第2章 供配电系统的主要电气设备

供电系统及电气控制主讲人：董密信息科学与工程学院学院第二章供配电系统的主要电气设备本章首先概述供配电系统电气设备的分类，然后分别讲述电力变压器和互感器、高低压开关电器、熔断器、避雷器和无功补偿设备等的功用、结构特点、主要性能及使用注意事项，最后介绍高低压成套配电装置的类型和结构特点。第五节无功补偿设备和成套配电装置第四节高低压熔断器和避雷器第三节高低压开关电器第二节电力变压器和互感器第二章供配电系统的主要电气设备第一节电气设备概述一次电路——供配电系统中担负输送和分配电力任务的电路，也称“主电路”。二次电路——用来控制、指示、监测和保护一次电路及其电气设备运行的电路，通称“二次回路”。电气设备分为两大类：一次设备——一次电路中的所有电气设备二次设备——二次回路中的所有电气设备第一节电气设备概述一次设备功能分类：(１)变换设备指按系统工作要求来改变电压、电流或频率的设备，例如电力变压器、电压互感器、电流互感器及变流或变频设备等。(２)控制设备指按系统工作要求来控制电路通断的设备，例如各种高低压开关。(３)保护设备指用来对系统进行过电流和过电压保护的设备，例如高低压熔断器和避雷器。(４)无功补偿设备指用来补偿系统中的无功功率、提高功率因数的设备，例如并联电容器。(５)成套配电装置它是按照一定的线路方案的要求，将有关一次设备和二次设备组合为一体的电气装置，例如高低压开关柜、动力和照明配电箱等。第一节电气设备概述第二节电力变压器和互感器一、电力变压器（T或TM）(一)概述变电所中最关键的设备，其将电力系统中的电压升高或降低，以利于电力的合理输送、分配和使用。第二节电力变压器和互感器1.电力变压器的类型按功用分按容量分按相数分按调压方式分按绕组导体材质分按绕组形式分按绕组绝缘和冷却方式分按结构性能分２.电力变压器的联结组别变压器一二次绕组采用不同连接方式形成变压器一二次侧对应的线电压之间不同的相位关系。图2-1变压器Yyn0联结组(1)Yyn0联结和Dyn11联结的两种配电变压器Yyn0联结的变压器一次和二次线电压相位关系同时钟在零点时的分针与时针的关系。第二节电力变压器和互感器Dyn11联结的变压器，一次与对应的二次线电压之间的相位关系如同时钟在11点时的分针与时针的关系。图2-2变压器Dyn11联结组第二节电力变压器和互感器DYn11联结较之Yyn0联结的优点：有利于抑制高次谐波电流：Dyn11联结的变压器，对3次及其整数倍次的谐波电流可在其三角形联结的一次绕组内形成环流，从而不致注入高压公用电网中去。有利于低压侧单相接地短路故障的保护和切除：Dyn11联结的变压器，其零序阻抗较之Yyn0联结的变压器的零序阻抗小得多，因此Dyn11联结变压器二次侧的单相接地短路电流较之Yyn0联结变压器二次侧的单相接地短路电流大得多。当接用单相不平衡负荷时，由于Yyn0联结变压器要求中性线(Ｎ线)电流不宜超过二次绕组额定电流的25%，因而严重限制了接用单相用电负荷的容量，影响了变压器负荷能力的充分发挥。第二节电力变压器和互感器由于Yyn0联结变压器一次绕组的绝缘强度要求比Dyn11联结变压器稍低（前者承载相电压后者承载线电压），使得Yyn0联结变压器的制造成本稍低于Dyn11联结变压器，因此在TN及TT系统中，由单相不平衡负荷引脚的中性线电流不至超过低压绕组额定电流的25%时，宜选用Yyn0联结变压器。第二节电力变压器和互感器(2)Yzn11联结的防雷变压每一铁心柱上的二次绕组都分为两个匝数相等的绕组，而且采用曲折（Z形）联结当雷电过电压沿变压器一次侧（高压侧）线路侵入时，由于二次侧（低电压）同一铁心柱上的两个绕组的感应电动势相互抵消，所以二次侧不会出现过电压。同理，当雷电过电压侵入二次侧线路时，由于变压器二次侧同一铁心柱上两个绕组的电流相反，磁动势相互抵消，所以过电压也不会感应到一次侧线路上去。第二节电力变压器和互感器3.