《电气工程概论》全书860页课件（肖登明）.ppt

2020 3 14 1 电气工程概论 肖登明主编中国电力出版社出版2005 2020 3 14 2 第一章绪论 电气工程概论 2020 3 14 3 第一章绪论 2020 3 14 4 电气工程概论第一章绪论 一 电气工程的历史和形成电气工程是研究电磁领域的客观规律及其应用的科学技术 以电工科学中的理论和方法为基础而形成的工程技术称为电气工程 根据电气工程学科的发展现状 可将其分为相对独立的五个分学科 电力系统及其自动化技术 电机与电器及其控制技术 高电压与绝缘技术 电力电子技术和电工新技术其结构简图如下图所示 2020 3 14 5 电气工程概论第一章绪论 2020 3 14 6 电气工程除具有其各分支学科的专业理论外 还具有本学科的共性基础理论 电路理论 电磁场理论 电磁计量理论等 它与基础科学 如物理 数学等 中的相应分支具有密切的联系 但又具有明显的差别 基础科学的主要任务是认识客观世界的本质及其内在规律 技术科学的目的则在于改造客观世界以达到人们的预定要求 电工学科的基础理论所研究的对象是经过人类加工改造后出现的新现象 而不是自然界固有存在的现象 还不能只限于现象的分析 而应包括实现所需现象的综合以及为此所需的代价 从而使方法和途径也占有重要地位 电气工程概论第一章绪论 2020 3 14 7 电气测量技术在电气工程各分支学科的技术发展中具有耳目和神经的作用 它是定量研究电气工程技术问题的手段 随着各分支学科的发展而迅速发展 电气测量技术及其仪器的自动化 微机化 智能化 多功能化等发展趋势 已深深渗透到电气工程各分支学科的测量技术中 新原理 新技术和新仪器日新月异 例如测量 监视 控制等多功能新型装置以及现场测试或实时监测技术对整体系统精度的改进等 都对电气工程分支学科的发展起了重要作用 电气工程概论第一章绪论 2020 3 14 8 二 电气工程的地位和发展 电气工程概论第一章绪论 2020 3 14 9 解放前 我国电工科学的基础薄弱而落后 建国后 有了多方面的巨大发展 我国一次能源总产量达10 9亿吨标准煤 2000 居世界第三位 比1949年增长了44倍 但电能比重仍较落后 只占国民经济总能源消耗的25 左右 1949年 我国电力工业的发电量4 3亿kWh 世界排序第25位 装机容量1850MW 世界排序第21位 2003年 分别增加到19052亿kWh和391GW 皆居世界第二位 各增大443倍和211倍 截至2003年底 我国水电装机达92170MW 占发电总装机的24 年发电量2830亿kWh 占总发电量的15 电气工程概论第一章绪论 2020 3 14 10 电工制造业以技术复杂的汽轮发电机组为例 我国1956年才试制成功6000kW机组 2002年 已制成并投产900MW 即46年期间汽轮发电机组单机容量的制造能力扩大到1500倍 居于世界先进行列 电气工程概论第一章绪论 2020 3 14 11 电气工程概论第一章绪论 在断路器和避雷器等电器制造方面 解放时 我国只能制造10kV的充油式断路器 目前 可制造500kV新型的SF6的断路器 从10kV管式避雷器提高到500kV氧化锌避雷器的制造水平 均已进入了世界先进行列 2020 3 14 12 以大型电力变压器为例 1923年 我国生产第一台三相电力变压器50kVA 1948年 制成国内最大的6 6kV三相2500kVA电力变压器 本世纪初 我国已能生产500kV的三相750MVA和成组1000kV 250MVA的单相电力变压器 按三相容量计算 制造能力扩大到300倍 电气工程概论第一章绪论 2020 3 14 13 电气工程概论第一章绪论 在输电线路方面 1949年 我国只有一回220kV线路 全部35kV以上输电线仅6475km 1999年底 我国超高压输电500kV 含直流线路 达22927km 变电容量达80120MVA 220kV以上输电线路总长达495123km 变电容量达593690MVA 2020 3 14 14 在电气化方面 工业用电量占全部电能生产的71 5 2001 每年新增发电量的64 6 用于工业用电 其中轻工业用电的年增长率已达14 6 农业用电增长也很快 自解放以来 平均每年以24 的高速增长 在全国2300个县中 已有2280个县用上了电 第三产业用电 包括市政商业和交通通信 和居民用电量到2001年已达电能总生产量的24 61 电气工程概论第一章绪论 2020 3 14 15 电气工程概论第一章绪论 在电力电子和电工新技术领域 1962年 我国试制出第一个晶闸管 目前 已能批量生产电流达3000A 电压为8500V的晶闸管 并能研制生产和应用快速 全控器件或设备 2020 3 14 16 在电力系统方面 1949年 只有东北 京津唐和上海三个容量不大 分别为646 259和250MW 的电力系统 2003年 已有11个电力系统发电装机容量超过20000MW 其中东北 华北 华东 华中电网发电装机容量均超过30000MW 华东 华中电网甚至超过40000MW 西北电网的装机容量也达到20000MW 其他几个独立省网 如四川 山东 福建等电网发电装机容量超过或接近10000MW 大区电力系统目前正进入各自加强和彼此互联以及进一步发展形成全国统一电力系统的过程中 电气工程概论第一章绪论 