《发电厂电气部分》第四版课后习题答案 - 熊信银版

第一章 能源和发电

1-1 人类所认识的能量形式有哪些？并说明其特点。

答：第一、机械能。它包括固体一流体的动能，势能，弹性能及表面张力能等。其中动能和势能是大类最早认识的能量，称为宏观机械能。

第二、热能。它是有构成物体的微观原子及分子振动与运行的动能，其宏观表现为温度的高低，反映了物体原子及分子运行的强度。

第三、化学能。它是物质结构能的一种，即原子核外进行化学瓜是放出的能量，利用最普遍的化学能是燃烧碳和氢，而这两种元素是煤、石油、天然气等燃料中最主要的可燃元素。

第四、辐射能。它是物质以电磁波形式发射的能量。如地球表面所接受的太阳能就是辐射能的一种。

第五、核能。这是蕴藏在原子核内的粒子间相互作用面释放的能。释放巨大核能的核反应有两种，邓核裂变应和核聚变反应。

第六、电能。它是与电子流动和积累有关的一种能量，通常是电池中的化学能而来的。或是通过发电机将机械能转换得到的；反之，电能也可以通过电灯转换为光能，通过电动机转换为机械能，从而显示出电做功的本领。

1-2 能源分类方法有哪些？电能的特点及其在国民经济中的地位和作用？

答：一、按获得方法分为一次能源和二次能源；二、按被利用程度分为常规能源和新能源；三、按能否再生分为可再生能源和非再生能源；四、按能源本身的性质分为含能体能源和过程性能源。

电能的特点：便于大规模生产和远距离输送；方便转换易于控制；损耗小；效率高；无气体和噪声污染。

随着科学技术的发展，电能的应用不仅影响到社会物质生产的各个侧面，也越来越广泛的渗透到人类生活的每个层面。电气化在某种程度上成为现代化的同义词。电气化程度也成为衡量社会文明发展水平的重要标志。

1-3 火力发电厂的分类，其电能生产过程及其特点？

答：按燃料分：燃煤发电厂；燃油发电厂；燃气发电厂；余热发电厂。

按蒸气压力和温度分：中低压发电厂；高压发电厂；超高压发电厂；亚临界压力发电厂；超临界压力发电厂。

按原动机分：凝所式气轮机发电厂；燃气轮机发电厂；内燃机发电厂和蒸汽—燃气轮机发电厂。

按输出能源分：凝气式发电厂；热电厂。

按发电厂总装机容量分：小容量发电厂；中容量发电厂；大中容量发电厂；大容量发电厂。

火电厂的生产过程概括起来说是把煤中含有的化学能转变为电能的过程。整个生产过程分

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三个系统：燃料的化学能在锅炉燃烧变为热能，加热锅炉中的水使之变为蒸汽，称为燃烧系统；锅炉产生的蒸汽进入气轮机，冲动气轮机的转子旋转，将热能转变为机械能，称不汽水系统；由气轮机转子的机械能带动发电机旋转，把机械能变为电能，称为电气系统。

1-4 水力发电厂的分类，其电能生产过程及其特点？

答：按集中落差的方式分为：堤坝式水电厂；坝后式水电厂；河床式水电厂；引水式水电厂；混合式水电厂。

按径流调节的程度分为：无调节水电厂；有调节水电厂；日调节水电厂；年调节水电厂；多年调节水电厂。

水电厂具有以下特点：可综合利用水能资源；发电成本低，效率高；运行灵活；水能可储蓄和调节；水力发电不污染环境；水电厂建设投资较大工期长；水电厂建设和生产都受到河流的地形，水量及季节气象条件限制，因此发电量也受到水文气象条件的制约，有丰水期和枯水期之分，因而发电量不均衡；由于水库的兴建，淹没土地，移民搬迁，农业生产带来一些不利，还可能在一定和程度破坏自然的生态平衡。

1-5 抽水蓄能电厂在电力系统中的作用及其功能？

答：抽水蓄能电厂在电力系统中的作用：调峰；填谷；备用；调频；调相。

功能：降低电力系统燃料消耗；提高火电设备利用率；可作为发电成本低的峰荷电源；对环境没有污染且可美化环境；抽水蓄能电厂可用于蓄能。

1-6 核能发电厂的电能生产过程及其特点？

答：核电厂是一个复杂的系统，集中了当代许多高新技术。核电厂的系统由核岛和常规岛组成。为了使核电能稳定，经济地运行，以及一旦发生事故时能保证反应堆的安全和防止放射性物质外泄，核电厂还设置有各种辅助系统，控制系统和设施。以压力堆为例，有以下主要系统：核岛的核蒸汽供应系统；核岛的辅助系统；常规岛的系统。

核电厂运行的基本规则和常规为电厂一样，都是根据电厂的负荷需要量来调节供给热量，使得热功率与电负荷平衡。由于核电厂是由反应堆供热，因此核电厂的运行和火电厂相比有以下一些新的特点：１）在火电厂中，可连续不断地向锅炉供燃料，而压水堆核电厂的反应堆，却只能对反应堆堆芯一次装料，交定期停堆换料。因此在堆芯换新料后的初期，过剩反应性很大。为了补偿过剩反应性，除采用控制棒外，还需要在冷却剂中加入硼酸，并通过硼浓度变化来调节反应堆的反应速度。反应堆冷却剂中含有硼酸后，就给一次回路系统及辅助系统的运行和控制带来一定的复杂性。２）反应堆的堆芯内，核燃料发生裂变反应放出核能的同时，也放出瞬发中子和瞬发γ射线。由于裂变产物的积累，以及反应堆的堆内构件和压力容器等因受中子的车辐照而活化，反应堆不管是在运行中或停闭后，都有很强的放射性，这就给电厂的运行和维修带来了一定困难。３）反应堆在停闭后，运行管路中积累起来的裂变碎片和β、γ衰变，将继续使堆芯产生余热。因此堆停闭后不能立刻停机冷却，还必须把这部分余热排放出去，否则会出现燃料元件因过热而烧毁的危险；