电力变压器的结构和型号机构包括铁心和一、二次或一、二、三次绕组两大部分。图2-4三相油浸式电力变压器图2-5三相树脂浇注绝缘干式电力变压器第二节电力变压器和互感器(二)电力变压器的容量和过负荷能力1.额定容量和实际容量额定容量SN.T：在规定的环境温度条件下，室外安装时，在规定的使用年限（20年）内所能连续输出的最大视在功率（kVA）。变压器正常使用的最高平均气温为+20oC。如果安装地点的年平均气温θo,av≠20oC，则每升高1oC，变压器容量减少1%。因此变压器的实际容量（出力）ST为：..201100oavTNTSSq骣-÷ç=-÷ç÷÷ç桫考虑室内比室外温度高8oC，室内变压器的实际容量为：..200.92100oavTNTSSq骣-÷ç¢=-÷ç÷÷ç桫第二节电力变压器和互感器电力变压器全型号的表示和含义第二节电力变压器和互感器２.电力变压器的正常过负荷(1)因昼夜负荷不均衡而允许的过负荷油浸式电力变压器因昼夜负荷不均衡而允许的过负荷系数KOL，可根据日负荷填充系数(日负荷率)β和最大负荷持续时间t去查图2-6所示曲线求得。图2-6油浸式电力变压器允许过负荷系数与日负荷率及最大负荷持续时间的关系曲线第二节电力变压器和互感器(2)因季节性负荷差异而允许的过负荷如果夏季(或冬季)的平均日负荷曲线中的最大负荷Sm低于油浸式变压器的实际容量ST时，则每低1%，可在冬季(或夏季)过负荷1%。但此过负荷不得超过15%。因此允许的过负荷K’OL为11.15TmOLTSSKS-¢=+?但油浸式电力变压器总的正常过负荷系数不得超过：户内变压器为20%；户外变压器为30%。因此油浸式电力变压器的正常过负荷能力可达：户内变压器()()1TOLOLOLTSKKS¢=+-且()1.2TOLTSS£户外变压器()()1TOLOLOLTSKKS¢=+-且()1.3TOLTSS£第二节电力变压器和互感器例2-1某用户变电所的变压器室有一台1000kVA的油浸式电力变压器，已知该用户的平均日负荷率β=0.7，日最大负荷持续时间为8h，夏季的平均日最大负荷为840kVA，当地的年平均气温为16℃。试求该变压器的实际容量和冬季可允许的过负荷能力。解(1)求变压器的实际容量(2)求变压器冬季允许的过负荷能力16200.921000960100TSkVAkVA骣-÷ç=-?÷ç÷ç桫由β=0.7和t=8h查图2-6得KOL=1.1296084011.13960OLK-¢=+=冬季允许的过负荷能力()()1.121.1311.251.2TOLTTTSSSS=+-=则取过负荷系数1.2，实际过负荷能力为()1.21.29601152TOLTSSkVAkVA==?第二节电力变压器和互感器3.电力变压器的事故过负荷表2-1电力变压器事故过负荷允许值电力变压器在事故情况下，允许短时间较大幅度地过负荷运行，而不论故障前的负荷情况如何，这种事故过负荷运行时间不得超过下表规定的时间。变压器事故过负荷对其使用寿命是有影响的第二节电力变压器和互感器(三)电力变压器的并列运行条件额定一次电压和二次电压必须对应相等所有并列变压器的电压比必须相同，允许差值范围为±5%。阻抗电压必须相等由于并列变压器二次侧的负荷是按其阻抗电压值成反比分配的，因此并列变压器的阻抗电压如果不同，将导致阻抗电压较小的变压器过负荷甚至烧毁。允许差值范围为±10%。联结组别必须相同所有并列变压器的一次电压和二次电压的相序和相位都必须对应相同，否则不允许并列运行。此外，并列运行的变压器容量应尽量相同或相近，其最大容量和最小容量之比不宜超过3:1第二节电力变压器和互感器例2-2现有一台S9-800/10型变压器与一台S9-2000/10型变压器并列运行，均为Dyn11联结。问负荷达到2800kVA时，上列变压器中哪一台变压器将要过负荷?过负荷将达到多少?(例4-3)解并列运行的变压器之间的负荷分配是与阻抗的标幺值成反比的，因此先计算各台变压器的阻抗标幺值。