注册电气工程师教程(电气工程基础)

全国勘察设计注册电气工程师执业资格考试

电气工程根底

〔不含电机、变压器局部〕吕江虹2023年6月3日全国注册电气工程师考试培训教材教材全国勘察设计注册电气工程师执业资格考试

精讲精练〔专业根底〕

陈志新主编

中国电力出版社

2023年2月南京安防://辅导班的价值适用工作多年的、希望继续学习的人员。起引领作用。注意：不要抱压题的思想。复习方法〔自学者〕着重根底〔根本概念、根本方法和根本理论〕踏实认真适当做题注意：全面前言南京安防://

第4章

电气工程基础南京安防://锅炉发电机升压变压器降压变压器电能用户输电线热能用户汽轮机抽汽电力网电力系统动力系统动力系统与电力系统、电力网关系示意图4.1电力系统根本知识电力系统的组成一、电力系统运行特点和根本要求电力系统是由发电厂发电机、升降压变电设备、输电、配电和电能用户组成的整体。电力网电力系统中的输电、变电和配电的三个局部称为电力网。电能用户

消耗电能的场所，电能转换为其他形式能量

。南京安防://4.1电力系统根本知识电能的特点电能生产、输送、分配和使用在同一时刻内完成的。暂态过程迅速。与国民经济密切相关4.1电力系统根本知识〔1〕保证供电可靠性3、对电力系统的要求负荷突然中断对供电的影响，用电负荷又分为：1〕一类负荷也称一级负荷一类负荷也称一级负荷，指突然中断供电将会造成人身伤亡或会引起对周围环境严重污染，造成经济上巨大损失；以及突然中断供电将会造成社会秩序严重混乱或政治上的严重影响的用电负荷。3〕三类负荷也称三级负荷三类负荷也称三级负荷，指不属于一类负荷和二类负荷的其他负荷，对此类负荷，突然中断供电所造成损失不大或不会造成直接损失。2〕二类负荷也称二级负荷二类负荷也称二级负荷，指突然中断供电将会造成较大的经济损失；以及突然中断供电将会造成社会秩序混乱或政治上的较大影响的用电负荷。4.1电力系统根本知识南京安防://(2)保证电能质量〔3〕经济性〔4〕环保问题4.1电力系统根本知识4.1电力系统根本知识二、电能质量的各项指标电压幅值、频率、波形1、电压偏差〔移〕2、电压波动U%△U%3、电压闪变

周期性电压急剧波动引起灯光闪烁，光通量急剧波动，而造成人眼视觉不舒适的现象。4、不对称度衡量多相负荷平衡状态的指标。电压不对称度：电压负序分量与正序分量的比值。电流不对称度：电流负序分量与正序分量的比值。电压缓慢变化电压变动南京安防://4.1电力系统根本知识5、正弦波形畸变率 P2381〕n次谐波电压、电流含有率2〕电压、电流总谐波畸变率6、频率偏差一般不超过±0.2Hz7、供电可靠性：根据用电负荷等级制定。三、电力系统接线方式及特点1、无备用接线〔开式电力网〕2、有备用接线〔闭式电力网〕4.1电力系统根本知识四、电力系统额定电压额定线电压

