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电气工程基础

第一章绪论

第一节我国电力工业发展概况及前景

电力市场的基本特征是：

开放性、竞争性、计划性和协调性。

电力市场的基本原则是：

公平、公开和公正。

第二节电力系统基本概念

一次能源：

煤、石油、天然气、水能等随自然演化生成的动力资源是能源的直接提供者，称为一次能源。

二次能源：

电能是由一次能源转换而成的，称为二次能源。

由发电厂生产的电能，经过由变压器和输电线路组成的网络输送到城市、农村和工矿企业供给用户的电能消耗。

变电站是联系发电厂和用户的中间环节，一般安装有变压器及其控制和保护装置，起着变换和分配电能的作用。

由变电站和不同电压等级输电线路组成的网络，称为电力网。

由发电厂内的发电机、电力网内的变压器和输电线路及用户的各种用电设备，按照一定的规律连接而组成的统一整体，称为电力系统。

由图可以看出，为减少由发电机生产的电能在输送过程中的损耗，一般先经过变电站的升压变压器将电压升高后，再通过输电线路送入电力系统。

由于用户用电设备的额定电压较低，因此电能送到用户地区后要经过变电站将电压降低后供给用户用电设备消耗。

电力网按电压等级的高低、供电范围的大小分为：

地方电力网：

电压等级35kV及以下，供电半径在20-50km以内的电力网，（一般企业和农村乡镇）

区域电力网：

电压等级35kV以上，供电半径超过50km，（电压等级为110-220kV的网络就属于）

超高压远距离输电网：

电压等级为330-750kV的网络，一般由远距离输电线路连接而成。

它的主要任务是把远处发电厂生产的电能输送到负荷中心，同时HIA联系若干区域电力网形成跨省、跨地区的大型电力系统。

如我国的东北、华北、华东、华中、西北和南方等电网。

变电站是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。

根据其在电力系统中的地位分：

枢纽变电站：

位于电力系统的枢纽点，高压侧电压为330-500kV，连接电力系统高压和中压的几个部分。

全站一旦停电，将引起整个电力系统解列。

甚至使部分系统瘫痪

中间变电站：

电压为220-330kV，全站一旦停电，将引起区域电力系统瘫痪

地区变电站：

是一个地区或城市的主要变电站，高压侧一般为110-220kV。

停电导致该地区中断供电。

终端变电站：

输电线路终端连接负荷点，高压侧110kV（降为10kV）。

停电导致用户中断供电。

电力系统的形成带来的技术经济效益大，具体如下（即why将孤立的发电厂互相连接成电力系统供电）

可以提高供电可靠性；

可以减少备用容量；

可以减少系统装机容量；

可合理利用能源，充分发挥水电在系统中的作用；

采用高效率大容量的火电机组；

可以提高系统运行的经济性。

电力系统的特点：

电能不能大量储存：

在电力系统中，电能的生产、变换、输送、分配和使用是同时进行的。

过渡过程十分短暂：

电以电磁波的形式传播，3*108m/s。

出现异常状态等过渡过程是及其短暂的。

因此

必须采用各种自动装置、远动装置、保护装置和计算机技术来迅速而准确地完成各项调整和操作任务。

电能生产与国民经济各部门和人民生活有着极为密切的关系

电力系统的地区性特点较强

对电力系统的要求：

保证供电可靠性；

保证良好的电能质量；

为用户提供充足的动力

提高电力系统运行经济性

第三节电能的质量指标（衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形）

电压：

（eg：

白炽灯：

当电压降低时，其发光效率和光通量都会急剧下降；而当电压升高时，白炽灯的使用寿命将会缩短。

）各类用电设备的工作情况都与电压的变化有着极为密切的关系，故在运行中必须规定电压的容许变化范围，这也就是电压的质量标准。

频率：

频率的偏差同样会影响电力用户的正常工作。

（eg:

电动机频率降低将导致其转速下降，从而使生产率降低；频率增高将使转速上升，增加功率消耗，使经济性降低。

）此外，频率的变化还将影响到电钟的正确运行。

根据频率的质量指标，要求同一电力系统在任何一瞬间的频率值必须保持一致。

在系统稳态运行的情况下，频率值取决于发电机组的转速，而机组的转速则主要取决于发电机组输出功率与输入功率的平衡情况。

所以，要保证频率的偏差不超过规定值，首先应当维持电源与负荷间的有功功率平衡，其次还要采取一定的调频措施，即通过调节使有功功率保持平衡来维持系统频率的偏差在规定允许限制之间。

