《風電場電氣系統(tǒng) 》 課件 朱永強 第1-4章 風電場和電氣部分的基本概念- 風電場一次設備的選擇

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

第2章介紹風電場電氣部分的特點和基本構成，在介紹電氣主接線的基本概念和設計原則的基礎上，列舉電氣主接線的常見形式，并重點說明風電場電氣主接線的基本形式，使大家了解風電場電氣部分的整體布局和組成部分，掌握風電場電氣接線設計的基本思想和依據(jù)。

本課程主要內容第3章詳細介紹風電場中的各主要一次電氣設備的結構和工作原理，包括風電機組、變壓器、斷路器和隔離開關、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備的型式、參數(shù)，使大家對風電場電氣設備的原理、功能、結構、外觀等有具體認知。第4章介紹風電場一次電氣設備選擇的一般條件和技術條件，以及熱穩(wěn)定校驗、動穩(wěn)定校驗和環(huán)境校驗方法，使大家了解和掌握電氣設備的型式、參數(shù)與其在風電場中運行環(huán)境的關系，并且能對風電一次設備的選擇進行初步分析和簡單計算。本課程主要內容

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)的主要設備及其原理，使大家了解風電場和升壓變電站電氣二次系統(tǒng)的構成及電氣二次系統(tǒng)的圖形表示方法，并對我國目前已普遍采用的變電站綜合自動化技術有一定的認知。

第6章介紹風電場中配電裝置的概念和表示方法，描述各種常見配電裝置的結構和作用，說明配電裝置的設計要求及選型和布置方法，介紹風電場發(fā)電機組的排列布置和升壓變電站電工建筑物的布置。本課程主要內容

第7章介紹風電場的防雷和接地問題，首先說明雷電的形成機理和雷電的危害，介紹雷電防護的一般方法；然后對接地的意義和作用，尤其是對接觸電壓和跨步電壓等重要概念進行具體的說明，給出接地設計的一般要求；并全面介紹風電場發(fā)電機組、集電線路和升壓站的防雷保護措施，有助于大家了解風電場電氣設備安全方面的知識和解決辦法，提高安全生產的意識。

第8章介紹風電場中的電力電子設備，在簡述電力電子技術應用和常見電力電子器件的基礎上，闡述變流技術和PWM技術的基本原理；重點介紹主流大型風電機組的并網(wǎng)換流器，包括其電路結構和基本工作原理；最后簡單介紹風電場的無功補償與電壓控制需求，以及SVC和STATCOM等無功補償設備。第1章風電場和電氣部分的基本概念關注的問題風電場的基本概念，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目標了解風電場的基本概念和風電場電氣部分的含義，初步理解和掌握電氣部分的大致構成及表示方法，尤其是重要電氣設備及其圖形符號?！?.1風力發(fā)電概述

風是人類最常見的自然現(xiàn)象之一，風能資源的儲量非常巨大，一年之中風所產生的能量大約相當于20世紀90年代初全世界每年所消耗的燃料的3000倍。

十九世紀末，風能開始被用于發(fā)電，據(jù)稱始于丹麥，并且迅速成為其最主要的應用領域之一。風電技術是可再生能源技術中最成熟的一種能源技術。風力發(fā)電由于環(huán)保清潔，無廢棄物排放，施工周期短，利用歷史悠久，受到了各國的廣泛重視和大力推廣。如今風力發(fā)電在世界范圍內都獲得了快速的發(fā)展，風力發(fā)電規(guī)模及其在電力能源結構中的份額都增長很快?！?.1風力發(fā)電概述風力發(fā)電就是利用風力機獲取風能并轉化為機械能，再利用發(fā)電機將風力機輸出的機械能轉化為電能輸出的生產過程。

風力機有很多種類型，用于風力發(fā)電的發(fā)電機也呈現(xiàn)出多樣性，但是其基本能量轉換過程都是一樣的，如圖：

用于實現(xiàn)該能量轉換過程的成套設備稱為風力發(fā)電機組?！?.1風力發(fā)電概述

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

風力發(fā)電機組與電力用戶或電網(wǎng)的聯(lián)系是通過風電場中的電氣部分得以實現(xiàn)的。§1.2風電場的概念

風電場是在一定的地域范圍內由同一單位經(jīng)營管理的所有風力發(fā)電機組及配套的輸變電設備、建筑設施、運行維護人員等共同組成的集合體。選擇風力資源良好的場地，根據(jù)地形條件和主風向，將多臺風力發(fā)電機組按照一定的規(guī)則排成陣列，組成風力發(fā)電機群，并對電能進行收集和管理，統(tǒng)一送入電網(wǎng)，是建設風電場的基本思想?！?.2風電場的概念應根據(jù)風向玫瑰圖和風能玫瑰圖確定風電場的主導風向，在平坦、開闊的場址，要求主導向上機組間相隔5~9倍風輪直徑，在垂直于主導風向上要求機組間相隔3~5倍風輪直徑。按照這個規(guī)則，風電機組可以單排或多排布置。多排布置時應成梅花形排列。

風電場是大規(guī)模利用風能的有效方式，二十世紀80年代初興起于美國加利福尼亞。目前，風電場的分布幾乎是遍布全球，風電場的數(shù)目已成千上萬，最大規(guī)模的風電場可上百萬千瓦級?！?.2風電場的概念

按照風電場的規(guī)模，風電場大致可以分為：小型、中型和大型（特大型）風電場風能資源場地說

明小型較好較小可建幾兆瓦容量的風電場，接入35~66kV及以下電壓等級的電網(wǎng)。中型較好合適可建幾十兆瓦容量以下風電場，接入110kV及以下電網(wǎng)。大型（特大型）豐富開闊可建容量在100~600MW或更大的風電場，例如我國的特許權風電項目。§1.3電氣和電氣部分

電氣的本意即為電，也就是：帶電的、生產和使用電能相關的。

對于電氣部分可以泛泛地理解為：由所有帶電設備及其附屬設備所組成的全部?！?.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)電機是一般意義上的電源，它將其他能源轉化為電能，如：煤炭、石油、水能、風能、太陽能、地熱、潮汐等。電能無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)電機生產的電能一般需要經(jīng)過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。

