供电所岗位技能培训讲义.docx

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供电所岗位技能培训讲义

供电所岗位技能培训讲义

（张宗贤）

基础知识

1.         电磁感应原理

电磁感应原理是：

磁场是电流产生的，变动的磁场要引起感应电势，动电可以生磁，动磁又可以生电。

2.         正弦交流电路及交流电路的组成

所谓正弦交流电路，是电源电势都是同频正弦量，元件参数都是线性的交流电路。

这样的电路中，所有电压、电流都是和电源电势同频率的正弦量。

交流电路中使用的元件不仅有电阻，还有电感和电容。

实际电气设备中，有些可以看作单一元件，例如电灯、电炉是电阻元件；电阻很小的电抗器和线圈是电感元件；漏电流可以忽略不计的是电容元件。

大部分电气设备可以看成两种或三种元件的组合。

例如，变压器、电动机可以看成电阻元件和电感元件的组合；需要考虑分布电容的输电线路是电阻、电感、电容三种元件组合成的。

3.         电阻、电感、电容元件的电压和电流、功率和能量是怎样的关系

l                电阻元件：

（1）电流和电压的关系

在正弦交流电路中，电阻元件的电压和电流是同频正弦量；有效值、最大值之间都符合欧姆定律；选择电压和电流的正方向一致时，电压和电流同相。

（2）功率和电量

   交流电路中，因为电流和电压是变化的，功率也是变化的。

电路在每一瞬间的功率叫做瞬时功率。

即

p=ui       （3—1）

工程上都是计算瞬时功率的平均值，并把它叫做平均功率。

周期性交流电路中的平均功率就是瞬时功率在一个周期内的平均值，也就是电路平均每秒钟接受（或发出）的电能。

电阻元件的平均功率为

P=UI  （3—2）

若电流I的单位安（A）、电压U的单位为伏（V）时，那么平均功率P的单位就是瓦（W）。

电流I的常用单位还有千安（kA）、毫安（mA）。

1kA=103A，1A=103mA

电压U的常用单位还有千伏（kV）、毫伏（mV）。

1kV=103V，1V=103mV

平均功率P的常用单位还有千瓦（kW）、兆瓦（MW）。

1MW=103kW，1kW=103W

l                  电感元件：

（1）电流和电压的关系

   电感元件接在交流电路时，因为电流变化，要产生自感电势。

在正弦交流电路中，电感元件的电压和电流是同频正弦量，电压和电流有效值的关系是

XL=2πfL=ωL=U／I    （3—3）

选择电压和电流方向一致时，电压比电流超前90°。

和电阻元件显然不同的一点是，电感元件的电压和电流不同相，而是有π／2的相位差，电阻元件的电压和电流方向一致，大小成正比正方向选择一致时，同时达到零值，同时达到最大值，所以同相。

电感元件的电流增大时，电压和电流方向一致；电流减小时，电压和电流方向相反。

电感元件电压的大小不是和电流成正比，而是和电流的变化率成正比。

正弦量在瞬时值为零时变化最快，达到最大值的瞬间的变化率为零，所以在正弦交流电路中的电感元件，电流为零的瞬间电压达到最大值，电流达到最大值时电压为零。

这样，电感元件的电压和电流不同时达到零值，在所选正方向下，电压达到零值比电流早1／4周期时间，所以电压比电流超前π／2。

式（3—3）的xL叫感抗。

在同样电压U的作用下，xL越大，电流I越小，所以感抗反映了电感元件对正弦电流的限制能力。

感抗和频率成正比，是因为频率越高，电流变化越快，电感元件的自感电势越大，限制电流的作用越大。

感抗又和电感成反比，是因为电感越大，自感电势也越大。

电感元件对高频电流的限制作用比低频电流的限制作用大，对直流电流则不起限制作用。

电子电路中据此做成滤波器分离高频和低频电流。

感抗的单位是

［xL］=［ω］［L］=［1／秒］·［欧·秒］=欧（Ω）

和电阻的单位相同。

从电压、电流的有效值关系而言，电感元件的感抗和电阻元件的电阻是相当的。

但是：

⑴感抗只是在正弦交流电路中才有意义；⑵感抗不等于电感元件的电压和电流瞬时值的比值，即xL≠u／i。

（2）功率和能量

由于电感元件既能象电阻元件那样起限制电流的作用，又不象电阻元件那样要消耗能量，所以交流电路中常用电感元件限流，例如日光灯的镇流器、异步电动机的起动电抗器、发电厂中用以限制短路电流的电抗器等。

