电气工程师2025年供配电系统考试试卷（含答案）

电气工程师2025年供配电系统考试试卷（含答案）考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述供配电系统设计应遵循的基本原则及其含义。二、什么是需要系数法？它主要用于什么目的？说明其计算公式中各符号的意义。三、试述三相短路电流的计算方法及其在供配电系统中的意义。四、选择高压断路器时，需要考虑哪些主要技术参数？并简述额定电压、额定电流、额定开断电流、额定短路关合电流的含义。五、请简述电力系统中性点运行方式（中性点不接地、经电阻接地、经电感接地、直接接地）的特点及适用场合。六、供配电系统中常用的保护装置有哪些？简述继电保护装置应满足的基本要求。七、什么是保护装置的“选择性”？为什么要求保护装置具有选择性？八、简述电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护的原理、适用范围及主要缺点。九、什么是继电保护的整定？对于某线路的定时限过电流保护，整定计算主要包括哪些内容？写出计算公式。十、请简述工作接地、保护接地和防雷接地的概念及其作用。十一、供配电系统中的防雷保护主要有哪些措施？简述避雷器的作用原理及其在系统中的典型接线方式。十二、什么是电能质量？常见的电能质量问题有哪些？简述电压波动和闪变、谐波的概念。十三、简述电力系统中性点经电容器接地的方式及其特点。十四、在供配电系统设计中，如何进行负荷计算？负荷计算的结果主要用于哪些方面？十五、简述变压器的经济运行原则。在什么情况下变压器的经济运行可能出现反常？十六、什么是低压配电系统的TN、TN-S、TN-C-S接地形式？简述其特点和安全注意事项。十七、某变电所拟采用两路10kV电源进线，线路末端发生三相短路，短路电流为20kA。请选择该变电所10kV进线断路器的额定开断电流应不小于多少？并说明理由。（假设不考虑系统容量对开断电流的影响）十八、试述提高功率因数的意义及常用方法。十九、简述电气设备进行短路电流计算的目的。计算结果主要对哪些电气设备的选择产生影响？二十、根据《供配电系统设计规范》（GB50052），说明供配电系统电压损失的限制要求。如何进行电压损失的计算和校验？试卷答案一、供配电系统设计应遵循的基本原则包括：保障供电可靠性、保证电能质量、提高经济效益、符合安全卫生要求、适应发展需要、节约能源和资源、三废治理、保护环境等。这些原则的含义是：*保障供电可靠性：系统应能长期、稳定、连续地运行，满足用户对电力的需求，尽量减少停电事故及其影响。*保证电能质量：确保供到用户端的电压、频率、波形等参数符合国家标准，满足用户设备正常运行的要求。*提高经济效益：在满足上述要求的前提下，优化设计，降低工程造价、运行维护成本和电能损耗。*符合安全卫生要求：满足国家有关电气安全、防火、劳动卫生等规定，保障人身和设备安全。*适应发展需要：设计应具有一定的前瞻性，能适应负荷增长、技术进步和用户需求变化的要求。*节约能源和资源：采用节能措施，提高能源利用效率，节约金属材料和水资源。*三废治理、保护环境：控制设计、运行过程中产生的污染，符合环保要求。二、需要系数法是一种估算计算负荷的方法。它主要用于在初步设计阶段或对用电设备数量较少、负荷分布不均的系统进行负荷计算，以确定供电系统所需的总计算负荷。计算公式为：S₃₀=P₃₀=∑P_eq×K_d或I₃₀=P₃₀/(√3×U_c×cosφ)=∑P_eq×K_d/(√3×U_c×cosφ)其中：*S₃₀为计算视功率(kVA)*P₃₀为计算有功功率(kW)*∑P_eq为用电设备组额定功率之和(kW)*K_d为需要系数（或称设备利用系数），是考虑设备不一定同时运行、不一定满载运行的系数。*U_c为额定电压(V)*cosφ为平均功率因数。三、三相短路电流的计算方法主要有计算曲线法（或曲线法）和近似计算法（或公式法）。计算曲线法考虑了系统容量和短路点远近的影响，结果较为精确，适用于不同容量的系统。近似计算法（如欧姆法）假设系统为无限容量系统，计算简单，常用于初步估算或系统总阻抗较小的情况。短路电流的计算在供配电系统中具有重要意义：1.