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云南昆钢煤焦化有限公司干熄焦b0954831d2938153ee01f3cd06e54290.pdf一基础理论1电工基础知识11直流电路基本概念电压：要使电荷作有规则地移动，必须在电路两端有一电位差，称为电压，用符号U表示。电压以伏特为单位，简称“伏”，常用V表示。电动势：一个电源（例如发电机、电池等）能够使电流持续不断沿电路流动，就是因为它能使电路两端维持一定的电位差，这种使电路两端产生和维持电位差的能力，就叫做电源的电动势。电动势常用E表示，单位也是伏。电流、电流强度：物体里的电子在电场力的作用下，有规则地向一个方向移动，就形成了电流。电流的大小用电流强度（符号I）来表示。电流强度在数值上等于1秒钟内通过导线截面的电量的大小，电流强度的单位是安培，用符号A表示。1安培表示在导线横截面上，每秒钟有624亿亿个电子流过。安培简称安，有时采用比安更大或更小的单位千安、毫安、微安。这些单位之间的关系如下：1千安（kA）=1000安（A）1安（A）=1000毫安（mA）1毫安（mA）=1000微安（A）电阻：电子在物体内移动所遇到的阻力叫电阻。电阻的单位是欧姆，简称欧，用字母表示。为计算方便，常以兆欧、千欧、毫欧为单位。这些单位之间的关系如下：1兆欧(M)1000千欧(k)1千欧(k)1000欧()1欧()1000毫欧(m)电功率：电流每秒钟内所做功的量称为电功率，用P表示。电功率的单位是瓦特，简称瓦，用W表示。实际中有时用到的单位还有千瓦(kW)和马力(HP),它们的关系为： 1千瓦(kW)=1000瓦(W) 1马力(HP)=736瓦(W)电功率等于电压乘以电流，公式为： PUI电能：电流在一段时间内所做的功称为电能。电能等于电功率乘以时间。电能的单位是瓦时或千瓦时，分别用Wh或kWh表示。电能表所记下的1度电就是1千瓦时(kWh)。1 2电路基本定律1.2.1欧姆定律欧姆定律:流过导体两点间的电流与两点间的电压成正比，与电阻成 反比。用公式表示： U=IR 或 I=U/R电阻的串联：n个电阻串联时总电阻值等于各电阻值之和，公式：R=R1+R2+Rn电阻的并联：n个电阻并联时总电阻值的倒数等于各电阻值的倒数之和，公式： 1/R=1/R1+1/R2+1/Rn分路电流：电阻R1、R2并联，电路总电流为I，流经各分路电流为I1、I2时，则： I1= R2I/(R1+R2) I2= R1I/(R1+R2)电源：电源的电动势为E，内电阻为r，流出的电流为I时，则电源的端电压为 U=ErI1.2.2基尔霍夫定律基尔霍夫定律概括了电路中电流和电压分别遵循的基本规律，是用以分析和计算电路的基本依据。基尔霍夫定律包括电流定律和电压定律。电流定律适用于电路中的任一节点，电压定律适用于电路中的任一回路。电流定律：电流定律反映了电路中会合到任一节点的各支路电流间相互制约的关系。即：对于电路中的任何一个节点而言，流入此节点的电流之和等于流出此节点的电流之和。电流定律可以换一种说法，即：对于电路中的任何一个节点而言，流入（或流出）此节点的电流的代数和恒等于零。公式为：I1+I2+In=0此式称为节点电流方程。建立这种方程时，要注意根据各支路电流（参考方向）是流入节点或流出节点来决定在它们的前面取“”号或“”号。电流定律就其实质来说，是电流连续性原理在集中参数电路中的表现形式。所谓电流连续性，就是说流入节点的电荷与流出节点的电荷必然是相等。或者说在节点上不可能有电荷的积累。电压定律：电压定律反映了一个回路中各部分电压间相互制约的关系。即：在电路的任何一个回路中，沿着任一参考方向各部分电压的代数和恒等于零。这就是电压定律。公式为：U1+U2+Un=0此式称为回路电压方程。在一个回路中，凡电压的参考方向与回路的参考方向一致者，在回路电压方程中该电压的前面取“”号；反之取“”号。电压定律可以换一种说法，即：在线性电阻电路的任一回路中，沿着任一参考方向，电阻电压降的代数和恒等于电动势的代数和。凡电流的参考方向与回路的参考方向一致者，由它所引起的电阻电压降取“”号；反之取“”号。凡电动势的参考方向与回路的参考方向一致者取“”号；反之取“”号。1. 3磁场与电磁感应磁场和磁力线：一个线圈如果通上电流，线圈的周围就会产生磁场，磁场的存在用磁力线来表示。磁力线是有方向的，在磁体的外部磁力线的方向是从北极指向南极，在磁体的内部磁力线的方向是从南极指向北极。磁通量：在磁场内任意取定一块面积，该面积内必有一定数量的磁力线通过，垂直通过这块面积的磁力线总数就叫做这块面积的磁通量。磁通量用符号表示，它的单位是韦伯或麦克斯韦，1韦伯=108麦克斯韦。磁通密度：单位面积的磁通量叫做磁通密度，用符号B表示。磁通量和磁通密度之间的关系为：=BS 式中S表式面积。磁通密度的常用单位是高斯，1高斯=1麦克斯韦/厘米2。磁通密度的大小实际上反映了磁场的强弱。磁场内某一处磁通密度愈大，也就是该处磁力线分布愈密，则磁场愈强。在异步电动机中，磁通密度沿气隙圆周的分布基本上是正弦形。