第二章交流配电

第二章交流配电交流供电系统由主用交流电源、备用交流电源（油机发电机组）、高压开关柜、电力降压变压器、低压配电屏、低压电容器屏和交流调压稳压设备及连接馈线组成的供电总体。主用交流电源均采用市电。为了防备市电停电，采用油机发电机等设备作为备用交流电源。大中型电信局采用10KV高压市电，经电力变压器降为380V/220V低压后，再供给整流器、不间断电源设备（UPS）、通信设备、空调设备和建筑用电设备等。小型电信局（站）则一般采用低压市电电源。交流配电有几个重要的概念需要关注：一、系统容量系统容量指的是交流供电时，供电设备所能提供的最大功率。如市电供电时，指的就是电力变压器的额定容量；柴油发电机组供电时指的就是柴油机的额定功率；UPS供电时指的就是UPS的额定功率等等。但是它们表示容量的单位却不一样，电力变压器和UPS计量单位是伏安VA（或千伏安KVA），我国国家标准（GB）规定发电机组必须用瓦W（或千瓦KW）表示。伏安表示的是视在功率，瓦表示的是有功功率。这在实际应用中是有很大的区别的，只有在理想情况下，它们的功率因数都等于1时，在数值上是相等的。二、功率因数功率因数的定义是有功功率与视在功率的比值。功率因数cosφ=P/S的物理意义是供电线路上的电压与电流的相位差的余弦。三、电功和电功率电功指的是供电系统实际消耗的电能，计量单位是千瓦时（KWH）。电功率指的是正常工作情况下，负载上消耗的额定功率。在市电和油机供电的情况下，由于每个负载的功率相对于系统总容量较小，故不需要考虑它的瞬时功率；而UPS系统供电的情况则不同，负载功率与系统容量比较接近，就必须考虑负载的瞬时功率（例如负载的启动功率）。第一节高压交流变配电一、高压配电系统组成常用成套高压开关柜，包括计量柜、进线柜、出线柜、母线联络柜等。为保证供电可靠性，较大的通信局通常都从两个不同的变电站引入两路高压，其常见运行方式为一主一备，两者之间机械连锁或电气连锁，以免误操作，系统图如2-1：图2-1典型两路高压供电系统图图2-2两路高压供电系统现场图也有不少通信局只引入一路高压，其系统图如2-3。图2-3典型一路高压供电系统图常见的高压器件有：（一）高压断路器高压断路器能用于：通断正常的负荷电流、在接通状态时能承受一定时间的短路电流、在保护装置作用下自动跳闸，切除短路故障。高压断路器可分为：按灭弧方式分为油断路器、六氟化硫断路器、真空断路器、压缩空气断路器和磁吹断路器等。目前普遍使用的为油断路器和真空断路器。（二）高压熔断器高压熔断器能用于：当通过的电流超过规定值时其熔断件熔化，从而断开电路的保护电路。主要对电路中的设备进行短路保护，部分也具有过负荷保护功能。高压熔断器可分为：室内RN型管式熔断器、室外RW型跌开式熔断器。（三）高压隔离开关高压隔离开关能用于：用于隔离电路。分闸时有明显断口。常用于检修与分断隔离纯线路、倒换母线、分合空载电路。高压隔离开关可分为：户内隔离开关和户外隔离开关。（四）高压负荷开关高压负荷开关能用于：接通和断开一次回路的负荷电流。可直接带负荷进行操作，操作功率较小，并可远距离控制跳闸和近距离手工合闸，安全可靠。带三工位结构，开关可在合、开断、接地三个功能位置，便于线路正常运行及故障检修。与高压熔断器配合组成负荷开关——熔断器组合电器，可执行短路及过流保护，动作时间短。可设计成无油化开关系统，防爆防火。高压负荷开关可分为：产气式负荷开关；压气式负荷开关；真空负荷开关。（五）电流互感器电流互感器能用于：测量高压电网中的电流、功率或安装过电流继电保护装置。电流互感器的二次线圈回路在运行过程中不能开路，否则会使铁芯激磁的磁通量骤然变大，于是铁芯损耗大了许多倍，使铁芯饱和并严重发热。同时在二次侧开路处产生极高的电势，造成人员或仪表事故。（六）电压互感器电压互感器能用于：测量高压线路电压或装置过压继电器。电压互感器分单相或三相式，次级线圈为2-3个。电压互感器的一次侧与高压线路并联，二次侧与测量仪表或继电器电压线圈并联。其二次线圈不能短路运行，由于电压线圈的内阻抗很大，相当于一台空载变压器，如果短路，绕线将被烧毁；故在高压侧和低压侧均需加熔断器保护。（七）高压避雷器高压避雷器能用于：防护雷电产生的过电压波沿线路侵入变配电设备。