水电工程电气设备介绍及作用

（一）一次设备

1.一次设备的分类

（1）按工作性质分，有如下几类。

1）进行能量转换的设备。包括发电机、变压器、电动机等。

2）对电路进行切换的设备。包括各种断路器、隔离开关、气体绝缘金属封闭电器、自动空气开关、接触器、低压闸刀、开关等。

3）限制过电流的设备。包括限制故障电流的电抗器、限制起动电流的起动补偿器、小容量电路进行过载或短路保护的熔断器、补偿小电流接地系统接地时电容电流的消弧线圈等。

4）防止过电压的设备。包括限制雷电和操作过电压的避雷器。

5）对一次设备工作参数进行测量的设备。如电压互感器、电流互感器。

（2）按水电站配电装置类型分，有如下几类：

1）发电机电压设备。指发电机出口到主变压器低压侧的电路中所连接的各种电器。电压等级通常为3.3～24kV，且具有额定电流和短路开断电流大、动稳定和热稳定性要求高的共同特点。主要包括断路器（包括发电机专用断路器）、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、发电机中性点接地用消弧线圈（接地变压器或电阻）、发电机停机用的电制动装置和大电流母线等。

目前，大中型水电站的发电电压等级为6.3kV、10.5kV、13.8kV、15.75kV、18.0kV、20.0kV（均指的线电压）。

2）升压变电站设备。是从变压器到输电线路连接端之间（即从主变压器低压套管起，到变电站最终出线构架的跳线为止）电路中所连接的各种类型电器，主要包括：主变压器、断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器、接地开关、耦合电容器、阻波器、结合滤波器、并联和串联电抗器、变压器中性点接地装置和导体、电力电缆及一次拉线等。

3）厂用电设备。包括从厂用变压器到水电站辅助生产设备的各类电机和电器，其电压等级高压为6kV或10kV，低压为0.4kV。其主要设备包括厂用变压器、厂用电动机、高压开关柜、低压开关柜、低压配电屏、动力配电箱、低压电器（磁力启动器、自动空气开关、闸刀开关、熔断器、控制器、接触器、电阻器、变阻器、调压器、电磁铁等）。

（3）按设备所处位置分，有如下几类：

1）户内型设备。指配电部分的设备（发电电压设备）。

2）户外型设备。指变电部分的设备（升压变电站内设备）。

2.一次设备简介

（1）水轮发电机。详见第三节水轮发电机。发电机的图例符号如图17-6所示（在常用基本符号中，发电机用“G”代表）。

图17-6　发电机的图形符号

（2）变压器。利用电磁感应原理将一种电压等级的交流电变为另一种电压等级交流电的器具叫变压器。水电站的主变压器是将水轮发电机发出的电能由发电机电压（大电流）转化为较高电压（小电流）传输至电力系统的变电设备，可大大减少电力远距离输送的损耗。

水轮发电机发出的电压较低（6.3～20kV），不可能用此电压把巨大的电能通过电网输送到遥远的负荷中心去。因为电流太大，沿线电能的损耗也太大了，而且输电线路的导线截面也要求很大，这是非常不经济的。因此，水电站的主变压器主要是升压输出电能，使线路损耗大大降低，使输电线路的导线截面变为最经济的截面。我国现阶段最高为500kV。

当电站机组停机时，水轮发电机也可作为电力系统与电站的联络设备，作为降压变压器使用，将系统的电能供给电站的厂用电使用。

1）变压器型号的表示方法如下：

注　1.绕组处绝缘介质：变压器油不表示；G—空气；C—成套固体。
2.三相三绕组电力变压器，在基本符号后加“Q”表示全绝缘，在基本符号后加“F”表示分裂。

2）变压器型号举例。SFL1—31500/110表示三相双绕组、油浸风冷、铝绕组、容量31500kVA、高压侧电压等级为110kV（第一次系列设计）的电力变压器；SFPSOL—120000/220 表示三相三绕组、强迫油循环风冷、铝绕组、容量为120000kVA、高压侧电压等级为220kV 的升压自耦电力变压器。

