电力系统与交流电路(ppt 75页).ppt

第一部分电工基础理论,第一单元交流电路,第二节三相正弦交流电路,一、三相交流电势的产生：,定子铁芯圆周的槽内有三个独立的绕组Ax、By和Cz，分别叫做A相绕组、B相绕组和C相绕组。当转子沿顺时针方向旋转时，磁力线就依次切割A、B、C三相绕组的导线，在其中产生了感应电势。由于三相绕组的匝数和形状是一样的，而且磁场对于它们是以同一速度旋转着，所以，在三相绕组中产生的电势频率和最大值彼此相同，但由于三个绕组在空间位置彼此差，则三相电势在相位上差120（电角）。,注：在三相绕组中把哪一个绕组当作A相绕组是无关紧要的，但把A相确定后，则产生比eA滞后120的电势eB的那个绕组就是B相，产生比eB滞后的电势eC的那个绕组就是C相，不可混淆。发电厂的发电机的相序确定了以后就不再改变。高压方面采用黄、绿、红三种颜色分别表示A、B、C三相。,定义：我们把频率相同，幅值相等，彼此相差120电角的三相电势叫做对称的三相电势。,二、三相绕组的连接方法,三相电源的连接方法有两种，一个是星形（简记为Y）接法，另一个是三角形（简记为）接法。,三、电源作星形连接：线电压和相电压的关系,线电压在数值上等于相电压的倍，在相位上线电压分别超前其所对应的相电压30。,负载作星形连接：线电压与相电压的关系,流过端线的电流（叫线电流）也就是流过与其相接的对应相的电流（叫相电流）。所以，对于星形连接的负载，其线电流I和相电流I是相等的，即I=I。由于各相的阻抗相等，并且电源电压又是对称的，各相承受的电压彼此对称；流过的电流也彼此对称。平衡的三相负载，每相承受的电压是电源电压的，即U=U/由于各相电流对称，即线电流对称，所以三个线电流的相量和（或复数和）等于零，即,四、电源作角形连接：线电压与相电压的关系,结论：1、将电源的三相绕组的每一相末端与下一相首端依次连接，即X接b，Y接c，Z接a，构成一个闭合回路，再由三个连接点引出端线，这就是三角形接法。2、从图2-4（a）可看出：三个相等的直流电源接成三角形，将在闭合回路中有着值为3E的电势作用，造成电源短路，这当然是不允许的。但与直流电势不同，对称的三相电势，大小相等，在相位上彼此相差120，因此它们在各个时刻的瞬时值的和以及相量和皆等于零。由此可知，对于生产对称电势的三相电源，其三相绕组是完全可以做三角形连接的。,3、三相绕组做三角形连接时，端线直接引出了相电压，所以线电压与相电压是相等的，即U=U。4、电源的三相绕组做三角形连接时，如果一相（或两相）反接，则闭合回路中的总电势就不再等于零。从图2-4中可见，如果C相绕组接反，这时回路中的总电势等于两倍的负EC，即,由于电源的三相绕组的内阻抗很小，所以在回路中将产生很大的环流，将烧毁绕组。因此，在接线时，一定要注意接线顺序，切不可接错。,负载作角形连接：线电流与相电流的关系,结论：三相负载作三角形连接，是把三相负荷首尾相接，然后再把A、B、C三相电源火线与三个接点相接即可，见图2-8（a）。负载对称与否并不影响三相负载的工作。并不是任何负载都可接成三角形，这要看负载的额定电压是否与电源的线电压相符，相符者可接，否则不可接。例如，当电源电压是380V时，电机铭牌上标明“380/220V，Y/”就不能接成三角形，对于额定电压为220V的电灯负载也同样不能接成三角形。只有电机铭牌标明为“380V，”才可以。如果电源电压为220V，则只有“380/220V，Y/”的电机才可以接成三角形。,三相负载作三角形连接，使每相负载直接承受电源的线电压，即U=U。在三角形连接的负载中，线电流等于和它相连的两个相电流的相量差。三相对称负载作三角形连接时，线电流有效值为相电流的倍。而相位较它对应的相电流滞后30。,五、三相电源功率,1、一个电源发出的有功功率，或一个三相负载接受的有功功率，都等于它们各相有功功率之和，即,以三相负载为例，在已知各相电压，电流的有效值及功率因数的情况下，三相的有功功率为,如果电源电压和各相负载都是对称的，则每相功率皆为,这时三相总的功率为一相有功功率的3倍，即,通常都用线电压、线电流来表达功率。