在電能生產到消費之間需要由電能可以傳導的路徑，由于一定區(qū)域內發(fā)電廠和用戶的分布非常復雜，因此這一路徑自然形成了網(wǎng)狀結構，即所謂的電網(wǎng)，電能由發(fā)電廠生產出來以后在電網(wǎng)中根據(jù)其結構按照物理規(guī)律自然分配?！?.3電氣和電氣部分§1.3.2電氣部分的一般組成

包括風電場在內的各類發(fā)電廠站、實現(xiàn)電壓等級變換和能量輸送的電網(wǎng)、消耗電能的各類設備（用戶或負荷）共同構成了電力系統(tǒng)，即用于生產、傳輸、變換、分配和消耗電能的系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)各個環(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電力系統(tǒng)的基本生產單位。電氣部分不僅僅包括電能生產、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、變換、分配、傳輸和消耗的部分稱為電氣一次部分。

為了實現(xiàn)對廠站內設備的監(jiān)測與控制，電氣部分還包括所謂的二次部分，即用于對本廠站內一次部分進行測量、監(jiān)視、控制和保護的部分。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開閉所10kV10kV10kV居民小區(qū)箱式變電所箱式變電所批發(fā)市場化工廠電纜10kV10kV配電箱380/220V380/220V電燈電動機風機泵空壓機380/220V發(fā)電廠110kV380/220V電動葫蘆電焊機加熱器變電站110kV風電場10kV10kV10kV開閉所箱式變電所某商場學校10kV常見負荷類型開閉所10kV10kV380/220V10kV高壓開關柜變壓器低壓開關柜箱式變電所內部示意圖應急照明水泵房電梯某商場用電示意圖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、供配電及用電的簡單示意一次部分最為重要的是發(fā)電機、變壓器、電動機等實現(xiàn)電能生產和變換的設備，發(fā)電機用于電能生產、變壓器用于電能變換、電動機和其他用電設備用于電能的消耗、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、電動機、變壓器、線路等設備的投入和退出（帶電/不帶電），需要有相關的開關，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起電氣隔離作用的隔離開關。除了斷路器和隔離開關外，常見的開關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，為了保證人員和設備的運行安全以及電力系統(tǒng)本身中性點接地的要求，還需要有相應的接地裝置。在發(fā)電廠和變電站中常采用埋于地下的人工接地體構成接地網(wǎng)。接地網(wǎng)要求可以基本覆蓋廠站內電氣設備的全部，以保證設備的可靠接地。此外，為應對電力系統(tǒng)中可能的故障或異常，在電氣設備中還需要加裝一些防御過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)是傳遞信號的電路，通過電壓互感器和電流互感器將被測的一次設備和系統(tǒng)的高電壓和大電流變換為低電壓和小電流傳遞給測量和保護裝置，測量和保護裝置對所測得的電壓和電流進行判別以監(jiān)視一次設備和系統(tǒng)的運行狀態(tài)并記錄。

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

繼電保護及自動裝置可以認為是電力系統(tǒng)的衛(wèi)兵。當電氣設備發(fā)生故障時，對應的繼電保護裝置會根據(jù)采集到的電流和電壓進行分析，判定發(fā)生故障后便動作觸發(fā)與故障設備相連的斷路器。

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

常見的控制電器有斷路器的控制開關。裝設于變電站主控制實內的控制屏，常常見于常規(guī)控制變電站。

控制屏上裝設有用于監(jiān)視的表計（電流表、電壓表、有功功率表、無功功率表）；用于燈光告警的光子牌、用于操作斷路器的控制開關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備運行的時候需要消耗電能，是作為耗電設備存在的，因此還需要裝設相應的直流電源設備。采用直流的好處是可以利用蓄電池進行電能存儲。在發(fā)電廠和變電站內二次設備由控制電纜連接構成了功能不同的二次回路?！?.4電氣部分的圖示

對于風電場等各類發(fā)電廠和變電站內電氣部分的設計、施工、運行和研究等工作都需要依賴其圖形方法，即用圖形符號結合文字符號在平面上抽象我們的具體問題，最為常見的就是電氣接線圖，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描述了廠站內一次部分和二次部分的電路基本組成和連接關系。在發(fā)電廠和變電站中，電氣設備根據(jù)其作用和具體要求按照一定方式由導體連接形成了傳輸能量（一次部分）和信號（二次部分）的電路，這個電路就被稱為電氣接線，對這個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)定具體電氣設備的圖形符號主要電氣設備的圖形符號如表所示風電場電氣系統(tǒng)第2講風電場電氣部分的構成和主接線方式第2章風電場電氣部分的構成和主接線方式

教學目標掌握風電場電氣部分的特點和基本構成，

了解電氣主接線的基本概念和設計原則，

理解各種電氣主接線形式的特點并掌握分析方法，

理解和掌握風電場電氣主接線設計的基本思想和依據(jù)。關注的問題風電場與常規(guī)電廠的區(qū)別是什么？其電氣部分的構成有哪些？電氣主接線的概念和相關術語有哪些？其設計原則又是什么？

常見的電氣主接線形式有哪些？風電場電氣主接線應如何進行設計？§2.1風電場電氣部分的構成

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

根據(jù)在電能生產過程中的整體功能，風電場電氣一次系統(tǒng)可以分為四個主要部分：風電機組、集電系統(tǒng)、升壓站及廠用電系統(tǒng)。

目前，風電場的主流風力發(fā)電機本身輸出電壓為690V，經(jīng)過機組升壓變壓器將電壓升高到10kV或35kV。

§2.1.2風電場電氣部分的構成

風電機組，除了風力機和發(fā)電機以外，還包括電力電子換流器（有時也稱為變頻器）和對應的機組升壓變壓器（有的文獻稱之為集電變壓器）。

集電系統(tǒng)將風電機組生產的電能按組收集起來。分組采用位置就近原則，每組包含的風電機組數(shù)目大體相同。每一組的多臺機組輸出（經(jīng)過機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。

廠用電包括維持風電場正常運行及安排檢修維護等生產用電和風電場運行維護人員在風電場內的生活用電等，也就是風電場內用電的部分?！?.1.2風電場電氣部分的構成風電場電氣一次系統(tǒng)示意圖如下圖所示：其中各部分為1風機葉輪2傳動裝置3發(fā)電機4變流器5機組升壓變壓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電氣主接線及設計要求

