《風(fēng)電場(chǎng)電氣系統(tǒng) 》 課件 朱永強(qiáng) 第1-4章 風(fēng)電場(chǎng)和電氣部分的基本概念- 風(fēng)電場(chǎng)一次設(shè)備的選擇

風(fēng)電場(chǎng)電氣系統(tǒng)本課程主要內(nèi)容本課程第1章介紹風(fēng)電場(chǎng)與電氣部分的基本概念和表示方法，使大家了解風(fēng)電場(chǎng)電氣部分的含義。

第2章介紹風(fēng)電場(chǎng)電氣部分的特點(diǎn)和基本構(gòu)成，在介紹電氣主接線的基本概念和設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，列舉電氣主接線的常見(jiàn)形式，并重點(diǎn)說(shuō)明風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線的基本形式，使大家了解風(fēng)電場(chǎng)電氣部分的整體布局和組成部分，掌握風(fēng)電場(chǎng)電氣接線設(shè)計(jì)的基本思想和依據(jù)。

本課程主要內(nèi)容第3章詳細(xì)介紹風(fēng)電場(chǎng)中的各主要一次電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理，包括風(fēng)電機(jī)組、變壓器、斷路器和隔離開(kāi)關(guān)、母線和輸電線路、電抗器和電容器、電壓互感器和電流互感器等，以及變壓器、斷路器等重要一次設(shè)備的型式、參數(shù)，使大家對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電氣設(shè)備的原理、功能、結(jié)構(gòu)、外觀等有具體認(rèn)知。第4章介紹風(fēng)電場(chǎng)一次電氣設(shè)備選擇的一般條件和技術(shù)條件，以及熱穩(wěn)定校驗(yàn)、動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)和環(huán)境校驗(yàn)方法，使大家了解和掌握電氣設(shè)備的型式、參數(shù)與其在風(fēng)電場(chǎng)中運(yùn)行環(huán)境的關(guān)系，并且能對(duì)風(fēng)電一次設(shè)備的選擇進(jìn)行初步分析和簡(jiǎn)單計(jì)算。本課程主要內(nèi)容

第5章介紹電氣二次部分的含義和功能，以及電氣二次系統(tǒng)的主要設(shè)備及其原理，使大家了解風(fēng)電場(chǎng)和升壓變電站電氣二次系統(tǒng)的構(gòu)成及電氣二次系統(tǒng)的圖形表示方法，并對(duì)我國(guó)目前已普遍采用的變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)有一定的認(rèn)知。

第6章介紹風(fēng)電場(chǎng)中配電裝置的概念和表示方法，描述各種常見(jiàn)配電裝置的結(jié)構(gòu)和作用，說(shuō)明配電裝置的設(shè)計(jì)要求及選型和布置方法，介紹風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電機(jī)組的排列布置和升壓變電站電工建筑物的布置。本課程主要內(nèi)容

第7章介紹風(fēng)電場(chǎng)的防雷和接地問(wèn)題，首先說(shuō)明雷電的形成機(jī)理和雷電的危害，介紹雷電防護(hù)的一般方法；然后對(duì)接地的意義和作用，尤其是對(duì)接觸電壓和跨步電壓等重要概念進(jìn)行具體的說(shuō)明，給出接地設(shè)計(jì)的一般要求；并全面介紹風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電機(jī)組、集電線路和升壓站的防雷保護(hù)措施，有助于大家了解風(fēng)電場(chǎng)電氣設(shè)備安全方面的知識(shí)和解決辦法，提高安全生產(chǎn)的意識(shí)。

第8章介紹風(fēng)電場(chǎng)中的電力電子設(shè)備，在簡(jiǎn)述電力電子技術(shù)應(yīng)用和常見(jiàn)電力電子器件的基礎(chǔ)上，闡述變流技術(shù)和PWM技術(shù)的基本原理；重點(diǎn)介紹主流大型風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)換流器，包括其電路結(jié)構(gòu)和基本工作原理；最后簡(jiǎn)單介紹風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償與電壓控制需求，以及SVC和STATCOM等無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。第1章風(fēng)電場(chǎng)和電氣部分的基本概念關(guān)注的問(wèn)題風(fēng)電場(chǎng)的基本概念，電氣和電氣部分的概念；電氣部分的一般組成有哪些？各部分的作用是什么？電氣部分的圖形表示法教學(xué)目標(biāo)了解風(fēng)電場(chǎng)的基本概念和風(fēng)電場(chǎng)電氣部分的含義，初步理解和掌握電氣部分的大致構(gòu)成及表示方法，尤其是重要電氣設(shè)備及其圖形符號(hào)?！?.1風(fēng)力發(fā)電概述

風(fēng)是人類最常見(jiàn)的自然現(xiàn)象之一，風(fēng)能資源的儲(chǔ)量非常巨大，一年之中風(fēng)所產(chǎn)生的能量大約相當(dāng)于20世紀(jì)90年代初全世界每年所消耗的燃料的3000倍。

十九世紀(jì)末，風(fēng)能開(kāi)始被用于發(fā)電，據(jù)稱始于丹麥，并且迅速成為其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。風(fēng)電技術(shù)是可再生能源技術(shù)中最成熟的一種能源技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電由于環(huán)保清潔，無(wú)廢棄物排放，施工周期短，利用歷史悠久，受到了各國(guó)的廣泛重視和大力推廣。如今風(fēng)力發(fā)電在世界范圍內(nèi)都獲得了快速的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電規(guī)模及其在電力能源結(jié)構(gòu)中的份額都增長(zhǎng)很快?！?.1風(fēng)力發(fā)電概述風(fēng)力發(fā)電就是利用風(fēng)力機(jī)獲取風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再利用發(fā)電機(jī)將風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出的生產(chǎn)過(guò)程。

風(fēng)力機(jī)有很多種類型，用于風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)也呈現(xiàn)出多樣性，但是其基本能量轉(zhuǎn)換過(guò)程都是一樣的，如圖：

用于實(shí)現(xiàn)該能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的成套設(shè)備稱為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組?！?.1風(fēng)力發(fā)電概述

單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電能力是有限的，目前在內(nèi)陸地區(qū)應(yīng)用的主流“大型”機(jī)組的額定功率不過(guò)1.5MW，海上風(fēng)電機(jī)組的平均單機(jī)容量在3MW左右，最大已達(dá)6MW。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的電能經(jīng)由特定電力線路送給用戶或接入電網(wǎng)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電力用戶或電網(wǎng)的聯(lián)系是通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)中的電氣部分得以實(shí)現(xiàn)的?！?.2風(fēng)電場(chǎng)的概念

風(fēng)電場(chǎng)是在一定的地域范圍內(nèi)由同一單位經(jīng)營(yíng)管理的所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及配套的輸變電設(shè)備、建筑設(shè)施、運(yùn)行維護(hù)人員等共同組成的集合體。選擇風(fēng)力資源良好的場(chǎng)地，根據(jù)地形條件和主風(fēng)向，將多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組按照一定的規(guī)則排成陣列，組成風(fēng)力發(fā)電機(jī)群，并對(duì)電能進(jìn)行收集和管理，統(tǒng)一送入電網(wǎng)，是建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)的基本思想?！?.2風(fēng)電場(chǎng)的概念應(yīng)根據(jù)風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)能玫瑰圖確定風(fēng)電場(chǎng)的主導(dǎo)風(fēng)向，在平坦、開(kāi)闊的場(chǎng)址，要求主導(dǎo)向上機(jī)組間相隔5~9倍風(fēng)輪直徑，在垂直于主導(dǎo)風(fēng)向上要求機(jī)組間相隔3~5倍風(fēng)輪直徑。按照這個(gè)規(guī)則，風(fēng)電機(jī)組可以單排或多排布置。多排布置時(shí)應(yīng)成梅花形排列。

風(fēng)電場(chǎng)是大規(guī)模利用風(fēng)能的有效方式，二十世紀(jì)80年代初興起于美國(guó)加利福尼亞。目前，風(fēng)電場(chǎng)的分布幾乎是遍布全球，風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)目已成千上萬(wàn)，最大規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)可上百萬(wàn)千瓦級(jí)?！?.2風(fēng)電場(chǎng)的概念

按照風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模，風(fēng)電場(chǎng)大致可以分為：小型、中型和大型（特大型）風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源場(chǎng)地說(shuō)

明小型較好較小可建幾兆瓦容量的風(fēng)電場(chǎng)，接入35~66kV及以下電壓等級(jí)的電網(wǎng)。中型較好合適可建幾十兆瓦容量以下風(fēng)電場(chǎng)，接入110kV及以下電網(wǎng)。大型（特大型）豐富開(kāi)闊可建容量在100~600MW或更大的風(fēng)電場(chǎng)，例如我國(guó)的特許權(quán)風(fēng)電項(xiàng)目?！?.3電氣和電氣部分

電氣的本意即為電，也就是：帶電的、生產(chǎn)和使用電能相關(guān)的。

對(duì)于電氣部分可以泛泛地理解為：由所有帶電設(shè)備及其附屬設(shè)備所組成的全部。§1.3.1電氣的基本概念

§1.3電氣和電氣部分§1.3.1電氣的基本概念

發(fā)電廠中的發(fā)電機(jī)是一般意義上的電源，它將其他能源轉(zhuǎn)化為電能，如：煤炭、石油、水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)?、潮汐等。電能無(wú)法由自然界直接獲取，是一種二次能源，那些存在于自然界可以直接利用的能源被稱為一次能源。發(fā)電廠中發(fā)電機(jī)生產(chǎn)的電能一般需要經(jīng)過(guò)變壓器升高電壓后送入其所在電網(wǎng)中。

電能由電網(wǎng)輸送到用戶所在地，經(jīng)降壓后分配給最終的用戶。

在電能生產(chǎn)到消費(fèi)之間需要由電能可以傳導(dǎo)的路徑，由于一定區(qū)域內(nèi)發(fā)電廠和用戶的分布非常復(fù)雜，因此這一路徑自然形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即所謂的電網(wǎng)，電能由發(fā)電廠生產(chǎn)出來(lái)以后在電網(wǎng)中根據(jù)其結(jié)構(gòu)按照物理規(guī)律自然分配。§1.3電氣和電氣部分§1.3.2電氣部分的一般組成

包括風(fēng)電場(chǎng)在內(nèi)的各類發(fā)電廠站、實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)變換和能量輸送的電網(wǎng)、消耗電能的各類設(shè)備（用戶或負(fù)荷）共同構(gòu)成了電力系統(tǒng)，即用于生產(chǎn)、傳輸、變換、分配和消耗電能的系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的帶電部分統(tǒng)稱為其各自的電氣部分。