3）变压器的估价。经验的数据是：①容量相同、电压升高一级，价值提高15%～20%；②电压等级不变、容量增加一倍，价值提高3/4 次方（约70%）；③有载调压的变压器比同容量、同电压等级的变压器价值提高20%～30%。

4）其他规定。

①在常用基本符号中，变压器用“T”代表。

②在主要安装单位文字符号中：与系统联络变压器代号：T1～T19；高压厂用变压器代号：T21～T39；低压厂用变压器代号：T41～T59。

③图例符号如图17-7 所示。

5）变压器的主要部件。

①铁芯和绕组——芯部。高压绕组、低压绕组与铁芯形成整体，浸在油箱中，并牢固地固定在底座上，运输和安装时都不允许拆装。

图17-7　变压器的图形符号

（a）双绕组；（b）三绕组

②油箱和底座——外壳。内部充油并安放芯部，底座下面带有可调方向的滚轮。

③套管和引线——是高压绕组和低压绕组与外部电气回路或母线联络的部件。

④分接开关——通过切换变压器绕组的分接头，改变其变比，来调整变压器的电压。分为无励磁分接开关和有载调压开关两种，前者为不带电切换，后者为带负荷切换。

⑤散热器——冷却装置。

⑥保护和测量部件——油保护装置（吸湿器、净油器）、安全保护装置（气体继电器、压力释放装置或防爆管、事故排油阀门）、温度计、油标等。

6）变压器的安装：

①主要工作内容。重新组装卸下的附件、散热器、油枕、高压套管、低压套管、分接开关、压力释放装置和净油器等。主要安装要求：芯部不受潮、洁净无杂质、油箱密封好。

②运输。由于变压器体积大、重量大，芯部不允许受潮，不得经受强烈震动，因而其运输工作是安装的重要任务之一。对安装的要求主要是做好火车（船）的卸车（船）和二次搬运。大型变压器运输时将油箱内的油放出，充以0.1～0.15kg/cm2 的氮气。由火车站（码头）运至安装现场时，应对沿途空中、地面障碍妥善清理，对路面、坡度、弯道、桥梁、隧道、涵洞等做好调研工作，并应采取必要的补强、加固和交通管制等措施。

③安装准备工作和环境条件。要准备好必要数量的已过滤合格的变压器油。对附件进行检查和清扫，检查油箱的严密性（检查氮气压力和油箱底部残油的耐压强度）。为了使芯部不受潮，对吊芯时周围空气相对湿度和芯部暴露时间有所限制。相对湿度小于65%时，暴露时间不超过16h；相对湿度不大于75%时，暴露时间不超过12h。

④安装程序。对于吊芯或吊罩（大型变压器）检查的变压器，按下述程序进行：

（a）拟定安装技术措施。

（b）芯部检查。其目的是证实铁芯、绕组和引线固定部分运输中是否有损伤、松动。其过程是先排残油、吊芯或吊罩、清扫、检查及处理。

（c）安装油枕、散热器等。

（d）安装套管，一定要用扭力搬手，对称、均匀扭紧螺栓。

（e）其他附件安装。

⑤抽真空后注入合格变压器油。

⑥电气调整、试验、试运行。

若发现芯部受潮，则需进行干燥处理，干燥工作量很大。

（3）断路器。能承载、关合和开断运行线路的正常工作电流，也能在规定时间内承载、关合和开断规定的异常电流（如短路电流）的开关设备，叫断路器，是电力系统中保护和操作的重要电气装置。

根据安装位置不同，可分为户内式、户外式。

根据所使用的灭弧介质和绝缘介质的不同，断路器可分为压缩空气式、六氟化硫式、真空式、磁吹式等。

1）油断路器。油断路器的灭弧介质一般是变压器油，它在受到电弧作用时，分解为气体，其中含有70%的氢气、22%乙炔和少量甲烷、乙烯等。氢有较佳的灭弧性能（是空气灭弧性能的17倍）。因此，它是良好的灭弧介质。

少油式断路器绝缘油只作为灭弧介质，而对地绝缘则利用电瓷件或其他有机绝缘材料；多油式断路器采用绝缘油作为灭弧介质，同时也利用绝缘油作为载流部分相间及相对地绝缘。由于用油量较多，易导致火灾，运输和机修不便，动作特性差，已逐步被淘汰。