波形：

要求地哪里系统供电电压（或电流）的波形为正弦波。

为此，首先要求发电机发出符合标准的正弦波电压。

其次，在电能变换、输送和分配过程中不应使波形发生畸变。

（抑制非线性用电设备产生的谐波）

第四节电力系统的电压等级及其选择

电力系统额定电压和最高电压输电线路的功率损耗：

输电线路中通过电流的大小是由传输的视在功率和电压决定的。

输电线路的功率损耗是由电流和输电线路参数决定的。

对一个国家来说，不可能建设一条输电线路就确定一个电压等级。

会造成通用性差，备用设备增加。

为了使生产标准化、系统化和统一化，电力系统的电压等级应有统一的标准。

电力系统运行时，在任何时间系统中任何一点所出现的电压最高值（不包括系统的暂态和异常电压），称为电力系统最高电压。

电气设备额定电压和最高电压为了保证设备在偏离其额定电压允许值得范围内工作，在同一电力系统的额定电压下，电气设备的额定电压值是不同的。

发电机、变压器与电力系统的额定电压之间有联系。

这是因为发电机、变压器和输电线路的阻抗上将产生电压损耗。

一般规定：

电力线路的额定电压和电力系统的额定电压相等；发电机的额定电压一般比相应地系统额定电压高5%。

变压器一次侧绕组额定电压应等于电力系统额定电压，对于直接和发电机连接的变压器一次侧绕组额定电压应等于发电机的额定电压；变压器二次侧绕组额定电压比相应电力系统额定电压高10%或5%（二次侧直接与用电设备相连，压降较小）。