發(fā)電廠和變電站是整個(gè)電力系統(tǒng)的基本生產(chǎn)單位。電氣部分不僅僅包括電能生產(chǎn)、變換的部分,還包括其自身消耗電能的部分。以上用于能量生產(chǎn)、變換、分配、傳輸和消耗的部分稱為電氣一次部分。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)廠站內(nèi)設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制，電氣部分還包括所謂的二次部分，即用于對(duì)本廠站內(nèi)一次部分進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)視、控制和保護(hù)的部分。升壓站20kV220kV降壓變電站110kV變電站110kV電纜桿上變壓器至其它路燈用配電站10kV路燈牽引變電站高速列車27.5kV380/220V開(kāi)閉所10kV10kV10kV居民小區(qū)箱式變電所箱式變電所批發(fā)市場(chǎng)化工廠電纜10kV10kV配電箱380/220V380/220V電燈電動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)泵空壓機(jī)380/220V發(fā)電廠110kV380/220V電動(dòng)葫蘆電焊機(jī)加熱器變電站110kV風(fēng)電場(chǎng)10kV10kV10kV開(kāi)閉所箱式變電所某商場(chǎng)學(xué)校10kV常見(jiàn)負(fù)荷類型開(kāi)閉所10kV10kV380/220V10kV高壓開(kāi)關(guān)柜變壓器低壓開(kāi)關(guān)柜箱式變電所內(nèi)部示意圖應(yīng)急照明水泵房電梯某商場(chǎng)用電示意圖1層配電柜101室配電箱子...…125室配電箱子...…至其它配電站10kV10kV圖為發(fā)電、輸電、變電、供配電及用電的簡(jiǎn)單示意一次部分最為重要的是發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等實(shí)現(xiàn)電能生產(chǎn)和變換的設(shè)備，發(fā)電機(jī)用于電能生產(chǎn)、變壓器用于電能變換、電動(dòng)機(jī)和其他用電設(shè)備用于電能的消耗、母線用于電能的匯集和分配、線路則用于能量的輸送?！?.3電氣和電氣部分

§1.3.2電氣部分的一般組成為了保證我們可以任意地控制發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、線路等設(shè)備的投入和退出（帶電/不帶電），需要有相關(guān)的開(kāi)關(guān)，這就是斷路器。

在分合電路的斷路器旁邊常常伴有用于檢修時(shí)起電氣隔離作用的隔離開(kāi)關(guān)。除了斷路器和隔離開(kāi)關(guān)外，常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電器還有熔斷器和接觸器。

§1.3電氣和電氣部分§1.3.2電氣部分的一般組成

在電力系統(tǒng)中，為了保證人員和設(shè)備的運(yùn)行安全以及電力系統(tǒng)本身中性點(diǎn)接地的要求，還需要有相應(yīng)的接地裝置。在發(fā)電廠和變電站中常采用埋于地下的人工接地體構(gòu)成接地網(wǎng)。接地網(wǎng)要求可以基本覆蓋廠站內(nèi)電氣設(shè)備的全部，以保證設(shè)備的可靠接地。此外，為應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)中可能的故障或異常，在電氣設(shè)備中還需要加裝一些防御過(guò)電壓和短路電流的裝置，包括避雷器和串聯(lián)電抗器?！?.3電氣和電氣部分§1.3.2電氣部分的一般組成

二次系統(tǒng)是傳遞信號(hào)的電路，通過(guò)電壓互感器和電流互感器將被測(cè)的一次設(shè)備和系統(tǒng)的高電壓和大電流變換為低電壓和小電流傳遞給測(cè)量和保護(hù)裝置，測(cè)量和保護(hù)裝置對(duì)所測(cè)得的電壓和電流進(jìn)行判別以監(jiān)視一次設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并記錄。

電壓互感器和電流互感器按作用來(lái)分可以認(rèn)為是二次設(shè)備，但其直接并聯(lián)和串聯(lián)于一次電路中，實(shí)際上是一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的連接設(shè)備?！?.3電氣和電氣部分§1.3.2電氣部分的一般組成

繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置可以認(rèn)為是電力系統(tǒng)的衛(wèi)兵。當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的繼電保護(hù)裝置會(huì)根據(jù)采集到的電流和電壓進(jìn)行分析，判定發(fā)生故障后便動(dòng)作觸發(fā)與故障設(shè)備相連的斷路器。

重合閘及備用電源自投裝置是電力系統(tǒng)中常見(jiàn)的自動(dòng)裝置，它用故障后斷路器的合閘來(lái)縮小故障對(duì)于系統(tǒng)的影響。

常見(jiàn)的控制電器有斷路器的控制開(kāi)關(guān)。裝設(shè)于變電站主控制實(shí)內(nèi)的控制屏，常常見(jiàn)于常規(guī)控制變電站。

控制屏上裝設(shè)有用于監(jiān)視的表計(jì)（電流表、電壓表、有功功率表、無(wú)功功率表）；用于燈光告警的光子牌、用于操作斷路器的控制開(kāi)關(guān)和指示斷路器位置的紅綠指示燈。§1.3電氣和電氣部分§1.3.2電氣部分的一般組成上述設(shè)備運(yùn)行的時(shí)候需要消耗電能，是作為耗電設(shè)備存在的，因此還需要裝設(shè)相應(yīng)的直流電源設(shè)備。采用直流的好處是可以利用蓄電池進(jìn)行電能存儲(chǔ)。在發(fā)電廠和變電站內(nèi)二次設(shè)備由控制電纜連接構(gòu)成了功能不同的二次回路。§1.4電氣部分的圖示

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)等各類發(fā)電廠和變電站內(nèi)電氣部分的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和研究等工作都需要依賴其圖形方法，即用圖形符號(hào)結(jié)合文字符號(hào)在平面上抽象我們的具體問(wèn)題，最為常見(jiàn)的就是電氣接線圖，包括一次接線圖和二次回路圖，它們以規(guī)定的圖形和文字符號(hào)描述了廠站內(nèi)一次部分和二次部分的電路基本組成和連接關(guān)系。在發(fā)電廠和變電站中，電氣設(shè)備根據(jù)其作用和具體要求按照一定方式由導(dǎo)體連接形成了傳輸能量（一次部分）和信號(hào)（二次部分）的電路，這個(gè)電路就被稱為電氣接線，對(duì)這個(gè)電路的圖形描述被稱為一次接線圖（又稱電氣主接線圖）和二次回路圖。建立電氣接線圖，首先需要規(guī)定具體電氣設(shè)備的圖形符號(hào)主要電氣設(shè)備的圖形符號(hào)如表所示風(fēng)電場(chǎng)電氣系統(tǒng)第2講風(fēng)電場(chǎng)電氣部分的構(gòu)成和主接線方式第2章風(fēng)電場(chǎng)電氣部分的構(gòu)成和主接線方式

教學(xué)目標(biāo)掌握風(fēng)電場(chǎng)電氣部分的特點(diǎn)和基本構(gòu)成，

了解電氣主接線的基本概念和設(shè)計(jì)原則，

理解各種電氣主接線形式的特點(diǎn)并掌握分析方法，

理解和掌握風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線設(shè)計(jì)的基本思想和依據(jù)。關(guān)注的問(wèn)題風(fēng)電場(chǎng)與常規(guī)電廠的區(qū)別是什么？其電氣部分的構(gòu)成有哪些？電氣主接線的概念和相關(guān)術(shù)語(yǔ)有哪些？其設(shè)計(jì)原則又是什么？

常見(jiàn)的電氣主接線形式有哪些？風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線應(yīng)如何進(jìn)行設(shè)計(jì)？§2.1風(fēng)電場(chǎng)電氣部分的構(gòu)成

§2.1.1風(fēng)電場(chǎng)與常規(guī)電廠的區(qū)別風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量小風(fēng)電場(chǎng)的電能生產(chǎn)比較分散，發(fā)電機(jī)組數(shù)目多風(fēng)電機(jī)組輸出的電壓等級(jí)低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的類型多樣化風(fēng)電場(chǎng)的功率輸出特性復(fù)雜風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)需要電力電子換流設(shè)備§2.1.2風(fēng)電場(chǎng)電氣部分的構(gòu)成總體而言，風(fēng)電場(chǎng)的電氣部分也是由一次部分和二次部分共同組成，這一點(diǎn)和常規(guī)發(fā)電廠站是一樣的。

根據(jù)在電能生產(chǎn)過(guò)程中的整體功能，風(fēng)電場(chǎng)電氣一次系統(tǒng)可以分為四個(gè)主要部分：風(fēng)電機(jī)組、集電系統(tǒng)、升壓站及廠用電系統(tǒng)。

目前，風(fēng)電場(chǎng)的主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身輸出電壓為690V，經(jīng)過(guò)機(jī)組升壓變壓器將電壓升高到10kV或35kV。

§2.1.2風(fēng)電場(chǎng)電氣部分的構(gòu)成

風(fēng)電機(jī)組，除了風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)以外，還包括電力電子換流器（有時(shí)也稱為變頻器）和對(duì)應(yīng)的機(jī)組升壓變壓器（有的文獻(xiàn)稱之為集電變壓器）。

集電系統(tǒng)將風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)的電能按組收集起來(lái)。分組采用位置就近原則，每組包含的風(fēng)電機(jī)組數(shù)目大體相同。每一組的多臺(tái)機(jī)組輸出（經(jīng)過(guò)機(jī)組升壓變壓器升壓后）一般可由電纜線路直接并聯(lián)。

升壓變電站的主變壓器將集電系統(tǒng)匯集的電能再次升高。

廠用電包括維持風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行及安排檢修維護(hù)等生產(chǎn)用電和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的生活用電等，也就是風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)用電的部分。§2.1.2風(fēng)電場(chǎng)電氣部分的構(gòu)成風(fēng)電場(chǎng)電氣一次系統(tǒng)示意圖如下圖所示：其中各部分為1風(fēng)機(jī)葉輪2傳動(dòng)裝置3發(fā)電機(jī)4變流器5機(jī)組升壓變壓6升壓站中的配電裝置7升壓站中的升壓變壓器8升壓站中的高壓配電裝置9架空線路123457689§2.2電氣主接線及設(shè)計(jì)要求

