发电厂电气部分-第三版-习题参考答案

第一章电力系统概述1．何谓电力系统、动力系统及电力网?答：电力系统是指由发电机、输配电线路、变配电所以及各种用户用电设备连接起来所构成的有机整体。动力系统由电力系统再加上发电厂的动力部分(火电厂的锅炉、汽轮机、热力管网等；水电厂的水库、水轮机、压力管道等)构成。电力网指在电力系统中，由各种不同电压等级的电力线路和变配电所构成的网络，简称电3．何谓电力系统额定电压?我国电网和用电设备的额定电压有哪些等级?答：额定电压指某一受电器(电动机、电灯等)、发电机和变压器等在正常运行时具有最大经济效益的电压。4．电能的质量指标有哪几项?简要说明其内容。答：电能的质量指标主要是频率、电压和波形三项。(1)频率：对大型电力系统，频率的允许范围为50Hz±0.2Hz，对中小电力系统，频率的允许范围是50Hz±0.5Hz。(2)我国规定用户处的电压容许变化范围是：1)由35kV及以上电压供电的用户：±5％；2)由10kV及以下电压供电的高压用户和低压电力用户：±7％；3)低压照明用户：-10％~+5％。(3)波形：电力系统供电电压或电流的标准波形是正弦波。5．电力系统中性点有哪几种运行方式?各有什么优缺点?我国大体上用怎样的电压等级范答：(1)电力系统中性点运行方式电力系统中性点运行方式有中性点不接地、直接接地、经电阻接地和经消弧线圈接地运行方式。其中经电阻接地又分经高电阻接地、经中电阻接地和经低电阻接地三种。中性点直接接地、经中电阻接地和经低电阻接地称为大接地电流系统；中性点不接地、经消弧线圈接地和经高电阻接地称为小接地电流系统。(2)各运行方式的优缺点小接地电流系统的优点：单相接地时，三相间线电压仍保持对称和大小不变，对电力用户的继续供电并无影响。缺点：两个非故障相的对地电压升高至V3倍，所以在中性点不接地的电力网中，各种设备的对地绝缘应按线电压设计，才能承受在一相接地时，非故障相对地电压的升高影响。在中性点不接地的电力网中，一相接地时接地点的接地电流等于正常时相对地电容电流的三倍，经消弧线圈接地的电力网中，可以大大减小一相接地时接地点的接地电流，但欠补偿时容易发生振荡，引起内过电压。大接地电流系统的优点：单相接地时，非故障相对地电压保持不变，各种设备的对地绝缘按相电压设计即可。缺点：可靠性较低，发生单相接地故障时，故障的送电线路被切断，因而使用户的供电经电阻接地运行方式的优点：使接地电容电流向阻性发展，避免系统振荡引起过电压。缺点：高电阻接地不适用于故障电容电流大于4~5A的网络，应用范围较小。低电阻接地接地时则接地电流较大。(3)目前我国所用的电压等级范围1)对于6~l0kV系统，主要由电缆线路组成的电网，在电容电流超过7A时，采用电阻接地。在电容电流低于7A，或由架空线组成的电网，则采用不接地的运行方式；2)6~20kV发电机或调相机回路，中性点可采用不接地、经消弧线圈接地或高电阻接地方式(即经过二次侧接电阻的接地变压器接地)；3)35kV系统，一般均采用中性点经消弧线圈接地的方式；4)110kV及以上系统，一般均采用中性点直接接地的方式。在一些多雷山区，为了提高供电的可靠性，有的110kV系统中性点也采用经消弧线圈接地的方式；5)1kV以下系统，中性点采用不接地的方式运行。380/220V三相四线制电网的中性点，是为了适应受电器取得相电压的需要而直接接地。第二章短路电流的计算1．何谓短路？引起短路的主要原因是什么？发生短路后可能有什么后果？答：(1)电力系统短路指电力系统中相与相之间或相与地之间(中性点直接接地系统)通过电弧或其它较小阻抗而形成的一种非正常连接。(2)发生短路的原因1)电气设备载流部分绝缘损坏。如大气过电压，操作过电压，绝缘老化，机械性损伤，设计、安装、运行维护不良；2)意外事件引起的短路。如输电线路断线、倒杆、雷击等；3)人为事故。如带负荷拉开或合上隔离开关、带地线合闸、将挂地线设备投入运行等；4)异物跨接导体。如鸟兽跨接、树枝跨接等。