電氣工程概論

電氣工程概論第2部分1第二節(jié)變換電器2一、變壓器基本原理（一）變壓器的工作原理變壓器是通過電磁感應原理，通過電磁耦合實現(xiàn)電能傳遞的一種靜止電氣設備，主要由鐵芯及繞在鐵芯上的兩個繞組組成。變壓器原理圖3（二）變壓器的結(jié)構(gòu)1油浸式變壓器2干式變壓器用環(huán)氧樹脂澆注的變壓器稱為環(huán)氧樹脂干式變壓器。4（三）變壓器基本參數(shù)及性能指標1基本參數(shù)（1）額定電壓U1N,U2N。三相變壓器指線電壓。（2）額定容量SN。（3）額定電流I1N,I2N。根據(jù)額定電壓和額定容量計算得出。（4）額定頻率fN。我國規(guī)定工業(yè)用電頻率為50Hz。2基本參數(shù)（1）變壓器負載運行，二次側(cè)端電壓變化率?u%。變壓器外特性5（2）變壓器損耗Σp。（3）變壓器效率η。6（四）變壓器分類

7（五）變壓器應用綜述1電力變壓器

電力變壓器用途示意圖我國的電壓等級及相應的輸電容量和輸電距離82特種變壓器

特種變壓器用途表9二、變壓器等值電路（一）空載運行等值電路空載運行示意圖空載運行等值電路10（二）負載運行等值電路負載運行示意圖負載運行等值電路11三、三相變壓器（一）三相變壓器的磁路結(jié)構(gòu)1三相組式變壓器2三相芯式變壓器12（二）三相變壓器的連接組三相變壓器和三相變壓器組可以連接成星形、三角形和曲折形。對應于高壓和低壓側(cè)分別用Y、D、Z和y、d、z來表示。當有中性點引出時，用YN、

ZN和yn、

zn表示。若規(guī)定高壓側(cè)繞組的某感應線電壓相量始終指向鐘表的12點，則低壓側(cè)繞組所對應的感應線電壓相量所指的小時數(shù)就稱為標號。雙繞組變壓器常用連接組13雙繞組變壓器常用連接組14（三）變壓器的并聯(lián)運行變壓器并聯(lián)運行條件：（1）各臺變壓器的一、二次側(cè)的額定電壓相同，變壓器連接組的標號相同。（2）各臺變壓器的阻抗電壓相對值相等，各變壓器的短路阻抗幅角相等。雙繞組變壓器常用連接組15四、多繞組變壓器、分裂變壓器和自耦變壓器（一）多繞組變壓器具有兩個以上繞組的變壓器稱為多繞組變壓器。1三繞組變壓器三繞組變壓器（a）升壓變壓器（b）降壓變壓器16（二）分裂繞組變壓器1分裂繞組變壓器結(jié)構(gòu)

分裂繞組變壓器低壓側(cè)繞組中有一個或幾個繞組被分裂成額定容量相等的幾個分裂繞組，各分裂繞組間無電氣聯(lián)系，而僅有較弱的磁聯(lián)系。單相雙繞組雙分裂變壓器（a）接線圖（b）等值電路分裂繞組變壓器在正常運行和低壓側(cè)短路時所呈現(xiàn)的電抗值不同，可完成電能變換的同時實現(xiàn)短路電流的限制。雙柱式單相雙繞組雙分裂變壓器（a）接線圖（b）等值電路172分裂繞組變壓器的應用分裂變壓器—電機連接示意圖（a）接線圖（b）等值電路正常工作時，流入變壓器的工作電流遇到的等效阻抗為穿越電抗XD=X1＋0.5X’2。當?shù)蛪簜?cè)一臺發(fā)電機出口處短路時，來自另外一臺發(fā)電機的短路電流遇到的電抗為分裂電抗XF=X’2＋X’’2

,來自母線的電流遇到的電抗為半穿越電抗XB=X1＋X’2

。18（三）自耦變壓器1自耦變壓器的結(jié)構(gòu)

2優(yōu)缺點優(yōu)點：用料省，體積小，效率高，造價低；缺點：自耦變壓器變比的減小會使自耦變壓器的短路阻抗值減小，短路故障電流增大。自耦變壓器19五、互感器互感器是利用變壓器的電磁感應原理，將大電量信號變換為小電量信號以方便測量的一種設備，可分為電流互感器和電壓互感器。（一）電流互感器（TA）1、工作原理