网络的额定电压：线路首末端电压的平均值用户设备的额定电压=网络的额定电压发电机额定电压：比网络的额定电压高5%变压器额定电压：1）一次绕组：与发电机直接连接，等于发电机的额定电压；与电网直接连接，与网络的额定电压同。2）二次绕组：相当于供电设备，，比电网高5%，，比电网高10%。4.1电力系统根本知识T1T2我国电力网络的额定电压等级：3、6、10、35、110、220、330、500kV例1南京安防://4.1电力系统根本知识我国电力网络的额定电压等级：3、6、10、35、110、220、330、500kV、750kV电力系统平均额定电压：UavN=1.05UN3.15、6.3、10.5、37、115、230、345、525kV变压器的分接头及其变比调压额定变比：主抽头额定电压之比实际变比：实际所接分接头的额定电压之比例1：P2404.1电力系统根本知识10.5kV10.5/242kV220/121/38.5kV110/11kV10.5/3.3kV35/6.6kV1)发电机、变压器的额定电压2)T1：5%抽头，T2、T5：主抽头，T3：-2.5%抽头,T4：-5%抽头3)各线路的平均额定电压例1：P2414.1电力系统根本知识10.5kV10.5/242kV220/121/38.5kV110/11kV10.5/3.3kV35/6.6kV2)T1：5%抽头，T2、T5：主抽头，T3：-2.5%抽头,T4：-5%抽头T1：10.5/254.1kV，T2:220/121/38.5kVT3：110/10.725kV,T4：35/6.27kVT5：10.5/3.3kV例1：P2414.1电力系统根本知识3)各线路的平均额定电压中性点接地方式4.1电力系统根本知识中性点：是指电力系统的输、配电线路首端所连接的变压器绕组接成星形时的公共点。中性点运行方式分为直接接地单相负载低压〔380/220V〕、高压110kV以上输电线路非直接接地〔不接地或经消弧线圈、电阻、电压互感器等接地〕。通常10—35kV经小电阻接地〔电缆线路多〕高压系统，接地电流大于500A称为大电流接地系统，小于500A称为小电流接地系统。中性点不接地系统发生单相接地故障时，接地相对地电压〔〕。A.最高为线电压B.最高为相电压C.最低为零中性点不接地系统发生单相接地故障时，可继续运行〔〕。A.20小时B.2小时C.12小时中性点不接地系统发生单相接地故障时，未接地相对地电压升高，最高升至〔〕A.最高为线电压B.最高为相电压C.最低为零CBA中性点直接接地优点：当系统发生一相接地故障时，能限制非故障相对电压的升高，从而保证单相用电设备的平安。缺点：很大，继电保护动作，断路器跳开，造成停电；发生人身一相对地电击时，危险性较大。1、中性点不接地系统1〕正常运行时正常运行时各相对地电压是对称的UBUA..120°120°120°UC.南京安防://2〕一相接地故障时AXYZBCeA+–eC+–eB+–特点30°中性点不接地系统特点

1〕发生单相接地故障时，接地相对地电压下降，非故障相对地电压升高，最高可达线电压。对用电设备的绝缘水平应按线电压考虑；2〕发生单相接地故障时，三相之间的线电压仍然对称，用户的三相用电设备仍照常运行。可继续运行2小时。3〕电容电流较大，接地点可能出现电弧，产生过电压。当电容电流超过一定值时，要求中性点经消弧线圈接地，以减小故障电流。1、线路参数〔P247〕1〕电阻2〕电抗分裂导线：电抗减小4.2电力线路、变压器的参数和等值电路ZY/2Y/2南京安防://3〕电导4〕电纳分裂导线：电纳增加4.2电力线路、变压器的参数和等值电路ZY/2Y/22、输电线路的等值电路1〕一字形等值电路：架空线不超过100km、电压不高4.2电力线路、变压器的参数和等值电路2〕π形和T形等值电路：架空线为100-300km、电缆不超过100km例4-2P245二、变压器〔P246〕4.2电力线路、变压器的参数和等值电路RTjXTGT-jBT1、双绕组变压器双绕组变压器4.2电力线路、变压器的参数和等值电路RTjXTGT-jBT2、三绕组变压器P2474.2电力线路、变压器的参数和等值电路RT1jXT2GT-jBTRT2RT3jXT3jXT1例4-3P249三、有名值、标幺值参数计算1、有名值2、标幺值：实际值/基准值3、基准值4.2电力线路、变压器的参数和等值电路一般选功率SB=100MVA，UB=UP标幺值计算4、不同基准值的标幺值之间的换算4.2电力线路、变压器的参数和等值电路电网等值电路例4-4P2514.3简单电网的潮流计算一、根本概念1、电压降落RjXS1S24.3简单电网的潮流计算一、根本概念2、电压损耗RjXS1S24.3简单电网的潮流计算一、根本概念3、功率损耗1〕线路功率损耗公式中的功率和电压可用首端量S1、U1或末端量S2

