城市軌道交通供電學(xué)習(xí)包第一章 電力牽引供電系統(tǒng)綜述一、 電力牽引的制式 對(duì)牽引列車的電動(dòng)車輛或電力機(jī)車特性的基本要求： 1、起動(dòng)加速性能 要求起動(dòng)加速力大而且平穩(wěn)，即恒定的大的起動(dòng)力矩，便于列車快速平穩(wěn)起動(dòng)。 2、動(dòng)力設(shè)備容量利用 對(duì)列車的主要?jiǎng)恿υO(shè)備牽引電動(dòng)機(jī)的基本性能要求為，列車輕載時(shí)，運(yùn)行速度可以高一些，而列車重載時(shí)運(yùn)行速度可以低一些。這樣無論列車重載或輕載都可以達(dá)到牽引電動(dòng)機(jī)容量的充分利用，因?yàn)榱熊嚨臓恳εc運(yùn)行速度的乘積為其功率容量，這時(shí)近于常數(shù)。 3、調(diào)速性能 列車運(yùn)輸，特別是旅客運(yùn)輸，要求有不同的運(yùn)行速度，即調(diào)速。在調(diào)速過程中既要達(dá)到變速，還要盡可能經(jīng)濟(jì)，不要有太大的能量損耗，同時(shí)還希望容易實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 低頻單相交流制是交流供電方式，交流電可以通過變壓器升降壓，因此可以升高供電系統(tǒng)的電壓，到了列車以后再經(jīng)車上的變壓器將電壓降低到適合牽引電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的電壓等級(jí)。由于早期整流技術(shù)的關(guān)系，這種制式采用的牽引電動(dòng)機(jī)在原理上與直流串激電動(dòng)機(jī)相似的單相交流整流子電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)存在著整流換向問題，其困難程度隨電源頻率的升高而增大，因此采用了“低頻”單相交流制，它的供電頻率和電壓有 25 HZ、6.511 kV和16HZ、1215 kV等類型。由于用了低頻電源使供電系統(tǒng)復(fù)雜化，需由專用低頻電廠供電，或由變頻電站將國家統(tǒng)一工頻電源轉(zhuǎn)變成低頻電源再送出，因此沒有得到廣泛應(yīng)用，只在少量國家的工礦或干線上應(yīng)用。 “工頻單相交流制”。這種制式既保留了交流制可以升高供電電壓的長處，又仍舊采用直流串激電動(dòng)機(jī)作為牽引電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，在電力機(jī)車上裝設(shè)降壓變壓器和大功率整流設(shè)備，它們將高壓電源降壓，再整流成適合直流牽引電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的低壓直流電，電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速可以通過改變降壓變壓器的抽頭或可控制整流裝置電壓來達(dá)到。工頻單相交流制是當(dāng)前世界各國干線電氣化鐵路應(yīng)用較普遍的牽引供電制式。我國干線電氣化鐵路即采用這種制式，其供電電壓為25kV。 在牽引制的發(fā)展過程中曾出現(xiàn)過“三相交流制”的形式，但由于供電網(wǎng)比較復(fù)雜，必須要有兩根（兩相）架空接觸線和走行軌道構(gòu)成三相交流電路，兩根架空接觸線之間又要高壓絕緣，造成的困難和投資更大，因此被淘汰。 關(guān)于直流制式的電壓等級(jí)應(yīng)用情況大致如下：干線電氣化鐵路的供電電壓有 3 kV的，電壓沒有再提高是因?yàn)槭艿街绷鳡恳妱?dòng)機(jī)端電壓的限制，其值一般為 l5 kV左右，用 3 kV供電，一般就需要將兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)串聯(lián)聯(lián)接，再提高供電電壓其聯(lián)接就更復(fù)雜，還涉及當(dāng)時(shí)整流裝置絕緣水平的問題。這種制式在原蘇聯(lián)和東歐一些國家應(yīng)用最普遍。 供電電壓為 1.21.5 kV的直流制多用于工礦和部分國家的干線電力牽引，如日本等國家。 城市軌道交通幾乎毫無例外地都采用直流供電制式，這是因?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄟ\(yùn)輸?shù)牧熊嚬β什⒉皇呛艽螅涔╇姲霃剑ǚ秶┮膊淮?，因此供電電壓不需要太高，還由于直流制比交流制的電壓損失?。ㄍ瑯与妷旱燃?jí)下），因?yàn)闆]有電抗壓降。另外由于城市內(nèi)的軌道交通，供電線路都處在城市建筑群之間，供電電壓不宜太高，以確保安全?；谝陨显?，世界各國城市軌道交通的供電電壓都在直流 5501500V之間，但其檔級(jí)很多，這是由各種不同交通形式，不同發(fā)展歷史時(shí)期造成的。現(xiàn)在國際電工委員會(huì)擬定的電壓標(biāo)準(zhǔn)為：600 V、750 V和1500V三種。后兩種為推薦值。我國國標(biāo)也規(guī)定為 750V和 1500 V，不推薦現(xiàn)有的600 V。 我國北京地鐵采用的是 750 V直流供電電壓，上海地鐵采用的是1500 V直流供電電壓。必須根據(jù)各城市的具體條件和要求，綜合論證決定。 二、電力牽引供電系統(tǒng)的組成 我國和大多數(shù)國家一樣，電力生產(chǎn)由國家經(jīng)營管理，因此無論是干線電氣化鐵路，還是工礦電力牽引和城市軌道交通電力牽引用電均由國家統(tǒng)一電網(wǎng)供給。為了說明電力牽引供電系統(tǒng)各個(gè)組成部分的關(guān)系和作用，下面以城市軌道交通直流電力牽引供電系統(tǒng)為例，用示意圖1-1表示之。 電廠可能與其用戶相距甚遠(yuǎn)，為了能得到經(jīng)濟(jì)輸電，必須將輸電電壓升高，以減少線路的電壓損失和能量損耗，因此在發(fā)電廠的輸出端接入升壓變壓器以提高輸電電壓。目前我國用得最普遍的輸電電壓等級(jí)為110220 kV。 通常國家供電系統(tǒng)總是把在同一個(gè)區(qū)域（或大區(qū)）的許多發(fā)電廠通過高壓輸電線和變電所聯(lián)結(jié)起來成為一個(gè)大的統(tǒng)一的供電系統(tǒng)，向該區(qū)域的負(fù)荷供電，這樣由各級(jí)電壓輸電線將發(fā)電廠、變電所和電力用戶聯(lián)結(jié)起來的一個(gè)發(fā)電、輸電、變電、配電和用戶的統(tǒng)一體被稱為電力系統(tǒng)。組成統(tǒng)一的電力系統(tǒng)有如下的一些優(yōu)越性。 1可以充分利用動(dòng)力資源。火力發(fā)電廠發(fā)出多少電能就需要相應(yīng)地消耗多少燃料，而其他的某些類型發(fā)電廠，它能發(fā)出多少電能取決于當(dāng)時(shí)該發(fā)電廠的動(dòng)力資源情況，如水電站的水位高低，它隨自然條件的變化而變化，因此，組成統(tǒng)一的電力系統(tǒng)以后，在任何時(shí)候，可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整各種動(dòng)力資源，以求其發(fā)揮最大效益。 2減少燃料運(yùn)輸，降低發(fā)電成本。大容量火力發(fā)電廠所消耗的燃料是很可觀的，如果不用高壓遠(yuǎn)距離輸電，則發(fā)電廠必然要建在負(fù)荷中心附近而不能建在燃料資源的生產(chǎn)地，這樣就要大量運(yùn)輸燃料，造成發(fā)電成本升高。采用高壓輸電電力系統(tǒng)以后就可以解決以上問題，將發(fā)電廠建在動(dòng)力資源豐富的地方。 