輸變電系統

地命海心 2024-05-30 05:24 1次浏览 0 条评论 taohigo.com

1.輸變電系統是電力系統的重要組成部分,包括變電所和輸電線路。發電廠生產的電能經過變電網絡,供給配電系統和用戶。一般輸電系統的設備有:變換電壓的設備、接通和開斷電路的開關電器、防禦過電壓,限制故障電流的電器、無功補償設備、載流導體、接地裝置等。其中變換電壓的設備有:變壓器;接通和開斷電路的開關電器有:斷路器、隔離開關、熔斷器;防禦過電壓和限制故障電流的電器有:避雷器、避雷針、避雷線、電抗;無功補償設備有:電力電容器、同步調相機、靜止補償器;載流導體有: 母線、引線、電纜、架空線;接地裝置有:變壓器中性點接地、設備外殼接地、防雷接地等。

2.發電廠和變電所中的一次設備,按照一定規律連接而成的電路稱為電氣主接線,也稱為電氣一次接線或者一次系統。

圖2.1 220/110/10kV 地區變點所主接線圖

3.輸電線路:按電力線路的結構分為架空線路和電纜線路。

架空線路:如下圖3.1所示的架空線路(主要設在戶外),主要由圖中所示的避雷線、絕緣子、導線、塔桿等部件組成。

圖3.1 架空線路結構

電力電纜:由導線、絕緣層、保護包皮層組成,電力電纜一般安放在電纜架上,電纜管道中或者直接埋設在地下的電纜溝裡。根據電力電纜中導體數目可以分為單芯、三芯、四芯電纜。10kV以上的線路為瞭增加導線的極限性能,減少架空塔桿的數量,廣泛采用鋼芯鋁絞線,型號用LGJ標識。

圖3.2 架空線路示意圖

圖3.2架空線路示意圖中的直線桿塔主要用於懸掛導線;耐張桿塔又稱承力桿塔,承受導線的拉力使線路分段,便於施工和檢修;終端桿塔是最靠近變電所的一座桿塔,承受瞭最後一個耐張擋距的單相拉力;轉角桿塔,用於線路拐彎處;特種桿塔,特殊情況下使用的一類桿塔,例如導線換位的換位塔,跨越河流山谷的跨越桿塔。

4. 開關電器的分類(功能):a.用於斷開或者閉合正常工作電流的開關電器:負荷開關。b.用於斷開負荷電流或短路電流的開關電器:熔斷器。c.用於斷開或閉合正常工作電流、短路電流的開關電器:交流斷路器,直流斷路器。d.不要求斷開或者閉合電流,隻用於檢修時隔離電壓的開關電器:隔離開關。

高壓斷路器的基本結構:首先通過滅弧介質和工作原理可以將斷路器分為油斷路器,壓縮空氣斷路器,SF6斷路器,真空斷路器,磁吹斷路器和自產氣斷路器。高壓斷路器最重要的原因就是開斷電路,熄滅電弧。不同斷路器具有不同介質的滅弧裝置。油斷路器是利用電弧分解油和氣將電弧吹滅,屬於自能式原理滅弧。壓縮空氣斷路器和SF6斷路器是利用有壓力的氣體或氣體的優良滅弧性能將電弧吹滅。戶內斷路器一般使用在35kV以下;戶外斷路器則可使用在110kV及其以上的輸變電系統。110kV及以上的戶外少油、空氣和SF6斷路器采用積木式結構。每一基本單元有倆個滅弧單元串聯。SF6斷路器的滅弧性能好,可減少串口的端口數。

圖4.1 斷路器的積木式結構圖

高壓斷路器的基本參數。1.額定開斷電流 I_{Nbr} 。2.全開斷時間 t_{ab} 。3.合閘時間 t_{on} 。4.熱穩定電流 I_{t}。 5.自動重合閘性能。

