2024电气工程概论教程

目录TOC\o"1-2"\h\u18291第1章绪论 2162381.1 3275081.2 1095851.3 143964第2章电机与电器技术应用及发展新技术 17211852.1 17267402.2 1876262.3 2170842.4 2412242.5 27112262.6 32121282.7 3268632.8 3756142.9 3919963第3章电力系统及其自动化应用及发展新技术 40175423.1 40296953.2 4378623.3 46235143.4 66293163.5 74293023.6 76236203.7 84412第4章电力电子与电力传动 89190024.1 89255044.2 9097594.3 99146524.4 1087174第5章高电压与绝缘应用及发展新技术 114234125.1 11428981 153208645.2 154130325.3 159第1章绪论力。电气工程（ElectricalEngineering）是研究电磁领域的客观规律及其应用的科学技术，1.1）图1.118201831年，英国物理学家法拉第发明了世界上第一台发电机——圆盘发电机（1.2）。这个圆盘发电机结构虽然简单，但它却是人类创造出的第一个发电机。现代世界上产生电力的发电机就是从它开始的。1832流发动机。1866年，西门子发明了自激式励磁直流发电机。1870激直流发电机，结构可靠，电流稳定，输出功率大，被各国广泛采用作为照明灯电源。图1.2明用电，不过当时的最大输送距离只有1.6km。之后爱迪生还建立了一座水电站，形成了电力系统及其自动化学科涉及电力生产的全过程（和培养计划进行深入研究，构建和实施以通识教育为基础的宽口径专业教育的课程体系。该课程体系应遵循以学生为本，实现知识、能力、人格协调发展和综合提高的原则，加强通识教育与基础教育，拓宽学科基础，凝练专业特色，重视培养学生的综合素质和能力。低年级主要在通识教育和基础课程平台上培养，高年级应按学生兴趣选择专业或专业方向，主要在专业学科基础课程和专业特色课程平台上培养，使同类各专业学生能做到交叉通融，扩大学生的学习自主权，激发学生学习的积极性、主动性和创造性。推动课程教学方法的改革，形成多种适合培养工科学生创新能力的启发引导教学法，如围术），表1.1第2章电机与电器技术应用及发展新技术①将机械功率转换为电功率——②将电功率转换为机械功率——输出和输入有不同的电压——d.输出与输入有不同的相位——④在机电系统中起调节、放大和控制作用的电机——①静止设备——②没有固定的同步速度——③转子速度永远与同步速度有差异——④速度等于同步速度——⑤速度可以在宽广范围内随意调节——机（汽轮机）转速很高，其转速一般为3000r/min（频率为50Hz）。因此高速汽轮发电（即细长转子），以减小线速度。20世纪70年代以后，汽轮发电机的最大容量达130万图2.1步电机的一种。由于原动机（水轮机）转速较低，一般为几百转分以下，因此水轮发电容量已达到100万k。我国发电容量最大的水力发电站——三峡电站总装机26台，单机容量70万k，如图2.2所示。图2.2程。风能是最廉价、最清洁、最有开发价值的新能源。风力发电机如图2.3所示。近十几风电场，促进了我国风电事业的发展。图2.3芯（或磁芯）和线圈组成。线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线缘铜线（或铝线）全可靠地运行，还设有储油柜、安全气道、气体继电器等附件。如图2.4所示为三相油浸式电力变压器。变压器主体是铁芯及套在铁芯上的绕组，如图2.5所示。图2.4图2.5图2.6②非晶合金变压器：非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料，空载电流下降约是节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低的地方。电动机是将电能转换为机械能的设备。它是利用通电线圈（也就是定子绕组）磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关（图2.7）。电动机工作原理是磁场对电流产生力的作用，使电动机转动。图2.7电动机主要是三相感应电动机，大约占世界电机数量的60以上。如图2.8所示为三相感应电动机的结构。图2.8在农业中使用的异步电动机有水泵图2.9（b）、脱粒机、粉碎机及其他农副产品加的供水、供暖、通风等需要水泵、鼓风机图2.9（）等，这些设备也都是异步电动机驱动的。