课件电气基础知识.docx

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课件电气基础知识

电气基础知识

（一）

第一章电气基础知识

第一节交流正弦量相量

1.1什么是交流量、正弦量

1.2相量和交流量的对应关系

第二节有功功率无功功率

2.1无功功率的的基本概念

2.2纯电阻电路电压、电流、功率分析

2.3电感电路电压、电流、功率分析

2.4电容电路电压、电流、功率分析

第三节变压器的基本原理

3.1变压器空载运行电磁过程分析

3.2变压器负载运行电磁过程分析

3.3变压器电磁原理现场实际应用举例

第四节发电机基本原理

4.1

第五节中性点接地方式

5.1中性点接地方式概述

5.2不接地系统发生单相接地故障分析

5.3中性点接地方式在继电保护中的分法

5.4中性点线圈接地方式

5.5我厂接地方式介绍

第五节序分量

6.1序分量的基本概念

6.2对称分量法的应用—单相接地故障分析

第六节二次回路及小结

编者：

李博

引言

本章内容介绍电气基础知识，包括交流正弦量、相量，有功功率、无功功率，变压器基本原理，中性点接地方式，序分量，二次回路。

整个电气基础知识课件注重物理和相应的数学推导过程，既要建立最后概念，又要掌握概念建立过程的推导方法，讲求整体性，会有纵向和横向的穿插。

第一节交流正弦量相量

电力系统采用的一般都是交流正弦量，正弦交流电压或者正弦交流电流。

1.1交流量

1.1.1什么是交流量？

大小和方向随时间周期性变化的电压和电流称为交流电。

例图：

图1-1交流量图1-2交流量图1-3直流量

1.1.2为什么电力系统常采用交流电？

与直流电相比，交流电在产生、输送和使用方面具有明显的优点和重大的经济意义。

电压的升高和降低，在交流供电系统中可以很方便而又经济地由变压器来实现，对于用户来说，采用较低的电压既安全又可降

低电器设备的绝缘要求。

此外，异步电动机比起直流电动机来，具有构造简单、价格便宜，运行可靠等优点。

1.1.3高压直流输电

1）超高压直流输电直流输送输送相同功率时，线路造价低：

交流输电架空线路通常采用3根导线，而直流只需1根（单极）或2根（双极）导线。

因此，直流输电可节省大量输电材料，同时也可减少大量的运输、安装费。

2）线路有功损耗小：

由于直流架空线路仅使用1根或2根导线，所以有功损耗较小，并且具有"空间电荷"效应，其电晕损耗和无线电干扰均比交流架空线路要小。

3）适宜于海下输电：

在有色金属和绝缘材料相同的条件下，直流时的允许工作电压比在交流下约高3倍。

2根心线的直流电缆线路输送的功率Pd比3根心线的交流电缆线路输送的功率Pa大得多。

 运行中，没有磁感应损耗，用于直流时，则基本上只有心线的电阻损耗，而且绝缘的老化也慢得多，使用寿命相应也较长。

4）系统的稳定性问题：

在交流输电系统中，所有连接在电力系统的同步发电机必须保持同步运行。

如果采用直流线路连接两个交流系统，由于直流线路没有电抗，所以不存在上述的稳定问题，也就是说直流输电不受输电距离的限制。

5）能限制系统的短路电流：

用交流输电线路连接两个交流系统时，由于系统容量增加，将使短路电流增大，有可能超过原有断路器的遮断容量，这就要求更换大量设备，增加大量的投资。

直流输电时，就不存在上述问题。

1.1.4什么是交流正弦量。

按照正弦规律变化的交流电势、交流电压、交流电流等物理量统称为正弦量，正弦交流电路中的正弦量的时间函数可以用sin和cos两种形式表示，一般采用sin形式。

1.2相量

1.2.1为什么还要用相量表示

交流正弦量的一半表达式为（以交流电流为例子）：

，如图

图1-4正弦交流量图1-5正弦交流量

可以用三角函数式和波形图表示。

用三角函数优点是可以直接从正弦量看到三要素即初相位、角频率、最大值。

但是在计算同频率下正弦量的加减运算时会遇到麻烦；又比如变压器的连接方式与其差动保护分析；故障分析中正序量、负序量、零序量；接地故障时电压与电流的相位关系等等都会用到相量分析，那么我们说相量是怎么来的，和正弦交流量有什么关系？