、U2表示。4.3简单电网的潮流计算一、根本概念2〕变压器功率损耗4.3简单电网的潮流计算二、开式网潮流计算例4-5：P254S1S2S1’S2’S2’S1’S1U1U24.3简单电网的潮流计算三、不同点的电压和功率的潮流计算〔P259〕1、同一电压等级下潮流精确计算2、近似计算例4-6〔P258〕四、输电线中的功率流向与电压相角和幅值的关系五、输电线路的空载与负载运行特性：P2604.4无功功率平衡和电压调整2、应就近满足无功需求，尽量减少无功的流动，分区分级做到无功平衡。如超高压电网线路电容产生大量无功，需安装并联电抗器予以吸收；配电网却需配置大量的电容器进行无功补偿。一、根本概念1、电压与无功：系统的无功电源充足，运行电压就高；反之，运行电压低。3、系统无功平衡的根本要求：无功电源功率应与负荷的无功和无功损耗相平衡，且有一定的无功备用电源。4.4无功功率平衡和电压调整二、无功电源的调节特性1、发电机：同步发电机可发有功，亦可发无功。2、同步调相机：只发无功的同步发电机。过励磁时，发无功，欠励磁时，吸无功。宜大量集中使用，常安装在枢纽变电所。3、静止无功补偿器〔SVC〕：电容器与电抗器串联，配备调节电抗器的电力电子装置。4、静电电容器：只能发无功。问题：当电压降低时，供给的无功成平方比例减少，更恶化了电压水平。不能连续调节。4.4无功功率平衡和电压调整三、利用电容器补偿电压的原理与方法1、补偿调压原理2、补偿方式就地补偿集中补偿补偿容量与调压要求和降压变压器的变比均有关，在最大负荷时电容器应全部投入，在最小负荷时退出。按最小负荷没有补偿时确定变压器的分接头，按最大负荷时调压要求计算补偿量。4.4无功功率平衡和电压调整四、变压器分接头进行调压时分接头的选择计算有载调压变压器：带负荷切换分接头，调压范围宽。U1U2无载调压变压器：工作在一个电压等级下。1、变压器分接头确实定方法：P263例4-7P264变压器分接头装设在：双绕组变压器高压侧三绕组变压器高压侧、中压侧6300kVA以下，有三个分接头，1.05UN、UN、0.95UN8000kVA以上，有五个分接头，1.05UN、1.025UN、UN、

0.975UN、0.95UN4.4无功功率平衡和电压调整4.4无功功率平衡和电压调整2、降压变压器分接头的选择计算：P263〔1〕最大负荷时分接头电压〔2〕最小负荷时分接头电压〔3〕分接头确定4.4无功功率平衡和电压调整在无功平衡系统中，应优先采用改变变压器变比调压；在无功缺乏系统中，应优先选择装设无功补偿装置，不宜采用改变变压器变比调压。原因：为增加无功功率，只是改善局部电网的电压水平，却有可能恶化其他地区的电压水平。例4-8P264例4-9P2654.5短路电流计算一、根本概念〔P267〕1、类型：对称短路、不对称短路。最常见，情况最严重。2、短路电流计算目的：设备选择保护配置主接线设计暂态稳定计算3、近似条件：〔P267〕4、无限大功率电源及其特点〔X=0〕4.5短路电流计算一、根本概念5、短路后果：短路点附近电流增大许多倍，机械应力很大，使导体破坏。设备发热增加，损坏。电压下降，电动机停转，废品。发电机失去同步，造成大面积停电。通讯受到影响。4.5短路电流计算二、简单系统三相短路电流的实用计算方法1、思路：线性、对称，由简入繁。2、恒电势源电路的三相短路分析Z’Zea=稳态〔周期〕分量+暂态〔非周期〕分量4.5短路电流计算2、恒电势源电路的三相短路分析物理意义：非周期电流的初值越大，暂态过程中短路电流最大瞬时值越大。它与短路发生时刻有关，与短路发生时电源电势的初始相角〔合闸角〕有关。冲击电流：短路电流最大瞬时值，在短路发生后约半个周期出现。用于校验设备的动稳定。=稳态〔周期〕分量+暂态〔非周期〕分量4.5短路电流计算3、短路电流周期分量的实用计算〔P267〕计算各元件标么参数、绘制等值电路，取SB，UB=Uav。系统发电机变压器电抗器负荷线路4.5短路电流计算3、短路电流周期分量的实用计算〔P267〕化简等值电路，求出电源至短路点f的总阻抗。计算f点三相短路电流周期分量初值及其他待求量。短路电流基准值4.5短路电流计算三、短路容量〔P269〕也称短路功率：说明短路容量标么值等于短路电流标么值。应用：主要用于校验开关的切断能力。4.5短路电流计算四、冲击电流和最大有效值电流〔P269〕冲击电流=k*短路电流周期分量最大冲击电流有效值例4-10、