2）高压空气断路器。以压缩空气作为灭弧介质和绝缘介质。虽其开断能力强，但其噪声大、零件多、造价较高，可靠性较差，已逐步被淘汰。

3）六氟化硫断路器。SF6 是一种新的灭弧和绝缘介质，常温下它是气体，有很高的绝缘强度，在电弧中能捕捉电子而形成大量的SF6 与SF5 负离子，负离子行动迟缓，有利于再结合的进行而使介质迅速去游离。同时电隙电导迅速下降而达到熄灭电弧的目的（其灭弧的能力为空气的100倍）。该断路器有取代其他各类断路器的趋势，是当今断路器的主要发展方向。

SF6 断路器的特点：断口的耐压高，与同电压级的油断路器比较，SF6 断路器断口数和绝缘支柱数较少。

①允许开断和关合的次数多，检修周期长。

②开断和关合性能好，开断电流大，灭弧时间短。

③占地面积小，使用SF6 封闭式组合电器，可以大大减少变电所的占地面积。

④缺点是要求加工精度高、密封性能好、造价高。

SF6 断路器的结构有两种类型：双压式和单压式。

4）断路器型号的表示方法如下：

5）断路器型号举例。SW3—110G/1200代表户外少油改进型断路器，设计序号为3，额定电压为110kV，额定电流为1200A；LW1—220/3150 代表户外六氟化硫断路器，设计序号为1，额定电压为220kV，额定电流为3150A。

6）其他：

①一般地讲，断路器使用范围如下：KW：35～330kV屋外空气断路器；SW：35～220kV屋外少油断路器；DW：35～220kV屋外多油断路器；SN：10～20kV屋内少油断路器；DN：10～20kV屋内多油断路器（淘汰型）。

②其他

（a）在常用基本符号中：断路器用“QF”代表；

（b）图例符号如图17-8 所示。

图17-8　断路器的图形符号

（4）隔离开关。一种在分闸位置时其触头之间有符合规定的绝缘距离和可见断口，在合闸位置时能承载正常工作电流及短路电流的开关设备。用于电气设备检修时，将检修部分同带电部分隔开。它没有灭弧装置，不能断开负荷电流或故障电流，所以必须在相关断路器断开后，它才可以进行切换操作（闭合或切断）。在正常操作中，倒闸操作要用到它。

按其结构和闸刀的运行方式，可将隔离开关分为旋转式、伸缩式、折叠式和移动式；按安装位置可分为屋内式、屋外式；按极数可分为单极式和三极式；按操动机构可分为手动式、气动式、液压式、电动式；按绝缘支柱的数量可分为单柱式、双柱式、三柱式；按有无接地刀闸可分为无接地刀闸和有接地刀闸（又可分为单刀闸、双刀闸）。

1）隔离开关型号的表示方法如下：

2）隔离开关型号举例。GW5—110GD/1000 表示户外改进型带接地刀闸的110kV隔离开关，额定电流为1000A，设计序号为5。

3）其他。

①隔离开关的极数，由图纸可知，一相=极，一组三极=三相。

②隔离开关一般配用手动操作机构。机构不同，单价也不同。

③隔离开关带单接地刀闸、双接地刀闸、无接地刀闸，单价均不同。

图17-9　隔离开关的图形符号

（a）隔离开关；（b）带接地刀闸的隔离开关；（c）快速接地隔离开关

④在常用基本符号中，隔离开关用“QS”代表。

⑤图例符号如图17-9 所示。

（5）电压互感器。电力系统中将一次侧交流高电压转换成可供测量、保护或控制等仪器仪表或继电保护装置使用的二次侧低电压的变压设备。电压互感器和电流互感器是一次系统和二次系统间的联络元件，它可将量电仪表、继电器和自动调整器间接接入大电流、高电压装置，这样可以达到以下目的。

