第二節(jié)　電力輸配電系統(tǒng)

按照能源種類發(fā)電可分為水力、火力、風(fēng)力、原子能、太陽能、沼氣發(fā)電等幾種。

各發(fā)電廠中的發(fā)電機(jī)基本都是三相交流發(fā)電機(jī)。目前，我國生產(chǎn)的三相交流發(fā)電機(jī)的電壓等級(jí)有400V/230V、3.15kV、6.3kV、10.5kV、13.8kV、15.75kV、18kV等多種。

發(fā)電廠與用電地區(qū)和用戶之間有較遠(yuǎn)的距離，而且用電設(shè)備電壓等級(jí)與發(fā)電廠的電壓等級(jí)之間有很大差別。例如，家用電器設(shè)備、照明設(shè)備的額定電壓為220V單相電壓；而一般低壓三相電動(dòng)機(jī)的線電壓為380V。這樣就有一個(gè)遠(yuǎn)距離高壓輸電，以及一次和二次變電問題。這個(gè)發(fā)電、輸配電過程用可用圖2-3來表示。

一、變電與配電

變電與配電是電力系統(tǒng)中的核心環(huán)節(jié)，看懂變配電的電氣線路圖，就能看懂整個(gè)電力系統(tǒng)的線路圖。變電所的任務(wù)是接受電能、變換電壓和分配電能，是聯(lián)系發(fā)電廠和用戶的中間環(huán)節(jié)；而配電所只擔(dān)負(fù)接受電能和分配電能的任務(wù)，所以兩者是有區(qū)別的：變電比配電多變換電壓的任務(wù)，因此變電所有電力變壓器，而配電所除了可能有自用電變壓器外，是沒有其他電力變壓器的。

變電所和配電所的相同之處在于：一是都擔(dān)負(fù)接受電能和分配電能的任務(wù)；二是電氣線路中都有引入線（架空線或電纜線）、各種開關(guān)電器（如隔離開關(guān)、刀開關(guān)、高低壓斷路器）、母線、互感器、避雷器和引出線等。

各用電單位一般都設(shè)有中央變電所和車間變電所（小規(guī)模的企業(yè)往往只有一個(gè)變電所）。中央變電所接收送來的電能，然后再分配到各車間以及用電場(chǎng)所的變電所或配電箱（配電板），再從配電箱或配電板將電能分配給用電設(shè)備。

變電所有升壓和降壓之分。升壓變電所多建在發(fā)電廠內(nèi)，把電能電壓升高后，再進(jìn)行長距離輸送，降壓變電所多設(shè)在用電區(qū)域，將高壓電能適當(dāng)降低電壓后，向某地區(qū)或用戶供電，降壓變電所又可分為以下三類。

（1）地區(qū)降壓變電所

地區(qū)降壓變電所又稱為一次變電站，位于一個(gè)大用電區(qū)域或一個(gè)大城市附近，從220～500kV的超高壓輸電網(wǎng)或發(fā)電廠直接受電，通過變壓器把電壓降為35～110kV，供給該地區(qū)或大型工廠用電。其供電范圍較大，若全地區(qū)降壓變電所停電，將使該地區(qū)中斷供電。

（2）終端變電所

終端變電所又稱為二次變電站，多位于用電的負(fù)荷中心，高壓側(cè)從地區(qū)降壓變電所受電，通過變壓器把電壓降為6～10kV，向某個(gè)市區(qū)或農(nóng)村城鎮(zhèn)供電。其供電范圍較小，若全終端降壓變電所停電，只使該部分用戶中斷供電。

（3）工廠降壓變電所及車間變電所

工廠降壓變電所又稱工廠總降壓變電所，與終端變電所類似，是對(duì)企業(yè)內(nèi)部輸送電能的中心樞紐。車間變電所接收工廠降壓變電所提供的電能，將電壓降為220V/380V，給車間設(shè)備直接供電。

低壓配電線路的額定電壓為380V/220V。用電設(shè)備的額定電壓多數(shù)是220V和380V；大功率電動(dòng)機(jī)的電壓為3kV和6kV；機(jī)床照明和礦井安全電壓規(guī)定為36V。

