电气培训教材定稿

浙江石化培训教材

电气分册

前言

本书主要介绍腾龙芳煌（漳州）有限公司热电厂2X75a“火力发电机组的设备及其系

统的基本原理、结构、规范、功能及性能，供热电厂管理人员及运行人员操作技能培训使用。

本丛书编写主要依据各设备制造厂的说明书和技术协议、福建永福公司设计图及相应的

电力行业的法规和标准，同时参照了其他各电厂的培训教材，在此表示感谢。

由于目前我厂工程设备在招标中，时间也比较仓促，最终现场设备、系统与本培训教材

有偏差，将在设备招标完成后进行升版。实际运行须以现场设备、集控运行规程为准。同时

限于编者的水平，缺点和错误在所难免，敬请读者批评、指正。

腾龙芳煌（漳州）有限公司汽电部

2010年08月

目录

第一章电力系统概述...........................................................2

第一节电力系统的基本概念.................................................1

第二节电力系统的中性点运行方式...........................................5

第二章发电机................................................................14

第一节发电机的工作原理...................................................14

第二节发电机的结构.......................................................22

jz.电....................................................24

第四节发电机异常及事故处理...............................................37

第三章发电机励磁系统........................................................44

第一节概述...............................................................44

第―-品!］励系.......................................................46

第三节励磁系统简述......................................................50

第四章变压器及其运行.........................................................72

第__.节概述72

第二节变压器结构.........................................................86

第三节变压器的主要附件...................................................91

第四节变压器的运行、维护及事故处理......................................99

第五章电气主接统110

第一节电气主接线的基本形式..............................................110

第一节电气主接线117

第一节厂用电接线........................................................120

第二节厂用电系统的35行..................................................126

第七章直流系统.............................................................133

第一节概述..............................................................133

第二节蓄电池基本知识....................................................134

第三节直流系统运行......................................................140

第八章高压电气设备..........................................................144

第一节高压断路器概述....................................................144

第二节真空断路器和真空接触器............................................151

第三节封闭母线..........................................................164

第九章自动装置..............................................................174

第一节概述..............................................................174

第二节微机准同期装置....................................................177

第三节微机厂用电源快速切换装置...........................错误!未定义书签。

第四节微机备用电源自动投入装置.........................................182

第十章厂用电动机............................................................204

第一节异步电动机的结构和工作原理.......................................205

第二节厂用电动机的运行维护..............................................216

第三节厂用电动机事故处理...............................................218

第一章电力系统概述

第一节电力系统的基本概念

-电力系统与电力网

发电厂将一次能源转变成电能，生产的电能需要通过一定方式输送给电力用户。在由发

电厂向用户供电过程中，广泛通过升压变电站、降压变电站、输电线路将多个发电厂连接起

来并联工作，向用户供电。这种由发电厂、升压变电站、降压变电站、输电线路以及用电设

备有机连接起来的整体，称为电力系统。

在电力系统中，由升压变电站、降压变电站和输电线路连接在一起的部分称为电力网。

二电力生产的特点

(1)电能不能大量储存

电力系统中发电厂负荷的多少，决定于用户的需要，电能的生产和消费时时刻刻都是保

持平衡的。电能的生产、分配和消费过程的同时性，使电力系统各个环节形成了一个紧密的

有机联系的整体，发、供、用电设备任一环节发生故障，都将影响电能的生产和供应。

(2)电力系统的电磁变化过程非常迅速

电力系统中，电磁波的变化过程只有几毫秒，甚至是几微秒；而短路过程、发电机运行

稳定性的丧失则在零点几秒或几秒内即可形成。为了防止某些短暂的过渡过程对系统运行和

电气设备造成危害，要求能进行非常迅速和灵敏的调整和切换操作，这些调整和切换操作，

靠手动操作不能荻得满意的效果，甚至是不可能的，因此电力系统采用了各种自动装置。

(3)电力工业和国民经济各部门之间有着极其密切的关系

电能供应不足或中断，将直接影响国民经济各个部门的生产，也将影响人们的正常生活，

因此要求电力工业必须保证安全生产，必须有足够的负荷后备容量，以满足日益增长的负荷

W景'。

三电力系统的运行要求

为了保证用户用电，电力系统的运行必须满足下列基本要求：

(1)保证对用户供电的可靠性

在任何情况下都应该尽可能地保证电力系统运行的可靠性。系统运行可靠性的破坏，将

引起系统设备损坏或供电中断，以致造成国民经济各部门生产停顿和人民生活秩序的破坏，

甚至发生人身事故。

(2)保证电能的质量

即要求供电电压的波形为较严格的正弦波，保证系统中电压和频率在一定的允许变动范

围之内。电力系统电压允许偏差一般为额定电压的±5%,频率允许偏差一般为±0.5Hz。华

东电网调度规程规定频率偏差不得超过±0.2Hz。

（3）保证运行的最大经济性

电力系统运行有三个主要经济指标，即生产每kW.h电能所需要的能源消耗（煤耗率、

油耗率、水耗率等）；生产每kW.h电能所需要的自用电（厂用电率）；供配每kW.h电能在

电力网中的电能损耗（线损率）。提高运行经济性，就是在生产和供配某一定数量的电能时,

使上述三个指标达到最小。为了实现电力系统的经济运行，必须对整个系统实施最佳经济调

度。

四电力系统的额定电压

所谓额定电压，就是某一用电设备（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。为了便于电器制造业的生产标准化和系列化，国家规定了统一