5.互感器包括電流互感器(TA)和電壓互感器(TV)。互感器的作用是將一次回路的大電流、高電壓轉換為二次回路的小電流(5A/1A)和低電壓(100V/100/√3)使測量儀標準化,小型化;使二次設備與一次高壓隔離。互感器的二次必須接地,以保證一、二次繞組間絕緣擊穿後的人身和設備安全。

6.電流互感器的誤差。電流互感器的等值電路如下圖6.1 所示,一般電流互感器的二次負載阻抗很小,近似於在短路狀態運行。

圖6.1 電流互感器等值電路

從圖6.2中可以看出以 I_{2}^{、} 為基準, U_{2}^{、} 超前 I_{2}^{、} phi_{2}(二次負載功率因數角); E_{2}^{、} 超前 I_{2}^{、} alpha 角(二次總阻抗角),鐵芯磁通 phi 超前 E_{2}^{、} 90度,勵磁磁勢 I_{0}N_{1} 超前磁通 phivarphi 角(鐵芯損耗角)。其額定電流比ki= frac{I_{N1}}{I_{N2}} = frac{N1}{N2} 。其中N1和N2為一、二次繞組的匝數。寫出互感器的磁勢平衡方程 I1N1+I2N2=I0N1。電流誤差f1=(I2N2-I1N1)/I1N1。

圖6.2 電流互感器向量圖

電流互感器的二次側接測量儀表或繼電器的電流線圈,極性端按減極性法則表示。圖6.3(a)常用於三項對稱負荷,如電動機一相電流的測量;圖6.3(b)為星形接線,可監視三相不對稱負荷。圖6-3(c)為不完全星形,用於不接地系統的功率表,電度表的測量。

圖6.3 電流互感器與測量儀表接線圖

7. 電壓互感器:在輸變電系統中使用的電壓互感器按照工作原理可以分為電磁式和電容式電壓互感器兩類。

A. 電磁式電壓互感器:電磁式電壓互感器的特點是容量小,二次側所接的測量儀表和繼電器的電壓線圈的阻抗很大,且二次負載基本恒定。其額定電壓比 K_{u}=U_{N1}/U_{N2} . 其中UN1為電網的額定電壓,UN2為二次側的額定電壓,以統一為100V或100/√3V,所以Ku已經標準化。

電壓互感器的準確級分為0.2、0.5、1、3、3P、6P等六種,準確級指的是在規定的一次電壓(0.8~1.2)UN1和二次負荷變化范圍[(0.25~1)SN2]內,f=fN,負荷的功率因數為0.8時的電壓誤差最大值,用百分比表示。實際使用中,一次電壓和二次負荷變化不大,所以準確級比電流互感器容易保證。電壓互感器規定瞭額定容量和最大容量,最大容量不保證精度,由長期工作時容許的發熱條件決定。

電壓互感器的接線。圖7.1(a)在中性點直接接地系統中用一臺電壓互感器可測量相電壓。7.1(b)在中性點不接地系統中用一臺電壓互感器測量線電壓。7.1(c)也稱為V/V接線,用於測量3~20kV系統的相電壓。7.1(d)是一三臺單相三繞組電壓互感器構成的YN/Y/開口三角接線,其二次繞組測量相和相間電壓,輔助二次繞可輸出零序電壓。用於100kV以上時,一次回路不設熔斷器。

圖 7.1 電壓互感器接線圖

B.電容式電壓互感器:原理接線如下圖7.2所示。電容式電壓互感器由於制造簡單、體積小、可以兼作高頻載波通道等優點,所以在我過220kV~500kV的電力網中得到瞭廣泛的應用。(原理將在以後進行DL)

圖7.2 電容式電壓互感器接線

8. 電力系統接線:地理接線圖+電氣接線圖。在地理接線圖上表明各發電廠、變電所的相對地理位置和它們之間的連接關系。電氣接線圖表面電力系統中各主要元件之間和廠所之間的電氣連接關系,它不反應發電廠、變電所的地理位置。