(3)电力系统短路后的后果1)短路点电弧可能烧坏设备，甚至引起火灾；2)短路电流产生大量的热量，引起温度升高，甚至会损坏绝缘；3)短路电流在导体中产生的电动力，可能使导体发生变形，甚至损坏；4)系统电压大幅下降影响用户的供电，严重时甚至破坏电力系统的稳定；5)短路电流产生的电磁感应会干扰通讯线路，甚至危及设备和人身安全。2．何谓次暂态短路电流、冲击短路电流、短路全电流最大有效值及稳态短路电流？计算这些电流的用途是什么？答：(1)在第一个周期内周期分量的有限值称为次暂态短路电流，是校验断路器开断能力的依据；(2)短路电流在短路后半个周期(t=0.01s)时，瞬时值达到最大，该最大值称为冲击短路电流，是校验电气设备动稳定能力的依据；(3)出现在冲击短路电流ish处的周期分量有效值和非周期分量的均方根值称为短路全电流最大有效值，故障切断时间小于0.1s时，检验断路器的开断能力；(4)短路后，非周期分量衰减完，暂态过程结束，就进入稳定状态，此时的短路电流称为稳态短路电流，是短路后计算残压的依据。3．用标么值对元件电抗和短路电流计算有什么好处?如何将任意基准下元件电抗的标么值换算成选定基准下元件电抗的标么值?答：(1)用标么值对元件电抗和短路电流计算的好处有：1)用标么值进行计算时，只要选定的基准容量相同，基准电压按规定的平均额定电压选取，按电抗所在电压级计算所求得的标么值，可适用于其他电压级；2)相间电压的标么值与相电压的标么值相等；3)三相功率的标么值与单相功率的标么值相等；4)三相电路的欧姆定律公式I*=U*/X*，功率方程式S*=U*·I*与单相电路相同；5)当电压标么值U*=1时，功率的标么值等于电流的标么值，等于电抗标么值的倒数，即S*=I*=1/X*(2)任意基准下元件电抗的标么值换算成选定基准下元件电抗标么值的方法：设XN、UN、SN分别是额定参数下的标么值，换算成选定基准下元件电抗标么值可按公式XU2SX==X.N.dd*XN*SU2dNd计算，当UN与Ud相等时，可按公式：SX=X.dd*N*SN计算。其它基准下元件电抗的标么值换算一样。4．何谓无限大容量电源?无限大容量电源供电的短路暂态过程有什么特点?如何计算无限大容量电源供电的短路电流?答：(1)无限大容量电源理论上是指系统容量S→∞，系统电抗Xs→0,其出口分界母线的电压在短路时能保持不变。在实际电力系统中，某容量很小的支路(该支路中各元件的容量较系统容量小得多，其阻抗比系统阻抗大很多)发生短路时，引起系统母线电压的变化很小。在分析及计算时，为了方便认为该电源是一内部阻抗ZG=0(xG=0，rG=0)，系统母线电压为恒定的电源，称这种电源为无限大容量电源。(2)无限大容量电源供电的短路暂态过程的特点是周期短路电流的幅值始终维持不变。(3)无限大容量电源供电的短路电流的计算方法：1)作出计算电路图；2)作出对各短路点的等值电路图；3)对等值电路图进行化简，求出短路回路总电抗X*；4)进行短路电流的计算。周期短路电流标么值的计算公式：1I=I周期短路电流有效值的有名值等于其标么值乘以电流基准值，公式为Ip=Ip*·Id=Id/X*对无限大容量电源，稳态短路电流等于周期短路电流。非周期短路电流inp按指数曲线衰减Ip其中Ksh为短路电流冲击系数，对无限大容量电源Ksh=1.8。5．如何用运算曲线计算发电机供电的任意时刻三相短路电流周期分量的有效值?答：用运算曲线计算发电机供电的任意时刻三相短路电流周期分量的有效值的方法：(1)求短路回路总电抗的计算电抗Xca；1)作出计算电路图；2)根据计算电路图作出等值电路图；3)化简等值电路图；4)确定短路回路总电抗X或X*；5)按下列公式求出计算电抗SSavd(2)查所需周期短路电流有效值的标么值Ipt*1)按电源性质及求得的计算电抗Xca*选择运算曲线；II”，查t=0时曲线；3)稳态短路电流I的标么值I*，查t=4时曲线；4)需要其它时刻短路电流Ipt*时，查t时的曲线。若所查时刻t，没有曲线可采用插值法对于Xca*>3时，按无限大系统计算。ishII并计算未故障母线I段上的残压。(提示：I段母线的残压即I段母线对短路点的电压)0.1450.52510.36350.1450.525 910110.37250.3280.7 图2-8-2等值电路化简(一)图2-8-3等值电路化简(二)图2-8-4等值电路化简(三)(1)网络化简1)画等值电路图，各电抗按顺序编号，如图2-8-1。