因此象交流电一样有最大值、平均值和有效值的区分。通电导体产生的磁场方向：导体通过电流，周围就产生磁场。磁场的强弱与通过电流大小有关，而磁场方向则与电流方向有关。磁场方向可以应用右手螺旋定则来判断。通电直导体周围产生的磁场，其方向的判断方法，以右手握住直导线，拇指指向电流方向，其余四指所指方向就是磁场方向。通电螺旋线圈周围产生的磁场，其方向的判断方法，立起右手大拇指，使其它四指和电流方向一致，握住螺旋线圈时，大拇指所指的方向即为螺旋线圈形成的磁场方向。磁场对电流的作用：通电导体在磁场中要受到力的作用，这个力叫电磁力。电磁力的大小与磁通密度B、通过电流I及导体在磁场中的有效长度L成正比。电磁力的单位为牛顿。电磁力大小计算公式为：F=BIL式中 F电磁力，牛顿；B磁通密度，韦/米2；I电流 安培；L长度 米。电磁力方向用左手定则来判断，电动机的基本工作原理就是利用磁场对电流的作用，所以也称电动机定则，具体方法：伸出左手，大拇指所指的方向与四指所指方向成平面直角，手心正对磁力线方向，四指指向电流方向，拇指所指的就是电磁力方向。电磁感应定律：导线切割磁力线，导线上就有感应电动势，感应电动势用符号E表示，单位为伏，这就是电磁感应现象。导线切割磁力线，实际就是指导线和磁场之相对运动。对于线圈来说，只要穿过线圈中的磁通量发生变化，线圈中就会产生感应电动势。如果电路接通，线圈中就会产生感应电流。电磁感应定律说明了由电磁感应产生的电动势大小及其方向。对于单根导线，感应电动势大小与磁通密度、导体在磁场中的有效长度、导体运动速度成正比。用公式表示： E=BLV式中：E感应电动势，伏； B与导体运动方向相垂直的磁通密度，韦/米2； L导体在磁场中的有效长度，米； V导体运动速度，米/秒。对于线圈，感应电动势大小与单位时间内线圈中磁通的变化量和线圈的匝数成正比。如果在时间t内，一个匝的线圈，穿过线圈中磁通的变化量为,根据电磁感应定律，线圈的感应电动势为：E=/t。感应电动势的方向用右手定则判断，具体方法：伸出右手，大拇指所指的方向与四指所指方向成平面直角，手心正对磁力线方向，拇指指向导体运动方向，四指所指的就是导体中感应电动势的方向。实际应用上的发电机就是根据这个原理制成的，所以也叫发电机定则。自感电动势：当导线中通过电流时，导线周围一定会产生磁场。如果通过导线的电流发生变动，则导线周围的磁场定会跟着相应变动。这个磁场的变动会使导线自身产生感应电动势。这种由于导线本身电流变动而产生的电动势，叫做自感电动势。实践证明，自感电动势的大小和通过导线的电流变化率成正比。比如直流电流通过时，就没有自感电动势产生，可是在直流电路中，当开关闭合或断开的一刹那，立刻会产生感应电动势。互感现象：将两个线圈放在一起，如图1.3-1所示，L1和L2为两个线圈，当线圈L1的电流发生变化时，就会使线圈L2中产生感应电动势，这种现象叫做互感现象。通常变压器就是利用这个现象来制作的。1 4正弦交流电路电流大小和方向周期性地变化称为交流电。工厂中的动力和照明用电一般都是交流电，它的波形见图1.4-1。由图可知它的大小和方向是随时间t变化的，设t0时为零，t1时上升到最大值，t2时下降为零；其后方向变负，t3时上升到负的最大值，t4时又回到零；从t0到t4正好变化一周。t4以后不断重复上述过程。这种波形和三角学中的正弦(sin)曲线一样，所以称为正弦交流电，其电路称为正弦交流电路。141主要参数周期：交流电变化一周所需的时间称为周期，用符号T表示，单位是秒。频率：一秒钟内交流电完成周期变化的次数称为频率，用符号f表示，单位是赫兹(Hz),简称赫，比赫大的单位有千赫(kHz)和兆赫(MHz)，关系式为：1兆赫(MHz)=1000千赫(kHz)1千赫(kHz)=1000赫(Hz)周期和频率两者互为倒数关系，f=1/T。我国工业用交流电标准频率是50赫兹，周期为0.02秒。角频率：交流电每秒变化的角度叫角频率，用符号表示，单位是弧度/秒。角频率与频率的关系：=2f。最大值：交流电按正弦曲线变化，在变化过程中，所能达到的最大值，也叫振幅。每一周期出现两次最大值。电流、电压等的最大值，一般在其代表符号右下角加上角标m来表示，例如Im、Um等。平均值：正弦交流电半周期瞬时值的平均值叫做平均值。一般在其代表符号右下角加上角标a来表示，例如Ia、Ua等。有效值：交流电通过某电阻，如果单位时间内，它所产生的热量和某一直流电通过该电阻所产生的热量相等（即它们的热效应相等），这个直流电的数值就是交流电的有效值。电流、电压等一般代表符号I、U，凡右下角不加角标的都代表有效值。相位、初相位、相位差：交流电的电角度称为相位。t=0时的相位叫做交流电的初相位。交流电之间初相位之差叫做交流电的相位差。142正弦交流电表示方法三角函数表示法是正弦交流电的基本表示方法。可用以下公式表示：e=Em sin (t+)u=Um sin (t+)i=Im sin (t+)式中：e 、u 、i 分别为电动势、电压、电流的瞬时值；Em 、Um 、Im 分别为电动势、电压、电流的最大值；(t+)相位，其中为初相位。