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电气设备及运行学习资料1电气设备及运行学习资料1目 录第一章 发电厂及电力系统1第一节 电力系统概述1第二节 电能的生产与其它工业生产的不同特点:2第三节 电力系统对电压的规定4第三节 中性点运行方式5第二章 电力系统电气设备7第一节 电气设备一次接线方式7第三章 发电机部分11第一节 发电机定子结构11第二节 发电机定子绕组12第三节 转子结构14第四节 转子绕组15第四章 变压器概述16第一节 变压器的分类16第二节 油浸式变压器17第三节 干式变压器18第四节 芯式铁芯19第五节 变压器绕组21第五节 变压器工作原理23第六节 干式变压器的工程选型及应用24第五章 断路器概述28第一节 多油式断路器28第二节 少油式断路器29第三节 空气断路器30第四节 SF6断路器31第五节 断路器工作原理32第六节 断路器的选择32第六章 隔离开关33第一节 隔离开关概述33第二节 V型隔离开关34第三节 二柱型隔离开关34第四节 三柱型隔离开关35第五节 剪刀型隔离开关35第六节 室内型隔离开关35第七节 隔离开关工作原理36第八节 隔离开关选型36第七章 电压互感器37第一节 电压互感器概述37第二节 干式电压互感器38第三节 浇注式电压互感器39第四节 油浸式电压互感器39第五节 电容式电压互感器40第六节 电压互感器工作原理41第七节 电压互感器配置42第八章 电流互感器43第一节 电流互感器概述43第二节 穿墙式电流互感器44第三节 装入式电流互感器44第四节 支持式电流互感器46第五节 电流互感器工作原理47第六节 电流互感器配置48第九章 高压配电设备应用及其运行49第一节 隔离开关运行49第二节 高压熔断器运行与维修51第三节 阀型避雷器的运行维护及故障处理53第四节 有关电气设备的维修方法与实践54第五节 万用表的使用注意事项58第六节 厂用电源系统6kV母线的核相59第十章 电力系统继电保护62第一节 电力系统继电保护的概念与作用62第二节 继电保护的基本原理、构成与分类：63第三节 对继电保护的基本要求：65第四节 发展：67第五节 自动重合闸67第六节 电力变压器的继电保护73第七节 发电机的继电保护83第八节 母线的继电保护97第一章 发电厂及电力系统第一节 电力系统概述电力工业发展初期，电能是直接在用户附近的发电站(或称发电厂)中生产的，各发电站孤立运行。随着工农业生产和城市的发展，电能的需要量迅速增加，而热能资源(如煤田)和水能资源丰富的地区又往往远离用电比较集中的城市和工矿区，为了解决这个矛盾，就需要在动力资源丰富的地区建立大型发电站，然后将电能远距离输送给电力用户。同时，为了提高供电可靠性以及资源利用的综合经济性，又把许多分散的各种形式的发电站，通过送电线路和变电所联系起来。这种由发电机、升压和降压变电所，送电线路以及用电设备有机连接起来的整体，即称为电力系统。 电力系统加上发电机的原动机(如汽轮机、水轮机)，原动机的力能部分(如热力锅炉、水库、原子能电站的反应堆)、供热和用热设备，则称为动力系统。电力系统中，由升压和降压变电所和各种不同电压等级的送电线路连接在一起的部分，称为电力网。电力系统在技术和经济上都可以收到很大的效益，主要的有：1、减少系统中的总装机容量由电力系统供电的各用户的最大负荷并不是同时出现的，因此，系统中综合最大负荷总是小于各用户最大负荷的总和。由于系统综合最大负荷的降低，也就可以相应地减少系统的总装机容量。为了保证对用户可靠地供电，无论是孤立电站还是电力系统，都需要检修和事故备用容量。在孤立电站中，备用容量不应小于电站最大机组容量(可能达到电站总容量的30一40)。而在电力系统中，所有发电站连接在一起并列运行，备用容量只需系统总容量的20，其中：负荷备用25，事故备用10左右，检修备用8左右。显然，此时电力系统的备用容量比各孤立电站备用容量的总和为少，即总装机容量又可以减少。2、可以装设大容量机组组成电力系统后，由于总负荷的增大，因此可以装设大容量机组。大容量机组效率高，每千瓦投资以及维护费用都比多台小机组经济得多。但是，电力系统中所采用的最大机组容量，以不超过总装机容量的1520为宜。3、能够充分利用动力资源建成电力系统后，就可以将发电站建造在动力资源产地，如在煤矿附近建立巨型坑口电站，在水能资源集中的地方建立大型水力发电站等。同时，有些形式的电站，如热电站，水电站、风力电站、原子能电站等，如果不与系统并列，就很难保证持续正常供电以及发挥其最佳经济效益。例如，热电站的抽汽机组的出力是由热负荷确定的，而热负荷与电负荷的需要往往不能互相配合。水电站的出力则是由水能及其综合利用要求来决定的，也往往与电负荷的需要不相配合：一般在夏季丰水期，水量多而用电量较少；冬季枯水期，水量少而用电量反而多，因此，就可能或由于水库调节库容不够而弃水，或对电力负荷不能保证供应。如果把水电站连接在电力系统中，由于有火电站和其它形式电站的互相配合和调节，水能资源就能得到充分利用，供电也能得到保证。