§2.2.1電氣主接線的基本概念§2.2.1.1地理接線圖

地理接線圖就是用來(lái)描述

某個(gè)具體電力系統(tǒng)中發(fā)電廠、

變電所的地理位置，電力線路

的路徑，以及他們相互的聯(lián)結(jié)它是對(duì)該系統(tǒng)的宏觀印象，

只表示廠站級(jí)的基本組成和連接關(guān)系，無(wú)法表示電氣設(shè)備的組成火電廠風(fēng)電場(chǎng)變電站§2.2.1.2電氣主接線

在發(fā)電廠和變電所中，各種電氣設(shè)備必須被合理組織連接以實(shí)現(xiàn)電能的匯集和分配；而根據(jù)這一要求由各種電氣設(shè)備組成，并按照一定方式由導(dǎo)體連接而成的電路被稱為電氣主接線。

對(duì)于電氣主接線的描述是由電氣主接線圖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主接線電路圖用規(guī)定的電氣設(shè)備圖形符號(hào)和文字符號(hào)并按照工作順序排列，以單線圖的方式詳細(xì)地表示電氣設(shè)備或成套裝置的全部基本組成和連接關(guān)系某些需要表示接線特征的設(shè)備則要表示其三相特征§2.2.1.3電源和負(fù)荷

通常認(rèn)為相對(duì)于需要分析的具體電氣設(shè)備，為其提供電能的相關(guān)設(shè)備即是其電源。在發(fā)電廠和變電站中，用于向用戶供電的線路被稱為是負(fù)荷。

配電裝置用于具體實(shí)現(xiàn)電能的匯集和分配，它是根據(jù)電氣主接線的要求，由開(kāi)關(guān)電氣、母線、保護(hù)和測(cè)量設(shè)備以及必要的輔助設(shè)備和建筑物組成的整體。§2.2.1.4設(shè)備工作狀態(tài)

運(yùn)行中的電氣設(shè)備可分為四種狀態(tài)，即運(yùn)行狀態(tài)、熱備用狀態(tài)、冷備用狀態(tài)和檢修狀態(tài)。

運(yùn)行狀態(tài)是指電氣設(shè)備的斷路器、隔離開(kāi)關(guān)都在合閘位置；

熱備用狀態(tài)是指設(shè)備只斷開(kāi)了斷路器而隔離開(kāi)關(guān)仍在合閘位置；

冷備用狀態(tài)是指設(shè)備的斷路器、隔離開(kāi)關(guān)都在分閘位置；

檢修狀態(tài)是指設(shè)備所有的斷路器、隔離開(kāi)關(guān)已斷開(kāi)，并完成了裝設(shè)地線、懸掛標(biāo)示牌、設(shè)置臨時(shí)遮欄等安全技術(shù)措施?！?.2.1.4設(shè)備工作狀態(tài)送電過(guò)程中的設(shè)備工作狀態(tài)變化為：停電過(guò)程中的設(shè)備工作狀態(tài)變化為：§2.2.1.5倒閘操作

利用開(kāi)關(guān)電器，遵照一定的順序，對(duì)電氣設(shè)備完成上述四種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程稱為倒閘操作。倒閘操作必須嚴(yán)格遵守基本操作原則§2.2.2電氣主接線的設(shè)計(jì)原則發(fā)電廠主接線設(shè)計(jì)的基本要求有三點(diǎn)：一、可靠性供電可靠性是電力生產(chǎn)的基本要求，在主接線設(shè)計(jì)中可以下幾方面加以考慮：任一斷路器檢修時(shí)，盡量不會(huì)影響其所在回路供電；斷路器或母線故障及母線檢修時(shí)，盡量減少停運(yùn)回路數(shù)和停運(yùn)時(shí)間，并保證對(duì)一級(jí)負(fù)荷及全部二級(jí)負(fù)荷或大部分二級(jí)負(fù)荷的供電；盡量減小發(fā)電廠、變電所全部停電的可能性?！?.2.2電氣主接線的設(shè)計(jì)原則二、靈活性發(fā)電廠主接線應(yīng)該滿足在調(diào)度、檢修及擴(kuò)建時(shí)的靈活性：

調(diào)度時(shí)，應(yīng)可以靈活地投入和切除發(fā)電機(jī)、變壓器和線路，靈活調(diào)配電源和負(fù)荷，滿足系統(tǒng)在事故、檢修以及特殊運(yùn)行方式下的系統(tǒng)調(diào)度要求；

檢修時(shí)，可以方便地停運(yùn)斷路器、母線及其繼電保護(hù)設(shè)備，進(jìn)行安全檢修不至影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行和對(duì)用戶的供電；

擴(kuò)建時(shí)，可以容易地從初期接線過(guò)渡到最終接線。

§2.2.2電氣主接線的設(shè)計(jì)原則三、經(jīng)濟(jì)性在滿足可靠性、靈活性要求的前提下，還應(yīng)盡量做到經(jīng)濟(jì)合理：

投資?。褐鹘泳€力求簡(jiǎn)單，繼電保護(hù)和二次回路不過(guò)于復(fù)雜，采取限制短路電流的措施；

占地面積?。褐鹘泳€設(shè)計(jì)要為配電裝置布置創(chuàng)造條件，盡量使占地面積?。?/p>

電能損失少：經(jīng)濟(jì)合理地選擇主變壓器的種類、容量、數(shù)量，并盡量避免因兩次變壓而增加的電能損失?！?.3常用的電氣主接線形式

§2.3.1電氣主接線的分類在發(fā)電廠和變電站中，配電裝置實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)、變壓器、線路之間的電能的匯集和分配，這些設(shè)備的連接由母線和開(kāi)關(guān)電器實(shí)現(xiàn)，母線和開(kāi)關(guān)電器的不同的組織連接也就構(gòu)成就了不同的接線形式。主接線形式可以分為兩大類：有匯流母線和無(wú)匯流母線。

匯流母線，簡(jiǎn)稱母線，是匯集和分配電能的設(shè)備。§2.3.1電氣主接線的分類有匯流母線采用有匯流母線的接線形式便于實(shí)現(xiàn)多回路的集中。接線簡(jiǎn)單、清晰、運(yùn)行方便，有利于安裝和擴(kuò)建。配電裝置占地面積較大，使用斷路器等設(shè)備增多，因此更適用于回路較多的情況，一般進(jìn)出線數(shù)目大于4回。有匯流母線的接線形式包括：?jiǎn)文妇€、單母線分段、雙母線、雙母線分段、帶旁路母線等?！?.3.1電氣主接線的分類

無(wú)匯流母線

無(wú)匯流母線的接線形式使用開(kāi)關(guān)電器較少，占地面積小，但只適用于進(jìn)出線回路少，不再擴(kuò)建和發(fā)展的發(fā)電廠或變電站。無(wú)匯流母線的接線形式包括：?jiǎn)卧泳€、橋形接線、角形接線、變壓器－線路單元接線等?！?.3.2電氣主接線的常見(jiàn)形式§2.3.2.1單元接線

單元接線是最簡(jiǎn)單的接線形式，即發(fā)電機(jī)和主變壓器組成一個(gè)單元，發(fā)電機(jī)生產(chǎn)的電能直接輸送給變壓器，經(jīng)過(guò)變壓器升壓后送給系統(tǒng)。

§2.3.2.2橋型接線當(dāng)變配電裝置中只有兩條線路連接站內(nèi)兩臺(tái)主變時(shí)，常采用橋形接線，此時(shí)這兩回進(jìn)線分別和兩條線路連接，形成了兩個(gè)線路－變壓器的供電路徑，在這兩個(gè)供電路徑由橋斷路器聯(lián)絡(luò)。根據(jù)橋斷路器相對(duì)于變壓器和線路的安裝位置，又分為內(nèi)橋接線和外橋接線

§2.3.2.2橋型接線

內(nèi)橋接線內(nèi)橋接線的橋斷路器靠近變壓器，對(duì)于變壓器的投切需要操作兩臺(tái)斷路器，而對(duì)于線路的操作只需要一臺(tái)斷路器

適用于變壓器不經(jīng)常切換，而線路較長(zhǎng)，故障概率較高，所造成的線路需要經(jīng)常操作的場(chǎng)合§2.3.2.2橋型接線外橋接線

外橋接線對(duì)于變壓器的投切操作一臺(tái)斷路器，而線路則需要操作兩臺(tái)斷路器

外橋接線適用于變壓器切換

頻繁，或線路較短，故障概

率小的場(chǎng)合§2.3.2.3

單母線單母線以一條母線作為配電裝置中的電能匯集節(jié)點(diǎn)，是有母線接線形式中最簡(jiǎn)單的接線形式優(yōu)點(diǎn)是：接線簡(jiǎn)單清晰、設(shè)備少、操作簡(jiǎn)單、便于擴(kuò)建和采用成套配電裝置缺點(diǎn)：?jiǎn)文妇€的可靠性較低單母線接線適用于電源數(shù)目較少、容量較小的場(chǎng)合：(1)6～10kV配電裝置的出線回路不超過(guò)5回。(2)35～63kV配電裝置的出線回路數(shù)不超過(guò)3回。(3)110～220kV配電裝置的出線回路不超過(guò)2回?！?.3.2.4

單母線分段

當(dāng)配電裝置中有多個(gè)電源（發(fā)電機(jī)或變壓器）存在的時(shí)候，可以將單母線根據(jù)電源的數(shù)目進(jìn)行分段，這也就單母線分段形式兩臺(tái)主變作為電源分別給兩段母線供電，兩段母線之間由分段斷路器聯(lián)系，兩段母線可以由分段斷路器的閉合而并列運(yùn)行，也可以由分段斷路器斷開(kāi)而分列運(yùn)行分段的數(shù)目由電源數(shù)量和容量決定§2.3.2.4

單母線分段

單母線分段的優(yōu)點(diǎn)：

重要用戶可以從兩段母線上引出兩個(gè)回路，由不同的電源供電（母線）。當(dāng)一段母線發(fā)生故障的或需要檢修的時(shí)候，分段斷路器可以斷開(kāi)，保證另一段母線的正常運(yùn)行。

缺點(diǎn)：當(dāng)一段母線故障的時(shí)候，其所連接的回路依然需要停電；同時(shí)重要負(fù)荷采用雙回線時(shí)，在擴(kuò)建的時(shí)候需要向兩個(gè)方向均衡擴(kuò)建單母線分段的適用范圍如下：(1)6～10kV配電裝置出線回路數(shù)為6回及以上。(2)35～66kV配電裝置出線回路數(shù)為4～8回。(3)110～220配電裝置出線回路數(shù)為3～4回§2.3.2.4