*%100ZdTNUSZS=UZ%为变压器的阻抗电压百分值；Sd为基准容量(kVA)，通常取Sd=105kVA；SN为变压器的额定容量（kVA）查附表5-1得，S9-800/10的UZ%=5%，S9-2000/10的UZ%=6%，5*15106.25100800TkVAZkVA´==´5*26103.001002000TkVAZkVA´==´第二节电力变压器和互感器由此得两台变压器在负荷达2800kVA时各自负担负荷为：可得S9-800/10型变压器将过负荷(908-800)kVA=108kVA，超过其额定容量(108kVA/800kVA)*100%=13.5%按正常过负荷可达20%(户内)或30%(户外)来衡量，S9-800/10型变压器过负荷13.5%是允许的。从两台变压器的容量比看，800:2000=1:2.5，未达到1:3。但考虑到负荷发展，S9-800/10型变压器宜换成较大容量变压器。13.0028009086.253.00TSkVAkVA=?+26.25280018926.253.00TSkVAkVA=?+第二节电力变压器和互感器你能回答吗？什么是电力变压器的联结组别？配电变压器在哪些情况下宜采用Dyn11联结？哪些情况下采用Yyn0联结？什么是电力变压器的额定容量和实际容量？电力变压器的正常过负荷与哪些因素相关？什么叫一次电路？什么叫二次电路？一次电路设备按功能可分为哪几类？二、电流互感器(文字符号TA)(一)电流互感器的功用和接线方案１.功用用来使仪表、继电器等二次设备与主电路绝缘用来扩大仪表、继电器等二次设备应用的电流范围第二节电力变压器和互感器２.电流互感器的结构和接线方案结构特点：一次绕组匝数很少，且导体相当粗；二次绕组匝数很多，导体较细；其工作时二次回路接近于短路状态。二次绕组额定电流一般为5A，少数为1A。图2-8电流互感器的原理结构和接线1—铁心2—一次绕组3—二次绕组PA—电流表KA—电流继电器第二节电力变压器和互感器四种常见接线方式：(1)一相式接线电流线圈中通过的电流反映一次电路对应相的电流。(2)两相Ｖ形接线两相不完全星形接线。(3)两相电流差接线两相交叉接线。(4)三相星形接线三个电流线圈正好反映各相的电流。第二节电力变压器和互感器(二)电流互感器的类型和型号图2-12LQJ-10型电流互感器按一次绕组匝数分按一次电压分按用途分图2-13LMZJ1-0.5型电流互感器第二节电力变压器和互感器按准确度等级分按绝缘和冷却方式分电流互感器全型号的表示和含义第二节电力变压器和互感器１.电流互感器工作时二次侧不得开路２.电流互感器的二次侧必须有一端接地３.电流互感器连接时必须注意其端子极性(三)电流互感器使用注意事项第二节电力变压器和互感器三、电压互感器(文字符号TV)(一)电压互感器的功用和接线方案１.电压互感器的功用(1)用来使仪表、继电器等二次设备与主电路绝缘(2)用来扩大仪表、继电器等二次设备应用的电压范围第二节电力变压器和互感器2.电压互感器的结构和接线方案结构特点：一次绕组匝数很多，二次绕组匝数较少，相当于降压变压器。由于电压线圈的阻抗很大，其工作时二次侧接近于空载状态。二次绕组额定电压一般为100V。图2-14电压互感器的原理结构和接线1—铁心2—一次绕组3—二次绕组PV—电压表KV—电压继电器第二节电力变压器和互感器四种常见接线方式：(1)一个单相电压互感器接线供仪表、继电器的电压线圈接于三相电路的一个线电压。(2)两个单相电压互感器接成V/V形供仪表、继电器的电压线圈接于三相三线制电路的各个线电压，广泛应用在变配电所的6~10kV高压配电装置中。(3)三个单相电压互感器接成Y0/Y0形供要求线电压的仪表、继电器，并供接相电压的绝缘监视电压表。(4)三个单相三绕组电压互感器或一个三相五芯柱三绕组电压互感器接成Y0/Y0/(开口三角)形其接成Y0的二次绕组，供电给需线电压的仪表、继电器及接相电压的绝缘监视用电压表，与(3)的二次接线相同；其接成(开口三角)形的