2020 3 14 17 在电工高技术的范围内 我国也从空白状态发展形成多个相互配合的研究基地或重点实验室 并相继取得一些世人瞩目的研究成果 例如1983年建成的8MV闪光 I强流脉冲电子束加速器和1990年建成的9MeV感应直线加速器 各种激光器 各种等离子体装置的研制和应用 超导技术 医疗用电工技术 电接触技术 新型电测技术等的成果 新装置 新仪器 新方法等 都使我国在电工新技术和新技术领域中从填补空白的阶段先后步入建立试验基地 开展系统性研究 力求迎头弥补差距的新阶段 电气工程概论第一章绪论 2020 3 14 18 电气工程概论第一章绪论 在电力电子和电工新技术中 我国已从1962年研制出第一个晶闸管起 到目前能批量生产电流达3000A 电压为8500V的晶闸管 并能研制生产和应用快速 全控器件或设备 2020 3 14 19 电气工程概论第一章绪论 综上所述 我国电工科学在传统的电力输送 电工制造或高电压技术方面 取得可喜的进展和成绩 我国在电工新技术和高技术领域中也取得可喜的进展和成绩 这说明我国的电工科学已发展成为国民经济发展中可靠的支柱 2020 3 14 20 三 电气工程的展望 20世纪中叶以来 以电子信息技术为核心的新技术革命正在兴起 冲击着所有传统科学 包括基础科学 技术科学 综合科学 甚至社会科学等在内的广大领域 有人统计 最近20年中的科技创造和发明超过了过去两千年中创造发明的总和 在技术科学范围内 不少学科都发生了 旧貌换新颖 的变化 电工学科的巨大变化也十分显著 电气工程概论第一章绪论 2020 3 14 21 电气工程概论第一章绪论 2020 3 14 22 电气工程学科是在经验和教训中不断发展起来的 著名例子是美加 8 14大停电 2003年8月14日下午 美国的中西部和东北部以及加拿大的安大略省经历了一次大停电事故 其影响范围包括美国的俄亥俄州 密西根州 宾夕法尼亚州 纽约州 佛蒙特州 马萨诸塞州 康涅狄格州 新泽西州和加拿大的安大略省 损失负载大61 8GW 影响了5千万人口的用电 停电在美国东部时间下午4时06分开始 在美国的一些地区两天内未能恢复供电 加拿大的安大略省甚至一周未能恢复供电 这次停电事故引起了全世界的关注 综合资料 基本可以判断本次大停电对全网而言属于潮流大范围转移导致的快速电压崩溃 同时伴有潮流大范围转移和窜动导致的断面线路相继跳闸和系统解列后的频率崩溃 电簔工程概论0第一章绪论 2020 3 14 23 第二章电机与电器基础 2020 3 14 24 第一节开关电器 2020 3 14 25 一 概述 一 开关电器概述1断路器 电力网正常工作和发生故障时关合和开断电路 2隔离开关 将高压设备与电源隔离 以保证检修工作人员的安全 3熔断器 电路发生故障或短路时 依靠熔件的熔断来开断电路 4低压控制电器 接通和分断低压交 直流的控制电路 二 开关电器技术参数1额定电压 额定电压是指开关电器设计时所采用的标称电压 2020 3 14 26 2额定电流 开关电器在额定频率下能长期通过而各个金属部分和绝缘部分的温升不超过长期工作时最大容许温升的最大标称电流 3额定短时耐受电流 额定短时耐受电流是高压开关电器在规定时间内能够通过而其温升不超过规定条件的最大标称电流 主要反映开关电器承受短路电流热效应的能力 4额定峰值耐受电流 额定峰值耐受电流是指开关电器在规定条件下能够通过 而不发生机械损坏的最大标称电流 主要反映开关电器承受短路电流电动力效应的能力 2020 3 14 27 二 低压断路器 一 低压断路器概述低压断路器主要用于配电线路和电气设备的过载 欠压 失压和短路保护 常在低压大功率电路中作为主控电器 按电源类型分为交流式和直流式低压断路器 按结构可分为万能式和装置式低压断路器 2020 3 14 28 2020 3 14 29 二 低压断路器的选择要点 1 额定工作电压不小于线路额定电压 2 额定电流不小于线路计算负载电流 3 额定短路通断能力不小于线路中可能出现的最大短路电流 4 线路末端单相对地短路电流不小于1 5倍断路器脱扣器整定电流 5 欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压 按使用场合的需要来确定是否需要带延时 6 注意断路器接触方向 母联断路器应选用可在下方进线的断路器 7 注意与其他电器的配合协调 各级断路器的过电流脱扣器整定值和延时应符合选择性配合要求 2020 3 14 30 8 电动机保护断路器的瞬时动作电流应考虑电动机的启动条件 电动机的种类 启动电流倍数和时间 三 断路器额定电流的确定断路器壳架等级额定电流 指塑壳或框架中所能装的最大过流脱扣器的额定电流 和断路器额定电流 过电流脱扣器额定电流 可确定为 式中IN QF为断路器壳架等级的额定电流 Ica为线路的计算负载电流 IN OR为过电流脱扣器的额定电流 2020 3 14 31 三 低压控制电器 一 低压接触器概述低压接触器是电气传动和自动控制系统中应用最广的一种电器 适用于远距离频繁的接通和分断交 直流主电路及大容量控制电路 其主要控制对象是电动机 也可用于控制照明设备 电焊机 电容器 电热设备等负载 2020 3 14 32 2020 3 14 33 交流接触器的结构 2020 3 14 34 二 低压接触器的选用1 