電流互感器工作原理圖202、使用注意事項（1）電流互感器二次側(cè)繞組絕對不允許開路。（2）電流互感器的二次側(cè)繞組和外殼必須可靠接地，以防止因絕緣擊穿而危害人身安全。（二）電壓互感器(TV)電壓互感器按工作原理可分為電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器。1、電磁式電壓互感器（1）工作原理

電壓互感器工作原理圖21（2）電磁式電壓互感器使用時的注意事項：1）電壓互感器的二次側(cè)繞組絕對不允許短路。2）電壓互感器的二次側(cè)繞組和鐵芯必須可靠接地。3）電壓互感器的二次側(cè)負載不易接太多，以免降低負載阻抗，影響測量準確性。222、電容式電壓互感器（CVT）

電容式電壓互感器

電容式電壓互感器理想情況下輸出電壓U2L的計算公式：其中，k1=c1/(c1+c2);k2為中間變壓器的變換比。電容式電壓互感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低等優(yōu)點，可用于110-500kV中性點直接接地系統(tǒng)中的電壓測量。其缺點主要是輸出容量較小，誤差較大。23第三節(jié)限制電器24一、電力電容器（一）電力電容器分類和用途電容器是一種基本的電器元件，兩個相互靠近的平行板即可構(gòu)成一個最簡單的電容器，兩極板間的絕緣材料稱為電介質(zhì)。應用在電力系統(tǒng)中的電容器稱為電力電容器，其基本功能是存儲電能（電荷），可用來實現(xiàn)對電網(wǎng)的無功補償（限制功率因數(shù)下降）、濾除高次諧波（限制高次諧波電流）等功能，對提高電能質(zhì)量、提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性、可靠性有重要的作用。根據(jù)電力電容器用途的不同，下表列出了詳細的分類。25電容器的電性能很大程度上取決于絕緣介質(zhì)的材料性能，通?？偸窍Ｍ橘|(zhì)的耐壓性能好、介電常數(shù)大、損耗角正切小、體積電阻率高、耐老化性能好、介質(zhì)無污染。根據(jù)介質(zhì)的形態(tài)，電力電容器常用的介質(zhì)見下表所示。電力電容器常用介質(zhì)分類

隨著聚丙烯電工薄膜等材料的出現(xiàn)，電力電容器很快由全紙介質(zhì)經(jīng)過紙膜復合介質(zhì)向全膜介質(zhì)發(fā)展。全膜電力電容器具有擊穿場強高、局部放電電壓大、介質(zhì)損耗低、體積電阻率高、運行壽命長、安全可靠等諸多優(yōu)點，在我國得到了廣泛的應用。26（二）電力電容器參數(shù)1基本參數(shù)（1）額定電容CN,電力電容器的設計值；（2）額定電壓UN,表示正常運行時加到電容器上的額定電壓(有效值)；（3）額定電流IN,電容器正常工作時的電流有效值。

（4）額定無功功率Q，等于電容器額定電壓和額定電流的乘積。27

2性能指標（1）損耗角正切，,其中P是電容器在交流電壓作用下，其內(nèi)部的介質(zhì)、熔絲、放電器件等產(chǎn)生的總有功損耗。損耗角正切越大，電容器相對有功損耗越大，內(nèi)部發(fā)熱越嚴重；反之，電容器發(fā)熱較輕，電容器的質(zhì)量及運行狀況較好。通常損耗角正切會隨外施電壓和溫度而有所變化。1—紙介質(zhì)電容器2—膜/紙復合介質(zhì)電容器3—全膜介質(zhì)電容器

28（2）自放電時間常數(shù)T，T=RC,其中R是電容器的絕緣電阻，C為電容器的標稱值。自放電時間常數(shù)T也是衡量電容器性能、制造工藝的重要指標，通常認為T越大越好。（3）耐壓性和比特性：電力電容器出廠前必須經(jīng)過各種測試，其中極間耐壓試驗和極對殼耐壓試驗十分重要，其性能的好壞將直接影響到投入運行后電容器的可靠性和安全性。比特性是表征電力電容器質(zhì)量與容量關系的一個參數(shù)，單位為kg/kvar。29（三）并聯(lián)電力電容器1并聯(lián)電力電容器的結(jié)構(gòu)高壓并聯(lián)電力電容器由許多電容器元件串聯(lián)或并聯(lián)組成，通常還附加一些輔助部件和結(jié)構(gòu)，以滿足電容器運行時的絕緣、散熱、機械保護等方面的需要。并聯(lián)電力電容器

