输配电设备基本知识.doc

输配电设备市场及基本知识讲座 技术中心 王晋根这次讲座主要是对从事销售及从事电器生产的员工，是一种通俗性讲座，其目的是增长见识，提高对电器安全性、可靠性要求的认识。第一讲主要是讲电力系统、电网和输配电设备在电力系统中的作用等；第二讲主要是讲输配电设备的定义、分类、各种输配电设备的功能作用；第三讲是市场和输变电设备市场构成。第一讲 电力系统、电网、输配电设备扮演的角色一、 电是现代文明基础 现代社会离开了“电”会是什么样子，医院里医生正给病人开刀，肚子拉开了，电停了，灯黑了，后果是什么。在化工厂、冶金厂（电解铝、电炉炼钢），有的停电会发生爆炸，融化钢水吊在半空中，凝固了，也不是好玩的，炉子、钢包整个报废。城市交通、铁路交通、机场信号灯全灭了，交通全乱了，火车进不了站、飞机下不了地这将是一种什么后果。 夏天停电2天，冰箱里食品化了，肉发臭了，没有空调、电风扇，人无法安睡。高层建筑没有电，电梯不能动。对于100200m高楼，上楼等于是爬山。 美国电网自动化水平是比较高的，曾发生过因计算机控制中心遭意外灾害毁坏，抢修几天，停电好几天，人们生活回到了中世纪。点起油灯，用干柴烧饭，没有其他法子可想。以上例子足以证明，连续可靠供电对于现代文明多么重要。输配电（含变压器、开关设备）可靠性非常重要。进入大电网，开关设备必须要具有高可靠性、高质量和较长的使用寿命。二、 电是怎么发出来的，电是一种什么商品电是有发电厂的发电机生产出来的，经过升压变电站变成较高电压（如35kV750kV）输送到较远地方，经过13次降压变电站降低电压，变为用户可以接受的电压（如610kV，380/220V），配送到用户那儿，这个系统如如图1所示。这样从发电机、升、降压变电站、输配电线路，到用户就称之为电力系统。而由升压变电站、降压变电站及各种输配电线路构成的网络称之为电力网，俗称电网。电是一种无色、无味、无声、无嗅物质。（高压有电晕声、交流时可听见。电晕、局放能看到光，能嗅到臭氧味）。有触觉，但不能直接用手摸（触电）的物质。电也是难以储存的，需要“即发、即送、即用”的特殊商品。整个电力系统需要保持连续、安全、可靠的发、送、用电的关系。那么输配电设备在电力系统中处于什么角色，在保证连续、安全、可靠的发、送、用电过程中起什么作用呢？下面来介绍一下。三、输配电设备、开关设备在电力系统所扮演的角色和地位除发电机主机外，电力系统中到处都有输（变）配电设备。从投资角度看，发电和输电、配电比例为1：0.45：0.7。即发电与输电、配电比重为1：1.15。也即输电和配电设备投资比重超过发电设备投资比重。可以列举一下情况。1、 发电厂厂用电变电所、变压器、主开关柜、控制柜、火电厂中控制磨煤机、风机、水泵、传送带、直流电源柜等等诸多用电设备，这儿厂用电配电设备，涉及发电厂核心设备正常运行，可靠性要求较高，发电机主回路保护断路器，隔离开关，主母线及有关量测，限流、限压设备等。也是电流特别大，要求比较高，为主机直接服务的设备。2、 升压变电站变压器、高低压侧开关设备，测量设备（PT、CT），限流、限压设备等。由于升压变电站是发电厂送出电能的大门，这儿输变电设备容量大，参数高，其可靠性要求，显著高于降压变电站的设备。3、 降压变电站降压变电站一是降低成下一级变电站（或用户）可以接受的电压，二是分配电能。其重要性、可靠性，随着电压等级上升而提高。从数量上看降压变电站远大于升压变电站。4、 末端变电站与用户末端变电站电压等级是比较低的，其重要性显著低于上述几种变电站，但数量很大，用人体血液循环系统来比喻电力系统的话，用户相当于毛细血管，无处不在，因此末端变电站和用户用电设备，在电网建设投资上占有较大比重。在开拓市场上也应该予以重视。