§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描述

某個具體電力系統(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)結它是對該系統(tǒng)的宏觀印象，

只表示廠站級的基本組成和連接關系，無法表示電氣設備的組成火電廠風電場變電站§2.2.1.2電氣主接線

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

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

通常認為相對于需要分析的具體電氣設備，為其提供電能的相關設備即是其電源。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荷。

配電裝置用于具體實現(xiàn)電能的匯集和分配，它是根據(jù)電氣主接線的要求，由開關電氣、母線、保護和測量設備以及必要的輔助設備和建筑物組成的整體?！?.2.1.4設備工作狀態(tài)

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

運行狀態(tài)是指電氣設備的斷路器、隔離開關都在合閘位置；

熱備用狀態(tài)是指設備只斷開了斷路器而隔離開關仍在合閘位置；

冷備用狀態(tài)是指設備的斷路器、隔離開關都在分閘位置；

檢修狀態(tài)是指設備所有的斷路器、隔離開關已斷開，并完成了裝設地線、懸掛標示牌、設置臨時遮欄等安全技術措施。§2.2.1.4設備工作狀態(tài)送電過程中的設備工作狀態(tài)變化為：停電過程中的設備工作狀態(tài)變化為：§2.2.1.5倒閘操作

利用開關電器，遵照一定的順序，對電氣設備完成上述四種狀態(tài)的轉換過程稱為倒閘操作。倒閘操作必須嚴格遵守基本操作原則§2.2.2電氣主接線的設計原則發(fā)電廠主接線設計的基本要求有三點：一、可靠性供電可靠性是電力生產的基本要求，在主接線設計中可以下幾方面加以考慮：任一斷路器檢修時，盡量不會影響其所在回路供電；斷路器或母線故障及母線檢修時，盡量減少停運回路數(shù)和停運時間，并保證對一級負荷及全部二級負荷或大部分二級負荷的供電；盡量減小發(fā)電廠、變電所全部停電的可能性。§2.2.2電氣主接線的設計原則二、靈活性發(fā)電廠主接線應該滿足在調度、檢修及擴建時的靈活性：

調度時，應可以靈活地投入和切除發(fā)電機、變壓器和線路，靈活調配電源和負荷，滿足系統(tǒng)在事故、檢修以及特殊運行方式下的系統(tǒng)調度要求；

檢修時，可以方便地停運斷路器、母線及其繼電保護設備，進行安全檢修不至影響電力系統(tǒng)的運行和對用戶的供電；

擴建時，可以容易地從初期接線過渡到最終接線。

§2.2.2電氣主接線的設計原則三、經(jīng)濟性在滿足可靠性、靈活性要求的前提下，還應盡量做到經(jīng)濟合理：

投資?。褐鹘泳€力求簡單，繼電保護和二次回路不過于復雜，采取限制短路電流的措施；

占地面積?。褐鹘泳€設計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，配電裝置實現(xiàn)了發(fā)電機、變壓器、線路之間的電能的匯集和分配，這些設備的連接由母線和開關電器實現(xiàn)，母線和開關電器的不同的組織連接也就構成就了不同的接線形式。主接線形式可以分為兩大類：有匯流母線和無匯流母線。

匯流母線，簡稱母線，是匯集和分配電能的設備?！?.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現(xiàn)多回路的集中。接線簡單、清晰、運行方便，有利于安裝和擴建。配電裝置占地面積較大，使用斷路器等設備增多，因此更適用于回路較多的情況，一般進出線數(shù)目大于4回。有匯流母線的接線形式包括：單母線、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

無匯流母線

無匯流母線的接線形式使用開關電器較少，占地面積小，但只適用于進出線回路少，不再擴建和發(fā)展的發(fā)電廠或變電站。無匯流母線的接線形式包括：單元接線、橋形接線、角形接線、變壓器－線路單元接線等?！?.3.2電氣主接線的常見形式§2.3.2.1單元接線

單元接線是最簡單的接線形式，即發(fā)電機和主變壓器組成一個單元，發(fā)電機生產的電能直接輸送給變壓器，經(jīng)過變壓器升壓后送給系統(tǒng)。

§2.3.2.2橋型接線當變配電裝置中只有兩條線路連接站內兩臺主變時，常采用橋形接線，此時這兩回進線分別和兩條線路連接，形成了兩個線路－變壓器的供電路徑，在這兩個供電路徑由橋斷路器聯(lián)絡。根據(jù)橋斷路器相對于變壓器和線路的安裝位置，又分為內橋接線和外橋接線

§2.3.2.2橋型接線

內橋接線內橋接線的橋斷路器靠近變壓器，對于變壓器的投切需要操作兩臺斷路器，而對于線路的操作只需要一臺斷路器

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

外橋接線對于變壓器的投切操作一臺斷路器，而線路則需要操作兩臺斷路器

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，是有母線接線形式中最簡單的接線形式優(yōu)點是：接線簡單清晰、設備少、操作簡單、便于擴建和采用成套配電裝置缺點：單母線的可靠性較低單母線接線適用于電源數(shù)目較少、容量較小的場合：(1)6～10kV配電裝置的出線回路不超過5回。(2)35～63kV配電裝置的出線回路數(shù)不超過3回。(3)110～220kV配電裝置的出線回路不超過2回?！?.3.2.4

單母線分段

當配電裝置中有多個電源（發(fā)電機或變壓器）存在的時候，可以將單母線根據(jù)電源的數(shù)目進行分段，這也就單母線分段形式兩臺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行，也可以由分段斷路器斷開而分列運行分段的數(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：

重要用戶可以從兩段母線上引出兩個回路，由不同的電源供電（母線）。當一段母線發(fā)生故障的或需要檢修的時候，分段斷路器可以斷開，保證另一段母線的正常運行。

缺點：當一段母線故障的時候，其所連接的回路依然需要停電；同時重要負荷采用雙回線時，在擴建的時候需要向兩個方向均衡擴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設置兩條獨立的母線，每條母線都可以和配電裝置中的任意回路相連接，從而使得當一條母線故障或檢修時，所有的回路可以運行于另一條母線每個回路通過一個斷路器和兩個隔離開關和兩條母線相連，母線之間通過母線聯(lián)絡斷路器（母聯(lián)）連接