1.2.2相量与交流正弦量的对应关系。

在直角坐标系中，如果一个向量匀速旋转在Y轴上的投影对应一条正弦函数，反之一个正弦量也可以用一个旋转向量表示，图5。

向量的长度表示正弦量的最大值，相量的初始位置于X轴正方向的夹角表示正

图1-6相量与正弦量

弦量的初相角，相量旋转的角速度代表正弦量的角频率，不同时刻t向量在Y轴上的投影表示正弦量的瞬时值。

相量与向量。

这里的相量与数学或者物理中的向量不同，在数学中，既有大小又有方向的量叫做向量，也称矢量，物理中的力、速度等。

在电力系统中，相量用以表示正弦量大小和相位，为了区别“向量”，这里用“相量”表示。

这里的“相”的意思指的是“相线”，如单相、三相等。

将同频率的正弦量相量画在同一个复平面中，称为相量图。

一般我们比较关心的问题都是正序电压和电流相位差或者相电压和相电流相位差。

平时也会经常用到有效值的概念，有效值的定义是在相同的电阻上分别通以直流电流和交流电流，经过一个交流周期的时间，如果它们在电阻上所消耗的电能相等的话，则把该直流电流（电压）的大小作为交流电流（电压）的有效值，正弦电流（电压）的有效值等于其最大值（幅值）的。

图1-7交流正弦量与有效值的对应关系

1.2.3正弦三相电

电力系统在发电、输电和配电方面以及大功率用电设备都是采用三相制。

这是因为三相制在技术和经济性上具有重大优越性。

例如在尺寸相同的情况下，三相发电机比单相发电机的输出功率大；在输电距离、输送功率等电气指标相同的情况下，三相电比单相输电节约25%的金属材料。

对称三相电源是由三个频率相同、幅值相等和初相角依次相差120°的正弦电压源按一定方式连接而成，依次称为A、B、C相，记为：

、，其瞬时值表达式为：

相量表达式为：

第二节有功功率无功功率

2.1无功功率的的基本概念

电力系统是个复杂的能量交换过程，有功功率和无功功率是维持电力系统的运行的两种能量重要的表达形式。

有功功率应用广泛，不论从数学表达式还是从物理意义大家也都很熟悉，虽然是抽象的东西，但却也能感受到，周围的例子很多，如从汽轮机到发电机是机械能转化为电能，6kV的引风机将电能转换为机械能，照明设备是电能转换为光能、热能等等，有功功率表达为电能与其他形式的能量转化过程。

那无功功率呢？

首先，无功功率不是无用的功率，它为能量交换、输送、转化创造必要的条件。

电力系统有功功率的传输需要无功功率的支持，用于在电气设备中建立和维持磁场，完成电磁能量的转换。

无功功率不对外做功，电气设备都要消耗无功功率，如变压器、电动机、电风扇、冰箱等，他们不仅从电力系统中吸收有功功率，同时需要吸收无功功率，以产生这些设备正常工作所需要的交变磁场。

以上这些是无功功率的用处，无功功率本身的概念应怎样才能建立起来呢？

需要从最基本的元器件电阻、电感、电容入手，讨论他们的电压、电流及功率情况。

2.2纯电阻电路

2.2.1电压电流的关系

若电流量为：

有效值为：

那么电压量为：

有效值为：

图2-1电流电压波形图图2-2电流电压相量图

2.2.2瞬时功率。

在交流电路中电压和电流是随时间变化的，所以电阻任一时刻吸收和消耗的功率也是随时间变化的，这个功率称为瞬时功率，用表示，表达式为：

，这个图形怎么画出来的？

数学推导。

图2-3瞬时功率波形图

可见瞬时功率不断变化，除过零点外其余各点都为正值，说明电阻是耗能元件。

2.2.3平均功率

瞬时功率说明了功率的变化情况，但平时用的是平均功率[类似于有效值，交流正弦的平均值不是有效值，平均值是零]，在工程中常用一个周期内的平均值来衡量交流电路功率的大小，这叫做平均功率，记为P，表达式是：