的电压等级标准及输电范围。如表1-1。

表1-1额定电压等级及输电范围

序号额定电压（kv）输送容量（MW）输送距离（km）适用地区

10.380.1以下0.6以下低压动力和照明

230.1-11〜3高压电动机

360.1〜1.24〜15发电机高压电动机

4100.2-26~20配电线路高压电动机

5352〜1020〜50县级输电网用户配电网

611010-5050~150地区级输电网用户配电网

7220100~500100~300省区级输电网

8330200~1000200~600省区级输电网联合系统输电网

95001000~1500150~850省区级输电网联合系统输电网

107502000~2500500以上联合系统输电网

在传输功率一定的条件下，如果所用的额定电压越高，则线路上的电流越小，这样线路

上的功率损耗、电压损耗等也就越小，同时可以较小截面的导线，以节省有色金属。但另一

方面，电压等级越高，线路的绝缘就越要加强，杆塔的几何尺寸也相应加大，这样线路的投

资和杆塔材料就要增加，而且变压器、开关电器等设备的投资也随着电压的增高而增加。显

然采用过分高的额定电压也不一定恰当。

五电力系统负荷及负荷曲线

电力系统负荷是由国民经济各部门的用电负荷组成。它包括各种用电设备，如照明、

电热器、电动机和整流设备等。

根据对供电持续性的要求，可把负荷分为三类。

一类负荷：如停止对该类负荷供电，将造成人身事故或重大设备损坏且难以修复或给国

民经济带来重大损失，或使市政生活发生重大混乱。

二类负荷：如停止对该类负荷供电，将造成大量减产和废品，城市大量居民的正常生活

受到影响。

三类负荷：如停止对该类负荷供电，不会直接影响生产，仅给生产、生活造成不方便。

对于一类负荷，至少要由两个独立电源供电，当一路电源故障，另一路电源仍能完全保

证该负荷供电；对于二类负荷是否需要备用电源，要进行技术经济比较后才能确定；对于三

类负荷，不需要备用电源。

电力系统各用户的负荷功率总是在不断变化，电力负荷随时间变化的关系一般用负荷曲

线来描述。根据负荷的特性，负荷曲线可分为有功功率负荷曲线、无功功率负荷曲线和视在

功率负荷曲线等；按所涉及的范围，负荷曲线可分为用户负荷曲线、变电所负荷曲线、发电

厂负荷曲线以及电力系统负荷曲线等；根据持续的时间，负荷曲线又可分为日负荷曲线、周

负荷曲线和年负荷曲线等。

在电力系统中经常用到的负荷曲线有以下几种：

(1)日负荷曲线

日负荷曲线反映负荷在一天24小时内随时间变化的规律。典型的日负荷曲线如图1-2

所示。不同地区，不同负荷，其负荷曲线也是不相同的。一天之内最大的负荷称为日最大负

荷PM,也称尖峰负荷；一天之内最小的负荷称

为日最小负荷P™,也称低谷负荷；最小负荷以

下的部分称为基本负荷，简称基荷。

若在一天内用户所消耗的总电能为A,

则全天的日平均负荷为：

-A

Pv24

为了反映负荷曲线的起伏情况，系统中常用到负

荷率冷的概念：

图1-2日负荷曲线

降=2

Kp值大则表示日负荷曲线平坦，即每天的负荷变化小，系统运行的经济性较好；Kp

值小则表示日负荷曲线起伏大，发电机的利用率较

差。

(2)年持续负荷曲线

在电力系统的分析计算中，还经常用到年持续

负荷曲线，如图1-3所示。它是以电力系统全年内

每个小时的负荷按其大小及累计持续运行时间的

顺序排列而成的。

将全年中负荷所消耗的电能与一年内最大负

荷相比，得到的时间称为年最大负荷利用小时

数。即

图1-3年持续负荷曲线

T=a

1maxD

max

工^的物理意义是，如果用户始终保持最大负荷Pmax运行，则经过丁由.时间后，它所消

耗的电能恰好等于其全年的实际耗电量。工^的大小，在一定程度上反映了实际负荷在一年

内变化的大小。工^较大，则负荷曲线比较平坦；工^较小，则负荷随时间的变化较大。它

在一定程度上反映了负荷用电的特点。对于各种不同类型的负荷，其Tmax大体上在一定的范

围内。因此，若已知各类用户的性质，则可得到由A=「axXA1ax可以估计出全年

的用电量。在导线截面选择和计算电网的电能损耗时均要用到Tmax。

(3)年最大负荷曲线

年最大负荷曲线即表示一年内每月的最大负荷随时间变化的曲线。如图1-4所示。这曲

线常用于制定发电设备的检修计划。机组检修应安排在负荷最小的时间段。

P(MW)

t

0612

图1-4年最大负荷曲线

第二节电力系统的中性点运行方式

电力系统的中性点(实际上是指电力系统中发电机、变压器的中性点)接地或不接地是

一个综合性的问题，中性点接地方式对于电力系统的运行,特别是对发生故障后的系统运行,

有多方面的影响，所以在选择中性点接地方式时，必须考虑许多因素。

电力系统中性点的接地有中性点直接接地、经电阻接地和经消瓠线圈接地三大类。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。

