1第三章 发电厂电气设备的原理与结构第一节 绝缘子、母线和电缆一、绝缘子绝缘子广泛应用在发电厂的配电装置、变压器、开关电器及输电线路上，用来支持和固定裸载流导体，并使裸载流导体与地绝缘，或使处于不同电位的载流导体之间绝缘。因此，绝缘子应具有足够的绝缘强度、机械强度、耐热性和防潮性。绝缘子按其额定电压可分为高压绝缘子(500V 以上) 和低压绝缘子(500V 及以下)两种；按安装地点可分为户内式和户外式两种；按结构形式和用途可分为支柱式、套管式及盘形悬式三种。高压绝缘子主要由绝缘件和金属附件两部分组成。绝缘件通常用电工瓷制成，电工瓷具有结构紧密均匀、绝缘性能稳定、机械强度高和不吸水等优点。盘形悬式绝缘子的绝缘件也有用钢化玻璃制成的，具有绝缘和机械强度高、尺寸小、质量轻、制造工艺简单及价格低廉等优点。金属附件的作用是将绝缘子固定在支架上和将载流导体固定在绝缘子上。金属附件装在绝缘件的两端，两者通常用水泥胶合剂胶合在一起。绝缘瓷件的外表面涂有一层棕色或白色的硬质瓷釉，以提高其绝缘、机械和防水性能；金属附件皆作镀锌处理，以防其锈蚀；胶合剂的外露表面涂有防潮剂，以防止水分侵入。高压绝缘子应能在超过其额定电压 15的电压下可靠地运行。支柱绝缘子和套管绝缘子应能承受短路电流所产生的最大电动力，并具有一定裕度。其机械强度用机械破坏负荷( 或称抗弯破坏负荷) 表示，单位为 kN。机械破坏负荷是指在绝缘子固定的情况下，在绝缘子顶帽的平面上施加与其轴线垂直、使绝缘子受到弯矩作用而被破坏的机械负荷值。同一电压级的绝缘子，按机械破坏负荷的不同值分为 4 组，在其型号中分别用 A、B、C、D 表示，也有些绝缘子直接用机械破坏负荷值表示。盘形悬式绝缘子按机电破坏负荷分级。机电破坏负荷是指当电压和机械负荷同时加于绝缘子上，在电压一定、机械负荷升高时，绝缘子的任一部分丧失其机械或电气性能的机械负荷值，单位为 t 或 kN。1支柱绝缘子户内式支柱绝缘子分内胶装、外胶装、联合胶装 3 个系列；户外式支柱绝缘子分针式和棒式 2 种。(1)户内式支柱绝缘子。户内式支柱绝缘子主要应用在 3 35kV 屋内配电装置。1)外胶装式支柱绝缘子的结构如图 3-1(a)所示，图中尺寸为 ZA-10Y 型的。它主要由绝缘瓷件 2、铸铁帽 1 和铸铁底座 3 组成。绝缘瓷件为上小、下大的空心瓷体，起对地绝缘2作用；铸铁帽上有螺孔，用于固定母线或其他导体；铸铁底座上有螺孔，用于将绝缘子固定在架构或墙壁上。底座有圆形、椭圆形和方形。铸铁帽 1 和铸铁底座 3 用水泥胶合剂 4与瓷件 2 胶合在一起。这种绝缘子的结构特点是金属附件胶装在瓷件的外表面，使绝缘子的有效高度减少，电气性能降低，或在一定的有效高度下使绝缘子的总高度增加，尺寸、质量增大，但其机械强度较高。2)内胶装式支柱绝缘子的结构如图 3-1(b)所示。它主要由绝缘瓷件 2 和上、下铸铁配件 5 组成。上、下铸铁配件均有螺孔，分别用于导体和绝缘子的固定。这种绝缘子的结构特点是金属附件胶装在瓷件的孔内，相应地增加了绝缘距离，提高了电气性能，在有效高度相同的情况下，其总高度约比外胶装式绝缘子低 40；同时，由于所用的金属配件和胶合剂的质量减少，其总质量约比外胶装式绝缘子减少 50。所以，内胶装式支柱绝缘子具有体积小、质量轻、电气性能好等优点，但机械强度较低。图 3-1 户内式支柱绝缘子结构示意图(a)外胶装式； (b)内胶装式1铸铁帽；2绝缘瓷件；3铸铁底座； 4水泥胶合剂；5铸铁配件；6铸铁配件螺孔3)联合胶装式支柱绝缘子的结构如图 3-2 所示。这种绝缘子的结构特点是上金属附件采用内胶装，下金属附件采用外胶装，而且一般属实心不可击穿结构，为多棱型。它兼有内、外胶装式支柱绝缘子之优点，尺寸小、泄漏距离大、电气性能好、机械强度高，适用于潮湿和湿热带地区。3(2)户外式支柱绝缘子。户外式支柱绝缘子主要应用在 6kV 及以上屋外配电装置。