3提高供電的可靠性。由于供電區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷是由多個(gè)發(fā)電廠組成的電力系統(tǒng)共同供電的，這樣與單個(gè)發(fā)電廠獨(dú)立向自己的負(fù)荷供電比較起來，對(duì)負(fù)荷的供電可靠性就可以提高很多，因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)發(fā)電廠之間可以起到互為后備的作用。與此同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備容量也可以減少很多，降低了設(shè)備的投資費(fèi)用。 4提高發(fā)電效率。沒有組成電力系統(tǒng)之前，每個(gè)發(fā)電廠的容量是按照它的供電負(fù)荷大小來設(shè)計(jì)選擇的，如果該地區(qū)負(fù)荷小，則發(fā)電設(shè)備單機(jī)容量必小。通常單機(jī)小容量的發(fā)電設(shè)備總是比大容量的設(shè)備運(yùn)行效率低些，因此組成電力系統(tǒng)以后，不但各發(fā)電廠的單機(jī)容量可以盡可能選得大一些，以提高單機(jī)的運(yùn)行效率，而且總機(jī)組數(shù)目也可減少，還不受各地區(qū)負(fù)荷大小的牽制，因?yàn)樗鼈兪怯山y(tǒng)一系統(tǒng)供電的，這就達(dá)到了提高發(fā)電效率的目的。 通常高壓輸電線到了各城市或工業(yè)區(qū)以后通過區(qū)域變電所（站）將電能轉(zhuǎn)配或降低一個(gè)等級(jí)，如 3510 kV向附近各用電中心送電。城市軌道交通牽引用電既可從區(qū)域變電所高壓線路得電，也可以從下一級(jí)電壓的城市地方電網(wǎng)得電，這取決于系統(tǒng)和城市地方電網(wǎng)具體情況以及牽引用電容量大小。 對(duì)于直接從系統(tǒng)高壓電網(wǎng)獲得電力的城市軌道交通系統(tǒng)，往往需要再設(shè)置一級(jí)主降壓變電站，將系統(tǒng)輸電電壓如110220kV降低到1035 kV以適應(yīng)直流牽引變電所的需要。從管理的角度上看，主降壓變電站可以由電力系統(tǒng)（電業(yè)部門）直接管理，也可以歸屬于城市軌道交通部門管理。 以上，從發(fā)電廠（站）經(jīng)升壓、高壓輸電網(wǎng)、區(qū)域變電站至主降壓變電站部分通常被稱為牽引供電系統(tǒng)的“外部（或一次）供電系統(tǒng)”。 從主降壓變電站（當(dāng)它不屬于電力部門時(shí)）及其以后部分統(tǒng)稱為“牽引供電系統(tǒng)”。它應(yīng)該包括：主降壓變電站、直流牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、走行軌及回流線等。直流牽引變電所將三相高壓交流電變成適合電動(dòng)車輛應(yīng)用的低壓直流電。饋電線是將牽引變電所的直流電送到接觸網(wǎng)上。接觸網(wǎng)是沿列車走行軌架設(shè)的特殊供電線路，電動(dòng)車輛通過其受流器與接觸網(wǎng)的直接接觸而獲得電力。走行軌道構(gòu)成牽引供電回路的一部分?；亓骶€將軌道回流引向牽引變電所。 三、向牽引變電所供電的接線圖 1環(huán)行供電接線（圖1-2）以下各圖符號(hào)意義相同。 由兩個(gè)或兩個(gè)以上主降壓變電站和所有的牽引變電所用輸電線聯(lián)成一個(gè)環(huán)行。環(huán)行供電是很可靠的供電線路，因?yàn)樵谶@種情況下，一路輸電線和一個(gè)主降壓變電站同時(shí)停止工作時(shí)，只要其母線仍保持通電，就不致中斷任何一個(gè)牽引變電所的正常供電。但其投資較大。2雙邊供電接線（圖13） 由兩個(gè)主降壓變電站向沿線牽引變電所供電，通往牽引變電所的輸電線都經(jīng)過其母線聯(lián)接，為了增加供電的可靠性，用雙路輸電線供電，而每路按輸送功率計(jì)算。這種接線可靠性稍低于環(huán)行供電。當(dāng)引入線數(shù)目較多時(shí)，開關(guān)設(shè)備多，投資增加。3單邊供電接線（圖l4） 當(dāng)軌道沿線附近只有一側(cè)有電源時(shí)，則采用單邊供電。單邊供電較環(huán)行供電和雙邊供電的可靠性差，為了提高可靠性，應(yīng)用雙回路輸電線供電。單邊供電設(shè)備較少，投資也少些。 4輻射形供電接線（圖l5） 每個(gè)牽引變電所用兩路獨(dú)立輸電線與主降壓變電站聯(lián)接。這種接線方式適合于軌道線路成弧形的情況。這種接線簡單，但當(dāng)主降壓變電所停電時(shí)，將全線停電。 應(yīng)當(dāng)指出，實(shí)際情況常常是以上某些典型接線方式的綜合。變配電接線圖的選擇應(yīng)該是這樣的，當(dāng)供電系統(tǒng)的一個(gè)元件故障損壞時(shí)，它應(yīng)能自動(dòng)解列而不致破壞牽引供電。四、 直流牽引變電所的整流裝置 直流牽引變電所的主要功能為，將其交流進(jìn)線電壓通過整流變壓器降壓，然后經(jīng)整流器將交流電變成直流電供電動(dòng)車輛的直流牽引電動(dòng)機(jī)用。為了提高直流電的供電質(zhì)量，降低直流電源的脈動(dòng)（波動(dòng)）量，通常采用多相整流的方法，它可以是六相、十二相整流，還可以增加到二十四相整流。為此，整流變壓器不僅起降壓作用，還要將三相交流電變成多相交流電供整流器整流，整流變壓器與整流器合稱為整流裝置。 下面就直流牽引變電所應(yīng)用的多相整流基本工作原理加以敘述。1、最簡單的三相半波整流電路（圖l7）圖中（a）表示整流變壓器的二次側(cè)三相繞組a、b、c成星形聯(lián)結(jié)，a、b、c三相分別接大功率半導(dǎo)體整流管 D1、D2、D3，R為負(fù)載電阻，三相交流電壓（Ua、Ub、Uc）波形如圖(b)所示。在任何時(shí)刻，相電壓最高的一相的整流管導(dǎo)通，此時(shí)整流電壓（加在負(fù)載R上的電壓）即為該相的瞬時(shí)電壓，如圖中t1t2時(shí)，為a相D1管導(dǎo)通，此時(shí)整流電壓為Ua，同理依次為D2、D3導(dǎo)通，整流電壓依次為Ub、Uc波形。 這種線路的特點(diǎn)為： 1)變壓器副邊每相繞組只導(dǎo)通1/3周期，即相差120°利用率較差。 2)整流管承受的反向電壓高。當(dāng)一個(gè)整流管導(dǎo)通時(shí)，另外兩個(gè)管必承受反向電壓，其值為副邊繞組線電壓。如D1導(dǎo)通時(shí)，D2、D3分別承受反電壓Uab、Uac。 3)變壓器繞組總是通過單方向電流，引起直流磁化，造成鐵心飽和，必要求加大鐵心尺寸，且阻抗增大，損耗增大。 以上電路屬共陰極接線，即三相整流管的陰極連接在一起。要改善以上整流電路，首先可以設(shè)想有兩組負(fù)荷相近的整流電路（都是三相半被整流電路），但是一組為共陰極接線，另一組則為共陽極接線，即a、b、c三相繞組連接的三個(gè)整流管的陽極連接在一起。如圖1-8（a）所示。此時(shí)整流電路的工作情況就有所改善。 圖（a）為兩組半波共陰、陽極串聯(lián)電路，如其負(fù)荷電流Id1、Id2相等，則零線電流I0為零，零線可以取消，同時(shí)兩組整流器共用一組三相副邊繞組，對(duì)每相繞組其通過的電流方向依次相反，各占13周期，這樣就提高了各繞組的通電時(shí)間（加倍），提高了利用率，而且先后的電流方向是相反的，又消除了直流磁化的問題。 2、三相橋式整流電路 以上接線中兩組半波整流的負(fù)荷電流數(shù)值相等，即Id1=Id2，則Id1-Id2=0，零線可以取消，將兩組負(fù)載用抗疊加為一個(gè)，則成為圖1-8（b）所示的三相橋式整流電路。