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即使核电厂在长期停闭情况下，也必须继续除去衰变热；当核电厂发生停电，一回路管道破裂等重大事故时，事故电源、应急堆芯冷却系统立即自动投入，做到在任何事故工况下，保证反应堆进行冷却。４）核电厂在运行过程中，会产生气态，液态和固态的放射性废物，对这些废物必须遵守核安全规定进行妥善处理，以确保工作人员和居民的健康，而为电厂中这一问题不存在。５）与火电厂相比，核电厂的建设费用高，但燃料所占费用较为便宜一。为了提高核电厂的运行经济性，极为重要的是维持高的发电设备利用率，为此，核电厂应在额定功率或尽可能在接过额定功率的工况下带基本负荷连续运行，并尽可能缩短核电厂反应堆的停闭时间。

第二章 发电、变电和输电的电气部分

2-1 哪些设备属于一次设备？哪些设备属于二次设备？其功能是什么？

答：通常把生产、变换、分配和使用电能的设备，如发电机、变压器和断路器等称为一次设备。其中对一次设备和系统运行状态进行测量、监视和保护的设备称为二次设备。如仪用互感器、测量表计，继电保护及自动装置等。其主要功能是起停机组，调整负荷和，切换设备和线路，监视主要设备的运行状态。

2-2 简述300MW发电机组电气接线的特点及主要设备功能。 答：1）发电机与变压器的连接采用发电机—变压器单元接线； 2）在主变压器低压侧引接一台高压厂用变压器，供给厂用电；

3）在发电机出口侧，通过高压熔断器接有三组电压互感器和一组避雷器； 4）在发电机出口侧和中性点侧，每组装有电流互感器4个； 5）发电机中性点接有中性点接地变压器；

6）高压厂用变压器高压侧，每组装有电流互感器4个。

其主要设备如下：电抗器：限制短路电流；电流互感器：用来变换电流的特种变压器；电压互感器：将高压转换成低压，供各种设备和仪表用，高压熔断器：进行短路保护；中性点接地变压器：用来限制电容电流。

2-3 简述600MW发电机组电气接线的特点及主要设备功能。 2-4 影响输电电压等级发展因素有哪些？ 答：1）长距离输送电能； 2）大容量输送电能； 3）节省基建投资和运行费用； 4）电力系统互联。

2-5 简述交流500kV变电站主接线形式及其特点。

答：目前，我国500kV变电所的主接线一般采用双母线四分段带专用旁路母线和3/2台断

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路器两种接线方式。其中3/2台断路器接线具有以下特点：任一母线检修或故障，均不致停电；任一断路器检修也不引起停电；甚至在两组母线同时故障（或一组母线检修另一组母线故障）的极端条件下，功率均能继续输送。一串中任何一台断路器退出或检修时，这种运行方式称为不完整串运行，此时仍不影响任何一个元件的运行。这种接线运行方便，操作简单，隔离开关只在检修时作为隔离带电设备用。

2-6 并联高压电抗器有哪些作用？抽能并联高压电抗器与并联高压电抗器有何异同？ 2-7 简述6kV抽能系统的功能及其组成。 2-8 简述串联电容器补偿的功能及其电气接线。 2-9 简述高压直流输电的基本原理。

2-10 简述换流站的电气接线及主要设备的功能。 2-11 简述高压直流输电的优点和缺点各有哪些？ 答：优点：

1）线路造价低，年电能损失小； 2）不存在系统稳定问题； 3）限制短路电流。 4）调节快速，运行可靠； 5）没有电容充电电流。 6）节省线路走廊。 缺点：

1）换流装置较昂贵； 2）消耗无功功率多； 3）产生谐波影响； 4）缺乏直流开关；

5）不能用变压器来改变电压等级。

2-12 简述高压直流输电系统的主接线及其运行方式。

第三章 常用计算的基本理论和方法

3-1 研究导体和电气设备的发热有何意义？长期发热和短时发热各有何特点？

答：电流将产生损耗，这些损耗都将转变成热量使电器设备的温度升高。发热对电气设备的影响：使绝缘材料性能降低；使金属材料的机械强度下降；使导体接触电阻增加。导体短路时，虽然持续时间不长，但短路电流很大，发热量仍然很多。这些热量在适时间内不容易散出，于是导体的温度迅速升高。同时，导体还受到电动力超过允许值，将使导体变形或损坏。由此

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可见，发热和电动力是电气设备运行中必须注意的问题。长期发热是由正常工作电流产生的；短时发热是由故障时的短路电流产生的。

3-2 为什么要规定导体和电气设备的发热允许温度？短时发热允许温度和长期发热允许温度是否相同，为什么？

答：导体连接部分和导体本身都存在电阻(产生功率损耗)；周围金属部分产生磁场,形成涡流和磁滞损耗；绝缘材料在电场作用下产生损耗，如：tg?值的测量

载流导体的发热：长期发热：指正常工作电流引起的发热 短时发热：指短路电流引起的发热 一 发热对绝缘的影响

绝缘材料在温度和电场的作用下逐渐变化，变化的速度于使用的温度有关； 二发热对导体接触部分的影响

温度过高?表面氧化?电阻增大??IR??恶性循环 三发热对机械强度的影响

温度达到某一值?退火?机械强度??设备变形 如：

2Cu Al 长期发热 长期发热 70C 70C 00短期发热 短期发热 300C 200C 003-3 导体长期发热允许电流是根据什么确定的？提高允许电流应采取哪些措施？ 答：是根据导体的稳定温升确定的。为了载流量，宜采用电阻率小的材料，如铝和铝合金等；导体的形状，在同样截面积的条件下，圆形导体的表面积较小，而矩形和槽形的表面积则较大。导体的布置应采用散热效果最最佳的方式。

3-4 为什么要计算导体短时发热最高温度？如何计算？

答：载流导体短路时发热计算的目的在于确定短路时导体的最高温度不应超过所规定导体短路时发热允许温度。当满足这个条件时，则认为导体在短路时，是具有热稳定性的。

计算方法如下：

1）有已知的导体初始温度θw；从相应的导体材料的曲线上查出Aw； 2）将Aw和Qk值代入式：1/S2Qk=Ah-Aw求出Ah； 3）由Ah再从曲线上查得θh值。

3-5 等值时间的意义是什么等值时间法适用于什么情况？

答：等值时间法由于计算简单，并有一定精度，目前仍得到广泛应用。但是曲线所示是根据容量为500MW以下的发电机，按短路电流周期分量衰减曲线的平均值制作的，用于更大容量的发电机，势必产生误差。这时，最好采用其它方法。

