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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：

1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） ○

2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） ○

3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：

1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

2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 ○

3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。 ○

4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）

1可以提高供电可靠性；○2可以减少备用容量；○3可以减少系统装机容量；○4可合理利用能源，充分发挥○

5采用高效率大容量的火电机组；○6可以提高系统运行的经济性。 水电在系统中的作用；○

电力系统的特点：

1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。 ○

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2过渡过程十分短暂：电以电磁波的形式传播，3*10m/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。

3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 ○

4电力系统的地区性特点较强 ○

对电力系统的要求：

1保证供电可靠性；○2保证良好的电能质量；○3为用户提供充足的动力○4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】

1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，称为火电厂的主要系统：○

2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；燃烧系统；○

3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。

1 仅用于断开或闭合正常工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：○

2 仅用于断开过负荷电流或短路电流，如熔断器；○3 用于断开或闭合正作电流，如负荷开关、接触器；○

4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。常工作电流、短路电流，如断路器QF○

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/3），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