任何电感元件的平均功率都为零。

为了衡量电感元件与外界交流能量的规模，人们定义电感元件的瞬时功率的最大值，也就是交换能量的最大速率，叫做电感元件的无功功率，用QL表示。

QL=I2xL   （3—4）

无功功率和平均功率具有相同的单位。

但因为无功功率并不是实际做功的平均功率，为了与平均功率相区别，无功功率的单位不用瓦，而用乏，乏的符号是Var。

式（35—4）中，若电流I的单位为A，感抗的单位为Ω，那么无功功率QL的单位就是Var。

无功功率QL的常用单位还有千乏（kVar）、兆乏（MVar）。

   对应于无功功率，平均功率也叫有功功率。

  无功功率反映的是储能元件与外界交换能量的规模。

“无功”的含义是“交换而不消耗”不应该理解为“无用”。

无功功率在电力系统中占有重要的地位。

电力系统中，具有电感的设备如变压器、电动机等，没有磁场就不能工作，而它们的磁场所具有的能量是由电源供给的，电源必须和具有电感的设备进行一定规模的能量交换，或者说电源必须具有电感的设备“供应”一定数量的无功功率。

l                  电容元件：

（1）电流和电压的关系

单一电容元件的电压就是电容电压。

如果电容元件的电压不变,则其电流为零，它在电路中相当于开路。

电容元件接在交流电路中时，因为电压变化，有电流通过。

在正弦交流电路中，电容元件的电压和电流是同频正弦量，电压和电流的有效值或最大值的关系是

xC=U／I=Um／Im=1／ωC=1／2πfC   （3—5）

   选择电压和电流的正方向一致时，电压比电流滞后90°。

和电阻元件显然不同，正弦交流电路中电容元件的电压和电流不同相；又和电感元件不同，电感元件的电压比电流超前π／2，而电容元件的电压比电流滞后π／2。

电容元件的电压增大时，电流和电压方向一致；电压减小时，电流和电压方向相反。

电容元件电流的大小不是和电压成正比，而是和电压的变化率成正比。

所以在正弦交流电路中的电容元件，电压为零的瞬间电流达到最大值，电压达到最大值时电流为零。

这样，电容元件的电压和电流不同时达到零值，在所选正方向下，电流达到零值比电压早1／4周期时间，所以电流比电压超前π／2，或者说，电压比电流滞后π／2，也可以说，电压比电流超前负π／2。