高压避雷器能分为：阀式避雷器、排气式避雷器、角式避雷器和金属氧化物避雷器等。二、变压器（一）变压器的工作原理变压器是一种变换电压的静止电器，它是靠电磁感应原理，把某种频率的电压变换成同频率的另一种或多种数值不等（或相等）电压的功率传输装置，以满足不同负荷的需要。现有的通信局站基本是通过10KV/400V的变压器受电。单相变压器的原理图如下：图2-4单相变压器的原理图其基本工作原理当一次侧绕组上加上电压U1时，流过电流I1，在铁芯中就产生交变磁通Ø1，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势E1，E2，感应电势公式为：E=4.44fNØm式中：E--感应电势有效值f--频率N--匝数Øm--主磁通最大值由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压U1和U2大小也就不同。当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（I0），这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流I2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流I0，一部分为用来平衡I2，所以这部分电流随着I2变化而变化。当电流乘以匝数时，就是磁势。上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。（二）变压器的主要技术参数1、额定电压U1N/U2N。单位为V或者kV。U1N为正常运行时1次侧应加的电压。U2N为1次侧加额定电压、2次侧处于空载状态时的电压。三相变压器中，额定电压指的是线电压。2、额定容量SN。在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。单位为VA/kVA/MVA。SN为变压器的视在功率。通常把变压器1、2次侧的额定容量设计为相同。3、额定电流I1N/I2N。单位为A/kA。是变压器正常运行时所能承担的电流，在三相变压器中均代表线电流。在实际工作中，为了粗略地掌握变压器的一次侧和二次侧的额定电流，以了解变压运行是否过负荷或选择变压器的熔丝，常用以下经验公式计算：一次侧额定电流I1N近似为0.06SN，二次侧额定电流I2N近似为1.5SN。4、额定频率FN变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。一般电力变压器的工作频率为50HZ。5、电压比：指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。6、空载电流：变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。空载电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯损耗引起）组成。对于50Hz电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流。7、空载损耗：指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗（铜损），这部分损耗很小。8、效率：指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。9、绝缘电阻：表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。（三）油浸式变压器为使变压器运行更加可靠，维护更加简单，近年来油浸式变压器采用了密封结构，使变压器油和周围空气完全隔绝。目前，主要密封形式有空气密封型、充氮密封型和全充油密封型。其中全充油密封型变压器的市场占有率越来越高，它在绝缘油体积发生变化时，由波纹油箱壁或膨胀式散热器的弹性变形做补偿。油浸式变压器主要部件如下：1、铁芯：用硅钢片叠加制成，为变压器提供磁路。其导磁性好，铁损小。