第二节　电力输配电系统

按照能源种类发电可分为水力、火力、风力、原子能、太阳能、沼气发电等几种。

各发电厂中的发电机基本都是三相交流发电机。目前，我国生产的三相交流发电机的电压等级有400V/230V、3.15kV、6.3kV、10.5kV、13.8kV、15.75kV、18kV等多种。

发电厂与用电地区和用户之间有较远的距离，而且用电设备电压等级与发电厂的电压等级之间有很大差别。例如，家用电器设备、照明设备的额定电压为220V单相电压；而一般低压三相电动机的线电压为380V。这样就有一个远距离高压输电，以及一次和二次变电问题。这个发电、输配电过程用可用图6-3来表示。

一、变电与配电

变电与配电是电力系统中的核心环节，看懂变配电的电气线路图，就能看懂整个电力系统的线路图。变电所的任务是接受电能、变换电压和分配电能，是联系发电厂和用户的中间环节；而配电所只担负接受电能和分配电能的任务，所以两者是有区别的：变电比配电多变换电压的任务，因此变电所有电力变压器，而配电所除了可能有自用电变压器外，是没有其他电力变压器的。

变电所和配电所的相同之处在于：一是都担负接受电能和分配电能的任务；二是电气线路中都有引入线（架空线或电缆线）、各种开关电器（如隔离开关、刀开关、高低压断路器）、母线、互感器、避雷器和引出线等。

各用电单位一般都设有中央变电所和车间变电所（小规模的企业往往只有一个变电所）。中央变电所接收送来的电能，然后再分配到各车间以及用电场所的变电所或配电箱（配电板），再从配电箱或配电板将电能分配给用电设备。

变电所有升压和降压之分。升压变电所多建在发电厂内，把电能电压升高后，再进行长距离输送，降压变电所多设在用电区域，将高压电能适当降低电压后，向某地区或用户供电，降压变电所又可分为以下三类。

（1）地区降压变电所

地区降压变电所又称为一次变电站，位于一个大用电区域或一个大城市附近，从220～500kV的超高压输电网或发电厂直接受电，通过变压器把电压降为35～110kV，供给该地区或大型工厂用电。其供电范围较大，若全地区降压变电所停电，将使该地区中断供电。

（2）终端变电所

终端变电所又称为二次变电站，多位于用电的负荷中心，高压侧从地区降压变电所受电，通过变压器把电压降为6～10kV，向某个市区或农村城镇供电。其供电范围较小，若全终端降压变电所停电，只使该部分用户中断供电。

（3）工厂降压变电所及车间变电所

工厂降压变电所又称工厂总降压变电所，与终端变电所类似，是对企业内部输送电能的中心枢纽。车间变电所接收工厂降压变电所提供的电能，将电压降为220V/380V，给车间设备直接供电。

低压配电线路的额定电压为380V/220V。用电设备的额定电压多数是220V和380V；大功率电动机的电压为3kV和6kV；机床照明和矿井安全电压规定为36V。

二、电力系统

通常电能由发电机产生，发电机把轴上的机械能转换为电能，而轴上的机械能都是由一次能源转换而来的。一般的输电是通过两级升高电压，而远距离输电时，中间还有升高电压的变电所。输送电能距离越远，为了减小线路损耗，则要求输电电压越高。高压输电线路把电能输送到用电中心进入市区时，要经过第一次降压；市区输送电压国标规定为10kV。市区输电到各单位变电所，则要进行再一次降压，将10kV变为380V/220V。

由各种电压的电力线路将一些发电厂、变电所和电力用户联系起来的发电、输电、变电、配电和用电的整体称为电力系统。如图6-4所示是一个大型电力系统的系统图，它可以是由几个水力发电厂、火力发电厂、核能发电厂等联合供电的大型电力系统。

通常将电力系统中各级电压的电力线路及其联系的变电所称为电力网或电网。电网按电压等级来划分，有10kV电网、110kV电网等；也可按地域来划分，如华东电网、东北电网等。

