电力设备介绍

[toc]

前言

声明

本文内容大部分来自电力知识图谱
本文仅供学习使用，如果商业化使用，请联系知识图谱的管理员。

一次设备和二次设备概念

电力设备是电网运行的物理实体，设备之间关联组合，最终形成了电网。
电力设备分为一次设备和二次设备

• 电气一次设备是指直接用于生产、输送和分配电能的生产过程的高压电气设备
• 电气二次设备是指对一次设备的工作进行监测、控制、调节、保护以及为运行、维护人员提供运行工况或生产指挥信号所需的低压电气设备。
• 注意，有些设备类别一次和二次都有，例如负荷开关、母线、电缆等，名字相同，原理也相近，但实物结构差异很大

一次设备

直接生产和输配电能设备

发电机

• 作用：发电机是将其他形式的能源转换成电能，比如柴油机驱动发电机运转，将柴油的能量转化为电能。

• 原理：其工作原理都是基于电磁感应定律，和电磁力定律。其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。

变压器

• 作用：在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗、安全隔离等。典型的应用就是发电厂到输电网的升压，中压配电室的降压，以前架空线路为主的时候，大家在路上都能看到这个大家伙，现在城市都是站内变了。
• 原理：利用电磁互感应的原理变换电压、电流和阻抗的器件

接通，断开电路的开关电器

断路器

• 作用：断路器就是用来切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，这样一来就可以防止事故扩大，保证电路安全运行。还能够用于分派电磁能，对开关电源路线及电机等推行维护。
• 原理：基本型电路断路器的工作原理是电流能磁化电磁体，电磁体产生的磁力随电流的增强而增强，当电流增大到危险水平时，电磁体产生的磁力也相应增大，拉动与开关联动装置相连的金属杆，使开关断开，从而中断电流，保护电路。

隔离开关

• 作用：确保在开关后端进行一些检修等操作时电源是彻底断开的，由于触头分开后间距大（或绝缘足够保证），电源不会在触头间击穿绝缘（如空气）传导过来，保证开关后端的安全。
  但它不能开断短路电流，只能开断额定电流，一般都和断路器配合使用，在断路器开断以后，为了让电路有明显的电气分界点，或者是检修断路器，都必须要装隔离开关。

• 原理：隔离开关本身的工作原理及结构比较简单，具有明显开断点，有足够的绝缘能力，用以保证人身和设备的安全。但没有专门的灭弧装置，只能通断较小的电流，而不能开断负荷电流，更不能开断短路电流。
  隔离开关还可以用来进行某些电路的切换操作，以改变系统的运行方式

接触器

• 作用：接触器常用于接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制，是自动控制系统中的重要元件之一。
• 原理：当接触器线圈通电后，线圈电流会产生磁场，产生的磁场使静铁芯产生电磁吸力吸引动铁芯，并带动交流接触器点动作，常闭触点断开，常开触点闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触点复原，常开触点断开，常闭触点闭合。直流接触器的工作原理跟温度开关的原理有点相似。

熔断器

• 作用：低压配电系统中熔断器是起安全保护作用的一种电器，熔断器广泛应用于电网保护和用电设备保护，当电网或用电设备发生短路故障或过载时，可自动切断电路，避免电器设备损坏，防止事故蔓延。
• 原理：利用金属导体作为熔体串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路的一种电器。

限制电流或过电压设备

电抗器

• 原理：利用金属导体作为熔体串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路的一种电器。
• 原理：在电力系统发生短路并产生短流电路时，电抗器就会通过自身的电降压来维持电力系统的稳定。

防雷保护装置

很多人很奇怪为什么避雷器是启保护作用的却算一次设备？
因为避雷针一般安装在变电站母线上、输电线路上、变压器中性点等地方，直接与电气主回路连接，属于高电压等级的设备，所以它属于一次设备。

• 作用：避雷针主要用来保护露天发电、变配电装置和建筑物，避雷线对电力线路等较长的保护物最为适用；避雷网和避雷带主要用于保护建筑物；避雷器是一种专用的防雷设备，主要用来保护电力设备。

• 原理：除避雷器外，它们都是利用其高出被保护物的突出地位，把雷电流引向自身，然后通过引下线和接地装置把雷电流泄入大地，使被保护物免受雷击。

避雷针

避雷线

普通阀式避雷器

旋转电机型磁吹避雷器

氧化锌避雷器

互感器类设备

• 互感器是电力系统中一次系统和二次系统之间的联络元件，将一次回路中的高电压和大电流降低，分别向测量仪表、继电器的电压线圈和电流线圈供电，正确反映电气设备的正常运行和故障情况。