开关设备主要功能如下:（1） 控制和分配电能；（2） 保护功能，如在线路发生故障，变电站内发生故障时，迅速排除或隔离故障区域，保护电力系统正常运行；（3） 量测功能，为电能计量及保护提供有效信息。第二讲 输配电设备综述一、 高压电器定义国际上公认的高低压电器的分界线，交流是1kV（直流则为1500V），交流电压在1kV及以上的电气设备为高压电器，1kV以下为低压电器。这一概念，目前已逐步为我国的各种电器专业标准所采纳。高压电器是在高压线路中用来实现关合、开断、保护、控制、调节、量测的设备。一般的高压电器包括开关电器、量测电器和限流、限压电器。但也有把变压器列入高压电器（如电机工程学会中高压电器分专委会）。在高压电器中，又有中压、高压、超高压、特高压之分，这又何理解呢？这方面，没有明确的标准化定义，但七十年代IEC TC8 委员会的有关标准草案中，有过区分并为多数国家接受，其标准如下：1kV以上至100kV 中压100kV以上至300kV 高压300kV以上至1000kV 超高压1000kV及以上 特高压（我国电力部门已确认这一原则）二、输配电设备定义高压电器概念比较广泛，不局限于电力系统，如静电加速器、X光机有时也称为高压电器，而输配电设备就有比较明确的限定。定义：从发电到用电，经过电压水平变换，电能状态调节、电网保护、计量、控制措施，实现电网平衡运行涉及的电能输送与分配的所有设备叫输配电设备。三、 输配电设备分类及功能1、变压器变压器是将一种交流网络或线路的电压状态转变到另一种交流网络或线路所需的电压状态，以满足电网的输送、分配和使用，是电力网的主设备之一。它对电力系统的安全、稳定、可靠运行起着重要作用。其运行损耗占变电站总损耗比重较大。2、开关电器主要用来关合和开断正常电流和故障电流，或用来隔离电源、实现安全接地的一种输配电设备。包括：1） 高压断路器：不仅能关合、开断正常的负荷电流（包括空变、空线、空缆等），也用来开合故障电流，且当发生短路故障（或其他异常运行状态、欠压、过流等）时，也可以实现自动分闸、自动重合闸。因此高压断路器是一种多功能的自动开关。2） 熔断器：俗称保险。当负荷电流过载到一定值，或出现故障电流时能自动熔断而开断短路电流。3） 负荷开关：能开合负荷电流（含容性、感性负载电流），有时能关合短路电流但不能开断短路电流。4） 接触器：只有一个休止位置，非手动操作就能关合、开断及承载正常电流及规定的过载电流的开断、关合装置。一般用来频繁控制大型用电设备（如大电动机等）。5） 隔离开关：用来隔离电路或电源，在闭合位置时能承载正常电流及规定的短路电流，有时能开断很小的电容电流及容量不大的变压器的空载电流，有时能开合母线转换电流。6） 接地开关：用来对设备或被检修线路实现保护接地。7） 重合器：能够按照预定的顺序，在导电回路中进行开断和重合操作，并在其后自动复位、分闸闭锁或合闸闭锁的自具（不需外加能源）控制保护功能的开关设备。8） 分段器：一种能够自动判断线路故障和记忆线路故障点六开断的次数，并在达到整定的次数后，在无电压或无电流下自动分闸的开关设备。 某些分段器可具有关合短路电流（自动重关合功能）及开断、关合负荷电流的能力，但无开断短路电流的能力。上述开关电器的主要功能见下表：名称开合负荷电流开合故障电流开合小电容电流开合小电感电流隔离电源或回路实现保护接地断路器负荷开关部分熔断器开故障部分隔离开关甚小接地开关接触器重合器分段器合故障*有时要求负荷开关、接触器、接地开关关合短路电流。3、 量测电器1） 电流互感器：用来转换和测量线路、母线的电流，供计量与保护用。传统的电流互感器是采用油纸绝缘电磁式，现在又有环氧浇注、SF6电流互感器，最新的有电子式互感器、光电式电流互感器，为满足机电一体化设备需要，现在已有线性功能的电流传感器。2） 电压互感器：用来测量线路、母线电压，以供计量和继电保护用。传统电压互感器是油纸绝缘电磁式。