4、提高供电可靠性在电力系统中，由于是多电源联合供电，机组的台数较多，即使个别机组或电源发生故障，其它机组或电源仍可以在出力允许的情况下多带负荷，因此可以提高供电可靠性。5、提高电能质量电能质量用频率和电压来衡量，其数值，应根据规程要求保持在一定的允许变动范围内。由于电力系统容量大，因而负荷波动时所引起的频率和电压波动就会减小，电能质量可以提高。 6、提高运行的经济性建立电力系统后，除了充分利用动力资源可以提高运行的经济性外，在系统中还可以经济合理的分配各发电站或各机组的负荷，使运行经济、效率高的机组多带负荷，效率低、发供电成本高的机组少带负荷，从而降低生产电能的成本。第二节 电能的生产与其它工业生产的不同特点:1、电能不能大量储藏电力系统中发电站负荷的多少，决定于用户的需要，电能的生产和消费时时刻刻都是保持平衡的。电能的生产、分配和消费过程的同时性，使电力系统的各个环节形成了一个紧密的有机联系的整体，其中任一台发、供、用电设备发生故障，都将影响电能的生产和供应。2、电力系统的电磁变化过程非常迅速电力系统中，电磁波的变化过程只有千分之几秒，甚至百万分之几秒；而短路过程发电机运行稳定性的丧失则在十分之几秒或几秒内即可形成。为了防止某些短暂的过渡过程对系统运行和电气设备造成的危害，要求能进行非常迅速和灵敏的调整及切换操作，这些调整和切换，靠手动操作不能获得满意的效果，甚至是不可能的，因此必须采用各种自动装置。3、电力工业和国民经济各部门之间有着极其密切的关系电能供应不足或中断，将直接影响国民经济各个部门的生产，也将影响人们的正常生活，因此要求电力工业必须保证安全生产和成为国民经济中的先行工业，必须有足够的负荷后备容量，以满足日益增长的负荷需要。根据以上电能生产的特点，电力系统的运行必须满足下列基本要求:1、证对用户供电的可靠性在任何情况下，都应该尽可能的保证电力系统运行的可靠性。系统运行可靠性的破坏，将引起系统设备损坏或供电中断，以致造成国民经济各部门生产停顿和人民生活秩序的破坏，甚至发生设备和人身事故。电力用户，对供电可靠性的要求并不一样，即使一个企业中各个部门或车间，对供电持续性的要求也有所差别。根据对供电持续性的要求，可把用户分为三级。一级负荷：如停止供电，将会危害生命、损坏设备、产生废品和使生产过程混乱，给国民经济带来重大损失，或者使市政生活发生重大混乱。二级负荷：如停止供电，将造成大量减产，城市大量居民的正常活动受到影响。三级负荷：指所有不属于一级及二级的负荷，如非连续生产的车间及辅助车间和小城镇用电等。对于一级负荷，至少要由两个独立电源供电，其中每一电源的容量，都应在另一电源发生故障时仍能完全保证一级负荷的用电；对于三级负荷，不需要备用电源；对于二级负荷是否需要备用电源，要进行技术经济比较后才能确定。2、保证电能的良好质量即要求供电电压(或电流)的波形为较严格的正弦波，保证系统中的频率和电压在一定的允许变动范围以内。我国规程规定：1035kV及以上电压供电的用户和对电压质量有特殊要求的低压用户电压允许偏移为5；频率允许偏移为0.5Hz。3、保证运行的最大经济性电力系统运行有三个主要经济指标，即生产每度电的能源消耗(煤耗率、油耗率、水耗率等)，生产每度电的自用电(自用电率)，以及供配每度电在电力网中的电能损耗(线损率)。提高运行经济性，就是在生产和供配某一定数量的电能时，使上列三个指标达到最小。为了实现电力系统的经济运行，必须对整个系统实施最佳经济调度。第三节 电力系统对电压的规定为了便于电器制造业的生产标准化和系列化，国家规定了标准电压等级系列。在设计时，应选择最合适的额定电压等级。所谓额定电压，就是某一用电器(电动机、电灯等)、发电机和变压器等在正常运行时具有最大经济效益时的电压。我国规定了电力设备的统一电压等级标准。电力网中各点的电压是不同的，其变化情况如下图。设供电给电力网的发电机G是在电压U1下运行的，由于线路中有电压降落，对于由发电机直接配电的部分，线路始端电压U1大于末端电压U2。为便于讨论，设直线U1U2(实际应为折线)代表电压的变化规律，受电器l4将受到不同的电压。而受电器是按标准化生产的，不可能按照图示各点的不同电压来制造电器，而且电力网中各点的电压，也并不是恒定的。为了使所有受电器的实际端电压与它的额定电压之差最小，显然应该采取一个中间值，即取Ue(U1+U2)2来作为受电器的额定电压。该电压也就规定为电力网的额定电压。 如果认为用电设备一般允许电压偏移5，而沿线的电压降一般为l0，这就要求线路始端电压为额定值的105，以使其末端电压不低于额定值的95%。发电机接于线路始端，因此，发电机的额定电压取为电力网额定电压的105。接到电力网始端即发电机电压母线的变压器(如T1)，由于发电机电压一般比电力网额定电压高5，而且发电机至该变压器间的连线压降较小，为使变压器一次绕组电压与发电机额定电压相配合，可以采用高出电力网额定电压5的电压作为该变压器一次绕组的额定电压。接到电力网受电端的变压器(如T2)，其一次绕组可以当做受电器看待,因而其额定电压取与受电器的额定电压即电力网额定电压相等。由于变压器二次绕组的额定电压，是指变压器空载情况下的额定电压。