2)电抗2、3并联电抗合并为7号电抗，电抗5、6串联电抗合并为8号电抗，如图2-8-2。4)电抗9、10串联电抗合并为11号电抗，如图2-8-4。(2)参数计算1)各元件参数：电抗器：X6=(Xdk%/100)·(UN/V3IN)·(Sd/Uav2)=(6/100)×(6/1.5V3)×(100/6.32)=0.3492)电抗2、3并联电抗合并X7=(X2·X3)/(X2+X3)=0.145/2=0.07258563)电抗1、7串联电抗合并X=X8563)电抗1、7串联电抗合并X=X+X=0.3+0.0725=0.3725917X10=(X4·X8)/(X4+X8)=(0.525×0.874)/(0.525+0.874)=0.3284)电抗9、10串联电抗合并X=X(3)计算短路电流计算电抗Xca=X11=0.7查t=0.2曲线，得I*0.2=1.32查t=4曲线，得I*4=1.72基准电流Id=Sd/(V3Ud)=100/(115×V3)=0.502kA每回输电线路的ish=1.8V2I”=1.8V2×0.377=0.958kA每回输电线路的I0.2=I0.2”·Id/2=1.32×0.502/2=0.331kA97(4)计算未故障母线I97未故障母线I段上的稳态电流标么值：II*=(X10/X8)I*4=(0.328/0.874)×1.72=0.645未故障母线I段上的残压标么值：Ure*=II*·X6=0.645×0.349=0.225未故障母线I段上的残压有名值：Ure=Ure*·Ud=0.225×6.3=1.418kV9．如图2-43所示的电力系统，计算K点三相短路时短路处和每个电源供给短路点的I”。6K(3)K(3)19K(3)图2-9-2等值电路化简(一)K(3)图2-9-3等值电路化简(二)K(3)图2-9-4等值电路化简(三)图2-9-5等值电路化简(四)(1)网络化简1)画等值电路图，各电抗按顺序编号，如图2-9-1。9102)电抗4、5并联电抗合并为X，电抗2、3串联电抗合并为X，如图91014151串联电抗合并为X，电抗10、12串联电抗合并为X，如图1415(2)参数计算1)各元件参数：v2)电抗4、5并联电抗合并X9=(X4·X5)/(X4+X5)=0.302/2=0.1511023XXX10233)三角形星形，X=76==0.03811X+X+X0.091+0.121+0.076678XX0910.076X=68==0.024678X=XX78=0.1210.076=0.032678141911电抗10、12串联电抗合并X=X+X=0.453+0.024=0.4774)电抗1141911电抗10、12串联电抗合并X=X+X=0.453+0.024=0.4772X0.477XX0.0320.477X=X+X+1315=0.032+0.477+=0.5535X0.349(3)求计算电抗水电厂对k点转移电抗为X17，火电厂对k点转移电抗为X18，则，水电厂对k点计算电抗为Xca=X17(SG/Sd)=0.404×(250/100)=1.01火电厂对k点计算电抗为Xca=X18(SG/Sd)=0.553×(45/100)=0.249(4)计算次暂态短路电流I”1)水电厂对k点次暂态短路电流标么值I*”：根据Xca=1.01，查t=0时曲线，得I*”=1.062)火电厂对k点次暂态短路电流标么值I*”：根据Xca=0.553，查t=0时曲线，得I*”=1.88第三章导体的发热、电动力效应1．引起导体和电器发热的原因是什么?答：引起导体和电器发热的原因是：(1)电阻损耗：由电阻引起，是损耗的主要形式；(2)磁滞损耗：由交变磁场的作用引起，针对铁磁材料零配件；(3)涡流损耗：由交变磁场的作用引起，磁性或非磁性导电材料零配件均有；(4)介质损耗：由强电场的作用引起，针对绝缘材料。2．导体和电器的发热有哪两种类型?各有什么特点?对导体和电器的工作可能造成什么影响?答：(1)导体和电器的发热类型有：1)长期发热状态。