电气工程基础章

1、电力工程基础合肥工业大学 电气与自动化工程学院第二章 电气设备的原理与功能内容提要：2.1 概述2.2 同步发电机2.3 电力变压器2.4 电动机2.5 高压断路器2.6 互感器合肥工业大学 .电气与自动化工程学院发电机升压变输电线路降压变用电设备水库水轮机第二章 电气设备的原理与功能2.1 概述一、发电厂和变电站的作用合肥工业大学 .电气与自动化工程学院二、电气设备的粗分类第二章 电气设备的原理与功能2.1 概述一、发电厂和变电站的作用合肥工业大学 .电气与自动化工程学院二、电气设备的粗分类3、电气设备的细分类（见书本）生产、输送和分配电能；根据电力负荷的变化启停机组、调整运行方式和运行参数

2、；根据电力系统要求投切线路；监视主要设备的工作状态；对主要设备进行定期的检修和维护；迅速消除故障，尽量减小故障的影响。一次设备：直接生产和输送电能的设备。如发电机、变压器、开关电器、载流导体、避雷器、互感器等。二次设备：对一次设备进行测量、监视和操作的设备。如继电器、仪表、自动装置等。2.2 同步发电机一、发电机的基本结构合肥工业大学 .电气与自动化工程学院二、发电机工作原理三、同步发电机的额定运行方式四、发电机励磁系统2.2 同步发电机一、发电机的基本结构合肥工业大学 .电气与自动化工程学院卧式（一般为汽轮发电机）立式（一般为水轮发电机）二、发电机工作原理蒸汽热能（火电厂）水能（水电厂）汽轮

3、机或水轮机带动发电机转子转动发电机转子绕组通有直流电流，在空间中形成磁场在空间中形成一个旋转的磁场变化的磁力线切割定子线圈定子线圈中有感应电动势产生，形成发电机的端电压发电机发电的过程就是将原动机转轴上的动能通过发电机转子与定子间的磁场耦合作用，在定子绕组上变成电能的过程。三、同步发电机的额定运行方式合肥工业大学 .电气与自动化工程学院1、发电机的额定值发电机的额定容量是指在额定电压、额定频率、额定功率因数和额定冷却介质温度等条件下，发电机所能长期连续发出的最大功率。3、同步发电机的非正常工作状态2、发电机带负荷运行与负荷调整运行当发电机启动后的转速和电压接近电力系统值时，依靠自动准同期并列装

4、置可以将发电机并入大电网。并列后再使发电机带负荷运行。有功负荷的调整是通过汽轮机的调速器进行的，即调整汽轮机的进汽量的大小。无功功率和电压的调整是通过改变发电机励磁电流的大小来实现的。发电机过负荷运行、异步运行、不对称运行等。一般表现为温度升高。2.2 同步发电机额定运行方式：发电机按照制造厂商铭牌规定数据运行的方式。四、发电机励磁系统产生可调磁场的直流励磁电流称为发电机的励磁电流，为发电机提供可调节励磁电流的设备，构成发电机的励磁系统。励磁功率单元（提供直流励磁功率）励磁调节器（自动调节励磁电流大小）2.2 同步发电机2.3 电力变压器合肥工业大学 .电气与自动化工程学院一、变压器的结构形式

5、和分类二、变压器工作原理三、变压器的额定值四、变压器的过负荷能力五、自耦变压器2.3 电力变压器合肥工业大学 .电气与自动化工程学院电力变压器定义：利用电磁感应原理把一种电压等级交流电能转换成相同频率的另一电压等级的交流电能的静止电气设备。一、变压器的结构形式和分类结构形式：心式 线圈包围铁心壳式 铁心包围线圈分类：用途：电力变压器、互感器、和特殊用途变压器相数：单相变压器和三相变压器绕组：两绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器冷却介质：油浸式变压器、干式变压器和水冷式变压器2.3 电力变压器合肥工业大学 .电气与自动化工程学院二、变压器工作原理空载运行：负载运行：电流关系：电压关系：阻抗变换