雙母線雙母線接線方式通過(guò)設(shè)置兩條獨(dú)立的母線，每條母線都可以和配電裝置中的任意回路相連接，從而使得當(dāng)一條母線故障或檢修時(shí)，所有的回路可以運(yùn)行于另一條母線每個(gè)回路通過(guò)一個(gè)斷路器和兩個(gè)隔離開(kāi)關(guān)和兩條母線相連，母線之間通過(guò)母線聯(lián)絡(luò)斷路器（母聯(lián)）連接

§2.3.2.4

雙母線雙母線接線的優(yōu)點(diǎn)：

供電可靠、調(diào)度靈活、擴(kuò)建方便、便于試驗(yàn)缺點(diǎn)：投資增加、增加了誤操作可能

適用范圍：雙母線接線適用于回路數(shù)或母線上電源較多、輸送和穿越功率大、母線故障后要求迅速恢復(fù)供電、母線或母線設(shè)備檢修時(shí)不允許影響對(duì)用戶的供電，系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度對(duì)接線的靈活性有一定要求的情況下采用。具體條件如下：（1）6～10kV配電裝置，當(dāng)短路電流較大的時(shí)候，出線需要加裝電抗器時(shí)。（2）35～63kV配電裝置，當(dāng)出線回路數(shù)超過(guò)8回時(shí)；或連接電源較多，負(fù)荷較大時(shí)。（3）110～220kV配電裝置出線回路數(shù)在5回及以上時(shí)；或在系統(tǒng)中具有重要地位，出線回路數(shù)為4回及以上?！?.3.2.5雙母線分段當(dāng)220kV進(jìn)出線回路甚多時(shí)，為了減少母線故障時(shí)候的停電范圍，需要對(duì)雙母線進(jìn)行分段提高了供電可靠性和靈活性，

但是其增加了斷路器的投資

§2.3.2.5雙母線分段

分段的原則如下：（1）當(dāng)進(jìn)出線回路數(shù)為10～14回時(shí)，在一組母線上用斷路器分段。（2）當(dāng)進(jìn)出線回路數(shù)為15回及以上時(shí)，兩組母線都分段。（3）為限制220kV母線短路電流或系統(tǒng)解列運(yùn)行的要求，可根據(jù)需要將母線分段。§2.4風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線設(shè)計(jì)

§2.4.1風(fēng)電機(jī)組的電氣接線風(fēng)電機(jī)組，除了風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)以外，還包括電力電子換流器（有時(shí)也稱為變頻器）和對(duì)應(yīng)的機(jī)組升壓變壓器。目前，風(fēng)電場(chǎng)的主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身輸出電壓為690V，經(jīng)過(guò)機(jī)組升壓變壓器將電壓升高到10kV或35kV。一般可把電力電子換流器和風(fēng)力發(fā)電機(jī)看作一個(gè)整體，這樣風(fēng)電機(jī)組的接線大都采用單元接線一般情況下，多采用一機(jī)一變，即一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組配備一臺(tái)變壓器?！?.4.2集電環(huán)節(jié)及其接線集電系統(tǒng)將風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)的電能按組收集起來(lái)

一般每一組3～8臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的集電變壓器集中放在一個(gè)箱式變電所中每一組的多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組輸出，一般可在箱式變電所中各集電變壓器的高壓側(cè)由電力電纜直接并聯(lián)風(fēng)電場(chǎng)集電環(huán)節(jié)的

接線多為單母線分段接線§2.4.3升壓變電站的主接線升壓變電站的主變壓器將集電系統(tǒng)匯集的電能再次升高。

達(dá)到一定規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)一般可將電壓升高到110kV或220kV接入電力系統(tǒng)。對(duì)于規(guī)模更大的風(fēng)電場(chǎng)，例如百萬(wàn)千瓦級(jí)的特大型風(fēng)電場(chǎng)，還可能需要進(jìn)一步升高到500kV或更高。

風(fēng)電場(chǎng)升壓站的主接線多為單母線或單母線分段接線，取決于風(fēng)電機(jī)組的分組數(shù)目。對(duì)于規(guī)模很大的特大型風(fēng)電場(chǎng)，還可以考慮雙母線等接線形式。§2.4.4風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)用電及接線風(fēng)電場(chǎng)的場(chǎng)用電包括維持風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行及安排檢修維護(hù)等生產(chǎn)用電和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的生活用電等，也就是風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)用電的部分。至少應(yīng)包含400V的電壓等級(jí)?！?.4.5風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線舉例不同于其它類型的電場(chǎng)，除了表示集中布置的升壓站，還需要在圖中表示風(fēng)電機(jī)組和機(jī)電系統(tǒng)。由于風(fēng)機(jī)組數(shù)一般較多，因此常在集電系統(tǒng)的繪制時(shí)候采用簡(jiǎn)化圖形，即以發(fā)電機(jī)表示風(fēng)電機(jī)組，再對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行單獨(dú)的詳細(xì)描述。風(fēng)電場(chǎng)電氣系統(tǒng)第3章風(fēng)電場(chǎng)主要一次設(shè)備1第3章風(fēng)電場(chǎng)主要一次設(shè)備1關(guān)注的問(wèn)題發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理是什么？大型發(fā)電機(jī)的種類有哪些？各自有什么特點(diǎn)？變壓器的工作原理是什么？其實(shí)際結(jié)構(gòu)式怎樣的？變壓器的型號(hào)和參數(shù)有哪些？教學(xué)目標(biāo)基本掌握發(fā)電機(jī)和變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理識(shí)記變壓器的型式、參數(shù)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電機(jī)和變壓器有具體認(rèn)知§3.1

風(fēng)力發(fā)電機(jī)§3.1.1發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)目前風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，大都是三相交流發(fā)電機(jī)

各類發(fā)電機(jī)的主體部分都由靜止的定子和可以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成

原動(dòng)機(jī)（例如風(fēng)力發(fā)電中用的風(fēng)力機(jī)）帶動(dòng)轉(zhuǎn)子繞軸旋轉(zhuǎn)，在定子繞組中感應(yīng)出電勢(shì)，在閉合的外電路中形成電流從定子繞組出線端（如圖中的A、B、C所示）送出。定子就像一個(gè)空心的圓筒，轉(zhuǎn)子像一個(gè)實(shí)心的滾軸§3.1.1發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)定子和轉(zhuǎn)子一般都由鐵心和繞組構(gòu)成。繞組多是用銅線纏繞的金屬線圈，當(dāng)然銅線外面要包裹絕緣物質(zhì)。鐵心的功能是靠鐵磁材料提供磁的通路，以約束磁場(chǎng)的分布。各種發(fā)電機(jī)的定子的基本結(jié)構(gòu)是類似的定子鐵心由很薄的圓環(huán)狀硅鋼片疊制而成，內(nèi)表面開(kāi)了若干軸向溝槽，用于嵌放定子繞組?！?.1.1發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)電機(jī)結(jié)構(gòu)的差別可能主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的形狀或轉(zhuǎn)子繞組的形狀同步機(jī)的轉(zhuǎn)子有凸極式和隱極式等類別凸極式轉(zhuǎn)子鐵心，有明顯的磁極凸出隱極式轉(zhuǎn)子鐵心的截面為圓形?！?.1.1發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)異步機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組有鼠籠式和繞線式等繞線式轉(zhuǎn)子的繞組連接到三個(gè)固定在轉(zhuǎn)軸上的銅環(huán)，通過(guò)電刷引出。可以在轉(zhuǎn)子繞組傳入阻抗，以改善電機(jī)的啟動(dòng)性能或者調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速鼠籠式轉(zhuǎn)子的繞組由嵌放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)的金屬導(dǎo)條和兩端的短路環(huán)組成§3.1.2發(fā)電機(jī)的工作原理發(fā)電機(jī)的工作原理主要是基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象。電磁

當(dāng)導(dǎo)體中通入電流時(shí)，在帶電導(dǎo)體的周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。

如果導(dǎo)體中流過(guò)的電流是直流電，則產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)。如果導(dǎo)體中流過(guò)的電流是交流電，則產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。

磁電

當(dāng)處于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體做不平行于磁場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體切割磁力線，就會(huì)在該導(dǎo)體中感應(yīng)出電勢(shì)

如果該導(dǎo)體與外電路構(gòu)成了閉合回路，則還會(huì)在感應(yīng)電勢(shì)的作用下形成感應(yīng)電流?！?.1.2.1轉(zhuǎn)子繞組通入直流勵(lì)磁電流－同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中的直流勵(lì)磁電流，形成相對(duì)于轉(zhuǎn)子靜止的恒定磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子在原動(dòng)機(jī)（例如風(fēng)力機(jī)）的驅(qū)動(dòng)下以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，那么定子繞組與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間便有了轉(zhuǎn)速為n的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。磁場(chǎng)強(qiáng)度最大的位置在定子內(nèi)表面圓周上出現(xiàn)的位置是隨著時(shí)間變化的，可以形象的理解為，磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)的位置是在定子內(nèi)表面圓周上旋轉(zhuǎn)的，因此常常將三相對(duì)稱電流在定子中產(chǎn)生的這種磁場(chǎng)稱為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在同步發(fā)電機(jī)中，定子繞組中的電流是主要感應(yīng)出來(lái)的，事實(shí)上，定子電流的頻率是由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（在同步機(jī)中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n等于同步速n1）決定的，即：§3.1.2.2轉(zhuǎn)子繞組無(wú)勵(lì)磁電流－異步發(fā)電機(jī)假設(shè)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為n1，當(dāng)異步機(jī)的轉(zhuǎn)子在原動(dòng)機(jī)（例如風(fēng)力機(jī)）的驅(qū)動(dòng)下，以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間有n-n1的轉(zhuǎn)速差在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的電壓和電流的頻率也都由該轉(zhuǎn)速差決定?！?.1.2.2轉(zhuǎn)子繞組無(wú)勵(lì)磁電流－異步發(fā)電機(jī)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電流的頻率應(yīng)為：轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度（指的是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)速）為：定子繞組中電流的頻率f1由感應(yīng)出該電流的定子繞組與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相對(duì)轉(zhuǎn)速n1決定，即：轉(zhuǎn)差率的定義如下：同步速n1和電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差與同步速n1的比值，用s表示：§3.1.2.3轉(zhuǎn)子繞組通入交流勵(lì)磁電流－交流勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)有些類似，差別在于它主動(dòng)給轉(zhuǎn)子繞組提供產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)所需的交流勵(lì)磁電流。當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果能夠控制轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電流的頻率f2，使得轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)速n2（根據(jù)需要，可以與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同或相反）始終滿足