一中性点不接地系统

电力系统的每一相对地都有电容，它们分布在输电线路全长上和电气设备中，为了使讨

论简化，设三相系统是完全对称的，并将分布的相对地电容用集中在线路中央的电容C来代

替，如图1-5。因为在中性点不接地系统中发生一相接地时，电力系统相间电压并不改变，

因而相间电容所引起的电容电流也不会改变。这种电网，在正常运行时，中性点接地与否，

对系统运行无任何影响。

图1-5中性点不接地的三相系统(正常工作状态)

(a)电流分布(b)A相电流、电压相量关系

当中性点不接地系统发生一相接地，其相量关系如图1-6(6)所示，相当于原有的线电

压三角形48c平移到了ABC的位置。即三相间线电压仍保持对称和大小不变，故对电力

用户的继续供电并无影响。但两个非故障相4和刀的对地电压却升高至M3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

{o的三倍，其数值与电网的电压、频率和一相对地电容有关。

图1-6中性点不接地的三相系统（C相接地）

（a）电流分布（b）电流、电压相量关系

如上所述，当中性点不接地的系统中发生一相接地时，接在相间电压上的用电设备的供

电并未遭到破坏，它们可以继续运行，但是这种电网长期在一相接地的状态下运行，也是不

能允许的，因为这时非故障相电压升高，绝缘薄弱点很可能被击穿，而引起两相接地短路，

将严重地损坏电气设备。所以，在中性点不接地电网中，必须设专门的监察装置，以便使运

行人员及时地发现一相接地故障，从而切除电网中的故障部分。

在中性点不接地系统中，当接地的电容电流较大时，在接地处引起的电弧就很难自行熄

灭。在接地处还可能出现所谓间歇电弧，即周期地熄灭与重燃的电弧。由于电网是一个具有

电感和电容的振荡回路，间歇电弧将引起相对地的过电压，其数值可达（2.5〜3）Uo这种

过电压会传输到与接地点有直接电连接的整个电网上，更容易引起另一相对地击穿，从而形

成两相接地短路。

在电压为3〜10kV的电力网中，一相接地时的电容电流不允许大于30A,否则，电弧便

不能自行熄灭，而且由于3〜10kV电力网中使用电缆较多，其绝缘比较薄弱，一相接地转变

为相间短路的可能性将大大增加。

在20〜6OkV电压级的电力网中，间歇电瓠所引起的过电压，数值更大，对于设备绝缘更

为危险，而且由于电压较高，电弧更难自行熄灭。因此，在这些电网中，规定一相接地电流

不得大于10A。

在与发电机或调相机有直接电气连接的6〜20kV回路中，为防止单相接地时烧坏电机铁

芯，允许的一相接地电容电流更小，可参见表1-2

表1-2发电机回路一相接地电容电流的允许值

序号额定电压（KV）额定容量（MW）额定电压下一相接地电流允许值（A）

16.3<504

210.550〜1003

313.8、15.75125〜2002

418、20>3001

二中性点经消弧线圈接地系统

当一相接地电容电流超过了上述允许值时，可以用中性点经消弧线圈接地的方法来解

决，该系统即称为中性点经消弧线圈接地系统。

消弧线圈主要由带气隙的铁芯和套在铁芯上的绕组组成，它们被放在充满变压器油的油

箱内。绕组的电阻很小，电抗很大。消瓠线圈的电感，可用改变接入绕组的匝数加以调节。

显然，在正常运行状态下，由于系统中性点的电压是三相的不对称电压，数值很小，所以通

过消弧线圈的电流也很小。

当发生一相完全接地时，消弧线圈处在相电压之下，通过接地处的电流是接地电容电流左和

线圈电感电流h的相量和，如图1-7。

从图1-7(6)可见，因为电感电流和电容电流有180°的相位差，所以在接地处它们互

相补偿。如果，IL=Ic就没有电流在接地处通过，实际上，这种完全补偿的情况是不允许的，

因为可能引起谐振。

在电力网中，一般都采用过补偿方式，即单相接地时消弧线圈的电感电流略大于系统一

相接地电容电流，使补偿后的剩余电流较小。采用过补偿方式，即使系统的电容电流突然减

少(如某回线路切除)也不会引起谐振，而是离谐振点更远。

选择消弧线圈的容量，应考虑电网五年左右的发展规划，并按过补偿方式考虑，其容量

按下式计算

S=1.35ICUX(kVA)

式中Ic—电网一相接地电容电流(A);5一电网相电压(kV)o

图1-7中性点经消弧线圈接地的三相系统(C相接地)