3-6 用实用计算法和等值时间法计算短路电流周期分量热效应，各有何特点？

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答：用实用计算法中的电流是短路稳态电流，而等值时间法计算的电流是次暂态电流。 3-7 电动力对导体和电气设备的运行有何影响？

答：电气设备在正常状态下，由于流过导体的工作电流相对较小，相应的电动力较小，因而不易为人们所察觉。而在短路时，特别是短路冲击电流流过时，电动力可达到很大的数值，当载流导体和电气设备的机械强度不够时，将会产生变形或损坏。为了防止这种现象发生，必须研究短路冲击电流产生的电动力的大小和特征，以便选用适当强度的导体和电气设备，保证足够的动稳定性。必要时也可采用限制短路电流的措施。

3-8 三相平行导体发生三相短路时最大电动力出现在哪一相上，试加以解释。

答：三相平等导体发生三相短路时最大电动力出现在中间相B相上，因为三相短路时，B相冲击电流最大。

3-9 导体的动态应力系数的含义是什么，在什么情况下，才考虑动态应力？

答：动态应力系数β为动态应力与静态应力的比值，导体发生振动时，在导体内部会产生动态应力，对于动态应力的考虑，一般是采用修正静态计算法，即在最大电动力Fmax上乘以动态应力系统数β，以求得实际动态过程中的动态应力的最大值。

3-10 大电流母线为什么常采用分相封闭母线？分相封闭母线的外壳有何作用？ 答：大电流母线采用分相封闭母线是由于：

1）运行可靠性高，因母线置于外壳内，能防止相间短路，且外壳多点接地，可保障人体接人体接触时的安全。2）短路时母线相间电动力大大降低，由于外壳涡流的屏蔽作用，使壳内的磁场减弱，对减小短路时的电动力有明显的效果；3）壳外磁场也因外壳电流的屏蔽作用而减弱，可较好改善母线附近的钢构发热；4）安装的维护工作量小。

3-11 怎样才能减少大电流母线附近钢构的发热？ 答：减小大电流母线附近的钢构发热的措施：

1）加大钢构和导体间的距离，使布磁场强度减弱，因而可降低涡流和磁滞损耗； 2）断开钢构回路，并加装绝缘垫，消除环流； 3）采用电磁屏蔽； 4）采用分相封闭母线。

3-12 设发电机容量为10万kW，发电机回路最大持续工作电流Imax=6791A，最大负荷利用小时数Tmax = 5200h，三相导体水平布置，相间距离a = 0.70m，发电机出线上短路时间tk = 0.2s，短路电流I?? = 36.0kA，Itk/2 = 28.0kA，Itk = 24.0kA，周围环境温度+35℃。试选择发电机引出导线。

第四章

电气主接线

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4-1 对电气主接线的基本要求是什么？

答：对电气主接线的基本要求是：可靠性、灵活性和经济性。

其中保证供电可靠是电气主接线最基本的要求。灵活性包括：操作、调度、扩建的方便性。经济性包括：节省一次投资，占地面积小，电能损耗少。

4-2 隔离开关与断路器的区别何在？对它们的操作程序应遵循哪些重要原则？

答：断路器具有专用灭弧装置，可以开断或闭合负荷电流和开断短路电流，故用来作为接通和切断电路的控制电器。而隔离开关没有灭弧装置，其开合电流极小，只能用来做设备停用后退出工作时断开电路。

4-3 防止隔离开关误操作通常采用哪些措施？

答：为了防止隔离开关误操作，除严格按照规章实行操作票制度外，还应在隔离开关和相应的断路器之间加装电磁闭锁和机械闭锁装置或电脑钥匙。

4-4 主母线和旁路母线各起什么作用？设置专用旁路断路器和以母联断路器或者分段断路器兼作旁路断路器，各有什么特点？检修出线断路器时，如何操作？

答：主母线主要用来汇集电能和分配电能。旁路母线主要用与配电装置检修短路器时不致中断回路而设计的。设置旁路短路器极大的提高了可靠性。而分段短路器兼旁路短路器的连接和母联短路器兼旁路断路器的接线，可以减少设备，节省投资。当出线和短路器需要检修时，先合上旁路短路器，检查旁路母线是否完好，如果旁路母线有故障，旁路断路器在合上后会自动断开，就不能使用旁路母线。如果旁路母线完好，旁路断路器在合上就不会断开，先合上出线的旁路隔离开关，然后断开出线的断路器，再断开两侧的隔离开关，有旁路短路器代替断路器工作，便可对短路器进行检修。

4-5 发电机-变压器单元接线中，在发电机和双绕作变压器之间通常不装设断路器，有何利弊？

答：发电机和双绕组变压器之间通常不装设断路器，避免了由于额定电流或短路电流过大，使得在选择出口断路器时，受到制造条件或价格等原因造成的困难。但是，变压器或者厂用变压器发生故障时，除了跳主变压器高压侧出口断路器外，还需跳发电机磁场开关，若磁场开关拒跳，则会出现严重的后果，而当发电机定子绕组本身发生故障时，若变压吕高压侧失灵跳闸，则造成发电机和主变压器严重损坏。并且发电机一旦故障跳闸，机组将面临厂用电中断的威胁。

4-6 发电机与三绕组变压器或自耦变压器组成的单元接线中，为什么机端必须装设断路器？

答：为了在发电机停止工作时，还能保持和中压电网之间的联系，在变压器的三侧均应装断路器。

4-7 一台半断路器接线与双母线带旁路接线相比，各有何利弊？一台半断路器接线中的交叉布置有何意义？

答：一台半断路器接线，运行的可靠性和灵活性很高，在检修母线时不必用隔离开关进行

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大量的倒闸操作，并且调试和扩建也方便。但是其接线费用太高，只适用与超高电压线路中。双母线带旁路母线中，用旁路母线替代检修中的回路断路器工作，使该回路不停电，适用于有多回出线又经常需要检修的中小型电厂中，但因其备用容量太大，耗资多，所以旁路设备在逐渐取消。一台半断路器接线中的交叉布置比非交叉接线具有更高的运行可靠性，可减少特殊运行方式下事故扩大。

