电力系统与交流电路

第一部分电工基础理论第一单元交流电路电力系统与交流电路第1页第二节三相正弦交流电路一、三相交流电势产生：定子铁芯圆周槽内有三个独立绕组Ax、By和Cz，分别叫做A相绕组、B相绕组和C相绕组。当转子沿顺时针方向旋转时，磁力线就依次切割A、B、C三相绕组导线，在其中产生了感应电势。因为三相绕组匝数和形状是一样，而且磁场对于它们是以同一速度旋转着，所以，在三相绕组中产生电势频率和最大值彼此相同，但因为三个绕组在空间位置彼此差，则三相电势在相位上差120º（电角）。电力系统与交流电路第2页注：在三相绕组中把哪一个绕组看成A相绕组是无关紧要，但把A相确定后，则产生比eA滞后120°电势eB那个绕组就是B相，产生比eB滞后电势eC那个绕组就是C相，不可混同。发电厂发电机相序确定了以后就不再改变。高压方面采取黄、绿、红三种颜色分别表示A、B、C三相。定义：我们把频率相同，幅值相等，彼此相差120°电角三相电势叫做对称三相电势。电力系统与交流电路第3页电力系统与交流电路第4页二、三相绕组连接方法三相电源连接方法有两种，一个是星形（简记为Y）接法，另一个是三角形（简记为Δ）接法。Y形接法Δ形接法电力系统与交流电路第5页三、电源作星形连接：线电压和相电压关系线电压在数值上等于相电压倍，在相位上线电压分别超前其所对应相电压30°。

电力系统与交流电路第6页负载作星形连接：线电压与相电压关系电力系统与交流电路第7页流过端线电流（叫线电流）也就是流过与其相接对应相电流（叫相电流）。所以，对于星形连接负载，其线电流I和相电流Iφ是相等，即I=Iφ。

因为各相阻抗相等，而且电源电压又是对称，各相承受电压彼此对称；流过电流也彼此对称。平衡三相负载，每相承受电压是电源电压，即Uφ=U/因为各相电流对称，即线电流对称，所以三个线电流相量和（或复数和）等于零，即

电力系统与交流电路第8页四、电源作角形连接：线电压与相电压关系电力系统与交流电路第9页结论：1、将电源三相绕组每一相末端与下一相首端依次连接，即X接b，Y接c，Z接a，组成一个闭合回路，再由三个连接点引出端线，这就是三角形接法。

2、从图2-4（a）可看出：三个相等直流电源接成三角形，将在闭合回路中有着值为3E电势作用，造成电源短路，这当然是不允许。但与直流电势不一样，对称三相电势，大小相等，在相位上彼此相差120º，所以它们在各个时刻瞬时值和以及相量和皆等于零。由此可知，对于生产对称电势三相电源，其三相绕组是完全能够做三角形连接。电力系统与交流电路第10页3、三相绕组做三角形连接时，端线直接引出了相电压，所以线电压与相电压是相等，即U=Uφ。4、电源三相绕组做三角形连接时，假如一相（或两相）反接，则闭合回路中总电势就不再等于零。从图2-4中可见，假如C相绕组接反，这时回路中总电势等于两倍负EC，即因为电源三相绕组内阻抗很小，所以在回路中将产生很大环流，将烧毁绕组。所以，在接线时，一定要注意接线次序，切不可接错。电力系统与交流电路第11页负载作角形连接：线电流与相电流关系电力系统与交流电路第12页结论：三相负载作三角形连接，是把三相负荷首尾相接，然后再把A、B、C三相电源火线与三个接点相接即可，见图2-8（a）。负载对称是否并不影响三相负载工作。并不是任何负载都可接成三角形，这要看负载额定电压是否与电源线电压相符，相符者可接，不然不可接。比如，当电源电压是380V时，电机铭牌上标明“380/220V，Y/△”就不能接成三角形，对于额定电压为220V电灯负载也一样不能接成三角形。只有电机铭牌标明为“380V，△”才能够。假如电源电压为220V，则只有“380/220V，Y/△”电机才能够接成三角形。