当变压器带负载运行时，其一,二次绕组均有电压降，二次绕组的端电压将低于其额定电压，如按变压器满载时一、二次绕组压降为5考虑，为使满载时二次绕组端电压仍高出电力网额定电压5,则必须选变压器二次绕组（如T1、T2）的额定电压比电力网额定电压高出10。当电力网受端变压器供电的线路很短时，如排灌站专用变压器，其线路压降很小，也可采用高出电力网额定电压加上5%(如:3.15，6.3，10.5kV)，作为该变压器二次绕组的额定电压。由于电力网中各点电压是不同的，而且随着负荷及运行方式的变化,电力网各点的电压也要变化，为了保证电力网各点的电压在各种情况下均符合要求，变压器均有用以改变变压比的若干分接头的绕组(一般为高、中压绕组)。适当地选择变压器的分接头，可调整变压器的出口电压，使用电设备处的电压能够接近它的额定值。无激磁调压变压器高压(或中压)绕组的分接头为Ue5或Ue2*2.5。有载调压变压器高压绕组的分接头为Ue3*2.5%或Ue4*2%。第三节 中性点运行方式电力系统中性点接地方式有两大类:一类是中性点直接接地或经过低阻抗接地，称为大接地电流系统；另一类是中性点不接地，经过消弧线圈或高阻抗接地，称为小接地电流系统。其中采用最广泛的是中性点不接地、中性点经过消弧线圈接地和中性点直接接地等三种方式。(一)中性点不接地系统当中性点不接地的系统中发生一相接地时，接在相间电压上的受电器的供电并未遭到破坏，它们可以继续运行，但是这种电网长期在一相接地的状态下运行，也是不能允许的，因为这时非故障相电压升高，绝缘薄弱点很可能被击穿，而引起两相接地短路，将严重地损坏电气设备。 所以，在中性点不接地电网中，必须设专门的监察装置，以便使运行人员及时地发现一相接地故障，从而切除电网中的故障部分。在中性点不接地系统中，当接地的电容电流较大时，在接地处引起的电弧就很难自行熄灭。在接地处还可能出现所谓间隙电弧，即周期地熄灭与重燃的电弧。由于电网是一个具有电感和电容的振荡回路，间歇电弧将引起相对地的过电压，其数值可达(2.53)Ux。这种过电压会传输到与接地点有直接电连接的整个电网上，更容易引起另一相对地击穿，而形成两相接地短路。在电压为3-10kV的电力网中，一相接地时的电容电流不允许大于30A，否则，电弧不能自行熄灭。在2060kV电压级的电力网中，间歇电弧所引起的过电压，数值更大，对于设备绝缘更为危险，而且由于电压较高，电弧更难自行熄灭。因此，在这些电网中，规定一相接地电流不得大于10A。(二)中性点经消弧线圈接地系统当一相接地电容电流超过了上述的允许值时,可以用中性点经消弧线圈接地的方法来解决，该系统即称为中性点经消弧线圈接地系统。消弧线圈主要有带气隙的铁芯和套在铁芯上的绕组组成，它们被放在充满变压器油的油箱内。绕组的电阻很小，电抗很大。消弧线圈的电感，可用改变接入绕组的匝数加以调节。显然，在正常的运行状态下，由于系统中性点的电压三相不对称电压，数值很小，所以通过消弧线圈的电流也很小。采用过补偿方式,即使系统的电容电流突然的减少(如某回线路切除)也不会引起谐振，而是离谐振点更远。 在中性点经消弧线圈接地的系统中，一相接地和中性点不接地系统一样，故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高至倍，三相线电压仍然保持对称和大小不变，所以也允许暂时运行，但不得超过两小时，消弧线圈的作用对瞬时性接地系统故障尤为重要，因为它使接地处的电流大大减小，电弧可能自动熄灭。接地电流小，还可减轻对附近弱点线路的影响。在中性点经消弧线圈接地的系统中,各相对地绝缘和中性点不接地系统一样,也必须按线电压设计。（三）中性点直接接地系统中性点的电位在电网的任何工作状态下均保持为零。在这种系统中，当发生一相接地时，这一相直接经过接地点和接地的中性点短路，一相接地短路电流的数值最大，因而应立即使继电保护动作，将故障部分切除。中性点直接接地或经过电抗器接地系统，在发生一相接地故障时，故障的送电线被切断，因而使用户的供电中断。运行经验表明，在1000V以上的电网中，大多数的一相接地故障，尤其是架空送电线路的一相接地故障，大都具有瞬时的性质，在故障部分切除以后，接地处的绝缘可能迅速恢复，而送电线可以立即恢复工作。目前在中性点直接接地的电网内，为了提高供电可靠性，均装设自动重合闸装置，在系统一相接地线路切除后，立即自动重合，再试送一次，如为瞬时故障，送电即可恢复。中性点直接接地的主要优点是它在发生一相接地故障时,非故障相地对电压不会增高, 因而各相对地绝缘即可按相对地电压考虑。电网的电压愈高，经济效果愈大；而且在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中，单相接地电流往往比正常负荷电流小得多，因而要实现有选择性的接地保护就比较困难，但在中性点直接接地系统中，实现就比较容易，由于接地电流较大，继电保护一般都能迅速而准确地切除故障线路，且保护装置简单，工作可靠。