二、電力系統(tǒng)

通常電能由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生，發(fā)電機(jī)把軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，而軸上的機(jī)械能都是由一次能源轉(zhuǎn)換而來的。一般的輸電是通過兩級(jí)升高電壓，而遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，中間還有升高電壓的變電所。輸送電能距離越遠(yuǎn)，為了減小線路損耗，則要求輸電電壓越高。高壓輸電線路把電能輸送到用電中心進(jìn)入市區(qū)時(shí)，要經(jīng)過第一次降壓；市區(qū)輸送電壓國標(biāo)規(guī)定為10kV。市區(qū)輸電到各單位變電所，則要進(jìn)行再一次降壓，將10kV變?yōu)?80V/220V。

由各種電壓的電力線路將一些發(fā)電廠、變電所和電力用戶聯(lián)系起來的發(fā)電、輸電、變電、配電和用電的整體稱為電力系統(tǒng)。如圖2-4所示是一個(gè)大型電力系統(tǒng)的系統(tǒng)圖，它可以是由幾個(gè)水力發(fā)電廠、火力發(fā)電廠、核能發(fā)電廠等聯(lián)合供電的大型電力系統(tǒng)。

通常將電力系統(tǒng)中各級(jí)電壓的電力線路及其聯(lián)系的變電所稱為電力網(wǎng)或電網(wǎng)。電網(wǎng)按電壓等級(jí)來劃分，有10kV電網(wǎng)、110kV電網(wǎng)等；也可按地域來劃分，如華東電網(wǎng)、東北電網(wǎng)等。

三、電力系統(tǒng)主要電氣設(shè)備

（1）電力變壓器

電力變壓器是發(fā)電廠和變電所的主要設(shè)備之一。變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備，用來將某一等級(jí)的交流電壓轉(zhuǎn)換為頻率相同的另一種或幾種等級(jí)的交流電壓，但不改變傳輸容量。變壓器的用途是多方面的，不但需要升高電壓把電能送到用電地區(qū)，還要把電壓降低為各級(jí)使用電壓，以滿足用電的需要。總之，升壓與降壓都必須由變壓器來完成。在電力系統(tǒng)中，凡把以高電壓輸送的電能降為給用戶供電電壓的變壓器，稱為配電變壓器。通常使用的低壓供電電壓為380V和220V，大型高壓電動(dòng)機(jī)使用的電壓為3kV或6kV。配電變壓器高壓側(cè)電壓一般為6kV、10kV、35kV，在大電網(wǎng)中也有110kV。圖2-5是小型三相變壓器。它除了繞組和鐵芯外，還有油箱、油枕、分接開關(guān)、安全氣道、瓦斯繼電器和絕緣套管等附件。這些附件對(duì)變壓器的安全運(yùn)行起了必不可少的作用。

三相電力變壓器的圖形符號(hào)根據(jù)不同組別和繞組等有所不同。如圖2-6所示為Y/Y（即Yyn0）和△/Y（即Dyn11）組別的圖形符號(hào)。

（2）高壓斷路器

高壓斷路器在電路正常時(shí)，用來接通或切斷負(fù)荷電流；在電路發(fā)生故障時(shí)，用來切斷巨大的短路電流。它是高壓開關(guān)中最重要、最復(fù)雜的一種，既能切換正常負(fù)載，又可排除短路故障，同時(shí)承擔(dān)著控制和保護(hù)雙重任務(wù)。

斷路器具有可靠的滅弧裝置，其滅弧能力很強(qiáng)。常用的油斷路器，是利用觸頭間產(chǎn)生的電弧使油分解，產(chǎn)生的高壓氣體對(duì)電弧進(jìn)行吹弧和冷卻，將電弧熄滅。它有多油斷路器和少油斷路器兩種。如圖2-7所示是SN10-10型少油斷路器的外形圖，它由框架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和油箱等三個(gè)主要部分組成，油箱是它的核心部分，油箱中部是滅弧室。