电力系统与交流电路第13页三相负载作三角形连接，使每相负载直接承受电源线电压，即U=Uφ。在三角形连接负载中，线电流等于和它相连两个相电流相量差。三相对称负载作三角形连接时，线电流有效值为相电流倍。而相位较它对应相电流滞后30°。电力系统与交流电路第14页五、三相电源功率1、一个电源发出有功功率，或一个三相负载接收有功功率，都等于它们各相有功功率之和，即以三相负载为例，在已知各相电压，电流有效值及功率因数情况下，三相有功功率为电力系统与交流电路第15页假如电源电压和各相负载都是对称，则每相功率皆为

这时三相总功率为一相有功功率3倍，即通常都用线电压、线电流来表示功率。三相对称负载假如是星接，则√3Uφ=U，Iφ=I；假如是角接，则√

3Iφ=I，Uφ=U。由此可知，不论是星形连接，还是做三角形连接，其有功功率均为电力系统与交流电路第16页式中为φ每相相电压和相电流间相位差，COSφ是每相功率因数。三相电路无功功率等于每相无功功率之和在各相负载对称情况下，总无功功率为对称三相电路中视在功率为

电力系统与交流电路第17页在三相电压对称和负载对称情况下，三相瞬时功率之和能够证实是一个常数，其值等于有功功率，即

就是说在对称三相正弦电路中，而且负载也对称话，则每个瞬时功率全一样，这是三相电路中优点之一。因为旋转电机转矩与功率相关，功率不变，则转矩不变，这么，旋转电机就不会因转矩变动而引发振动。电力系统与交流电路第18页第四节电力系统重点内容：介绍电力系统基本概念；联合电力系统运行优越性；系统额定电压；额定负荷；系统中性点接地运行方式。电力系统与交流电路第19页在电力工业发展早期，发电厂都建设在用户附近，规模很小，而且是孤立运行。发电厂必须建设在动力资源所在地方，而蕴藏动力资源地域与电能用户之间又往往隔有一定距离。一、电力系统基本概念大城市、大工业中心等用电部门则因为原材料供给、产品协作配套、运输、销售等原因以及各种地理、历史条件限制，往往与动力资源所在地相距较远要实现大容量、远距离输送电能，还必须建设升压变电所和架设高电压输电线路。电力系统与交流电路第20页1、电力网类型

电力系统中输送和分配电能供电部分成为电力网。它包含升压、降压变压器和各种电压等级输电线路。电力网按其供电范围大小和电压等级高低，可分为地方电力网、区域电力网及超高压远距离输电网络等三种类型。地方电力网是指电压不超出110kV、输电距离在几十公里以内电力网，主要是普通城市、工矿区、农村配电网电力系统与交流电路第21页络。区域电力网则把范围较广地域发电厂联络在一起，而且输电线路较长、用户类型也较多。当前在我国，区域电力网主要是电压为110-220kV级电力网。超高压远距离输电网络主要有电压为330-500kV及以上远距离输电线路组成。它担负着将远区发电厂功率送往用电负荷中心任务，同时还联络几个区域电力网以形成省（区）与省（区）之间、国与国之间互联电力网。电力系统与交流电路第22页2、联合电力系统优越性

变电所、输电线路是电网组成部分，电网是电力系统组成部分，两个或两个以上电力系统用电网连接起来，并联运行即可组成地域性电力系统。若干地域电力系统再用电网连接起来就组成联合电力系统。比如东北电力系统就是由辽宁省电力系统、吉林省电力系统、黑龙江电力系统，经过500kV东长哈大送电线及220kV跨省联网线路连接起来联合电力系统。电力系统与交流电路第23页联合电力系统在技术上含有很大优越性能够从五个方面加以说明：1、提升了供电可靠性。大电力系统发电机多，备用机组多，线路也多，容量比较大，所以个别线路发生故障不会影响系统供电，这么也就提升了供电可靠性。