4-8 选择主变压器时应考虑哪些因素？其容量、台数、型式应根据哪些原则来选择？ 答：影响主变压器选择的因素主要有：容量、台数、型式。其中单元接线时变压器应按发电机额定容量扣除本机组的厂用负荷后=（发电机的额定容量－厂用容量－支配负荷的最小容量）×70%。为了确保发电机电压上的负荷供电可靠性，所接主变压器一般不应小于两台，对于工业生产的余热发电厂的中、小型电厂，可装一台主变压器与电力系统构成弱连接。除此之外，变电所主变压器容量，一般应按5~10年规划负荷来选择。主变压器型式可根据：1）相数决定，容量为300MW及以下机组单元连接的变压器和330kV及以下电力系统中，一般选择三相变压器，容量为60MW的机组单元连接的主变压器和500kV电力系统中的主变压器经综合考虑后，可采用单要组成三相变压器组。2）绕组数与结构：最大机组容量为125MW及以下的发电厂多采用三绕组变压器，机组容量为200MW以上的发电厂采用发电机双绕组变压器单元接线，在110kV以上的发电厂采用直接接接系统中，凡需选用三绕组变压器的场合，均可采用自耦变压器。

4-9 电气主接线中为什么要限制断路电流？通常采用哪些方法？

答：短路电流要比额定电流大的多，有可能超过电器设备的承载能力，将电气设备烧毁，因此，必须限制短路电流，其中限制短路电流的方法有：

1）在发电厂和变电所的6~10kV配电装置中，加装限流电抗器限制短路电流。a)在母线分段处设置母线电抗器，目的是发电机出口断路器，变压器低压侧断路器，母联断路器等能按各自回路额定电流来选择，不因短路电流过大而使容量升级；b)线路电抗器：主要用来限制电缆馈线回路短路电流；c)分裂电抗器。

2）采用低压分裂绕组变压器。当发电机容量越大时，采用低压分裂绕组变压器组成扩大单元接线以限制短路电流。

3）采用不同的主接线形式和运行方式。

4-10 为什么分裂电抗器具有正常运行时电抗小，而断路时电抗大的特点？

答：分裂电抗器在正常运行时两分支负荷电流相等，在两臂中通过大小相等，方向相反的电流，产生方向相反的磁通，其中有X=X1-Xm=（1-f）X1且f=0.5得X=0.5X1，可见，在正常情况下，分裂电抗器每个臂的电抗仅为每臂自感电抗的1/4。而当某一分支短路时，Ｘ12=2(X1+Xm)=2X1(1+f)可见，当f=0.5时，X12=3XL，使分裂电抗器能有效的限制另一臂送来的短路电流。所以分裂电抗器具有正常运行时电抗小，而短路时电抗大的特点。

4-11 画出一种单母线分段带旁路母线的主接线形式，要求分段断路器兼作旁路断路器，并

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根据此种电气主接线，说明检修出线断路器时的倒闸操作步骤？

WL1QS3QS4WL2WPWL1WL2WL3WPQFdQS1WIQS2WIIQFPW1W2QF1QSdQF2QF1QFCQF2分段断路器兼作旁路母线的接线

4-12 画出一种双母线带旁路母线的主接线形式，要求母联断路器兼作旁路断路器，并根据此种电气主接线，说明检修出线断路器时的倒闸操作步骤？

4-13 设计电气主接线时，应收集和分析的原始资料有哪些？ 答：对原始资料分析：（包括内容如下） 1）本工程情况

发电厂类型（凝汽式火电厂、热电厂、或者堤坝式、引水式、混合式等水电厂）；设计规划容量（近期、远景）；单机容量及台数；最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。

发电厂容量的确定是与国家经济发展计划、电力负荷增长速度、系统规模和电网结构以及备用容量等因素有关。

发电厂装机容量标志着电厂的规模和在电力系统中的地位与作用。最大单机容量代表国家电力工业和制造工业水平，在一定程度上反映国家先进程度和人民生活水准。

最大单机容量的选择不宜大于系统总容量的10％，以保证该机在检修或事故情况下系统的供电可靠性。

我国目前把 5万 kw以下机组称为小机组； 5～ 20万 kw称为中型机组；20万kw以上称为大型机组。

在设计时，对形成中的电力系统，且负荷增长较快时，可优先选用较为大型的机组。 发电厂运行方式及年利用小时数直接影响着主接线设计。

a)承担基荷为主的发电厂，设备利用率高，一般年利用小时数在5000h以上；

b)承担腰荷者，设备利用小时数应在 3000～5000 h；c)承担峰荷者，设备利用小时数在 3000h以下。对于核电厂或单机容量20万kw以上的火电厂以及径流式水电厂等应优先担任基荷，相应主接线需选用以供电可靠为中心的接线形式。

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水电厂是电力系统中最灵活的机动能源，启、停方便，多承担系统调峰、调相任务。根据水能利用及库容的状态可酌情担负基荷、腰荷和峰荷。因此，其主接线应以供电调度灵活为中心进行选择接线形式。 2）电力系统情况