①测量安全。使仪表和继电器在低电压、小电流情况下工作。

②使仪表和继电器标准化。其绕组的额定电流为5A，额定电压为100V。

③使一、二次侧高、低压电路互相隔离。当线路上发生短路时，保护量电仪表的串联线圈，使它不受大电流的损害。

电压互感器的构造及其接线图与电力变压器相似，主要区别在于容量和外形的不同。按结构原理分，它可分为电磁式和电容式；按绝缘介质可分为干式、油浸式、树脂浇注绝缘式、SF6 气体绝缘式；按相数分又可分为单相和三相；按安装地点可分为户内式、户外式。

1）电压互感器型号的表示方法如下：

2）电压互感器型号举例。JCC—220 表示串级瓷绝缘电压互感器，额定电压为220kV；JSJW—10表示三相油浸五柱三绕组电压互感器，额定电压为10kV；JDJ—6 表示单相油浸电压互感器，额定电压为6kV。

3）其他：

①在仪用代号中：用“TV”代表电压互感器。

②图例符号如图17-10 所示。

图17-10　电压互感器图形符号

（a）电压互感器；（b）三相五柱三绕组电压互感器；（c）电容式电压互感器(www.xing528.com)

（6）电流互感器。电力系统中将一次侧交流大电流转换成可供测量、保护或控制等仪器仪表或继电保护装置使用的二次侧小电流的变流设备。电流互感器的一次绕组通常串联于需测量、保护或控制的电路中，而二次绕组则与测量、保护或控制等装置量电仪表及继电器的电流线圈相串联，使一、二次侧高和低压电路互相隔离。

按原绕组的匝数划分，电流互感器可分为单匝式（芯柱式、母线型、电缆型、套管型）、复匝式（线圈形、线环形、6 字形）；按绝缘介质分，它可分为油浸式、树脂浇注式；按安装方法分，它又可分为支持式和穿墙式。

1）型号表示框架结构：符号—电压—准确级次—变比。

2）型号的表示方法如下：

3）型号举例。LMZ—10—D/0.5—5000表示浇注绝缘母线型电流互感器，其额定电压为10kV，准确级次为D级/0.5 级，电流互感器的变比为1∶5000；LCLWD—220—D/D/D/0.5/1200/1表示用于差动保护的瓷绝缘电缆型户外式电流互感器，其额定电压为220kV，D及0.5均为准确级次，变比为1∶1200。

4）其他。

①在仪用互感器代号中，电流互感器用“TA”表示。

②图例符号如图17-11所示。

（7）避雷器。避雷器是一种能释放过电压能量、限制过电压幅值的保护设备。

所谓“避雷”，并不是防止大气中的过电压（大气过电压俗称是“打雷”），而是靠避雷针、避雷带或输电线路的避雷线（架空的地线）把强大的直击雷电流引入地下；同时，这强大的雷电流会在电气设备上或输电线路上产生直击雷过电压或感应雷过电压，此时避雷器就起作用，从而保护了室内外电气设备，使其免受大气过电压的侵袭。

另外，电力系统中的故障和操作导致的电磁振荡，会引起过渡过程过电压（称操作过电压），此时，避雷器也会动作，从而保护了设备。

1）型号表示方法。

图17-11　电流互感器的图形符号

2）型号表示举例。FCD—10 表示旋转电机用磁吹阀型避雷器，其额定电压10kV；FCZ—500J 表示变电所用磁吹阀型避雷器，其额定电压500kV，中性点直接接地。

3）其他。

①在常用基本符号中，避雷器用“F”代表。

②图例符号如图17-12 所示。

（8）高压熔断器。利用串联于电路中的一个或多个熔体，在过负荷电流或短路电流的作用下，于一定的持续时间内熔断以切断电路，保护电气设备的电器称为熔断器。

图17-12　避雷器的图形符号

电压在1kV以上的熔断器称为高压熔断器。高压熔断器分限流型和非限流型两种。

1）型号表示方法为：

2）型号表示示例。

RN1 3～35kV：表示电力线路用、户内式、高压熔断器，使用电压范围是3～35kV；

RN2 10～20kV：表示保护电压互感器、户内式、高压熔断器，使用电压范围是10～20kV；

RW 3～10kV：表示户外跌落式高压熔断器，使用电压范围是3～10kV。

若在型号后加TH，表明用于湿热带产品、三防（潮、霉、砂）。

3）其他。

①在常用基本符号中、熔断器用FU表示。

②图例符号如图17-13所示。

图17-13　熔断器的图形符号

（9）电抗器。电抗器是因其电感而被电力系统作为限制短路电流、稳定电压、无功补偿和移相等使用的高压电器。可以装在线路上，也可以装在母线上。一般通过电力系统短路电流计算来决定电抗器的容量大小及其安装的位置。