(a)电流分布(b)相量关系

在中性点经消弧线圈接地的系统中，一相接地时和中性点不接地系统一样，故障相对地

电压为零，非故障相对地电压升高至，3倍，三相线电压仍保持对称和大小不变，所以也允

许暂时运行，但不得超过两小时，消弧线圈的作用对于瞬时性接地故障尤为重要，因为它使

接地处的电流大大减小，电弧可能自动熄灭。接地电流小，还可减轻对附近弱电线路的干扰。

在中性点经消弧线圈接地的系统中，各相对地绝缘和中性点不接地系统一样，也必须按

线电压设计。

消弧线圈通过隔离开关接在相应电网的发电机、变压器或专用接地变压器的中性点上。

但是，这种接地方式对于运行方式变化较为频繁的系统，由于电容量的不断变化，中性点经

消弧线圈接地可能会造成欠补偿从而引发谐振过电压。因此必须根据电容电流大小的变化调

整消弧线圈的电感值。但目前在线实时检测电网单相接地电容电流的设备很少，因此消弧线

圈在运行中不能根据电容电流的变化及时地进行调节，不能很好地起到补偿作用。特别是由

于故障电流减小为很小的残流后，接地支路的识别更加困难

三中性点直接接地系统

另一种常用的系统中性点的运行方式是将中性点直接接地。这样，中性点的电位在电网

的任何工作状态下均保持为零。在这种系统中，当发生一相接地时，这一相直接经过接地点

和接地的中性点短路，一相接地短路电流的数值很大，因而立即使继电保护动作，将故障部

分切除，如图1-8。

图1-8中性点直接接地的三相系统图1-9中性点经电抗器接地的三相系统

在中性点直接接地的大电力系统内，为了减小一相接地短路电流，也可以将中性点经过

电抗器接地，如图1-9。这时一相接地短路电流，因受到电抗器的限制而大大减小，即需〈

但通常采用的限制一相接地短路电流的方法是不将全部变压器的中性点都直接接地，而

只将其中的一部分直接接地，这样，也可以将一相接地短路电流，减小到不超过可能的最大

三相短路电流。

中性点直接接地或经过电抗器接地系统，在发生一相接地故障时，故障的送电线路被切

断，因而使用户的供电中断。运行经验表明，在1000V以上的电网中，大多数的一相接地故

障，尤其是架空送电线路的一相接地故障，大都具有瞬时的性质，在故障部分切除以后，接

地处的绝缘可能迅速恢复，而送电线路可以立即恢复工作。目前在中性点直接接地的电网

内，为了提高供电可靠性，均装设自动重合闸装置，在系统一相接地线路切除后，立即自动

重合，再试送一次，如为瞬时故障，送电即可恢复。

中性点直接接地的主要优点是它在发生一相接地故障时，非故障相的对地电压不会增

高，因而各相对地绝缘即可按相对地电压考虑；在高电压级时将大大降低电气设备和电网的

建设费用。电网的电压愈高，经济效果愈大。而且在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统

中，单相接地电流往往比正常负荷电流小得多，因而要实现有选择性的接地保护就比较困难，

但在中性点直接接地系统中，实现就比较容易，由于接地电流较大，继电保护一般都能迅速

而准确地切除故障线路，且保护装置简单，工作可靠。

一相接地是电力网中最常见的一种故障。如上所述，这种大接地电流系统在一相接地时

将产生很大的一相接地短路电流，任何部分发生一相接地时都必须将其切除。即使采用自动

重合闸装置，在发生永久性故障时，供电也将中断，有时甚至可能导致系统动态稳定破坏。

而且在这种大接地电流系统中，一相接地在线路与地之间流过很大的一相接地短路电流，将

产生一个很强的磁场，而在附近的弱电线路(如通讯线路或铁路信号线路等)上感应出相当

大的电势，轻则引起噪音，妨害通讯，重则可能引起弱电设备的损坏，并危及通讯人员安全

或引起铁路信号的误动作，因此，大接地电流系统的送电线路，应与弱电线路保持一定的距

离，或在弱电线路上采取有效的保安措施。

四中性点经电阻接地系统

过去我国电厂中压系统和城市、农村电网一律采用不接地或经消弧线圈接地的方式。这

种对于单相接地故障不立即跳闸的接地方式，有利于提高供电连续性和可靠性。这种接地方

式在我国的配电网以架空线路为主，电源容量严重不足，负荷过重，供需矛盾尖锐的时期发

挥了重要作用。这种方式特别适用于故障几率高，绝缘可自行恢复的以架空线路为主的配电

网，例如农村配电网和中小城市城区电网，以及中小型火力发电厂的中压厂用电系统。

随着社会的发展，目前大城市城区配电网、大中型工矿企业配电网、中小型发电机电压