1） 相量表示法交流电即具有一定数量，又具有一定的初相位，这种情况和物理学中的力即具有一定大小，又具有一定方向相似。我们把这种量叫做相量，可形象地画一根带箭头的直线来表示。在交流电中通常以直线的长短表示正弦量的最大值（或有效值），箭头的方向表示正弦量的初相位。在同时画几个具有不同初相位的交流电相量图时，通常以某一个相量为基准(00)，规定逆时针旋转为超前，顺时针旋转为滞后。143正弦交流电路有关计算公式1） 纯电阻电路通过电阻将电能以热效应方式全部转变为热能的交流电路，叫纯电阻电路，例如白炽灯、电炉、电烙铁等。纯电阻电路中电流、电压与电阻三者的关系与直流电路欧姆定律一样，即I=U/R。所不同的是电流I、电压U均为有效值。交流电路中功率计算，是指在一周期内功率的平均值，用符号P表示。功率大小等于电压有效值与电流有效值的乘积，单位是瓦特，简称瓦。用公式为：PUI。在纯电阻电路中将电能全部转变为热能，这种功率又称为有功功率。2） 纯电感电路当线圈的电阻忽略不计，在线圈两端接上一个交流电压时，线圈中就有交流电流通过，因而在线圈中产生一个自感电动势反抗电流的变化，这就是纯电感电路。理论推导可知：自感电动势的大小与电流强度、频率和电感成正比。纯电感电路中的电流、电压关系，也可以用欧姆定律表示，即IU/XL。式中电流I和电压U均为有效值，XL就是反抗电流变化的阻力，称为感抗，单位与电阻一样，用欧姆表示。与电阻不同的是，它是反抗电流变化的。举例说，线圈通过直流电时，电流就不会变化，感抗等于零，线圈中电流无限大，形成短路。所以必须注意电感电路不能用在直流电路上。实验证明，纯电感电路并不消耗电能。当电流增大时，线圈从电源吞进能量，当电流减小时，线圈吐出能量，电流减到零时，线圈将吞进的能量全部吐出。这说明电能仅在电源和线圈之间进行交换，在一周期内的平均功率为零（即P0）。为了区别电阻上消耗的功率，把电阻消耗的功率称为有功功率，而电感这个功率称为无功功率，用QL表示，公式为：QLULI，单位为乏(var)，数量大者则可用千乏(kvar)。3） 纯电容电路当电容的介质损失忽略不计时，在电容两端接上一个交流电源，电容就不间断地进行充电和放电，这就是纯电容电路。实验证明它对交流电呈现出一定的阻力，称为容抗，用XC表示。当交流电频率越高，容抗就越小，电容量越大，容抗也越小。纯电容电路中的电流和电压关系可以用欧姆定律表示，即I=U/ XC。式中电流I和电压U均为有效值，XC为容抗，单位与电阻一样，用欧姆表示。与电阻不同的是，频率越高，容抗越小。例如，当直流电接上时，容抗将为无穷大，说明电容有隔离作用。如果接入高频电源时，会相当于短路作用。纯电容电路只产生充电、放电的能量吞吐作用，所以不消耗电能。因此在一周期内的平均功率为零（即P0），只有电容上的无功功率，用QC表示，公式为：QCUCI，单位为乏(var)，数量大者则可用千乏(kvar)。4） 实际电感线圈电路如果线圈电阻不能忽略的话，就成为具有电阻和电感电路。实际线圈中电阻和电感是不能分开的。但为了便于分析，常将它们分开成为电阻和电感的串联电路，如图1.4.3-1所示。例如日光灯的镇流器、交流电动机等。分析这类电路采用相量法，将电阻上的电压与电感上的电压求相量和，如图1.4.3-2所示。从图中可以看出，电源电压U、电阻电压UR和电感电压UL三个电压相量组成三角形，称为电压三角形。根据几何关系可得到：电路中电压U与电流I之间的关系可用欧姆定律表示为：I=U/Z。式中U与I均为有效值，Z称为阻抗，单位为欧姆，它既包含电阻又包括感抗，所以叫阻抗。阻抗、功率三角形在具有电阻R、电感L、电容C的串联电路中，采用相量法构成了电压三角形，如图1.4.3-3所示。由于串联电路通过的电流是不变的，如果把电压三角形各边都除以电流值I，就成为一个阻抗三角形，当XLXC时，其关系式为：同理如果把电压三角形各边都乘以电流值I，就得到了功率三角形，图1.4.3-3说明了有功功率与无功功率同电源能量的关系。电源能量称为视在功率，用S表示，单位为伏安（VA），数量大者则可用千伏安(kVA)。视在功率的计算公式：5） 功率因数功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。它是交流电路中有功功率与视在功率的比值。其大小与电路的负荷性质有关。如白炽灯、电阻炉等电热设备，功率因数为1。对具有电感的电气设备如日光灯、电动机等，功率因数小于1。从功率三角形的图中，运用数学三角关系可得出：P=Scos，cos为功率因数。1 5三相交流电路三个交流电的最大值和频率相等、相位依次相差1200称为三相交流电，其波形和相量图见图1.5-1。三相电压（或电流）在相位上有超前和滞后之分，三相电压（或电流）超前和滞后的次序称为三相电压（或电流）的相序。如果A相电压（或电流）超前于B相电压（或电流），B相电压（或电流）又超前于C相电压（或电流），这样的相序（A-B-C）称为正相序。相反的相序（C-B-A）称为负相序。