2、能充分确保电能质量。电能质量指标有二项：其一是频率稳定，正负不超出0.2Hz；其二是电压波动小。在大电力系统中，系统容量大，个别负荷变动如高压电动机起停、一些线路故障接地，都不会造成系统电压波动或频率改变，能充分确保电能质量。电力系统与交流电路第24页

3、降低系统备用容量，提升设备利用率。在联合电网中，各个用户最大负荷出现时间并不相同。这是因为大电力系统占有地域很大，存在时差和季差关系，所以最大负荷将小于各个用户最大负荷总和，所以能够降低备用机组、备用线路，并可提升设备利用率增加供电电量。

4、便于安装大容量输电线路降低造价。大机组容量大，必须建设大容量线路。超高压线路送电容量大，单位千瓦造价低，线路可靠，相对线损小，能够大大提升经济效益。电力系统与交流电路第25页

5、充分利用动力资源。在联合电力系统中，水电、火电并网运行，冬季多发怒电，夏季丰水多发水电，水主火从，从而降低成本，提升运行经济性。如吉林省东部水利资源丰富，夏季可多发水电。西部煤炭充分，冬季可多发怒电，水电、火电在联合电力系统中取长补短，共同发挥作用。电力系统与交流电路第26页二、系统额定电压因为线路中有电压降或称电压损耗存在，所以线路末端电压比首端要低。沿线各点电压也不相等。国家要求电网额定电压为：500、220、110、63、35、10kV。电力系统与交流电路第27页三、系统负荷连接在电力系统上一切用电设备所消耗电能，称为电力系统负荷。由电能转换成机械能、热能等是用电设备中真实消耗功率，称之为有功负荷，单位为W。电动机为带动机械，需在其转子中产生磁场，变压器在线圈中产生磁场完成电磁能量相互转换所消耗功率称为无功负荷，单位为Var。为了满足有功负荷和无功负荷需要，发电机既要发有功功率，又要发无功功率，电力系统与交流电路第28页发电机全部功率称为视在功率，单位为kVA，是发电机额定电压与额定电流乘积。有功功率与无功功率比值成为功率因数。系统负荷随时间不一样而不停改变，普通一天中黄昏有功负荷最大，称高峰负荷，深夜负荷最小，称低谷负荷。电力系统与交流电路第29页四、系统中性点接地运行方式

1、电力系统中性点是指线路首端电压所连接变压器三相绕组接成星形时绕组末端连接点。电力系统中性点接地方式大致可分为三种：（1）中性点直接与接地装置连接，称为中性点直接接地系统，入地电流大于500A，所以也叫大接地电流系统，见图4-2。（2）中性点不接地系统，见图b，即中性点与大地是绝缘系统。电力系统与交流电路第30页（3）中性点经消弧线圈接地系统，与中性点不接地系统统称为中性点不直接接地系统，入地电流小，也叫小接地电流系统，见图c。电力系统与交流电路第31页电力系统采取哪种接地方式，这对电气设备及线路绝缘水平，杆塔空气间隙有很大影响，如中性点直接接地系统绝缘水平比中性点不直接接地系统要低得多，绝缘子片数能够降低，杆塔空气间隙也可降低，这对运行与检修是有很大影响。中性点接地方式对邻近通信影响也有很大影响，中性点直接接地系统电磁影响比中性点不接地系统要严重得多。电力系统与交流电路第32页中性点各种接地方式应用范围。按照我国技术经济政策，各种额定电压电力系统其中性点接地方式普通是：1）110kV及以上电压电力系统采取直接接地方式；2）63kV电压电力系统采取经消弧线圈接地方式；3）35kV电压电力系统采取不接地方式；