配电网、大型火力发电厂的中压厂用电系统等，均以电缆供电为主，大量的电缆馈线，使得

配电网内的电容电流不断增大。部分城市达到几十安培至上百安培，个别城市甚至达到一百

多安培，大型的火力发电厂中压厂用电系统也达到了几十安培。这样，传统的接地方式就暴

露了许多弊病：

(1)内过电压倍数比较高，可达3.5〜4倍相电压。特别是间歇性电弧接地过电压和谐振

过电压已超过了避雷器允许的承载能力，这对于具有大量高压电动机的工矿企业和火电厂,

绝缘配合相当困难。

(2)单相接地故障下，在升高的稳态电压下运行时间在2h以上，不仅会导致绝缘早期

老化，或在薄弱环节发生闪络，引起多点故障，酿成断路器异相开断，恶化开断条件。

(3)配电网的电容电流大增。这使补偿用消弧线圈容量很大。况且，运行中电容电流

随机性的变化范围很大，采用跟踪范围有限的自动调谐，不论在机械寿命、响应时间、调节

限位等方面也难以满足这种频繁地、适时地大范围调节的需要。另外，网络的扩展也有个过

程，工程初期馈线较少，后期则会逐渐增多，消弧线圈容量也要随之相应扩大。

(4)电缆为非自恢复绝缘，发生单相接地必是永久性故障，不允许继续运行，必须迅

速切断电源，避免扩大事故。消弧线圈在这种情况下不能充分发挥作用。

(5)有些配电网大量采用了对地绝缘水平为相电压级的进口电缆和工频试验电压为28

kv的进口电气设备（国外配电网中性点多数为电阻接地或直接接地），应用于我国中性点

非有效接地系统不够安全。

（6）无间隙氧化锌避雷器应用于中性点非有效接地系统，在单相接地故障状态下的事

故率很高。只有给避雷器加设串联间隙或提高其持续运行电压，才能保证其安全运行。

（7）人身触电不立即跳闸，甚至因接触电阻大而发不出信号。长时间触电，人身安全

难以保障。

因此，这就提出了改变传统的接地方式的要求，即由原来不立即跳闸改为立即跳闸和由

原来中性点非有效接地改为中性点有效接地。单相接地故障，保护立即动作于跳闸。如果电

网仍然是中性点不接地方式，由于电容电流较大，将会造成真空断路器或其他开断设备电弧

重燃，无法灭弧的情况，同时产生严重的操作过电压，危害设备。这样就要求将中性点改为

有效接地的型式，使接地电流由容性向阻性发展，使真空断路器或其他开断设备不致于电弧

重燃，迅速开断故障电流。

中性点有效接地方式分为中性点直接接地和电阻接地。采用中性点直接接地，单相接地

电流很大，可达到几千安甚至几十千安，虽然保护在较短的时间内跳闸，但接地点仍会因为

流过强大的接地电流而严重烧损。采用电阻接地可以限制接地电流在一定的范围内，即达到

保护接地点不会因为流过强大的接地电流而严重烧损，又能满足继电保护的灵敏度要求，达

到限制单相接地时非故障相产生的瞬时过电压。

因此，目前国内在中压系统中，主要由电缆线路组成的电网，如大城市的10kV城网和大

型火力发电厂的6kV厂用电系统，在电容电流超过7A时，均采用中性点电阻接地，单相接地

故障立即跳闸的接地方式。解决了上面所述的弊病，而由于立即跳闸而影响的供电可靠性，

则可以从提高线路或设备的冗余度来解决。当电厂高压厂用电系统的接地电容电流小于7A

时，其中性点宜采用高电阻接地，也可采用不接地方式；当接地电容电流大于7A时，其中

性点宜采用低电阻接地方式，也可采用不接地方式。

1.中性点经电阻接地简介

在6〜10kV以至20kV的电网中，目前所采用的有高电阻、中电阻、低电阻接地3种形式。

其阻值与单相接地故障电流的范围如表1-3。

2.高电阻接地

高电阻接地方式以限制单相接地故障电流为目的，并可防止阻尼谐振过电压和间歇性电

弧接地过电压，但是它要使总的接地电流增大2倍，主要用于200WM以上大型发电机回路

和某些6〜10kV配电网。

在发电机内部发生单相接地故障，为了减轻铁芯的烧毁程度，故障电流超过表1-3所示

数值，须瞬时切机。

表1-3电阻接地的阻值

序号电阻形式电阻阻值（。）单相接地故障电流（A）

1高电阻数百〜数千<10

2中电阻10〜10030~300

3低电阻<10600~1000

发电机中性点若采用消弧线圈接地方式也可以将故障点残余电流限制在表1-3范围内，

而不要求瞬时切机。但此时须注意发电机出口避雷器的选型与发电机的绝缘配合，对无间隙

氧化锌避雷器不推荐采用。

在6〜10kV配电系统以及发电厂厂用电系统，当单相接地电容较小，故障不跳闸时，采