三、电力系统主要电气设备

（1）电力变压器

电力变压器是发电厂和变电所的主要设备之一。变压器是一种静止的电气设备，用来将某一等级的交流电压转换为频率相同的另一种或几种等级的交流电压，但不改变传输容量。变压器的用途是多方面的，不但需要升高电压把电能送到用电地区，还要把电压降低为各级使用电压，以满足用电的需要。总之，升压与降压都必须由变压器来完成。在电力系统中，凡把以高电压输送的电能降为给用户供电电压的变压器，称为配电变压器。通常使用的低压供电电压为380V和220V，大型高压电动机使用的电压为3kV或6kV。配电变压器高压侧电压一般为6kV、10kV、35kV，在大电网中也有110kV。图6-5是小型三相变压器。它除了绕组和铁芯外，还有油箱、油枕、分接开关、安全气道、瓦斯继电器和绝缘套管等附件。这些附件对变压器的安全运行起了必不可少的作用。

三相电力变压器的图形符号根据不同组别和绕组等有所不同。如图6-6所示为Y/Y（即Yyn0）和△/Y（即Dyn11）组别的图形符号。

（2）高压断路器

高压断路器在电路正常时，用来接通或切断负荷电流；在电路发生故障时，用来切断巨大的短路电流。它是高压开关中最重要、最复杂的一种，既能切换正常负载，又可排除短路故障，同时承担着控制和保护双重任务。

断路器具有可靠的灭弧装置，其灭弧能力很强。常用的油断路器，是利用触头间产生的电弧使油分解，产生的高压气体对电弧进行吹弧和冷却，将电弧熄灭。它有多油断路器和少油断路器两种。如图6-7所示是SN10-10型少油断路器的外形图，它由框架、传动机构和油箱等三个主要部分组成，油箱是它的核心部分，油箱中部是灭弧室。

常见的还有：

①真空断路器——利用真空的高介质强度来熄灭电弧。

②六氟化硫断路器——六氟化硫具有比空气强约100倍的灭弧能力，利用六氟化硫作介质，能大量吸收电弧能量，使电弧收缩并迅速冷却，最终熄灭。高压六氟化硫（SF6）断路器是利用六氟化硫气体作为灭弧和绝缘介质的一种断路器。按灭弧方式的不同可分为气吹式、旋弧式和自行灭弧式，而气吹式又有单压式和双压式两种类型。单压式只有一个气压系统，灭弧时，六氟化硫（SF6）的气体靠压气活塞产生压力。单压式结构简单，我国生产的LN1、LN2型SF6断路器均为单压式。如图6-8所示是一种单压式灭弧室钢罐落地形式的SF6断路器，其灭弧元件置于充有SF6气体的金属箱筒内，断路器采用气动操作机构。

③压缩空气断路器——利用压缩空气强烈地吹弧，使电弧冷却，并清除弧道内的残余游离气体，当电流过零时，使电弧熄灭。压缩空气还可用来维持分、合闸状态下的绝缘。

（3）负荷开关

高压负荷开关是用来在额定电压和额定电流下接通和切断高压电路的专用开关。它只允许接通和开断负荷电流，但不允许开断短路电流，即它仅能作为控制和过载保护元件，不能用作故障保护元件。它与高压熔断器配合使用时，可代替断路器。负荷开关按灭弧介质的不同，分为固体产气式、压气式和油浸式三种。前两种有明显的外露可见断口，因此还能起到隔离开关的作用。如图6-9所示是FN3-10型户内压气式负荷开关的外形结构；上半部为负荷开关，下半部为熔断器。负荷开关的灭弧断流能力有限，只能断开一定的负荷电流和过负荷电流。

（4）隔离开关

隔离开关是以空气为绝缘介质，在无负荷的情况下接通或断开电路的电器。它在断开位置时形成明显可见的、足够的断开距离，把需要检修的电器与电源可靠地隔离，以保证检修工作的安全；在合闸状态时，能可靠地通过正常工作电流和短路故障电流。它在配电装置中的用量最多，通常是断路器的3～4倍。其主要用途如下。