选择电气设备：是选择断路器、隔离开关、互感器、电缆等设备的依据，特别是用于确定其额定开断电流、额定短路耐受电流等关键参数。2.设计继电保护：是整定继电保护装置（如电流保护、电压保护的动作电流、时限）的基础，确保保护的选择性、灵敏性和可靠性。3.校验动稳定和热稳定：是校验线路、母线、导体和电气设备在短路电流作用下能否承受电磁力冲击和发热损伤的重要依据。4.评估系统可靠性：短路电流的大小和类型影响系统发生故障时的电压降、设备损坏程度和人员安全，进而影响系统的可靠性。四、选择高压断路器时，需要考虑的主要技术参数有：1.额定电压：应等于或高于所在回路的最高工作电压。2.额定电流：应等于或大于回路的正常最大工作电流（额定工作电流）。3.额定开断电流（额定短路开断容量）：应等于或大于回路中可能出现的最大短路电流（有效值）。4.额定短路关合电流：对于自动重合闸线路，应能承受并可靠关合短路电流（峰值）。5.额定短路耐受电流（热稳定电流）：应能承受规定时间（如1s,3s）内通过的最大短路电流（有效值）。6.断路方式：如三相统一操作或分相操作。7.控制方式：如手动、电动、弹簧操作等。8.环境条件：如安装地点的海拔、温度、湿度、污秽等级、地震烈度等。9.其他：如操动机构类型、是否具有关合故障电流能力（如SF6断路器）等。其中，额定电压、额定电流是基本参数，额定开断电流和额定短路耐受电流是保证断路器能在短路故障下安全可靠工作的关键参数。五、电力系统中性点运行方式及其特点及适用场合如下：1.中性点不接地系统：*特点：正常运行时，中性点电位接近地电位，相电压为线电压的√3倍。发生单相接地故障时，非故障相电压升高至线电压，故障相电流很小（仅为电容电流，数值较小），系统可继续运行一段时间，但要求非故障相对地电压不超过线电压的1.9倍。*适用场合：适用于电压等级较高（如110kV及以上）、接地电流较小、对电压波动要求不高的系统，或用户分布广泛、相对孤立的地域。2.中性点直接接地系统：*特点：正常运行时，中性点电位为零。发生单相接地故障时，故障电流（接地电流）很大（接近相电压除以系统阻抗），必须立即切除故障线路，否则可能损坏设备。*适用场合：适用于电压等级较低（如3kV、6kV、10kV）、接地电流较大的系统，以及要求供电连续性高、故障时允许短时电压波动（如中性点经小电阻接地）的系统。3.中性点经电阻接地系统：*特点：正常运行时，情况与不接地类似。发生单相接地故障时，故障电流大小由接地电阻决定。可以通过选择不同阻值的接地电阻，将接地电流控制在一定范围内（如几安到几千安），从而限制非故障相电压的升高（一般不超过1.1倍相电压），并延长故障持续时间（几十秒到几小时），以便自动检测和切除故障。*适用场合：适用于中性点不接地和直接接地系统之间的过渡，或对单相接地故障下的电压水平和故障持续时间有特定要求的系统。4.中性点经电感（电抗）接地系统：*特点：正常运行时，中性点电位接近地电位。发生单相接地故障时，故障电流受电抗限制，通常较小。主要用于限制特定类型的故障电流（如消除某些谐振）或配合其他设备使用。*适用场合：应用相对较少，有时用于限制特定谐波电流或配合消弧线圈使用。六、供配电系统中常用的保护装置有：继电保护装置（如电流保护、电压保护、方向保护、距离保护、差动保护等）、熔断器、自动重合闸装置、备用电源自动投入装置（ATS）等。继电保护装置应满足的基本要求是：1.选择性：能准确判断故障发生的位置，只将故障部分切除，使非故障部分继续运行。2.可靠性：在发生故障时能可靠地、灵敏地、快速地动作；在正常运行或发生非故障情况（如经过电压、电流扰动）时，不应误动作。3.灵敏性：能对其保护范围内发生的故障，不论其故障性质、发展过程如何，都能灵敏地反应，保证足够的保护范围。4.速动性：能尽快地切除故障，以减小故障造成的损失，提高系统的稳定性。七、保护装置的选择性是指当系统某一部分发生故障时，只有靠近故障点的保护装置发出信号并作用于断路器跳闸，将故障部分切除，而系统其他部分的保护装置应不动作（或只作为后备）。反之，若在故障点附近保护拒动，则应由下一级线路的保护装置或有配合关系的保护装置作为后备，在允许的延时时限内切除故障。要求保护装置具有选择性的主要原因是：1.