由于工作环境条件的要求，户外式支柱绝缘子有较大的伞裙，用以增大沿面放电距离，并能阻断水流，保证绝缘子在恶劣的雨、雾气候下可靠地工作。图 3-2 ZLB35F 型户内联合胶装式支柱绝缘子结构示意图1)户外针式支柱绝缘子的结构如图 3-3 所示，图中尺寸为 ZPC1-35 型的。它主要由绝缘瓷件 2、4，铸铁帽 5 和法兰盘装脚 1 组成，属空心可击穿结构，较笨重，易老化。图 3-3 ZPC1-35 型户外针式支柱绝缘子结构示意图1 法兰盘装脚；2、4绝缘瓷件；3水泥胶合剂；5铸铁帽2)户外棒式支柱绝缘子的外形如图 3-4 所示，图中尺寸为 ZS-35/8 型的。棒式绝缘子为实心不可击穿结构，一般不会沿瓷件内部放电，运行中不必担心瓷体被击穿，与同级电压的针式绝缘子相比，具有尺寸小、质量轻、便于制造和维护等优点，因此，它将逐步取代针式绝缘子。4图 3-4 ZS35/8 户外棒式支柱绝缘子外形示意图2盘形悬式绝缘子悬式绝缘子主要应用在 35kV 及以上屋外配电装置和架空线路上。按其帽及脚的连接方式，分为球形的和槽形的两种。图 3-5 为几种悬式绝缘子的结构示意图。它们都是由绝缘件( 瓷件或钢化玻璃)、铁帽、铁脚组成。钟罩形防污绝缘子的污闪电压比普通型绝缘子高 2050；双层伞形防污绝缘子具有泄漏距离大、伞形开放、裙内光滑、积灰率低、自洁性能好等优点；草帽形防污绝缘子也具有积污率低、自洁性能好等优点。在实际应用中，悬式绝缘子根据装置电压的高低组成绝缘子串。这时，一片绝缘子的脚 3 的粗头穿入另一片绝缘子的帽 2 内，并用特制的弹簧锁锁住。每串绝缘子的数目：35kV 不少于 3 片，110kV 不少于 7 片，220kV 不少于 13 片，330kV 不少于 19 片，500kV不少于 24 片。对于容易受到严重污染的装置，应选用防污悬式绝缘子。3套管绝缘子套管绝缘子用于母线在屋内穿过墙壁或天花板，以及从屋内向屋外引出，或用于使有封闭外壳的电器(如断路器、变压器等 )的载流部分引出壳外。套管绝缘子也称穿墙套管，简称套管。穿墙套管按安装地点可分为户内式和户外式两种；据结构型式可分为带导体型和母线型两种。带导体型套管，其载流导体与绝缘部分制成一个整体，导体材料有铜的和铝的，导体截面有矩形的和圆形的；母线型套管本身不带载流导体，安装使用时，将载流母线装于套管的窗口内。5图 3-5 几种悬式绝缘子的结构示意图(a)XP10 型球形连接悬式绝缘子； (b)LXP 型钢化玻璃悬式绝缘子；(c)XHPl 型钟罩形防污悬式绝缘子；(d)XWP5 型双伞形防污悬式绝缘子；(e)XMP 型草帽形防污悬式绝缘子1瓷件；2镀锌铁帽；3铁脚；4、5水泥胶合剂(1)户内式穿墙套管。户内式穿墙套管额定电压为 635kV，其中带导体型的额定电流为 2002000A。1)CA6/400 型户内带导体型穿墙套管结构如图 3-6 所示。型号表明：该型套管额定电压为 6kV，额定电流为 400A，导体为铜导体，机械破坏负荷为 3.75 kN。它主要由空心瓷套 1、椭圆形法兰盘 2、载流导体 5 及金属圈 4 组成。空心瓷套与法兰盘用水泥胶合剂胶合在一起；法兰盘上有两个安装孔 3，用于将套管固定在墙壁或架构上；矩形载流导体从空心瓷套中穿过，导体两端用有矩形孔(与截面相适应)的金属圈固定，金属圈嵌入瓷套端部的凹口内；导体两端均有圆孔，以便用螺栓将配电装置的母线或其他电器的载流导体与它连接。其他户内式穿墙套管结构与 CA6/400 型基本相同。图 3-6 CA6/400 型户内式穿墙套管结构示意图1空心瓷套；2法兰盘；3安装孔；4金属圈；5载流导体62)额定电压为 20kV 及以下的屋内配电装置中，当负荷电流超过 1000A 时，广泛采用母线型穿墙套管。CME-10 型户内母线型穿墙套管结构如图 3-7 所示。