三相对称负载如果是星接，则3U=U，I=I；如果是角接，则3I=I，U=U。由此可知，不论是星形连接，还是做三角形连接，其有功功率均为,式中为每相的相电压和相电流间的相位差，COS是每相的功率因数。,三相电路的无功功率等于每相无功功率之和,在各相负载对称的情况下，总无功功率为,对称三相电路中的视在功率为,在三相电压对称和负载对称的情况下，三相瞬时功率之和可以证明是一个常数，其值等于有功功率，即,就是说在对称三相正弦电路中，并且负载也对称的话，则每个瞬时的功率全一样，这是三相电路中的优点之一。因为旋转电机的转矩与功率有关，功率不变，则转矩不变，这样，旋转电机就不会因转矩变动而引起振动。,第四节电力系统,重点内容：介绍电力系统的基本概念；联合电力系统运行的优越性；系统的额定电压；额定负荷；系统中性点接地运行方式。,在电力工业发展的初期，发电厂都建设在用户附近，规模很小，而且是孤立运行的。,发电厂必须建设在动力资源所在的地方，而蕴藏动力资源的地区与电能用户之间又往往隔有一定距离。,一、电力系统的基本概念,大城市、大工业中心等用电部门则由于原材料供应、产品协作配套、运输、销售等原因以及各种地理、历史条件的限制，往往与动力资源所在地相距较远,要实现大容量、远距离输送电能，还必须建设升压变电所和架设高电压输电线路。,1、电力网的类型,电力系统中输送和分配电能的供电部分成为电力网。它包括升压、降压变压器和各种电压等级的输电线路。电力网按其供电范围的大小和电压等级的高低，可分为地方电力网、区域电力网及超高压远距离输电网络等三种类型。地方电力网是指电压不超过110kV、输电距离在几十公里以内的电力网，主要是一般城市、工矿区、农村的配电网,络。区域电力网则把范围较广地区的发电厂联系在一起，而且输电线路较长、用户类型也较多。目前在我国，区域电力网主要是电压为110-220kV级的电力网。超高压远距离输电网络主要有电压为330-500kV及以上的远距离输电线路组成。它担负着将远区发电厂的功率送往用电负荷中心的任务，同时还联系几个区域电力网以形成省（区）与省（区）之间、国与国之间的互联电力网。,2、联合电力系统的优越性,变电所、输电线路是电网的组成部分，电网是电力系统的组成部分，两个或两个以上电力系统用电网连接起来，并联运行即可构成地区性电力系统。若干地区电力系统再用电网连接起来就组成联合电力系统。例如东北电力系统就是由辽宁省电力系统、吉林省电力系统、黑龙江电力系统，通过500kV东长哈大送电线及220kV跨省联网线路连接起来的联合电力系统。,联合电力系统在技术上具有很大的优越性可以从五个方面加以说明：1、提高了供电可靠性。大电力系统发电机多，备用机组多，线路也多，容量比较大，因此个别线路发生故障不会影响系统供电，这样也就提高了供电的可靠性。,2、能充分保证电能质量。电能质量指标有二项：其一是频率稳定，正负不超过0.2Hz；其二是电压波动小。在大电力系统中，系统容量大，个别负荷变动如高压电动机起停、某些线路故障接地，都不会造成系统电压波动或频率的变化，能充分保证电能质量。,3、减少系统备用容量，提高设备利用率。在联合电网中，各个用户的最大负荷出现时间并不相同。这是由于大电力系统占有地域很大，存在时差和季差的关系，因此最大负荷将小于各个用户最大负荷的总和，所以可以减少备用机组、备用线路，并可提高设备利用率增加供电电量。,4、便于安装大容量输电线路降低造价。大机组容量大，必须建设大容量线路。超高压线路送电容量大，单位千瓦造价低，线路可靠，相对线损小，可以大大提高经济效益。,5、充分利用动力资源。在联合电力系统中，水电、火电并网运行，冬季多发火电，夏季丰水多发水电，水主火从，从而降低成本，提高运行的经济性。如吉林省东部水利资源丰富，夏季可多发水电。