这样规定电气设备的额定电压，往往是考虑到变压器约有5%的电压损耗，输电线路约有10%的电压损耗。

电力网中的电压分布

第五节电力系统中性点接地

电力系统的中性点是指星形连接的变压器或发电机的中性点。

这些中性点的接地方式涉及系统绝缘水平、通信干扰、接地保护方式、保护整定、电压等级及电力网结构等方面，是一个综合性的复杂问题。

我国电力系统的中性点接地方式主要有4种，即不接地（中性点绝缘）、中性点经消弧线圈接地、中性点直接接地和经电阻接地。

前两种接地方式称为小电流接地，后两种接地方式称为大电流接地。

这种区分发是根据系统中发生单相接地故障时，按其接地故障电流的大小来划分的。

确定电力系统中性点接地方式时，应从供电可靠性、内部过电压、对通信线路的干扰、继电保护及确保人身安全诸方面综合考虑。

第二章发电系统

第二节火力发电厂

火电厂是利用煤、石油或天然气作为燃料生产电能的工厂，其能量的转换过程是：

燃料的化学能→热能→机械能→电能（火电厂将一次能源转换为电能的生产过程中要经过三次能量转换）。

即首先是通过燃烧将燃料的化学能转换为热能，再通过原动机（汽轮机）把热能转换为机械能，最后通过发电机将机械能转换为电能。

【汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械，主要用作发电用的原动机】

火电厂的主要系统：

燃料的化学能在锅炉燃烧中转变为热能，加热锅炉中的水使之变为蒸汽，称为燃烧系统；

锅炉产生的蒸汽进入汽轮机，冲动汽轮机的转子旋转，将热能转变为机械能，称为汽水系统；

由汽轮机转子旋转的机械能带动发电机旋转，把机械能变为电能，称为电气系统。

第三章输变电系统

第一节概述

电气主接线：

发电厂和变电站内有电气一次接线、二次接线和自用电接线，电气一次接线是由一次设备，按其功能和输变电流程连接而成的电路，也称为电气主接线或电气一次主系统。

（一次设备有：

变压器T；断路器QF、熔断器、隔离开关、接触器；母线W；电抗器L、避雷器；同步调相机CS；电压互感器TV、电流互感器TA等）二次系统：

实现一次设备的监视、测量、控制、保护。

第二节输变电设备

输电线路：

输电线路按电力线路的结构分为架空线路和电缆线路。

开关电器是断开或接通电路的电气设备总称，按功能可划分为以下几类：

仅用于断开或闭合正常工作电流，如负荷开关、接触器；

仅用于断开过负荷电流或短路电流，如熔断器；

用于断开或闭合正常工作电流、短路电流，如断路器QF

不要求断开或闭合电流，只用于检修时隔离电压，如隔离开关QS。

高压断路器按采用的灭弧介质可分为：

油断路器、压缩空气~、SF6~。

任务是：

开断电路，熄灭电弧。

互感器TA的一次绕组串联在输变电主回路内，TV的一次绕组则与相电压或线电压连接。

二次绕组根据不同要求，分别接入测量仪表、继电保护或自动装置的电流线圈或电压线圈。

互感器的作用：

将一次回路的大电路、高电压变换为二次回路的小电流（5A或1A）、低电压（100V，100V/

），使测量仪表标准化、小型化，并使二次设备与一次高压隔离。

互感器二次侧必须接地，以保证一、二次侧绕组间绝缘击穿后的人身和设备安全。

第三节电气一次接线

发电厂和变电站中电气主接线的基本接线形式，可分为有汇流母线和无汇流母线两大类。

有汇流母线的接线形式有：

单母线（及其分段）、双母线（及其分段）；增设旁路母线或旁路隔离开关，一台半断路器接线，变压器母线组接线等。

无汇流母线的接线形式有：

单元接线、桥形接线和角形接线。

进线是电源，出线指线路；进线和出线统称回路。

汇流母线W是进线和出线之间的中间环节，起汇集和分配电能的作用。

每条线路一般均装有断路器QF（因为其具有灭弧装置，可以开断、闭合负荷电流和短路电流），QF两侧装有隔离开关QS（无灭弧装置）。

安装QS的目的，是在线路停运后用隔离开关隔开电源，这样当检修线路或断路器时，形成一个检修人员能看见的明显的断开点。

这样万一断路器的合分闸指示器失灵，对检修人员也是安全的。

QF1靠发电机一侧可以不装QS，但其检修时，发电机需停机。

QS4又称接地刀闸，在检修线路或设备前将其合上，使线路或设备与地等电位，防止突然来电，确保检修的人身安全。

运行操作时，必须严格遵守操作顺序，如出线1送电时，在接地刀闸QF4和断路器QF2断开的情况下，先合上QS2和QS3，再投入QF2；如欲对出线1停止供电，须先断开QF2，如线路或断路器QF2需检修，再断开QS2和QS3。

待线路对侧停电后，再合上接地刀闸。

第五节保护接地

保护接地（作用）是将电气设备金属外壳、金属构件或互感器的二次侧等接地，防备由于绝缘损坏使外壳带危险电压，以保护工作人员在接触时的安全。

触电三类：

与带电部分直接接触；

发生接地故障时，人处于接触电压和跨步电压的危险区；

与带电部分间隔在安全距离之内。

【触电对人体的损害程度，不直接取决于电压，主要取决于流过人体的电流大小和接触时间的长短。

减少接地电阻RE，可在一定范围内减少流过人体的电流。

接地电压就是电气设备接地点的电位E与零电压之间的电位差，其与接地电流IO的比值，定义为该点的接地电阻R=E/I.人触及带电的外壳，加于人手和脚之间的电压，称为接触电压；人在分布电位区域内跨开一步，两脚间所受到的电压称为跨步电压。