6、：2.3 电力变压器合肥工业大学 .电气与自动化工程学院三、变压器的额定值额定容量 额定电压、频率下，额定电流输出，温升不超过极限值时的变压器容量；额定电压 根据变压器绝缘强度、铁心饱和限制和允许温升所规定的一次侧电压值；额定电流 根据额定电压和额定容量计算出的电流；阻抗电压 短路阻抗与一次侧额定电流乘积；如何测量？短路损耗 二次绕组短接时变压器所吸取有功功率；空载损耗 空载实验变压器所吸取有功功率；空载电流百分值 空载试验变压器所流入电流的三相算术平均值；链接组号 代表变压器各相绕组的连接法和相位关系的符号。2.3 电力变压器合肥工业大学 .电气与自动化工程学院四、变压器的过负荷能力定义：在

7、较短时间内所能输出的功率。分类：正常情况过负荷能力和事故情况下过负荷能力。五、自耦变压器一次绕组和二次绕组之间有电的联系，二次绕组是一次绕组的一部分。合肥工业大学 .电气与自动化工程学院2.4 电动机电机是完成机械能和电能相互转化的机械，其中将机械能转化为电能的称为发电机，而将电能转化为机械能的成为电动机。2.5 高压断路器合肥工业大学 .电气与自动化工程学院一、工作原理二、断路器的基本技术数据三、断路器的型号含义四、断路器的类型2.5 高压断路器合肥工业大学 .电气与自动化工程学院一、工作原理电力系统中最重要的开关电器，其作用主要是投切线路或设备；快速切除故障。断路器最关键的问题是如何熄灭在

8、开断电路时形成的电弧。电弧怎么形成的？电弧使电路不能断开；高温烧毁触头；使周围空气膨胀形成爆炸力。2.5 高压断路器合肥工业大学 .电气与自动化工程学院一、工作原理电弧产生的过程：触头刚刚分离时间隙很小强电场发射电子形成电弧电弧使阴极出现炙热点阴极表面出现热电子发射碰撞游离使触头间充满电子和离子电子速度高时撞击中性质点弧隙温度高气体热运动速度增加金属蒸气发生热游离维持电弧电弧的游离过程电弧怎么形成的？电弧怎么熄灭？正负离子互相中和形成复合去游离带电质子从电弧内部逸出形成扩散去游离电弧的去游离过程2.5 高压断路器合肥工业大学 .电气与自动化工程学院一、工作原理电力系统中最重要的开关电器，其作用

9、主要是投切线路或设备；快速切除故障。断路器开断交流电：电弧的游离过程电弧的去游离过程交流电弧过零后是否重燃，取决于弧隙中游离过程和去游离过程的竞争结果。电流过零时若弧隙介质的能力达到不会被弧隙外施电压击穿的程度，电弧熄灭电弧熄灭后弧隙介质强度的恢复过程以耐受电压表示，与结构和灭弧介质有关常用介质：油、空气、真空、六氟化硫合肥工业大学 .电气与自动化工程学院一、工作原理迅速拉长电弧利用液体或气体进行吹弧，分为横吹和纵吹，使电弧拉长、冷却。分自能式灭弧和外能式灭弧。吹弧工程上采用的熄灭交流电弧的方法：提高断路器的分闸速度，采用多断开结构。采用真空设法降低触头间气体的压力，使碰撞游离的数量大为减少，

10、且恢复介质绝缘强度的速度很快。提高弧隙介质压力断路器触头两端并联小电阻，可抑制电弧燃烧及自然熄弧后恢复电压的变化。在多断口断路器触头上并联大电阻可使断口之间电压分布均匀。弧隙并联电阻有利于加强正负离子复合过程。2.5 高压断路器合肥工业大学 .电气与自动化工程学院二、断路器的基本技术数据1、额定电压。指断路器长期工作的标准电压（线电压）。它决定着断路器的绝缘尺寸及熄弧条件。可在1.11.15倍的系统额定电压下正常工作。2、额定电流。指断路器长时间允许通过的最大工作电流。它决定着断路器的导电回路和几何尺寸。3、额定开断电流。指断路器在额定电压下能保证正常开断的最大短路电流（即触头刚分离瞬间通过断