目前我国电力系统中性点的运行方式，大体是：(1)对于6-10kV系统，由于设备绝缘水平按线电压考虑对于设备造价影响不大，为了提高供电可靠性，一般均采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式。(2)对于110kV及以上的系统，主要考虑降低设备绝缘水平，简化继电保护装置，一般均采用中性点直接接地的方式。并采用送电线路全线架设避雷线和装设自动重合闸装置等措施，以提高供电可靠性。(3)20-60kV的系统，是一种中间情况，一般一相接地时的电容电流不很大，网络不很复杂，设备绝缘水平的提高或降低对于造价影响不很显著，所以一般均采用中性点经消弧线圈接地方式。(4)1KV以下的电网的中性点采用不接地方式运行。但电压为380/220V的系统，采用三相五线制，零线是为了取得机电压，地线是了安全。第二章 电力系统电气设备第一节 电气设备一次接线方式在变电站中，由各种一次电气设备及其连接线所组成的输送和分配电能的电路，称为变电站的电气一次回路。电气一次回路中电气设备根据它们的作用，按照连接顺序,用规定的文字和符号绘成的图形称之为电气主接线图。发电机出口常采用的接线形式有：1.单元接线2.扩大单元接线变电站常采用的接线形式有：1.单母线接线2.双母线接线3.带旁路母线的接线4.一台半断路器双母线接线(3/2)5.一又三分之一台断路器的双母线接线(3/4)6.桥形接线7.环形接线单元接线在变电站中，发电机与变压器直接连成一个单元，称为发电机-变压器单元接线（简称单元接线）。这种接线应用在将发电机发出的全部电能以升高电压（35KV以上）输入电网的变电站中。由于采用的变压器不同，单元接线又可分为发电机-双绕组变压器单元接线和发电机-三绕组（或自耦）变压器单元接线两种。 (1)发电机-双绕组变压器单元接线，只有一个升高电压级，采用双绕组变压器，发电机与变压器直接相连，发电机出口侧不设母线，也不装设断路器或隔离开关，用发电机升高电压侧断路器与电网并列，发电机与变压器容量相当。由于担任峰荷的水电站经常有可能全厂停机，如果没有地区电网供给自用电时，亦可以在发电机出口装设隔离开关。为了在机组停机时，可以从高压侧经过主变压器供给自用电，亦可以装设发电机出口断路器。 (2)当有两个升高电压级，主变为三绕组（或自耦）变压器时，就组成发电机-三绕组（或自耦）变压器单元接线。为了在发电机停止工作时，还保持高压和中压电网之间的联系,应在发电机和变压器之间装设断路器。 单元接线的优点：接线简单清晰，不设发电机电压母线，发电机或主变压器低压侧故障时短路电流减小,电气设备减少,投资减少,操作简便,继电保护简化。单元接线的缺点：对于发电机-变压器单元接线，当一组单元中某个元件故障或检修时，整个单元将停止运行。对于发电机-三绕组（或自耦）变压器单元接线，一个电压级断路器外侧发生故障时，另外两侧还可维持运行。（联合）扩大单元接线采用两台（或三台）发电机与一台变压器的接线称为扩大单元接线。在这种接线中,为了适应机组开停的需要，每一发电机回路都装设断路器，并在每台断路器和主变压器之间装设隔离开关，以保证停机检修的安全，装设发电机出口断路器1DL和2DL的目的,是将发电机1F或2F投入运行或者当一台发电机需要停止运行或发生故障时，可以操作该断路器，而不影响另一台发电机和变压器的运行。扩大单元接线与单元接线相比，其优点有：(1)减少了主变压器和主变高压侧的断路器的数量，减少了高压侧连线回路数，从而简化了高压侧接线，节省了投资和场地。(2)任一机组停机都不影响自用电的供给。其缺点有： 当变压器发生故障或检修时，该扩大单元的所有发电机的电能都不能送出，同时，这种扩大单元接线中扩大单元的容量受到限制。扩大单元接线在我国许多大中型水电站中获得了广泛的应用。 联合扩大单元接线的原理与扩大单元接线基本相同，其特点是可以节省母线。单母线单母线接线只有一组母线，每个电源和引出线的电路都通过断路器和隔离开关接到母线上，任一回路故障，该回路的断路器能够切除该电路，而使其他的电源和线路能继续工作。 单母线优点：接线简单明显，配电装置的建造费用低，运行时操作方便，便于扩建。 单母线缺点：母线、母线隔离开关故障或检修，都必须全站停电，但运行经验证明，母线故障很少发生。这种接线主要用于不重要的中小型水电站。 为了提高单母线接线的供电可靠性，还可用隔离开关或断路器将单母线分段，大多数情况下，分段数等于主变压器的数量，引出线在各分段上分配时，应该尽量使母线各分段的授受功率平衡。 单母线分段接线的缺点：当任一分段母线或母线隔离开关进行检修或故障时，必须将分段母线上的电源切除，减少了水电站的出力，接在该段上的用户供电中断。当检修引出线断路器时，该线路必须停止供电。这种接线主要用于不十分重要的中型水电站，台数3-6台，总装机容量在10万KW及以下。 双母线某些水电站，在系统中居重要地位,而且水电站110KV及以上的高压母线上出线回路数较多，负荷大，即使发生少见的母线故障也要迅速恢复送电，以免造成电力系统的重大事故，这种情况下可以采用双母线接线。这种接线每一回路设一台断路器，每一电源和线路的断路器都通过两组隔离开关分别连接到两组母线上，一组母线是工作母线，另一组母线是备用母线。