目前在高压、超高压范围内则用重量轻、体积小的电容式互感器，国际上已开发出正在商品化的光电式互感器。4、 限流与限压电器1） 电抗器：是一个扼流线圈，用来限制故障电流，用包裹绝缘导线绕制。目前也有用环氧浇注法制作，其体积小，绝缘强度和机械强度比较高。2） 阻波器：是一种电感线圈，主要用于载波通讯，限制高频载波进入变电所。3) 避雷器（过电压保护器）：用来限制过电压，使电力系统中电器设备免受大气过电压和内部过电压的危害，是一种泄能装置。最简单的有保护间隙，还有管形避雷器、阀式避雷器、磁吹避雷器。最新的有保护特性比较好的氧化物避雷器。注：限流熔断器也是一种快速限流（幅值）的保护电器。5、 电线电缆电线电缆是输送电能、传递信息和制造电机、变压器、电器仪表等，实现电磁能量转换不可缺少的基础器材。广泛用于电工、电力、通讯、军工、建筑等国民经济各个部门。直接进入电网的输电线、配电线、地下电力电缆是输配电设备之一。6、 其他设备（1）电容器这是一种储存电荷电场能量的器件，广泛用于电力系统、电讯、广播。用于储能、移相、构建谐振回路、滤波装置、高能物理等，是一种基础元器件。（2）继电保护装置用于对电网或设备中故障、异常运行状态发出指令、实施保护、恢复正常运行状态或中止运行的设备，主要有电流保护、电压保护、差动保护、距离保护和纵联保护等种类。按被保护对象可分发电机保护、变压器保护、母线保护、线路保护和电动机保护等。四、 输配电设备基本性能要求处于电力系统中的各种户内、户外输配电设备，应能承受正常和异常电压、电流作用，以及各种环境因素作用而不损坏。因而要求其具备各种性能如下：1、 电压设备绝缘应能经受规定的长期最大工作电压，短时过电压、内部过电压和大气过电压作用而不损坏。标志这些作用电压的性能参数是：最大工作电压、短时工频试验电压、操作波试验电压和雷电冲击波试验电压。2、 电流设备应能经受长期正常工作电流，温升不超过规定值。在短时异常和故障电流作用下也不允许因电动力、触头熔焊、电磁干扰等影响继续工作的损害。 这方面标志参数有：额定电流、额定短时耐受电流、额定峰值耐受电流（突发短路电流），额定短路关合电流、电动机和电容器关合涌流等。3、 其它要求如高压断路器要求关合、开断短路电流、自动重合闸、开合空载线路充电电流（过电压不超过规定值）和开合负载电流以及连续开断各种电流能力的电寿命等。4、自然环境因素要求这些因素很多。例如：1）海拔：影响外绝缘和额定电流，外绝缘耐压能力随海拔提高而降低，电器的散热能力随海拔提高而困难（但环境温度则随海拔上升而降低，一般可补偿而不考虑）。2) 环境温度：影响负荷能力、机械可靠性和电气可靠性。3）湿度：影响绝缘及金属零件锈蚀。4）风速：影响户外产品机械强度。5）污秽：影响外绝缘的绝缘强度。其它如雨、地震、湿热、干热等因素也影响负荷水平、金属锈蚀、绝缘强度和机械可靠性。五、 输配电设备发展趋势随着科技的不断进步，输配电设备采用了高新技术，采用了新原理、新工艺、新介质，新材料。目前正在酝酿研发新一代输配电设备和高压电器，其发展趋势如下：（一）高压开关（1） 组合化、复合化、成套化FR、FC、负荷隔离开关、三工位负荷开关、三工位隔离开关；SF6封闭组合电器GIS、箱式SF6封闭组合电器、C-GIS以及敞开式组合电器（HGIS），使得互感器、熔断器、避雷器与各种开关电器的组合，必然是高压开关电器发展的方向。（2） 大容量、高参数电网容量不断扩大，IK ，用电负荷增加，额定电流Ie，短路电流增大。（3） 机电一体化（智能化）智能化单元，计量、保护、控制、在线检测与输配电设备结合。（4） 少、免维护产品510年不检修，发展状态检修（5） 无油化开关电器多油、少油开关转向真空、SF6开关、干变替代油配变，但经济型箱变，用油负荷开关是倒向的特例。（6）中压领域固体开关，选相分合闸开关将逐步进入电力系统。