控制电动机负载2 控制非电动机负载 1 控制电热设备 2 控制电容器 3 控制变压器 4 控制照明装置 5 控制电磁铁 三 控制继电器概述电磁式控制继电器是根据电磁吸合和释放原理而动作的继电器 常见的电磁式控制继电器有通用 电压 电流 继电器 中间继电器 时间继电器 热过载继电器等 2020 3 14 35 2020 3 14 36 四 真空断路器 一 真空断路器概述利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器称为真空断路器 2020 3 14 37 二 真空断路器的触头1圆盘形触头圆盘形触头目前只用于开断电流要求不大的真空负荷开关和真空接触器上 2020 3 14 38 2横向磁场触头横向磁场就是与弧柱轴线相垂直的磁场 它与电弧电流产生的电磁力能使电弧在电极表面运动 防止电弧停留在某一点上 延缓阳极斑点的产生 提高了开断能力 2020 3 14 39 2020 3 14 40 3纵向磁场触头在同样触头直径的情况下 纵向磁场触头能够开断的电流最大 2020 3 14 41 4触头材料触头材料除了要求具有一定的导电 导热和机械性能外 还必须具备下述要求 1 耐弧性能好 真空断路器的特点是不需检修 因此要求触头能够耐受少则8 12次 多则30 50次开合额定短路电流时对触头的烧损 还要求具有开合几千上万次额定电流的能力 2 截断电流小 真空断路器使用中的一个严重问题是截流过电压高 往往使被控制的电器设备的绝缘受到损坏 降低这种过电压的有效措施是减小截断电流值 而截流值的大小与触头材料有关 3 抗熔焊性能好 4 含气量低 放气量太多会影响灭弧室的真空度 放气量的多少取决于材料的性质 2020 3 14 42 三 真空灭弧室的基本结构真空灭弧室主要由以下部件组成 1绝缘外壳2屏蔽罩3波纹管4动 静触头 2020 3 14 43 1绝缘外壳2屏蔽罩1 主屏蔽罩作用 1 有效地防止金属蒸气喷溅到绝缘外壳的内表面 避免内表面绝缘性能下降 2 屏蔽罩可使交流电流过零时 灭弧室内剩余的金属蒸气和导电粒子径向快速地扩散到屏蔽罩上冷却 复合和凝结 有利于电流过零后弧隙介质强度的提高 3 提高触头间绝缘强度 2020 3 14 44 2 主屏蔽罩分类 1 固定电位式 2 悬浮电位式 2020 3 14 45 3波纹管 1 液压成形波纹管 长度有限 最大压缩行程为自由长度的20 30 寿命数万次 2 薄片焊接成形波纹管 长度任意 最大压缩行程可达自由长度的60 寿命几百万次 2020 3 14 46 五 六氟化硫断路器 一 六氟化硫断路器概述六氟化硫 SF6 断路器是利用SF6气体作绝缘与灭弧介质的断路器 优点 与油断路器比较 SF6断路器具有断流能力强 灭弧速度快 电绝缘性能好 检修周期长的优点 比较适于频繁操作 而且没有燃烧爆炸的危险 缺点 要求断路器加工精度很高 密封性能要求很严 因此价格比较昂贵 二 双压式SF6断路器 2020 3 14 47 2020 3 14 48 三 单压式SF6断路器与双压式SF6断路器相比 单压式SF6断路器具有结构简单和开断电流大的特点 2020 3 14 49 四 自能式气自吹SF6断路器 2020 3 14 50 灭弧室的压力变化特性曲线 2020 3 14 51 六 熔断器 一 熔断器概述电路中通过短路电流或长期过负载电流时 利用熔体本身产生的热量将自己熔断 从而切断电路 达到保护电气设备和载流导体的目的 熔断器按电压可分为高压熔断器和低压熔断器 按装设地点可分为户内式和户外式 按结构可分为螺旋式 插片式和管式 此外 还可分为限流式和无限流式等 熔断器的基本结构由金属熔体 支持熔体的触头和外壳组成 2020 3 14 52 二 熔断器的安秒特性熔体的熔断时间与通过的电流的关系称为熔断器的安秒特性 三 熔断器过电压高压熔断器的额定电压必须大于或等于电网的额定电压 对于充填石英砂限流的熔断器 在电流达最大值之前就将电流截断而产生过电压 这将对电气设备造成威胁 过电压倍数与电路的参数 熔体的长度有关 2020 3 14 53 第二节变换电器 2020 3 14 54 一 变压器基本原理 一 变压器的工作原理变压器是通过电磁感应原理 通过电磁耦合实现电能传递的一种静止电气设备 主要由铁芯及绕在铁芯上的两个绕组组成 变压器原理图 2020 3 14 55 二 变压器的结构1油浸式变压器2干式变压器用环氧树脂浇注的变压器称为环氧树脂干式变压器 2020 3 14 56 三 变压器基本参数及性能指标1基本参数 1 额定电压U1N U2N 三相变压器指线电压 2 额定容量SN 3 额定电流I1N I2N 根据额定电压和额定容量计算得出 4 额定频率fN 我国规定工业用电频率为50Hz 2基本参数 1 变压器负载运行 二次侧端电压变化率 u 变压器外特性 2020 3 14 57 2 变压器损耗 p 3 变压器效率 2020 3 14 58 四 变压器分类 2020 3 14 59 五 变压器应用综述1电力变压器 电力变压器用途示意图 我国的电压等级及相应的输电容量和输电距离 2020 3 14 60 2特种变压器 特种变压器用途表 2020 3 14 61 二 变压器等值电路 一 空载运行等值电路 空载运行示意图 空载运行等值电路 2020 3 14 62 二 负载运行等值电路 