电力系统近期及远景发展规划（ 5～10年）；

发电厂或变电所在电力系统中的位置（地理位置和容量位置）和作用； 本期工程和远景与电力系统连接方式以及各级电压中性点接地方式等。

按发电厂容量大小分类，我国目前把总容量在1000MW及以上，单机容量在200 M W

以上的发电厂称为大型发电厂；

总容量在200～1000MW，单机容量在50～200MW的发电厂称为中型发电厂； 总容量在200MW以下，单机容量在50MW以下者称为小型发电厂。

所建发电厂的容量与电力系统容量之比，若大于15％，则该厂就可认为是在系统中处

于比较重要地位的电厂。

因为它的装机容量已超过了电力系统的事故备用和检修备用容量，一旦全厂停电，会

影响系统供电的可靠性。因此，主接线的可靠性也应高一些，即应选择可靠性较高的接线形式。

主变压器和发电机中性点接地方式是一个综合性问题。它与电压等级、单相接地短路

电流、过电压水平、保护配置等有关，直接影响电网的绝缘水平、系统供电的可靠性和连 续性、主变压器和发电机的运行安全以及对通信线路的干扰等。

一般我国对35 kV电压以下电力系统采用中性点非直接接地系统（中性点不接地或经

消弧线圈接地），又称小电流接地系统；

对 110 kV以上高压电力系统，皆采用中性点直接接地系统，又称大电流接地系统。 发电机中性点都采用非直接接地方式；

目前，广泛采用的是经消弧线圈接地方式或经接地变压器（亦称配电变压器）接地。 其二次侧接入高电阻，不仅可以限制单相接地电流，亦可限制系统过电压的幅值和陡

度，以免引起铁磁谐振过电压。同时，还为接地保护提供了 信号电源，便于检测，目前在大型机组中已普遍采用。

此外，有时为了防止过电压，有些 机组还采取在中性点处加装避雷器等措施。 3）负荷情况

负荷的性质及其地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。

电力负荷在原始资料中虽已提供，但设计时尚应予以辨证地分析。因为负荷的发展和

增 长速度受政治、经济、工业水平和自然条件等方面影响。

如果设计时，只依据负荷计划数字，而投产时实际负荷小了，就等于积压资金；否则，

电源不足，就影响其它工业的发展。

主接线设计的质量，不仅在于当前是合理的，而应考虑5～10年内质量也应是好的。

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由工程概率和数理统计得知，负荷在一定阶段内的自然增长率是按指数规律变化的，即：

L＝L0emx （2 - 7）

式中L0——初期负荷（MW）；

X —— 年数，一般按5～10年规划考虑； m——年负荷增长率，由概率统计确定。

发电厂承担的负荷应尽可能地使全部机组安全满发，并按系统提出的运行方式，在机

组间经济合理分布负荷，减少母线上电流流动，使电机运转稳定和保持电能质量符合要求。

4）环境条件

当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质、海拔高度及地震等因素，对主接线中电器的选择和配电装置的实施均有影响。

特别是我国土地辽阔，各地气象、地理条件相差甚大，应予以重视。对重型设备的运输条件亦应充分考虑。

5）设备制造情况

为使所设计的主接线具有可行性，必须对各主要电器的性能、制造能力和供货情况、价格等资料汇集并分析比较，保证设计的先进性、经济性和可行性。

第五章 厂用电接线及设计

5-1 什么叫厂用电和厂用电率？

答：发电机在启动，运转、停止，检修过程中，有大量电动机手动机械设备，用以保证机组的主要设备和输煤，碎煤，除尘及水处理的正常运行。这些电动机及全厂的运行，操作，实验，检修，照明用电设备等都属于厂用负荷，总的耗电量，统称为厂用电。厂用电耗量占发电厂全部发电量的百分数，称为厂用电率。

5-2 厂用电的作用和意义是什么？

答：发电机在启动、运转、停机，检修过程中，有大量电动机手动机械设备，用以保证机组的主要设备和输煤，碎煤，除尘及水处理等的正常运行。降低厂用电率可以降低电能成本，同时也相应地增大了对电力系统的供电量。

5-3 厂用电负荷分为哪几类？为什么要进行分类？

答：厂用电负荷，根据其用电设备在生产中的作用和突然中断供电所造成的危害程度，按其重要性可分为四类：

⑴ I类厂用负荷：凡是属于短时停电会造成主辅设备损坏，危及人身安全，主机停用及影响大量出力的厂用设备；

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⑵ II类厂用负荷：允许短时断电，恢复供电后，不致造成生产紊乱的常用设备； ⑶ III类厂用负荷：较长时间停电，不会直接影响生产，仅造成生产不方便的厂用负荷； ⑷ 事故保安负荷 ⑸ 交流不间断供电负荷

5-4 对厂用电接线有哪些基本要求？ 答：对于厂用电接线的要求主要有： 1）各机组的厂用电系统是独立的；

2）全厂新公用负荷应分散接入不同机组的厂用母线；

3）充分考虑发电厂正常，事故，检修启动等运行方式下的供电要求，尽可能的使切换操作简便，启动电源能在短时间内投入；

4）充分考虑电厂分期建设，连续施工过程中厂用电系统的运行方式，特别是要注意对公用负荷供电的影响，要便于过渡，尽量减少改变和更换装置。

5）200MW及以上的机组应设置足够容量的交流事故保安电源。

5-5 厂用电接线的设计原则是什么？对厂用电压等级的确定和厂用电源引接的依据是什么？

答：厂用电的设计原则主要是：

⑴ 厂用电接线应保证对厂用负荷可靠和连续供电，使发电厂主机安全运行。 ⑵ 接线应能灵活地适应正常、事故、检修等各种运行方式的要求。 ⑶ 厂用电源的对应供电性，本机、炉的厂用负荷由本机组供电。

⑷ 设计时还应适当注意其经济性和发展的可能性并积极慎重地采用新技术、新设备，使厂用电接线具有可行性和先进性。

⑸ 在设计厂用电接线时，还应对厂用电的电压等级、中性点接地方式、厂用电源及其引接和厂用电接线形式等问题进行分析和论证。

厂用电的电压等级是根据发电机的额定电压，厂用电动机的电压和厂用电，供电网络等因素，相互配合，经技术经济比较后确定的。

5-6 在大容量发电厂中，要设启动电源和事故保安电源，如何实现？ 答：启动电源的设计：

1）从发电机电压母线的不同分段上，通过厂用备用变压器引接。

2）从发电厂联络变压器的低压绕组引接，但应保证在机组全停情况下，能够获得足够的电源容量。

3）从与电力系统联系紧密，供电可靠的最低一级电压的母线引接。

4）当经济技术合理时，可由外部电网引接专用线路，经过变压器取得独立的备用电源或启动电源。

事故保安电源必须是一种独立而又十分可靠的电源，通常采用快速自动程序启动的柴油发

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电机组，蓄电池以及逆变器将直流变为交流事故保安电源。对300MW及以上机组还就由附近110kV及以上的变压器工发电厂引入独立可靠的专用线路作为事故备用保安电源。

5-7 火电厂厂用电接线为什么要按锅炉分段？为提高厂用电系统供电可靠性，通常都采用那些措施？

答：为了保证厂用供电的连续性，使发电厂安全满发，并满足运行安全可靠灵活方便。所以采用按炉分段原则。为提高厂用电工作的可靠性，高压厂用变压器和启动备用变压器采用带负荷高压变压器，以保证厂用电安全，经济的运行。