电力系统与交流电路第33页2、中性点不接地系统

凡接地电流不超出10A35kV电力系统，采取不接地方式，见图4-3、图4-4。

电力系统与交流电路第34页线路每相电容电流为均布，用集中电容代表，相间电容忽略不计，正常运行时各相电压UA、UB、UC是对称。对地所产生电容电流IA、IB、IC数值是相等。相角分别超前相电压90º，所以流经大地总电流和为0。当一相接地故障时，参看图4-5及图4-6。电力系统与交流电路第35页故障相UA，电压为0。非故障相UB、UC上升为线电压，即线间电压不变，故B、C相对地电容电流接地总电流

当接地电流小于5A时，闪络后极难在闪络点形成稳定电压，所以电弧能自动熄灭，不致停电。电力系统与交流电路第36页即使发生永久故障，因线电压不变，不会影响用电设备运行，也不会停电，能够一面倒闸操作切除故障线路，一面巡线或带电检修，还是能确保连续供电。所以在系统电压低、线路不长35kV系统用此种方式较多。2、中性点经消弧线圈接地系统

伴随系统扩大、电网额定电压升高，中性点接地电流也增大了，这时发生瞬时接地故障相就不能自动熄弧，产生弧光电力系统与交流电路第37页接地过电压威胁系统安全，这时中性点宜用消弧线圈接地，所以在电压较高、线路较长、接地电容电流大于10A时用这种方式。消弧线圈是一个带铁芯电抗线圈，外形好像一个单相变压器。为防止饱和使线圈电流与所加电压成正比，并保持有效消弧作用，铁芯柱中留有很多间隙，电力系统与交流电路第38页间隙中添以绝缘板，线圈有若干个分接头，以此可调整线圈匝数改变电感电流。消弧线圈附有二次线圈，可测量其电流电压或用于继电保护，方便监视。故障时，故障点除接地电容电流外，还有消弧线圈电感电流。因为电感电流滞后于电压90º，因而和电容电流相互抵消，故障点电弧自动熄灭。灭弧条件，当然是线路电容电流等于消弧线圈电感电流，见图4-7、图4-8。即IL=IC，且

电力系统与交流电路第39页电力系统与交流电路第40页选为全赔偿。但因线路三相对地电容不平衡，正常运行时中性点有电压，当时，轻易产生串联谐振，所以要使，这么欠赔偿。又因线路要切换倒闸，当切除一些线路时，又可能为全赔偿，所以普通用，即，则为过赔偿。63kV接地故障残余电流不超出10A时，用这种消弧线圈接地方式。电力系统与交流电路第41页3、中性点直接接地方式

110kV及以上，如220、330、500kV都用此方式。故障时系统中性点保持原位，故障点为单相接地电流，继电保护动作马上切除，这么跳闸几率比上述两种系统多，影响可靠性。为了填补这一缺点，广泛采取自动重合闸电力系统与交流电路第42页装置。该装置普通从发生瞬时接地故障引发跳闸到重合时间为0.5-1s，瞬时接地都能消除，不影响供电，如永久故障则继电保护再次动作就切除故障，待检修后才能送电。直接接地内过电压是在相电压作用下产生，所以比中性点不接地系统要低20%-30%，所以绝缘水平和可降低20%左右。额定电压愈高，由降低设备绝缘水平而降低费用愈多。所以用直接接地是经济，同时电压愈高线路也愈可靠，高压线不易断线，电力系统与交流电路第43页线间距离大，不易受鸟害，耐电压水平也高，再辅以自动重合闸，运行可靠性就大有提升。中性点直接接地系统，单相接地电流大，对邻近通信线影响较大，有时会在通信线上出现危险过电压，危及通信人员安全和扰乱铁路信号。所以针对这种系统接地方式，通信保护必须引发注意，不容忽略。