负载运行示意图 负载运行等值电路 2020 3 14 63 三 三相变压器 一 三相变压器的磁路结构1三相组式变压器2三相芯式变压器 2020 3 14 64 二 三相变压器的连接组三相变压器和三相变压器组可以连接成星形 三角形和曲折形 对应于高压和低压侧分别用Y D Z和y d z来表示 当有中性点引出时 用YN ZN和yn zn表示 若规定高压侧绕组的某感应线电压相量始终指向钟表的12点 则低压侧绕组所对应的感应线电压相量所指的小时数就称为标号 双绕组变压器常用连接组 2020 3 14 65 双绕组变压器常用连接组 2020 3 14 66 三 变压器的并联运行变压器并联运行条件 1 各台变压器的一 二次侧的额定电压相同 变压器连接组的标号相同 2 各台变压器的阻抗电压相对值相等 各变压器的短路阻抗幅角相等 双绕组变压器常用连接组 2020 3 14 67 四 多绕组变压器 分裂变压器和自耦变压器 一 多绕组变压器具有两个以上绕组的变压器称为多绕组变压器 1三绕组变压器 三绕组变压器 a 升压变压器 b 降压变压器 2020 3 14 68 二 分裂绕组变压器1分裂绕组变压器结构分裂绕组变压器低压侧绕组中有一个或几个绕组被分裂成额定容量相等的几个分裂绕组 各分裂绕组间无电气联系 而仅有较弱的磁联系 单相双绕组双分裂变压器 a 接线图 b 等值电路 分裂绕组变压器在正常运行和低压侧短路时所呈现的电抗值不同 可完成电能变换的同时实现短路电流的限制 双柱式单相双绕组双分裂变压器 a 接线图 b 等值电路 2020 3 14 69 2分裂绕组变压器的应用 分裂变压器 电机连接示意图 a 接线图 b 等值电路 正常工作时 流入变压器的工作电流遇到的等效阻抗为穿越电抗XD X1 0 5X 2 当低压侧一台发电机出口处短路时 来自另外一台发电机的短路电流遇到的电抗为分裂电抗XF X 2 X 2 来自母线的电流遇到的电抗为半穿越电抗XB X1 X 2 2020 3 14 70 三 自耦变压器1自耦变压器的结构2优缺点 优点 用料省 体积小 效率高 造价低 缺点 自耦变压器变比的减小会使自耦变压器的短路阻抗值减小 短路故障电流增大 自耦变压器 2020 3 14 71 五 互感器 互感器是利用变压器的电磁感应原理 将大电量信号变换为小电量信号以方便测量的一种设备 可分为电流互感器和电压互感器 一 电流互感器 TA 1 工作原理 电流互感器工作原理图 2020 3 14 72 2 使用注意事项 1 电流互感器二次侧绕组绝对不允许开路 2 电流互感器的二次侧绕组和外壳必须可靠接地 以防止因绝缘击穿而危害人身安全 二 电压互感器 TV 电压互感器按工作原理可分为电磁式电压互感器和电容式电压互感器 1 电磁式电压互感器 1 工作原理 电压互感器工作原理图 2020 3 14 73 2 电磁式电压互感器使用时的注意事项 1 电压互感器的二次侧绕组绝对不允许短路 2 电压互感器的二次侧绕组和铁芯必须可靠接地 3 电压互感器的二次侧负载不易接太多 以免降低负载阻抗 影响测量准确性 2020 3 14 74 2 电容式电压互感器 CVT 电容式电压互感器 电容式电压互感器理想情况下输出电压U2L的计算公式 其中 k1 c1 c1 c2 k2为中间变压器的变换比 电容式电压互感器具有结构简单 体积小 成本低等优点 可用于110 500kV中性点直接接地系统中的电压测量 其缺点主要是输出容量较小 误差较大 2020 3 14 75 第三节限制电器 2020 3 14 76 一 电力电容器 一 电力电容器分类和用途电容器是一种基本的电器元件 两个相互靠近的平行板即可构成一个最简单的电容器 两极板间的绝缘材料称为电介质 应用在电力系统中的电容器称为电力电容器 其基本功能是存储电能 电荷 可用来实现对电网的无功补偿 限制功率因数下降 滤除高次谐波 限制高次谐波电流 等功能 对提高电能质量 提高电网运行的经济性 可靠性有重要的作用 根据电力电容器用途的不同 下表列出了详细的分类 2020 3 14 77 2020 3 14 78 电容器的电性能很大程度上取决于绝缘介质的材料性能 通常总是希望介质的耐压性能好 介电常数大 损耗角正切小 体积电阻率高 耐老化性能好 介质无污染 根据介质的形态 电力电容器常用的介质见下表所示 电力电容器常用介质分类 随着聚丙烯电工薄膜等材料的出现 电力电容器很快由全纸介质经过纸膜复合介质向全膜介质发展 全膜电力电容器具有击穿场强高 局部放电电压大 介质损耗低 体积电阻率高 运行寿命长 安全可靠等诸多优点 在我国得到了广泛的应用 2020 3 14 79 二 电力电容器参数1基本参数 1 额定电容CN 电力电容器的设计值 2 额定电压UN 表示正常运行时加到电容器上的额定电压 有效值 3 额定电流IN 电容器正常工作时的电流有效值 4 额定无功功率Q 等于电容器额定电压和额定电流的乘积 2020 3 14 80 2性能指标 1 损耗角正切 其中P是电容器在交流电压作用下 其内部的介质 熔丝 放电器件等产生的总有功损耗 损耗角正切越大 电容器相对有功损耗越大 内部发热越严重 反之 电容器发热较轻 电容器的质量及运行状况较好 通常损耗角正切会随外施电压和温度而有所变化 1 纸介质电容器2 膜 纸复合介质电容器3 全膜介质电容器 2020 3 14 81 2 