• 互感器分为电压互感器和电流互感器两大类。

电流互感器

• 作用：按照用途不同，电流互感器大致可分为两类 ：

1. 测量用电流互感器（或电流互感器的测量绕组）：在正常工作电流范围内，向测量、计量等装置提供电网的电流信息。
2. 保护用电流互感器（或电流互感器的保护绕组）：在电网故障状态下，向继电保护等装置提供电网故障电流信息。

• 原理：电流互感器与变压器类似也是根据电磁感应原理工作，变压器变换的是电压而电流互感器变换的是电流罢了。
  电流互感器是依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量的仪器。

电压互感器

• 作用：电压互感器和变压器类似，是用来变换电压的仪器。
  电压互感器变换电压的目的，主要是用来给测量仪表和继电保护装置供电，用来测量线路的电压、功率和电能，或者用来在线路发生故障时保护线路中的贵重设备、电机和变压器。

• 原理：其工作原理与变压器相同，利用了电磁感应原理。

载流导体及气体绝缘设备

绝缘子

• 作用：绝缘子的主要功能是实现电气绝缘和机械固定，为此规定有各种电气和机械性能的要求。如在规定的运行电压、雷电过电压及内部过电压作用下，不发生击穿或沿表面闪络；在规定的长期和短时的机械负荷作用下，不产生破坏和损坏等。

• 原理：高压电线连接塔的一端挂了很多盘状的绝缘体,它是为了增加爬电距离的,通常由玻璃或陶瓷制成,就叫绝缘子。

母线

• 作用：是汇集、分配和传送电能的中间线路，作为线路多段汇集，再多段输出的中间通道。如配电室中的中压母线，上级有2条10kV中压接入，下级分接到数个变压器，变压器降压后，还会输出到低压母线，再分支到低压线路。

• 原理：母线就是电缆+接头（铜排或者铝排），只是其作用特殊，单独列出来一类。

电力电缆

油浸纸绝缘电力电缆

橡皮绝缘电力电缆

穿墙套管

二次设备

测量表计

• 如电压表、电流表、功率表、电能表用于测量电路中的电气参数。不同电压等级下的电表体积、造型差异巨大，这里贴的是实验室的图。现在电网用的都是多功能电能表，可以一表采集电压、电流、电能、谐波等数据，且大部分可以远程上传数据。

电压表

• 作用：电压表是测量电压的一种仪器。
• 原理：电流越大，所产生的磁力越大，表现出的就是电压表上的指针的摆幅越大，电压表内有一个磁铁和一个导线线圈，通过电流后，会使线圈产生磁场，线圈通电后在磁铁的作用下会发生偏转，这就是电压表的表头部分。
  电压表内部还需要串联一个很大的电阻，这样电压表并联在电路中，才不会被过大的电流烧坏。

电流表

• 作用：电流表是指用来测量交、直流电路中电流的仪表。

• 原理：电流表是根据通电导体在磁场中受磁场力的作用而制成的。
  电流表内部有一永磁体，在极间产生磁场，在磁场中有一个线圈，线圈两端各有一个游丝弹簧，弹簧各连接电流表的一个接线柱，在弹簧与线圈间由一个转轴连接，在转轴相对于电流表的前端，有一个指针。指针偏转。由于磁场力的大小随电流增大而增大，所以就可以通过指针的偏转程度来观察电流的大小。这叫磁电式电流表，就是我们平时实验室里用的那种

功率表

• 作用：功率表也叫瓦特表，是一种测量电功率的仪器。电功率包括有功功率、无功功率和视在功率。未作特殊说明时，功率表一般是指测量有功功率的仪表。

• 原理：因为功率表的种类繁多，我选了几种有代表性的功率表来介绍它的原理。

1. 通过式功率表：它是利用某种耦合装置，如定向耦合器、耦合环、探针等从传输的功率中按一定的比例耦合出一部分功率，送入功率计度量，传输的总功率等于功率表指示值乘以比例系数。

2. 测热电阻型功率表：它主要是使用热变电阻做功率传感元件，热变电阻值的温度系数较大。被测信号的功率被热变电阻吸收后产生热量，使其自身温度升高，电阻值发生显著变化，利用电阻电桥测量电阻值的变化，显示功率值。

3. 量热式功率计典型的热效应功率表：这类功率表主要是利用隔热负载吸收高频信号功率，使负载的温度升高，再利用热电偶元件测量负载的温度变化量，根据产生的热量计算高频功率值。