用高电阻接地可以减少故障点的电压梯度，阻尼谐振过电压。

为了遏制间歇性电弧接地过电压，至少应使。=(1〜L5儿。考虑到故障电流宜限制在1OA

以下，以维持2h的运行条件。因此，故障电容电流I。大于4〜5A的网络，就不宜采用高电阻

接地，从而大大限制了这种接地方式的推广应用。

3.低电阻接地

这种中性点采用小于10。电阻接地方式的特点是获得一个大的阻性电流叠加在故障点

上，其优点是：

(1)快速切除故障，过电压水平低，谐振过电压发展不起来，可采用绝缘水平较低的

电缆和设备。

(2)减少绝缘老化效应，延长设备寿命，提高网络及设备可靠性。

(3)把双重接地(异相故障)的几率削减至最低限度。

(4)为采用简单的、有选择性和足够灵敏度的继电保护提供了可能性。

(5)可以采用无间隙氧化锌避雷器。

(6)自动清除故障，运行维护方便。

(7)人身安全事故及火灾事故几率降低。

由于低电阻接地方式的接地故障电流达400〜1000A甚至更大，目的是提高接地保护的灵

敏性和选择性，另一个原因是为了避开高压电动机的起动和线路冲击合闸。这种数百安以至

上千安的接地故障电流会带来以下问题：

(1)电缆一处接地，大的电弧可能会连带烧毁同一电缆沟或电缆隧道的其它相邻电缆，

扩大事故，酿成火灾

(2)低值电阻中流过的电流过大，电阻的热容量与PR成正比，给电阻的制造带来困难。

铸铁电阻难以胜任这种大的电流冲击，合金电阻的造价大高，而且体积太大，每台约1.5〜

c3

2mo

(3)引起的地电位升高达数千伏，大大超过了安全允许值。通信线路要求地电位差不

超过430〜650V;低压电器要求不大于(2U+1000)X0.75=1000V。电子设备不能承受600V的电

位差，人身保安要求的接触电压和跨步电压在0.2s切断电源情况下不大于650V,延长切断电

源的时间，将更会有危险。

4.中电阻接地

为了克服低电阻接地的弊端而保留其优点，可以采用中电阻接地方式，其要求是：

(1)保证%=(1〜1.5儿，以限制内过电压不超过2.6倍(此2.6倍，是高压电动机可以承

受的最大过电压，也是当未发生间歇性电弧接地过电压时，网络上出现的较严重的过电压限

值)。分析表明，进一步增大％减小电阻，对降低内过电压收效不大。

(2)保证接地保护的灵敏性和选择性。

(3)保证设备人身安全。按前述通信干扰、人身保安和设备安全的要求，在接地电阻

不大于0.5。的发电厂和变电所，一般不存在问题。但在接地电阻不大于4。的用户受电配电

所，故障电流则不宜超过150A。这意味着回路中的I。和%均宜控制在100A左右。当I。超过

100A时，可以采取以下措施：增加变电所的母线段数；减少一段母线上连接的馈线数量；

在母线段上或长馈线上加装隔离变；给中性点接地电阻串联一个干式小电抗，把L补偿到

100A以下。

本厂机组10KV厂用电中性点接地就采用了中阻接地方式，接地电阻为101。，最大接地

电流为300A。

目前我国电力系统中性点运行方式，大体是

(1)对于6-10kV系统，主要由电缆线路组成的电网，在电容电流超过7A时，均采用中

性点电阻接地，单相接地故障立即跳闸的接地方式。

(2)对于UOkV及以上的系统，主要考虑降低设备绝缘水平，简化继电保护装置一般均

采用中性点直接接地的方式。并采用送电线路全线架设避雷线和装设自动重合闸装置等措

施，以提高供电可靠性。

(3)20〜60kV的系统，是一种中间情况，一般一相接地时电容电流不很大，网络不很

复杂，设备绝缘水平的提高或降低对于造价影响不很显著，所以一般均采用中性点经消弧线

圈接地的方式。

(4)IkV以下的电网的中性点采用不接地的方式运行。但电压为380/220V的三相四线制

电网的中性点，则是为了适应用电设备取得相电压的需要而直接接地。

五我厂各系统电压等级及中性点接地方式，如表1-4

表1-4我厂各系统电压等级及中性点接地方式

系统名称所接电动机正常母线电母线电压

中性点接地方式相数线数

或额定电压的额定电压压变化范围

220kV230KV230±5%kV主变中性点直接接地33

中性点经配电变(二次侧

发电机15.75kV15.75±5%kV33

接电阻)接地

中压厂用电10kV10.5kV10.5±10%kV变压器中性点经中阻接地33

低压厂用电

380/220V400V/230V400±5%kV直接接地34

(主厂房内)