当一组母线上的隔离开关接通时，另一组母线上的隔离开关断开，两组母线通过母线联络断路器DL相连接。采用双母线接线可以提高运行可靠性和灵活性，即： (1) 轮流检修母线时，不会停止对用户的供电。 (2) 检修任一组母线隔离开关时，只需断开此隔离开关所属的一条电路和与此隔离开关相连的该组母线，其它电路均可通过另一组母线继续运行。 (3) 工作母线发生故障时，能利用备用母线使无故障电路迅速地恢复正常工作。双母线的主要缺点： (1) 隔离开关作为操作电器容易误操作，引起重大事故。 (2) 工作母线故障，转移母线时该母线上全部装置仍将短时停电。 (3)母线隔离开关数目比单母线接线大大增加，配电装置的结构也较为复杂。 为了解决上述缺点，可将双母线电路中一组母线作为备用母线，另一组作为工作母线,而且用断路器分段,每段工作母线都装一组与备用母线相连的母线联络断路器。 双母线接线在我国大容量的重要水电站和变电所中已广泛应用。第三章 发电机部分第一节 发电机定子结构发电机的定子由机座、铁芯、线圈等部件组成。如下左图：1-机座 2-铁芯 3-线圈 机座是用来固定铁芯的，对于悬式发电机，机座用来承受转动部分的全部重量；铁芯是发电机磁路的一部分；线圈则形成发电机的电路。一.机座发电机的机座主要作用是：1.作为定子铁芯叠片的支撑结构；2.承受定子的扭矩,并将其传至底脚；3.构成冷却气体的通道；4.构成轴承,机架和冷却器的支撑结构；二.定子铁芯定子铁芯是定子的主要磁路，同时也是定子绕组的安装和固定部件。定子铁芯由扇形冲片、通风槽片、齿压板、拉紧螺栓、托块、定位筋等部件组成，如下右图：1-定位筋 2-扇开片 3-齿压板 4-拉紧螺杆 5-固定片 6-通风槽片 7-下齿压板 8-托块三.线圈大型发电机的定子绕组大部分采用条式线圈(亦称线棒)双层波绕组，条式波绕组的特点是端部连接少，拆换方便。对于水冷发电机，也可以采用单层波绕组，这样可以简化冷却水管路。定子结构示意图第二节 发电机定子绕组组成绕组的基本单元称为元件。一个元件由两条元件边和端接线组成，如图一为双层绕组在槽内的布置 图一叠绕元件 图二波绕元件元件边置于槽内，能切割主机磁场而感应电动势，亦称有效边。端接线在铁芯之外，不切割磁场，故不能产生感应电动势，仅起连接线作用。每个元件可以是单匝，亦可以是多匝。(如图二)表示一个两匝的叠绕和波绕元件。元件依次的嵌放在电枢槽内，一条有效边放在槽的上层，另一条放在另一槽的下层，构成双层绕组。一.叠绕组绕组嵌线时，相邻的两个串联线圈中。后一个线圈紧叠在前一个线圈上，这种绕组称为叠绕组。在绕组中，每一个极相组内部的线圈是依次串联的。不同磁极下的各个极相组之间视具体的需要既可结成串联，亦可结成并联。二.波绕组对多级、支路导线截面较大的交流电机，为节约极间连线用铜，常常采用波绕组。水轮发电机的定子基本上都采用波绕组接线。波绕组的特点是，两个连接的单匝线圈成波浪型前进，如右图：和叠绕组相比较。两者的相带划分和槽号分配完全相同，但是线圈之间的连接顺序和端布形状不同。波绕组的连接规律是，把所有同一极性下属于同一相的线圈按波浪型依次串联起来，组成一组；再把所有另一级性下属同一相的线圈按波浪形状依次串联起来，组成另一组；最后把这两大组线圈根据需要结成串联或并联，以构成一相绕组。 定子绕组动画演示第三节 转子结构发电机转子由主轴、轮毂、轮臂、磁轭、端压板、风扇、磁极、制动闸板等组成，如左上图所示。其中：1-主轴 2-轮毂 3-转臂 4-磁轭 5-压板 6-风扇 7-磁极 8-制动闸板主轴是用来传递转矩，并承受转动部分的轴向力，通常用高强度钢整体锻成，或由铸造的法兰与锻造的轴筒拼焊而成；轮毂是主轴与轮臂之间的连接件；轮臂是用来固定磁轭并传递扭矩的，大、中型机组的轮臂一般为焊接结构；磁轭的主要作用是产生转动惯量和挂装磁极，同时也是磁路的一部分，直径小于4m的磁轭可用铸钢或整圆的厚钢板组成，大于4m时则由35mm的钢板冲片叠成一整圆，用键固定在轮臂外端；磁极是产生磁场的主要部件，由磁极铁芯、励磁线圈和阻尼绕组三部分组成，并用“T”形结构固定在磁轭上。第四节 转子绕组转子磁极结构图汽轮发电机为凸极式同步电机。同步电机主要用来作为发电机运行。现代社会中使用的交流电能，几乎全由同步发电机产生。同步电机一般在定子上放置电枢绕组，在转子上装了磁极，磁极上套励磁绕组(如用永久磁铁做成磁极，就不用励磁绕组了)。当作为发电机运行时，励磁绕组中通入直流电流，电机内部产生磁场，由原动机拖动电机的转子旋转，定子切割磁力线，在定子绕组中就会产生感应交流电动势。现在来解释一下同步。交流电动势的频率f决定于极对数p和转子的转速n，即f=p*n/60。式中，频率单位为Hz，转速单位是r/min。由式可以看出，当电机的极对数和转速一定时，发出交流电的频率也是一定的。我国的电力系统中，规定交流电流的频率为50Hz。因此，当电机为一对极时，电机的转速必是3000r/min；电机为二对极时，电机转速必是1500r/min，依此类推。由此可见,当电机的极对数一定时，它的转速n和频率f之间有严格的关系，电机专业的术语就是同步。 