西部煤炭充足，冬季可多发火电，水电、火电在联合电力系统中取长补短，共同发挥作用。,二、系统的额定电压,由于线路中有电压降或称电压损耗存在，所以线路末端电压比首端要低。沿线各点电压也不相等。国家规定的电网额定电压为：500、220、110、63、35、10kV。,三、系统负荷,连接在电力系统上的一切用电设备所消耗的电能，称为电力系统的负荷。由电能转换成机械能、热能等是用电设备中真实消耗的功率，称之为有功负荷，单位为W。电动机为带动机械，需在其转子中产生磁场，变压器在线圈中产生磁场完成电磁能量的相互转换所消耗的功率称为无功负荷，单位为Var。为了满足有功负荷和无功负荷的需要，发电机既要发有功功率，又要发无功功率，,发电机全部功率称为视在功率，单位为kVA，是发电机额定电压与额定电流的乘积。有功功率与无功功率的比值成为功率因数。系统负荷随时间不同而不断变化，一般一天中傍晚有功负荷最大，称高峰负荷，深夜负荷最小，称低谷负荷。,四、系统中性点接地运行方式,1、电力系统中性点是指线路首端电压所连接的变压器三相绕组接成星形时绕组的末端连接点。电力系统中性点接地方式大体可分为三种：（1）中性点直接与接地装置连接，称为中性点直接接地系统，入地电流大于500A，因此也叫大接地电流系统，见图4-2。（2）中性点不接地系统，见图b，即中性点与大地是绝缘的系统。,（3）中性点经消弧线圈接地系统，与中性点不接地系统统称为中性点不直接接地系统，入地电流小，也叫小接地电流系统，见图c。,电力系统采用哪种接地方式，这对电气设备及线路绝缘水平，杆塔空气间隙有很大的影响，如中性点直接接地系统的绝缘水平比中性点不直接接地系统要低得多，绝缘子片数可以减少，杆塔空气间隙也可减少，这对运行与检修是有很大影响的。中性点接地方式对邻近通信的影响也有很大影响，中性点直接接地系统电磁影响比中性点不接地系统要严重得多。,中性点各种接地方式的应用范围。按照我国的技术经济政策，各种额定电压的电力系统其中性点接地方式一般是：1）110kV及以上电压的电力系统采用直接接地方式；2）63kV电压的电力系统采用经消弧线圈接地方式；3）35kV电压的电力系统采用不接地方式；,2、中性点不接地系统,凡接地电流不超过10A的35kV电力系统，采用不接地方式，见图4-3、图4-4。,线路每相电容电流为均布的，用集中电容代表，相间电容忽略不计，正常运行时各相电压UA、UB、UC是对称的。对地所产生的电容电流IA、IB、IC数值是相等的。相角分别超前相电压90，所以流经大地的总电流和为0。当一相接地故障时，参看图4-5及图4-6。,故障相UA，电压为0。非故障相UB、UC上升为线电压，即,线间电压不变，故B、C相对地电容电流,接地总电流,当接地电流小于5A时，闪络后很难在闪络点形成稳定电压，所以电弧能自动熄灭，不致停电。,即使发生永久故障，因线电压不变，不会影响用电设备运行，也不会停电，可以一面倒闸操作切除故障线路，一面巡线或带电检修，还是能保证连续供电的。因此在系统电压低、线路不长的35kV系统用此种方式较多。,2、中性点经消弧线圈接地系统,随着系统的扩大、电网额定电压的升高，中性点接地电流也增大了，这时发生瞬时接地的故障相就不能自动熄弧，产生弧光,接地过电压威胁系统安全，这时中性点宜用消弧线圈接地，所以在电压较高、线路较长、接地电容电流大于10A时用这种方式。,消弧线圈是一个带铁芯电抗线圈，外形好像一个单相变压器。为避免饱和使线圈的电流与所加电压成正比，并保持有效的消弧作用，铁芯柱中留有很多间隙，,间隙中添以绝缘板，线圈有若干个分接头，以此可调整线圈匝数改变电感电流。消弧线圈附有二次线圈，可测量其电流电压或用于继电保护，以便监视。,故障时，故障点除接地电容电流外，还有消弧线圈电感电流。由于电感电流滞后于电压90，因而和电容电流互相抵消，故障点电弧自动熄灭。灭弧的条件，当然是线路电容电流等于消弧线圈的电感电流，见图4-7、图4-8。即IL=IC，且,选为全补偿。