电能表

• 作用：电能表是用来测量电能的仪表，又称电度表、火表、千瓦小时表，指测量各种电学量的仪表。
• 原理：

1. 当把电能表接入被测电路时，电流线圈和电压线圈中就有交变电流流过，这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的磁通；交变磁通穿过铝盘，在铝盘中感应出涡流；涡流又在磁场中受到力的作用，从而使铝盘得到转矩（主动力矩）而转动。
2. 负载消耗的功率越大，通过电流线圈的电流越大，铝盘中感应出的涡流也越大，使铝盘转动的力矩就越大。即转矩的大小跟负载消耗的功率成正比。功率越大，转矩也越大，铝盘转动也就越快。
3. 铝盘转动时，又受到永久磁铁产生的制动力矩的作用，制动力矩与主动力矩方向相反；制动力矩的大小与铝盘的转速成正比，铝盘转动得越快，制动力矩也越大。当主动力矩与制动力矩达到暂时平衡时，铝盘将匀速转动。负载所消耗的电能与铝盘的转数成正比。铝盘转动时，带动计数器，把所消耗的电能指示出来。

绝缘检查装置

直流绝缘检查装置

• 作用：为了防止直流系统出现一点接地的运行。
  
• 原理：直流绝缘监察装置装置分为信号和测量两部分，且均按直流电桥的工作原理进行工作的。它能在任一极的绝缘电阻降低时，自动发出灯光和音响信号，并且可利用它判断出接地极和正、负极的绝缘电阻值。

交流绝缘检查装置

• 作用：专门用于监视系统对地绝缘状况的装置。

• 原理：当系统中发生一相接地故障时，装置中的三个相电压表中，接地相电压表指示降低或为零、另两相指示升高或为线电压。同时发出声光报警信号。通知运行值班人员判断、查找和处理。

控制信号装置

• 控制主要是指采用手动或自动方式，通过操作回路实现配电装置中断路器的合、跳闸。

中央信号装置

• 作用：监视电气设备运行状态的一种声光指示装置，是电气设备安全运行的耳目。

• 原理：中央信号装置包括事故信号和预告信号，装在变电所主控制室内的中央信号屏上。当变电所任一配电装置的断路器事故跳闸时，启动事故信号；当出现不正常运行情况或操作电源故障时，启动预告信号。事故信号和预告信号都有音响和灯光两种信号装置，音响信号可唤起值班人员的注意，灯光信号有助于值班人员判断故障的性质和部位。为了从音响上区别事故，事故信号用蜂鸣器，预告信号用电铃发出音响。

FTU

• FTU：（Feeder Terminal Unit ）馈线远方终端
• 用于测量馈线的三相参数（包括：三相电压，三相电流，有功，无功，频率等）.
  监控，保护配电系统中的馈线，与配电自动化主站通信，将信息提供给配电监控主站系统，执行主站对馈线及其终端设备的调节和控制。
  FTU是安装在配电室或馈线上的智能终端设备。它可以与远方的配电子站通信，将配电设备的运行数据发送到配电子站，还可以接受配电子站的控制命令，对配电设备进行控制和调节。

DTU

• DTU：（Distribution Terminal Unit）配电终端单元
• 用于开闭所，环网柜，变电所的多回路数据采集,
  包括：三相电压，三相电流，有功，无功，频率，开关位置等、通讯、管理。
  具有更多回路，更多参数监控管理的能力，并上传至上层主站。
  已经广泛应用于电力、环保、LED信息发布、物流、水文、气象等行业领域。
  原理:大都是DTU和行业设备相连，比如PLC，单片机等自动化产品的连接，然后和后台建立无线的通信连接。
  DTU的主要功能是把远端设备的数据通过无线的方式传送回后台中心。要完成数据的传输需要建立一套完整的数据传输系统。在这个系统中包括：DTU，客户设备、移动网络、后台中心。
  在前端，DTU和客户的设备通过232或者485接口相连。DTU上电运行后先注册到移动的GPRS网络，然后去和设置在DTU中的后台中心建立SOCKET连接。
  后台中心作为SOCKET的服务端，DTU是SOCKET连接的客户端。因此只有DTU是不能完成数据的无线传输的，还需要有后台软件的配合一起使用。在建立连接后，前端的设备和后台的中心就可以通过DTU进行无线数据传输了，而且是双向的传输。

TTU

• TTU：(Transformer Terminal Unit)配电变压器远方终端
• 用于对配电变压器的信息采集和控制（包括：三相电压，三相电流，有功，无功，频率，温度，瓦斯等）
  它实时监测配电变压器的运行工况，保护变压器的安全运行，调整无功补偿，并能将采集的信息传送到主站或其他的智能装置，提供配电系统运行控制及管理所需的数据