橋式整流電路對(duì)同樣變壓器繞組電壓來說，其整流電壓升高一倍。反之，如整流電壓保持一定，則變壓器繞組電壓可以降低，因而整流元件承受的反電壓可以低些。三相橋式整流變壓器無直流磁化問題。整流電壓Ud的彼形為六相脈動(dòng)波形，其整流電壓的次序依次為線電壓Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb、Uab、。如圖1-9所示。 3、大功率供電整流電路 對(duì)于化工、冶金和電力牽引用的大功率整流設(shè)備，由于其直流電壓不太高，而電流很大，為了避免整流支路的整流元件（管）并聯(lián)數(shù)目不致太多，而造成元件之間電流分布不均的問題，可以用兩組整流器并聯(lián)工作的方法。同時(shí)可以使兩組整流器相互之間有相位移（相差），以求得多相整流，減少整流電壓脈動(dòng)的目的。下面介紹兩種這樣的電路； 1)帶平衡電抗器的雙反星形整流電路（圖1-10） 所謂雙反星形是整流變壓器的次邊每相有兩個(gè)匝數(shù)相同的繞組，分別接成兩組三相半波整流電路，即a、b、c和a、b、c兩組。a與a、b與b、c與c分別繞在同一個(gè)鐵芯上，其極性相反，或者說電壓的相位差180°。如圖1-10中表示同名端的“”符號(hào)所示，故稱雙反星形電路。兩組整流電路的整流電壓、電流波形如圖1-11所示。實(shí)際上兩組整流電路并聯(lián)連接，要達(dá)到真正并聯(lián)工作，必須兩個(gè)電源的情況完全相同（平均值和瞬時(shí)值均相等）才行。在雙反星形電路中，雖然兩組整流電壓的平均值Ud1和Ud2相等，但是它們的脈動(dòng)波相差60°，它們的瞬時(shí)值ud1和ud2是不同的。為了解決這個(gè)問題，在兩組整流電路的中心點(diǎn)O1與O2。之間接入了一個(gè)平衡電抗器Lp，Lp分成兩半，兩組整流電路各占一半。平衡電抗器的作用既起到限制由于瞬時(shí)電壓ud1與ud2的不同而造成的在兩組整流電路內(nèi)部流通的不平衡電流ip稱環(huán)流的數(shù)值，從而均化兩組整流電路的負(fù)荷電流，同時(shí)還在中點(diǎn)O1O和O2O中產(chǎn)生感應(yīng)電勢以補(bǔ)償兩個(gè)整流電路瞬時(shí)電壓ud1和ud2的差異，使兩組整流電路加在負(fù)載上的電壓相等，即兩組整流電路真正并聯(lián)工作。此時(shí)的整流電壓波形如圖1-12所示。 為了說明平衡電抗器的作用過程，可見圖1-13。從圖1-12中，在t1時(shí)Ub電壓最高二極管D6。導(dǎo)通，此電流流經(jīng)Ip時(shí)，平衡電抗器的一半繞組(OO2)端要感應(yīng)一電勢Up，它的方向是要阻止電流增長（即O端為正，O2端為負(fù)）。因?yàn)槠胶怆娍蛊鞯牧硪话耄∣O1端）是與（OO2端）繞在同一鐵心上的，且匝數(shù)相等，繞向相同，所以在繞組（OO1端）上也要感應(yīng)出電勢Up來，它的方向?yàn)镺1端正，O端為負(fù)。很顯然，OO2。繞組上的電勢與Ub方向是相反的，而 OO1端繞組上的電勢與Ua的方向是一致的，因此只要平衡電抗器上感應(yīng)的電勢Up與Ub、Ua的差值相等，則Ub-Up=Ua+Up 此時(shí)整流管D1與D2必同時(shí)導(dǎo)通，達(dá)到了該期間兩組整流電路的相應(yīng)整流管并聯(lián)工作的目的。同樣理由，在其他任何時(shí)間，必然會(huì)有另外兩個(gè)屬于不同整流電路的整流管同時(shí)導(dǎo)通，這就達(dá)到兩組整流電路并聯(lián)工作運(yùn)行的目的。 2)兩組三相橋并聯(lián)組成的十二相整流電路 目前城市軌道交通直流牽引變電所用的大功單半導(dǎo)體整流裝置，為了提高直流供電質(zhì)量，降低電壓脈動(dòng)量，減少注入電網(wǎng)的諧波含量和提高整流變壓器的利用率，普遍采用多相整流電路。五、電力牽引軌道沿線的迷流腐蝕與保護(hù)問題 絕大多數(shù)電力牽引軌道交通線路是以走行軌為其電回路的，由于鋼軌與大地之間不是絕緣的，因此由鋼軌回流牽引變電所的電流必有部分經(jīng)大地流回牽引變電所。這部分電流因大地土壤的導(dǎo)電性質(zhì)、地下金屬管道位置的不同，可以分布很廣，故稱之為“迷流”或“雜散電流”。 對(duì)于直流單邊供電區(qū)段，一個(gè)牽引負(fù)荷的情況下，其電流的分布情況，大致示意如圖 l-15所示。由圖可見，在牽引變電所回流線與鋼軌相接的回流點(diǎn)A處，地電流流回牽引變電所。 當(dāng)軌道沿線地下有金屬管道或建筑物鋼筋等導(dǎo)電物時(shí)，地中迷流必多沿金屬導(dǎo)體流動(dòng)，到了回流點(diǎn)附近再流向鋼軌回變電所，因此在回流點(diǎn)附近的金屬管道形成了陽極區(qū)對(duì)大地為正），如圖1-16所示： 由圖可見對(duì)“正”接觸導(dǎo)線情況，陽極區(qū)總是在回流點(diǎn)處不動(dòng)，這就使陽極區(qū)內(nèi)的金屬物正離子流向大地，發(fā)生電解腐蝕現(xiàn)象，損壞了金屬。這是直流牽引網(wǎng)存在的一個(gè)特殊問題，人們總是在不斷地努力尋求改善的各種方法。 當(dāng)接觸網(wǎng)為“負(fù)”極性時(shí)，與圖l-16中電流方向反向，陽極與陰極區(qū)將轉(zhuǎn)變，則陽極區(qū)將隨著列車的移動(dòng)而移動(dòng)，這樣陽極區(qū)是不固定的，則金屬物的腐蝕現(xiàn)象較均勻，情況就不會(huì)太嚴(yán)重。當(dāng)然接觸網(wǎng)的極性選擇不僅決定于此，目前還是以“正”極性為多。 為了改善地中電流造成的迷流腐蝕問題，可以采取增加軌道與大地間的絕緣、降低走行軌道的電阻、縮短變電所之間的距離、金屬管道遠(yuǎn)離軌道線路和其他專門的“電保護(hù)”等措施使軌道電流少泄漏人大地，即使有地電流也少流向地下金屬物，已經(jīng)流人地下金屬物的電流，也使其在回流點(diǎn)處往專設(shè)“電旁泄”直接流回變電所，不形成腐蝕陽極區(qū)。所謂“電旁泄”是一種專設(shè)的電流通道，它保證雜散電流從被保護(hù)建筑物回流人鋼軌網(wǎng)、牽引變電所回流線或者直接流入與鋼軌網(wǎng)相聯(lián)的牽引變電所母線，使地下建筑物處于陰極狀態(tài)。 “電保護(hù)”的方法很多，除了電旁泄方法之外，還可以有“陰極”保護(hù)方法，即人為地把特設(shè)的直流電源的陰極接在被保護(hù)的地下金屬物上，而陽極接在專設(shè)的接地器上，這樣被保護(hù)的地下金屬物對(duì)地為負(fù)電位，沒有電流流向大地，而進(jìn)人的（牽引）地下電流經(jīng)特設(shè)電源由專設(shè)接地器（對(duì)地為陽極區(qū)）流人大地后回變電所，如圖虛線部分。當(dāng)然還可以用與鋼軌并聯(lián)的專用線做為回流線，其投資更高。加拿大的直線電機(jī)軌道交通，在走行軌側(cè)設(shè)二根接觸軌作為正負(fù)供電線，這對(duì)迷流腐蝕來說也是一個(gè)很好的措施，只是結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些，投資增加。第二章 變電所的主要電氣設(shè)備一、概 述 變電所內(nèi)的電氣設(shè)備按所屬電路性質(zhì)分為兩大類：一次高壓電路中所有的電氣設(shè)備，即為一次設(shè)備；二次控制、信號(hào)和測量電路中的所有電氣設(shè)備即為二次設(shè)備。 一次設(shè)備按其在一次電路中的功用又可分為變換設(shè)備、控制設(shè)備、保護(hù)設(shè)備、補(bǔ)償設(shè)備和成套設(shè)備等類型。 