5-8 发电厂和变电站的自用电在接线上有何区别？

答：发电厂厂用电系统一般采用单母线分段接线形式，并多以成套配电装置接受和分配电能。厂用电源由相应的高压厂用母线供电。而变电站的站用电源引接方式主要有：1）由变电站内主变压器第三绕组引接，站用变压器高压侧要选用较大断流容量的开关设备，否则要加限流电抗器。2）当站内有较低母线时，一般由这类电压母线上引接两个站用电源。这种站用电源引接方式经济性好和可靠性高的特点；3）500kV变电站的外接电源多由附近的发电厂或变电站的低压母线引接。

5-9 何谓厂用电动机的自启动？为什么要进行电动机自启动校验？如果厂用变压器的容量小于自启动电动机总容量时，应如何解决？

答：厂用电系统运行的电动机，当突然断开电源或厂用电压降低时，电动机转速就会下降，甚至会停止运行，这一转速下降的过程称为惰行。若电动机失去电压后，不与电源断开，在很短时间内，厂用电源恢复或通过自动切换装置将备用电源投入，此时，电动机惰行还未结束，又自动启动恢复到稳定状态运行，这一过程称为电动机自启动。分为：⑴失压自启动；⑵空载自启动；⑶带负荷自启动。若参加自启动的电动机数目多，容量大时，启动电流过大，可能会使厂用母线及厂用电网络电压下降，甚至引起电动机过热，将危及电动机的安全以及厂用电网络的稳定运行，因此，必须进行电动机自启动校验。若不能满足自启动条件，应采用以下措施：

⑴ 限制参加自启动的电动机数量。

⑵ 机械负载转矩为定值的重要设备的电动机，因它只能在接近额定电压下启动，也不应参加自启动，可采用低电压保护和自动重合闸装置，即当厂用母线电压低于临界值时，把该设备从母线上断开，而在母线电压恢复后又自动投入。

⑶对重要的厂用机械设备，应选用具有较高启动转矩和允许过载倍数较大的电动机与其配套。

⑷在不得已的情况下，或增大厂用变压器容量，或结合限制短路电流问题一起考虑进适当减小厂用变压器的阻抗值。

5-10 已知某火电厂厂用6kV备用变压器容量为12.5MVA,Uk(%) = 8，要求同时自启动电动机容量为11400kW，电动机启动平均电流倍数为5，cosφ = 0.8，η = 0.90。试校验该备用变压器容量能否满足自启动要求。

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解：

5-11 厂用母线失电的影响和应采取的措施？

答：厂用母线的工作厂用电源由于某种故障而被切除，即母线的进线断路器跳闸后，由于连接在母线上运行的电动机的定子电流和转子电流都不会立即变为零，电动机定子绕组将产生变频电压，即母线存在残压。残压的大小和频率都随时间而降低。电动机转速下降的快慢主要决定于负荷和机械时间常数，一般经0.5S后转速约降至额定转速。若在此时间内投入备用电源，一般情况下，电动机能迅速恢复到正常稳定运行状态。一般用电源的快捷切换，要求工作厂用电源切除后，在厂用母线残压于备用电源电压之间的相角差未达到第一次反相之前合上备用电源，可保证备用电源合上时电动机的转速下降尚少，且冲击电流亦小。

5-12 厂用电源的各种切换方式及其优缺点？

答：厂用电源的切换，除按操作控制分为手动与自动外，还可按厂用系统的运行状态，断路器动作顺序，厂用电源切换的速度等进行区分。按厂用电系统正常运行状态厂用电源的切换分为正常切换和事故切换。按断路器的运行顺序厂用电源的切换分为并联切换、断电切换和同时切换。按厂用电源的切换速度厂用电源的切换分为快速切换和慢速切换。

第六章

导体和电气设备的原理和选择

6-1 什么是验算热稳定的短路计算时间tk以及电气设备的开断计算时间tbr？

答：演算热稳定的短路计算时间tk为继电保护动作时间tpr和相应断路器的全开断时间tbr

之和，而tbr是指断路器分断脉冲传送到断路器操作机构的跳闸线圈时起，到各种触头分离后的电弧完全熄灭位置的时间段。

6-2 开关电器中电弧产生与熄灭过程与那些因素有关？

答：电弧是导电的，电弧之所以能形成导电通道，是因为电弧柱中出现了大量的自由电子的缘故。电弧形成过程：⑴电极发射大量自由电子：热电子+强电场发射；⑵弧柱区的气体游离，产生大量的电子和离子：碰撞游离+热游离。电弧的熄灭关键是去游离的作用，去游离方式有２种：复合：正负离子相互吸引，彼此中和；扩散：弧柱中的带电质点由于热运行逸出弧柱外。开关电器中电弧产生与熄灭过程与以下因素有关：⑴电弧温度；⑵电场强度；⑶气体介质的压力；⑷介质特性；⑸电极材料。

6-3 开关电器中常用的灭弧方法有那些？ 答：有以下几种灭弧方式：

1）利用灭弧介质，如采用SF6气体；2）采用特殊金属材料作灭弧触头；3）利用气体或油吹动电弧，吹弧使带电离子扩散和强烈地冷却面复合；4）采用多段口熄弧；5）提高断路器触头的分离速度，迅速拉长电弧，可使弧隙的电场强度骤降，同时使电弧的表面突然增大，有利

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于电弧的冷却和带电质点向周围介质中扩散和离子复合。

6-4 什么叫介质强度恢复过程？什么叫电压恢复过程？它与那些因素有关？

答：弧隙介质强度恢复过程是指电弧电流过零时电弧熄灭，而弧隙的绝缘能力要经过一定的时间恢复到绝缘的正常状态的过程为弧隙介质强度的恢复过程。

弧隙介质强度主要由断路器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质所决定，随断路器形式而异。 弧隙电压恢复过程是指电弧电流自然过零后，电源施加于弧隙的电压，将从不大的电弧熄灭电压逐渐增长，一直恢复到电源电压的过程，这一过程中的弧隙电压称为恢复电压。电压恢复过程主要取决于系统电路的参数，即线路参数、负荷性质等，可能是周期性的或非周期性的变化过程。