工业用电力电源都是三相交流电。异步电动机等负载接在三相交流电网上，电源和负载的基本接法通常有星形Y和三角形两种，如图1.5-2所示。在Y接法中，三个线圈公共连接点称为中性点，用N表示。从中性点引出的导线叫中性线或零线。从三个端头引出的导线叫相线或火线。每相线圈两端的电压叫相电压，用UA、UB、UC表示。端线与端线之间的电压称为线电压，用UAB、UBC、UCA表示。凡流过每一相线圈的电流叫相电流，流过端线的电流叫线电流。在Y接法中相电流等于线电流，相电压小于线电压，对于三相对称电路可证明：在接法中相电压等于线电压，相电流不等于线电流，对于三相对称电路可证明：在三相交流电路中，不管负载是Y还是接法，总的有功功率等于各相有功功率之和。因此当三相负载对称时，三相有功功率等于三倍单相有功功率。用公式表示：P3U相I相cos相有时为了方便测量和计算，利用星形和三角形不同接法的线电压和相电压、线电流和相电流之间的关系变换为：当三相负载不对称时，三相有功功率等于各单相有功功率之和。用公式表示： P=PA+PB+PC2电力变压器一、 变压器的工作原理变压器是根据电磁感应原理制成的。或者说利用互感作用，从一个电路向另一个电路传递电能或传输讯号的一种电器，这种电路具有相同频率、不同电压和电流，也可以有不同的相数。变压器的主要部件是一个铁芯和套在铁芯上的两个线圈。这两个线圈具有不同的匝数，且互相绝缘，如图2.1-1所示。实际两个线圈套在同一个铁芯上，以增大耦合作用。为了画图简明起见，常把两线圈画成分别套在铁芯的两边。图中与电源相联的线圈是接收交流电能的称为原绕组，与负载相联的线圈是送出交流电能的称为副绕组。规定原、副绕组的电磁量及参数分别附有下标“1”和“2”。交链原、副绕组的磁通为，称为主磁通。理想变压器原绕组与副绕组的视在功率相等。变压器原绕组与副绕组的视在功率称为容量，用S表示，单位为伏安（VA）或千伏安(kVA)。当将变压器的原绕组接到交流电源上时，铁芯中就会产生变化的磁力线。由于副绕组在同一铁芯上，磁力线切割副绕组，副绕组上必然产生感应电动势，使副绕组两端出现电压。因磁力线是交变的，所以副绕组的电压也是交变的。而且频率与电源频率完全相同。副绕组比原绕组匝数少，就是降压变压器。相反则为升压变压器。二、 变压器的分类变压器一般分为电力变压器和特种变压器两大类。电力变压器是电力系统中输配电力的主要设备。按用途分类，电力变压器可分为升压、降压、配电、联络变压器等几种。电力变压器还可以按线圈数、相数、冷却介质、冷却方式、铁芯结构及调压方式等分类。特种变压器是根据冶金、矿山、化工、交通、自动控制系统等部门的不同要求，提供各种特种电源或其它用途。主要有：整流、电炉、高压试验、矿用、船用变压器等。至于互感器、调压器和电抗器，其工作原理、结构同变压器有相似之处，常和变压器归并一起，统称为变压器类产品。三、 变压器的结构变压器主要由铁芯、绕组组成，此外还有油箱、油枕、绝缘套管及分接开关等。四、 变压器的额定值额定容量Se：是变压器的额定视在功率，单位为伏安(VA)、千伏安（kVA）或兆伏安（MVA）。额定电压Ue：变压器在空载时额定分接下，各绕组端电压的保证值，单位为伏(V)、千伏（kV）。三相变压器的额定电压系指线电压。额定电流Ie：根据额定容量和额定电压所计算出来的电流即为额定电流，单位为安(A)、千安（kA）。额定频率fe：我国规定标准工业用电的频率为50赫。此外，额定运行情况下变压器的效率、温升等数据均属于额定值。额定值通常标注在变压器的铭牌上，故称为铭牌数据。3三相异步电动机三相异步电动机主要由静止的定子和转动的转子两大部分组成。定子和转子之间有一个很小的气隙。定子由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。转子由转子铁芯、转子绕组和转轴组成。三相异步电动机铭牌数据主要有:额定功率：指三相异步电动机在额定运行时输出的机械功率，单位为千瓦。额定电压：指三相异步电动机在额定运行状态下，电网加在定子绕组上的线电压，单位为伏。额定电流：指三相异步电动机在额定电压下使用，输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为安。额定频率：我国规定标准工业用电的频率为50赫兹。额定转速：指三相异步电动机在额定电压、额定频率及额定功率下的转速，单位为转/分。此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法（Y或）、绝缘等级、允许温升等。对绕线转子三相异步电动机，还标明转子的额定电动势及额定电流。31三相异步电动机工作原理三相异步电动机工作原理就是通过一种旋转磁场与由这种旋转磁场借感应作用在转子绕组内所感生的电流相互作用，以产生电磁转矩来实现拖动作用。在三相异步电动机中实现能量变换的前提是产生一种旋转磁场。一、 三相异步电动机工作原理三相异步电动机的定子上装有对称三相绕组，在圆柱体的转子铁芯上嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环把它们联接成一个整体。