汽轮发电机的励磁绕组是用扁铜线绕成的同心螺旋式线圈。励磁绕组的固定是个很重要的问题。磁极正式挂装前，应作必要的检查与修理。检查磁极背部与磁轭的接触面是否平整，端压板有无高出铁芯的地方，如不平或有高出的地方，应用砂轮机修磨。磁极线圈应用压紧工具压紧，以防止磁极安装后线圈因不紧而产生振动，增加了机组的杂音。磁极装好后，应根据平衡后决定的位置，在每个磁极“T”尾上端面上打上顺序编号，然后进行正式挂装。汽轮发电机练习题1汽轮发电机的主要结构部件是什么?2汽轮发电机定子的主要结构部件是什么?3大型汽轮发电机的转子为什么都显得比较笨重?转子支架有何作用?4伞式和半伞式汽轮发电机在结构上有何异同?5汽轮发电机转子绕组和定子绕组有何区别? 第四章 变压器概述 变压器是一种把电压和电流转变成另一种（或几种）同频率的不同电压电流的电气设备。发电机发出的电功率，需要升高电压才能送至远方用户，而用户则需把电压再降成低压才能使用，这个任务是变压器才能完成的。 随着输电距离，输送容量的增长，对变压器要求也愈来愈高，不仅需要数量多，而且要性能好，技术经济指标先进，还要保证运行安全、可靠、经济。变压器除应用于电力系统外，还应用于一些工业部门中，如：在电炉整流、电焊设备中、在船舶、电机等设备中都应用特种变压器，此外，在高压试验，测量设备和控制设备中也应用着各式的变压器。第一节 变压器的分类按照单台变压器的相数来区分,可以分为三相变压器和单相变压器。在三相电力系统中,一般应用三相变压器，当容量过大且受运输条件限制时，在三相电力系统中也可以应用三台单相式变压器组成变压器组。按照绕组的多少来分，可分为双绕组变压器和三绕组变压器。通常的变压器都为双绕组变压器，即在铁芯上有两个绕组，一个为原绕组，一个为副绕组。三绕组变压器为容量较大的变压器（在5600千伏安以上），用以连接三种不同的电压输电线。在特殊的情况下，也有应用更多绕组的变压器。按照结构形式来分类，则可分为铁芯式变压器和铁壳式变压器。如绕组包在铁芯外围则为铁芯式变压器；如铁芯包在绕组外围则为铁壳式变压器。二者不过在结构上稍有不同，在原理上没有本质的区别。电力变压器都系铁芯式。按照绝缘和冷却条件来分，可分为油浸式变压器和干式变压器。为了加强绝缘和冷却条件，变压器的铁芯和绕组都一起浸入灌满了变压器油的油箱中。在特殊情况下，例如在路灯，矿山照明时，也用干式变压器。此外，尚有各种专门用途的特殊变压器。例如，试验用高压变压器，电炉用变压器，电焊用变压器和可控硅线路中用的变压器，用于测量仪表的电压互感器与电流互感器。我们主要介绍油浸式变压器和干式变压器。第二节 油浸式变压器油浸式电力变压器在运行中，绕组和铁芯的热量先传给油，然后通过油传给冷却介质。油浸式电力变压器的冷却方式，按容量的大小，可分为以下几种：1、自然油循环自然冷却（油浸自冷式）2、自然油循环风冷（油浸风冷式）3、强迫油循环水冷却4、强迫油循环风冷却油浸式变压器应特别注意其防火安全措施。1、油量在2500kg以上的油浸式变压器与油量在600kg2500kg的充油电气设备之间，其防火间距不应小于5m。2、当相邻两台油浸式变压器之间的防火间距不满足要求时，应设置防火隔墙或防火隔墙顶部加防火水幕。单相油浸式变压器之间可只设置防火隔墙或防火水幕。3、当厂房外墙与屋外油浸式变压器外缘的距离小于规范表规定时，该外墙应采用防火墙。该墙与变压器外缘的距离不应小于0.8m。4、厂房外墙距油浸式变压器外缘5m以内时，在变压器总厚度加3m的水平线以下及两侧外缘各加3m的范围内，不应开设门窗和孔洞；在其范围以外的该防火墙上的门和固定式窗，其耐火极限不应低于0.9h。5、油浸式变压器及其它充油电气设备单台油量在1000Kg以上时，应设置贮油坑及公共集油池。6、油浸式变压器应按现行的有关规范规定，设置固定式水喷雾等灭火系统。油浸式厂用变压器应设置在单独的房间内，房间的门应为向外开启的乙级防火门，并直通屋外或走廊，不应开向其它房间。第三节 干式变压器相对于油式变压器,干式变压器因没有油，也就没有火灾、爆炸、污染等问题，故电气规范、规程等均不要求干式变压器置于单独房间内。特别是新的系列，损耗和噪声降到了新的水平，更为变压器与低压屏置于同一配电室内创造了条件。1、干式变压器的温度控制系统干式变压器的安全运行和使用寿命，很大程度上取决于变压器绕组绝缘的安全可靠。绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏，是导致变压器不能正常工作的主要原因之一，因此对变压器的运行温度的监测及其报警控制是十分重要的。2、干式变压器的防护方式根据使用环境特征及防护要求，干式变压器可选择不同的外壳。通常选用IP23防护外壳，可防止直径大于12mm的固体异物及鼠、蛇、猫、雀等小动物进入，造成短路停电等恶性故障，为带电部分提供安全屏障。若须将变压器安装在户外，则可选用IP23防护外壳，除上述IP20防护功能外，更可防止与垂直线成60角以内的水滴入。但IP23外壳会使变压器冷却能力下降，选用时要注意其运行容量的降低。3、干式变压器的冷却方式干式变压器冷却方式分为自然空气冷却(AN)和强迫空气冷却(AF)。