保证系统安全稳定运行：减小故障停电范围，尽快恢复非故障部分的供电，避免扩大事故。2.提高供电可靠性：最大限度地减少停电时间和影响，保障重要用户的供电。3.减少经济损失：缩短故障持续时间，减少停电造成的生产、生活损失和设备损坏。4.降低维护成本：准确切除故障，避免故障电流长时间通过非故障设备和线路，减轻设备负担，延长设备寿命。八、1.电流速断保护：*原理：当线路某点发生短路时，短路电流远大于正常负荷电流，利用电流互感器测量到的电流是否大于预设的整定值来判断是否动作。动作时瞬时（或极短延时）跳闸。*适用范围：适用于电源端线路、线路短、短路电流较大且变化较小的线路，或作为其他保护的后备。*主要缺点：保护范围受系统运行方式变化影响较大（系统阻抗增大时保护范围缩小，甚至无保护范围），且不能保护线路全长，通常只保护线路靠近电源的一侧。2.限时电流速断保护：*原理：在电流速断保护的基础上增加一个时限环节。当电流超过整定值时，经过一个固定的短时限（如0.5s）后跳闸。*适用范围：作为电流速断保护的补充，用于保护线路全长或需要保护下一级线路的部分，常作为中间线路或靠近负荷端线路的主保护之一。*主要缺点：存在一个固定的动作时限，无法保证选择性（可能误动于下一级故障），通常作为后备保护。3.过电流保护：*原理：当线路或设备出现超过其允许值的持续电流（通常由过负荷或短路引起）时，利用电流互感器测量到的电流是否大于整定值来判断是否动作。动作时经过一个延时（定时限）后跳闸。*适用范围：应用最广泛，是供配电系统中最基本、最重要的保护之一，可作为主保护（对短路）、远后备保护或近后备保护。适用于各种电压等级和类型的线路及设备。*主要缺点：动作时限较长（取决于系统接线方式和后备要求），对短路故障的反应不够迅速，灵敏性可能受系统阻抗影响。九、继电保护的整定是指根据被保护对象（线路、变压器、母线等）的实际参数、系统运行方式以及相关规程规范的要求，计算并确定保护装置中各个元件（如电流继电器、时间继电器、电压继电器等）的定值（如动作电流、动作时限）和配合关系的过程。对于某线路的定时限过电流保护，整定计算主要包括以下内容：1.计算动作电流（I_op）：*应大于正常运行时可能出现的最大负荷电流（包括正常尖峰负荷），通常取（1.2~1.3）倍的最大负荷电流。*应躲过保护安装处发生短路时，通过保护装置的计算短路电流（如返回电流或最小短路电流），通常取计算短路电流的（0.8~1.0）倍（对于双侧电源线路，还需考虑下一级线路的保护配合）。*计算公式：I_op≥(1.2~1.3)I_max（或I_op≥K_rel×I_calc，其中K_rel为可靠系数，I_calc为计算短路电流）。2.计算动作时限（t_op）：*应大于下一级线路相应保护的动作时限（t_down）加上断路器跳闸时间（t_break）和保护装置本身的固有动作时间（t_protect），以保证选择性。*计算公式：t_op=t_down+t_break+t_protect+Δt（Δt为时间级差）。*对于最末一级线路的过电流保护，其动作时限根据系统要求确定，或取一个较长的时限。十、1.工作接地：将电力系统的中性点（发电机或变压器的中性点）直接或经阻抗接地。目的是为了在发生单相接地故障时，形成短路电流通路，使保护装置动作切除故障，限制非故障相电压升高，保证人身和设备安全，并为继电保护装置的正确工作提供依据。2.保护接地：将电气设备正常不带电的金属外壳、构架等通过接地线与接地体连接。目的是当设备内部绝缘损坏，外壳带电时，形成低阻抗接地通路，使故障电流迅速流入大地，降低外壳对地电压至安全值，防止人员触电事故。适用于中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中的设备。3.防雷接地：为保护建筑物、电气设备和人员免受雷击危害而设置的接地装置。包括接闪器（避雷针、避雷线）、引下线和接地装置。目的是将雷电流安全导入大地，限制防雷装置和被保护设备上的电压升高，保护线路和设备绝缘不击穿。十一、供配电系统中的防雷保护措施主要有：1.装设避雷针（针网）：用于保护整个建筑物或设备免受直接雷击。2.