1變換設(shè)備 用以變換電能電壓或電流的設(shè)備。如電力變壓器、整流器、電壓互感器、電流互感器等。 2控制設(shè)備 用以控制電路通斷的設(shè)備。如各種高、低壓開關(guān)設(shè)備。 3保護(hù)設(shè)備 用以防護(hù)電路過電流或過電壓的設(shè)備。如高、低壓熔斷器和避雷器等。 4補(bǔ)償設(shè)備 用以補(bǔ)償電路的無功功率以提高系統(tǒng)功率因數(shù)的設(shè)備。如高、低壓電容器、靜止無功補(bǔ)償裝置等。 5成套設(shè)備 按一定的線路方案將有關(guān)一次、二次設(shè)備組合而成的設(shè)備。如高壓開關(guān)柜，低壓配電屏，高、低壓電容器柜和成套變電站等。二、 變 壓 器 1、變壓器的作用 變壓器是變電所最主要的設(shè)備之一。其作用是將交流電源的電壓進(jìn)行升高或降低。2、變壓器的工作原理 變壓器的工作原理如圖2-1所示，它是一種按電磁感應(yīng)原理工作的電氣設(shè)備。一個(gè)單相變壓器的原、副邊兩個(gè)線圈繞在一個(gè)鐵心上，副邊開路，原邊施加交流電壓U1。則原邊線圈中流過電流I1，在鐵心中產(chǎn)生磁通。磁通穿過副邊線圈在鐵心中閉合，在副邊感應(yīng)一個(gè)電動(dòng)勢E2。當(dāng)變壓器副邊接上負(fù)載后，在電勢的作用下將有副邊電流I2通過，這樣負(fù)載兩端會(huì)有一個(gè)電壓降U2，電壓降 U2約等于 E2，U2約等于 E1，所以 U1/U2=E1/E2=W1/W2=K式中U1、U2為原、副邊線圈的端電壓，W1、W2為原、副邊線圈的匝數(shù)，K稱為變壓器的變比。由上式可以看出，由于變壓器原、副邊線圈匝數(shù)不同，因而起到了變換電壓的作用。變壓器的電壓變比是繞組的匝數(shù)比，電流變比是繞組匝數(shù)比的倒數(shù)。根據(jù)上述原理可以制造出單相、三相等各種變壓器。 3、變壓器的結(jié)構(gòu) 電力變壓器根據(jù)容量、電壓等級(jí)、線圈數(shù)的不同，外形和附件不完全相同，但主要部件基本上是相同的。變壓器的外形和結(jié)構(gòu)可參看圖2-2。變壓器的主要部件及其功能如下： 1)鐵心 鐵心是用導(dǎo)磁性能良好的硅鋼片疊裝組成，它形成一個(gè)磁通閉合回路，變壓器的一、二次繞組都繞在鐵心上。 2)線圈 線圈又稱為繞組，是變壓器的導(dǎo)電回路。線圈用銅線或鋁線繞成多層圓筒形。線圈繞在鐵心柱上，導(dǎo)線外邊包有絕緣材料，形成導(dǎo)線之間及導(dǎo)線對(duì)地的絕緣。 3)油箱 油箱是變壓器的外殼，內(nèi)部充滿變壓器油，鐵心和繞組都安裝在油箱內(nèi)，鐵心和繞組浸在油中。變壓器油是絕緣的，它一方面起絕緣作用，同時(shí)也起散熱作用。變壓器的一些部件安裝在油箱上。 4)油枕 油枕也稱油柜。變壓器油固溫度變化會(huì)發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象，油面也將隨溫度的變化而上升或下降、油枕的作用是儲(chǔ)油與補(bǔ)油，使變壓器油箱內(nèi)保證充滿油，同時(shí)油枕縮小了變壓器與空氣的接觸面，減少了油的老化速度。油枕側(cè)面裝有油位計(jì)，可以監(jiān)視油的變化。 5)呼吸器 油枕內(nèi)空氣隨變壓器油的體積膨脹或縮小，排出或吸入的空氣都要經(jīng)過呼吸器。呼吸器內(nèi)裝有干燥劑，吸收空氣中的水分，并對(duì)空氣起過濾作用，保持變壓器油的清潔。 6)防爆裝置 防爆裝置有防爆管和壓力釋放裝置兩種。防爆裝置是安裝在變壓器頂蓋上的。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障，變壓器油劇烈分解產(chǎn)生大量氣體，使油箱內(nèi)壓力劇增時(shí)，防爆裝置將油及氣體排出，防止變壓器油箱爆炸或變形。 7)散熱器 散熱器安裝在油箱壁上，上下有管道與油箱相通，變壓器上部油溫與下部油溫有溫差時(shí)，通過散熱器形成油的對(duì)流，經(jīng)散熱器冷卻后流回油箱，起到降低變壓器油溫度的作用。為了提高冷卻效果，可以采用自冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷和強(qiáng)迫水冷等措施。 8)絕緣套管 變壓器繞組的引出線采用絕緣套管，以便與箱體絕緣。絕緣套管有純瓷、充油和電容等不同形式。 9)瓦斯繼電器 瓦斯繼電器又稱為氣體繼電器，是變壓器內(nèi)部故障的主保護(hù)裝置，它裝在油箱和油枕的連接管上。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重的障時(shí)，瓦斯繼電器接通斷路器跳閘回路；當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生不嚴(yán)重故障時(shí)，瓦斯繼電器接通故障信號(hào)回路。 10)溫度計(jì) 溫度計(jì)用來測量油箱里上層油溫，監(jiān)視變壓器運(yùn)行是否正常 11)調(diào)壓裝置 調(diào)壓裝置是為了保證變壓器二次測電壓而設(shè)置的。當(dāng)電源電壓變動(dòng)時(shí)，利用調(diào)壓裝置調(diào)節(jié)變壓器的二次電壓。調(diào)壓裝置分為有載調(diào)壓和無載調(diào)壓兩種。有載調(diào)壓可以在變壓器帶負(fù)載的狀態(tài)下進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，而無載調(diào)壓裝置的調(diào)壓則必須在不帶負(fù)才能進(jìn)行操作。 4、變壓器的主要技術(shù)參數(shù) 1)額定電壓UN 包括變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的額定電壓UN1和UN2。變壓器的二次側(cè)額定電壓UN2是指變壓器空載狀態(tài)下當(dāng)一次線圈加其額定電壓UNI時(shí)，獲得的二次測線圈端壓。 2)額定電流IN指線圈額定電流。 3)額定容量SN 額定容量指變壓器在額定電壓和額定電流條件下，連續(xù)運(yùn)行時(shí)輸送的容量。單相變壓器的額定容量為SN=UNIN；三相變壓器的額定容量為 SN= UNIN，這里 UN和IN為相應(yīng)變壓器的額定線電流和線電壓。 4)變比K 變比是指變壓器一次繞組額定電壓和二次繞組額定電壓之比，也是變壓器一次繞組線圈匝數(shù)和二次繞組線圈匝數(shù)之比。 5)銅損面S0 銅損是指變壓器一次、二次額定電流流過繞組時(shí)產(chǎn)生的能量損耗。 6)鐵損SK 鐵損是指變壓器在額定電壓下，在鐵心中產(chǎn)生的能量損耗。 7)阻抗電壓降U0 阻抗電壓降是指變壓器在二次繞組短接的情況下，一次繞組中流過額定電流時(shí)所引起的電壓降。一般以百分?jǐn)?shù)（）表示。 8)空載電流人IK 空載電流是指變壓器在額定電壓下空載運(yùn)行時(shí)，一次繞組中流過的電流。一般以百分?jǐn)?shù)表示。 9)連接組別 連接組別是指三相變壓器一次繞組與二次繞組連接的方式，如星形（Y）連接、三角形（）連接。 5、變壓器的分類 變壓器的分類方法很多，主要有： 1)按變壓器的應(yīng)用方式分 有升壓變壓器和降壓變壓器。 2)按變壓器的相數(shù)分 有單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。 3)按線圈形式分 有單線圈變壓器（自耦變壓器）、雙線圈變壓器和三線圈變壓器。用途最廣的是雙線圈變壓器。 5)按變壓器鐵心和線圈的相對(duì)位置分 有心式變壓器和殼式變壓器兩種。