自然空冷时，变压器可在额定容量下长期连续运行。强迫风冷时，变压器输出容量可提高50%。适用于断续过负荷运行，或应急事故过负荷运行；由于过负荷时负载损耗和阻抗电压增幅较大，处于非经济运行状态，故不应使其处于长时间连续过负荷运行。4、干式变压器的过载能力干式变压器的过载能力与环境温度、过载前的负载情况(起始负载)、变压器的绝缘散热情况和发热时间常数等有关，若有需要，可向生产厂索取干变的过负荷曲线。目前，我国树脂绝缘干式变压器年产量已达10000MVA，成为世界上干式变压器产销量最大的国家之一。随着低噪(2500kVA以下配电变压器噪声已控制在50dB以内)、节能(空载损耗降低达25%)的SC(B)9系列的推广应用，使得我国干式变压器的性能指标及其制造技术已达到世界先进水平。随着干式变压器的推广应用，其生产制造技术也获得长足发展，可以预测，未来的干式变压器将在如下几方面获得进一步发展。(1)节能低噪：随着新的低耗硅钢片，箔式绕组结构，阶梯铁芯接缝，环境保护要求，噪声研究的深入，以及计算机优化设计等新材料、新工艺、新技术的引入，将使未来的干式变压器更加节能、更加宁静。(2)高可靠性：提高产品质量和可靠性，将是人们的不懈追求。(3)环保特性认证：以欧洲标准HD464为基础，开展干式变压器的耐气候(C0、C1、C2)、耐环境(E0、E1、E2)及耐火(F0、F1、F2)特性的研究与认证。(4)大容量：从502500kVA配电变压器为主的干式变压器，向1000020000kVA/35kV电力变压器拓展，随着城市用电负荷不断增加，城网区域变电所越来越深入城市中心区、居民小区、大型厂矿等负荷中心，35kV大容量的小区中心供电电力变压器将获广泛应用。(5)多功能组合：从单一变压器向带有风冷、保护外壳、温度计算机接口、零序互感器、功率计量、封闭母线及侧出线等多功能组合式变压器发展。 (6)多领域发展：从以配电变压器为主，向发电站厂用变压器、励磁变压器、地铁牵引整流变压器、大电流电炉变压器、核电站、船用及采油平台用等特种变压器及多用途领域发展。其中，用于城市地铁及轨道交通的干式牵引变压器，电压有10、20和35kV三个等级，容量有800、2500和3300kVA，为减少谐波污染，从12脉波整流发展到24脉波整流；举世瞩目的长江三峡世界最大的840000kW发电机的励磁变压器，已由顺特厂研制成功，并通过了国家验收。可以预言，21世纪的配电变压器将属于性能优越、低噪声及节能的树脂绝缘干式变压器第四节 芯式铁芯变压器铁芯是由铁柱及上下铁轭组成，铁芯柱截面是外接圆内阶梯形，铁轭截面是随铁芯直径大小而不同。铁芯是由优质冷轧晶粒取向的硅钢片叠积而成，叠片之中设有供散热用的油道。铁芯柱用无纬环氧玻璃粘带绑扎，铁轭通过空心螺杆用夹件夹紧。铁芯的四角冲矩形槽，内装方铁与夹件相连，供拉紧夹件，吊起器身和承受线圈短路机械应力用。上夹件焊有吊环，供吊运变压器器身用。强油导向的变压器，下夹件装有导油管，使冷却器打入油箱的油大部分导入绕组。所有7或8型产品铁芯均为45全斜接缝无孔结构，芯柱用无纬环氧玻璃粘带绑扎，上下铁轭通过装在夹件上的拉带夹紧。上下夹件利用铁芯两头的低磁钢接板牢固地连接在一起，构成钢性较强的框架式铁芯结构。芯式铁芯可分为以下几种，分述如下：单相两铁芯柱如上图所示，它有两个铁芯柱， 用上、下两个铁轭将芯柱连接起来，构成磁路。将绕组分别套装在两个铁芯柱上，这两个铁芯柱上的绕组可以接成串联，也可以接成并联。通常将低压绕组放在内侧，即靠近铁芯，而把高压绕组放在外侧，即远离铁芯，这样便于绝缘和其它方面的要求，例如便于处理绕组的分接抽头等。上图中：1-铁芯柱 2-上铁轭 3-下铁轭 4、5-高低压绕组三相三铁芯柱如上图所示，它是将A、B、C三相的三个绕组分别套装在三个铁芯柱上，三个铁芯柱也由上、下两个铁轭连接起来，构成磁回路，绕组的布置方式也同单相一样，将低压绕组放在内侧，而把高压绕组放在外侧。左图中：1-铁芯柱 2-上铁轭 3-下铁轭 4-绕组三相五铁芯柱如上图所示，它与上图中的三相三铁芯柱相比较，在铁芯柱的左右两个尽头端， 多了两个分支铁芯柱4，它称为旁轭，各电压级的绕组分别按相套装在中间三个铁芯柱上，而旁轭是空的铁芯，没有绕组，这样就构成了三相五铁芯柱变压器，也就是我们常说的三相五柱变压器。左图中：1-铁芯柱 2-上铁轭 3-下铁轭 4-旁轭 5,6-高低绕组第五节 变压器绕组变压器绕组有同心式和交叠式两种形式。我国生产的电力变压器，基本上只有一种结构型式，即芯式变压器，所以绕组都采用同心式结构。所谓同心绕组，就是在铁芯柱的任一横断面上，绕组都是以同一圆筒形线套在铁芯柱的外面。一般情况下总是将低压绕组放在里面靠近铁芯处，将高压绕组放在外面。高压绕组与低压绕组之间，以及低压绕组与铁芯柱之间都必须留有一定的绝缘间隙和散热通道(油道)，并用绝缘纸板筒隔开。绝缘距离的大小，决定于绕组的电压等级和散热通道所需要的间隙。当低压绕组放在里面靠近铁芯柱时，因它和铁芯柱之间所需的绝缘距离比较小，所以绕组的尺寸就可以减小，整个变压器的外形尺寸也同时减小了。