根据用途它可分为限流电抗器、并联电抗器、消弧线圈、中性点电抗器等。

型号表示：额定电压（kV）/容量（kvar）；基本符号用“L”代表，图例符号如图17-14 所示。

（10）高频阻波器。在高频电力载波通信系统中要使用高频阻波器。工频（即50Hz）电流很容易通过它，电阻只有0.04Ω（指GZ—80型阻波器），但它对高频电流阻抗也很大，不让高频信号通过它。一般是用线圈绕成一个圆桶的阻波器挂在变电站出线构架上，这种型式最常见。

型号举例：

GZK—800/220：高频宽带阻波器，电压220kV，电流800A；

GZ2—800/220：高频阻波器，电压220kV，电流800A。图例符号如图17-15 所示。

（11）母线。在配电装置中，母线用来连接各种电气设备，它是汇集、分配和传送电能的中间环节。其类型有硬母线和软母线。而硬母线又分为圆形母线、矩形母线、管形母线、槽形母线和封闭母线等。软母线和管形母线一般用在开关站，其他则一般用在发电机电压母线上。

1）开关站内常用的软母线——钢芯铝绞线，其型号的表示方法如下：

2）硬母线，常用的有如下几种型式。

①QLFM型：全连式离相封闭母线，其型号的表示方法如下：

②FQFM 型：分段全连式，离相封闭母线。

③GXFM 型：共箱母线。

图17-14　电抗器的图形符号

图17-15　高频阻波器的图形符号

④GGFM 型：共箱隔相母线。

⑤CCX6：密集绝缘插接式母线槽，其型号表示方法如下：

（12）电气主接线。电气主接线是电站的主要电气设备和母线连接方式，它表示电站汇集和分配电能的一个完整的系统，通常以单线图表示。它是电站电气部分的主体，对发电厂、变电所电气设备选择、配电装置与厂房的布置、运行灵活性、可靠性和经济性等都有重大的影响。所以，拟定电气主接线图是发电厂、变电所电气部分设计中最复杂和最重要的任务。

设计电气主接线时，应根据水电厂的水文气象、动能特性、建设规模、接入系统设计、枢纽总体布置、地形和运输条件、环境保护、设备特点等因素综合考虑；应满足电力系统稳定性、可靠性以及对电厂机组运行方式（包括切机等）的要求，并不致于造成大量弃水、严重影响电厂效益和安全运行；同时，应满足供电可靠、运行灵活、检修方便、接线简单、便于实现自动化和分期过渡、节约投资等要求，经全面技术经济比较确定。

1）主接线常用的接线方式，如图17-16所示。

①发电机电压侧：单元接线、扩大单元接线、联合单元接线。

②高压侧：单母线、单母线分段、桥形（内桥、外桥、双桥形）接线、角形接线、双母线接线、双母线分段、双母线带旁路母线、1倍半接线、4/3接线等接线方式。

2）代表电压等级及线路特征的文字符号：

①330kV：SS；

②220kV：E；

③［154kV］：YU；

④110kV：Y；

⑤［60kV］：LS；

⑥［44kV］：SI；

⑦35kV：U；

⑧20kV：ER；

⑨15kV：SU；

⑩13.8kV：SB；

⑪10kV：S；

⑫6kV：L。

以上凡有［　］者，为不常用的等级。

图17-16　电气主接线图

1—发电机；2 — 主变压器；3— 厂用变压器；4 — 高压断路器；5— 高压隔离开关；6— 接地开关；7 — 快速接地开关；8、9— 电压互感器；10～14 — 电流互感器；15— 避雷器；16— 开关站主母线；17 —开关站进线；18 — 开关站出线；　19— 出线套管；20— 电抗器；21— 不电抗器；22— 接地开关；23、24 — 电流互感器；25、26 — 避雷器；27 —宽频阻波器；28 — 电容式电压互感器；29 —发电机出口断路器；30 — 隔离开关；31— 避雷器；32—熔断器；33—电压互感器；34～37 —电流互感器；38—三相五柱式电压互感器；39—发电电压母线；40—厂用变压器；41 — 接地变压器；42 — 隔离开关；43、44 —电流互感器