心式變壓器的線圈包在鐵心的外圍，殼式變壓器的鐵心包在線圈的外圍。 6)按變壓器絕緣和冷卻的方式分有油浸式、干式和充氣式三種。油浸式變壓器的鐵心和線圈都浸在盛滿變壓器油的油箱中，用油絕緣；冷卻方式有自冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷、水冷或強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻等形式；干式變壓器的鐵心和線圈利用空氣絕緣和冷卻；充氣式變壓器的器身放在一密封的鐵箱內(nèi)，箱內(nèi)充以特種氣體，箱內(nèi)的氣體通過熱交換器冷卻。必須指出，城市軌道交通電力牽引變電所如采用地下式的（例如地下鐵道用），為了防止油箱爆炸引起的嚴(yán)重后果，多應(yīng)甩干式變壓器。 7)按調(diào)壓裝置的種類分 分有載調(diào)壓變壓器和無載調(diào)壓變壓器。三、高壓開關(guān)設(shè)備 1、高壓斷路器 （1）斷路器的作用 斷路器又叫高壓開關(guān)，它是變電所的重要設(shè)備之一。斷路器不僅可以切斷與閉合高壓電路的空載電流和負(fù)載電流，而且，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，它與保護(hù)裝置、自動(dòng)裝置相配合，可以迅速地切斷故障電流，以減少停電范圍。防止事故擴(kuò)大，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 （2）斷路器的結(jié)構(gòu)和種類 斷路器的主要結(jié)構(gòu)大體分為導(dǎo)流部分、滅弧部分、絕緣部分和操作機(jī)構(gòu)部分。 斷路器在閉合時(shí)起接通口路的作用。當(dāng)斷路器斷開時(shí)，觸頭雖已分開，但觸頭間仍會(huì)產(chǎn)生電弧，因而斷路器應(yīng)具有滅弧能力。斷路器的滅弧方法有多種，從滅弧方法上可以將斷路器分為以下幾類： 1)油斷路器 油斷路器有少油斷路器和多油斷路器兩種。 油斷路器的滅弧室和觸頭都安裝在瓷套中，瓷套中的油作天弧介質(zhì)。油斷路器在早期使用較多，隨著技術(shù)的發(fā)展，已逐步被性能更優(yōu)越的斷路器所取代。2). 六氯化硫斷路器 六氧化硫是一種無色、無臭、無毒、不燃的惰性氣體，它月有良好的滅弧和絕緣性能，用六氯化硫氣體作為滅弧和絕緣介質(zhì)的新型氣吹斷路器，已得到了廣泛的應(yīng)用。六氟化硫斷路器在吹弧的過程中，氣體不排入大氣，而在封閉系統(tǒng)中反復(fù)使用。圖2-3所示為一敞開式六氯化硫斷路器結(jié)構(gòu)圖。 3)真空斷路器真空斷路器是利用真空作為絕緣和滅弧手段的斷路器。其核心部件是真空滅弧室，真空滅弧室的結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。真空斷路器電壽命長，能頻繁操作，新型的真空斷路器可以開斷額定電流上萬次，開斷短路電流數(shù)十次，而且無爆炸、火災(zāi)的危險(xiǎn)，目前正得到廣泛的應(yīng)用。 斷路器的工作是由操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的，斷路器的操作機(jī)構(gòu)有電磁操作機(jī)構(gòu)、彈簧操作機(jī)構(gòu)、液壓操作機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)等。電磁操作機(jī)構(gòu)是利用電磁鐵作為操作動(dòng)力，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作可靠，但需大容量的直流電源。彈簧操作機(jī)構(gòu)是利用電動(dòng)機(jī)使合閘彈簧壓縮貯能作為操作動(dòng)力，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，不需要大容量直流電源。液壓操作機(jī)構(gòu)是利用氮?dú)鈮嚎s貯能，以油作為傳遞壓力的媒介，由工作缸活塞的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)斷路器工作。這種機(jī)構(gòu)效率高，一次貯能可以多次動(dòng)作，而且動(dòng)作平穩(wěn)，但各部件加工精度要求較高，工作中要保持良好的密封性能。氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)是利用壓縮機(jī)將空氣壓縮存在氣缸內(nèi)，由壓縮空氣推動(dòng)操作機(jī)構(gòu)中的氣缸活塞，使斷路器動(dòng)作，其優(yōu)點(diǎn)是操作平穩(wěn)可靠，不需大容量直流電源，但需有壓縮空氣系統(tǒng)。圖2-5所示為CD10型電磁操作機(jī)構(gòu)示意圖。 2、隔離開關(guān) 隔離開關(guān)是沒有滅弧裝置和開關(guān)的開關(guān)電器，在分閘狀態(tài)下有顯的斷口，在合閘狀態(tài)下能可靠的通過額定流和短路電流。因隔離開關(guān)沒有滅弧裝置，不能切斷負(fù)荷電和短路電流，因隔離開關(guān)通常和斷路器配合使用，且在操作中必須注意與斷路器操作的先后順序。當(dāng)合閘時(shí)，先合隔離開關(guān)，后合斷路器；分閘時(shí)，先分?jǐn)嗦菲鳎蠓指綦x開館。這種操作通常稱為倒閘操作。為了保證安全，一般采用連鎖裝置，以防止誤操作。 隔離開關(guān)的主要用途有： 1)為設(shè)備或線路的檢修與分段進(jìn)行電氣隔離； 2)在斷口兩端電位接近相等的情況下，倒換母線，改變接線方式； 3)分合一定長度的母線和電纜；4)分合一定容量的空載變壓器、一定長度的空載線路和電壓互感器。 3、熔斷器 熔斷器是一種在通過的電流超過規(guī)定值時(shí)使其熔體熔化而切斷電路的保護(hù)電器。熔斷器的功能主要是對(duì)電路及其中設(shè)備進(jìn)行短路保護(hù)，但也有的具有過負(fù)荷保護(hù)的功能。 熔斷器由金屬熔體、支持熔體的觸頭裝置和外殼等組成，當(dāng)電路中電流過大時(shí)，熔體將被燒斷，這樣，當(dāng)電路中過載或短路時(shí)，熔斷器能迅速切斷電路，使電路中的各種電氣設(shè)備得到保護(hù)。熔斷器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低，體積小，維護(hù)與更換方便，應(yīng)用廣泛。其缺點(diǎn)是不能用以正常切斷或接通電路，而必須與其他電器配合使用；另外，當(dāng)熔體熔化后必須更換，需短時(shí)停電。 熔斷器主要有管式熔斷器和跌落式換斷器兩種。管式熔斷器和跌落式解斷器的典型結(jié)構(gòu)分別如圖2-7和圖2-8所示。 4、負(fù)荷開關(guān)” 負(fù)荷開關(guān)是在高壓隔離開關(guān)的基礎(chǔ)上加人簡單的滅弧裝置而成的，能切、合負(fù)荷電流，；但不能切斷短路電流。因此。負(fù)荷開關(guān)必須與高壓熔斷器配合使用，短路電流由蔣斷器切斷，面它專門在高壓裝置中通斷負(fù)荷電流，也能在過負(fù)荷的情況下自動(dòng)跳閘（在裝有熱脫扣器時(shí)）。 負(fù)荷開關(guān)常在一些需要經(jīng)常進(jìn)行分、合問的地方使用。負(fù)荷開關(guān)的結(jié)構(gòu)與斷路器相似，只是開斷性能要求比斷路器低、因此；構(gòu)造比斷路器簡單，操作機(jī)構(gòu)的操動(dòng)力較小，價(jià)格也較斷路器低。 高壓負(fù)荷開關(guān)分戶外和戶內(nèi)兩大類。