自放电时间常数T T RC 其中R是电容器的绝缘电阻 C为电容器的标称值 自放电时间常数T也是衡量电容器性能 制造工艺的重要指标 通常认为T越大越好 3 耐压性和比特性 电力电容器出厂前必须经过各种测试 其中极间耐压试验和极对壳耐压试验十分重要 其性能的好坏将直接影响到投入运行后电容器的可靠性和安全性 比特性是表征电力电容器质量与容量关系的一个参数 单位为kg kvar 2020 3 14 82 三 并联电力电容器1并联电力电容器的结构高压并联电力电容器由许多电容器元件串联或并联组成 通常还附加一些辅助部件和结构 以满足电容器运行时的绝缘 散热 机械保护等方面的需要 并联电力电容器 2020 3 14 83 2并联电力电容器的应用并联电容器主要用在交流电力系统中 用来进行无功补偿 提高功率因数 降低线路损耗 发挥输变电设备效能 1 补偿原理电力系统中的感性负载较大时 会使母线上的电流滞后电压一定的电角度 称之为功率因数角 角的增大会增加系统的无功功率 造成电力系统及用户设备容量的浪费 采用并联电力电容器可以提高功率因数 降低线路损耗 等值电路 相量图 无功补偿示意图 2020 3 14 84 2 并联电容器 组 的合闸涌流问题对电容器 组 进行投切时 会在电容器 组 之间和母线上出现一个高频衰减电流 其幅值通常是电容器工作电流的几倍甚至几十倍 称为并联电容器 组 涌流 SurgeCurrent 涌流会导致电容器组及其它电力设备损坏 涌流产生的原因 a 电容器组投切时产生涌流 b 开断电容器组时可能发生的重击穿涌流 c 电容器组内部电容器单元故障时产生的组内涌流 限制并联电容器 组 的涌流的方法 a 串联电抗器 b 加长电容器间连接引线 增加电容器单元间电感 可以降低电容器故障时组内涌流的幅值 2020 3 14 85 3并联电力电容器成套装置并联电容器成套装置分为高压和低压并联电容器成套装置两种 高压并联电容器成套装置内部集成了电容器 电容器过负载保护专用熔断器 放电装置 抑制涌流和限制高次谐波的空心电抗器 限制过电压的避雷器 断路器和开关等设备 低压并联电容器装置结构相对简单 一般接成三角形装设在负载附近 a高压并联电容器组装置接线 b低压并联电容器组装置接线 2020 3 14 86 四 其它电容器1 串联电容器可以抵消输电线路的感抗 提高电力系统静态稳定性和输送能力 减小输电线路的电压降落 2 电热电容器主要用于频率40 24000Hz范围内的感应加热电气系统中 可提高系统的功率因数及改善回路特征 3 高压交流滤波电容器连接到额定电压大于1000V的交流电力系统附近 可为大功率谐波源的谐波电流提供低阻抗通道 用来抑制谐波分量对电力系统及通讯系统的影响 改善电力系统功率因数 4 脉冲电容器脉冲电容器可在极短的时间内 将存储的能量迅速释放出来 广泛应用于高电压试验 海底探矿 激光技术和高能物理等领域 5 高原型电容器高原型电容器外壳内设绝对压力补偿装置 具有抗低气压 抗低气温 抗温度突变的能力 可用于1000米至5000米的高原地区进行无功补偿 2020 3 14 87 二 避雷装置和避雷器 一 雷闪放电与过电压 雷云放电过程 2020 3 14 88 雷闪过电压 发生雷闪时 除了会产生直击雷过电压之外 还会在输电线路中出现感应过电压 这两种过电压均会对输电线路和电力设备造成危害 二 避雷装置避雷装置是一种接地良好的导电装置 可用来保护物体免遭雷击 它主要由引雷装置 接地装置和连接它们的引下线组成 按照引雷装置的形式 避雷装置可分为避雷针 避雷线和避雷带 三 避雷器避雷器实质上是一种放电器 可优先于被保护电器放电动作 限制由线路传来的雷电冲击电压和操作过电压 完成保护后迅速恢复原来对地绝缘的状态 准备下次保护动作 同时使系统恢复正常工作状态 1 避雷器的分类通常将避雷器分为保护间隙 管式避雷器 阀式避雷器三种 参见下表 2020 3 14 89 避雷器的用途和分类 2020 3 14 90 2 避雷器的电气性能指标及特性 1 额定电压 避雷器的最大允许工频电压 2 工频放电电压 避雷器间隙放电时的工频电压有效值 3 冲击放电电压 给定波形和极性的冲击电压施加到避雷器上 放电前所对应的电压峰值 4 放电电流 避雷器保护动作时通过它的冲击电流及工频续流统称为放电电流 5 残压 放电电流通过避雷器时 避雷器端子间的电压称为残压 6 通流容量 即阀式避雷器的阀片耐受放电电流的能力 以规定的波形和通流次数下的电流幅值来表示 7 伏秒特性 指避雷器的绝缘介质在不同幅值冲击电压作用下 冲击电压值与放电时间之间的关系曲线 它是综合衡量避雷器保护效果的重要依据 2020 3 14 91 3 阀式避雷器根据阀片材料的不同 阀式避雷器可分为碳化硅阀式避雷器和金属氧化物阀式避雷器两种 1 碳化硅避雷器将多个串联的保护间隙和串联的阀片相串联 压紧密封在避雷器瓷套内 阀片的材料采用金刚砂为主要成分 普通型碳化硅避雷器结构简图 金刚砂颗粒非线性电阻 2020 3 14 92 2 金属氧化物避雷器 MOA 金属氧化物避雷器由压紧密封在避雷器瓷套内的若干片ZnO阀片构成 氧化锌阀片外加氧化铋及其它金属氧化物粉碎烧结成园饼状或环状 上下端面喷有金属电极 侧面涂有绝缘釉以防沿面闪络 这种阀片具有非常优异的非线性特性 在高压下电阻很小 泄放雷电流的同时能保持低残压 伏安特性曲线见下图 