除主体设备发电机、变压器外,发电厂、变电站还有许多配电设备,这些配电设备可分为6种:①开关电器;②限流电器;③互感器;④导体与绝缘子;⑤补偿设备;⑥防雷与接地设备。本课程主要讲述前5种配电设备。
开关电器的功能是接通与切断电路。在电气一次接线中,一般应在每一条支路的电源侧配置一组开关电器,这组开关电器由两个及两个以上的开关设备组成,它应满足3种功能:①正常运行时合、分电路,承担此任务的开关电器(例如负荷开关)应能合、分正常工作最大电流,并考虑如果需要频繁操作而选择能胜任频繁操作的开关;②事故(例如短路)时在继电保护装置控制下自动切断故障电路,承担此任务的开关电器应能切断短路电流(例如熔断器(RD)及各种高压断路器(DL));③设备(包括断路器)检修时使被检修设备可靠地与电源隔离,承担此任务的开关电器(例如低压刀开关(DK)、高压隔离开关(G))在无电流情况下操作,其结构特点是有肉眼可见的明显断口,且保证不误合。
上述开关电器的功能决定了开关电器在电力系统运行中极为重要的作用,其投资在配电设备中所占比例甚高(60%以上)。随着电力系统总容量及单机容量的增长,电力系统的短路电流不断加大,开关电器切断电流(熄灭电弧)的能力是一个十分突出的问题。因此,灭弧问题也是本课程讲述开关电器时所研究的主要问题。
保证开关电器在电力系统短路时能可靠切断电路的措施从两方面考虑:①提高开关电器的断流能力;②降低电力系统的短路电流。加装限流电器是降低低压电网短路电流的手段之一。
限流电抗器(DK)是6~10kV电网常用的限流电器,它包括普通电抗器和分裂电抗器(见4.2节)。变压器除变换电压外同时也有限制短路电流的作用,其百分电抗为 u d % ,从限制短路电流来讲相当于一个很大的串联电抗器(见2.2节)。两级电压的变压器分为普通双绕组及分裂(低压)绕组变压器两种。
限制短路电流(例如提高电路阻抗)往往与限制正常运行压降(满足调压要求,保证供电电压质量)发生矛盾。因此,本课程讲述限流电器时主要研究如何解决限制短路电流与限制正常压降的矛盾,分裂电抗器与分裂变压器就是解决这一矛盾的产物。
互感器的作用是将一次接线系统的高电压、大电流变换成标准等级的低电压(例如100V)和小电流(例如5A),向二次测量、控制与调节装置及仪表提供电流、电压信号。主要包括电压互感器(YH)与电流互感器(LH)。
互感器的标称变化(铭牌变化)用于计算:例如,由接于副边的电度表的计数来计算原边系统的用电量以确定收费;或由原边电压、电流计算副边的电压、电流以确定继电保护与自动装置的整定值。由于互感器的实际变比是一个变量,它随原边输入值和副边仪表负载不同而发生变化,因此由标称变比所作的计算与实际运行值不可避免地会产生差异,称为互感器的误差(见5.2节)。误差过大,将造成收费严重不准,继电保护与自动装置不能正确控制与调节。因此,误差理论(误差产生的原因及其限制)是本课程讲述互感器所研究的主要问题。
导体的作用是连接各电气设备,使发电、输电、配电、用电组成一个可灵活调度的系统。自身包裹绝缘的导体称为电缆(或电线),无绝缘的导体称为裸导体。裸导体需要绝缘子支撑或悬挂(分别称为支持绝缘子与悬式绝缘子)。裸导体穿越建筑物(墙或楼板等)或非绝缘材料隔板时需要使用穿墙绝缘套管。
电力系统中,导体和绝缘子的使用数量很大,分布地域很广,从节约电力投资和保证运行安全考虑,导体和绝缘子的正确选择具有十分重要的意义。选择导体的重要条件是发热和电动力,这是本课程讲述导体时着重研究的问题。此问题也是其他各种电气设备共同存在的问题,它决定导体及各种电气设备的正常负载能力及耐受短路电流产生的热和力的作用能力(短路时的热稳固性与动稳固性,见第6章)。
向用户提供优质的电力是发输配电的最终目的。为了提高传输能力和保证供电质量,需要在交流电网中安装一些补偿器,最主要的补偿器是并联无功补偿器和串联电抗补偿器。
图2.13 交流输电线等值电路图
图2.14 交流输电线相量图
图2.13示出交流输电线的等值电路,1、2为两端变电站的母线,为电路的两个节点。图中,
是1节点电压;
是2节点电压;
P
12
+j
Q
12
是流入2节点的功率;
P
21
+j
Q
21
是流入1节点的功率;
x
12
是1节点和2节点之间输电线的感抗。
绘出交流输电线两端电压的相量关系如图2.14所示。
图中, δ 12 = δ 1 - δ 2 ,为1节点电压的相角 δ 1 与2节点电压的相角 δ 2 的差值; φ 2 为2端的功率因数角。
由图2.14可见,有:
可得有、无功电流与电压幅值和相角的关系:
由式(2.16)可将流入2节点的功率算式写为:
将式(2.17)中电压幅值与相角的1、2下标交换,即得流入1节点的功率表达式:
式中 , δ 21 = δ 2 - δ 1 ,为2节点电压的相角与1节点电压的相角差值。
式(2.17)和式(2.18)表示出输电线的传输功率与两端电压的幅值及相角差的关系。可见在运行电压确定的情况下,输电线的传输功率由两端电压的相角差确定。因此,将此相角差称为输电线的功率角,简称为功角,式(2.17)和式(2.18)称为输电线的功角特性方程。
由式(2.17)、式(2.18)可见,由感抗连接的交流电网,有功传送的方向由电压相位确定:由超前方传向滞后方。无功传送的方向由电压的幅值确定:在线路不传输有功的情况下, δ 1 = δ 2 ,由高电压方传向低电压方,在线路向受端传输有功的情况下,传输相同的无功要求更大的电压差。
由式(2.17)和式(2.18)可得出交流系统的运行特点:
①为保证功率传输的稳定性,用交流输电线连接的电网的运行频率必须相等,否则将会导致 δ 12 的不断变化而产生两点间无休止的功率振荡。
②对于电气距离较大(即 x 12 较大)的两点,无功只能就地补偿,否则将会导致两点间很大的电压差。
③保持各节点电压幅值在额定值处运行和降低传输线路的感抗是提高输电网传输能力的关键。
保持节点电压幅值在额定值处运行需要在变电站母线上安装并联无功补偿装置,当前电力系统中采用的并联无功补偿装置包括并联电容器、并联电抗器和静止无功补偿器( Static VAR Compensator,SVC)。
降低传输线路的感抗则需要在输电线上安装串联电抗补偿装置。当前电力系统中采用的电抗补偿装置包括串联电容器和可控硅控制的串联补偿器( Thgristor Controlled Serves Compensator,TCSC)。
优秀的补偿器应是可调节的补偿器,其调节特性应满足3个要求:①连续(无级跳)调节;②快速调节;③双向调节,即可正可负。SVC与TCSC就是这种补偿器(见第7章)。