第六节高压直流输电

两端直流输电系统由整流站、直流输电线路和逆变站三部分组成。

整流站和逆变站统称为换流站。

电路原理

第一章电路的基本定律和电路元件

电路中的几个术语：

支路、节点、回路【回路的特例是“网孔”，所谓“网孔”是指在回路内部不含有支路的回路。

又分为“内网孔”和“外网孔”，“外网孔”是指由电路最外延的支路所形成的闭合路径。

】、平面电路和非平面电路【若一个电路能在平面上且不致有任何两条支路在非节点处交叉，这种电路被称为平面电路，否则为非平面电路。

（经过改画后还是交叉）】

若在选取两者的参考方向是，使电流从电压的“+”极流入，从“—”极流出，称为电流电压的关联参考方向。

此时，P=UI，若P为正，则电路吸收功率‘若p为负，电路发出功率。

非关联时，P=-UI

电路的基本定律——基尔霍夫定律。

基尔霍夫电流（第一）定律（KCL），基尔霍夫电压（第二）定律（KVL）。

若某网络有n个节点，b条支路，则独立的KCL方程的数目为n-1个（或者说是独立节点数），独立的KVL方程的数目为b-n+1个（或者说是独立回路的个数）

奇异函数及波形的表示法。

一、阶跃函数

二、单位脉冲函数

三、冲激函数

四、波形的奇异函数表示法

闸门函数有三种表示法：

1）两阶跃函数之差

2）两阶跃函数的乘积

3）用脉冲函数表示

电路元件的分类：

若元件的特性曲线为一条经过坐标原点的直线，则称为线性元件，否则为非线性元件。

若元件的特性曲线在坐标平面上的位置不随时间而变，则称为时不变原件，否则称为时变元件。

电阻元件：

R，电导G=1/R，单位为西门子（S）。

在任意时刻的电压值只取决于同一时刻的电流值，而与在此之前的电流值无关。

具有这种特性的元件被称“无记忆元件”。

电容元件：

线性时不变电容元件的定义式:

。

电容电流电压为关联参考方向时，电容电流电压的关系：

。

也有

。

记忆元件。

【电容电压的连续性原理：

电压不能突变，故

；当给定电压的原始值时，伏安关系

】

【电容元件的能量功率：

（可正可负）电场能量：

】

电感元件：

线性时不变电感元件的定义式:

。

电感电流电压为关联参考方向时，电感电流电压的关系：

。

也有

。

记忆元件。

【电感电流的连续性原理：

电流不能突变，故

；】【电感元件的能量功率：

磁场能量：

磁链】

独立电源：

在电路理论中，通常将电源和信号源都称为电源，并且将电源称作激励源，简称为“激励”，由电源在电路中的任一部分引起的电压或电流被称为“响应”。

独立电压源：

一个二端元件，若在与任意的外部电路连接时，总能维持其端电压为确定的波形或量值，而与流过它的电流无关。

电压源不能短路，否则流经电压源的电流将为无穷大。

电流源不能开路，否则相当于与一个

的电阻相接而导致电流源的端电压为无穷大。

受控电源：

用菱形符号表示。

当受控源的控制量与被控制量之间为线性关系时，称为线性受控源，否则称为非线性受控源，【四种形式：

电流控制电流源（CCCS）、电流控制电压源（CCVS）、电压控制电流源（VCCS）、电压控制电压源（VCVS）】

运算放大器：

放大区、饱和区。

【理想运放的条件：

1）开环放大倍数

;2）具有无穷大的输入电阻

；3）输出电阻为零，即

】虚短虚断，KCL，KVL进行求解。

第二章电路分析方法之一——等效变换法

“等效”：

的核心在于两个电路对外效果的一致，即他们对任意外部电路的影响完全相同，而不问两者之间内部结构的差异。

两者对应端口的伏安关系式完全一致。

电阻元件的并联：

n个电阻并联之等效电阻值总小于n个电阻中最小的电阻值。

。

任一电阻中的电流等于该电阻的电导与等效电导的比值乘以端口电流

，电阻越大，电流小。

电源的等效变换：

1）当端口电流为零时，有

，故ES称为开路电压。

2）内阻越小越好

3）戴维南等效电路

1）当端口电压为零时，有

，故IS称为短路电流

2）内阻越大越好

3）诺顿等效电路

实际电源的两种电路模型的等效变换

这种变换的“等效”是对电路端口的外特性而言的，对内部电路来说，这种变换并非是等效的。

线性电阻的Y形连接和△形连接的等效变换

Y→△变换：

若Y形电路中三个电阻相等，则等效的

△→Y变换：

若△形电路中三个电阻相等，则等效的

自然等位点性质：

1）自然等位点间可用一根无阻导线相连；2）之间的无源支路可以拿掉，代之以开路。

电桥平衡法：

平衡时，桥支路的两个端点为自然等位点。

可断开课用一根导线连接。

平衡条件：

说明：

电桥平衡条件是根据“桥”支路为无源支路这一特定情况而言的。

对称点法;电路中处于对称位置的点是自然等位点，可短接或断开以简化电路。

电容元件的串联和并联：

电容串联时，

及分压公式与电阻并联时

的算式及分流相似。

【等效电容的初始电压等于n个电容的初始电压之和】电容并联时，和电阻串联相似。

初始电压用电荷守恒算

电感元件的串联和并联;与电阻串并联计算类似。

节点电压法：

①选定参考节点，并对其余节点进行编号。

②列写“节点电压方程”，自导（连接在节点上所有支路电导之和【先导再加】，与电流源串联的电导除外）为正数，互导（该节点和其他节点之间支路电导，电流源串联的电导除外）为负。