当对称三相绕组接到对称三相电源以后，即在定子、转子之间的气隙内建立了以同步转速n0旋转的旋转磁场。由于转子上的导条被这种旋转磁场的磁力线切割，根据电磁感应定律，转子导条内会产生感应电动势，若旋转磁场按逆时针方向旋转如图3.1-4，根据右手定则，可以判明图中转子上半部导体中的电动势方向，都是进入纸面的，下半部导体中的电动势方向都从纸面出来的。因为转子上下导条已构成闭合回路，转子导条中就有电流通过。如不考虑导条中电流与电动势的相位差，则电动势的瞬时方向就是电流的瞬时方向。根据电磁力定律，导条在旋转磁场中，并载有由感应作用所产生的电流，这样导条必然会受到电磁力。电磁力的方向用左手定则决定。从图3.1-4可看出，转子上所有导条受到的电磁力形成一个逆时针方向的电磁转矩。于是转子就跟着旋转磁场逆时针方向旋转，其转速为n，如转子与生产机械联接，则转子上受到的电磁转矩将克服负载转矩而作功，从而实现了能量的变换，这就是三相异步电动机工作原理。二、 三相异步电动机的转速与运行状态在一般情况下，三相异步电动机的转速不能达到旋转磁场的同步转速n0，总是略小于n0，这是由于三相异步电动机转子导条上之所以能受到一种电磁转矩，关键在于导条与旋转磁场之间存在一种相对运动而发生电磁感应作用，并感生了电流，从而产生了电磁力的缘故。如果三相异步电动机转子转速达到同步转速n0，则旋转磁场与转子导条之间不再有相对运动，因而不可能在导条内感应产生电动势，也不会产生电磁转矩来拖动机械负载。因此三相异步电动机转子转速n总是略小于旋转磁场的同步转速n0，即与旋转磁场异步地转动。异步电动机由此而命名。同步转速n0与转子转速n之差称为转差。转差(n0-n)的存在是异步电动机运行的必要条件。将转差(n0-n)表示为同步转速n0的百分值，称为转差率用s表示，转差率是三相异步电动机的一个基本参数。三相异步电动机空载转差率在0.5%以下，满载转差率在5%以下。如果用一原动机，或者由其它转矩（如惯性转矩、重力转矩等）去拖动三相异步电动机，使它的转速超过同步转速n0，这时在三相异步电动机中的电磁情况有所改变，因nn0，s0，旋转磁场切割转子导条的方向相反，导条中的电动势与电流方向都反向。此时，三相异步电动机通过电磁感应由定子向电网输送电功率，三相异步电动机处于发电机状态。如果作用在三相异步电动机转子的外转矩使转子逆着旋转磁场的方向旋转，即n0，此时转子导条中的电动势与电流方向仍和电动机时一样，电磁转矩方向与旋转磁场方向一致，但与外转矩方向相反。三相异步电动机的这种运行状态称为电磁制动状态，又称为反接制动状态。三相异步电动机的转速n、转差率s与运行状态的关系表示在图3.1-5中。3.2三相异步电动机的工作特性及其测取方法一，工作特性异步电动机在额定电压和额定频率下，输出功率变化时转速变化的曲线n=f(P2)称为转速特性。异步电动机在额定电压和额定频率下，输出功率变化时，定子电流的变化曲线I1=f(P2)，称为定子电流特性。异步电动机在额定电压和额定频率下，输出功率变化时，定子功率因数的变化曲线cos1=f(P2)，称为功率因数特性。异步电动机在额定电压和额定频率下，输出功率变化时，电磁转矩的变化曲线M=f(P2)称为电磁转矩特性。异步电动机在额定电压和额定频率下，输出功率变化时，效率的变化曲线n=f(P2)，称为效率特性。工作特性的变化曲线见图3.3-1。二，工作特性的求取异步电动机的工作特性可用直接负载法求取，也可利用等值电路进行计算。4高压供配电系统41 电力负荷分级及对供电电源的要求一、电力负荷分级电力负荷分级是根据负荷重要性和负荷中断供电在政治、经济上所造成的损失或影响程度来划分的，共分为三级。（1） 级负荷。突然中断供电将造成人身伤亡者；突然中断供电将在经济上造成重大损失者，如重大设备损坏和用重要原料生产的产品大量报废、国民经济中重点企业的连续生产过程被打乱需要长时间才能恢复等；突然中断供电将影响交通枢纽、通讯枢纽、重要宾馆等有重要政治、经济意义的用电单位正常工作者。（2） 二级负荷。突然中断供电在经济上造成较大损失者，如主要设备损坏、大量产品报废、重要企业大量减产等；突然中断供电将影响大型公共场所等重要用电单位的正常工作者。（3） 三级负荷。不属于一级和二级负荷者。二、各级负荷对供电电源的要求钢铁企业各级负荷的供电电源，应按照企业的规模、性质和用电容量，并结合地区电网的供电条件全面地加以选定，一般不低于下列要求：（1） 一级负荷 应由两个独立电源供电。对特殊重要的一级负荷应由两个独立电源点供电。如果得不到两个独立电源点时，须设立保安电源。（2） 二级负荷 应由两回线路供电，该两回线路应尽可能引自不同的变压器和母线段。当取得两回线路确有困难时，允许由一回专用线路供电。（3） 三级负荷 对供电无特殊要求，一般按其容量大小来决定。独立电源是指若干电源中，任一电源因故障而停止供电时，不影响其他电源继续供电。