式（3—5）的xC叫做容抗。

在同样电压U的作用下，xC越大，电流I越小，所以容抗反映了电容元件对正弦电流的限制能力。

容抗和频率成反比，是因为频率越高，电压变化越快，电容元件极板上电荷变化的速率越大，所以电流就越大，电容元件限制电流的能力越小。

容抗又和电容成反比，是因为电容越大，极板上储积的电荷越多，电压变化时电路中移动的电荷越多，电流也就越大。

电容元件对高频电流的限制作用小，对低频电流的限制作用大，直流电流则不能通过，电子电路中据此利用电容器滤波或隔直。

容抗的单位是

［xC］=1／［ω·C］=1／［（1/秒）·（库/伏）］

  =1／［（1/秒）·（安·秒/伏）］=伏／安=欧

也和电阻的单位相同。

从电压、电流的有效值关系而言，电容元件的容抗和电阻元件的电阻也是相当的。

但是：

⑴容抗只是在正弦交流电路中才有意义；⑵容抗不等于电容元件的电压和电流瞬时值的比值，即xC≠u／i。

（2）功率和能量

   电容元件的平均功率（即有功功率）P=0，这是因为电容元件也是储能元件，它不消耗能量，只和外界进行能量交换。

   定义电容元件的瞬时功率的最大值，即电容元件与外界交换能量的最大速率，叫做电容元件的无功功率，用QC表示，单位也是乏（Var）。

QC=I2XC   （3—6）

4.         趋表效应

导线通过直流电时，电流在导线截面上是均匀分布的。

导线通过交流电时，电流在导线截面上是不均匀分布的。

这是因为感应电势总是阻碍电流的变化，结果使得导线截面上越靠近中心地方的电流密度（每单位面积上的电流）越小，越靠近表面地方的电流密度越大。

这种交流电流通过导线时趋于导线表面的现象叫做趋表效应。

由于趋表效应，使交流电流比较集中地分布在导线表面，产生减小导线截面的后果，所以增大了导线的电阻。

5.         电阻、电感串联的电路电压和电流、功率和能量是怎样的关系

（1）电流和电压的关系

电力系统中的大多数负载可以看成电阻和电感的串联电路。

例如，日光灯的镇流器的电阻很小，可以看成一个电感，灯管可以看成一个电阻，二者是串联的，变压器、电动机和简单的输电线路也可以看成电阻、电感的串联电路。

在分析r、L串联电路时，按习惯选择ur、uL、u都和电流I的正方向一致。

r、L串联电路中的端电压和电流是同频正弦量，端电压的有效值

          U=√Ur2+UL2

          =√（Ir）2+（IXL）2

          =I√r2+XL2 =Iz    （5—1）

其中的  z=U／I=√r2+XL2    （5—2）

   总括了r、L串联电路对正弦电流的限制能力，叫做电路的阻抗。

单位是欧。

选择端电压和电流的正方向一致时，端电压比电流超前φ的相位差，φ叫做阻抗角，决定于XL和r，即决定于电路的参数和频率。

r、L串联电路中的阻抗也只有在正弦交流电路中才有意义，并且Z≠u／I

表示电阻电压、电感电压、端电压的三角向量组成的直角三角形叫做电路的电压三角形，其中端电压为斜边，端电压与电阻电压的夹角就是电路的阻抗角φ。

把电压三角形的三个边同除以电流的有效值I，得到电路的阻抗三角形。

阻抗三角形的三个边代表的不是正弦量，所以阻抗三角形的各边应是线段，而不是向量。

（2）功率和能量

r、L串联电路中，既有耗能元件，又有磁场储能元件，电阻r是耗能元件，电感L是储能元件，所以电路的有功功率等于电阻的平均功率，即P=Pr=UrI，Ur=Ucosφ，所以