常見的還有：

①真空斷路器——利用真空的高介質(zhì)強(qiáng)度來熄滅電弧。

②六氟化硫斷路器——六氟化硫具有比空氣強(qiáng)約100倍的滅弧能力，利用六氟化硫作介質(zhì)，能大量吸收電弧能量，使電弧收縮并迅速冷卻，最終熄滅。高壓六氟化硫（SF₆）斷路器是利用六氟化硫氣體作為滅弧和絕緣介質(zhì)的一種斷路器。按滅弧方式的不同可分為氣吹式、旋弧式和自行滅弧式，而氣吹式又有單壓式和雙壓式兩種類型。單壓式只有一個(gè)氣壓系統(tǒng)，滅弧時(shí)，六氟化硫（SF₆）的氣體靠壓氣活塞產(chǎn)生壓力。單壓式結(jié)構(gòu)簡單，我國生產(chǎn)的LN₁、LN₂型SF₆斷路器均為單壓式。如圖2-8所示是一種單壓式滅弧室鋼罐落地形式的SF₆斷路器，其滅弧元件置于充有SF₆氣體的金屬箱筒內(nèi)，斷路器采用氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)。

③壓縮空氣斷路器——利用壓縮空氣強(qiáng)烈地吹弧，使電弧冷卻，并清除弧道內(nèi)的殘余游離氣體，當(dāng)電流過零時(shí)，使電弧熄滅。壓縮空氣還可用來維持分、合閘狀態(tài)下的絕緣。

（3）負(fù)荷開關(guān)

高壓負(fù)荷開關(guān)是用來在額定電壓和額定電流下接通和切斷高壓電路的專用開關(guān)。它只允許接通和開斷負(fù)荷電流，但不允許開斷短路電流，即它僅能作為控制和過載保護(hù)元件，不能用作故障保護(hù)元件。它與高壓熔斷器配合使用時(shí)，可代替斷路器。負(fù)荷開關(guān)按滅弧介質(zhì)的不同，分為固體產(chǎn)氣式、壓氣式和油浸式三種。前兩種有明顯的外露可見斷口，因此還能起到隔離開關(guān)的作用。如圖2-9所示是FN3-10型戶內(nèi)壓氣式負(fù)荷開關(guān)的外形結(jié)構(gòu)；上半部為負(fù)荷開關(guān)，下半部為熔斷器。負(fù)荷開關(guān)的滅弧斷流能力有限，只能斷開一定的負(fù)荷電流和過負(fù)荷電流。

（4）隔離開關(guān)

隔離開關(guān)是以空氣為絕緣介質(zhì)，在無負(fù)荷的情況下接通或斷開電路的電器。它在斷開位置時(shí)形成明顯可見的、足夠的斷開距離，把需要檢修的電器與電源可靠地隔離，以保證檢修工作的安全；在合閘狀態(tài)時(shí)，能可靠地通過正常工作電流和短路故障電流。它在配電裝置中的用量最多，通常是斷路器的3～4倍。其主要用途如下。

①檢修與分段隔離。利用隔離開關(guān)斷口的可靠絕緣能力，使需要檢修或分段的線路與帶電的線路相互隔離。為確保檢修工作的安全，隔離開關(guān)還附有接地裝置，供檢修時(shí)接地。

②倒換母線。在斷口兩端接近等電位的條件下，帶負(fù)荷進(jìn)行分、合閘，變換雙母線或其他不長的并聯(lián)線路的接線方式。

③分、合空載電路。利用隔離開關(guān)斷口在分開時(shí)將電弧拉長和空氣的自然熄弧能力，分合一定長度的母線、電纜或架空線路的電容電流，以及分、合一定容量的變壓器的空載勵(lì)磁電流。

如圖2-10所示是GN8-10/600型戶內(nèi)高壓隔離開關(guān)的外形，操作機(jī)構(gòu)通過連桿機(jī)構(gòu)接在轉(zhuǎn)軸上，由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)閘刀分閘或合閘。操作機(jī)構(gòu)可以用電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓傳動(dòng)等，也可用手動(dòng)操作，但不論用什么方式驅(qū)動(dòng)，都要求能夠準(zhǔn)確地分閘或合閘、動(dòng)作平穩(wěn)、沖擊力小。