同时具有下列两个条件的发电厂、变电所的不同母线段均属独立电源：（1） 每段母线的电源来自不同的发电机；（2） 母线段之间无联系或虽有联系但在其中一段发生故障时，能自动断开联系，不影响其余母线段继续供电。独立电源点是指若干独立电源来自不同地点，任一电源点因故障而停止供电时，不影响其他电源点继续供电。两个发电厂、一个发电厂和一个地区电网或一个电力系统中的两个区域性变电所都属两个独立电源点。4.2配电系统主结线421电源系统结线电源系统结线的一般原则为：(1) 钢铁企业一般采用专用电源线路和企业变电所；(2) 全企业一般设置一个总变电所，个别情况设置两个最多不超过三个总变电所(改扩建企业除外)；(3) 企业总变电所一般作成终端式；(4) 电源系统结线采用放射式，个别情况采用干线式，其分支点不得多于一个。电源系统典型结线：A 单电源单变压器结线B 桥形结线C 单母线分段结线D 双母线结线E 旁路母线和旁路隔离开关的设置422 配电系统配电系统是指从总变电所(或总配电所)至各车间变电所的结线系统。一、一般要求配电系统的一般要求为：（1） 配电系统应简单可靠，便于操作管理。高压配电系统同一电压的级数应尽量减少，以简化各级变(配)电所之间继电保护的配合，般不多于两级。（2） 将企业按车间设备管理的范围划分若干配电区域，确定车间变电所的位置，并且按设备管理范围进行供电。尽量避免从就近其他车间取得电源，这将给管理上带来麻烦。（3） 对于零星公共负荷如道路照明等，需由全厂供电部门统一管理，尽量接至统一规划的公共电源线上供电。（4） 高压配电线路应尽可能深入负荷中心。当技术经济合理时应采用35kV及以上的线路直接向车间配电的方式。（5） 平行的生产流水线及互为备用的生产机组，根据生产要求，宜由不同的母线或线路供电，同一生产流水线的各用电设备宜由同一母线或线路供电。（6） 在设计配电系统结线时，除保安负荷外不应考虑一电源回路检修或故障时，另一电源回路又发生故障。（7） 在走廊、环境条件及防雷要求许可时，配电线路宜采用架空线。（8） 配电系统既应考虑正常生产时的负荷分配，也要考虑检修和故障时的负荷分配。（9） 配电系统的结线应能适应各车间的投产程序和分期建设的需要。（10） 改建和扩建工程应尽量利用现有设备。二、配电系统结线配电系统结线的选择原则：（1） （1）企业内部的配电方式有放射式、树干式和环形几种。设计时按具体情况选用。35kV及以上宜采用放射式或环形配电系统；6一lOkV宜采用放射式和树干式相结合的配电系统。小型企业的配电系统一般以树干式为主。（2） 61OkV树干式配电。干线上连接的用户数不宜太多，电缆干线的用户不应超过2个；架空干线的用户不应超过5个。具有一级用电负荷车间的两路电源线路，如果采用双干线(电缆或架空)时，不应超过一个分支；如果采用一路专线和一路干线供电，则架空干线可以有两个分支，而电缆干线不应超过一个分支。（3） 对于大容量的用电设备(大型电弧炉变压器、整流变压器或大型轧钢机电动机等)，因接于车间变、配电所将会引起母线电压波动超过允许值，故一般采用直接由总变电所供电或由专用变压器供电的方式。（4） 具有稳定负荷的隐极式同步电动机(如用于空压机、水泵和风机等)，不应与有较大冲击负荷(如大型轧钢机和大型电弧炉)的用电设备接于同一段母线上。因为较大的冲击负荷，使网络的功率角随冲击负荷规律的变化，将造成隐极式同步电动机功率振荡，引起定子电流发生较大幅度的变化。（5） 为防止较大冲击负荷(如轧钢机、电弧炉等)对其他负荷的影响，可将冲击负荷由专用变压器供电或将冲击负荷都接在同一段母线上，以便减少动态无功补偿(SVC)的投资。4.3负荷计算作为钢铁企业供配电设计基础而进行的负荷计算，其主要内容包括：（1） 计算最大负荷(计算负荷)。（2） 计算尖峰电流或冲击负荷。（3） 计算最大负荷班的平均负荷。进行负荷计算一般应按供配电的顺序，由用电设备端的配电支线、干线、车间变电所逐级向总变电所推进。钢铁企业的电力负荷通常采用以下几种方法进行计算：(1) 需要系数法。（2） 二项式法。（3） 利用系数法。（4） 单位产品耗电量法。（5） 单位面积负荷密度法。44功率因数的改善441提高功率因数的意义在钢铁企业中，由于大量的电力负荷是感性负荷，因此企业的自然功率因数比较低，如不采用人工补偿，提高功率因数，将造成如下不良影响（1） 降低了发电机的输出功率，当发电机需提高无功输出，低于额定功率因数运行时，将使发电机有功输出降低；（2） 降低了变电、输电设施的供电能力；（3） 使网络电力损耗增加(网络中的电能损失与功率因数值的平方成反比)；（4） 功率因数愈低，线路的电压降愈大，使得用电设备的运行条件恶化。在考虑提高功率因数时，应首先提高企业用电设备的自然功率因数，当采取措施后还达不到供电部门的要求时，才考虑采用人工补偿装置。442用电设备自然功率因数的提高为了降低无功功率消耗，提高自然功率因数，通常采取下列措施：（1） 合理选择电动机容量，使其接近满载运行。（2） 对于平均负荷小于40的感应电动机，换以小容量电动机，或将定子三角形接线改为星形接线(仅适用于轻载或空载起动的电动机)。