則可以在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化的情況下，仍能保持發(fā)電機(jī)定子輸出電壓頻率恒定?！?.1.2大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流機(jī)型未來(lái)并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型都是通過(guò)電力電子換流器實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速恒頻控制。變速恒頻，即風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是可變的，而發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率是恒定的?！?.1.2.1鼠籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于風(fēng)速的不斷變化，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)以及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之變化，所以實(shí)際上鼠籠型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓頻率是變化的基于電力電子技術(shù)的換流器，先將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的交流電壓整流，得到直流電壓，再將該直流電壓逆變?yōu)轭l率、幅值、相位都滿足要求的交流電，送入電網(wǎng)?！?.1.2.2永磁同步直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)所謂“直驅(qū)式”是指，風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間沒(méi)有變速機(jī)構(gòu)（即齒輪箱），而是由風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就由風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生變化，因而轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度是時(shí)刻變化的。為了解決風(fēng)速變化帶來(lái)的輸出電壓頻率變動(dòng)的問(wèn)題，需要在發(fā)電機(jī)定子繞組與電網(wǎng)之間配置換流器§3.1.2.3交流勵(lì)磁雙饋式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所謂“雙饋式”是指，發(fā)電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組與電網(wǎng)都有電氣連接，都可以與電網(wǎng)之間交換功率。雙饋式風(fēng)電機(jī)組的定子繞組與電網(wǎng)直接連接，輸出電壓的頻率可以通過(guò)轉(zhuǎn)子繞組中的交流勵(lì)磁電流的頻率調(diào)節(jié)得以控制。換流器先將電網(wǎng)50Hz的交流電整流，得到直流電，再將該直流電逆變?yōu)轭l率滿足要求的交流電，用于轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁?！?.1.2.4無(wú)刷雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無(wú)刷雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其定子有兩套極數(shù)不同的繞組，一個(gè)稱為功率繞組，直接接電網(wǎng)；另一個(gè)稱為控制繞組，通過(guò)雙向換流器接電網(wǎng)。轉(zhuǎn)子為籠型或磁阻式結(jié)構(gòu)，無(wú)需電刷和滑環(huán)，轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)應(yīng)為定子兩個(gè)繞組極對(duì)數(shù)之和。這種無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)定子的功率繞組和控制繞組的作用分別相當(dāng)于交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組§3.1.2.4無(wú)刷雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)于無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)，有：

fp——定子功率繞組電流頻率，與電網(wǎng)頻率相同；

fc——定子控制繞組電流頻率；

fm——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率；

pp——定子功率繞組的極對(duì)數(shù)；

pc——定子控制繞組的極對(duì)數(shù)。超同步時(shí)，式中取“+”；亞同步時(shí)，取“－”§3.2

變壓器

§3.2.1變壓器工作原理§3.2.1.1變壓器的電壓變換

變壓器的基本原理是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)一個(gè)電壓等級(jí)的交流電能到另一電壓等級(jí)交流電能的變換變壓器的核心部件是鐵心和繞組，鐵心用于提供磁路，纏繞于鐵心上的繞組構(gòu)成電路與電源相連的一側(cè)為一次繞組，與負(fù)荷相連的一側(cè)為二次繞組§3.2.1.1變壓器的電壓變換一次繞組和二次繞組一般沒(méi)有電氣上的連接，而是通過(guò)鐵心中的磁場(chǎng)建立聯(lián)系。對(duì)于理想變壓器，感應(yīng)電壓、電流和繞組匝數(shù)之間有如下關(guān)系：每臺(tái)變壓器可以長(zhǎng)期流過(guò)的最大功率，規(guī)定為它自身的額定容量，以kVA來(lái)標(biāo)定。§3.2.1.2變壓器的等效電路在電力系統(tǒng)的分析中，往往構(gòu)建變壓器的等值電路模型，主要包括三個(gè)部分：一次繞組的電路、由磁路等值為電路的勵(lì)磁電路及二次繞組的電路§3.2.1.2變壓器的等效電路工程中可以采用空載試驗(yàn)來(lái)測(cè)定勵(lì)磁阻抗

變壓器繞組的漏阻抗可以通過(guò)短路試驗(yàn)測(cè)得。

在電氣設(shè)計(jì)的工程實(shí)際中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，往往忽略掉勵(lì)磁阻抗的影響，采用如下圖所示的簡(jiǎn)化等效電路?！?.2.2變壓器的結(jié)構(gòu)

大多數(shù)電力變壓器均為油浸式變壓器，即以油作為絕緣和冷卻介質(zhì)，所用的油一般為礦物油。

圖3-7變壓器工作原理示意圖1234567891011121314151、鐵芯2、繞組3、調(diào)壓分接頭4、調(diào)壓機(jī)構(gòu)箱5、高壓側(cè)套管6、低壓側(cè)套管7、高壓側(cè)中性點(diǎn)8、壓力釋放閥門(mén)9、瓦斯繼電器10、11、吸濕器12、主變端子箱13、散熱風(fēng)扇14、油箱15、儲(chǔ)油柜油浸式變壓器由其核心部件（即實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)換的鐵心和繞組）、用于調(diào)整電壓變比的分接頭和分接開(kāi)關(guān)以及油箱和輔助設(shè)備構(gòu)成。§3.2.2.1鐵心

變壓器鐵心的作用是為經(jīng)過(guò)一次繞組和二次繞組的磁通提供低磁阻的磁路

當(dāng)磁通的大小和方向發(fā)生變化時(shí)，鐵心材料的分子重新排布需要消耗一定的能量，這部分損耗與鐵心的磁滯現(xiàn)象有關(guān)，稱為磁滯損耗

磁通變化時(shí)，鐵心自身也像繞組一樣，會(huì)感應(yīng)出一定的電壓和電流，由于這種電流只在鐵心的各個(gè)小局部循環(huán)，因此被稱為渦流。渦流會(huì)在鐵心材料（具有電阻）上形成有功損耗，稱為渦流損耗

鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗統(tǒng)稱為鐵心損耗，簡(jiǎn)稱鐵損§3.2.2.1鐵心為了降低損耗和噪聲，目前常用的鐵心材料為晶粒取向電工鋼片、高導(dǎo)磁電工鋼片、磁疇細(xì)化的電工鋼片、非晶合金、微晶鋼片等高導(dǎo)磁低損耗材料。

為了防止鐵心內(nèi)的渦流循環(huán)，鐵心疊片上一般帶有高質(zhì)量的絕緣涂層，也可采用附加絕緣層。

為了充分利用圓形繞組的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，常將電工鋼帶疊積成盡可能接近圓形截面的鐵心柱電工鋼片堆疊為鐵心柱的實(shí)物圖§3.2.2.1鐵心圓柱形鐵心柱是所有變壓器鐵心的共同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，但根據(jù)變壓器形狀的不同，其整體鐵心結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別。

單相變壓器

單相變壓器的鐵心形狀對(duì)單相變壓器而言，其鐵心必須包括供磁通返回的心柱?！?.2.2.1鐵心三相變壓器對(duì)于三相電力變壓器而言，目前最常用的是三相三柱式鐵心，有時(shí)稱為三相芯式鐵心因?yàn)樵谌魏螘r(shí)候，由平衡三相電壓系統(tǒng)所產(chǎn)生的三相磁通的相量之和都等于零，所以在三相鐵心中不需要供磁通返回的旁柱，而且鐵心柱和鐵軛的截面可以相等。§3.2.2.1鐵心圖為三相五柱式鐵心結(jié)構(gòu)，這是降低大型變壓器（例如大型聯(lián)絡(luò)變壓器）或自耦變壓器運(yùn)輸高度的另一種鐵心結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)在套裝繞組的心柱外面增加用于構(gòu)成磁通回路的旁柱的方法，五柱鐵心結(jié)構(gòu)降低了鐵軛高度。另一種使用三相五柱式鐵心結(jié)構(gòu)的可能情況是要求變壓器的零相序阻抗值與正相序阻抗值相當(dāng)?！?.2.2.2繞組變壓器繞組絕大多數(shù)用銅制成，也有部分采用鋁作為導(dǎo)體材料。

對(duì)于所有容量大于幾千伏安的變壓器，其繞組導(dǎo)線截面都為矩形。

在繞組每匝導(dǎo)線內(nèi)部的單股導(dǎo)線之間必須相互絕緣，每匝導(dǎo)線也要與鄰近的線匝絕緣。這種絕緣就是在導(dǎo)線上沿螺旋方向連續(xù)包扎的絕緣紙帶，并且至少要包兩層絕緣紙，以便外面一層絕緣紙能夠覆蓋里面一層絕緣紙的接縫間隙。其扁平截面的銅導(dǎo)體按照多股方式組成了單相繞組，銅導(dǎo)體被紙絕緣材料螺旋狀纏繞，以保證繞組間絕緣?！?.2.2.2繞組常用的三相心式鐵心的變壓器，其高低壓繞組同心纏繞于鐵心柱上高壓繞組低壓繞組鐵心考慮到和鐵心的絕緣，以及分接繞組一般都接于高壓繞組，一般將低壓繞組靠近鐵心布置

§3.2.2.2繞組

低壓繞組通常都繞制在由絕緣材料（合成樹(shù)脂粘結(jié)紙板）制成的硬紙筒上高壓繞組的導(dǎo)線截面積比低壓繞組的導(dǎo)線截面積要小得多，但高壓繞組的匝數(shù)卻可能是低壓繞組匝數(shù)的很多倍。高壓繞組一般繞制成餅式結(jié)構(gòu)

§3.2.2.3調(diào)壓方式與分接開(kāi)關(guān)

很多變壓器在運(yùn)行時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變比的調(diào)整，也即對(duì)電壓的調(diào)整。調(diào)壓的方式有無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓和有載調(diào)壓

無(wú)激磁調(diào)壓需要在變壓器停電以后，通過(guò)螺栓來(lái)實(shí)現(xiàn)繞組連接位置的變換。

有載調(diào)壓方式則可以在變壓器帶電運(yùn)行時(shí)通過(guò)有載分接開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的調(diào)整。大部分電力變壓器將分接線段設(shè)置在高壓繞組上：

因?yàn)?1)設(shè)置分接線段的目的是為了補(bǔ)償外施電壓的變化，對(duì)于除發(fā)電機(jī)變壓器以外的大多數(shù)電力變壓器而言，其外施電壓都是加在高壓繞組上的。(2)由于高壓繞組內(nèi)流過(guò)的電流較小，因而需要的分接線尺寸也較小，相應(yīng)分接開(kāi)關(guān)本身通過(guò)的電流也小?！?.2.2.3調(diào)壓方式與分接開(kāi)關(guān)調(diào)壓的實(shí)現(xiàn)，依賴于繞組匝數(shù)的變化，也就是利用分接繞組來(lái)調(diào)整原邊和副變的匝數(shù)比。