§2.3.2.4

雙母線雙母線接線的優(yōu)點：

供電可靠、調度靈活、擴建方便、便于試驗缺點：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供電、母線或母線設備檢修時不允許影響對用戶的供電，系統(tǒng)運行調度對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，當短路電流較大的時候，出線需要加裝電抗器時。（2）35～63kV配電裝置，當出線回路數(shù)超過8回時；或連接電源較多，負荷較大時。（3）110～220kV配電裝置出線回路數(shù)在5回及以上時；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220kV進出線回路甚多時，為了減少母線故障時候的停電范圍，需要對雙母線進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）當進出線回路數(shù)為10～14回時，在一組母線上用斷路器分段。（2）當進出線回路數(shù)為15回及以上時，兩組母線都分段。（3）為限制220kV母線短路電流或系統(tǒng)解列運行的要求，可根據(jù)需要將母線分段?！?.4風電場電氣主接線設計

§2.4.1風電機組的電氣接線風電機組，除了風力機和發(fā)電機以外，還包括電力電子換流器（有時也稱為變頻器）和對應的機組升壓變壓器。目前，風電場的主流風力發(fā)電機本身輸出電壓為690V，經(jīng)過機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力發(fā)電機看作一個整體，這樣風電機組的接線大都采用單元接線一般情況下，多采用一機一變，即一臺風電機組配備一臺變壓器。§2.4.2集電環(huán)節(jié)及其接線集電系統(tǒng)將風電機組生產的電能按組收集起來

一般每一組3～8臺風電機組的集電變壓器集中放在一個箱式變電所中每一組的多臺風電機組輸出，一般可在箱式變電所中各集電變壓器的高壓側由電力電纜直接并聯(lián)風電場集電環(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。

達到一定規(guī)模的風電場一般可將電壓升高到110kV或220kV接入電力系統(tǒng)。對于規(guī)模更大的風電場，例如百萬千瓦級的特大型風電場，還可能需要進一步升高到500kV或更高。

風電場升壓站的主接線多為單母線或單母線分段接線，取決于風電機組的分組數(shù)目。對于規(guī)模很大的特大型風電場，還可以考慮雙母線等接線形式?！?.4.4風電場場用電及接線風電場的場用電包括維持風電場正常運行及安排檢修維護等生產用電和風電場運行維護人員在風電場內的生活用電等，也就是風電場內用電的部分。至少應包含400V的電壓等級?！?.4.5風電場電氣主接線舉例不同于其它類型的電場，除了表示集中布置的升壓站，還需要在圖中表示風電機組和機電系統(tǒng)。由于風機組數(shù)一般較多，因此常在集電系統(tǒng)的繪制時候采用簡化圖形，即以發(fā)電機表示風電機組，再對風電機組進行單獨的詳細描述。風電場電氣系統(tǒng)第3章風電場主要一次設備1第3章風電場主要一次設備1關注的問題發(fā)電機的結構和工作原理是什么？大型發(fā)電機的種類有哪些？各自有什么特點？變壓器的工作原理是什么？其實際結構式怎樣的？變壓器的型號和參數(shù)有哪些？教學目標基本掌握發(fā)電機和變壓器的結構和工作原理識記變壓器的型式、參數(shù)對風電場的發(fā)電機和變壓器有具體認知§3.1

風力發(fā)電機§3.1.1發(fā)電機的結構目前風電場中應用的風力發(fā)電機，大都是三相交流發(fā)電機

各類發(fā)電機的主體部分都由靜止的定子和可以旋轉的轉子兩大部分構成

原動機（例如風力發(fā)電中用的風力機）帶動轉子繞軸旋轉，在定子繞組中感應出電勢，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。定子就像一個空心的圓筒，轉子像一個實心的滾軸§3.1.1發(fā)電機的結構定子和轉子一般都由鐵心和繞組構成。繞組多是用銅線纏繞的金屬線圈，當然銅線外面要包裹絕緣物質。鐵心的功能是靠鐵磁材料提供磁的通路，以約束磁場的分布。各種發(fā)電機的定子的基本結構是類似的定子鐵心由很薄的圓環(huán)狀硅鋼片疊制而成，內表面開了若干軸向溝槽，用于嵌放定子繞組?！?.1.1發(fā)電機的結構電機結構的差別可能主要體現(xiàn)在轉子的形狀或轉子繞組的形狀同步機的轉子有凸極式和隱極式等類別凸極式轉子鐵心，有明顯的磁極凸出隱極式轉子鐵心的截面為圓形?！?.1.1發(fā)電機的結構異步機的轉子繞組有鼠籠式和繞線式等繞線式轉子的繞組連接到三個固定在轉軸上的銅環(huán)，通過電刷引出?？梢栽谵D子繞組傳入阻抗，以改善電機的啟動性能或者調節(jié)轉速鼠籠式轉子的繞組由嵌放在轉子鐵心槽內的金屬導條和兩端的短路環(huán)組成§3.1.2發(fā)電機的工作原理發(fā)電機的工作原理主要是基于電磁感應現(xiàn)象。電磁