302并聯(lián)電力電容器的應用

并聯(lián)電容器主要用在交流電力系統(tǒng)中，用來進行無功補償、提高功率因數(shù)、降低線路損耗，發(fā)揮輸變電設備效能。（1）補償原理

電力系統(tǒng)中的感性負載較大時，會使母線上的電流滯后電壓一定的電角度φ,稱之為功率因數(shù)角。φ角的增大會增加系統(tǒng)的無功功率，造成電力系統(tǒng)及用戶設備容量的浪費。采用并聯(lián)電力電容器可以提高功率因數(shù)、降低線路損耗。等值電路

相量圖

無功補償示意圖

31（2）并聯(lián)電容器（組）的合閘涌流問題對電容器（組）進行投切時，會在電容器（組）之間和母線上出現(xiàn)一個高頻衰減電流，其幅值通常是電容器工作電流的幾倍甚至幾十倍，稱為并聯(lián)電容器（組）涌流（SurgeCurrent）。涌流會導致電容器組及其它電力設備損壞。涌流產(chǎn)生的原因：(a)電容器組投切時產(chǎn)生涌流。（b）開斷電容器組時可能發(fā)生的重擊穿涌流。(c)電容器組內(nèi)部電容器單元故障時產(chǎn)生的組內(nèi)涌流。限制并聯(lián)電容器(組)的涌流的方法：(a)串聯(lián)電抗器。(b)加長電容器間連接引線，增加電容器單元間電感，可以降低電容器故障時組內(nèi)涌流的幅值。323并聯(lián)電力電容器成套裝置

并聯(lián)電容器成套裝置分為高壓和低壓并聯(lián)電容器成套裝置兩種。高壓并聯(lián)電容器成套裝置內(nèi)部集成了電容器、電容器過負載保護專用熔斷器、放電裝置、抑制涌流和限制高次諧波的空心電抗器、限制過電壓的避雷器、斷路器和開關等設備。低壓并聯(lián)電容器裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，一般接成三角形裝設在負載附近。a高壓并聯(lián)電容器組裝置接線

b低壓并聯(lián)電容器組裝置接線33（四）其它電容器

1、串聯(lián)電容器可以抵消輸電線路的感抗，提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性和輸送能力，減小輸電線路的電壓降落。

2、電熱電容器主要用于頻率40-24000Hz范圍內(nèi)的感應加熱電氣系統(tǒng)中，可提高系統(tǒng)的功率因數(shù)及改善回路特征。3、高壓交流濾波電容器連接到額定電壓大于1000V的交流電力系統(tǒng)附近，可為大功率諧波源的諧波電流提供低阻抗通道，用來抑制諧波分量對電力系統(tǒng)及通訊系統(tǒng)的影響，改善電力系統(tǒng)功率因數(shù)。4、脈沖電容器脈沖電容器可在極短的時間內(nèi)，將存儲的能量迅速釋放出來，廣泛應用于高電壓試驗、海底探礦、激光技術(shù)和高能物理等領域。5、高原型電容器高原型電容器外殼內(nèi)設絕對壓力補償裝置，具有抗低氣壓、抗低氣溫、抗溫度突變的能力，可用于1000米至5000米的高原地區(qū)進行無功補償。34二、避雷裝置和避雷器

（一）雷閃放電與過電壓雷云放電過程35雷閃過電壓。發(fā)生雷閃時，除了會產(chǎn)生直擊雷過電壓之外，還會在輸電線路中出現(xiàn)感應過電壓，這兩種過電壓均會對輸電線路和電力設備造成危害。（二）避雷裝置避雷裝置是一種接地良好的導電裝置，可用來保護物體免遭雷擊，它主要由引雷裝置、接地裝置和連接它們的引下線組成。按照引雷裝置的形式，避雷裝置可分為避雷針、避雷線和避雷帶。（三）避雷器避雷器實質(zhì)上是一種放電器，可優(yōu)先于被保護電器放電動作，限制由線路傳來的雷電沖擊電壓和操作過電壓，完成保護后迅速恢復原來對地絕緣的狀態(tài)，準備下次保護動作，同時使系統(tǒng)恢復正常工作狀態(tài)。1、避雷器的分類通常將避雷器分為保護間隙、管式避雷器、閥式避雷器三種，參見下表。36避雷器的用途和分類