RTU

• RTU：（Remote Terminal Unit）远程终端单元
• 通用于对现场信号、电力设备的监测和控制。
  RTU通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。
  与常用的可编程控制器PLC相比，RTU通常具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。
  RTU产品在石油天然气、水利、电力调度、市政调度等行业SCADA系统中广泛应用。

采集数据的种类，三遥

1. 遥信 应用通信技术，完成对设备状态信息的监视，如告警状态或开关位置、阀门位置等。
2. 遥测 应用通信技术，传输被测变量的测量值。比如主设备的电压、电流、有功、无功，主变负荷、温度、油温、绕组温度等
3. 遥控 应用通信技术，完成改变运行设备状态的命令。比如开关，道闸的控制信息。

继电保护及自动装置

• 用于监视一次系统的运行状况，迅速反应异常和事故，然后作用于断路器，进行保护控制。

继电器

• 很多人不理解为什么继电器算二次设备，继电器可以分断电路的话不就是开关，开关不是属于一次设备吗？
  其实，继电器算是特殊的开关。之所以说继电器是二次设备，是因为继电器需要用开关控制继电器线圈，当线圈通电时衔铁吸合，主线路接通，也就是说，是通过开关控制继电器，进而控制主线路的，所以说是二次设备。
  

• 作用：通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

• 原理：电磁式继电器的原理比较简单，当线圈励磁之后，就相当于一个电磁铁，将簧片（动触头）吸附到另外一个簧片（静触头）上，这样回路就可以沟通。

自动装置

• 作用：提高供电的可靠性、延续性。还可以提高电能质量和安全、经济运行水平、减轻运行人员劳动强度。

直流电源设备

• 如蓄电池组、直流发电机、硅整流装置、逆变器等，供给控制保护用的直流电源及用直流负荷和事故照明用电等。

蓄电池组

• 作用：储存太阳能电池方阵受光照时所发出的电能并可随时向负载供电。
• 原理：蓄电池组有充电、放电工作方式和浮充电工作方式，通常采用浮充电工作方式。因为浮充电流既补偿了蓄电池组的自放电损失，又可带一部分直流负荷，可使蓄电池组经常处于充满电状态，只有在合闸瞬间，才由蓄电池组提供大电流。这种工作方式，不需频繁地充、放电，延长蓄电池的使用寿命，又减少运行维护工作量，所以得到广泛应用。

直流发电机

• 作用：把机械能转化为直流电能。

• 原理：把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势 因为电刷 A 通过换向片所引出的电动势始终是切割N 极磁力线的线圈边中的电动势。所以电刷 A 始终有正极性，同样道理，电刷 B 始终有负极性。所以电刷端能引出方向不变但大小变化的脉动电动势。

硅整流装置

• 作用：可控硅整流器具有控制开关数千瓦乃至兆瓦级电功率的能力，是一种电源功率控制电器。常用于整流、开关、变频、逆变等电路中。

• 原理：利用硅二极管的单向导通性，交流电的大小和方向是随时间周期性变化的，二极管的单向导通性使其电流只能沿单一方向通过，从而使电流的方向统一，将反方向的电流滤过，从而达到整流的效果。

逆变器

• 作用：一种转换器，能把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成定频定压或调频调压交流电（一般为220V,50Hz正弦波）。

• 原理：逆变器是一种DC to AC的变压器，它其实与转化器是一种电压逆变的过程。转换器是将电网的交流电压转变为稳定的12V直流输出，而逆变器是将Adapter输出的12V直流电压转变为高频的高压交流电；两个部分同样都采用了用得比较多的脉宽调制（PWM）技术。其核心部分都是一个PWM集成控制器，Adapter用的是UC3842，逆变器则采用TL5001芯片。TL5001的工作电压范围3.6～40V，其内部设一个误差放大器，一个调节器、振荡器、有死区控制的PWM发生器、低压保护回路及短路保护回路等。

高频阻波器/塞流线圈

• 作用：塞流线圈起到阻止高频电流向变电站或支线泄漏、减小高频能量损耗的作用。
• 原理：线圈的电抗大小由两个因素决定，一是电感，一是频率。当频率增大时，电抗增大，对于不同频率的电流，在电感线圈中体现的感抗不同。高频时阻抗大，因而电流小，难以通过线圈。塞流线圈就是由这个原理制成的。

综合自动化设备

• 作用：目前，广泛采用的变电站综合自动化系统是通过后台监控机对变电站全部一次设备及二次设备进行监视、测量、记录、并处理各种信息，对变电站的主要设备实现远方控制操作功能。
  可以提高变电站安全、可靠稳定运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，向用户提供高质量电能服务。

• 原理：利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次设备(包括继电保护、控制、测量、信号、自动装置等)的功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。