P=UIcosφ   （5—3）

电路中只有电感和外界交换能量，所以电路和交换能量的最大速率，即无功功率Q等于电感的瞬时功率的最大值，即Q=ULI，而UL=Usinφ，所以

Q=UIsinφ   （5—4）

由式P=UIcosφ可见，虽然电路的端电压为U，电流为I，但电路的平均功率一般并不等于U·I，这个看来象是功率的电路的端电压和电流的乘积用S表示。

S=UI=√P2+Q2=I2z    （5—5）

叫做电路的视在功率。

它既不是实际做功的平均速率，又不是交换能量的最大速率，它虽然具有与平均功率相同的单位，但它的单位不是瓦（W），也不是乏（Var）而是用伏安（VA）表示。

视在功率的常用单位还有千伏安（kVA）、兆伏安（MVA）。

把电压三角形的三个边同乘以I，又得到另一个与电压三角形相似的三角形。

这个三角形的三个边分别是电路的有功功率P、无功功率Q、视在功率S，所以叫做电路的功率三角形。

功率三角形中，S为斜边，S与P之间的夹角φ是阻抗角。

功率三角形的三个边也不是正弦量，所以功率三角形的各边应是线段，而不是向量。

一个角的余弦总是不大于1，视在功率打一个cosφ的折扣，才等于电路的有功功率，这个有功功率与视在功率的比值

cosφ=P／S    （5—6）

叫做电路的功率因数（也叫力率），φ叫做功率因数角。

r、L串联电路的功率因数

cosφ=P／S=r／z

决定于电路的参数和频率。

电压三角形、阻抗三角形和功率三角形这三个相似的三角形中，r、Ur、P是对应边，xL、UL、Q是对应边，Z、U、S是对应边。

以上有功功率、无功功率、视在功率和功率因数的计算公式将适用于任何一段正弦交流电路。

6.         电阻、电感、电容的串联电路电压和电流、功率和能量是怎样的关系

（1）电压与电流的关系

电阻r、电感L、电容C的串联电路（简称r、L、C串联电路），如果电路的电流

i=Imsinωt

则

           ur=Imrsinωt

           uL=ImXLsin（ωt+π／2）

           uC=ImXCsin（ωt-π／2）

根据克希荷夫第一定律，端电压

           u=ur+uL+uC

可知u也是和I同频率的正弦量。

电感电压和电容电压的总和也是同频的正弦量，叫做电抗电压，用ux表示。

习惯上也选ux和i的正方向一致，则

ux=uL+uC

由ur、ux、u的三个向量组成的电压三角形，可得端电压U的有效值

        U=√Ur2+（UL－UC）2

         =√（Ir）2+（IXL－IXC）2

         =I√r2+x2  =Iz    （6—1）

式中的

             x=XL－XC 

总括了电路的感抗和容抗的作用，叫做电抗，单位为欧。

XL、XC都是正值。

电抗x是有正、负的量，电路的XL＞XC时x为正值，XL＜XC时x为负值。

综合上述分析，端电压的有效值和电流的有效值成正比，比值

z=U／I=√r2+x2   （6—2）

就是r、L、C串联电路的阻抗，它决定于电路的参数和频率，总括了电路的电阻、电感、电容对正弦电流的限制能力。

端电压超前电流的相位差，即电路的阻抗角φ

            φ=tg-1〔（UL－UC）／Ur〕

              =tg-1〔（XL－XC）／r〕

              =tg-1（x／r）                 

φ是有正、负的量，x为正值则φ为正值，x为负值φ为负值。

φ的范围是0～±（π／2）

把电压三角形的三边同除以I，可得和电压三角形相似的由r、x、z组成的阻抗三角形。

（2）功率和能量

   r、L、C串联电路中，有功功率P、无功功率Q、视在功率S、功率因数cosφ的计算公式与r、L串联电路的完全相同。

不同的是，r、L、C串联电路中的无功功率Q有正、负的量。

sinφ的值＞0时，Q为正值，说明xL＞xC；sinφ的值＜0时，Q为负值，说明xL＜xC。

7.         电阻、电感、电容的串联电路的三种性质

r、L、C串联电路中，电感电压和电容电压反相，电抗等于感抗和容抗之差，电感和电容之间有能量交换，都说明电感和电容的作用是反相的，相互削弱的。

以频率、L、C的不同区分，r、L、C串联电路有以下三种情况：

（1）   感性 电路的xL＞xC，电路电抗x＞0，端电压超前于电流；sinφ的值＞0，无功功率Q为正值，这样的电路叫感性电路。

（2）   容性 电路的xL＜xC，电路电抗x＜0，端电压滞后于电流；sinφ的值＜0，无功功率Q为负值，这样的电路叫容性电路。

（3）   谐振 电路的xL＝xC，阻抗角为零，电路电抗为零，无功功率为零，端电压和电流同相；对外界而言，整个电路表现为电阻性。

电路的这种状态叫做谐振。

8.         串联谐振的特点

（1）   电路的阻抗最小，电流最大；

（2）   电感和电容上可能产生很高的电压。

由于串联谐振是因电感电压与电容电压完全抵消所致，且它们又可能比端电压大的多，所以串联谐振也叫电压谐振。

电力系统中，要避免发生串联谐振现象，以免出现过电压、大电流，损坏电感线圈、电容器或其它电气设备。

9.         电阻、电感串联再与电容并联电路的三种性质

电力系统中，大多数负载是电动机，相当于电阻、电感串联电路。

常以电容器和它并联，以提高功率因数，这就构成了电阻、电感串联后再与电容并联的电路。

以电路的参数及电源的频率不同区分，电路有以下三种情况：

（1）   感性 流过电阻、电感串联支路的电流的无功分量大于流过电容支路的电流时，总电流的无功分量比端电压滞后90°，端电压超前总电流φ是正值，Q也是正值，总电路是感性的。