装设避雷线（架空接闪器）：用于保护电力线路免受直接雷击。3.设备金属外壳和构架的接闪器（如避雷带、避雷网）：用于保护建筑物顶部的设备。4.线路避雷器：安装在线路上的关键位置，限制雷电过电压，保护线路绝缘。5.变压器、发电机的防雷接地：装设避雷器或保护间隙，并采用合适的接地方式。6.低压侧防雷：在低压总熔断器或总开关前装设阀式避雷器或浪涌保护器（SPD）。避雷器的作用原理是利用其内部非线性伏安特性（或阀片）在高电压下接近短路，将雷电流或操作过电压迅速泄放到大地，在正常电压下呈高阻态，不影响系统正常运行。典型接线方式：*线路避雷器：并联接在线路相与地之间。*变压器避雷器：并联接在变压器低压侧中性点与地之间，高压侧有时也装设。*发电机避雷器：并联接在发电机出线端与地之间。十二、电能质量是指电能供应的优劣程度，即电力系统供给用户端的电压、电流等电气参数偏离规定标准或基准值的程度。常见的电能质量问题主要包括：1.电压波动和闪变：电压有效值围绕标称值快速或慢速的变动。慢速波动引起闪变，影响照明和视觉。2.谐波：电流或电压中含有的频率为基波频率整数倍的正弦交流分量。谐波源包括整流设备、变频器、电弧炉等，会引发设备损耗增加、发热、干扰通信等问题。3.三相电压不平衡：三相电压幅值不相等或相位角不对称。不平衡度过大会增加线路损耗、影响三相电机效率并产生额外发热。4.频率偏差：系统频率偏离标称值（如50Hz）。偏差过大影响设备正常运行。5.暂时过电压和瞬态过电压：短暂出现的、幅值很高、持续时间很短的电压脉冲，可能由雷击、开关操作等引起，威胁设备绝缘。6.电压暂降/暂升/中断：短时间内电压有效值显著降低（暂降）、升高（暂升）或完全消失（中断）。十三、中性点经电容器接地属于特殊接地方式，有时也称为“谐振接地”或“容性接地”。其特点及原理如下：*特点：利用系统对地分布电容或额外加装的大电容，使接地电流呈现容性。发生单相接地故障时，接地电流可能较大（电容电流），但通常小于直接接地系统的故障电流。非故障相电压会升高（可能达到线电压甚至更高，取决于系统电容和阻抗），需要配合电压限制措施（如中性点经电阻接地或使用消弧线圈）。这种方式有时用于特定场合以改善系统功率因数或限制某些故障电流。*作用原理：正常运行时，系统对地电容使中性点电位偏移。发生单相接地时，故障电流主要由接地电容决定（I_g≈U_g/X_c，其中U_g为接地点电位，X_c为接地回路的容抗），容抗X_c通常较小，因此接地电流较大。这种接地方式常用于某些特殊系统（如小水电、通信电源系统等），其具体设计和要求需依据专业规范。十四、在供配电系统设计中，负荷计算通常采用需要系数法、二项式法或利用负荷曲线进行计算。1.需要系数法：如题目二所述，通过需要系数K_d乘以设备额定功率之和来估算计算负荷。K_d考虑了设备不一定同时运行和满载运行的因素。2.二项式法：适用于负荷曲线比较平稳的设备组，计算公式为S₃₀=(aP_max+bP_eq)×K_d，其中P_max为设备组中最大容量的设备功率，P_eq为除去最大容量设备外其余设备额定功率之和。3.利用负荷曲线：对于重要或负荷变化规律明显的用户，可利用实际或典型的负荷曲线进行计算，精度较高。计算结果主要用于：1.选择变压器容量：确保变压器能长期、经济地承担计算负荷。2.选择导线截面：确保导线在通过计算电流时，温升不超过允许值，机械强度满足要求。3.选择开关设备：确保开关设备（断路器、熔断器等）的额定电流和开断能力满足要求。4.进行电压损失计算和校验：评估系统电压质量。5.计算功率因数和无功补偿容量：提高系统功率因数，降低线路损耗。6.进行短路电流计算：为选择电气设备提供依据。十五、简述变压器的经济运行原则和经济运行反常情况：*经济运行原则：变压器的经济运行是指在满足负荷需求的前提下，使变压器全年（或指定运行周期）的电能损耗最小。这通常意味着在变压器的经济负荷范围内运行。变压器的有功功率损耗包括铁损（空载损耗P₀）和铜损（负载损耗P_cu，与负荷电流的平方成正比）。变压器总损耗P=P₀+P_cu=P₀+(P_SN²/S²)×P_cuN（其中P_SN为额定容量，P_cuN为额定负载损耗）。