9. 輸變電網絡接線可以分為無備用(負荷隻能從一條路徑中獲取電能)和有備用。A. 無備用接線包括單回路放射式、幹線式和鏈式網絡(幹線式和鏈式網絡由於線路較長,末端電壓往往偏低),每一負荷隻能靠一條線路獲取電能,故又稱開式網絡。它們的優點是接線簡單,缺點是供電無備用。B. 有備用接線最簡單的是采用雙回路供電的共識,除此之外,有單環式,雙環式和兩端供電式。

10. 電力網絡按職能可分為輸電網絡和配電網絡。大的電網是分層結構的,由不同電壓的輸電網絡互聯而成的。與電源連接的220kV~500kV以上電壓的遠距離輸電幹線常采用雙回線和多回線,進而構成一級主幹輸電網絡。位於負荷中心的城市型網絡,是以110kV~220kV電壓,匯集多個電源的環形網作為二級輸電網絡。35kV及以下高低壓配電網可采用簡單的開式網絡,或復雜的閉式網絡、網絡式網絡。

11. 電氣主接線的基本接線形式。電氣主接線的基本接線形式可以分為有匯流和無匯流母線兩大類。

有匯流母線的接線形式有:單母線、單母線分段、雙母線、雙母線分段;增設旁路母線或旁路隔離開關,一臺半斷路器接線,變壓器母線組接線等。如圖11.1 為雙母線帶旁路母線的接線方式,其中QF2是專用的旁路斷路器,QS4和QS3位線路的旁路刀閘,在檢修任一進出線路的斷路器的旁路刀閘時,不必中斷該回路的持續供電。在回路數不多時,為瞭節省斷路器,常以母聯兼作旁路斷路器。一臺半斷路器的接線。如圖11.2 所示,在母線W1和母線W2之間,沒串接有三臺斷路器,兩臺回路,沒二臺斷路器之間引出一回線。它具有較高的供電可靠性以及靈活性。母線故障,隻能跳開與此母線相連的斷路器,任何回路不停電。與雙母各種接線相比,其可靠性又有瞭提升。而且由於隔離開關不作操作電器,減少瞭誤操作的幾率。

圖11.1 雙母線帶旁路母線接線圖11.2 一臺半斷路器接線

無匯流母線接線的特點是使用的斷路器數量較少,結構簡單。其中無匯流母線的接線方式主要有1.單元接線及擴大單元接線。2.橋型接線。3.角型接線。如圖12.3所示,有發電機與變壓器直接相連組成單元接線。如發電機-變壓器-線路單元。由於發電機出口不設母線,短路時電流有所減少。發電機與三繞組自耦變壓器或普通變壓器組成單元時,便於在一側停運時,另外兩側繼續運行,變壓器的三側均應裝設斷路器。在此同時,為瞭減少變壓器的臺數和高壓側斷路器的數目,並節省配電裝置占地面積,也可將兩臺發電機與一臺變壓器相連,組成擴大單元的接線。

圖11.3 單元接線

橋型接線:當隻有兩臺變壓器和兩條輸電線時,可采用橋型接線。按照跨接於兩條線路之間的斷路器的位置。角型接線:如圖11.4所示,角形接線的斷路器數等於回路數,且每條回路都與兩臺斷路器想接,檢修任意斷路器不致中斷該回路供電,隔離開關隻在檢修時起到隔離電源之用,不作操作電器。從而具有較高的可靠性。

圖11.4 角形接線

12.保護接地:保護接地時將電氣設備金屬外殼、金屬構件或互感器的二次側等接地,防備由於絕緣損壞而使外殼帶危險電壓,以保護工作人員在接觸時的安全,觸電可以分為三類:A.與帶電部分直接接觸。B.接地故障時,人處於截出電壓和跨步電壓的危險區。C.與帶電部分間隔在安全距離之內。

圖13.1 表示不接地系統安裝保護接地的作用,當人觸及絕緣損壞而帶電的外殼時,流過人體的電流為 I_{man}=I_{E}timesfrac{R_{E}}{R_{man}+R_{t}+R_{E}}