（3） 合理安排和调整工艺流程，改善电气设备的运行方式，限制空载运转。（4） 正确选择变压器容量，提高变压器负荷率(般7580较合适)。（5） 提高感应电动机的检修质量，防止间隙加大。（6） 对于负荷率不大于70及尖峰负荷不大于90的绕线型感应电动机必要时使其同步化。45短路电流计算451高压短路电流计算的特点一、高压短路故障的类型及危害供电系统的设计和运行中，不仅要考虑到正常工作状态，还要考虑到可能发生的故障以及不正常运行情况。对供电系统危害最大的，是短路故障。短路故障分三相短路，两相短路，单相短路等。单相短路的形成是与供电系统的中性点接地方式有关。中性点不接地系统，只能产生单相接地，但不能形成短路，对系统危害不大。供电系统发生短路时，电流可达几万甚至几拾万安。如此巨大电流将产生强烈的力和热效应，造成对设备和人身的严重危害和威胁。短路时，电压的突然下降将影响到电动机的正常工作，甚至停转。而不对称短路有可能干扰附近的铁路信号，通信线路以及其它自动控制系统。二、短路保护措施为防止短路故障带来的危害，必须设法降低短路电流或缩短短路故障持续时间。前者可用串接电抗器或选用合适的设备，元件和线路来实现。后者依靠选用和整定好继电保护装置，使故障电流造成危害之前即被自动切断，从而保护其它正常设备安全可靠运行。无论是选择合适设备还是整定继电保护装置，都需要对本系统中可能产生的短路电流数值有所了解。三、高压短路电流计算的特点1近似计算准确计算短路电流是相当复杂的。同时必要性也不大，因为解决大部分实际问题并不要求非常准确的计算结果。为此，实用中多采用近似的计算方法。这种方法忽略了各元件磁饱和的影响，认为短路元件的电抗为一常数，并略去了变压器励磁电流和所有元件的分布电容。为简化计算，一般当短路电路中总电阻R大于总电抗X的三分之一时才考虑电阻，否则认为总阻抗Z等于总电抗X。2认为国家电网为无限大功率系统工厂用电负荷容量皆远小于电网容量或距电源很远，工厂侧发生短路时，对电源端电压影响可以略而不计。故由国家电网供电的工厂，皆可按“无限大电源系统”进行短路电流计算，使计算内容简化。 3考虑电网运行状态的影响当电源运行状态改变时，短路电流也发生显著变化，选择设备时，需要知道通过该设备最大可能的三相短路电流。因此要按最大运行状态计算短路电流。当校验继电保护装置的灵敏度时，又需要知道最小短路电流时灵敏系数是否合格。所以要算出最小运行状态下的最小短路电流。为此需要供电部门提供国家电网供电接线点的两种运行状态下的系统短路参数作为计算依据。452各元件电抗标么值的计算一，标么值计算计算短路电流时，各有关的物理量(电压、电流、功率和阻抗等)可以用有名值表示，也可以用各物理量与选定的同单位基准物理量之比的标么值表示。某物理量的标么值就表示此物理量为基准量的倍数。由于标么值是两个同单位有名值的比值，所以没有单位。高压系统的短路电流计算多用标么值法，用此方法可避免不同电压等级间的复杂折算，使计算内容大为简化。使用标么值法计算短路电流时，常用下述四种物理量： 1Uj 一电压基准值(千伏)。一般采用平均电压Up，即Uj= Up=1.05Ue。2Sj 一功率基准值(兆伏安)。可任意假定，一般取100兆伏安。3.Ij 一电流基准值(千安)。当Sj与Uj选定后，Ij可用下式表示：4.Zj 阻抗基准值(欧)。如略去电阻则可用Xj代替Zj，用下式表：同一元件的工作状态，可用电压U，电流I，功率S和电抗X(代替阻抗Z)的有名值表示，也可用它们对基准值的标么值表示：U*j= U/UjI*j= I/IjS*j= S/SjX*j= X/Xj=XSj/Uj2在标么值计算法中，带*下标表示对基准值的标么值。二、各元件的电抗及其标么值1变压器的阻抗标么值X*b= (Ud%Sj)/(100Se)式中 Ud% 一一变压器短路电压降百分数； Se一一变压器的额定容量(兆伏安)。2线路电抗标么值X*l(R*l也如此计算):X*l= XlSj/Uj2 或 X*l= X0L式中 Xl一一线路电抗值(欧)； X0一一线路每公里电抗标么值； L一一线路长度(千米)。3.电抗器的电抗标么值X*x式中 Sex电抗器的额定通过容量(兆伏安)； Ue 电抗器的额定电压(千伏)； Ie电抗器的额定电流(千安)； Xe电抗器的额定电抗()； X*e 电抗器对额定量的电抗标么值。三、供电系统不同运行方式下各短路点总标么阻抗的计算1电源侧的电抗标么值 由供电部门给出供电接线处的系统短路参数： Sdmax最大运行方式下的短路容量(兆伏安)； Sdmin最小运行方式下的短路容量(兆伏安)。 根据上述参数可求出电源侧电抗标么值：(1)最大运行方式下的电源电抗标么值X*xt=Sj/ Sdmax(2)最小运行方式下的电源电抗标么值X*xt=Sj/ Sdmix2电源到短路点总阻抗标么值由短路点到系统供电接线点之间各元件及设备阻抗标么值之和（并联设备取等效值），再加上系统供电接线点电源侧电抗标么值，其总和即为所求总阻抗标么值。