4-11P270冲击电流：最大有效值电流：

4.5短路电流计算五、对称分量法和序网〔P272〕同步机：正常运行参数为正序参数。2〕旋转元件：发电机、电动机：各序阻抗不等1、序分量：正序分量、负序分量、零序分量2、序阻抗：参数对称时，某序电压与同序电流之比。1）静止元件：架空线、电缆、变压器三个单相的电抗器、电容器、变压器组成的三相电抗器、电容器、变压器4.5短路电流计算变压器：各序等值电路结构相同。变压器的电阻、漏抗的正序与负序、零序相同。变压器正序、负序的励磁电抗相同。变压器零序与其连接方式、中性点是否接地、结构〔单、三相〕有关：P2744.5短路电流计算变压器：零序等值电路与外电路的连接，取决于零序电流的流通路径，与绕组的接线方式和中性点是否接地有关。零序电压施加在三角形侧和不接地星形侧，那么无论另一侧绕组的接线方式如何，变压器中都无零序电流流过。零序电压施加在接地星形侧，零序电流经由中性点流入大地，构成回路。另一侧绕组的零序电流流通情况取决于该侧绕组的接线方式。4.5短路电流计算线路：P274静止元件，正、负序阻抗与等值电路相同。零序电抗比正序电抗大。〔表4-1〕例4-12序分量P275六、绘制各序网等值电路正序：不包括中性点接地阻抗、和空载线路负序：零序：读图4.5短路电流计算例：P27713.5短路电流计算13.5短路电流计算七、复合序网方法：故障边界条件。4.5短路电流计算七、复合序网方法：故障边界条件。八、不对称短路的电流电压计算九、经变压器后的相位变换4.9过电压及绝缘配合一、根本概念1、过电压：对绝缘有危险的电压升高。2、分类：内部过电压工频过电压操作过电压谐振过电压雷电过电压直接雷过电压感应雷过电压例4-16P3244.9过电压及绝缘配合3、工频电压升高：长线的电容效应、不对称短路、甩负荷。4、操作过电压：指电网参数的改变，如切断空载线路、空载线路合闸、切断空载变压器、断续电弧接地。5、绝缘水平：220kV以下系统，由雷电过电压决定绝缘水平。超高压系统，由内部过电压决定绝缘水平。严重污秽地区，电网外绝缘水平主要由系统的最大运行电压决定。4.9过电压及绝缘配合二、雷电过电压特性1、感应过电压：静电感应、电磁感应2、直击雷过电压3、雷电波的侵入4.9过电压及绝缘配合三、接地和接地电阻、接触电压、跨步电压：1、接地：与大地等电位。3、接触电压：人与接地设备之间的电压。距脚0.8m处与手触摸到1.8m处之间的电压。2、接地电阻：与接地装置的形状、尺寸、大地电阻率有关，而与金属接地体自身的电阻无关。表4-2不同接地装置的接地电阻如重复接地电阻10Ώ。4、跨步电压：人的两脚〔步长0.8m〕之间的电压。35kV及以下的小电流接地系统：4.9过电压及绝缘配合四、氧化锌避雷器特点1、氧化锌避雷器的伏安特性

P3262、氧化锌避雷器的特点1〕无串联火花间隙，即无灭弧电压、冲击放电电压等特性参数，体积小。2〕良好的陡波响应特性：无间隙的放电延时。3〕无续流，可重复动作实施保护。4〕通流容量大，可重载，可用于对内部过电压进行保护。4.9过电压及绝缘配合五、避雷针、避雷线的保护范围1、目的：防止受直击雷击。受雷击概率小于0.1%。2、避雷针一般用于保护发电厂、变电所，避雷线用于保护线路。3、保护范围距地面X高度：避雷针一半高度以上避雷针一半高度以下地面：4.9过电压及绝缘配合4、独立避雷针，接地电阻应小于10欧姆，常用于配网中。5、构架避雷针，经济性好，但在配网中易导致绝缘逆闪络〔还击〕。故常应用于110kV及以上系统中。避雷线作用：保护变电所的电器设备、输电线路等免受直击雷过电压。4.10断路器一、作用、功能、分类1、作用切断/闭合负载/空载电流切断过负荷和短路电流2、功能灭弧特点，根本能可靠地开断工作电流和短路电流。4.10断路器三、分类1、多油：以绝缘油为绝缘介质，耗材多，占地大。2、少油：平安，耗材少，占地小，大量使用。3、SF6：以SF6为绝缘介质，断口电压高，允许断路次数多，开断性好，占地小，易维护，检修周期长，价格高。〔超高压〕4、真空：以真空为绝缘介质，距离间隙小，开断性好，占地小，在35kV及以下系统应用广泛。〔配电网〕5、压缩空气：以压缩空气为绝缘介质，断路能力大，价格高。4.10断路器5、压缩空气：主要用于110kV及以上有较高要求的系统以及大型发电机出口需要很大额定电流和开断电路的场合。已被SF6取代6、磁吹：利用电弧电流通过吹弧线圈产生的磁束吹弧。灭弧效果好，无油，可屡次重复使用。7、GIS(SF6全封闭组合电器)：不含变压器在内的一次设备的“气体绝缘变电站〞。占地小，可靠性高，价格贵，主要用于110~500kV系统。4.10断路器4、断路器操作机构1〕手动操作机构〔CS〕：就地操作2〕电磁式操作机构〔CD〕：远距离控制直流电源3〕弹簧储能操作机构〔CT〕：可进行一次自动重合闸，交流或直流电源。4〕压缩空气操作机构〔CY〕：用于空气断路器。4.10断路器二、主要参数1、额定电压2、额定电流：200A~20000A3、额定开断电流：额定电压下开断的最大电路电流。1.6kA~100kA4、额定开断容量：表征开断能力。5、额定关合电流：合到已经短路的系统时断路器能闭合的最大短路电流。6、耐受性能：发热电动力4.10断路器7、分闸时间：包括固有分闸时间和燃弧时间，20~40ms