圖12.1 不接地系統保護接地作用示意圖

13.保護接地裝置電阻的允許值。接地裝置由埋入土中的金屬接地體和連接導線所構成。當電力線路或電氣設備絕緣損壞發生接地時,接地電流通過接地體向大地做半球形擴散,形成電磁場。由於大地具有一定的電阻率,電流擴散遇到的電阻稱為散流電阻。

14.保護接地和保護接零。保護接地按照GB4776,分IT,TT,TN三種方式。保護接零時保護接地的一種,即將設備金屬外殼接零線。

IT接地方式。 字母I為電源中性點不接地或經高阻抗接地,T為設備的金屬外殼接地,如下圖14.1(a)所示。這種保護的方式的實質是通過降低接地電阻RE,限制故障設備外殼的接地電壓UE的值,近似計算可得:

U_{E}=frac{3U_{phi}*R_{E}}{3R_{E}+Z}I_{E}=frac{3U_{phi}}{3R_{E}+Z}

圖14.1 IT接線方式 & TT接線方式

TT接地方式。第一個字母T代表電源中性點接地,第二個T代表設備金屬外殼接地,如上圖15.1b所示。這種方法在高壓系統普遍采用,而當低壓系統中有較大容量的電氣時則不妥,理由如下:

U_{E}=frac{U_{phi}*R_{E}}{R_{E}+R_{0}}I_{E}=frac{U_{phi}}{R_{E}+R_{0}}

TN接地方式。TN接地方式又叫做保護接零。T表示電源中性點接地,N表示零線。PE表示保護線。TN-S系統。字母S表示N與PE分開,設備的金屬外殼與PE相連,設備中性點與N連接,即采用五線制供電。如圖14.2(a)所示。優點PE中沒有電流,故設備金屬外殼對地電位為零。TN-C系統。C表示N與PE合並為PEN,實際上是四線制供電方式。設備中性點和金屬外殼都與N連接,如圖14.2(b)。由於N正常時流通三相不平衡電流和諧波電流,故設備金屬外殼正常時對地帶有一定電壓,通常用於一般供電所。TN-C-S系統,一部分N與PE合並,一部分N與PE分開,是四線半制供電方式,如圖14.2(c)。

圖14.2 TN接線方式

TN接線方式,如設備發生碰殼故障,就形成火線、金屬外殼和N或PE的一個金屬閉合回路,短路電流較大,能使保護裝置迅速的將故障切除。我國規定零線上是不允許安裝保護裝置和熔斷器的,但零線斷開是可能的,在斷開後面的線路上隻要有一臺設備外殼帶電,後面的TN接線方式的設備外殼上都會出現對地高電壓,這是非常危險的。因此出電源工作接地點外,應在線路終端、幹線分支點、較長線路的對應中性點上或接零設備的外殼上多次、重復接地,這樣萬一在PEN斷開,可以還為TT方式,減少觸電的危險程度。當然應該指出在同一臺變壓器供電的電網中,不允許TT和TN方式混用,因為TT方式的外殼故障後,引起中性點電位升高,若故障不能及時切除TN方式的外殼有觸電的危險。

15.高壓直流系統。直流線路的優點:a.造價低,電能損耗少。b.無電抗影響,遠距離輸電不存在失去穩定的問題。c.穩態下,不存在交流長電纜線路的容性電納引起的電壓升高。e.直流系統的響應快,調節精確,有利於故障時交流系統間的快速緊急支援和減少功率擾動。f.可聯絡兩個額定頻率相同或不同的交流電力系統,聯網後交流系統的短路容量,不因互聯而顯著增大。缺點:換流站的造價高,換流器工作時需要消耗較多的無功功率,產生較大的諧波電流和電壓,直流斷路器的熄弧困難,使多端直流輸電的發展收到一定的影響。

由於交流輸電使用電纜時產生的容性電流,限制瞭傳輸距離的增加。直流系統按照與交流電力系統連接的節點數量不同,可以劃分為兩端和多端直流輸電兩類。到目前為止,由於直流斷路器尚處於應用研制階段,世界各國已建成的直流輸電工程,除瞭個別以外,都為兩端直流輸電。