当变压器在轻载运行时，铜损很小，但铁损不变，总损耗较大；当变压器在重载运行时，铜损显著增大，铁损相对较小，总损耗也较大。存在一个最佳负载率S_opt，使得在S_opt时，(P_cu/P₀)=(S/S_opt)²，此时总损耗最小。经济运行原则就是让变压器尽量运行在S_opt附近。对于多台变压器运行，应根据负荷大小和各台变压器的效率特性，合理组合投切，使总损耗最小。*经济运行反常情况：变压器可能因以下原因出现经济运行反常：*负荷水平长期过低：使得铁损远大于铜损，即使运行在空载或极轻载状态，总损耗也很高。*负荷水平长期过高：超出变压器的额定容量或经济负荷范围，导致铜损急剧增加，总损耗增大。*变压器选型不当：选用容量过大的变压器，在长期轻载下运行效率低。*变压器老化或故障：效率特性变差，损耗增加。*运行方式不合理：多台变压器未按效率特性合理投切。十六、低压配电系统的接地形式按中性点是否与大地连接及保护装置的配置分为：1.TN系统：中性点直接接地。根据保护装置的配置不同，又分为：*TN-S系统：保护线（PEN）和中性线（N）分开。N线仅用于供电，PEN线用于设备接地。特点：保护可靠，N线无重复接地故障时无电流。适用于要求较高的场所。*TN-C系统：保护线（PEN）和中性线（N）合一。PEN线既用于供电，又用于设备接地。特点：节省导线，结构简单。但PEN线断开时存在触电风险，且PEN线上有负荷电流，可能引起中性点漂移。适用于负荷较稳定、对保护要求不高的场所。*TN-C-S系统：干线部分保护线（PEN）和中性线（N）合一，分支线部分N线与PEN线分开。特点：结合了前两者的优点，干线节省导线，分支线提供更可靠的保护。应用广泛。2.TT系统：中性点直接接地，设备外壳通过保护线（PE）单独接地。特点：N线与PE线无电气联系，各自形成独立接地回路。适用于分散的、接地条件较差的用户（如低压进线处无重复接地的农村用户）。3.IT系统：中性点不接地或经高阻抗接地，设备外壳通过保护线（PE）或保护装置（如RCD）接地。特点：正常运行时，设备外壳电位接近地电位。发生单相接地故障时，故障电流很小，可继续运行（需选用高灵敏度保护）。适用于对电压稳定性和供电连续性要求高的场合（如医疗、数据中心）。安全注意事项：*TN系统中，严禁将设备外壳误接在N线上。*TN-C系统在PEN线断开时，设备外壳带电，存在严重触电风险，应避免使用或采取严格保护措施。*TT系统中，必须确保保护装置（如漏电保护器）可靠动作，否则设备外壳带电时无法提供有效保护。*所有系统的保护接地（PE）或保护线（PEN/PE）必须可靠连接，且接地电阻应符合规范要求。*应采取必要的技术措施（如设置总等电位联结、局部等电位联结）降低接触电压和跨步电压。十七、某变电所拟采用两路10kV电源进线，线路末端发生三相短路，短路电流为20kA。根据《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》（GB/T50062）等规定，选择10kV进线断路器的额定开断电流（I_oc）应不小于短路电流周期分量有效值（I_kh）。*依据：断路器的额定开断电流I_oc必须大于或等于被保护线路末端在系统正常运行方式和最大运行方式下计算得出的三相短路电流周期分量有效值I_kh。*计算：题目已给出末端三相短路电流周期分量有效值I_kh=20kA。*选择：因此，10kV进线断路器的额定开断电流I_oc应≥20kA。*结论：应选择额定开断电流不小于20kA的10kV断路器。例如，可选择额定开断电流为40kA或更高规格的断路器。十八、提高功率因数的意义及常用方法：*意义：1.降低线路损耗：在视功率S一定的情况下，功率因数cosφ越高，线路中的无功功率Q=S²-P²(或Q=P/tanφ)越低。根据P=UIcosφ，线路中的电流I=P/(Ucosφ)，电流I减小，线路的有功损耗P_loss=I²R和无功损耗Q_loss=I²X都随之减小。2.提高设备利用率：发电机、变压器等供电设备的容量通常按额定功率因数（如0.8或0.9）设计，提高功率因数可以使设备在同样有功输出下不过载运行，或在不超载的情况下提高有功输出能力。3.减少电压损失：根据U=IRcosφ+IXsinφ，在输送功率