6-5 电流互感器常用的二次接线中，为什么不将三角形接线用于测量表计？

答：计量用电流互感器接线方式的选择，与电网中性点的接地方式有关，当为非有效接地系统时，应采用两相电流互感器，当为有效接地系统时，应采用三相电流互感器，一般地，作为计费用的电能计量装置的电流互感器应接成分相接线（即采用二相四线或三相六线的接线方式），作为非计费用的电能计量装置的电流互感器可采用二相三线或三相的接线方式，

6-6 为提高电流互感器容量，能否采用同型号的两个互感器在二次侧串联或并联使用？ 答：可以将电流互感器串联使用，提高二次侧的容量，但是要求两个电流互感器型号相同。因为电流互感器的变比是一次电流与二次电流之比。两个二次绕组串联后，二次电路内的额定电流不变，一次电路内的额定电流也没有变，故其变比也保持不变。二次绕组串联后，因匝数增加一倍，感应电势也增加一倍，互感器的容量增加了一倍。也即每一个二次绕只承担二次负荷的一半，从而误差也就减小，容易满足准确度的要求。在工程实际中若要扩大电流互感器的容量，可采用二次绕组串联的接线方式。

不能将电流互感器并联使用。

6-7 电压互感器一次绕组及二次绕组的接地各有何作用？接地方式有何差异？

答：电压互感器一次绕组直接与电力系统高压连接，如果在运行中电压互感器的绝缘损坏，高电压就会窜入二次回路，将危及设备和人身的安全。所以电压互感器二次绕组要有一端牢固接地。

6-8 电流互感器的误差与那些因素有关？

答：电流互感器的电流误差fi及相位差δi决定于互感器铁心及二次绕组的结构，同时又与互感器运行状态（二次负荷Z2L及运行铁心的磁导率μ值）有关。

6-9 运行中为什么不允许电流互感器二次回路开路？

答：需要强调的是电流互感器在运行时，二次绕组严禁开路。二次绕组开路时，电流互感器由正常工作状态变为开路状态，I2=0，励磁磁动势由正常为数甚小的10N1骤增为11N1，铁心中的磁通波形呈现严重饱和和平顶波，因此，二次绕组将在磁能过零时，感应产生很高的尖顶电动势，其值可达数千伏甚至上万伏（与Ki及Ii大小有关），危及工作人员的安全和仪表、

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继电器的绝缘。由于磁感应强度剧增，会引起铁心和绕组过热。此外，在铁心中还会产生剩磁，使互感器准确级下降。

6-10 三相三柱式电压互感器为什么不能测量相对地电压？

答：为了监视系统各相对地绝缘情况，就必须测量各相的对地电压，并且应使互感器一次侧中性点接地，但是，由于普通三相三柱式电压互感器一般为Y，yn型接线，它不允许一次侧中性点接地，故无法测量对地电压．假使这种装置接在小电流接地系统中，互感器接成YN,yn型，既把电压互感器中性点接地，当系统发生单相接地时，将有零序磁通在铁芯中出现．由于铁芯是三相三柱的，同方向的零序磁通不能在铁芯内形成闭和回路，只能通过空气或油闭合，使磁阻变得很大，因而零序电流将增加很多，这可能使互感器的线圈过热而被烧毁．所以，普通三相三柱式电压互感器不能作绝缘监视用，而作绝缘监视用的电压互感器只能是三相五柱式电压互感器(JSJW)或三台单相互感器接成YN,yn型接线．

6-11 运行中为什么不允许电压互感器二次回路短路？

答：当电压互感器二次侧发电短路时，由于回路中电阻R和剩余的电抗XL-XC均很小，短路电流可达到额定电流的几十倍，此电流将产生很高的共振过电压，为此在LL上关联放电间隙EE，用以保护。此外由于电容式电压互感器系由电容（C1C2）和非线性电抗所构成，当受到二次侧短路或断开等冲击时，由于非线性电抗的饱和，可能激发产生某次谐波铁磁谐振过电压，为了拟制谐振的产生，常在互感器二次侧接入D。

6-12 在发电厂中，电压互感器的配置原则有那些？ 答：1）母线；2）线路；3）发电机；4）变压器

6-13 如图6-14所示接线，设25MW发电机（UN=10.5kV，IN=1718A），回路装有仪表：电流表3只，有功功率表、无功功率表、有功电能表、无功电能表、电压表及频率表各1只，互感器距控制室的距离为60m。试选择该回路中供测量表计用的电流互感器4及电压互感器13。

解：

6-14 选择10kV配电装置的出线断路器及出线电抗器。设系统容量为150MVA，归算至10kV母线上的电源短路总电抗X?*Σ=0.14（基准容量Sd＝100MVA），出线最大负荷为560A，出线保护动作时间tpr＝1s。

解：假设选择断路器为SN10-10I INbr=16kA，全分闸时间tbr=0.1s， 基准容量Sd＝100MVA Ud＝10.5kV，Id=5.5kA

xL(%)?(IdtNbr?x'*?)INUd5.5600?10500?100%?(?0.14)?100%?2.33%IdUN165500?10000

选择4％的电抗NKL-10-600-4，参数如下：

xL(%)?4% ies?38.28kA It2t?342(kA)2?s计算如下：

3）电压损失和残压校验：

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电抗标么值：x*L?xL(%)IdUN5500?10000?0.04??0.349 INUd600?10500???x*L?0.14?0.349?0.489 x*??x*短路计算时间：tk?tpr?tbr?1?0.1?1.1s，查短路电流计算曲线并换算成短路电流有名值，I\?12.1kA,I0.55?9.9kA,I1.1?9.35kA。

电压损失和残压分别为：

?U(%)?xL(%)Imax560sin??0.04??0.6?2.24%?5% IN600I\12.1?0.04??80.7%?60%~70% IN0.6?Ure(%)?xL(%)4）动、热稳定校验。

Qk?2I\2?10It2?I/2tkk1212.12?9.92?9.352tk??1.1?30.42(kA)2?s?342(kA)2?s12ish?Ksh2I\?2.55?12.1?30.86(kA)?38.28(kA)

可见，电压损失、残压、动热稳定均满足要求。

6-15 按经济电流密度选择的导体，为何还必须按长期发热允许电流进行校验？配电装置的汇流母线，为何不按经济电流密度选择导体截面？

答：略

6-16 设发电机容量为25MW，最大负荷利用小时数Tmax＝6000h，三相导体水平布置，相间距离a＝0.35m，发电机出线上短路时间tk＝0.2s，短路电流I??=27.2kA，Itk/2=21.9kA，Itk=19.2kA。周围环境温度+40oC。试选择发电机引出导体。