ZnO阀片伏 安特性曲线 2020 3 14 93 4 避雷器的选择 使用和维护注意问题 1 避雷器连续雷电冲击保护能力 碳化硅避雷器没有连续雷电冲击保护能力 氧化锌避雷器有连续雷电冲击保护能力 2 避雷器使用寿命 避雷器使用寿命与许多因素有关 除了制造工艺 机械故障 密封失效受潮等因素外 避雷器阀片的老化速度是影响寿命的关键因素 碳化硅避雷器和无间隙氧化锌避雷器寿命有效使用寿命通常在7 10年 串联间隙氧化锌避雷器寿命可达20年以上 3 避雷器通常应垂直安装 且周围留有足够的空间 顶部引线水平压力不得超过允许值 对于由多节元件组装的避雷器 应严格按照出厂标号组装 4 避雷器运行过程中应经常监视和维护 有条件的电站型阀式避雷器应安装动作次数记录装置 碳化硅避雷器和金属氧化物避雷器应按有关标准定期测试性能 发现隐患应及时退出运行 2020 3 14 94 三 电抗器 电抗器属于感性元件 同电容器一样 也是一种基本的电器元件 电抗器主要用于实现电力系统和工业用户的限流 无功补偿 移相等功能 是电力 冶金 化工 电气化铁路等供电 输变电系统中所必需的重要设备 一 电抗器的结构 干式电抗器 2020 3 14 95 二 电抗器的基本参数 1 额定电感LN 是电抗器的设计值 2 额定电压UN 电抗器的额定工作电压 通常大于等于电抗器所连接的交流电力系统额定工作电压 3 额定电流IN 电抗器正常工作时所允许的长期通过电流 4 电抗百分比xN 指电抗器在额定电流下 绕组两端的电压降与系统每相电压值之比的百分数 即 U 绕组两端电压降 xN 绕组电抗值 LN 绕组电感值 2020 3 14 96 三 电抗器的分类和应用1 限流电抗器限流电抗器串联于发电机的输出回路 变压器或其它高压电器设备的输出或输入回路中 主要用来限制系统短路故障电流 保护输电线路和电力设备 在三相输电系统中 三相干式空芯串联电抗器是由三台单相电抗器排列构成 排列方式主要有以下三种 三相垂直 两相垂直 一相并列 三相并列 2020 3 14 97 2 分裂电抗器为了充分限制短路电流 希望电抗值越大越好 但是电抗值越大 电压和电能的损失也越大 采用分裂电抗器可以很大程度上避免这个问题 分裂电抗器比普通电抗器多出了一个中间抽头 从而形成了1 2两个分支 设XL为一个分支的自感抗 f为两个分支的互感系数 则互感抗Xm为 Xm fXL 下图表示了分裂电抗器的接线情况 根据电路理论中的互感消去法 可得右下图所示的等值电路 结构示意图 向量示意图 2020 3 14 98 3 消弧线圈消弧线圈是一个带有铁芯的电感线圈 也称为中性点接地电抗器 在中性点不接地的长距离输电系统中 线路的对地电容不容忽视 当发生单相接地短路的电流超过下表中所示的极限值时 电弧将难以自行熄灭 会造成供电系统中性点电压偏移 不接地两相对地产生过电压 损坏发电机和变压器的绝缘 接地故障电流允许极限值 对于中性点不接地的电力系统 若短路电容电流过大 通常需装设接地消弧线圈 来补偿输电系统对地故障时的容性电流 2020 3 14 99 中性点不接地系统示意图 一极故障接地相量图 当C相发生弧光接地时 消弧线圈将产生感性电流 由相量图可以看出 该电流可以全部或部分抵消导线对地电容产生的电流 破坏了弧光持续放电的条件 提高了供电系统的可靠性 1 补偿原理 2020 3 14 100 2 应用注意事项 1 系统中应尽可能采用多台消弧线圈分散安装 这样做的优点是发生故障时 不至于使大部分电力网失去消弧线圈的补偿 可提高电网供电的可靠性 2 消弧线圈宜装设于Y d接线的系统中性点上 若装设于Y y接线的中性点上 会使消弧线圈的利用容量降低 增加变压器的额外损耗 3 若变压器无中性点引出 则应另外装设一台接地变压器 以便引出中性点 对接地变压器的要求是零序阻抗低 空气阻抗高 高压侧绕组采用 Z 字形接线 这种结构可以有效抑制变压器与消弧线圈连接时的零序电流所引起的变压器附加发热 2020 3 14 101 第四节电机学 2020 3 14 102 一 概述 电机是依据电磁感应定律和电磁力定律 实现电能和机械能相互转化的电磁装置 按照电机的用途分类 可分为发电机 电动机和控制电机 按照电机的电流类型分类 可以分为直流电机和交流电机 其中交流电机可以分为同步电机和异步电机 按照电机的相数分类 可以分为单相电机和多相电机 如单相交流电机和最常见三相电机 按照电机的大小尺寸 容量分类 有大 中 小和微型电机 2020 3 14 103 二 直流电机 一 直流发电机工作原理 2020 3 14 104 二 直流电动机工作原理 1 电机的可逆原理 直流电机可作为发电机运行 也可作为电动机运行 2 换向器的作用是实现电枢线圈内的交流电动势 电流与电刷的直流电压 电流之间的转化 2020 3 14 105 三 直流电机的结构直流电机主要包括转子和定子两大部分 转子是电机的转动部分 定子是电机的静止部分 1定子 用来产生磁场和作为电机的机械支架 主要包括主磁极 换向极 机座和电刷装置 2020 3 14 106 2转子 也称为电枢 用来产生感应电动势和电磁转矩 实现能量的转换 主要包括电枢铁芯 电枢绕组 换向器 转轴和风扇等 四 直流电机的励磁直流电机的励磁方式分为永磁体励磁 电机本体励磁 并励 串励和复励 其他电源励磁三种 2020 3 14 107 