（5）高壓熔斷器

高壓熔斷器是在電網(wǎng)中人為設(shè)置的一個(gè)最薄弱的元件，用以保護(hù)電器裝置免遭過電流或短路電流作用而引起損壞。當(dāng)過電流流過時(shí)，元件本身發(fā)熱熔斷，借滅弧介質(zhì)的作用使電路開斷，達(dá)到保護(hù)電力線路和電氣設(shè)備的目的。熔斷器在電壓低于35kV的小容量電網(wǎng)中被廣泛采用（熔斷器的價(jià)格最便宜）。熔斷器按使用場(chǎng)所分為戶內(nèi)式及戶外式兩種；按動(dòng)作性能可分為固定式和自動(dòng)跌落式熔斷器；按工作特性又可分為有限流作用和無限流作用熔斷器。如圖2-11（a）所示是RN₁、RN₂型高壓熔斷器的外形結(jié)構(gòu)，圖2-11（b）所示是其熔管的剖面示意圖。

不論何種高壓熔斷器，其管內(nèi)的熔體（熔絲）的熔化時(shí)間必須符合下列規(guī)定：a.當(dāng)通過熔體的電流為額定電流的130%時(shí)，熔化時(shí)間應(yīng)大于1h；b.當(dāng)通過熔體的電流為額定電流的200%時(shí)，必須在1min以內(nèi)熔斷；c.保護(hù)電壓互感器的熔斷器，當(dāng)通過熔體的電流在0.6～1.8A范圍內(nèi)時(shí)，其熔斷時(shí)間不超過1min。

（6）成套配電裝置

成套配電裝置是以斷路器為主的成套電器。它主要用于配電系統(tǒng)，作接受與分配電能之用。這類裝置的各組成元件，按主接線的要求，以一定順序布置在一個(gè)或幾個(gè)金屬柜內(nèi)（根據(jù)需要，在柜內(nèi)還可裝設(shè)控制、測(cè)量、保護(hù)及調(diào)整等設(shè)備）。它可滿足各種主接線要求，并具有占地少、安裝及運(yùn)行維護(hù)方便、適用于大量生產(chǎn)等特點(diǎn)。選擇成套配電裝置要根據(jù)主接線確定其數(shù)量，并根據(jù)負(fù)荷大小和用途來選擇成套配電裝置型號(hào)、容量和保護(hù)方式。

（7）電流互感器

將電路中流過的大電流變換成小電流，額定值為5A，供給測(cè)量儀表（如電流表、電能表、功率表）和繼電器的電流線圈，這樣就可以用小電流的儀表間接測(cè)量大電流。電流互感器通常有一個(gè)一次側(cè)繞組（匝數(shù)少）和一個(gè)或兩個(gè)二次側(cè)繞組（匝數(shù)多）。一次側(cè)繞組是串聯(lián)在電路中的。一、二次側(cè)繞組互相絕緣并且繞在同一個(gè)鐵芯之上，通過電磁感應(yīng)，把一次側(cè)繞組的大電流按一定比例變換成二次側(cè)繞組的小電流。特別要注意：在使用中電流互感器的二次側(cè)不允許開路。

電流互感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-12所示。

（8）電壓互感器

將高電壓（6kV、10kV、35kV等）降為低電壓（一般額定值為100V），供給測(cè)量儀表（電壓表、電能表、功率表）和繼電器的電壓線圈，這樣就可以用低壓儀表間接測(cè)量高壓。電壓互感器的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)或三個(gè)互相絕緣的線圈繞在同一鐵芯上所組成，一次側(cè)繞組匝數(shù)多，二次側(cè)繞組匝數(shù)少，通過電磁感應(yīng)，把高電壓按一定比例變換成低電壓。電壓互感器的一次側(cè)繞組是與高壓電路并聯(lián)的。特別要注意在使用中電壓互感器的二次側(cè)不允許短路。

電壓互感器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)降壓變壓器，一次側(cè)繞組的匝數(shù)多，二次側(cè)繞組的匝數(shù)少，其基本結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-13所示。

此外尚有避雷器、電抗器、移相電容器等電氣設(shè)備，不再贅述。