电力系统与交流电路第44页第二单元变电所主要电气设备

第二节电力变压器本节着重介绍变压器工作原理、惯用技术参数、变压器接线组别等内容。其中以确定变压器接线组别为重点。电力系统与交流电路第45页一、变压器工作原理、结构及额定数据（一）变压器工作原理变压器是一个交换交流电能静止电气设备，它是利用电磁感应作用把一个等级电压或电流变成为同频率另一个等级电压或电流。它电力系统与交流电路第46页由绕在同一铁心上两个或两个以上线圈组成，线圈之间经过交变磁通相互联络着。为了画图简明起见，常把两线圈画成份别套在铁心两边，如图2-1所表示。

通常两个线圈中一个接交流电源，成为原绕组，也能够叫做原边或初级；另一个接负载，成为副绕组，也可叫做副边或次级。当原边外加交流电压，原绕组中便有交流电流流过，并在铁心中产生交变磁通，其频率和外加电压频率一样。电力系统与交流电路第47页这个交变磁通同时交链原、副绕组，依据电磁感应定律，在原、副绕组中感应出电动势、。其大小分别正比于原、副绕组匝数，副边有了电动势，便向负载供电，实现了能量传递。只要改变原、副绕组匝数，就可改变原、副边感应电动势大小，从而到达改变电压目标。这就是变压器利用电磁感应作用变压原理。副边电压大于原边电压时，叫做升压变压器，反之就是降压变压器。电压高绕组叫高压绕组；反之就叫低压绕组。电力系统与交流电路第48页电力系统与交流电路第49页（三）变压器额定值变压器铭牌上标明了变压器各项额定值，主要有：1、额定容量SN

它是变压器额定视在功率，单位为VA或kVA

。因为变压器效率高，通常把原、副边额定容量设计得相等。2、额定电压U1N/U2N

单位为V或kV

。U1N是原边所加额定电压值，U2N是当变压器原边加上时副边额定电压。对三相变压器而言，额定电压是指线电压。电力系统与交流电路第50页3、额定电流I1N/I2N

依据额定容量和额定电压算出原、副边电流即为额定电流，单位为A。对三相变压器，也指线值。为此，对单相变压器对三相变压器

4、额定频率fN

我国要求标准工业用电频率为50（赫）。电力系统与交流电路第51页例3-1一台三相油浸式铝线变压器SN=200kVA，U1N/U2N=10/0.4kV，试求原、副边额定电流。解：电力系统与交流电路第52页二、变压器联接组别三相变压器联接组别不一样，原、副绕组对应线电压之间相位差就不一样，而这相位差关系又是三相变压器并联运行、晶闸管触发电路与主电路同时等必须考虑问题。所以本部分仅就三相变压器特殊问题——联接组别加以分析讨论。（一）绕组标志方式变压器绕组中感应电动势是随时间改变，仅就一个绕组而言，无所谓固定极性。假如两个绕组套在同一个铁心柱上，匝电力系统与交流电路第53页链同一个主磁通，当主磁通交变时，在两个绕组中感应电动势之间会有相对极性关系。以下列图为例，当某一瞬间磁通在图示方向上增加时，依据楞次定律，两绕组中感应电力系统与交流电路第54页电动势瞬时实际方向是从2指向1，从4指向3，即1端电位比2端高，3端电位高于4端。这就是说，1、3端（2、4端）同时处于高电位（低电位），成为同极性端，也称同名端，我们将其标上记号“•”。图2-4中两个绕组绕向相反，则1、4端（2、3端）是同名端。不过，对电力变压器，国际上都采取一个叫做时钟表示法标志方法。电力系统与交流电路第55页这种方法，事先需要把变压器每一条出线都标上字母符号。对于单相变压器，用AX代表高压绕组，ax代表低压绕组，其中A、a分别代表对应绕组首端，X、x代表末端。把绕组出线端分成首末端，并标上字母方法有两种：一个是把变压器原、副绕组同极性端同时标为首端，如图2-5中a）和d）；另一个是把原、副绕组非同极性端标为首端，如图3-24中b）和c）。但电力系统与交流电路第56页是，不论采取哪种接法，在研究两个绕组感应电动势相位关系时，都要求采取首端指电力系统与交流电路第57页向末端方向作为电动势正方向。原绕组电动势从A指向X为，简写为，副绕组电动势从a指向x为，简写为。图2-5画出了4中不一样标法或绕法时原、副绕组电动势、相位关系。从图中能够看出，与能够同相也能够反相，要看绕组绕向以及怎样标志首末端来决定。能够这么说，假如把原、副绕组同极性端定为首端，它们感应电动势同相位，假如把非同极性端定为首端，感应电动势反相位。