但因线路三相对地电容不平衡，正常运行时中性点有电压，当时，容易产生串联谐振，所以要使，这样欠补偿。,又因线路要切换倒闸，当切除一些线路时，又可能为全补偿，所以一般用，即，则为过补偿。,63kV接地故障残余电流不超过10A时，用这种消弧线圈接地方式。,3、中性点直接接地方式,110kV及以上，如220、330、500kV都用此方式。故障时系统中性点保持原位，故障点为单相接地电流，继电保护动作立即切除，这样跳闸几率比上述两种系统多，影响可靠性。为了弥补这一缺陷，广泛采用自动重合闸,装置。该装置一般从发生瞬时接地故障引起跳闸到重合时间为0.5-1s，瞬时接地都能消除，不影响供电，如永久故障则继电保护再次动作就切除故障，待检修后才能送电。直接接地的内过电压是在相电压作用下产生的，所以比中性点不接地系统要低20%-30%，因此绝缘水平和可降低20%左右。额定电压愈高，由降低设备绝缘水平而减少的费用愈多。所以用直接接地是经济的，同时电压愈高线路也愈可靠，高压线不易断线，,线间距离大，不易受鸟害，耐电压水平也高，再辅以自动重合闸，运行的可靠性就大有提高。中性点直接接地系统，单相接地电流大，对邻近通信线影响较大，有时会在通信线上出现危险过电压，危及通信人员安全和扰乱铁路信号。因此针对这种系统接地方式，通信保护必须引起注意，不容忽视。,第二单元变电所的主要电气设备,第二节电力变压器,本节着重介绍变压器的工作原理、常用技术参数、变压器的接线组别等内容。其中以确定变压器的接线组别为重点。,一、变压器的工作原理、结构及额定数据,（一）变压器的工作原理变压器是一种交换交流电能的静止电气设备，它是利用电磁感应作用把一种等级的电压或电流变成为同频率的另一种等级的电压或电流。它,由绕在同一铁心上的两个或两个以上的线圈组成，线圈之间通过交变的磁通相互联系着。为了画图简明起见，常把两线圈画成分别套在铁心的两边，如图2-1所示。通常两个线圈中的一个接交流电源，成为原绕组，也可以叫做原边或初级；另一个接负载，成为副绕组，也可叫做副边或次级。当原边外加交流电压，原绕组中便有交流电流流过，并在铁心中产生交变磁通，其频率和外加电压的频率一样。,这个交变的磁通同时交链原、副绕组，根据电磁感应定律，在原、副绕组中感应出电动势、。其大小分别正比于原、副绕组的匝数，副边有了电动势，便向负载供电，实现了能量的传递。只要改变原、副绕组的匝数，就可改变原、副边感应电动势的大小，从而达到改变电压的目的。这就是变压器利用电磁感应作用变压的原理。副边电压大于原边电压时，叫做升压变压器，反之就是降压变压器。电压高的绕组叫高压绕组；反之就叫低压绕组。,（三）变压器的额定值变压器铭牌上标明了变压器的各项额定值，主要有：1、额定容量SN它是变压器的额定视在功率，单位为VA或kVA。由于变压器效率高，通常把原、副边的额定容量设计得相等。2、额定电压U1N/U2N单位为V或kV。U1N是原边所加的额定电压值，U2N是当变压器原边加上时的副边额定电压。对三相变压器而言，额定电压是指线电压。,3、额定电流I1N/I2N根据额定容量和额定电压算出的原、副边电流即为额定电流，单位为A。对三相变压器，也指线值。为此，对单相变压器,对三相变压器,4、额定频率fN我国规定标准工业用电频率为50（赫）。,例3-1一台三相油浸式铝线变压器SN=200kVA，U1N/U2N=10/0.4kV，试求原、副边的额定电流。,解：,二、变压器的联接组别三相变压器的联接组别不同，原、副绕组相应线电压之间的相位差就不同，而这相位差关系又是三相变压器并联运行、晶闸管触发电路与主电路同步等必须考虑的问题。因此本部分仅就三相变压器的特殊问题联接组别加以分析讨论。（一）绕组的标志方式变压器绕组中的感应电动势是随时间变化的，仅就一个绕组而言，无所谓固定极性。如果两个绕组套在同一个铁心柱上，匝,链同一个主磁通，当主磁通交变时，在两个绕组中感应的电动势之间会有相对极性关系。