正/反調(diào)壓結(jié)構(gòu)中高壓分接繞組的連接如下：

首先按負(fù)極性方式將分接線匝接入繞組中,隨著分接位置的上升，分接線匝不斷地從繞組中切除繞后將分接線匝按正極性方式接入繞組采用這種調(diào)壓結(jié)構(gòu)可以減少分接繞組的實(shí)際尺寸，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高。

§3.2.2.3調(diào)壓方式與分接開(kāi)關(guān)

在有載調(diào)壓中，分接位置的變化，需要依靠分接開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。要求在分接變換過(guò)程中，不切斷負(fù)荷電流；繞組的任何部位都不出現(xiàn)短路現(xiàn)象左圖采用切換開(kāi)關(guān)的電抗式有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)，具有兩個(gè)獨(dú)立的選擇開(kāi)關(guān)和切換開(kāi)關(guān)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)機(jī)械連鎖，可以順序操作當(dāng)分接位置由1到2變換時(shí)，首先打開(kāi)切換開(kāi)關(guān)2，將選擇開(kāi)關(guān)2的分接頭從11切換到10，再閉合切換開(kāi)關(guān)?！?.2.2.4變壓器油油浸式變壓器的變壓器油主要用于散熱和充當(dāng)絕緣介質(zhì)。

變壓器的有效冷卻很重要。對(duì)大多數(shù)變壓器來(lái)說(shuō)，礦物油是吸收鐵心、繞組熱量，并將其熱量傳遞給自冷或風(fēng)冷外表面的最有效介質(zhì)，有時(shí)要借助強(qiáng)迫油循環(huán)方式。

在大多數(shù)電氣設(shè)備中，有大量不同部件處于不同電位之下，因此需要將它們相互絕緣。變壓器常常要在高于額定電壓下短時(shí)間運(yùn)行或者耐受操作沖擊和雷電沖擊的瞬變過(guò)電壓。變壓器油必須具備以下特性以滿足要求：低粘度低傾點(diǎn)（油的傾點(diǎn)是油能夠流動(dòng)的最低溫度）高閃點(diǎn)優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，很高的電氣強(qiáng)度§3.2.2.5油箱、儲(chǔ)油柜與附屬設(shè)備變壓器油箱作為鐵心、繞組和介質(zhì)液體的容器油箱絕大部分采用鋼板制造，其頂蓋可以拆除，箱蓋通常用箱沿固定，箱蓋通常與水平面有1°的斜度，以防箱蓋外表面積聚雨水。油箱上必須設(shè)置用于注油或放油的閥，在需要時(shí)還要增設(shè)油樣閥。在油箱上還要設(shè)計(jì)適量的可拆卸的小蓋板

變壓器油箱必須設(shè)有一個(gè)或多個(gè)安全裝置，以便釋放突然升高的內(nèi)部壓力壓力釋放閥§3.2.2.5油箱、儲(chǔ)油柜與附屬設(shè)備變壓器油箱上通常還要設(shè)置其它一些附件：

在箱蓋上設(shè)置一個(gè)（或幾個(gè)）溫度計(jì)座用于測(cè)量變壓器頂部油溫度；

一塊接線牌或銘牌用于詳細(xì)標(biāo)示變壓器基本參數(shù)；

一個(gè)接地端子用于變壓器主油箱接地。§3.2.2.5油箱、儲(chǔ)油柜與附屬設(shè)備在使用儲(chǔ)油柜的結(jié)構(gòu)中，可以將變壓器主油箱的油注到頂蓋位置，從而在需要時(shí)可以在頂蓋上安裝套管。但使用儲(chǔ)油柜的最重要的特點(diǎn)在于，它可以減小變壓器油與大氣的接觸面積，從而減小油的氧化速度和氧氣在油中的溶解程度，而溶解在油中的氧氣能縮短油的絕緣壽命。

帶儲(chǔ)油柜的變壓器還可以使用氣體繼電器。氣體繼電器通常安裝在儲(chǔ)油柜通向油箱的連管上。

套管是將油箱內(nèi)部的電氣連接引出的部件。油位計(jì)氣體繼電器低壓側(cè)套管壓力釋放閥溫度計(jì)（油）溫度計(jì)（繞組）風(fēng)扇高壓側(cè)套管套管CT放油閥門(mén)吸濕器§3.2.2.6變壓器的散熱當(dāng)變壓器繞組中產(chǎn)生電阻損耗和其它損耗時(shí)，就要產(chǎn)生熱量。必須要將這些熱量傳遞到變壓器油中，并由變壓器油帶走。

油循環(huán)方式主要包括：（1）自然油循環(huán)，利用油被加熱后所產(chǎn)生的溫差壓力。油在繞組內(nèi)部被加熱而上升，散熱器中受到冷卻而下降。

（2）強(qiáng)迫（不導(dǎo)向）油循環(huán)，使用油泵將冷卻油從散熱器中抽出并輸送到繞組底部，然后再通過(guò)繞組導(dǎo)線“上部”和“下部”撐條所形成的垂直軸向油道循環(huán)。（3）強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)，油的冷卻借助一些外部設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)§3.2.3

變壓器型號(hào)表征變壓器型式多樣。在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中往往需要使用型號(hào)來(lái)表示變壓器的特征。

變壓器型號(hào)的表征一般按下列規(guī)則：

§3.2.3

變壓器型號(hào)表征

其中關(guān)于型號(hào)描述的符號(hào)，參見(jiàn)下表：相數(shù)單項(xiàng)三相DS繞組外絕緣介質(zhì)油空氣成型固體GC冷卻方式自冷式風(fēng)冷水冷FW油循環(huán)自然循環(huán)強(qiáng)迫油導(dǎo)向循環(huán)強(qiáng)迫油循環(huán)DP繞組數(shù)雙繞組三繞組S調(diào)壓方式無(wú)激磁調(diào)壓有載調(diào)壓Z繞組耦合方式自耦分裂O

設(shè)計(jì)序號(hào)是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)廠家自定義的，不直接反映變壓器本身的型式特征?！?.2.3

變壓器型號(hào)表征

例3-1：某變壓器的型號(hào)為SFPZ5-120000/220，簡(jiǎn)述該變壓器的基本型式和參數(shù)。解析：對(duì)照上表可知，該變壓器是“三相”變壓器（S），繞組外絕緣介質(zhì)是“油”（缺?。?，冷卻方式是“風(fēng)冷”（F），油循環(huán)方式是“強(qiáng)迫油循環(huán)”（P），繞組數(shù)為“雙繞組”（缺?。?，調(diào)壓方式為“有載調(diào)壓”（Z）。設(shè)計(jì)序號(hào)為5，表示該產(chǎn)品在同類產(chǎn)品系列中的設(shè)計(jì)序號(hào)?！?20000”表示該變壓器的額定容量為120000kVA，“220”表示該變壓器的高壓繞組電壓等級(jí)為220kV。§3.2.3

風(fēng)電場(chǎng)中的變壓器

大型風(fēng)電場(chǎng)中常采用二級(jí)或三級(jí)升壓的結(jié)構(gòu)。

在風(fēng)電機(jī)組出口裝設(shè)滿足其容量輸送的變壓器將690V電壓提升至10kV或35kV；在匯集后送至風(fēng)電場(chǎng)中心位置的升壓站，經(jīng)過(guò)升壓站中的升壓變壓器變換為110V或220kV送至電力系統(tǒng)。如果風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量更大，達(dá)到幾百萬(wàn)千瓦的規(guī)模，可能還要進(jìn)一步升壓到500kV或更高，送入電力主干網(wǎng)。

§3.2.3

風(fēng)電場(chǎng)中的變壓器

風(fēng)機(jī)出口的變壓器一般歸屬于風(fēng)電機(jī)組，需要將電能匯集后送給升壓站，也稱為集電變壓器升壓站中的升壓變壓器，其功能是將風(fēng)電場(chǎng)的電能送給電力系統(tǒng)，因此也被稱為主變壓器為滿足風(fēng)電場(chǎng)和升壓站自身用電需求，還設(shè)置有場(chǎng)用變壓器或所用變壓器風(fēng)電場(chǎng)電氣系統(tǒng)第3講風(fēng)電場(chǎng)主要一次設(shè)備2教學(xué)目標(biāo)基本掌握斷路器和隔離開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)和工作原理，識(shí)記斷路器的型式和參數(shù)等，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的斷路器和隔離開(kāi)關(guān)的功能、結(jié)構(gòu)、外觀有具體認(rèn)知第3章風(fēng)電場(chǎng)主要一次設(shè)備2關(guān)注的問(wèn)題關(guān)于電弧的基本知識(shí)有哪些？各種開(kāi)關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)是怎樣的？其作用又是什么？§3.3開(kāi)關(guān)設(shè)備

在電力系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行中，電氣設(shè)備的相互聯(lián)系及生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)換，由開(kāi)關(guān)電器的分合來(lái)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)關(guān)電器的分合實(shí)現(xiàn)了電路的有選擇接通和斷開(kāi)。閘刀開(kāi)關(guān)的原理非常簡(jiǎn)單：當(dāng)閘刀落下時(shí)，將兩側(cè)導(dǎo)體連接為一個(gè)導(dǎo)體，接通電路；當(dāng)閘刀打開(kāi)后，兩側(cè)導(dǎo)體不再有電路聯(lián)系，相互絕緣。閘刀開(kāi)關(guān)所要達(dá)成的目的即通過(guò)其自身“導(dǎo)體?絕緣體”的轉(zhuǎn)換來(lái)分合電路。電池電燈閘刀開(kāi)關(guān)電力系統(tǒng)中的高壓開(kāi)關(guān)電器要復(fù)雜的多常。用的開(kāi)關(guān)電器有斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、熔斷器和接觸器，它們的功能各不相同?！?.3.1電弧的基本知識(shí)§3.3.1.1電弧的本質(zhì)和特性

開(kāi)關(guān)電器開(kāi)斷電流時(shí)候，只要電路中的電流達(dá)到幾百毫安，電壓有幾十伏，開(kāi)關(guān)的觸頭間就會(huì)出現(xiàn)電弧