負(fù)荷開關(guān)和隔離開關(guān)一樣，斷開時(shí)有明顯可見的斷開間隙，它也能起隔離電流用作用，保證檢修時(shí)的人身安全。負(fù)荷開關(guān)滅弧介質(zhì)有真空式和六氟化硫式。真空負(fù)荷開關(guān)尺寸小，重量輕，電壽命長，維護(hù)工作量小。圖29所示為FN310RT型高壓負(fù)荷開關(guān)結(jié)構(gòu)圖，其滅弧裝置（壓氣式）工作示意圖如圖210所示。5、直流開關(guān) 直流開關(guān)又稱為直流快速開關(guān)或直流快速自動(dòng)開關(guān)，它是一種操作和保護(hù)電器，能對(duì)直流額定電壓 6001500 V電路中盲流電機(jī)、整流機(jī)組和直流演線等進(jìn)行分問、合間操作，并在短路、過載、逆流（反向）時(shí)起保護(hù)跳閘作用。 直流電弧的媳滅過程和交流電弧不同，適用于干線、礦山及城市直流牽引供電系統(tǒng)。其電弧電流在時(shí)間上不過零點(diǎn)，屬于非周期變化的，因而在直流電弧的熄滅上較交流電弧困難。一般來說，熄滅直流電弧的直流開關(guān)在速度上有較高的要求，目的是為了加速斷開短路或過負(fù)荷的直流電流所產(chǎn)生的電弧。直流開關(guān)采用固有動(dòng)作時(shí)間很小（幾個(gè)。）的快速開關(guān)迅速斷開直流電弧。電孤的熄滅過程如圖211示。圖中曲線1為短路電流；曲線2為快速開關(guān)斷開電流BT為快速開關(guān)全分?jǐn)鄷r(shí)間；T為低速開關(guān)全分?jǐn)鄷r(shí)間。 從圖中可以看出；采用直流快速開關(guān)對(duì)于保護(hù)直流系統(tǒng)的電器設(shè)備具有非常重要的意義。目前的直流快速開關(guān)的固有動(dòng)作時(shí)間在幾個(gè)ms。全分聽時(shí)間可以在十幾個(gè)ms以內(nèi)。 和交流開斷設(shè)備相似，直流開關(guān)一般由導(dǎo)電部分、滅弧部分、操作及傳動(dòng)部分等組成。直流快速自動(dòng)開關(guān)的類型較多，圖212所示為DS14系列直流快速開關(guān)結(jié)構(gòu)和外形圖。 四、 互 感 器 互感器是電壓、電流變換設(shè)備。供電系統(tǒng)中的高電壓、大電流參數(shù)無法直接測量，供電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)也無法直接從主回路上取得參數(shù)，因此，需要將高電壓、大電流變成低電壓和小電流，以供繼電保護(hù)和電氣測量使用。 電壓互感器又稱為儀用變壓器，電流互感器又稱為儀用交流器，二者被統(tǒng)稱為互感器。從結(jié)構(gòu)和工作原理來說，互感器是一種特殊變壓機(jī) 互感器的功能主要有兩個(gè)： 1)安全絕緣 采用互感器作一次電路與二次電路之間的中間元件，既可以避免一次電路的高電壓直接引人儀表、繼電保護(hù)設(shè)備等二次設(shè)備，又可避免二次電路的故障影響一次電路，提高了兩方面工作的安全性和可靠性，特別是保障了人身安全。 2)、 擴(kuò)大范圍 采用互感器以后，相當(dāng)于擴(kuò)大了儀表、繼電器的使用范圍。由于使用了互感器，可使二次的儀表、繼電器等的電流、電壓規(guī)格統(tǒng)一，有利于大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。 1、電壓互感器 電壓互感器的基本結(jié)構(gòu)原理如圖213所示。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：一次繞組匝數(shù)很多，而二次繞組匝數(shù)較少，相當(dāng)于降壓變壓器。它接人電路的方式是：一次繞組并聯(lián)在一次電路中；二次繞組則并聯(lián)儀表、繼電器的電壓線圈。由于二次儀表、繼電器的電壓線圖阻抗很大，所以電壓互感器工作時(shí)二次回路接近于空載狀態(tài)。二次繞組的電壓一般為100V。 電壓互感器的一次電壓U1與其二次電壓U2之間有下列關(guān)系： U1=U2W1/W2=KuU2 式中，W1、W2分別為電壓互感器一次和二次繞組的匝數(shù)；Ku為電壓互感器的變壓比。 電壓互感器的主要技術(shù)參數(shù)有： 1)變比Ku 變比Ku一般定義為一次惻額定電壓與二次測額定電壓之比。 2)準(zhǔn)確級(jí) 電壓互感器的誤差用準(zhǔn)確級(jí)表示。根據(jù)不同的需要可以選用不同的準(zhǔn)確級(jí)。 3)額定容量 電壓互感器的誤差與其二次負(fù)荷有關(guān)，因此，不同的電壓互感器給出其在保證準(zhǔn)確級(jí)下的最大負(fù)荷。若二次負(fù)荷超出所給定的負(fù)荷時(shí)，其誤差將加大。同時(shí)，還給出最大負(fù)荷功率，這是由熱穩(wěn)定確定的，當(dāng)超過最大負(fù)荷功率時(shí)，互感器將燒壞。 電壓互感器在運(yùn)行時(shí)二次倒不允許短路。這是因?yàn)?，電壓互感器二次例有一定的電壓，?yīng)接于能承受該電壓的回路里。電壓互感器本身阻抗很小，如二次側(cè)短路，二次側(cè)通過的電流增大造成保險(xiǎn)熔斷，影響表計(jì)指示及引起保護(hù)誤動(dòng)作，如果保險(xiǎn)容量選擇不當(dāng)極易損壞電壓互感器。 2、電流互感器 電流互感器是將大電流變換成小電流的電氣設(shè)備，其一次繞組匝數(shù)少（有的利用一根導(dǎo)線穿過其鐵芯，只有一匝），串聯(lián)接在一次回路中；二次繞組匝數(shù)很多，與儀表、繼電器等的電流線自串聯(lián)，形成一個(gè)閉合回路。電流互感器的基本結(jié)構(gòu)原理如圖214所示。 由于電流互感器二次例所接的儀表、繼電器等的電流線圖阻抗很小，所以，電流互感器工作時(shí)二次回路接近于短路狀態(tài)。二次繞組的額定電流一般為5A。 電流互感器的一次電流I1與二次電流I2之間有下列關(guān)系：I1=I2W2/W1=KiI2 式中，WI、WZ分別為電流互感器一次和二次繞組的匝數(shù):Ki為電流互感器的交流比。 電流互感器的主要技術(shù)參數(shù)有： 1)變比Ki 變比Ki一般定義為一次測額定電流與二次測額定電流之比； 2)準(zhǔn)確級(jí) 與電壓互感器類似，電流互感器的誤差也用準(zhǔn)確級(jí)表示。 3)額定容量 電流互感器的誤差與其二次負(fù)荷有關(guān)，不同的電流互感器給出在保證準(zhǔn)確級(jí)下的最大負(fù)荷。若二次負(fù)荷超出所給定的負(fù)荷時(shí)，其誤差將加大。 電流互感器在運(yùn)行時(shí)二次惻不允許開認(rèn)這是因?yàn)?，電流互感器二次?cè)開路時(shí)，二次電流等于零，一次側(cè)電流完全變成了減磁電流，在二次線圈上產(chǎn)生很高的電勢，其峰值可達(dá)幾kV，威脅人身安全，或造成儀表、保護(hù)裝置、電流互感器二次絕緣損壞。另一方面，原邊繞組磁化力使鐵心孩通密度過度增大，可能造成鐵心強(qiáng)烈過熱而損壞。五 避雷裝置 避雷裝置又稱防雷裝置，其作用是防止電氣設(shè)備的雷電過電壓。雷電過電壓，是由于電力設(shè)備或建筑物遭受直接雷擊或雷電感應(yīng)而發(fā)生的過電壓。雷電過電壓又稱為大氣過電壓或外部過電壓。雷電過電壓產(chǎn)生的雷電沖擊波，其電壓幅值可達(dá) 100 MV，電流幅值可達(dá)幾百kA，因此，對(duì)電氣設(shè)備的正常運(yùn)行危害極大，必須采取措施加以防護(hù)。 一個(gè)完整的揚(yáng)雷設(shè)備一般由接岡器、避雷器、引下線和接地裝置等三個(gè)部分組成。 