五 直流电机中的感应电动势其中p为极对数 N为电枢绕组的总导体数 a为支路对数 为每极主磁通 n为电机转速 六 直流电机的电动势平衡方程1直流发电机的电动势方程2直流电动机的电动势方程 2020 3 14 108 七 直流电机的电磁转矩 八 直流电机损耗和功率平衡1直流电机损耗分类 1 机械损耗pmec 主要由轴承间的磨擦和电刷与换向器间的摩擦产生 2 铁芯损耗pFe 由电枢铁芯产生的涡流损耗和磁滞损耗 3 励磁损耗pf 由励磁绕组电阻产生的损耗 4 负载损耗pa 电枢绕组的电阻损耗等 5 杂散损耗pad 2020 3 14 109 2直流电机的功率平衡方程 1 直流发电机的功率平衡方程直流发电机的效率 2 直流电动机的功率平衡方程 2020 3 14 110 九 直流发电机的特性1空载特性 发电机当n为常值 I 0A时 发电机空载端电压U0与励磁电流If之间的函数关系 2负载特性 发电机n为常值 I 0A时 发电机端电压U与励磁电流之间的函数关系 2020 3 14 111 3外特性 发电机当n为常值 If为常值时 发电机电压U与输出电流I之间的函数关系 4调节特性 发电机n为常值 U为常值时 励磁电流If与输出电流I之间的函数关系 2020 3 14 112 十 直流电动机的机械特性和调速1他励直流电动机的机械特性 电机励磁电流If恒定且电枢端电压一定时 电机转速与电磁转矩之间的函数关系 其中 1 固有机械特性 当电动机端电压额定U UN 每极气隙励磁磁通额定 N 电枢回路无串接电阻 Rst 0 时的机械特性 2020 3 14 113 2 人为机械特性 在固有机械特性的基础上 主要分析改变电枢回路串接电阻 改变端电压和改变励磁磁通三种情况下的人为机械特性 1 电枢回路串接电阻的人为机械特性 2020 3 14 114 2 改变电枢端电压的人为机械特性 3 改变气隙磁通 的人为机械特性 Rst 0 2020 3 14 115 2他励直流电动机的调速 1 串电阻调速优点 实现简单 适用于低速短时运行的拖动装置 缺点 机械特性软 静差率大 转速调节范围小 只能低于额定转速调节 串接电阻消耗功率 只能实现有级调速 2020 3 14 116 2 调压调速优点 机械特性硬度不变 励磁电流额定时 可实现恒转矩调速 调速范围宽 可实现无级调速 调速过程能量损耗小 缺点 需要调压电源 只能低于额定转速调节 随电压降低静差率增大 串接电阻消耗功率 只能实现有级调速 2020 3 14 117 3 弱磁调速 恒功率调速 优点 控制方便 调速平滑 经济性好 缺点 调速范围窄 受电机机械强度和换向火花的限制 转速不可太高 此外还要防止电机飞车的现象发生 2020 3 14 118 十一 直流电机的额定值 1 额定功率PN 对于直流发电机 指电机输出的功率 对于直流电动机 指电机输出的机械功率 2 额定电压UN 电机额定运行时的输入或输出电压 3 额定电流IN 电机额定运行时能承受的电流 4 额定转速nN 电机额定运行时的转子转速 5 额定励磁电压UfN 保证电机额定运行的励磁绕组所需的电压 2020 3 14 119 三 异步电机 交流电机是目前生产 生活中使用最广泛的电机 可分为异步电机和同步电机 异步电机转子转速和同步转速之间总存在一定差异 其转子和定子之间没有电的直接联系 又称为感应电动机 优点 结构简单 价格低廉 运行可靠 效率较高 维修方便等优点 缺点 不能低成本的在较广泛的范围内实现平滑调速 必须从电网中吸收滞后电流 导致电网的功率因数降低 此外普通鼠笼式异步电动机的启动特性较差 2020 3 14 120 三 异步电机 一 直流发电机工作原理 2020 3 14 121 一 异步电机的结构1定子 定子铁芯由硅钢片冲片叠成 冲片内圆上的槽用来嵌放定子绕组 2转子 主要由转子铁芯 转子绕组和转轴三者构成 转子绕组分为绕线型和鼠笼型两类 异步电机结构 2020 3 14 122 二 异步电动机的工作原理1旋转磁极对导体的作用2三相绕组的旋转磁场 2020 3 14 123 两极三相电机定子磁场规律 1 电流变化一周 磁场在空间上旋转360度 2 合成磁动势旋转方向与绕组A B C在空间的布置顺序相同 3 某相电流达最大值时 合成磁动势轴线与该相绕组轴线重合 4 合成磁动势的幅值为每相脉振磁动势振幅的1 5倍 2020 3 14 124 3异步电机的磁通 1 主磁通 同时与定子绕组及转子绕组相匝链的磁通 2 漏磁通 定子绕组通过三相电流产生的仅与其自身相匝链的磁通 转子绕通过电流产生的仅与其自身相匝链的磁通 三 异步电机的运行方式转差率s 旋转磁场的转速n1与转子转速n的差值与同步速度n1的比值 可根据转差率来判断异步电机的运行状态 1电动机运行状态 01 2020 3 14 125 四 异步电动机的电动势平衡方程式1定子绕组的电动势平衡方程式2转子绕组的电动势和电流 1 转子绕组的电动势 2 转子绕组的漏阻抗 3 转子中的电流 2020 3 14 126 五 异步电动机的磁动势平衡方程1转子磁动势转子磁动势相对转子的转速2磁动势平衡方程式 六 异步电动机的功率平衡方程式 2020 3 14 127 七 异步电动机的转矩和机械特性1转矩2机械特性 2020 3 14 128 八 异步电动机的调速1交流调速系统发展方向 1 一般性能的节能调速 2 