11、路器的电流的有效值）。它是断路器开断能力的一个重要参数。以短路电流周期分量有效值表示，以kA为单位。它与断路器的工作电压有关，当电压低于额定电压时，其值可以提高，但一般有其极限值，称为极限开断电流。我国目前断路器的额定电压有10kV、20kV、35kV、60kV、110kV、220kV、330kV和500kV。我国断路器额定电流有200A、400A、600A、1250A、1600A、2000A、3150A、4000A、5000A、6300A、8000A、10000A、12500A、16000A、20000A等。2.5 高压断路器合肥工业大学 .电气与自动化工程学院二、断路器的基本技术数据4、短

12、路关合电流。指断路器在额定电压下，能可靠关合、开断的最大短路电流称为额定关合电流，它是表证断路器灭弧能力、触头和操作机构性能的重要参数之一。用于考核断路器合闸于有潜伏性故障回路时的性能。5、热稳定电流。又称短时耐受电流，指断路器承受短路电流热效应的能力。我国规定4s内所能承受的热稳定电流为额定热稳定电流。通常其值等于额定开断电流。6、动稳定电流。又称极限通过电流，指断路器承受短路电流电动力效应的能力，指断路器处于合闸位置时，允许通过的短路电流最大峰值，又称峰值耐受电流，以短路电流的第一个半波峰值电流来表示。它决定着导电部分及支持绝缘子部分的机械强度，及触头的结构形式。2.5 高压断路器合肥工业

13、大学 .电气与自动化工程学院二、断路器的基本技术数据7、全开断（分闸）时间。指断路器从接到分闸命令瞬间到电弧完全熄灭为止的时间间隔。是用来表证断路器开断过程快慢的一种参数。其值等于断路器固有分闸时间与熄弧时间之和。8、合闸时间。指断路器从接到合闸命令瞬间到各相的触点均接触为止的时间间隔。电力系统对合闸时间一般要求不高，但希望稳定。2.5 高压断路器9、额定断流容量。综合反映断路器的开断能力。对于一般断路器，如未特别注明，当使用电压低于额定电压时，其额定开断电流不变，因而断流容量就要相应降低。10kV断路器额定断流容量为500MVA，当使用电压为6kV时，其断流容量为多少？合肥工业大学 .电气与

14、自动化工程学院三、断路器的型号含义1、第一单元代表产品名称，用字母表示。S-少油断路器；D-多油断路器；K-空气断路器L-六氟化硫断路器；Z-真空断路器；W-磁吹断路器3、第三单元代表设计系列序号，用数字表示。2、第二单元代表安装场所，用字母表示：N-户内式；W-户外式。4、第四单元代表额定电压（kV）。5、第五单元代表工作特性，用字母表示：G-改进型；F-分相操作。6、第六单元代表额定电流（A）。7、第七单元代表额定开断电流（kA）。ZN28-10/1250-31.5型的QF2.5 高压断路器合肥工业大学 .电气与自动化工程学院三、断路器的型号含义ZN28-10/1250-31.5型的QF2

15、.5 高压断路器ZN28-10/1250-31.5型的QF断路器的符号断路器的额定开断电流（kA）断路器的额定电流（A）断路器的额定电压（kV）断路器灭弧介质断路器安装场所断路器设计序号额定电压为10kV、额定电流为1250A、额定开断电流为31.5kA的28型户内式高压真空断路器。合肥工业大学 .电气与自动化工程学院四、断路器的类型1、油断路器利用绝缘油作为灭弧介质，分为多油式和少油式。其中多油式断路器中的油既作灭弧介质也作为绝缘介质；而少油式断路器中的油仅作灭弧介质。2、真空断路器利用真空的高介质强度来熄灭电弧和作为绝缘。碰撞游离不是真空间隙击穿产生电弧的主要因素。真空断路器绝缘强度高，熄