當導體中通入電流時，在帶電導體的周圍會產生磁場。

如果導體中流過的電流是直流電，則產生恒定的磁場。如果導體中流過的電流是交流電，則產生交變的磁場。

磁電

當處于磁場中的導體做不平行于磁場方向的運動時，導體切割磁力線，就會在該導體中感應出電勢

如果該導體與外電路構成了閉合回路，則還會在感應電勢的作用下形成感應電流?！?.1.2.1轉子繞組通入直流勵磁電流－同步發(fā)電機轉子繞組中的直流勵磁電流，形成相對于轉子靜止的恒定磁場。當轉子在原動機（例如風力機）的驅動下以轉速n旋轉時，那么定子繞組與轉子磁場之間便有了轉速為n的相對運動，從而在定子繞組中產生感應電勢。磁場強度最大的位置在定子內表面圓周上出現(xiàn)的位置是隨著時間變化的，可以形象的理解為，磁場強度最大值出現(xiàn)的位置是在定子內表面圓周上旋轉的，因此常常將三相對稱電流在定子中產生的這種磁場稱為旋轉磁場。在同步發(fā)電機中，定子繞組中的電流是主要感應出來的，事實上，定子電流的頻率是由轉子的轉速（在同步機中，轉子轉速n等于同步速n1）決定的，即：§3.1.2.2轉子繞組無勵磁電流－異步發(fā)電機假設定子旋轉磁場的轉速為n1，當異步機的轉子在原動機（例如風力機）的驅動下，以轉速n旋轉時，轉子繞組的導體與定子旋轉磁場之間有n-n1的轉速差在轉子繞組中感應出的電壓和電流的頻率也都由該轉速差決定?！?.1.2.2轉子繞組無勵磁電流－異步發(fā)電機異步電機轉子中感應電流的頻率應為：轉子磁場的旋轉速度（指的是轉子磁場相對于轉子本身的轉速）為：定子繞組中電流的頻率f1由感應出該電流的定子繞組與轉子磁場的相對轉速n1決定，即：轉差率的定義如下：同步速n1和電機轉子轉速n之差與同步速n1的比值，用s表示：§3.1.2.3轉子繞組通入交流勵磁電流－交流勵磁式發(fā)電機交流勵磁式發(fā)電機和異步發(fā)電機有些類似，差別在于它主動給轉子繞組提供產生轉子磁場所需的交流勵磁電流。當轉子以轉速n旋轉時，如果能夠控制轉子繞組勵磁電流的頻率f2，使得轉子磁場相對于轉子本身的轉速n2（根據(jù)需要，可以與轉子旋轉方向相同或相反）始終滿足

則可以在發(fā)電機轉子轉速n發(fā)生變化的情況下，仍能保持發(fā)電機定子輸出電壓頻率恒定?！?.1.2大型風力發(fā)電機的主流機型未來并網(wǎng)風力發(fā)電的主流機型都是通過電力電子換流器實現(xiàn)風力發(fā)電機組的變速恒頻控制。變速恒頻，即風力機和發(fā)電機轉子的轉速是可變的，而發(fā)電機輸出電壓的頻率是恒定的。§3.1.2.1鼠籠型異步風力發(fā)電機由于風速的不斷變化，導致風力機以及發(fā)電機的轉速也隨之變化，所以實際上鼠籠型風力發(fā)電機發(fā)出的電壓頻率是變化的基于電力電子技術的換流器，先將風力發(fā)電機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永磁同步直驅式風力發(fā)電機所謂“直驅式”是指，風力機與發(fā)電機之間沒有變速機構（即齒輪箱），而是由風力機直接驅動發(fā)電機的轉子旋轉。轉子的轉速就由風力機的轉速決定。當風速發(fā)生變化時，風力機的轉速也會發(fā)生變化，因而轉子的旋轉速度是時刻變化的。為了解決風速變化帶來的輸出電壓頻率變動的問題，需要在發(fā)電機定子繞組與電網(wǎng)之間配置換流器§3.1.2.3交流勵磁雙饋式感應風力發(fā)電機組所謂“雙饋式”是指，發(fā)電機的定子繞組和轉子繞組與電網(wǎng)都有電氣連接，都可以與電網(wǎng)之間交換功率。雙饋式風電機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轉子繞組中的交流勵磁電流的頻率調節(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，用于轉子繞組的勵磁?！?.1.2.4無刷雙饋式風力發(fā)電機組無刷雙饋式風力發(fā)電機組，其定子有兩套極數(shù)不同的繞組，一個稱為功率繞組，直接接電網(wǎng)；另一個稱為控制繞組，通過雙向換流器接電網(wǎng)。轉子為籠型或磁阻式結構，無需電刷和滑環(huán)，轉子的極對數(shù)應為定子兩個繞組極對數(shù)之和。這種無刷雙饋發(fā)電機定子的功率繞組和控制繞組的作用分別相當于交流勵磁雙饋發(fā)電機的定子繞組和轉子繞組§3.1.2.4無刷雙饋式風力發(fā)電機組對于無刷雙饋發(fā)電機，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——轉子轉速對應的頻率；

pp——定子功率繞組的極對數(shù)；

pc——定子控制繞組的極對數(shù)。超同步時，式中取“+”；亞同步時，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現(xiàn)象實現(xiàn)一個電壓等級的交流電能到另一電壓等級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成電路與電源相連的一側為一次繞組，與負荷相連的一側為二次繞組§3.2.1.1變壓器的電壓變換一次繞組和二次繞組一般沒有電氣上的連接，而是通過鐵心中的磁場建立聯(lián)系。對于理想變壓器，感應電壓、電流和繞組匝數(shù)之間有如下關系：每臺變壓器可以長期流過的最大功率，規(guī)定為它自身的額定容量，以kVA來標定。§3.2.1.2變壓器的等效電路在電力系統(tǒng)的分析中，往往構建變壓器的等值電路模型，主要包括三個部分：一次繞組的電路、由磁路等值為電路的勵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來測定勵磁阻抗

變壓器繞組的漏阻抗可以通過短路試驗測得。

在電氣設計的工程實際中，為了簡化計算，往往忽略掉勵磁阻抗的影響，采用如下圖所示的簡化等效電路?！?.2.2變壓器的結構

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，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、調壓分接頭4、調壓機構箱5、高壓側套管6、低壓側套管7、高壓側中性點8、壓力釋放閥門9、瓦斯繼電器10、11、吸濕器12、主變端子箱13、散熱風扇14、油箱15、儲油柜油浸式變壓器由其核心部件（即實現(xiàn)電磁轉換的鐵心和繞組）、用于調整電壓變比的分接頭和分接開關以及油箱和輔助設備構成?！?.2.2.1鐵心

變壓器鐵心的作用是為經(jīng)過一次繞組和二次繞組的磁通提供低磁阻的磁路

當磁通的大小和方向發(fā)生變化時，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，稱為磁滯損耗

磁通變化時，鐵心自身也像繞組一樣，會感應出一定的電壓和電流，由于這種電流只在鐵心的各個小局部循環(huán)，因此被稱為渦流。渦流會在鐵心材料（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、高導磁電工鋼片、磁疇細化的電工鋼片、非晶合金、微晶鋼片等高導磁低損耗材料。

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

為了充分利用圓形繞組的內部空間結構，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構特點，但根據(jù)變壓器形狀的不同，其整體鐵心結構有很大區(qū)別。