1、接閃器 接閃器就是專門用來接受雷閃的金屬物體。接閃器的金屬桿稱為避雷針；接用器的金屬線稱為避雷線或架空地線；接問器的金屬帶、金屬網(wǎng)，稱為避雷帶、避雷網(wǎng)。所有接閃器都必須經(jīng)過引下線與接地裝置相聯(lián)。 2、避雷器 避雷器是干種過電壓保護(hù)設(shè)備，用來防止雷電所產(chǎn)生的大氣過電壓沿架突線路侵入變電站或其他建筑物內(nèi)，以免危及被保護(hù)設(shè)備的絕緣。避雷器也可以用來限制內(nèi)部過電壓。避雷器與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)且位于電源流其放電電壓低于被保護(hù)設(shè)備的絕緣耐壓值。六、 六氟化硫全封閉組合電器（GIS） 六氯化硫全封閉組合電器是將變電站（所）一次接線中的高壓電器元件：斷路器、母線、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器、出線套管、電纜終端等的組合，全部元件封閉于接地的金屬桶體內(nèi)，充以一定壓力的六氯化硫氣體，形成以六氟化硫?yàn)榻^緣介質(zhì)的金屬封閉式開關(guān)設(shè)備，并通過電纜終端、進(jìn)出線套管或封閉母線與外界相連。 在地鐵變電所中，由于空間相對(duì)較小。對(duì)設(shè)備之間的安全距離、設(shè)備檢修等方面有較高的要求，十分適合采用封裝式的組合電器。 全封閉組合電器（GIS）具有很大的優(yōu)省性，但前提條件是封裝的電氣設(shè)備要具有很高的可靠性。由于六氯化硫氣體具有很高的絕緣強(qiáng)度周剛有全封閉組沒電器可縮小各元件之間的絕緣距離，從而使整套配電裝置的占地面積和空間體積縮小，且現(xiàn)場的施工工作量大大減少電氣設(shè)備進(jìn)行封裝以后、避免了各種惡劣環(huán)境的影響，減少了設(shè)備故障的可能性，提高了人身安全和設(shè)備檢修周期。圖215所示為ZF220型GIS結(jié)構(gòu)進(jìn)出線回路布置示意圖。七、 配電裝置的類型及對(duì)它的要求 1、配電裝置 各種電氣設(shè)備和導(dǎo)體按照不同的布置方式和結(jié)構(gòu)形式連接起來，實(shí)現(xiàn)接受和分配電能的任務(wù)；以滿足技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上的要求，即構(gòu)成了按照不同需要而形成的配電裝置。 2、我國電裝置的分類 配電裝置按其設(shè)置場所的不同?；旧峡煞譃閮深?。 1)屋內(nèi)配電裝置安裝在建筑物內(nèi)的電氣設(shè)備。 2)屋外配電裝置。 露天布置的電氣設(shè)備。有些配電裝置受場地或運(yùn)行條件的限制，部分設(shè)備安裝在建筑物內(nèi)，部分設(shè)在室外，形成混合式布置。 我國電力系統(tǒng)中：電壓在20kV以下采用屋內(nèi)配電裝置，電壓在 35 kV以上采用屋外配電裝置。城市軌道交通系統(tǒng)，受城市用地及環(huán)境條件限制，而將大部分電氣設(shè)備設(shè)在屋內(nèi)，地鐵供電系統(tǒng)中，牽引、降壓變電所大都設(shè)在屋內(nèi)，有時(shí)將主變電所也設(shè)在屋內(nèi)（或地下）。 3、配電裝置的布置。 配電裝置各配電間隔的配置應(yīng)與電氣主接線的各條電路相對(duì)應(yīng)，并使電源進(jìn)線、使出線及其他電路合理分配于各間隔中。進(jìn)線電路配置時(shí)，應(yīng)注意做到：一個(gè)母線分段故障。不致影響另一分段的正常工作；盡量將電源進(jìn)線布置在母線分段的中部，以減小母線中通過的工作電流；此外，還應(yīng)考慮債出線路的方便，以及布置對(duì)稱、便于操作，并考慮到易于擴(kuò)建。 對(duì)于全地下設(shè)置的主變電所，如選用油浸式設(shè)備和充氣絕緣開關(guān)設(shè)備，除需考慮散熱、去潮、換氣等正常措施外，對(duì)油浸式設(shè)備的防爆處理和充氣開關(guān)設(shè)備SF6泄露后的排氣處理，還應(yīng)采取下列三項(xiàng)措施： 1)針對(duì) 110 kV SF6組合電器和 33 kV SF6組合電器可能發(fā)生 SF6氣體泄露的事核，專門設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)。SF6氣體比重大于空氣，需用足夠強(qiáng)力的風(fēng)機(jī)排氣。 2)針對(duì)主變壓器、降壓變壓器、消弧線圈、充油電纜等可能發(fā)生的燃爆事故，應(yīng)專門設(shè)計(jì)防爆滅火系統(tǒng)，采用化學(xué)滅火設(shè)備和相應(yīng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。并沿克油電纜敷設(shè)溫感電纜，以檢查電纜是否超溫運(yùn)行或故障引起超溫。 3)針對(duì)主變壓器和降壓變壓器等主要發(fā)熱設(shè)備，采用獨(dú)立的機(jī)械送風(fēng)和機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)。對(duì)無油設(shè)備的房間則采用自然進(jìn)風(fēng)和機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)、另外，各走廊均設(shè)置事故排煙系統(tǒng)。 4、配用裝置的選型 城軌交通由于所處地理位置，及其在城市交通系統(tǒng)中的重要作用，所以對(duì)牽引供電系統(tǒng)提出了更高的要求，其配電裝置選型時(shí)應(yīng)遵循下列原則 1)全線各變電所的同類設(shè)備型式應(yīng)力求一致，以便于運(yùn)營維護(hù)、管理 2)制造工藝成熟、技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠、價(jià)格合理、無維修或少維修的國產(chǎn)設(shè)備作為優(yōu)選對(duì)象。 3)應(yīng)滿足城市的地區(qū)環(huán)境條件要求。第三章 牽引變電所一、 牽引變電所的類型及原理 牽引變電所的電源一般來自電力系統(tǒng)的區(qū)域變電所，牽引變電所的任務(wù)就是將電力系統(tǒng)提供的三相工頻交流電變?yōu)闋恳玫碾娔?。根?jù)牽引制式的不同，牽引變電所又分為直流牽引變電所和交流牽引變電所。根據(jù)不同的牽引制式，變電所內(nèi)完成相應(yīng)的變壓、變相、變流作用。目前我國的牽引變電所主要有電氣化鐵路的單相工頻交流制牽引變電所和城市軌道交通系統(tǒng)（地鐵、輕軌）的直流牽引變電所。 1、 交流牽引變電所 交流牽引變電所按其主變壓器接線方式的不同又分為：單相牽引變電所、三相牽引變電所、三相-二相牽引變電所。分述如下； 1)三相牽引變電所 其結(jié)構(gòu)原理如圖3-1所示。 將一個(gè)三相 Y聯(lián)接的變壓器，Y側(cè)接人 110 kV或 220 kV的電力系統(tǒng)，側(cè)作為牽引側(cè)，一個(gè)端接入軌道作為公共地，另外兩端分別接入接觸網(wǎng)的兩個(gè)相鄰供電區(qū)段。這樣兩個(gè)相鄰區(qū)段上的電壓將是大小相等，相位相差一定角度的兩個(gè)線電壓，其標(biāo)準(zhǔn)電壓是 25 kV，如圖所示，左供電臂上的電壓比Uac將超前右供電管Ubc60°，所以兩個(gè)相鄰的接觸網(wǎng)區(qū)段用分相絕緣器連接。 2) 單相牽引變電所其原理如圖32和圖33所示。 