16、弧能力强，燃弧时间短（0.01s，又称半周波断路器），寿命长，防火防爆，适合频繁操作。在35kV以下的配电装置中得到广泛应用。3、压缩空气断路器利用压缩空气作为灭弧、绝缘和传动介质。比油断路器的开断能力强，开断时间短，不易爆炸和着火，但结构较复杂，价格较高。切除近距离故障和小电感电流时，需要在断路器的断口并联电阻。4、六氟化硫断路器利用六氟化硫作为灭弧介质。绝缘性能和灭弧性能强，电气性能好，在高压和超高压系统中应用广泛。合肥工业大学 .电气与自动化工程学院四、断路器的类型类别结构特点技术性能特点运行维护特点及型号举例油断路器多油式以油作为灭弧介质和绝缘介质；触头系统及灭弧室安置在接地点油箱中；

17、结构简单，制造方便，易于加装单匝环形电流互感器及电容分压装置；耗钢、耗油量大，体积大；属自能式灭弧结构。额定电流不易做得大；灭弧装置简单，灭弧能力差；开断小电流时，燃弧时间较长；开断电路速度较慢；油量多，有火灾的可能。只生产35kV电压级产品。运行维护简单；噪声低，需配备一套油处理装置。DW-35系列少油式油量少，油主要用作灭弧介质，对地绝缘主要依靠固体介质；结构简单，制造方便；可配用电磁操动机构、液压操动机构或弹簧操动机构；采用积木式结构可制成各种电压等级产品。开断电流大，对35kV以下可采用加并联回路以提高额定电流，35kV以上为积木式结构；全开断时间短。运行经验丰富，噪声低；油量少，易劣

18、化，常需要检修或换油，需要一套油处理装置，不易频繁操作。SN10-10系列等压缩空气断路器结构较复杂，工艺和材料要求高；以压缩空气作为灭弧介质、操动介质和弧隙绝缘介质，操动机构与断路器何为一体，体积和重量比较小。额定电流和开断电流都可做得较大；适于开断大容量电路，动作快，开断时间短。开断时噪声很大，维修周期长，无火灾危险；需要一套压缩空气装置，价格较高。KW4-110330SF6断路器利用SF6气体作灭弧介质；结构简单，但工艺和密封要求严格，对材料要求高；体积小、重量轻；有户外敞开式及户内落地罐式之别，也用于GIS封闭式组合电器。额定电流和开断电流都可做得很大；开断性能好，可适于各种工况开断；

19、SF6气体灭弧、绝缘性能好；所以断开电压可做得较高。噪声低，维护工作量小；不检修间隔周期长；运行稳定，安全可靠，寿命长，目前价格较高。LN2-10/600、LW-500真空断路器体积小，重量轻；灭弧室工作及材料要求高；以真空作为绝缘和灭弧介质；触头不易氧化。可连续多次操作，开断性能好，灭弧迅速、动作时间短；开断电流及断口电压不能做的很高，目前主要生产35kV以下级。运行维护简单，无火灾危险，噪声低，可频繁操作。ZN-10/600、ZN-35/12502.6 互感器合肥工业大学 .电气与自动化工程学院一、电流互感器1、电流互感器工作原理及特性2、电流互感器的误差3、电流互感器的准确度等级及额定容

20、量4、电流互感器接线及分类二、电压互感器1、电磁式电压互感器2、电容式电压互感器3、电压互感器的接线与分类2.6 互感器合肥工业大学 .电气与自动化工程学院一、电流互感器互感器的主要作用是把高电压变换成低电压、把大电流变换成小电流，以提供测量和继电保护所需的信号，并使测量仪表和继电保护装置标准化、小型化，并且把高压与低压部分相互隔离，且互感器二次侧均接地，保证运行人员和设备的安全。1、电流互感器工作原理及特性TA的一次绕组线径较粗而匝数一般很少，而二次绕组线径较细且匝数较多。二次绕组回路中的阻抗都很小，所以电流互感器在正常工作时，近于短路状态，这是它与电力变压器的主要区别。一次绕组磁动势二次绕