（7）在GIS基础上发展的高压气体绝缘变电站（二）电线电缆（1）铝合金绞线新一代架空铝合金导线保证足够机械强度和导电率而取消钢芯铝线。降低损耗，减轻重量。（2）架空复合地线光纤线将通信光纤线和架空地线复合在一起，减少设备，降低成本 ，提高性能。（3）环保电缆大量普及耐燃、燃烧后不会产生烟雾和HCL毒性的新一代电缆。（4）电子电缆将传输电话、传真、可视电话、防盗、报警等多种信号功能合而为一，为智能化大楼采用的具有综合用途的电子电缆。（5）容量大，损耗低的超导变压器，从试验室走向市场。（三）变压器（1）非晶合金铁芯低损耗配电变压器大面积使用。非晶合金是一种新型的节能材料，它不存在晶体结构，磁化功率小，电阻率低，所以涡流损耗小。用这样的材料作铁芯可使空载损耗大幅度降低。非晶合金铁芯配电压器是一种新型节能变压器，是配电网络更新换代的长线产品。（2）抗突发短路能力强的高短路阻抗、大容量变压器，技术水平有新的提升。（3）干式变压器在配电变压器中比重将进一步由占30%提高到50%。（4）750kV变压器已经开始批量生产。1000kV特高压变压器将走向实用化。（5）电力变压器将向高电压、大容量趋势发展。（6）超导变压器进入实用化阶段。（四）其他1、互感器，中压向环氧浇注干式互感器发展，高压向SF6方向发展。2、互感器将向线性、电子式方向发展。3、具有复合式电流和电压互感器将得到进一步推广。4、光电式互感器将向实用化发展。第三讲 输配电设备市场及其构成输配电设备与发电设备配套为电力工业发展服务，因此输配电设备兴衰与电力工业发展息息相关。以下，从我国电力工业发展趋势出发，来探讨主要设备市场形势及其进入这一市场的策略与措施。1、 经济过热与电力工业超常发展原定“十五”电力建设规划（20012005年），五年新增装机7500kW，年均1500万kW，但实施两年后，明显不适应国民经济发展需要，因此国家决定后三年追加3000万kW电力建设投资，后三年年均新增装机25003000万kW，从2003年夏天开始一年多时间，南方水电来水少，电煤涨价，水火电厂都发不出电，而2003年下半年开始一些高耗电行业超常发展，南方夏天奇热，更加深了这一供电危机，24个省市都拉闸限电，因此国家和大部分省都进一步追加电力建设投资，有的全年新增装机可达30003500万kW，甚至超过3500万kW。时近2004年年终，国家发改委预测2004年GDP增长约9.2%，而大部分省市预测GDP增长约1314%。因此实际GDP增长会超过10%，经济过热虽已经得到调控，但还远没有到位。近两年异常缺电造成了国家和大部分省市快速追加电源建设投资，同时较大幅度修改国家“十五”后三年及“十一五”电力发展规划。2005年我国装机已超过5亿kW，2006年已达6.2亿kW。2、 能源政策及能源结构调整势在必行我国能源政策是以煤为主，我国电力规划发电量增长也是以煤为主，那么中国未来有那么多煤来支持发电吗？正如去年机械工业联合会在一份报告中指出“到2020年，煤电的比重从77.7%降低到66.7%，但目前煤产能与未来需求仍差7亿吨，每年需新投产能力45005000万吨煤。”就是在今天煤炭供不应求矛盾已十分尖锐，由于缺煤好多电厂发不出电，今冬明春由于取暖又陷入电煤短缺怪圈，只上海就缺电200万kW，由于煤涨价使得小煤矿到处开花，每百万t死亡率就是全世界十几倍，由于野蛮采煤，采煤效率很低，安全事故频出，50多年来我国采煤300多亿吨，光废弃无法再采的煤就达600多亿吨。目前电能是世界上的主要能源形式，发电主要方式是火电、水电与核电，而太阳能、风能和地热能等尽管是可再生绿色自然能，但由于分散、不稳定、投资高等原因，目前在电能结构中占的比重并不大。火电是燃烧煤、石油来发电的，会产生大量CO2气体，是目前大气中CO2主要来源。CO2是大气温室效应六种气体中危害最大的一种，京都会议后各国都在限制CO2排放量。