合闸时间：临时性故障断路器合闸延时断路器跳闸延时：从电弧熄灭到电路重新接通的时间，称为无电流间隔时间，一般为0.3~0.5s。永久性故障断路器跳闸延时断路器跳闸断路器合闸强送电：自动重合不成功时，隔180s后手动合闸。8、自动重合闸时间：4.10断路器四、断路器常用的灭弧方法1、交流电弧的灭弧电流过零点时熄弧。弧隙介质强度恢复与弧隙电压强度的恢复。阴极效应。2、常用灭弧方法：介质选择：真空灭弧、油、SF6吹弧：横吹、纵吹多断口快速分闸五、断路器的运行和维护工作要点1、断路器的操作2、正常运行的操作要求1〕断路器的正常操作要求2〕断路器操作机构的要求3、故障状态下的操作要求4、高压断路器的异常运行5、真空断路器常见异常运行6、SF6断路器常见异常运行4.10断路器4.11互感器一、电流、电压互感器的工作原理、接线形式及负载要求1、电流互感器：将一次大电流变为标准小电流，I2N=5A，供仪表或继电器使用。（1）工作原理：与变压器相似。4.11互感器1、电流互感器〔2〕接线形式：1〕三相完全星接：反映每一相电流2〕两相不完全星接：无法反映单相接地故障3〕两相差动式接线：各类短路继电器整定值不同，无法反映单相接地故障4〕单相接线：可用于三相负荷平衡5〕两相三完全星接：均可反映各类接地故障4.11互感器1、电流互感器〔3〕接线中本卷须知1〕二次侧在使用时绝对不可开路。不允许装熔丝。2〕二次侧必须有一点接地。保证人身和设备平安。3〕接线时注意极性4〕一次侧串接线路，二次侧串接仪表或继电器5）负荷要求：〔4〕铁磁性质的选择：测量要求精度高，继保相对低。4.11互感器2、电压互感器1、电压互感器：将一次高电压变为低电压，U2N=100V，供仪表或继电器使用。〔1〕工作原理：电磁式电压互感器的与变压器相同。电容式电压互感器：实质为分压器4.11互感器1、电压互感器〔2〕接线形式：1〕单相接线：可测相间电压，亦可测相对地电压。2〕V-V接线〔不完全星接〕：可测相间电压。4〕Y0-Y0接线：可测线电压及相电压。3）Y0/Y0/接线：可测线电压、相电压及绝缘监察。4.11互感器1、电压互感器〔3〕接线中本卷须知1〕二次侧在使用时绝对不可短路。2〕二次侧必须有一点接地。保证人身和设备平安。3〕接线时注意极性4〕一、二次侧装熔丝气短路保护，一次侧装隔离开关。检修用。（4）负荷要求：5〕一次侧并接线路中，二次侧并接仪表或继电器4.11互感器二、电流、电压互感器配置原那么及接线1、电流互感器1〕发电机、变压器、出线、母线分段及母联断路器、旁路断路器等回路。

大接地电流系统：装三相完全星接、两相完全星接

保护线路小接地电流系统：6—10kV装两相不完全星接,保护线路

6—10kV装两相差接，保护线路、小容量的电动机、变压器4.11互感器二、电流、电压互感器配置原那么及接线2、电压互感器母线：一组线路：35kV及以上装一台单相，用于监测线路发电机：两组变压器：一组南京安防