2、绕组：由绝缘纸包的铝线或铜线绕制而成，为变压器提供电路。3、绝缘：主要材料有变压器油、绝缘纸板、电缆纸、皱纹纸等。4、分接开关：一般有三档，可根据实际情况调整次级输出电压。5、油箱：油浸式变压器的外壳。6、变压器油：绝缘和冷却。7、油枕：保证油箱内总是充满油，并减小油面与空气的接触面，从而减缓油的老化。8、冷却装置：中小变压器由油箱外壳或加焊散热管散热。大型变压器则要强制冷却。9、安全气道：位于变压器的顶盖上，其出口用玻璃防爆膜封住。10、吸湿器：为保持储油柜内上部空气干燥和防粉尘污染。材料为氯化钙或氯化钴浸渍过的硅胶。正常为蓝色，异常为粉红色。11、气体继电器：变压器内部故障产生气体或少油时，接通信号或跳闸回路，保护变压器。12、高低压绝缘套管：固定引线和对地绝缘。图2-5油浸式变压器油浸式变压器应特别注意其防火安全措施。（四）干式变压器相对于油式变压器，干式变压器因没有油，也就没有火灾、爆炸、污染等问题，故电气规范、规程等均不要求干式变压器置于单独房间内。特别是新的系列，损耗和噪声降到了新的水平，更为变压器与低压屏置于同一配电室内创造了条件。干式变压器种类很多，主要有浸渍绝缘干式变压器和环氧树脂绝缘干式变压器两类。干式变压器结构如图2-6所示。图2-6干式变压器（五）变压器的运行变压器使用中的注意事项：1、干式变压器的安全运行和使用寿命，很大程度上取决于变压器绕组绝缘的安全可靠。绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏，是导致变压器不能正常工作的主要原因之一，因此对变压器的运行温度的监测及其报警控制是十分重要的。2、根据使用环境特征及防护要求，干式变压器可选择不同的外壳。通常选用IP23防护外壳，可防止直径大于12mm的固体异物及鼠、蛇、猫、雀等小动物进入，造成短路停电等恶性故障，为带电部分提供安全屏障。若须将变压器安装在户外，则可选用IP23防护外壳，除上述IP20防护功能外，更可防止与垂直线成60°角以内的水滴入。但IP23外壳会使变压器冷却能力下降，选用时要注意其运行容量的降低。3、干式变压器冷却方式分为自然空气冷却和强迫空气冷却。自然空冷时，变压器可在额定容量下长期连续运行。强迫风冷时，变压器输出容量可提高50%。适用于断续过负荷运行，或应急事故过负荷运行；由于过负荷时负载损耗和阻抗电压增幅较大，处于非经济运行状态，故不应使其处于长时间连续过负荷运行。4、干式变压器的过载能力与环境温度、过载前的负载情况（起始负载）、变压器的绝缘散热情况和发热时间常数等有关，若有需要，可向生产厂索取干变的过负荷曲线。5、允许温度和温升：上层油温一般不超过85度；最高95度。温升不超过55度。6、过负载能力：正常情况下室内20%，室外30%。一般设计允许短路电流为额定电流的25倍。允许电源电压波动范围正负5%为正常。7、理想并联运行的条件：联结组标号相同、电压比相等（允许相差正负5%）、阻抗电压相等（允许相差正负10%）。第二节低压交流配电一、低压交流供电制式低压配电系统按保护接地的形式不同可分为：IT系统、TT系统和TN系统。其中IT系统和TT系统的设备外露可导电部分经各自的保护线直接接地（过去称为保护接地）；TN系统的设备外露可导电部分经公共的保护线与电源中性点直接电气连接（过去称为接零保护）。国际电工委员会（IEC）对系统接地的文字符号的意义规定如下：第一个字母表示电力系统的对地关系：T--一点直接接地；I--所有带电部分与地绝缘，或一点经阻抗接地。第二个字母表示装置的外露可导电部分的对地关系：T--外露可导电部分对地直接电气连接，与电力系统的任何接地点无关；N--外露可导电部分与电力系统的接地点直接电气连接（在交流系统中，接地点通常就是中性点）。后面还有字母时，这些字母表示中性线与保护线的组合：S--中性线和保护线是分开的；（一）IT系统IT系统的电源中性点是对地绝缘的或经高阻抗接地，而用电设备的金属外壳直接接地。即：过去称三相三线制供电系统的保护接地。其工作原理是：若设备外壳没有接地，在发生单相碰壳故障时，设备外壳带上了相电压，若此时人触摸外壳，就会有相当危险的电流流经人身与电网和大地之间的分布电容所构成的回路。而