（最近俄罗斯已批准参加京都协议）另外，燃烧煤，如处理不当，会产生大量SO2，这是酸雨源头，会对生态环境造成严重损害。近年中国气候夏天持续高温，患各种病人数增多也是有关。目前核电是以铀、钚等元素放射性裂变产生热来发电，如果泄漏会对环境造成严重损害，而具有放射性核废料处理也是困难的，而且发电成本也比较高。美国2002年装机9.02亿kW，发电量3.6万亿kWh，美国火电占总发电量的50%，CO2年排放量为55.60亿t，美国还是缺电，但建火电厂、核电厂受居民反对，而从加拿大进口电。中国火电占73%（2000年）CO2排放量31.5亿t。欧洲CO2排放量少，主要是核电比重大（占33%），北欧水电比重高，风电目前已占有一定比重。从国家长远利益考虑，应大力开发水电（水电是可再生自然能，我国水电资源发展空间大，目前水电装机1亿多kW占总发电装机20%，占可开发水电5亿kW仅20%，有着相当大的潜力。）水电也有环境问题和移民问题要处理好。应在人口稀少的西北地区建核电，火电在沿海发展，受运输能力制约应以控制，限制中小火电厂发展，建一些大型机组坑口火电厂。尽量减少火电在发电中比重。以煤发电产生CO2也是可以回收的，但投资较大，目前欧洲德国等一些国家正研究回收CO2的火力发电技术。同时国家出台发展太阳能、风能、潮汐能、地热能等自然能发电优惠政策，以鼓励环保型可持续电力发展需要。从上面分析可知，尽管我国能源政策和电力结构还需要不断调整，今后15年，每年平均新增装机能维持在3000万kW，但是我国目前电力人均水平低，消耗水平低，因此近2030年内电力工业仍有较大发展空间，发电结构需作调整，这就为输配电设备作为朝阳产业奠定了基础，下面就输变电设备市场前景作一些探讨。3、 当前输变电设备市场总量及其发展趋势 输变电设备可以分两大部分，即变电站设备与线路设备，变电站设备除变压器、高压断路器、高压隔离开关、互感器、避雷器等设备外，还应包括并联补偿设备、接地开关、串联补偿设备、柱上开关等元件及成套配电设备，而线路设备有杆塔、金具、线路绝缘子、架空裸导线、绝缘导线、电力电缆等，就技术含量来讲变电站设备要高于线路设备，而从价值来看，线路设备要高于变电站设备。在变电站设备中，起核心作用的是变压器和高压开关设备。开关设备并不仅指高压开关、按国标和IEC相关名词术语定义“高压开关指额定电压1k v以上主要用于开断和关合导电回路的电器，“而高压开关设备指高压开关与控制、测量、保护、调节装置以及辅件、外壳和支持件等部件及其电气和机械的联结组成的总称”。因此高压开关设备除了高压开关外还应包括互感器、避雷器、部分电抗器、补偿设备、控制装置和继电保护等等。因此变电站设备，除了变压器和高压开关设备两项核心设备外，其它就很少了，但这儿统计仍按传统专业习惯分类。近几年各设备行业统计数据不完整，有的不再统计和公示，因此这里仍以1999年统计资料作相对比较。12表 3.1 1999年与2002年输配电设备产值统计一览表专业名称变压器互感器电气成套制冷设备（低压开关设备）电力电容器高压开关电瓷避雷器继电保护及自动化设备汇总年份1999200219992002199920021999200219992002199920021999200219992002总产值亿元106.7114.1214.93.8148.593.47.911.7159.1262.1716.719.523.844.2377.4548.7工业增加值亿元12.273.0749.475.175.869.617.1全员劳动生产率万元/人3.15.74.17.92.110.4统计企业数154663385386151320720731312735产值占输配电总产值的%28.33.912.82.142.14.46.3备注职工数（万人）2.72.540.740