單相變壓器

單相變壓器的鐵心形狀對單相變壓器而言，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，有時稱為三相芯式鐵心因為在任何時候，由平衡三相電壓系統(tǒng)所產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?！?.2.2.1鐵心圖為三相五柱式鐵心結構，這是降低大型變壓器（例如大型聯(lián)絡變壓器）或自耦變壓器運輸高度的另一種鐵心結構形式。通過在套裝繞組的心柱外面增加用于構成磁通回路的旁柱的方法，五柱鐵心結構降低了鐵軛高度。另一種使用三相五柱式鐵心結構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?！?.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體材料。

對于所有容量大于幾千伏安的變壓器，其繞組導線截面都為矩形。

在繞組每匝導線內部的單股導線之間必須相互絕緣，每匝導線也要與鄰近的線匝絕緣。這種絕緣就是在導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。其扁平截面的銅導體按照多股方式組成了單相繞組，銅導體被紙絕緣材料螺旋狀纏繞，以保證繞組間絕緣。§3.2.2.2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（合成樹脂粘結紙板）制成的硬紙筒上高壓繞組的導線截面積比低壓繞組的導線截面積要小得多，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構

§3.2.2.3調壓方式與分接開關

很多變壓器在運行時，可以實現(xiàn)對變比的調整，也即對電壓的調整。調壓的方式有無勵磁調壓和有載調壓

無激磁調壓需要在變壓器停電以后，通過螺栓來實現(xiàn)繞組連接位置的變換。

有載調壓方式則可以在變壓器帶電運行時通過有載分接開關實現(xiàn)對電壓的調整。大部分電力變壓器將分接線段設置在高壓繞組上：

因為(1)設置分接線段的目的是為了補償外施電壓的變化，對于除發(fā)電機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)由于高壓繞組內流過的電流較小，因而需要的分接線尺寸也較小，相應分接開關本身通過的電流也小?！?.2.2.3調壓方式與分接開關調壓的實現(xiàn)，依賴于繞組匝數(shù)的變化，也就是利用分接繞組來調整原邊和副變的匝數(shù)比。

正/反調壓結構中高壓分接繞組的連接如下：

首先按負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壓結構可以減少分接繞組的實際尺寸，但結構較復雜，成本較高。

§3.2.2.3調壓方式與分接開關

在有載調壓中，分接位置的變化，需要依靠分接開關來實現(xiàn)。要求在分接變換過程中，不切斷負荷電流；繞組的任何部位都不出現(xiàn)短路現(xiàn)象左圖采用切換開關的電抗式有載調壓分接開關，具有兩個獨立的選擇開關和切換開關，兩個開關機械連鎖，可以順序操作當分接位置由1到2變換時，首先打開切換開關2，將選擇開關2的分接頭從11切換到10，再閉合切換開關?！?.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絕緣介質。

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

在大多數(shù)電氣設備中，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間運行或者耐受操作沖擊和雷電沖擊的瞬變過電壓。變壓器油必須具備以下特性以滿足要求：低粘度低傾點（油的傾點是油能夠流動的最低溫度）高閃點優(yōu)良的化學穩(wěn)定性，很高的電氣強度§3.2.2.5油箱、儲油柜與附屬設備變壓器油箱作為鐵心、繞組和介質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。油箱上必須設置用于注油或放油的閥，在需要時還要增設油樣閥。在油箱上還要設計適量的可拆卸的小蓋板

變壓器油箱必須設有一個或多個安全裝置，以便釋放突然升高的內部壓力壓力釋放閥§3.2.2.5油箱、儲油柜與附屬設備變壓器油箱上通常還要設置其它一些附件：

在箱蓋上設置一個（或幾個）溫度計座用于測量變壓器頂部油溫度；

一塊接線牌或銘牌用于詳細標示變壓器基本參數(shù)；

一個接地端子用于變壓器主油箱接地?！?.2.2.5油箱、儲油柜與附屬設備在使用儲油柜的結構中，可以將變壓器主油箱的油注到頂蓋位置，從而在需要時可以在頂蓋上安裝套管。但使用儲油柜的最重要的特點在于，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油柜通向油箱的連管上。

套管是將油箱內部的電氣連接引出的部件。油位計氣體繼電器低壓側套管壓力釋放閥溫度計（油）溫度計（繞組）風扇高壓側套管套管CT放油閥門吸濕器§3.2.2.6變壓器的散熱當變壓器繞組中產生電阻損耗和其它損耗時，就要產生熱量。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生的溫差壓力。油在繞組內部被加熱而上升，散熱器中受到冷卻而下降。

（2）強迫（不導向）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，然后再通過繞組導線“上部”和“下部”撐條所形成的垂直軸向油道循環(huán)。（3）強迫導向油循環(huán)，油的冷卻借助一些外部設備來實現(xiàn)§3.2.3

變壓器型號表征變壓器型式多樣。在設計和生產中往往需要使用型號來表示變壓器的特征。

變壓器型號的表征一般按下列規(guī)則：

§3.2.3

變壓器型號表征

其中關于型號描述的符號，參見下表：相數(shù)單項三相DS繞組外絕緣介質油空氣成型固體GC冷卻方式自冷式風冷水冷FW油循環(huán)自然循環(huán)強迫油導向循環(huán)強迫油循環(huán)DP繞組數(shù)雙繞組三繞組S調壓方式無激磁調壓有載調壓Z繞組耦合方式自耦分裂O

設計序號是設計和生產廠家自定義的，不直接反映變壓器本身的型式特征?！?.2.3

變壓器型號表征

例3-1：某變壓器的型號為SFPZ5-120000/220，簡述該變壓器的基本型式和參數(shù)。解析：對照上表可知，該變壓器是“三相”變壓器（S），繞組外絕緣介質是“油”（缺?。?，冷卻方式是“風冷”（F），油循環(huán)方式是“強迫油循環(huán)”（P），繞組數(shù)為“雙繞組”（缺?。?，調壓方式為“有載調壓”（Z）。設計序號為5，表示該產品在同類產品系列中的設計序號?！?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為220kV。§3.2.3

風電場中的變壓器

大型風電場中常采用二級或三級升壓的結構。

在風電機組出口裝設滿足其容量輸送的變壓器將690V電壓提升至10kV或35kV；在匯集后送至風電場中心位置的升壓站，經(jīng)過升壓站中的升壓變壓器變換為110V或220kV送至電力系統(tǒng)。如果風電場裝機容量更大，達到幾百萬千瓦的規(guī)模，可能還要進一步升壓到500kV或更高，送入電力主干網(wǎng)。