21、组磁动势合成（励磁）磁动势正常时较小合肥工业大学 .电气与自动化工程学院一、电流互感器1、电流互感器工作原理及特性一次绕组磁动势二次绕组磁动势合成（励磁）磁动势正常时较小当一次绕组中通过一次电流时，产生磁动势 ，大部分被二次电流所产生的磁动势 所平衡，只有很小的磁动势 产生的磁通在二次绕组内产生感应电动势，以负担阻抗很小的二次回路内的损耗。TA的一次、二次额定电流之比，称为电流互感器的额定变比KN，其值近似等于电流互感器一次、二次绕组的匝数比，即如果不正常时会怎么样？合肥工业大学 .电气与自动化工程学院一、电流互感器1、电流互感器工作原理及特性正常时较小如果不正常时会怎么样？当电流互感器二次侧

22、绕组开路时，铁心中的合成磁动势将较正常情况下增大很多倍，并使铁心严重饱和。二次绕组将在磁通过零时，感应出很高的尖顶波电动势，危害人员和设备，另外铁心会严重过热损害互感器。因此电流互感器在运行中，二次回路是不允许开路的。由于电流互感器是串联在一次系统电路中，当电网发生短路时，短路电流要通过相应电流互感器的一次绕组，因此TA的结构应该能满足热稳定和动稳定的要求。一次电流的大小决定于一次侧负载，与二次侧负载无关。而其二次侧电流值理想情况下仅取决于一次电流。一次侧电流变化范围很大，需要互感器仍能保持测量所需要的准确级。合肥工业大学 .电气与自动化工程学院2、电流互感器的误差相量图中以二次电流为基准相量

23、，二次电压超前二次电流一个二次负荷功率因数角 ；二次电动势超前二次电流一个二次总阻抗角 ；铁心磁通超前二次电动势90度角；励磁磁动势超前铁心磁通一个铁心损耗角 ；一次磁动势与二次磁动势的负值的夹角为 ；abcd合肥工业大学 .电气与自动化工程学院2、电流互感器的误差abcd由于电流互感器本身存在有励磁损耗及磁饱和等因素影响，一次电流 与 在数值及相位上都有差异，称为误差。电流误差。又称为比值差，指二次电流的测量值乘以额定变比后所得的一次电流近似值与一次电流之差，并以后者的百分数表示。角误差。又称为相角差，指旋转180度的二次电流相量与一次电流之间的夹角，并规定旋转180度的二次电流超前一次电流

24、时为正值，反之为负夹角。TA的误差主要与一次电流、铁心的质量和结构尺寸及二次回路阻抗大小等因素有关。合肥工业大学 .电气与自动化工程学院一、电流互感器3、电流互感器的准确度等级及额定容量准确度等级。根据测量误差的大小，TA可以分为不同的准确度等级。常见的有：0.2、0.5、1.0、3、5P、10P。准确度等级一次电流为额定电流的百分数（%）误差限值二次负荷的变化范围电流误差（%）角误差（）0.210201000.50.350.22015100.251倍额定容量0.5102010010.750.56045301.0102010021.5112090603501203.0不规定0.51倍额定容量一

25、次电流越接近额定电流时，误差越小；达到额定电流时，其电流误差值的百分数与准确度等级相等。用于保护合肥工业大学 .电气与自动化工程学院一、电流互感器3、电流互感器的准确度等级及额定容量准确度等级。根据测量误差的大小，TA可以分为不同的准确度等级。常见的有：0.2、0.5、1.0、3、5P、10P。一次电流越接近额定电流时，误差越小；达到额定电流时，其电流误差值的百分数与准确度等级相等。用于保护二次绕组额定电流（5A或1A）电流互感器的额定容量。TA使用在不同的准确度等级时，其额定容量也不同。二次绕组额定阻抗某10kV电流互感器铭牌上注明：容量15VA，0.5级；容量30VA，1级；容量75VA，