低压厂用电400±5%kV

380/220V400V/230V直接接地34

(主厂房外)230±5%kV

发电机中性点经配电变(二次侧接电阻)接地。发电机定子线圈接线方式为星型，其星

型接线的中性点通过一台二次侧接有小电阻的单相配电变压器接地。实质上就是发电机中性

点经大阻抗接地，变压器的作用是使低压侧的小电阻反映到高压侧大阻抗接地系统，这样可

以简化电阻器的结构，降低其价格，使安装空间更易解决。这种接地方式可以减少单相

接地故障电流对定子铁芯的损害和抑制故障暂态电压不超过额定相电压的2.6倍。

第二章发电机

第一节发电机的工作原理

一发电机的基本原理

我们知道，导线切割磁力线能够产生感应电势，将导线连成闭合回路，就有电流流通，

发电机就是基于这个原理工作的。

图2-1为最简单的两极同步发电机。定子上有AX、BY、CZ三相对称绕组，转子是直

流励磁的主磁极。

当转子磁极上的激磁绕组通以直流

励磁电流时，转子形成N与S极的主磁

极磁场，磁通①。从N极出来，经气隙一

定子铁芯一气隙，进入S极而形成回路，

如图中虚线所示。

若发电机转子由原动机拖动逆时针

方向以速度n旋转时，主极磁通①。切割

定子绕组而感应出对称的三相电势，其电

势频率为

60图2・1两极同步发电机

式中：n—转子转速，P—极对数1一定子铁芯2.转子3-集电环

定子每相绕组电势的有效值为：

E=4.44fWKw（/>

式中W—每相绕组匝数，Kw—电势绕组系数W,。一每极磁通（Wb）

每相绕组电势的波形，取决于气隙磁密沿圆周的分布以及定子绕组的具体结构。电力系

统中应用的同步发电机，线电势波形都具有很好的正弦性。但是，由于高次谐波的存在，实

际线电势波形与正弦波形有一定偏差，只要高次谐波的幅值限制在规定范围内，即可认为线

电势是正弦波形。

当发电机带上负载，三相定子绕组中将产生电流，三相电流又产生一个合成的旋转磁场，

该磁场与转子以相同的转速和方向旋转，这就叫“同步”。

二基本概念

1.有功、无功、视在功率

有功：在交流电能的发、输、用过程中，用于转换成非电、磁形式（如热能、机械能等）

的那部分能量叫有功，即用于做功而被消耗掉的能量。转换的平均功率叫做有功功率，用P

表示，单位为瓦，符号是W。其数学表达式为：P=UIcos（po

无功：用于电路内电、磁场交换的那部分能量叫无功，即仅用来进行交换而没有被负载

消耗的能量。无功又分感性无功和容性无功，用于电路内磁场交换的能量叫感性无功，用于

电场交换的能量叫容性无功。交换的最大功率叫无功功率，用Q表示，无功功率的单位为

乏，符号是var。其数学表达式为：Q=U/sin。0

视在功率：由于电压、电流间存在相位差，正弦交流电路中的平均功率一般不等于电压、

电流有效值的乘积，为与平均功率相区别，把电压、电流有效值的乘积叫视在功率，用s

表示，单位为伏安，符号是VA。其数学表达式为：S=UIo一般用视在功率表示设备的

容量。

视在功率、有功功率、无功功率关系式为：

S=^P2+Q2或

P=S・cos夕

Q=S•sin。

功率因数：上面有功功率公式中的cos夕叫做功率因数，它为有功功率与视在功率的比

值，等于电压比电流超前的相位差的余弦。功率因数不为1的负载，它的无功功率就不等于

零，就意味着它从电源接受的能量中有一部分是交换而不消耗的，因数值越低，交换部分所

占比例越大。

2.发电机电枢反应

发电机的电枢反应：当有负载电流流过定子绕组时，定子电流便会产生一个磁场，这个

磁场对原来的转子电流所产生的磁场要产生影响，通常把这种影响称为电枢反应。

由于发电机的外负荷具有不同的性质，如负载电流为纯感性，则电枢反应的结果是与转

子磁场相抵消的方向，从而减弱了转子磁场的效果，结果是电压会下降，为保证正常运行，

要求自动励磁系统增加励磁电流。如负载电流为纯容性，则结果相反。

3.发电机铭牌上的容量、电压、电流、温升意义

额定容量：指发电机长期安全运行的最大允许输出功率。

额定电压：指发电机长期安全、经济工作的最高电压，发电机的额定电压指的是线电压。

额定电流：指发电机正常连续运行的最大工作电流。

额定温升：指发电机某部分的允许最高温度与冷却介质额定入口温度的差值。

三发电机的运行特性

1.空载特性

同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流励磁电流，定子绕组开路时

的运行，称为空载运行。

空载额定转速运行时，由于电枢电流等于零，同步发电机的电枢电压等于空载电势E。,

电势E。,决定于空载气隙磁通，磁通取决于励磁绕组的励磁电流库因此空载时的端电压或

电势是励磁电流的函数，即E0=f（4）,称为同步发电机的空载特性。如图2-2所示。

空载特性曲线可以用试验方法测定。维持发电机额定转速不变，然后逐渐增加励磁电流，

使发电机端电压等于额定电压的13倍，然后单方向减少励磁电流，直到励磁电流为零为止。

在增加和减少励磁电流的过程中，逐点记录励磁电流值及对应的端电压，将这些点连起来而

成的曲线就是空载特性曲线。由于铁磁材料具有磁滞性质，励磁电流由零增加到某一最大值,

再反过来由此最大值减小到零时，空载电势并不为零，而是与剩磁相对应的电势值，因此，

试验曲线将得到上升和下降两条不同曲线。

空载特性曲线很有实用价值。可以用它判断电机磁路的饱和情况，铁芯和励磁绕组是否

发生短路故障，此外可以求取发电机的电压变化率，未饱和的同步电抗值等参数。

图2-2同步发电机空载特性

2.短路特性

短路特性是指发电机在额定转速下，定于三相绕组短路时，定于稳态短路电流I与励磁

电流n的关系曲线，即/=f(4)。

在做短路特性曲线时，要先将发电机定于三相绕组出线端短路，然后维持额定转速不变，

增加励磁电流，读取励磁电流及相应的定子电流值，直到定子电流达到额定值为止。

在短路时，发电机端电压为零，在忽略定于电阻的情况下，发电机的电势仅用来平衡稳

态短路电流在同步电抗上的电压降。因为此时发电机相当于一个电感线圈，稳态短路电流是

感性的，他所产生的电枢磁势起去磁作用，所以铁芯不饱和，因此，短路特性曲线是一条直

线。

短路特性可以用来求未饱和的同步电抗和短路比，还可以利用它判断励磁绕组有无匝间

短路等故障。显然励磁绕组存在匝间短路时，因安匝数减小，短路特性会降低。

图2-3短路特性

所谓短路比，就是在对应于空载额定电压的励磁电流下，定子稳态短路电流与额定电流

之比。

3.外特性

外特性是反应发电机端电压随负载电流而变化的曲线，即在励磁电流、转速、功率因数

为常数的条件下，负载(定子电流)改变时端电压的变化曲线，即。=£(/)。图2-4示出

了在几个不同功率因数下的外特性曲线。从图中可以看出，在滞后的功率因数情况下，定子

电流增加时，电压降落较大，这是因为此时电枢反应是去磁的；在超前的功率因数下，定子

电流增大，电压反而升高，这是因为电枢反应是助磁的。

外特性可用来分析电机在运行中的电压波动情况，并藉此提出对自动励磁调整装置电压

调节范围的要求。

图2-4外特性曲线

1-感性负载；2-电阻性负载；3-容性负载

4.调整特性

所谓调整特性，是指端电压、转速、功率因数为常数的条件下，改变负载(定子电流)