型号表明：该型套管额定电压为 10kV，机械破坏负荷为 30kN。它主要由瓷壳 1、法兰盘 2 及金属帽 3 组成。金属帽 3 上有矩形窗口，以便母线穿过。矩形窗口的尺寸决定于穿过套管的母线的尺寸和数目。该型套管可以穿过两条矩形母线，条间垫以衬垫，其厚度与母线厚度相同。图 3-7 CME10 型户内母线式穿墙套管结构示意图l 一瓷壳；2法兰盘；3金属帽；4矩形窗口(2)户外式穿墙套管。户外式穿墙套管用于将配电装置中的屋内载流导体与屋外载流导体的连接，以及屋外电器的载流导体由壳内向壳外引出。因此，户外式穿墙套管的特点是：其两端的绝缘瓷套分别按户内、外两种要求设计，户外部分有较大的表面(较多的伞裙或棱边) 和较大的尺寸。CWC-101000 型户外带导体型穿墙套管结构如图 3-8 所示。型号表明：该型套管额定电压为 10kV，额定电流为 1000A，导体为铜导体，机械破坏负荷为 12.5 kN。其右端为户内部分，表面平滑，无伞裙( 也有带较少伞裙的) ；其左端为户外部分，表面有较多伞裙。图 3-8 CWC10/1000 型户外式穿墙套管结构示意图7二、母线发电厂和变电所中各种电压等级配电装置的主母线，发电机、变压器与相应配电装置之间的连接导体，统称为母线，其中主母线起汇集和分配电能的作用。1 母线材料常用的母线材料有铜、铝和铝合金。铜的电阻率低、机械强度大、抗腐蚀性强，是很好的母线材料。但铜在工业上有很多重要用途，而且我国铜的储量不多，价格高。因此，铜母线只用在持续工作电流较大、且位置特别狭窄的发电机、变压器出口处，以及污秽对铝有严重腐蚀而对铜腐蚀较轻的场所(例如沿海、化工厂附近等)。铝的电阻率为铜的 1.72 倍，但密度只有铜的 30，在相同负荷及同一发热温度下，所耗铝的质量仅为铜的 4050，而且我国铝的储量丰富，价格低。因此，铝母线广泛用于屋内、外配电装置。铝的不足之处是：机械强度较低；在常温下其表面会迅速生成一层电阻率很大(达 l0l0 m)的氧化铝薄膜，且不易清除；抗腐蚀性较差，铝、铜连接时，会形成电位差(铜正、铝负 )，当接触面之间渗入含有溶解盐的水分 (即电解液)时，可生成引起电解反应的局部电流，铝会被强烈腐蚀，使接触电阻更大，造成运行中温度增高，高温下腐蚀更会加快，这样的恶性循环致使接触处温度更高。所以，在铜、铝连接时，需要采用铜、铝过渡接头，或在铜、铝的接触表面搪锡。2敞露母线母线的截面形状应保证集肤效应系数尽可能低、散热良好、机械强度高、安装简便和连接方便。常用硬母线的截面形状有矩形、槽形、管形。母线与地之间的绝缘靠绝缘子维持，相间绝缘靠空气维持。敞露矩形和槽形母线结构如图 3-9 所示。图 3-9 矩形和槽形母线结构示意图(a)每相 1 条矩形母线；(b) 每相 2 条矩形母线；(c)每相 3 条矩形母线；(d) 槽形母线(1)矩形母线。矩形母线散热条件较好，便于固定和连接，但集肤效应较大。为增加散热面，减少集肤效应，并兼顾机械强度，其短边与长边之比通常为 1/121/5 ，单条截面积最大不超过 1250mm2；当电路的工作电流超过最大截面的单条母线的允许载流量时，每相8可用 24 条并列使用，条间净距离一般为一条的厚度，以保证较好地散热；每相条数增加时，因散热条件差及集肤效应和邻近效应影响，允许载流量并不成正比增加，当每相有3 条及以上时，电流并不在条间平均分配(例如，每相有 3 条时，电流分配为：中间条约占20，两边条约各占 40)，所以，每相不宜超过 4 条；矩形母线平放较竖放允许载流量低 58。矩形母线一般用于 35kV 及以下、持续工作电流在 4000A 及以下的配电装置中。(2)槽形母线。槽形母线是将铜材或铝材轧制成槽形截面，使用时，每相一般由两根槽形母线相对地固定在同一绝缘子上。其集肤效应系数较小，机械强度高，散热条件较好，与利用几条矩形母线比较，在相同截面下允许载流量大得多。槽形母线一般用于