以下图为例，当某一瞬间磁通在图示方向上增加时，根据楞次定律，两绕组中感应,电动势瞬时实际方向是从2指向1，从4指向3，即1端电位比2端高，3端电位高于4端。这就是说，1、3端（2、4端）同时处于高电位（低电位），成为同极性端，也称同名端，我们将其标上记号“”。图2-4中两个绕组绕向相反，则1、4端（2、3端）是同名端。,但是，对电力变压器，国际上都采用一种叫做时钟表示法的标志方法。,这种方法，事先需要把变压器的每一条出线都标上字母符号。对于单相变压器，用AX代表高压绕组，ax代表低压绕组，其中A、a分别代表对应绕组的首端，X、x代表末端。把绕组的出线端分成首末端，并标上字母的方法有两种：一种是把变压器原、副绕组的同极性端同时标为首端，如图2-5中的a）和d）；另一种是把原、副绕组的非同极性端标为首端，如图3-24中的b）和c）。但,是，不论采用哪种接法，在研究两个绕组感应电动势的相位关系时，都规定采用首端指,向末端的方向作为电动势的正方向。原绕组的电动势从A指向X为，简写为，副绕组的电动势从a指向x为，简写为。图2-5画出了4中不同标法或绕法时原、副绕组电动势、的相位关系。从图中可以看出，与可以同相也可以反相，要看绕组的绕向以及如何标志首末端来决定。可以这样说，如果把原、副绕组的同极性端定为首端，它们的感应电动势同相位，如果把非同极性端定为首端，感应电动势反相位。,时钟表示法能形象简明地表示高、低压绕组电动势的相位关系。所谓时钟表示法，就是把高压绕组和低压绕组的电动势相量分别看作时钟的长针和短针，并永远把长针指向“12”，看短针指向钟面上哪个数字，以确定变压器的联接组别。根据上面的分析，对单相变压器联接组别有两种：一种是I,I0；一种是I,I6，其中I，I表示原、副边均为单相绕组。0表示原、副绕组电动势之间的相位差为030=0，6表示原、副绕组电动势之间的相位差为630=180。图2-5a）与d）的联接,组别为I，I0，图2-5b）与c）的联接组别为I，I6。,（二）三相变压器的绕组接法在三相变压器里，三个相高压绕组的首端用A、B、C表示，末端用X、Y、Z表示；低压绕组的首端用a、b、c表示，末端用x、y、z表示。,1、星形接法星形接法也叫Y接法，它是把三个相绕,组的末端X、Y、Z连在一起，构成中点N，把首端引出来。如下图所示。,三相变压器的相电动势即为该相绕组的电动势，用、表示，线电动势用、表示，它们的正方向表示在图2-6a）中。已知三相电源对称，则三相电动势有如下关系：,Y接法时，根据图2-6a）给定的方向，线电动势与相电动势的关系为,由此可画上图所示的电动势相量图。,2、三角形接法三角形接法是将一相绕组的末端与另一相绕组的首端联结在一起，顺此连成一个闭合回路。若接线顺序为AXBYCZAX，线电动势与相电动势的关系为,（三）三相变压器的连接组别,在三相系统中，关心的是线电动势，即绕组出线端之间的电动势。由于三相绕组可以采用不同联接，使得三相变压器原、副绕组的线电动势之间出现不同的相位差，因此按原、副边线电动势的相位关系把变压器绕组的联接分成各种不同的所谓连接组别。联接组别不仅决定于三相绕组的接法，而且还与绕组的绕向和出线端的标志有关。理论与实践证明，无论怎样联接，原、副边线电动势的相位差总是的30的整数倍。因此，仍采,用时钟表示法，这时短针所指的数字即为三相变压器联接组别的标号，将该数字乘以30，就是副绕组线电动势滞后于原绕组相应线电动势的相位角。,已知绕组接法和同极性端时，确定变压器联接组别的方法是：（1）在接线图上标明各相电动势与线电动势的方向；（2）判断同一相原、副边相电动势的相位关系，并画出原、副边对称三相电动势的相量图，将相量和的头和画在一起；,（3）根据原、副边相应线电动势的相位差用时钟表示法确定联接组别的标号；,Y,y12联接,其绕组接线图如右图所示。在三相变压器绕组接线图中，上下对着的高、低压绕组表示套在同一铁心柱上。图中原副边同极性端同为首端，打“”表示。,各电动势正方向见图，按图中的标法，同一相的首端为同极性