正常时，导体长期流过工作电流引起的发热；特点：工作电流和发热是持续的，温度升高到某一值时，发热与散热将达到平衡。2)短时发热状态。短路时，导体短时间流过短路电流引起的发热。特点：①导体中流过短路电流数值大，但持续的时间很短，一般为零点几秒到几秒钟(断路器全开断时间)。②导体的温度在短时间内上升很快，短路电流产生的热量几乎来不及向周围散热，可以看作绝热过程。③导体温度变化很大，导体电阻值R、导体的比热容C不能看作常数，而是温度的函数。(2)对导体和电器的工作可能造成的影响：①使导体材料的机械强度显著下降；②破坏接触连接部分的工作；③显著降低导体绝缘材料的绝缘强度。3．为什么要规定导体和电器的发热允许温度?长期发热允许温度和短时发热允许温度是如何具体规定的?答：(1)规定导体和电器的发热允许温度的原因：导体和电器的温度超过发热允许温度将引起很多不良后果。1)降低机械强度。导体的温度超过一定允许值后，会导致导体材料退火，使机械强度显著下降。在短路电流产生的电动力作用下将引起导体变形，甚至使导体结构损坏。如铝和铜在温度分别超过100℃和150℃后，其抗拉强度急剧下降。2)影响接触电阻。触头和连接部位由于温度过高，表面会强烈氧化并产生一层电阻率很高的氧化层薄膜，从而使接触电阻增加，导致温度进一步升高，形成恶性循环，直至烧红、松动甚至熔化。3)降低绝缘强度。温度超过允许值时，绝缘材料将加速老化，丧失原有的机械性能和绝缘性能，甚至引起绝缘击穿、直至烧毁。(2)长期发热允许温度和短时发热允许温度的具体规定。1)长期发热允许温度的具体规定。采用螺栓连接时，电器设备正常工作温度不应超过70℃。计及太阳辐射影响时，钢芯铝铰线及管形导体，按不超过80℃考虑。导体的接触面处采用搪锡处理具有可靠的过渡覆盖层时，可按不超过85℃考虑。2)短时发热允许温度的具体规定。硬铝及铝锰合金不超过200℃，硬铜不超过300℃。4．导体和电器正常发热计算的目的是什么?满足怎样的条件可保证它们在正常运行时的发热温度不超过允许值?答：(1)导体和电器正常发热计算的目的：根据电器及导体的工作和发热状况，计算可能达到的最高工作温度，选择合适的额定电流。(2)保证在正常运行时，发热温度不超过允许值的条件是：额定电流小于允许载流量。5．导体和电器短路时发热计算的目的是什么?满足怎样的条件可使它们在短路时保证是热稳定的?答：(1)导体和电器短路时发热计算的目的：校验短路时发热的稳定。(2)在短路时，保证是热稳定的条件是：当短路过程结束时的温度9k不大于导体材料短时发热的最高允许温度9al，即kalkal则认为该导体在此短路条件下是热稳定的。KQ，fkminKQ，fkminC (Q---短路电流热效应值)k电器的短时热稳定条件是：QI2tkt (I——t秒内允许通过的短时热电流(或短时耐受电流)。)7．导体的允许载流量是如何确定的?有哪些措施能提高导体的允许载流量?alRR答：导体的允许载流量：I=aATal=aA(9al90alRR (9---长期发热最高允许温度；T----允许温升；9----导体或电器实际温度)alal0为了提高导体的载流能力，可采取以下措施：(1)导体材料宜采用电阻率小的材料，如铝、铝合金、铜等；alal(2)提高导体的长期发热允许温度9；如铝导体接头螺栓连接时9为alal锡方法则可提高到85℃；(3)提高导体的散热能力。导体的散热能力与导体的形状、布置方式及散热方式有关。1)导体形状：散热表面积大为好。在相同截面积的条件下，扁矩形截面的周长大，故导体截面形状宜采用扁矩形或槽形，以获得较大的散热表面积。2)布置方式：使散热效果最佳。矩形截面导体竖放比平放散热效果好；两半槽组成的槽形截面，立缝置于铅垂面比水平面的散热效果好。3)散热方式：传导、对流和辐射。传导：置于液体介质中或由液体内冷的导体，主要是传导散热；对流：置于室外或采用强制通风的导体，主要是对流散热；辐射：由温度高的物体向周围的自然散热过程。置于室内空气中的导体，辐射和对流是它的主要散热方式。由于油漆的辐射系数较大，所以室内硬母线都涂上油漆：A相-黄色、B相-绿色、C相-红色。这样除了加强散热，还便于相序的识别。8．