长；开断电路速度较慢；油量多，有火灾的可能。只生产35kV电压级产品。运行维护简单；噪声低，需配备一套油处理装置。D