这种情况叫欠补偿，是感性支路的无功电流被电容支路的无功电流补偿了一部分，但没有完全补偿的意思。

（2）   容性 流过电阻、电感串联支路的电流的无功分量小于流过电容支路的电流时，总电流的无功分量比端电压超前90°，端电压滞后于总电流φ是负值，Q也是负值，总电路是容性的。

这种情况叫过补偿，是感性支路的无功电流被电容支路的无功电流过补偿了的意思。

（3）   谐振 流过电阻、电感串联支路的电流的无功分量等于流过电容支路的电流时，两个支路电流的无功分量正好抵消，总电流的无功分量为零，只有有功分量，端电压和总电流同相，φ=0，Q=0。

这是全补偿的谐振情况。

10. 并联谐振的特点

（1）   电路的总阻抗最大，总电流最小；

（2）   各支路电流的无功分量可能大大超过总电流。

由于并联谐振是因感性无功电流和容性无功电流完全补偿所致，它们有可能比总电流大的多，所以并联谐振也叫电流谐振。

11. 对称和不对称三相正弦交流电

三个具有相同频率、相同振幅、相位彼此相差120°的正弦交流电势、电压、电流，叫做对称三相正弦交流电。

电力系统中的三相正弦交流电，频率是相同的，但有效值或相位差不满足对称条件的三相正弦交流电，叫做不对称三相正弦交流电。

12. 三相电源和三相负载的连接方法

三相电源和三相负载的三相绕组分别有星形联接和三角形联接两种方法。

三相电源的星形联接,即“Y”联接，三相绕组的末端连接在一起，从三个始端分别引出导线。

从每相绕组的始端引出的导线叫做端线（也叫火线）；三个末端接在一起的公共点O叫做中性点，简称中点；由中点也可引出一根导线，叫做中线（也叫零线）；如果中点是接地的，中线又叫地线。

三相电源的三角形联接,即“△”联接，顺次把一相绕组的末端与相邻一相绕组的始端相连，即X与B相连，Y与C相连，Z与A相连，接成一个回路，再从三个连接点引出三个端线。

这种联接引不出中线，只能是三相制的。

把三相负载的三相绕组的末端连接在一起，从三个始端分别引出导线分别与三相电源的三个端线相连，叫做三相负载的星形联接。

负载的中点可以经中线和电源的中点相连。

顺次把三相负载的一相绕组的末端与相邻一相绕组的始端相连，即X与B相连，Y与C相连，Z与A相连，接成一个回路，再从三个连接点引出三根导线分别与三相电源的三个端线相连，叫做三相负载的三角形联接。

三相负载和三相电源的连接方式不一定一样。

13. 三相电路、三相三线制、三相四线制

用三根或四根输电线。

把A、B、C三相电源和三相绕组连接起来所组成的电路，叫做三相电路。

在三相电路中，从电源三个始端引出三根导线供电（没有中线的三相电路），这种供电方式叫做三相三线制。

在星形联接的电路中，除从电源三个始端引出三根导线外，还从中点引出一根导线（有中线的三相电路），这种引出四根导线的供电方式，叫做三相四线制。

有中线的星形联接用YO表示。

14. 在三相四线制的电路中线的作用

由于三相四线制有中线，而中线的作用是迫使中点电压近于零，负载电压近于对称和不变，在负载不平衡时不致发生电压升高或降低，若一相断线，其他两相的电压不变。

所以在低压供电线路上常采用三相四线制。

15. 在三相电路中，相电压、线电压、相电流、线电流的正方向的规定

三相电路中，每相电源和负载的端电压叫做它们的相电压。

对电源，规定相电压的正方向从始端到末端；对星形联接的负载，规定相电压的正方向从端线到中点；对三角形联接的负载，规定三个相电压的正方向分别从A到B、从B到C、从C到A。