§3.2.3

風電場中的變壓器

風機出口的變壓器一般歸屬于風電機組，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，其功能是將風電場的電能送給電力系統(tǒng)，因此也被稱為主變壓器為滿足風電場和升壓站自身用電需求，還設置有場用變壓器或所用變壓器風電場電氣系統(tǒng)第3講風電場主要一次設備2教學目標基本掌握斷路器和隔離開關的結構和工作原理，識記斷路器的型式和參數(shù)等，對風電場的斷路器和隔離開關的功能、結構、外觀有具體認知第3章風電場主要一次設備2關注的問題關于電弧的基本知識有哪些？各種開關設備的結構是怎樣的？其作用又是什么？§3.3開關設備

在電力系統(tǒng)生產運行中，電氣設備的相互聯(lián)系及生產方式的轉換，由開關電器的分合來實現(xiàn)。開關電器的分合實現(xiàn)了電路的有選擇接通和斷開。閘刀開關的原理非常簡單：當閘刀落下時，將兩側導體連接為一個導體，接通電路；當閘刀打開后，兩側導體不再有電路聯(lián)系，相互絕緣。閘刀開關所要達成的目的即通過其自身“導體?絕緣體”的轉換來分合電路。電池電燈閘刀開關電力系統(tǒng)中的高壓開關電器要復雜的多常。用的開關電器有斷路器、隔離開關、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§3.3.1.1電弧的本質和特性

開關電器開斷電流時候，只要電路中的電流達到幾百毫安，電壓有幾十伏，開關的觸頭間就會出現(xiàn)電弧

電弧是導電體，只有電弧熄滅才能實現(xiàn)電路的開斷。

氣體金屬類似復合電離電子正離子中性原子[弱等離子體][強等離子體]電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，是一種等離子體狀態(tài)，即帶正電荷和負電荷的粒子數(shù)量相等的離子集團狀態(tài)。隨著溫度的升高能量的輸入，物質可以實現(xiàn)由固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子狀態(tài)的順序轉換。可見，金屬與等離子體有相似之處?！?.3.1.1電弧的本質和特性開關分合過程中所產生的電弧，對于開關電器以及整個系統(tǒng)的安全運行都具有重要影響。這主要是因為：

1、電弧是強功率放電，在電弧區(qū)的任何固體、液體或氣體在電弧作用下都會產生強烈的物理及化學變化。2、電弧是一種自持放電，很低的電壓就能維持相當長的電弧穩(wěn)定燃燒。3、電弧是等離子體，質量很輕，極容易變形。

§3.3.1.2電弧的物理過程

在電弧的形成與維持過程中，游離起了很重要的作用。所謂游離，即中性質點到帶電質點的轉化。電弧通?？梢苑譃槿齻€區(qū)域：陰極區(qū)、弧柱區(qū)和陽極區(qū)在陰極區(qū)、弧柱區(qū)及陽極區(qū)游離過程中產生了帶電質點，并使其產生定向移動。電弧的電位和電位梯度分布，如下圖§3.3.1.2電弧的物理過程電弧中的電流從微觀上看是電子及正離子在電場下移動的結果，其中電子的移動構成電流的主要部分。

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。§3.3.1.2電弧的物理過程

（1）陰極區(qū)：

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

§3.3.1.2電弧的物理過程

（2）弧柱區(qū)：

弧柱部分導電需要在弧柱區(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游離和熱游離兩種。

弧柱中的電子在電場作用下運動，不斷與氣體原子等粒子碰撞。當電子的動能超過原子的游離能

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

§3.3.1.2電弧的物理過程

（3）陽極區(qū)：

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

在被動型中，陽極只起收集電子的作用。

在主動型中，陽極不但收集電子而且產生金屬蒸汽，因而也可以向弧柱提供帶電粒子。

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

而對于長度較大的電弧，弧柱則起主要作用，這種電弧稱為長弧?！?.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。

截流開斷

在此情況下，電弧因不穩(wěn)定而熄滅。

過零熄弧

在這種情況下，電弧是在電流零點時熄滅的。這種熄弧過程稱為過零熄弧?！?.3.1.3交流電弧的熄滅

如電流過零后，弧隙未復燃，電弧就最后熄滅；反之，如發(fā)生復燃，則電弧在電流此次過零時不能熄滅，至少需燃燒至電弧電流下次過零時再熄滅。

弧隙是否復燃決定于兩方面：一是弧隙的介質強度，另一是加在弧隙上的電壓，通常稱為恢復電壓。

介質強度和恢復電壓都是時間t的函數(shù)，通常稱為介質強度恢復過程和電壓恢復過程。

介質恢復過程取決于電流及斷路性能，電壓恢復過程主要決定于電網(wǎng)的結構和參數(shù)§3.3.1.3交流電弧的熄滅顯然，在電弧電流過零后電弧是最終熄滅還是復燃決定于介質強度ud和恢復電壓utr

交流電弧過零熄滅的條件如下：

0utt0u(a)復燃(b)熄滅§3.3.1.3交流電弧的熄滅

一般把介質恢復過程分為熱擊穿階段和電擊穿階段

熱擊穿階段

在開斷大電流時，電弧電流過零后，弧隙的介質溫度仍很高，弧隙仍有一定的電導率。當恢復電壓加在弧隙上時，弧隙中即有一小電流流過。此時在弧隙中同時進行著兩個過程：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。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，最后導致?lián)舸@稱為熱擊穿電擊穿階段

當弧隙溫度降低熱游離基本停止時，弧隙轉變?yōu)榻橘|。在此階段中，如發(fā)生復燃，則與氣體介質擊穿過程相似?！?.3.2斷路器斷路器是電力系統(tǒng)不可缺少的主要控制、保護設備，是電力系統(tǒng)中最重要的開關電器，其作用為切斷電路。

為了可以熄滅電路分合時所產生的電弧，斷路器都裝設有滅弧裝置

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，觸頭分合時電弧能量中除一小部分通過傳導、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、導熱性很好的氣體包圍之中，使電流過零后弧隙介質強度恢復很快，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構的不同，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。多油斷路器的導電部分多做成“U”形，每相至少有兩個斷口。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（動觸頭）；7－箱蓋；電壓等級的多油斷路器，每相各有一個油箱，稱為分箱式結構有些電壓等級較低的多油斷路器，三相共用一個油箱，稱為共箱式結構。