电动力对导体和电器的运行有哪些危害?答：正常工作时，电流不是很大，电动力也不大，短路时电动力很大，产生的危害也很大：(1)由于电动力作用，电器产生振动；(2)载流导体变形，损坏载流部件或损坏绝缘部件(3)电磁绕组变形，损坏电器设备，如变压器绕组。9．三相同平面布置的平行导体短路时，哪一相受到的电动力最大?其数值应如何计算?答：当三相母线安装于同一平面时，中间相母线所受的电动力最大(约比边相母线受力大7％)。在三相短路冲击电流作用下，中间相母线所受的最大电动力为FF=0.173Ki2(N)xshaL——两支持绝缘子之间的一段母线长度，称为跨距，m；a——相邻两相导体的中心距离，m。10．硬母线的动稳定条件是什么?若校验时动稳定条件不能被满足，可采取哪些措施加以解决?答：硬母线满足动稳定的条件是：al6al6——母线受到的最大相间应力。若计算结果是6>6al，则必须设法减小6。办法是减小绝缘子跨距，令6＝6al，得L=106alW=106alW=7.66Wa(m)maxf0.1731i2ishalaaa——母线相间距离，m；W——母线截面形状系数，m3。为避免水平放置的矩形母线因本身重量而过分弯曲，要求绝缘子跨距不得超过1.5~2.0m。绝缘子跨距一般等于配电装置间隔的宽度。第四章电气设备原理与选择3．断路器的选择有哪些项目?最重要的是哪项?断路器的选择项目包括：1.型式2.额定电压5.校验动稳定3.额定电流4.校验开断能力6.校验热稳定4．真空断路器有什么优点?如何使动触头能够移动而又不破坏灭弧室的高真空?真空断路器具有触头开距短，熄弧快，体积小，重量轻，无爆炸危险，无污染等优点真空灭弧室是断路器的关键部分，要求具有良好密封性，所有的灭弧零件都装在一个玻璃罩内，罩的一端是封死的静触头，另外一端动触头及活动导电杆则固定于金属波纹管的上端。这样靠波纹管的伸缩即可完成分，合闸动作，而又不破坏密封。5．电压互感器二次侧不允许短路，电流互感器二次侧不允许开路，为什么?如何防止?答：电流互感器正常运行时基本处于短路状态，其二次绕组绝对不允许开路运行。否则二次侧电流为零，一次侧电流全部转化为激磁电流，导致铁芯饱和，其磁通变为平顶波，则二次绕组中感应电势很高，二次端子处将出现很高的电压，危及设备及人身安全电压互感器二次侧如果短路将造成电压互感器电流急剧增大过负荷而损坏，并且绝缘击穿使高压串至二次侧，影响人身安全和设备安全。无论是电流互感器还是电压互感器都要求二次侧有一点可靠的接地，以防止万一互感器绝缘损坏，高电压会窜入二次回路危及二次设备和人身安全。6．用在大接地电流系统中的电压互感器附加二次绕组的额定电压为100V；而用在小接地电流系统中则为100V／3，为什么?开口三角绕组有什么用途?(1)开口三角绕组的作用：用于取得零序电压。单相接地时，开口三角形绕组输出100V。(2)大接地电流系统中，发生单相接地时，故障相对地电压为0，非故障相对地电压不变。Ck0ABC于100V，则电压互感器附加二次绕组的额定电压为100V。小接地电流系统中，发生单相接地时，故障相对地电压为0，非故障相对地电压升高V3倍。设C相接地，则U.=0，开口三角形绕组输出电压：0AkBkCC要使输出等于100V，则电压互感器附加二次绕组的额定电压为100/3V。7．为什么互感器所带负荷超过额定容量其准确度就下降?大而减小，因而使励磁电流I0增大，误差也随之增大。这也是为什么电流互感器正常工作时最好接近于短路状态的原因。当二次侧阻抗超过其允许值时，互感器的准确等级就降低了很多。第五章电气主接线1．请按可靠性从高到低的顺序列出各种电气主接线的名称。答：电气主接线的基本形式包括：汇流母线接线和无汇流母线接线两大类。汇流母线接线有：双母线(变压器---母线接线、3/2台断路器双母线、双母线带旁路、双母线分段、简单双母线)；单母线(单母线带旁路、单母线分段、简单单母线)。无汇流母线接线有：单元及扩大单元接线；桥形接线(外桥接线、内桥接线)；角形接线。2．主母线作用是什么?旁路母线作用是什么?可否由旁路母线代替主母线工作?答：主母线：在发电厂和变电站的各级电压配电装置中，将发电机、变压器等大型电气设备与各种电器