453短路电流计算一、短路电流周期分量的有效值Id（千安）(1)最大运行方式的Id Id = Ij / Z*如电阻可略而不计时Id Id = Ij / X*(2)最小运行方式的Id Id= Ij / Z*如电阻可略而不计时Id= Ij / X*二、冲击短路电流ich（千安）及短路全电流最大有效值Ich（千安）式中 Kch短路电流冲击系数。在高压电网中通常取Kch=1.8，可得：ich=2.55Id、Ich=1.52Id。在低压电网中（1000kVA及以下的变压器二次侧）通常取Kch=1.3，可得：ich=1.84Id、Ich=1.09Id。三、短路电流的稳态值I（千安） I = Id四、短路点短路容量Sd(兆伏安)46高压电器的选择1按工作电压选择所选的电器允许最高工作电压Umax应大于或等于所在回路的最高运行电压Ug，即UmaxUg 。2按工作电流选择选用的电器额定电流Ie应大于或等于该回路的最大长期工作电流Ig，即IeIg 。3按断流容量选择对于断路器、熔断器设备的额定断流容量Sdn（或额定断开电流Idn）应大于或等于次暂态短路容量S（或次暂态短路电流I），即SdnS或IdnI。4按机械负载选择所选电器端子的允许荷载，应大于电器引线在正常运行和短路时的最大作用力。5.短路稳定校验各种高压电器应进行相应的动稳定、热稳定校验。47继电保护按保护装置的作用，一般可以分为主保护、后备保护及辅助保护。1) 主保护满足系统稳定及设备安全要求，快速而有选择地切除被保护元件范围内的故障的保护。2) 后备保护分为远后备与近后备两种方式。远后备当主保护或断路器拒绝动作时，由相邻元件的保护实现后备。近后备当本元件主保护或断路器拒绝动作时，由本元件的另一套保护或本变电所另一台断路器实现后备。3) 辅助保护为补充主保护和后备保护的不足而增设的简单保护。471继电保护装置的基本要求为了提高供电系统运行的可靠性，继电保护装置必须具备快速性，选择性，灵敏性和可靠性。（1） 快速性：为减少故障持续时间，限制故障的影响范围，对动作于跳闸的保护装置，应尽快切除故障。如与选择性要求有矛盾时，应在保证选择性的基础上力求快速动作。（2） 选择性：供电系统某部分发生故障时，继电保护装置只将故障部分切除，保证无故障部分继续运行。（3） 可靠性：有故障时，应该动作的继电器不拒动，不该动作的不误动。一般说继电器的质量愈高，结线愈简单，则误动率和拒动率越低，也就是保护装置的可靠性越高。（4） 灵敏性：继电保护装置在其保护范围内对故障或不正常工作状态的反应能力。472高压电气设备的继电保护各种高压电器根据要求设置相应的继电保护。4 8 高压配电装置一、高压配电装置的设计原则（1） 高压配电装置设计必须贯彻国家的技术经济政策，并应根据企业的具体条件，环境特点和运行检修等要求合理制定布置方案和选用设备，使设计做到技术先进，经济合理，运行可靠，维护方便。（2） 高压配电装置的设计，应根据工程建设规模和发展规划，正确处理近期建设和远期发展的关系，在满足近期建设要求的前提下适当考虑扩建的可能。（3） 高压配电装置的设计必须坚持节约用地的原则，尽量不占良田和少占农田。（4） 高压配电装置的设计应符合现行的有关国家标准和技术规范的规定。二、高压配电装置设计的一般规定（1） 配电装置的布置和导体、电器、构架的选择，应满足正常运行、检修、短路和过电压条件下的安全要求。（2） 配电装置的绝缘等级，应和电网额定电压相配合。（3） 配电装置的相序排列应尽可能一致。对屋内硬导体及屋外母线桥应涂刷相色油漆，不涂相色油漆的应有相色标志。相序排列位置（自柜或间隔前向母线视去的方向）与涂色一般规定为:涂漆颜色A相为黄色、B相为绿色、C相为红色。相序排列位置A相为上或后或左、B相为中、C相为下或前或右。（4） 配电装置的布置，应便于设备的操作、搬运、检修和试验。（5） 为保证电器和母线的检修安全，每段母线上宜装设接地刀闸或接地器，电压为6.3kV及以上的配电装置，对断路器两侧的隔离开关和线路隔离开关的线路侧，宜配置接地刀闸。屋内配电装置间隔内的硬导体及接地线上，应留有接触面和连接端子，以便于安装携带式接地线。（6） 屋内外配电装置均应装设闭锁装置及联锁装置，以防止带负荷合隔离开关，带接地合闸，有电挂接地线，误分合断路器和误入带电间隔等电气误操作事故。（7） 周围环境温度低于电气设备、仪表和继电器的最低允许温度时，应装设加热装置或其它保温设施。（8） 海拔超过1000m的地区，配电装置应选择适用于该海拔高度的电器、电瓷产品。（9） 地震基本烈度超过7度的地区，配电装置应采取抗震措施。三、 屋内高压配电装置1对安全净距的要求（1） 屋内配电装置的安全净距应满足相应的净距要求。（2） 屋内配电装置带电部分的上面不应有明敷的照明或动力线路跨越。2. 对围栏及通道的要求（1） 配电装置中电气设备的栅栏高度，不应低于1.2m。栅栏最低栏杆至地面的净距，不应大于200mm。（2） 配电装置中电气设备的遮栏高度，不应低于1.7m，遮栏网孔不应大于40X40mm。围栏门应装锁。（3） 配电装置室内各种通道的最小宽度根据种类分别不应小于800mm2000