①检修与分段隔离。利用隔离开关断口的可靠绝缘能力，使需要检修或分段的线路与带电的线路相互隔离。为确保检修工作的安全，隔离开关还附有接地装置，供检修时接地。

②倒换母线。在断口两端接近等电位的条件下，带负荷进行分、合闸，变换双母线或其他不长的并联线路的接线方式。

③分、合空载电路。利用隔离开关断口在分开时将电弧拉长和空气的自然熄弧能力，分合一定长度的母线、电缆或架空线路的电容电流，以及分、合一定容量的变压器的空载励磁电流。

如图6-10所示是GN8-10/600型户内高压隔离开关的外形，操作机构通过连杆机构接在转轴上，由转轴带动闸刀分闸或合闸。操作机构可以用电动、气动、液压传动等，也可用手动操作，但不论用什么方式驱动，都要求能够准确地分闸或合闸、动作平稳、冲击力小。

（5）高压熔断器

高压熔断器是在电网中人为设置的一个最薄弱的元件，用以保护电器装置免遭过电流或短路电流作用而引起损坏。当过电流流过时，元件本身发热熔断，借灭弧介质的作用使电路开断，达到保护电力线路和电气设备的目的。熔断器在电压低于35kV的小容量电网中被广泛采用（熔断器的价格最便宜）。熔断器按使用场所分为户内式及户外式两种；按动作性能可分为固定式和自动跌落式熔断器；按工作特性又可分为有限流作用和无限流作用熔断器。如图6-11（a）所示是RN1、RN2型高压熔断器的外形结构，图6-11（b）所示是其熔管的剖面示意图。

不论何种高压熔断器，其管内的熔体（熔丝）的熔化时间必须符合下列规定：a.当通过熔体的电流为额定电流的130%时，熔化时间应大于1h；b.当通过熔体的电流为额定电流的200%时，必须在1min以内熔断；c.保护电压互感器的熔断器，当通过熔体的电流在0.6～1.8A范围内时，其熔断时间不超过1min。

（6）成套配电装置

成套配电装置是以断路器为主的成套电器。它主要用于配电系统，作接受与分配电能之用。这类装置的各组成元件，按主接线的要求，以一定顺序布置在一个或几个金属柜内（根据需要，在柜内还可装设控制、测量、保护及调整等设备）。它可满足各种主接线要求，并具有占地少、安装及运行维护方便、适用于大量生产等特点。选择成套配电装置要根据主接线确定其数量，并根据负荷大小和用途来选择成套配电装置型号、容量和保护方式。

（7）电流互感器

将电路中流过的大电流变换成小电流，额定值为5A，供给测量仪表（如电流表、电能表、功率表）和继电器的电流线圈，这样就可以用小电流的仪表间接测量大电流。电流互感器通常有一个一次侧绕组（匝数少）和一个或两个二次侧绕组（匝数多）。一次侧绕组是串联在电路中的。一、二次侧绕组互相绝缘并且绕在同一个铁芯之上，通过电磁感应，把一次侧绕组的大电流按一定比例变换成二次侧绕组的小电流。特别要注意：在使用中电流互感器的二次侧不允许开路。

电流互感器的结构原理图如图6-12所示。

（8）电压互感器

将高电压（6kV、10kV、35kV等）降为低电压（一般额定值为100V），供给测量仪表（电压表、电能表、功率表）和继电器的电压线圈，这样就可以用低压仪表间接测量高压。电压互感器的基本结构是两个或三个互相绝缘的线圈绕在同一铁芯上所组成，一次侧绕组匝数多，二次侧绕组匝数少，通过电磁感应，把高电压按一定比例变换成低电压。电压互感器的一次侧绕组是与高压电路并联的。特别要注意在使用中电压互感器的二次侧不允许短路。

电压互感器实质上就是一个降压变压器，一次侧绕组的匝数多，二次侧绕组的匝数少，其基本结构原理图如图6-13所示。

此外尚有避雷器、电抗器、移相电容器等电气设备，不再赘述。