高性能交流调速系统 3 特大容量和极高转速的交流调速2异步电动机的调速 1 变极调速 2 变频调速 3 变转差率调速1 改变定子端电压2 改变转子电阻 2020 3 14 129 2020 3 14 130 4 异步电动机矢量变换控制系统 2020 3 14 131 四 同步电机 同步电机属于交流电机 其转子转速为一固定的同步转速 同步电机有三种运行方式 发电机 电动机和调相机 现代电网的电能几乎全部由三相同步发电机提供 一 同步电机的原理和结构 2020 3 14 132 二 同步发电机的空载运行 三 同步发电机的负载运行1电枢反应及电动势方程当负载运行时 三相对称电流流过定子三相绕组 形成电枢旋转磁动势 它与转子旋转磁动势同步 且转向相同 此时的气隙磁场与空载运行的情况不同 是二者的合成磁场 电枢磁动势对气隙磁场的影响称为电枢反应 电枢反应对同步电机的性能有重大影响 负载的性质决定了电枢反映的特性 可以应用时空矢量图来分析电枢反应特性 2020 3 14 133 2020 3 14 134 凸极同步电机的电动势方程其中Xd为直轴同步电抗 Xq为交轴同步电抗 隐极同步电机的电动势方程其中Xt为隐极电机同步电抗 2同步发电机的特性 1 空载特性 2 短路特性 2020 3 14 135 3 零功率因数负载特性 4 同步发电机的外特性发电机的电压调整率 2020 3 14 136 四 同步发电机的并网运行 1 发电机的频率和电网频率相同 2 发电机和电网的电压波形要相同 3 发电机和电网电压大小 相位要相同 4 发电机和电网的相序要相同 五 同步发电机的功率平衡凸极电机 隐极电机 2020 3 14 137 第三章电力电子技术 电气工程概论 2020 3 14 138 电气工程概论第三章电力电子技术 引言 近年来基于相关技术的发展 电力电子领域得到了高度发展 同时电力电子的市场也在迅速地扩张 在开关电源 不间断电源 节能 自动化 运输 感应加热 电力事业诸方面都得到了广泛的使用 详见表3 1 2020 3 14 139 电气工程概论第三章电力电子技术 2020 3 14 140 第一节功率半导体器件 电气工程概论第三章电力电子技术 2020 3 14 141 功率半导体器件是电力电子系统的心脏 是电力电子电路的基础 功率集成电路是最近10年功率半导体器件发展的一个重要趋势 是将功率半导体开关器件与其驱动 缓冲 检测 控制和保护等硬件集成一体 构成一个功率集成电路PIC 智能功率模块IPM是功率集成电路中典型的例子 近年得到了较为广泛的应用 电气工程概论3 1功率半导体器件 2020 3 14 142 一 概述 一 功率半导体器件的功能 图3 1为电力电子装置的示意图 功率输入经功率变换器后输出至负载 功率变换器通常采用电力电子器件作为功率开关 应用不同拓扑组合构成 实现电功率形式的变换 电压或频率等变换 此外 系统功率可以是双向的 即电功率也可以从输出端送至输入端 电气工程概论3 1功率半导体器件 2020 3 14 143 功率半导体器件作为功率开关 其工作特点如下 1 功率半导体器件通常都处于在开关状态 2 功率半导体器件由断态转换成通态及由通态转换成断态时 在转换过程中所产生的损耗 分别称之为开通损耗和关断损耗 总称为开关损耗 3 大功率是功率半导体器件的特点 这就要求一个理想的功率半导体器件应该是能承受高电压 大电流的器件 一个理想的功率半导体器件应当具有的理想的静态和动态特性是 在阻断状态 能承受高电压 在导通状态 具有高的电流密度和低的导通压降 在开关状态 转换时具有短的开 关时间 能承受高的和 同时器件具有全控功能 即器件的通断可通过电信号控制 电气工程概论3 1功率半导体器件 2020 3 14 144 二 功率半导体器件的发展 功率半导体器件的发展经历了以下阶段 大功率二极管产生于20世纪40年代 是功率半导体器件中结构最简单 使用最广泛的一种器件 20世纪70年代 出现了称之为第二代的自关断器件 如门极可关断晶闸管 大功率双极型晶体管 功率场效应晶体管等 20世纪80年代 出现了的第三代复合导电机构的场控半导体器件 以绝缘栅极双极型晶体管 IGBT或IGT 为典型代表 另外还有静电感应式晶体管 静电感应式晶闸管 MOS控制晶闸管 集成门极换流晶闸管等 现已经出现了第四代电力电子器件 集成功率半导体器件 它将功率器件与驱动电路 控制电路及保护电路集成在一块芯片上 从而开辟了电力电子器件智能化的方向 具有广阔的应用前景 电气工程概论3 1功率半导体器件 2020 3 14 145 图3 2示出了各种功率半导体器件的工作范围 电气工程概论3 1功率半导体器件 2020 3 14 146 二 大功率二极管 大功率二极管属不可控器件 在不可控整流 电感性负载回路的续流 电压源型逆变电路中提供无功路径 电流源型逆变电路换流电容与反电动势负载的隔离等场合均得到广泛使用 一 大功率二极管的结构 大功率二极管的内部结构是一个具有P型 N型半导体 一个PN结和阳极A 阴极K的两层两端半导体器件 其符号表示如图3 3 a 所示 从外部构成看 也分成管芯和散热器两部分 一般情况下 200A以下的管芯采用螺旋式 图3 3 b 以上则采用平板式 图3 3 c 电气工程概论3 1功率半导体器件 2020 3 14 147 二 大功率二极管的特性1 大功率二极管