（13）电缆。电缆是外包绝缘的导线，有的还包有金属外皮并加以接地，是传输电流的装置性材料。

按用途划分，电缆可分为电力电缆、控制电缆、通信电缆、计算机屏蔽电缆等；按绝缘介质又可分为油浸纸绝缘电缆、挤包绝缘电缆两大类。

挤包绝缘电力电缆的绝缘介质主要为聚乙烯塑料，有交联聚乙烯（简称XLPE）和低密度聚乙烯（简称LDPE）两种。目前，水电站主要采用110～500kV 单芯的高压电力电缆，用于当主变高压侧的电力输出受地质、地形条件和枢纽布置的限制，采用架空线路时，技术经济又极不合理的场合。

1）电力电缆。根据电压高低的不同，它又可分为低压电缆（不大于0.4kV）和高压电缆（主要分6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV等电压级别）。

电力电缆因电压高、电流大，故结构较复杂，安装也麻烦。它的种类繁多，分为单芯、三芯和四芯等。

①电力电缆型号含义：

电力电缆的特征情况如表17-5 所示。

表17-5　电力电缆特征情况表

②电力电缆型号举例。

（a）油浸纸绝缘电力电缆。ZQD02表示铜芯不滴流油浸纸绝缘铅包聚氯乙烯外护套电力电缆；ZLL32为铝芯粘性油浸纸绝缘铝套裸细钢丝铠装电力电缆。

（b）交联聚乙烯绝缘电力电缆。YJV 表示铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆；YJLV22为铝芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套，钢带铠装电力电缆。

（c）聚氯乙烯绝缘，聚乙烯护套电力电缆。VV22为铜芯聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套钢带铠装电力电缆；VLV42为铝芯聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套粗钢带铠装电力电缆。

2）控制电缆、信号电缆。这种电缆流经电压电流小、结构简单，但线芯数较多。型号组成如下：

KXQ30表示铜芯橡皮绝缘铅包裸细钢丝铠装控制电缆；PYV29则表示铜芯聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套内钢带铠装信号电缆。

3）通信电缆。型号组成如下：

举例：HPVV型表示聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套配线电缆。

4）计算机屏蔽电缆。

举例：DJYP1V为铜芯聚乙烯绝缘对绞铝塑复合带屏蔽聚氯乙烯护套电子计算机控制用屏蔽电缆；DJVP2V22为铜芯聚氯乙烯绝缘对绞铜带屏蔽、聚氯乙烯护套钢带铠装电子计算机用屏蔽电缆。

（14）气体绝缘金属封闭电器（GIS）。将开关站的电气元件组合在充有有压绝缘气体的密闭金属容器内的成套装置称为气体绝缘金属封闭电器。组合的电气元件一般包括用相同绝缘气体作灭弧介质的断路器和负荷开关以及作绝缘介质的隔离开关、电流互感器、电压互感器、接地开关、避雷器、母线、电缆终端和引线套管等。广泛使用的绝缘气体为六氟化硫（SF6），根据灭弧性能和绝缘性能的要求，决定充注绝缘气体的密度。气体绝缘金属封闭电器是20世纪60年代发展起来的新一代组合电器，产品额定电压已达500kV 和800kV，额定电流已达8000A，额定短路开断电流已分别达63kA 和80kA。额定电压为1050kV的样机已研制成功，其额定电流最大达12000A，额定短路开断电流达80～100kA。它占地面积和占据空间均小，适合布置受地形、地质条件限制的水电站地下厂房、坝内（或坝后）式厂房和电压高、规模大的开关站的需要。

整体设备基本上在制造厂装成，现场安装工作量很小。整套装置运行安全可靠，受环境的影响小，几年才需检查一次。因此，此技术发展很快，但高电压、大容量的SF6 组合电器（GIS）需进口，价格高。其总体布置详见图17-17。