圖32所示單相變電所的主變壓器是一臺(tái)單相變壓器，其一次側(cè)接入電力系統(tǒng)的不同兩相取線電壓，二次側(cè)一端接鋼軌。另一端接入接觸網(wǎng)。也可按圖33，在牽引變電所中設(shè)置兩臺(tái)雙繞組的單相變壓器，其一次側(cè)和二次側(cè)連成開口三角形。此開口三角形的兩個(gè)開口端和一個(gè)公共端，在一次側(cè)聯(lián)人電力系統(tǒng)的三相電網(wǎng)，在二次側(cè)將公共端口與鋼軌連接，另兩個(gè)端口則分別用換電線接人接觸網(wǎng)的兩個(gè)相鄰區(qū)段。如此連接的兩個(gè)接觸網(wǎng)區(qū)段上的電壓大小相等，相位不同，區(qū)段中間必須采用分相絕緣結(jié)構(gòu)。 3)三相二相牽引變電所 其原理如圖34所示。這種接線稱為斯柯特（Scott）接線，由兩臺(tái)單相變壓器構(gòu)成。在一次側(cè)，底繞組BC和高繞組AO連成倒T形，其H個(gè)出線端接人電力系統(tǒng)的三相電網(wǎng)。二次繞組則連成相位相差90的V形，公共端接鋼軌，另兩個(gè)端分別接人接觸網(wǎng)的不同區(qū)段。此種接線方式的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)兩個(gè)供電區(qū)段上的電流大小相等時(shí)，一次側(cè)的三相電流對(duì)稱，這樣就克服了前兩種接線缺陷，使三相電力系統(tǒng)負(fù)負(fù)荷平衡。Scott接線的這一特點(diǎn)是由它的接線所決定的，其二次側(cè)兩繞組匝數(shù)相同，設(shè)為W2，一次側(cè)兩繞組接成正三角型的底與高的關(guān)系，設(shè)底繞組BC的總匝數(shù)為W1，半個(gè)低繞組匝數(shù)為W1 /2,則底繞組變壓比n=W1/W2。從圖3-4（b）可知，當(dāng)變壓器空載時(shí)，二次側(cè)繞組端電壓分別為，Ú及Ú，其間相位差為/2。二次側(cè)電壓在有負(fù)荷時(shí)近似地保持Ú=-jÚ1 ,因此二次側(cè)的負(fù)荷電流如果數(shù)值相等，則有Ì=-jÌ我們可得一組方程： 可見，如二次側(cè)負(fù)荷電流數(shù)值相等時(shí)，一次側(cè)三相電前是對(duì)稱的。具有以上優(yōu)點(diǎn)的變壓器接線方式還有：列勃蘭接線、變形伍德橋接線。 2、直流牽引變電所 直流牽引變電所從雙電源受電，經(jīng)整流機(jī)組變壓器降壓、分相后，按一定整流接線方式由大功率硅整流器把三相交流電變換為與直流牽引網(wǎng)相應(yīng)電壓等級(jí)的直流電，向電動(dòng)車組供電，圖35所示是直流牽引變電所的接線原理。 整流機(jī)組是直流牽引變電所的關(guān)鍵設(shè)備，為降低整流直流中的脈動(dòng)分量和整流變壓器一次側(cè)的諧波含量，一般應(yīng)采用12相脈動(dòng)的整流接線方式?，F(xiàn)代整流機(jī)組的單機(jī)功率可達(dá)3500 kV以上。 地鐵、城市輕軌交通直流牽引變電所，有時(shí)常與向車站、區(qū)間供電的降壓變電所合并，形成牽引、降壓混合變電所。此時(shí)，主電路結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)備與一般直流牽引所相比有所不同。 在有再生電能需向交流網(wǎng)返送的情況下，直流牽引變電所必須增設(shè)可控硅逆變機(jī)組（包括交流側(cè)的自耦變壓器），其功能和設(shè)備也相應(yīng)增加，運(yùn)行、技術(shù)都較復(fù)雜。直流牽引變電所間距離僅幾km，一般不設(shè)分區(qū)所和開閉所。二、 電氣主接線 變電所的電氣主接線是指由變壓器、斷路器、開關(guān)設(shè)備、母線等及其連接導(dǎo)線所組成的接受和分配電能的電路。電氣主接線反映了變電所的基本結(jié)構(gòu)和功能，在運(yùn)行中，它能標(biāo)明電能的輸送和分配的關(guān)系以及變電所一次設(shè)備的運(yùn)行方式，成為實(shí)際運(yùn)行操作的依據(jù)。在設(shè)計(jì)中，主接線的確定對(duì)變電所的設(shè)備選擇、配電裝置布置、繼電保護(hù)配置和計(jì)算、自動(dòng)裝置和控制方式選擇等都有重大影響。此外，電氣主接線對(duì)牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。電能質(zhì)量、運(yùn)行靈活性和經(jīng)濟(jì)性起著決定性作用，因此，電氣主接線是牽引變電所的主體部分。 一、對(duì)電器主接線的基本要求 1可靠性 保證在各種運(yùn)行方式下，牽引負(fù)荷以及其他動(dòng)力的供電連續(xù)性。牽引負(fù)荷是一級(jí)負(fù)荷，中斷供電將造成重大經(jīng)濟(jì)損失與社會(huì)影響，甚至造成人員傷亡，所以，高質(zhì)量、連續(xù)的供電是對(duì)電氣主接線的首要要求。2靈活性 靈活性是指在系統(tǒng)故障或變電所設(shè)備故障和檢修時(shí)，能適應(yīng)調(diào)度的要求，靈活、簡便、迅速地改變運(yùn)行方式，且故障影響范圍最小。這就要求主接線力求簡捷、明了、沒有多余的電氣設(shè)備，投入或切除某些設(shè)備和線路的操作方便，避免誤操作，靈活性還表現(xiàn)在具有適應(yīng)發(fā)展的可能性。 3安全性 保證在進(jìn)行一切操作切換時(shí)，工作人員和設(shè)備的安全以及能在安全條件下進(jìn)行維護(hù)檢修工作。 4經(jīng)濟(jì)性 應(yīng)使主接線投資與運(yùn)行費(fèi)用達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理。經(jīng)濟(jì)性主要取決于母線的結(jié)構(gòu)類型與組數(shù)、主變壓器容量、結(jié)構(gòu)型式和數(shù)量、高壓斷路器數(shù)量、配電裝置結(jié)構(gòu)類型和占地面積等因素。經(jīng)濟(jì)性往往與可靠性之間存在著矛盾，要增強(qiáng)主接線的可靠性與靈活性，就需增加設(shè)備和投資。因此，在確定主接線的型式時(shí)，要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，在安全可靠、運(yùn)行靈活的前提下，盡量使投資和運(yùn)行費(fèi)用最省。 此外，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鐵路和城市交通的運(yùn)量相應(yīng)迅速增長，牽引變電所增容。增加饋線和其他設(shè)備的改建、擴(kuò)建經(jīng)常存在，因此，電氣主接線的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)長遠(yuǎn)規(guī)劃，精心設(shè)計(jì)，給將來的擴(kuò)建留有余地。特別是在城市軌道交通變電所設(shè)計(jì)中還應(yīng)注意場地條件安排與城市規(guī)劃發(fā)展相結(jié)合 變電所的變壓器與債線之間采用什么方式連接，以保證工作可靠、靈活是十分重要的問題、解決的措施是采用母線制。應(yīng)用不同的母線連接方式、可使在變壓器數(shù)量少的情況下也能向多個(gè)用戶供電，或者保證用戶的饋線能從不同的變壓器獲得電能。母線又稱匯流排，在原理上它是電路中的一個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)。它起著集中變壓器的電能和給各用戶的饋電線分配電能的作用，所以，若母線發(fā)生故障，將使