自导*节点电压+互导*另外节点电压=流入该节点的电流源电流。

【实质是列写独立节点的KCL方程，独立节点n-1个】

网孔电流法：

自电阻是在网孔回路上所有支路电阻之和，为正。

互阻是两个网孔公共支路上的电阻之和，当两回路电流在公共支路上参考方向一致时，互阻为正，相反时，互阻为负。

沿回路绕行方向上电压源电压升的取正号，否则取负号。

不含时为零。

【实质是列写独立回路的KVL方程，b-n+1】

戴维宁和诺顿等效电路：

等效电阻，是将网络中所有的独立电源置零后的无源网络从端口看进去的等效电阻，【受控源保留，在端口施加电压电流，计算R】，电压源短路，电流源开路即可。

一阶电路：

RC电路的时间常数RC、RL电路的时间常数：

L/R

三相正弦稳态电路：

同名端：

若两线圈的电流均从同名端流入，则每一线圈中的自感磁链和互感磁链是相互加强的，M前取正号；反之，则自感磁链和互感磁链相互削弱，M前取负号。

耦合电感元件的串联：

顺接【异名端相接】

；反接【同名端相接】

耦合电感元件的并联：

同名端相接

；异名端相接

；

第三章电路分析方法之二——电路方程法

“等效”：

的核心在于两个电路对外效果的一致，即他们对任意外部电路的影

第四章配电系统

第一节概述

配电网：

通常是指电力系统中二次降压变压器低压侧直接或降压后向用户供电的网络。

配电网由架空线或电缆配电线路、配电所或柱上降压变压器构成。

属于地方电力网。

配电网主要特点：

对城市配电网而言，负荷相对集中，布点多，事故影响大，短路容量大，为200~300MVA。

对农村配电网而言，负荷分散，供电半径大，线路长，线路维护工作量大，短路容量小，一般为100~200MVA。

重合器:

是一种具有控制及保护功能的开关设备，它能够检测故障电流，在检测到故障电流后能在给定时间内遮断故障电流，并能够进行给定次数的重合（3、4次）【如果鼓掌是永久性的，重合器经过预先整定的重合次数后，则不再进行重合，即所谓闭锁。

如此，可使故障线路与供电系统隔离开来。

如果故障是瞬时性的，重合器重合成功则自动终止后续动作，并经过一段延时后恢复到预先整定状态，为下一次做好准备。

】

分段器：

是一种与电源前级开关联合，在失压或无电流的情况下自动分闸的开关设备。

当永久性故障时，电源侧开关跳闸切断故障线路，分段器的计数装置计数，当达到预先的动作次数后，分段器闭锁于分闸状态，达到隔离故障线路区段的目的。

若分段器未完成预定的技术或分合操作次数，表明故障已经被其他设备切除了，则其将保持在合闸状态，并经过一段延时后恢复到预先的整定状态。

一般不能开断短路电流。

保护接零：

在380V低压配电网中，采用中性点直接接地（若发生单相接地，接地电流达不到足够的数值，继电保护装置不动作，）为保证人身安全，将电气设备的外壳与零线连接。

第五章电力系统负荷

第一节电力系统负荷及负荷曲线

电力系统负荷：

是指电力系统在某一时刻各类用电设备消耗功率的总和。

用电负荷（用户）、供电负荷（用电加上电力网损耗的功率，即发电厂应提供的功率）、发电负荷（供电负荷加上厂用电负荷）。

电力系统负荷曲线：

电力负荷随时间变动情况的曲线图形。

对电力系统的规划设计和运行十分有用，电力系统的计划生产主要是建立在预测的负荷曲线的基础之上。

电力系统年负荷曲线和最大负荷利用小时数：

反映从年初到年终整个一年内的逐月综合最大负荷的变化规律。

如果用户始终保持最大负荷值

运行，经过

小时后所消耗的电能恰好等于全年的实际耗电量，则称

为年最大负荷利用小时数。

年最大负荷利用小时数的大小，在一定程度上反映了实际负荷在一年内的变化程度。

如果负荷曲线较为平坦，则

较大，反之

值则较小。