这个功率也称为有功功率。

叙述推导过程，我们平常看到的电气设备上的功率，就是平均功率，即有功功率。

2.3电感电路

2.3.1电压电流关系

若电流量为：

因为电感元件的伏安特性：

，

电压量为：

称为感抗，记做。

如下图

图2-4电压电流波形图图2-5电压电流相量图

2.3.2瞬时功率

图2-6瞬时功率波形图

2.3.3平均功率

平均功率：

由此可知平均功率为零，即有功功率为零，这说明电感不消耗能量，但和电源之间却有能量的交换，怎么来表达这个能量交换的规模？

用瞬时功率的最大值，即，就是我们刚开始提到的无功功率，或者说我们将能量转化的规模称为无功功率。

如果一个电感线圈在直流电路中，由于线圈的电流和磁通都是恒定不变的，所以在线圈中不产生自感电动势。

此时仅有线圈中的电阻起作用，由于线圈中的电阻很小，所以实际上这个回路构成了短路，所以电感元件具有“通低频、阻高频”的作用。

2.4电容电路

2.4.1电压电流关系

若电流量为：

因为电容元件的伏安特性：

，

电压量为：

图2-7电流电压波形图图2-8电流电压相量图

可见：

1）电压和电流为同频率的正弦量；

2）相位上电流超前电压90°，或者电压滞后电流90°；

3）电压有效值与电流有效值之间有类似欧姆定律的关系，

为电容电抗，通高频、阻低频、隔直流。

2.3.2瞬时功率

图2-9瞬时功率波形图

2.3.3平均功率

平均功率：

由此可知平均功率为零，即有功功率为零，说明电容不消耗能量，但是却电源之间有能量的交换，怎么来表达能量交换的规模，用瞬时功率的最大值，即，这个东西是什么？

就是我们刚开始提到的无功功率，或者说我们这个能量转化规模称为无功功率。

无功功率，其单位本身是由电压和电流乘积而来，为了与有功功率VA区别开来，就在VA的后面加一个R（Reactivepower，无功功率的字头）。

在量纲上，VAR是与VA是一样的，但物理意思不同。

 电路系统中，当电路表现为感性时，电路吸收无功功率，电流滞后于电压，当电路表现为容性时，电路放出无功功率，电流超前于电压。

因此电网系统中有感性无功功率和容性无功功率，而电力系统中最大的负荷是感性的，所以我们通常将吸收感性无功功率的负荷称为“无功负荷”；而将吸收容性无功功率的功率设备称为“无功电源，也就是在电力系统中能提供容性无功功率负荷的设备，通常说的无功补偿设备。

无论是感性无功功率还是容性无功功率，他们仅在电流与电压超前和滞后，性质是相同的都是建立的维护磁场。

这两个概念有了后有人会问如果我将电网上添加很多电容补偿强行将母线功率因素补偿到1即电压与电流无夹角，是不是电网中间就没有无功了？

其实是母线功率因素为1只能说线路中的容性无功恰好等于感性无功，类似于电容放电时电感在充电，电感充满电后放电时电容恰好放完电需要充电。

对无功功率的概念，电网关注比较多，因为它和系统电压、电力系统经济运行、静态稳定等都一些列重要的问题有很大关系，对于我们，了解无功功率的概念对掌握发电机、变压器、电动机的原理有很大帮助。

变压器是电力系统无功功率消耗的大户，变压器的无功损耗包括励磁消耗和漏抗中消耗。

并且无功功率对变压器内磁场的建立有重要的作用，那么变压器的能量是怎么样实现传变的呢，又是怎么样消耗无功功率的呢？

第三节变压器的基本原理

变压器的原理说的就是变压器能量的传变过程，能量传变过程和无功功率密切相关，并且理解变压器的原理对了解变压器性能及对应的保护设置很有帮助。

变压器是一种静止电气设备，它通过线圈间的电磁感应，将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能。

确切地说，它具有变压、变流、变换阻抗和隔离电路的作用。

3.1空载运行

3.1.1