§3.3.2.1油斷路器

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

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

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

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

一般高電壓等級的少油斷路器的結構是細而高，結構穩(wěn)定性較差，不宜在強烈地震地區(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壓力值來表示，壓力越低稱之真空度越高。凡是絕對壓力低于正常大氣壓力的狀態(tài)都可稱為真空狀態(tài)。絕對壓力等于零的空間稱為絕對真空，才是真正的真空或理想真空。真空的程度以氣體的絕對壓力值來表示，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，為方便起見常將它劃分為幾個區(qū)域。我國劃分的區(qū)域為如下表所示。

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。電極表面在強電場作用下會產生電子發(fā)射。隨著電極表面溫度和外加電場強度的增大，電極表面電子發(fā)射的電流密度也增大。當電流密度達到某一臨界值時，真空間隙就被擊穿了，這被稱為場致發(fā)射擊穿機理。電極表面不可避免地總會粘有一些微粒質點，它們在電場作用下會附著電荷運動，具有動能。在與另一電極碰撞時，動能轉變?yōu)闊崮?，使微粒本身熔化和蒸發(fā)，蒸發(fā)產生的金屬蒸汽又會與場致發(fā)射的電子產生碰撞游離，最終導致間隙的擊穿,這被稱為微粒擊穿機理。§3.3.2.2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)）壓降和陽極壓降三部分組成。真空電弧的長度很短，對電弧電壓起主要作用的是陰極和陽極壓降。電弧電壓隨電流增大而增加，具有正的伏安特性。§3.3.2.2真空斷路器（3）真空斷路器的基本結構

真空斷路器的結構與其它斷路器大致相同，主要由操動機構、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構定導電桿靜法蘭盤磁管屏蔽罩觸頭磁管波紋管導向套動導電桿動法蘭盤(a)真空斷路器結構原理圖(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，動觸頭運動時的密封靠波紋管。動、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

真空斷路器的特點：真空斷路器的機械壽命和電氣壽命都很高。通常機械壽命和開合負載電流的壽命都可達到一萬次以上。

真空滅弧室密封問題特別重要，否則就會導致開斷失敗，造成事故真空滅弧室工作狀態(tài)與外界大氣條件無關，不會在開斷短路電流時產生噴油、排氣給外界帶來污染，無須檢修；開斷過程中不會產生很高的壓力，爆炸危險性?。婚_斷短路電流時也沒有很大的噪聲

§3.3.2.3SF6斷路器

（1）SF6氣體簡介

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。

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

無色、無味、無毒，不會燃燒，化學性能穩(wěn)定，常溫下和其他材料不會發(fā)生化學反應。但在電弧的高溫作用下，SF6的分解物SF4、S2F2、SF2、SOF2、SO2F2、SOF4、HF等都具有強烈的腐蝕性和毒性。安裝有SF6電器的場所應裝設合適的通風設備。

§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，否則對設備運行帶來危害。

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，對于熄滅電弧有利。電弧即使在電流很小時依然可以維持弧芯的導電狀態(tài)，電流過零時弧柱殘余體積小，能量小，有利于弧隙絕緣強度的恢復。由于SF6氣體絕緣性能好，SF6斷路器中動靜觸頭間的距離不必很大，降低了上游部分電弧長度和電弧能§3.3.2.3SF6斷路器（2）SF6斷路器基本類型

按照結構不同，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。高電壓下，每相需要將多個滅弧室串聯(lián)裝在同一罐體內。瓷柱式斷路器的滅弧室裝在絕緣支柱上，通過串聯(lián)滅弧室，并將它們安裝在適當高度的絕緣支柱上，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，電流通過主觸頭和壓氣缸從上載流部分向下載流部分傳導。1-上載流部分，2-靜弧觸頭，3-動弧觸頭，4-壓氣室，5-下載流部分，6-噴嘴，

7-靜主觸頭，8-.動主觸頭，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狀態(tài)閉合狀態(tài)在斷開過程中，主管道的活動部分、形成電弧的靜觸頭、壓氣缸和噴嘴都被拉向斷開狀態(tài)。在閉合過程中，充氣閥會打開使得SF6氣體能注入吹氣室。§3.3.2.3SF6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-主動觸頭，11-自能壓氣閥，12-壓氣缸，13-過壓泄氣閥，14-下載流部分基本結構觸頭分離形成電弧電弧熄滅斷開狀態(tài)閉合過程在斷開過程中，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始。當形成電弧觸點分離后，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。直到氣壓足夠將自動吹氣閥推向閉合位置。當電流波形過零時，電弧變的相對微弱。被壓縮的SF6氣體通過噴嘴從自能壓氣室注入，從而熄滅了電弧。在閉合過程中，充氣閥會打開使得氣體能被充入壓氣室和自能壓氣室?！?.3.2.3SF6斷路器（3）斷路器操作機構在斷路器本體以外的機械操動裝置稱為操動機構，而操動機構與斷路器動觸頭之間連接的部分稱為傳動機構和提升機構。操動機構的合閘能源從根本上講是來自人力或電力。還可轉變?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，操動機構可分為手動操動機構、電磁操動機構、彈簧操動機構、電動機操動機構、氣動操動機構和液壓操動機構等?！?.3.2.3SF6斷路器手動操作機構（CS）——靠手力直接合閘的操動機構。

電磁操動機構（CD）——靠電磁力合閘的操動機構電動機操動機構（CJ）——利用電動機減速裝置帶動斷路器合閘的操動機構彈簧操動機構（CT）——利用已儲能的彈簧為動力使斷路器動作的操動機構

液壓操動機構（CY）——利用液壓油作為動力傳遞介質。操動方式有兩種：直接驅動式和儲能式氣動操動機構（CQ）——利用壓縮空氣作為能源產生推力的操動機構§3.3.2.3SF6斷路器（4）風電場中的斷路器及其操作機構舉例圖為風電場中常用的35kV真空斷路器及其機構箱內部結構的實物圖。操作機構為彈簧機構，可以看到分合位置指示，彈簧壓力表及手動分合按鈕及接線端子排等基本元件?！?.3.2.3SF6斷路器為風電場升壓變電站中