電弧是導(dǎo)電體，只有電弧熄滅才能實(shí)現(xiàn)電路的開(kāi)斷。

氣體金屬類似復(fù)合電離電子正離子中性原子[弱等離子體][強(qiáng)等離子體]電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，是一種等離子體狀態(tài)，即帶正電荷和負(fù)電荷的粒子數(shù)量相等的離子集團(tuán)狀態(tài)。隨著溫度的升高能量的輸入，物質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)由固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子狀態(tài)的順序轉(zhuǎn)換。可見(jiàn)，金屬與等離子體有相似之處。§3.3.1.1電弧的本質(zhì)和特性開(kāi)關(guān)分合過(guò)程中所產(chǎn)生的電弧，對(duì)于開(kāi)關(guān)電器以及整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行都具有重要影響。這主要是因?yàn)椋?/p>

1、電弧是強(qiáng)功率放電，在電弧區(qū)的任何固體、液體或氣體在電弧作用下都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的物理及化學(xué)變化。2、電弧是一種自持放電，很低的電壓就能維持相當(dāng)長(zhǎng)的電弧穩(wěn)定燃燒。3、電弧是等離子體，質(zhì)量很輕，極容易變形。

§3.3.1.2電弧的物理過(guò)程

在電弧的形成與維持過(guò)程中，游離起了很重要的作用。所謂游離，即中性質(zhì)點(diǎn)到帶電質(zhì)點(diǎn)的轉(zhuǎn)化。電弧通?？梢苑譃槿齻€(gè)區(qū)域：陰極區(qū)、弧柱區(qū)和陽(yáng)極區(qū)在陰極區(qū)、弧柱區(qū)及陽(yáng)極區(qū)游離過(guò)程中產(chǎn)生了帶電質(zhì)點(diǎn)，并使其產(chǎn)生定向移動(dòng)。電弧的電位和電位梯度分布，如下圖§3.3.1.2電弧的物理過(guò)程電弧中的電流從微觀上看是電子及正離子在電場(chǎng)下移動(dòng)的結(jié)果，其中電子的移動(dòng)構(gòu)成電流的主要部分。

從電弧半徑方向看，電弧中心溫度最高，弧柱周圍發(fā)光較暗的區(qū)域稱為弧焰，其中電流密度很小?！?.3.1.2電弧的物理過(guò)程

（1）陰極區(qū)：

陰極的作用是發(fā)射大量電子，在電場(chǎng)作用下趨向陽(yáng)極方向從而構(gòu)成陰極區(qū)的電流。

§3.3.1.2電弧的物理過(guò)程

（2）弧柱區(qū)：

弧柱部分導(dǎo)電需要在弧柱區(qū)域也能出現(xiàn)大量自由電子，這就要使弧柱區(qū)的氣體原子游離。氣體原子游離的方式通常有電場(chǎng)游離和熱游離兩種。

弧柱中的電子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)，不斷與氣體原子等粒子碰撞。當(dāng)電子的動(dòng)能超過(guò)原子的游離能

，則可以使束縛在原子周圍的電子釋放出來(lái)，形成自由電子和正離子。這種現(xiàn)象稱為電場(chǎng)游離。在弧柱中溫度很高，粒子動(dòng)能很大，其互相之間不斷碰撞即可使原子游離，從而產(chǎn)生大量的自由電子。電弧導(dǎo)電的主要原因就在于熱游離。去游離包括復(fù)合和擴(kuò)散兩種方式。

§3.3.1.2電弧的物理過(guò)程

（3）陽(yáng)極區(qū)：

陽(yáng)極的作用通常不像陰極那樣重要。根據(jù)陽(yáng)極作用的不同，可把陽(yáng)極分為被動(dòng)型和主動(dòng)型兩種。

在被動(dòng)型中，陽(yáng)極只起收集電子的作用。

在主動(dòng)型中，陽(yáng)極不但收集電子而且產(chǎn)生金屬蒸汽，因而也可以向弧柱提供帶電粒子。

對(duì)于長(zhǎng)度只有幾個(gè)毫米的電弧，電弧電壓主要由陰極區(qū)壓降和陽(yáng)極區(qū)壓降組成，其中的物理過(guò)程對(duì)電弧起主要作用，這種電弧稱為短弧。真空電弧一般屬于短弧。

而對(duì)于長(zhǎng)度較大的電弧，弧柱則起主要作用，這種電弧稱為長(zhǎng)弧。§3.3.1.3交流電弧的熄滅交流電弧的熄滅主要有以下三種情況：強(qiáng)迫熄弧

因電弧電壓很高，電源電壓不能維持，電弧電流很快被減小到零而熄滅。

截流開(kāi)斷

在此情況下，電弧因不穩(wěn)定而熄滅。

過(guò)零熄弧

在這種情況下，電弧是在電流零點(diǎn)時(shí)熄滅的。這種熄弧過(guò)程稱為過(guò)零熄弧?！?.3.1.3交流電弧的熄滅

如電流過(guò)零后，弧隙未復(fù)燃，電弧就最后熄滅；反之，如發(fā)生復(fù)燃，則電弧在電流此次過(guò)零時(shí)不能熄滅，至少需燃燒至電弧電流下次過(guò)零時(shí)再熄滅。

弧隙是否復(fù)燃決定于兩方面：一是弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度，另一是加在弧隙上的電壓，通常稱為恢復(fù)電壓。

介質(zhì)強(qiáng)度和恢復(fù)電壓都是時(shí)間t的函數(shù)，通常稱為介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過(guò)程和電壓恢復(fù)過(guò)程。

介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程取決于電流及斷路性能，電壓恢復(fù)過(guò)程主要決定于電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)§3.3.1.3交流電弧的熄滅顯然，在電弧電流過(guò)零后電弧是最終熄滅還是復(fù)燃決定于介質(zhì)強(qiáng)度ud和恢復(fù)電壓utr

交流電弧過(guò)零熄滅的條件如下：

0utt0u(a)復(fù)燃(b)熄滅§3.3.1.3交流電弧的熄滅

一般把介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程分為熱擊穿階段和電擊穿階段

熱擊穿階段

在開(kāi)斷大電流時(shí)，電弧電流過(guò)零后，弧隙的介質(zhì)溫度仍很高，弧隙仍有一定的電導(dǎo)率。當(dāng)恢復(fù)電壓加在弧隙上時(shí)，弧隙中即有一小電流流過(guò)。此時(shí)在弧隙中同時(shí)進(jìn)行著兩個(gè)過(guò)程：一方面電源供給弧隙以能量；另一方面弧隙又將能量傳給周圍介質(zhì)。如果電源供給弧隙的能量超出傳出的能量，弧隙溫度將不斷上升，最后導(dǎo)致?lián)舸?，這稱為熱擊穿電擊穿階段

當(dāng)弧隙溫度降低熱游離基本停止時(shí)，弧隙轉(zhuǎn)變?yōu)榻橘|(zhì)。在此階段中，如發(fā)生復(fù)燃，則與氣體介質(zhì)擊穿過(guò)程相似?！?.3.2斷路器斷路器是電力系統(tǒng)不可缺少的主要控制、保護(hù)設(shè)備，是電力系統(tǒng)中最重要的開(kāi)關(guān)電器，其作用為切斷電路。

為了可以熄滅電路分合時(shí)所產(chǎn)生的電弧，斷路器都裝設(shè)有滅弧裝置

常用的斷路器類型有：油斷路器、真空斷路器和SF6斷路器等§3.3.2.1油斷路器

油斷路器的觸頭浸在油中，觸頭分合時(shí)電弧能量中除一小部分通過(guò)傳導(dǎo)、輻射等方式向四周散出外，大部分能量使四周的油蒸發(fā)和分解，在電弧周圍形成氣泡。

氣泡體積受到周圍油的慣性力和油箱壁的限制，氣泡壓力是比較高的，因此電弧是處在壓力較高、導(dǎo)熱性很好的氣體包圍之中，使電流過(guò)零后弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)很快，電弧容易熄滅。

利用電弧自身能量熄滅電弧的方法稱為自能式滅弧。利用其它能量熄滅電弧的方法稱為外能式滅弧。絕大多數(shù)油斷路器都采用自能式滅弧，如多油斷路器按照絕緣結(jié)構(gòu)的不同，油斷路器可分為多油斷路器和少油斷路器兩種§3.3.2.1油斷路器多油斷路器多油斷路器的觸頭系統(tǒng)放置在裝有變壓器油的由鋼板焊成的油中，油箱是接地的。多油斷路器的導(dǎo)電部分多做成“U”形，每相至少有兩個(gè)斷口。23754611－絕緣套管；2－電流互感器；3－變壓器油；

4－靜觸頭和滅弧室；5－油箱；6－橫梁（動(dòng)觸頭）；7－箱蓋；電壓等級(jí)的多油斷路器，每相各有一個(gè)油箱，稱為分箱式結(jié)構(gòu)有些電壓等級(jí)較低的多油斷路器，三相共用一個(gè)油箱，稱為共箱式結(jié)構(gòu)。

§3.3.2.1油斷路器

多油斷路器內(nèi)部帶有電流互感器，配套性強(qiáng)；在戶外使用時(shí)，不易受大氣條件的影響。

多油斷路器的缺點(diǎn)是油量多，鋼材消耗也多。油量太多不僅給檢修斷路器帶來(lái)困難，而且增加了爆炸和火災(zāi)的危險(xiǎn)性?！?.3.2.1油斷路器少油斷路器

少油斷路器中，變壓器油用來(lái)熄滅電弧和作為觸頭間的絕緣介質(zhì)，但不作為對(duì)地絕緣。

按使用地點(diǎn)的不同，少油斷路器可分為戶內(nèi)式與戶外式兩種。戶外式少油斷路器如圖：絕緣筒1通過(guò)支持瓷瓶3安裝于基座4上，5為接線端子，2為斷路器操作機(jī)構(gòu)。大部分110kV少油斷路器都采用這種結(jié)構(gòu)，滅弧室裝在絕緣筒內(nèi)。

一般高電壓等級(jí)的少油斷路器的結(jié)構(gòu)是細(xì)而高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，不宜在強(qiáng)烈地震地區(qū)使用。123455§3.3.2.2真空斷路器

利用真空作為觸頭間的絕緣與滅弧介質(zhì)的斷路器稱為真空斷路器，真空斷路器中的電弧和氣體電弧有明顯的不同。

（1）真空的概念

真空一般指的是氣體稀薄的空間。真空的程度以氣體的絕對(duì)壓力值來(lái)表示，壓力越低稱之真空度越高。凡是絕對(duì)壓力低于正常大氣壓力的狀態(tài)都可稱為真空狀態(tài)。絕對(duì)壓力等于零的空間稱為絕對(duì)真空，才是真正的真空或理想真空。真空的程度以氣體的絕對(duì)壓力值來(lái)表示，壓力越低稱之真空度越高?！?.3.2.2真空斷路器真空包括的范圍很廣，為方便起見(jiàn)常將它劃分為幾個(gè)區(qū)域。我國(guó)劃分的區(qū)域?yàn)槿缦卤硭尽?/p>