372、避雷器的電氣性能指標及特性(1)額定電壓:避雷器的最大允許工頻電壓。(2)工頻放電電壓:避雷器間隙放電時的工頻電壓有效值。(3)沖擊放電電壓:給定波形和極性的沖擊電壓施加到避雷器上，放電前所對應的電壓峰值。(4)放電電流:避雷器保護動作時通過它的沖擊電流及工頻續(xù)流統(tǒng)稱為放電電流。(5)殘壓:放電電流通過避雷器時，避雷器端子間的電壓稱為殘壓。(6)通流容量:即閥式避雷器的閥片耐受放電電流的能力，以規(guī)定的波形和通流次數(shù)下的電流幅值來表示。(7)伏秒特性:指避雷器的絕緣介質(zhì)在不同幅值沖擊電壓作用下，沖擊電壓值與放電時間之間的關系曲線，它是綜合衡量避雷器保護效果的重要依據(jù)。383、閥式避雷器根據(jù)閥片材料的不同，閥式避雷器可分為碳化硅閥式避雷器和金屬氧化物閥式避雷器兩種。（1）碳化硅避雷器將多個串聯(lián)的保護間隙和串聯(lián)的閥片相串聯(lián)，壓緊密封在避雷器瓷套內(nèi)，閥片的材料采用金剛砂為主要成分。普通型碳化硅避雷器結(jié)構(gòu)簡圖金剛砂顆粒非線性電阻39(2)金屬氧化物避雷器(MOA)金屬氧化物避雷器由壓緊密封在避雷器瓷套內(nèi)的若干片ZnO閥片構(gòu)成。氧化鋅閥片外加氧化鉍及其它金屬氧化物粉碎燒結(jié)成園餅狀或環(huán)狀，上下端面噴有金屬電極，側(cè)面涂有絕緣釉以防沿面閃絡。這種閥片具有非常優(yōu)異的非線性特性，在高壓下電阻很小，泄放雷電流的同時能保持低殘壓,伏安特性曲線見下圖：ZnO閥片伏–安特性曲線404、避雷器的選擇、使用和維護注意問題（1）

避雷器連續(xù)雷電沖擊保護能力。碳化硅避雷器沒有連續(xù)雷電沖擊保護能力；氧化鋅避雷器有連續(xù)雷電沖擊保護能力。（2）避雷器使用壽命。避雷器使用壽命與許多因素有關，除了制造工藝、機械故障、密封失效受潮等因素外，避雷器閥片的老化速度是影響壽命的關鍵因素。碳化硅避雷器和無間隙氧化鋅避雷器壽命有效使用壽命通常在7-10年；串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器壽命可達20年以上。（3）避雷器通常應垂直安裝，且周圍留有足夠的空間；頂部引線水平壓力不得超過允許值；對于由多節(jié)元件組裝的避雷器，應嚴格按照出廠標號組裝。（4）避雷器運行過程中應經(jīng)常監(jiān)視和維護，有條件的電站型閥式避雷器應安裝動作次數(shù)記錄裝置。碳化硅避雷器和金屬氧化物避雷器應按有關標準定期測試性能，發(fā)現(xiàn)隱患應及時退出運行。41三、電抗器電抗器屬于感性元件，同電容器一樣，也是一種基本的電器元件。電抗器主要用于實現(xiàn)電力系統(tǒng)和工業(yè)用戶的限流、無功補償、移相等功能，是電力、冶金、化工、電氣化鐵路等供電、輸變電系統(tǒng)中所必需的重要設備。（一）電抗器的結(jié)構(gòu)

干式電抗器

42（二）電抗器的基本參數(shù)(1)額定電感LN,是電抗器的設計值；(2)額定電壓UN,電抗器的額定工作電壓，通常大于等于電抗器所連接的交流電力系統(tǒng)額定工作電壓；(3)額定電流IN,電抗器正常工作時所允許的長期通過電流；(4)電抗百分比xN%，指電抗器在額定電流下，繞組兩端的電壓降與系統(tǒng)每相電壓值之比的百分數(shù)，即ΔU-繞組兩端電壓降；

xN-繞組電抗值；

LN-繞組電感值。

43(三)電抗器的分類和應用1、限流電抗器限流電抗器串聯(lián)于發(fā)電機的輸出回路、變壓器或其它高壓電器設備的輸出或輸入回路中，主要用來限制系統(tǒng)短路故障電流，保護輸電線路和電力設備。在三相輸電系統(tǒng)中，三相干式空芯串聯(lián)電抗器是由三臺單相電抗器排列構(gòu)成，排列方式主要有以下三種：三相垂直

兩相垂直，一相并列

三相并列442、分裂電抗器為了充分限制短路電流，希望電抗值越大越好，但是電抗值越大，電壓和電能的損失也越大。采用分裂電抗器可以很大程度上避免這個問題。分裂電抗器比普通電抗器多出了一個中間抽頭，從而形成了1、2兩