在星形连接的电源或负载中，各相电压等于各相应的端线与中点之间的电压。

两根端线间的电压叫做线电压。

规定三个线电压的正方向分别从A线到B线、从B线到C线、从C线到A线。

三相电路中，流过每相电源或每相负载的电流叫做它们的相电流。

在电源中，规定每个相电流的正方向与该相相电压的正方向相反；在负载中，规定每个相电流的正方向与该相相电压的正方向一致。

三相电路中，流过每根端线的电流叫做线电流。

规定各个线电流的正方向从电源到负载；流过中线的电流叫做中线电流。

用iN表示，规定中线电流的正方向由负载中点到电源中点。

16. 在星形和三角形联接的三相电路中，相电压和线电压之间的关系

在三角形连接电源或负载中，各个线电压就是各个相应的相电压。

即（“xg”取自xiang—相）

U=Uxg            

在星形连接的电源或负载中，

（1）线电压的有效值为相电压的√3倍。

即

U=√3Uxg

（2）它们的相位关系是：

各线电压的相位比它相应的相电压的相位超前30°。

如果三个相电压是对称的，那么三个线电压也是对称的。

三个线电压的瞬时值的代数和等于零。

不论电源或负载是星形还是三角形联接，不论线电压对称与否，线电压的这一特点总是存在的。

在三相电路中，一般所说的电压，如果不加以说明，都指线电压而言。

17. 在星形和三角形联接的三相电路中，相电流和线电流之间的关系

在星形联接的电源或负载中，各个线电流就是相应的相电流。

即

I=Ixg     

在三角形连接的电源或负载中，

（1）线电流的有效值为相电流的√3倍。

即

I=√3Ixg

（2）它们的相位关系是：

各线电流的相位比它对应的相电流滞后于30°。

如果三相负载是对称的，那么三个相电流和三个线电流也是对称的。

在三相电路中，一般所说的电流，如果不加以说明，都指线电流而言。

三个线电流的瞬时值的代数和等于零。

不论电源或负载是星形还是三角形联接，不论线电流对称与否，三线制电路中的线电流的这一特点总是存在的。

这一特点表明，三线制电路中，三根端线中的电流在任一瞬间都互成回路。

在四线制电路中，中线电流的瞬时值等于三个线电流的瞬时值的代数和。

如果线电流对称，三个线电流在任一瞬间的代数和等于零。

也就是中线里没有电流，把中线电流去掉，对电路没有影响。

18. 三相变压器接到电压为110kV的对称三相电源上，变压器绕组做Y形或△形联接时，计算每相绕组承受的电压

解：

△形联接时，每相绕组接在两根端线之间，直接承受线电压，Uxg=U=110kV

Y形联接时，Uxg=U／√3=110／√3=63.5kV

   由上述计算数据可见，三相变压器高压侧一般做Y形联接是为了解决绝缘问题。

至于低压侧，绝缘方面问题不大，其连接方式决定于它所供电的负载，可以作△形或有中线的Y形联接

19. 三相电路中的功率怎样计算

一个三相电源发出的总有功功率等于每相电源发出的有功功率之和，一个三相负载接受的总有功功率等于每相负载接受的有功功率之和。

即

P=PA+PB+PC

 =UxgAIxgAcosφA+UxgBIxgBcosφB+UxgCIxgCcosφC

对称三相电路中，对称电压作用于对称三相负载，即相电流对称，线电流也对称。

并且可以肯定，对称三相电路中，各相有功功率相同，各相无功功率或视在功率也相同，每一相的三倍就是三相的总数。

这样，在对称三相电路中，如以Uxg、Ixg、φ分别表示相电压、相电流和相电压超前相电流的相位差，则三相总有功功率

P=3UxgIxgcosφ   

因为，在星形联接的电源或负载中

Uxg=U／√3       I=Ixg

而在三角形联接的电源或负载中

    Uxg=U           Ixg=I／√3

所以，在对称三相电路中，不论电源或负载是星形联接还是三角形联接，三相总有功功率

P=√3UIcosφ

要注意：

上式只适用于对称三相电路，P是三相有功功率，U是线电压，I是线电流，而φ是相电压超前相电流的相位差，不是线电压与线电流之间的相位差。