解：

1）按经济电流密度选择导线截面。

Imax1.05?25?103???1804(A)

3UNcos?3?10.5?0.81.05PNImax1804??2653(mm2) J0.682查图6-17曲线2，得：J?0.68A/mm，则：SJ?2

选择100×10mm的三条矩形导体水平布置,允许电流Ial25?C?3284A，集肤效应Kf?1.7截面积为3000mm。当环境温度为40C时：

2

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Ial40?C?K?Ial25?C?70?40?3284?0.816?3284?2681(A)?(Imax?1804A)

70?252）热稳定校验。正常运行时导体温度：

2Imax18042????0?(?al??0)2?40?(70?40)?54C 2Ial?01681查表6－9，得热稳定系数C?93，则满足短路时发热的最小导体截面为：

Qk?Qp?Qnp Qp?2I\2?10It2?I/2tkk1227.22?21.92?19.22tk??0.2?26.47(kA)2?s

12发电机出口短路待会，非周期分量等值时间T取0.2s

Qnp?T?I\2?0.2?27.22?148.0(kA)2?s Qk?Qp?Qnp?26.47?148.0?174.47(kA)2?s Smin?QkKfC174.47?106?1.7??185(mm2)?3000(mm2)

93满足热稳定要求。

3）动稳定校验。导体自振频率由以下求得：

m?h?b??w?0.1?0.01?2700?2.7kg/m

bh20.01?0.13J???0.83?10?6(m4)

1212f1?NfL2EJ3.567?1010?0.83?10?6?2?522(Hz)?155Hz m2.71可不计母线共振影响。取发电机出口短路时，冲击系数K?0.9，则

ish?1.92I\?2.69?27.2?73.17(kA)

母线相间应力计算如下：

22fph?1.73?10?7?ish/a?1.73?10?7?73170/0.35?2646(N/m)

bh2W??0.5?0.01?0.12?50?10?6(m3)

2?ph2646?12???5.292?106(Pa) ?610W10?50?10fphL2母线同相条间作用应力计算如下：

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b104b?b302b?b10??0.1，??0.273 ??0.091，h100b?h110b?h10?100K12?0.45，K13?0.6 则：

22fb?8(K12?K13)?10?9?ish/b?8?(0.45?0.6)?10?9?73170/0.01?4497(Pa)临

界跨距Lcr（每相三条铝导体??1197）及条间衬垫最大跨距Lbmax分别为：

Lcr??b4h/fb?1197?0.0140.1/4497?0.822(m)

Lbmax?b2h(?al??ph)/fb?0.012?0.1(70?5.2)?106/4497?0.54(m)

所选衬垫跨距应小于Lcr及Lbmax。

6-17 选择100MW发电机和变压器之间母线桥的导体。已知发电机回路最大持续工作电流Imax＝6791A，Tmax＝5200h，连接母线三相水平布置，相间距离a＝0.7m，最高温度+35oC，母线短路电流I??=36kA，短路热效应Qk=421.1(kA)2?s。

解：1）按经济电流密度选择导线截面。

Imax?6791A，Tmax?5200h

2查图6-17曲线2，得：J?0.78A/mm，则：SJ?Imax6791??8706(mm2) J0.78选择h?225mm,b?105mm,C?12.5mm,r?16mm的双槽形导体水平布置,导体截面积9760mm允许电流Ial25?C?10150A，集肤效应系数Kf?1.285。当环境温度为35?C时：

2

Ial35?C?K?Ial25?C?70?35?10150?0.89?10150?8951(A)?(Imax?6791A)

70?252）热稳定校验。正常运行时导体温度：

2Imax67972????0?(?al??0)2?35?(70?35)?55C 2Ial?08951查表6-9，得热稳定系数C?93，则满足短路时发热的最小导体截面为： 已知：Qk?421.1(kA)?s

2Smin?QkKfC421.1?106?1.285??250(mm2)?9760(mm2)

93满足热稳定要求。

3）动稳定校验。导体自振频率由以下求得： 取发电机出口短路时，冲击系数K?1.9，则

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ish?1.92I\?2.69?36?96.84(kA)

母线相间应力计算如下：

fb?2(0.5ish)2?10?7121?5?10?8ish?5?10?8?968402/0.225?2084(N/m) hhW?WY?66.5?10?6(m3)

2fbL2iL2084?1266bshb?b??4.16??2.612?10(Pa)?(??69?10Pa) al?612WYhWY12?66.5?10

第七章 配电装置

7-1 对配电装置的基本要求是什么？

答：对配电装置的基本要求是：1）保证运行可靠；2)便于操作、巡视和检修；3）保证工作人员的安全；4）力求提高经济性；5）具有扩建的可能。

7-2 试述最小安全净距的定义及其分类。

答：最小安全净距是指在这一距离下，无论在正常最高工作电压或出现内、外过电压时，都不使空气气隙被击穿，对于敞露在空气中的屋内、外配电装置中有关部分之间的最小安全净距分为A、B、C、D、E五类。

7-3 试述配电装置的类型及其特点。

答：配电装置按电气设备装设地点不同，可分为屋内配电装置和屋个配电装置；按其组装方式，可分为装配式和成套式。

屋内配电装置的特点：1）由于允许安全净距小和可以分层布置而使占地面积较小；2）维修、巡视和操作在室内进行，可减少维护工作量，不受气候影响；3）外界污秽空气对电气设备影响较小，可减少维护工作量；房屋建设投资较大，建设周期长，但可采用价格较低的户内设备。

屋外配电装置的特点：1）土建工作量和费用较小，建设周期短；2）与屋内配电装置相比，扩建比较方便；3）想念设备之间距离较大，便于带电作业；4）与屋内配电装置相比，占地面积积大；5）受外界环境影响，设备运行条件较差，需加强绝缘；6）不良气候对设备维修和操作影响大。

成套配电装置的特点：1）电气设备封闭可半封闭的金属中，相间和对地距离可缩小，结构紧凑，上地面积小；2）所有设备已在工厂组装成一体；3）运行可靠性高，维护方便；4）耗用钢材较多，造价较高。

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