时励磁电流的变化曲线，即/f=f(1)。

如图2-5示出不同功率因数下的调整特性曲线。从图中可以看出，在滞后的功率因数下，

负载增加励磁电流也必须增加，这是因为此时去磁作用加强，要维持气隙磁通，必须增加转

子磁势。在超前的功率因数下，负载增加，励磁电流一般还要降低，这是因为电枢反应有助

磁作用的缘故。

图2-5调整特性曲线

调整特性可以使运行人员了解在某一功率因数时，定子电流到多少而不使励磁电流超过

制造厂的规定值，并能维持额定电压。利用这些曲线可使电力系统的无功功率分配更趋合理。

5.功角特性

功角特性反应的是发电机电磁功率与功角之间的关系，其表达式为：

式中P-发电机电磁功率

m一定子绕组相数

U-定子相电压

Eq一发电机感应电势

4—发电机同步电抗

3—功角，转子磁极中心线与定子磁极中心线的夹角，也是端电压U与感应电势Eq间的

夹角。

图2-6功角特性曲线

图2-6示出了电磁功率与功角的关系曲线，这是一条正弦函数变化的关系曲线，称为功

角特性，很明显，最大功率发生在3=90°时，此值称为系统极限功率。

下面从功角的物理意义说明发电机发出有功功率的过程。发电机运行时，其输出功率取

决于汽轮机输出到发电机轴上的机械功率，逐步增加原动机的输出功率，且使输入转矩大于

电磁转矩和空载转矩之和，则剩余转矩使转子加速。合成等效磁势及旋转速度，受电网电压、

频率的牵制保持不变，于是励磁磁势此时就会超前于合成磁势，也即功角增大，功角增大就

引起电磁功率增大，相应的电磁功率转矩增大，直到剩余转矩为零，转子转速不再升高，达

到新的平衡状态。

但是，当6=90°时，电磁功率已达到最大值，再继续增加输入功率，则490°,电磁

功率反而减小了，就会出现更多的剩余功率，因此功率不能保持平衡，剩余功率将使转子继

续加速，直至转速大于同步转速，称之为“失去同步”，同步发电机则失去了静态稳定。

当同步发电机失去静态稳定后，应立即减小原动机功率，否则由于电磁功率的减小，剩

余功率增加，使转子达到很高的转速，这时相当大的离心力作用在转子上，转子将被损坏。

另外，由于电机的电势、频率与电网不同，定子绕组中将出现数值大到足以损坏定子的电流。

因此，同步发电机在与电网并列运行时，必须保持静态稳定运行状态。

同步发电机维持静态稳定的判据是：当6角增大后，电磁功率P也随之增大。以微分的

形式表示则为：

，嚼。

式中P,称整步功率，当整步功率大于零时，发电机能保持静态稳定运行；而整步功率

小于零时则不能维持静态稳定运行。在3=90'时，就达到稳定极限，此时对应的电磁功率

为稳定极限功率。

在实际运行中，电机应在稳定极限范围内运行，且应留有足够的静态稳定储备。发电机

静态稳定储备能力用静稳定储备系数来衡量，其表达式为：

Kp=%xlOO%

PQ

PM为发电机极限功率，P。为发电机运行点功率。一般规定正常运行时发电机的静稳定

储备系数不小于15〜20%,功角值一般30°-40°„

6.发电机安全运行极限

1）发电机安全运行极限

在稳定运行条件下，发电机的安全运行极限决定于下列四个条件：

①原动机输出功率极限。

②发电机的额定容量，即由定子绕组和铁芯发热决定的安全运行极限。在一定电压下，

决定了定子电流的允许值。

③发电机的最大励磁电流，通常由转子的发热决定。

④进相运行时的稳定度。当发电机功率因数小于零（电流超前于电压）而转入进相运行

时，磁势发电机的有功功率输出受到静稳定条件的限制。此外，对内冷发电机还可能受到端

部发热限制。

上述条件，决定了发电机工作的允许范围。

图2-7汽轮发电机的P—Q曲线

2）发电机P—Q曲线

在电力系统中运行的发电机，在一定的电压和电流下，当功率因数下降时，发电机的无

功功率增大，有功功率相应减小；而当功率因数上升时，则要减少无功功率、增大有功功率，

以达到输出容量不超过允许值。发电机P—Q曲线图就是表示其在各种功率因数下，容许的

有功功率P和无功功率Q的关系曲线，又称为发电机的安全运行极限如图2-7所示。

发电机的P-Q曲线，是在发电机端电压一定、冷却介质温度一定、不同氢压条件下绘

制的，如图2-7所示。电压、电动势、功率都以标么值表示的，其绘制基本步骤：

①以O为圆心，以定子额定电流氐为半径，画出圆弧。

②在横轴O点左侧，取线段万厉等于曾，它近似等于发电机的短路比Kc,正比于空

载励磁电流。

E

③以M点为圆心，以T为半径（即图2-7中的MC线段，它正比于额定励磁电流）画

Xd

出圆弧。

④以汽轮机额定功率画一平行于横坐标的水平线HBG,表示原动机输出限制。

⑤从M点画一垂直于横坐标的直线MH,相应6=90°,表示理论上的静稳定极限。

考虑到发电机有突然过负荷的可能，实际静稳定限制，应留有适当储备，以便在不改变

励磁电流的情况下，能承受突然性的过负荷。（图中的BF曲线）由上述各曲线或直线段所

围成的DCGBFD区域，就叫汽轮发电机的安全运行范围或叫安全运行区。发电机的运行点

处于这区域或边界上，均能长期安全稳定运行。

实际发电机的P-Q曲线需要做试验来确定。

7.V形曲线

当发电机带感性负载时，电枢反应具有去磁性质，这时为了维持发电机的端电压不