劃分區(qū)域壓力范圍（Pa）粗真空1.01×105～1.33×102低真空1.33×102～1.33×10-1高真空1.33×10-1～1.33×10-6超高真空1.33×10-6～1.33×10-10極高真空<1.33×10-10真空滅弧室的真空度為1.33×10-2Pa～1.33×10-5Pa，屬于高真空范疇?！?.3.2.2真空斷路器（2）真空間隙擊穿與真空電弧

真空間隙的擊穿不是由于間隙中氣體分子的碰撞游離所引起，而主要由電極現(xiàn)象決定。電極表面在強(qiáng)電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生電子發(fā)射。隨著電極表面溫度和外加電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，電極表面電子發(fā)射的電流密度也增大。當(dāng)電流密度達(dá)到某一臨界值時(shí)，真空間隙就被擊穿了，這被稱為場(chǎng)致發(fā)射擊穿機(jī)理。電極表面不可避免地總會(huì)粘有一些微粒質(zhì)點(diǎn)，它們?cè)陔妶?chǎng)作用下會(huì)附著電荷運(yùn)動(dòng)，具有動(dòng)能。在與另一電極碰撞時(shí)，動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使微粒本身熔化和蒸發(fā)，蒸發(fā)產(chǎn)生的金屬蒸汽又會(huì)與場(chǎng)致發(fā)射的電子產(chǎn)生碰撞游離，最終導(dǎo)致間隙的擊穿,這被稱為微粒擊穿機(jī)理?！?.3.2.2真空斷路器維持真空電弧的是金屬蒸汽而不是氣體分子，真空電弧實(shí)為金屬蒸汽電弧。真空電弧的電弧電壓也由陰極壓降、弧柱（等離子區(qū)）壓降和陽(yáng)極壓降三部分組成。真空電弧的長(zhǎng)度很短，對(duì)電弧電壓起主要作用的是陰極和陽(yáng)極壓降。電弧電壓隨電流增大而增加，具有正的伏安特性?！?.3.2.2真空斷路器（3）真空斷路器的基本結(jié)構(gòu)

真空斷路器的結(jié)構(gòu)與其它斷路器大致相同，主要由操動(dòng)機(jī)構(gòu)、支撐用的絕緣子和真空滅弧室組成。

絕緣子真空滅弧室操作機(jī)構(gòu)定導(dǎo)電桿靜法蘭盤(pán)磁管屏蔽罩觸頭磁管波紋管導(dǎo)向套動(dòng)導(dǎo)電桿動(dòng)法蘭盤(pán)(a)真空斷路器結(jié)構(gòu)原理圖(b)真空滅弧室剖面圖真空滅弧室的外殼由玻璃或陶瓷制成，動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)時(shí)的密封靠波紋管。動(dòng)、靜觸頭的外周裝有屏蔽罩§3.3.2.2真空斷路器（4）真空斷路器的特點(diǎn)

真空斷路器的特點(diǎn)：真空斷路器的機(jī)械壽命和電氣壽命都很高。通常機(jī)械壽命和開(kāi)合負(fù)載電流的壽命都可達(dá)到一萬(wàn)次以上。

真空滅弧室密封問(wèn)題特別重要，否則就會(huì)導(dǎo)致開(kāi)斷失敗，造成事故真空滅弧室工作狀態(tài)與外界大氣條件無(wú)關(guān)，不會(huì)在開(kāi)斷短路電流時(shí)產(chǎn)生噴油、排氣給外界帶來(lái)污染，無(wú)須檢修；開(kāi)斷過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生很高的壓力，爆炸危險(xiǎn)性?。婚_(kāi)斷短路電流時(shí)也沒(méi)有很大的噪聲

§3.3.2.3SF6斷路器

（1）SF6氣體簡(jiǎn)介

六氟化硫（SF6）是目前高壓電器中使用的性能最優(yōu)良的滅弧和絕緣介質(zhì)。

SF6常以液態(tài)保存于鋼瓶中，使用時(shí)減壓放出呈氣態(tài)沖入電氣設(shè)備內(nèi)。

無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒，不會(huì)燃燒，化學(xué)性能穩(wěn)定，常溫下和其他材料不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但在電弧的高溫作用下，SF6的分解物SF4、S2F2、SF2、SOF2、SO2F2、SOF4、HF等都具有強(qiáng)烈的腐蝕性和毒性。安裝有SF6電器的場(chǎng)所應(yīng)裝設(shè)合適的通風(fēng)設(shè)備。

§3.3.2.3SF6斷路器SF6氣體中的水分必須控制在一定的限度內(nèi)，否則對(duì)設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)危害。

SF6具有優(yōu)良的滅弧性能，主要是由于：SF6電弧具有高溫弧芯和低溫弧焰，其電弧電壓梯度小，功率低，對(duì)于熄滅電弧有利。電弧即使在電流很小時(shí)依然可以維持弧芯的導(dǎo)電狀態(tài)，電流過(guò)零時(shí)弧柱殘余體積小，能量小，有利于弧隙絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)。由于SF6氣體絕緣性能好，SF6斷路器中動(dòng)靜觸頭間的距離不必很大，降低了上游部分電弧長(zhǎng)度和電弧能§3.3.2.3SF6斷路器（2）SF6斷路器基本類型

按照結(jié)構(gòu)不同，SF6斷路器可分為瓷柱式與罐式兩種。

罐式斷路器的滅弧室安裝在與地電位相連的金屬罐體內(nèi)。高電壓下，每相需要將多個(gè)滅弧室串聯(lián)裝在同一罐體內(nèi)。瓷柱式斷路器的滅弧室裝在絕緣支柱上，通過(guò)串聯(lián)滅弧室，并將它們安裝在適當(dāng)高度的絕緣支柱上，便可獲得任意的電壓額定值。

§3.3.2.3SF6斷路器

按照滅弧方式的不同，SF6斷路器又分為：雙壓式SF6斷路器、壓氣式SF6斷路器、自能式自吹SF6斷路器和旋弧式SF6斷路器等。

§3.3.2.3SF6斷路器①壓氣式斷路器

正常狀態(tài)下，所有觸頭都是閉合的，電流通過(guò)主觸頭和壓氣缸從上載流部分向下載流部分傳導(dǎo)。1-上載流部分，2-靜弧觸頭，3-動(dòng)弧觸頭，4-壓氣室，5-下載流部分，6-噴嘴，

7-靜主觸頭，8-.動(dòng)主觸頭，9-壓氣缸，10-充氣閥，11-靜活塞閉合狀態(tài)觸頭分離形成電弧電弧熄滅斷開(kāi)狀態(tài)閉合狀態(tài)在斷開(kāi)過(guò)程中，主管道的活動(dòng)部分、形成電弧的靜觸頭、壓氣缸和噴嘴都被拉向斷開(kāi)狀態(tài)。在閉合過(guò)程中，充氣閥會(huì)打開(kāi)使得SF6氣體能注入吹氣室?！?.3.2.3SF6斷路器②自能自吹式SF6斷路器1-上載流部分，2-靜弧觸頭，3-動(dòng)弧觸頭，4-自能壓氣室，5-壓氣室，6-充氣閥，7-靜活塞，

8-噴嘴，9-主靜觸頭，10-主動(dòng)觸頭，11-自能壓氣閥，12-壓氣缸，13-過(guò)壓泄氣閥，14-下載流部分基本結(jié)構(gòu)觸頭分離形成電弧電弧熄滅斷開(kāi)狀態(tài)閉合過(guò)程在斷開(kāi)過(guò)程中，自能壓氣式斷路器的大電流下的操作和壓氣式斷路器以同樣的方式開(kāi)始。當(dāng)形成電弧觸點(diǎn)分離后，由于溫度的升高及吹氣柱體和靜活塞之間的氣體被壓縮，自能壓氣室和壓氣室里的壓力不斷升高。直到氣壓足夠?qū)⒆詣?dòng)吹氣閥推向閉合位置。當(dāng)電流波形過(guò)零時(shí)，電弧變的相對(duì)微弱。被壓縮的SF6氣體通過(guò)噴嘴從自能壓氣室注入，從而熄滅了電弧。在閉合過(guò)程中，充氣閥會(huì)打開(kāi)使得氣體能被充入壓氣室和自能壓氣室。§3.3.2.3SF6斷路器（3）斷路器操作機(jī)構(gòu)在斷路器本體以外的機(jī)械操動(dòng)裝置稱為操動(dòng)機(jī)構(gòu)，而操動(dòng)機(jī)構(gòu)與斷路器動(dòng)觸頭之間連接的部分稱為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)。操動(dòng)機(jī)構(gòu)的合閘能源從根本上講是來(lái)自人力或電力。還可轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌芰啃问?，如電磁能、彈簧位能、重力位能、氣體或液體的壓縮能等。根據(jù)能量形式的不同，操動(dòng)機(jī)構(gòu)可分為手動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)、電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)等。§3.3.2.3SF6斷路器手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)（CS）——靠手力直接合閘的操動(dòng)機(jī)構(gòu)。

電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)（CD）——靠電磁力合閘的操動(dòng)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)（CJ）——利用電動(dòng)機(jī)減速裝置帶動(dòng)斷路器合閘的操動(dòng)機(jī)構(gòu)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)（CT）——利用已儲(chǔ)能的彈簧為動(dòng)力使斷路器動(dòng)作的操動(dòng)機(jī)構(gòu)

液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)（CY）——利用液壓油作為動(dòng)力傳遞介質(zhì)。操動(dòng)方式有兩種：直接驅(qū)動(dòng)式和儲(chǔ)能式氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)（CQ）——利用壓縮空氣作為能源產(chǎn)生推力的操動(dòng)機(jī)構(gòu)§3.3.2.3SF6斷路器（4）風(fēng)電場(chǎng)中的斷路器及其操作機(jī)構(gòu)舉例圖為風(fēng)電場(chǎng)中常用的35kV真空斷路器及其機(jī)構(gòu)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)物圖。操作機(jī)構(gòu)為彈簧機(jī)構(gòu)，可以看到分合位置指示，彈簧壓力表及手動(dòng)分合按鈕及接線端子排等基本元件?！?.3.2.3SF6斷路器為風(fēng)電場(chǎng)升壓變電站中