26、3级。二次额定阻抗0.6欧二次额定阻抗3欧二次额定阻抗1.2欧误差与二次负荷阻抗的关系？合肥工业大学 .电气与自动化工程学院一、电流互感器3、电流互感器的准确度等级及额定容量电流互感器的10%误差曲线用于电气测量的电流互感器要求在正常工作范围内有较高的准确度，而当电路发生短路时，则希望能够过早饱和，以避免设备受损。用于继电保护的电流互感器，主要在系统发生故障时工作。规定其最大复合误差不得超过-10%。电流互感器的10%误差曲线，是指在保证电流误差不超过-10%的条件下，一次电流对额定电流的倍数与允许最大二次负荷阻抗之间的关系曲线。01243510204030曲线随着负荷阻抗的增大而减小先求一次

27、短路电流的最大倍数，再根据10%误差曲线查得可允许的最大二次负荷阻抗值。误差与二次负荷阻抗的关系？合肥工业大学 .电气与自动化工程学院一、电流互感器4、电流互感器接线及分类不完全星形接线完全星形接线单相接线反映一次电路相应相的电流，可作为一般测量和过负荷保护等。反映各相的电流，作为三相电能、过电流保护及监测三相不平衡之用。又称为两相两继电器接线，用于测量三相电流、三相电能、过电流保护之用。合肥工业大学 .电气与自动化工程学院一、电流互感器4、电流互感器接线及分类电流互感器按使用场合的不同，可分为户内用和户外用两类。20kV及以下一般为户内式，35kV及以上多为户外式。按绝缘的不同，可分为干式、

28、浇注式和油浸式。干式用绝缘胶浸渍，多用于户内低压电流互感器，浇注式以环氧树脂作绝缘介质，油浸式多为户外式。按安装方式的不同，可分为穿墙式、支持式和装入式。穿墙式装在墙壁或金属结构的孔洞中，可节约穿墙套管；支持式安装在平台或支柱上；装入式套装中35kV及以上的变压器或断路器的套管上，故也称为套管式。按一次绕组匝数多少的不同，可分为单匝式和多匝式两大类。合肥工业大学 .电气与自动化工程学院二、电压互感器（分为电磁式和电容式电压互感器）1、电磁式电压互感器电压互感器的工作原理与特性TV的一次、二次电压之比，称为电压互感器的额定变比KN，其值近似等于电压互感器一次、二次绕组的匝数比，即二次绕组额定电压

29、为100V或 V电磁式电压互感器的构造、连接及工作原理与普通变压器基本相同。但其容量很小，相当于一台小容量变压器；一次侧绕组匝数很多，阻抗很大；二次绕组负载阻抗很大，因而电压互感器正常工作时接近空载状态。TV与电路并联连接；一次侧电压不受电压互感器二次负载的影响；二次绕组近似工作在空载状态。二次绕组不允许短路。若二次侧短路，将产生很大的短路电流损坏电压互感器。故一般在二次侧出口处安装熔断器或快速断路器，用于过载和短路保护。合肥工业大学 .电气与自动化工程学院二、电压互感器（分为电磁式和电容式电压互感器）1、电磁式电压互感器由于电压互感器存在励磁电流和内阻抗，使二次电压折算到一次侧的值与一次电压

30、的大小不等，相位差也不等于180度，即电压互感器的策略结果会存在误差。通常用电压误差（比值差）和角误差（相角差）来表示。电压互感器的误差电压误差角误差影响误差的主要因素有一、二次绕组的阻抗、空载电流的大小、二次负荷的负荷大小及功率因数以及一次侧电压值。指二次电压折算到一次侧的值与实际一次电压之差，以百分数表示，即：指二次电压相量旋转180度后与一次电压相量直接的夹角，超前于一次电压时，角误差为正，反之则为负值。影响误差的因素？合肥工业大学 .电气与自动化工程学院二、电压互感器（分为电磁式和电容式电压互感器）1、电磁式电压互感器电压互感器的准确度等级与额定容量电压互感器的额定容量是指对应于最高准确度等级的容量。而按照在最高工作电压下长期容许发热条件得到的容量为最大极限容量。电压互感器的准确度等级是指在规定的一次电压和二次负荷变化范围内，负荷功率因数为额定值时，电压误差的最大值。