电力系统与交流电路第58页时钟表示法能形象简明地表示高、低压绕组电动势相位关系。所谓时钟表示法，就是把高压绕组和低压绕组电动势相量分别看作时钟长针和短针，并永远把长针指向“12”，看短针指向钟面上哪个数字，以确定变压器联接组别。依据上面分析，对单相变压器联接组别有两种：一个是I,I0；一个是I,I6

，其中I，I表示原、副边均为单相绕组。0表示原、副绕组电动势之间相位差为030º=0º，6表示原、副绕组电动势之间相位差为630º=

180º。图2-5a）与d）联接电力系统与交流电路第59页组别为I，I0，图2-5b）与c）联接组别为I，I6。

（二）三相变压器绕组接法在三相变压器里，三个相高压绕组首端用A、B、C表示，末端用X、Y、Z表示；低压绕组首端用a、b、c表示，末端用x、y、z表示。

1、星形接法星形接法也叫Y接法，它是把三个相绕电力系统与交流电路第60页组末端X、Y、Z连在一起，组成中点N，把首端引出来。以下列图所表示。

电力系统与交流电路第61页三相变压器相电动势即为该相绕组电动势，用、、表示，线电动势用、、表示，它们正方向表示在图2-6a）中。已知三相电源对称，则三相电动势有以下关系：电力系统与交流电路第62页Y接法时，依据图2-6a）给定方向，线电动势与相电动势关系为由此可画上图所表示电动势相量图。

电力系统与交流电路第63页2、三角形接法三角形接法是将一相绕组末端与另一相绕组首端联结在一起，顺此连成一个闭合回路。若接线次序为AX→BY→CZ→AX，线电动势与相电动势关系为电力系统与交流电路第64页（三）三相变压器连接组别在三相系统中，关心是线电动势，即绕组出线端之间电动势。因为三相绕组能够采取不一样联接，使得三相变压器原、副绕组线电动势之间出现不一样相位差，所以按原、副边线电动势相位关系把变压器绕组联接分成各种不一样所谓连接组别。联接组别不但决定于三相绕组接法，而且还与绕组绕向和出线端标志相关。理论与实践证实，不论怎样联接，原、副边线电动势相位差总是30º整数倍。所以，仍采电力系统与交流电路第65页用时钟表示法，这时短针所指数字即为三相变压器联接组别标号，将该数字乘以30º，就是副绕组线电动势滞后于原绕组对应线电动势相位角。

已知绕组接法和同极性端时，确定变压器联接组别方法是：（1）在接线图上标明各相电动势与线电动势方向；（2）判断同一相原、副边相电动势相位关系，并画出原、副边对称三相电动势相量图，将相量和头和画在一起；电力系统与交流电路第66页（3）依据原、副边对应线电动势相位差用时钟表示法确定联接组别标号；Y,y12联接其绕组接线图如右图所表示。在三相变压器绕组接线图中，上下对着高、低压绕组表示套在同一铁心柱上。图中原副边同极性端同为首端，打“•”表示。电力系统与交流电路第67页各电动势正方向见图，按图中标法，同一相首端为同极性端，由前面分析知原、副边电动势同相，即、、分别与、、同相位，画出相量图如右图。注意须将A和