同心式绕组有下列几种形式：(a)单层圆筒 (b)双层圆筒 1、圆筒形绕组它是一个圆筒形螺旋体，其线匝是用扁线彼此紧靠着绕成的，如左图所示。圆筒形绕组可以绕成单层；也可以绕成双层。通常总是尽量避免用单层圆筒，而是绕成双层圆筒。因为绕成单层时，导线受到弹性变形的影响，线圈容易松开，使端部线匝彼此靠得不够紧；而绕成双层后，松开的倾向就小得多了。当电流较大时，也采用每一线匝由数根导线沿轴向并联起来绕成，但并联导线数通常不多于45根。圆筒形绕组与冷却介质的接触面积最大，因此冷却条件较好，但其机械强度较弱，一般适用于小容量的变压器低压绕组。(a)外形 (b)纵剖面导线排列 螺旋形绕组容量稍大些的变压器的低压绕组匝数很少(2030匝以下)，但电流却很大，所以要求线匝的横截面很大，因此要用很多根导线(6根或更多)并联起来绕。在圆筒形绕组里是不能用很多根导线并联起来绕的，因为这些导线要在同一层里一根靠着一根排列着绕，结果使线匝的螺距太大，这样的线圈很不稳定，且高度没有很好地利用，所以在并联导线很多时仍采用圆筒形绕组是不合适的，于是就出现了螺旋形绕组，如图所示。它是沿径向一根压着一根地叠起来绕。各个螺旋不是像圆筒形绕组那样彼此紧靠着，而是中间留有一个空沟道。螺旋形绕组并联导线更多时，可把导线分成两组，这样就成了双层螺旋了。在温升和绝缘条件允许时，螺旋形绕组可以采用正常宽度的油道和小油道交错地绕线的结构，小油道的宽度约为正常油道宽度的一半左右(约为152mm)，所以称为半螺旋，绕组为单螺旋时称单半螺旋；绕组为双螺旋时称双半螺旋。这种半螺旋绕组的空间利用率比较高，在大、中型变压器中都广泛地应用着。1、裸导线2、导线外包纸绝缘3、换位导线纸包绝缘 2、换位导线绕成的绕组为了进一步把采用不完全换位的螺旋式绕组的附加损耗降至最低的程度，使用了换位导线。所谓换位导线，就是将多股分散的并绕导线，在绕线圈之前，先按一定的规律，360连续地进行换位，最后从外表看，被编织成为单根较粗的，包有绝缘纸的导线。如图所示。换位导线，大部分被采用在大容量变压器的中、低压绕组内。应用时，把它当作一根导线来绕，例如被绕成圆筒形绕组，绕制过程中不需要再进行换位。组成换位导线的扁线的股数必须为奇数，当换位导线的高度A12mm时，两列扁线的中间必须衬垫一层012mm的电缆纸。换位导线在绕制线圈过程中，导线中间不允许有接头存在，因此，换位导线的长度必须大于整个线圈所需长度35m。换位导线绕成的线圈，其最小的内径受到一定的限制，线圈的最小内径应符合下式 Dmin=n*节距/丌式中：Dmin=线圈的最小内径；n=参加换位的导线根数。这个公式的意义是非常明了的，因为丌Dmin是线圈绕一匝的圆周长度，n*节距为参加换位的全部导线换一次位所需要的长度。即在一个线匝的长度内，所有参加换位的导线至少要换位一次。这就限制了线圈的内径不能小于某一数值。(a)外形 (b)纵剖面导线排列 3、连续式绕组连续式绕组没有焊接头，只能用扁线绕制。导线的匝间排列如图所示，是经过特殊的绕制工艺绕成的，从一个线饼到另一个线饼，其接头是交替地在线圈的内侧和外侧，但都用绕制线圈的导线自然连接，所以没有任何焊接头，这是连续式绕组的主要优点。如果导线截面较大，可用几根导线并联绕，一般不超过4根，边绕边进行换位。 第五节 变压器工作原理变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理（如上图）：当一次侧绕组上加上电压1时，流过电流1，在铁芯中就产生交变磁通1，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势1，2，感应电势公式为：E=4.44fNm式中：E-感应电势有效值f-频率N-匝数m-主磁通最大值由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压1和2大小也就不同。当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（0），这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流0，一部分为用来平衡2，所以这部分电流随着2变化而变化。当电流乘以匝数时，就是磁势。上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。第六节 干式变压器的工程选型及应用1、干式变压器的温度控制系统 干式变压器的安全运行和使用寿命，很大程度上取决于变压器绕组绝缘的安全可靠。绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏，是导致变压器不能正常工作的主要原因之一，因此对变压器的运行温度的监测及其报警控制是十分重要的，今对TTC-300系列温控系统作一简介。(1)风机自动控制：通过预埋在低压绕组最热处的Pt100热敏测温电阻测取温度信号。变压器负荷增大，运行温度上升，当绕组温度达110时，系统自动启动风机冷却；当绕组温度低至90时，系统自动停止风机。