电力机车运行时，变压器、变流装置、牵引电机、制动电阻等设备会发出大量的内平滑调速和必须从电网吸收滞后的无功功率，使电网功率因数降低。图2.9图2.10图2.11 伺服电动机是自动控制系统等装置中使用的一类小型电动机，如图2.12图2.12图2.13图2.14利用直线电动机驱动的高速列车，即磁悬浮列车就是其中的代表，它的速度可达400kh以上。所谓磁悬浮列车，就是采用磁力悬浮车体，应用直线电动机驱动技术，使列车在轨道上浮起滑行，如图2.15所示。过山车利用电磁体在轨道上方和列车下方各造出一高的速度沿轨道移动，如图2.16所示。图2.15图2.16直线电动机在城市内轨道交通和城市间高铁中的应用如图2.17和图2.18图2.17图2.18图2.19图2.2020～30kA到现在的100kA以上，工作电压提高到1150kV。20世纪60年代出现了晶体管电器按工作电压可分为高压电器和低压电器两类。在我国，工作交流电压在1000及以下，直流电压在1500V及以下的属于低压电器；工作交流电压在1000V电压在1500V高压开关设备主要用于在额定电压3000V以上的电力系统中关合及开断正常电力线具有相当完善的灭弧结构和足够的断流能力，可分为油断路器（图2.21图2.22SF6图2.23的开关设备。隔离开关（俗称“刀闸”），一般指的是高压隔离开关，即额定电压在1kV及图2.24闭开关设备。气体绝缘金属封闭开关设备（GasInsulatedMetal-enclosedSwitchgear，图2.25目前常用的避雷器主要有碳化硅阀式避雷器和金属氧化物避雷器，如图2.26图2.26图2.27低压电器通常是指交流电压1000V、直流1500V及以下配电和控制系统中的电气设图2.28①动合型（常开）：②动断型（常闭）：③转换型（型）：触点组型。这种触点组共有3个触点，即中间是动触点，上下各样的触点组称为转换触点。繁地接通与大电流控制（某些型别可达800A）电路，所以经常运用于控制电动机，也可组等电力负载。接触器具有较高的操作频率，最高操作频率可达每小时1200次。接触器图2.29图2.30第3章电力系统及其自动化应用及发展新技术电力工业主要包括51934年，美国开工兴建的大古力水电站，1941年开始发电，到1980年装机容量为 20世纪70合系统为特点的新时期。1973年，瑞士公司制造的130万k双轴发电机组在美国肯勃兰电厂投入运行。苏联于1981年制造并投运世界上容量最大的120万k单轴汽轮发电机组。到1977年，美国已有120座装机容量百万千瓦以上的大型火电厂。1985年，苏联有百万千瓦以上火电厂59座。1983年，日本有百万千瓦以上的火电厂32座，其中鹿儿岛电厂总容量为440万k，是世界上最大的燃油电厂。此阶段，世界上设计容量最大的水电站是巴西和巴拉圭合建的伊泰普水电站，设计容量达1260万k，近期装机容量达490万k，采用70万k机组，与运行中的世界最大水电站美国大古力水电站的世界最大水轮机组70万k容量相等。世界上最大的核电站是日本福岛核电站，容量是909.6万k。总装机容量几百万千瓦的大型水电站、大型火电厂和核电站的建成，促进了超高、特高压输电、直流输电和联合电力系统的发展。1935年，美国首次将输电电压等级从110～220kV提高到287kV，出现了超高压输电1952年，瑞典建成二分裂导线的380kV超高压输电线路。1959年，苏联建成500kV，长850km的三分裂导线输电线路。1965—1969年，加拿大、苏联和美国先后建成735kV、750kV和765kV现在美国正研究1100kV和1500kV特高压输电，意大利研究1000kV输电，日本建设250km长1000kV特高压线路。高压直流输电（HVDC），±100、±450、±750kV电压，后者输电距离2414km，输电600万kW到1985年，全世界已有18个国家、32个直流输电线路投运，总输送容量2000万kW。输电距离1080km的±500kV中国葛洲坝—上海输电线路已于1989年8月投入运行。特高压1882年7月26日，英籍商人..等人招股筹银5万两创办的上海电气公司开始发电。该电站安装1台16马力蒸汽发电机组，装设了15盏弧光灯，电能开始在中国应用，几乎与欧美同步并略早于日本，中国电力就此开始起步。此后，外国资本相继在天津、武汉、广州等地开办了一些电力工业企业。为配合新工业地区的建设，中国资本19051941年只有59.6亿kh，到1949年中国发电设备容量为185万k，发电量只有43.1亿kh。组上，国家对电力工业进行了大量投资，单机容量10万kW以上的火力发电机组已达3094 倍；中国发电设备容量达7995万kW，为1949年的43.2倍。 模不断扩大，电压等级逐步提升，实现了1000kV交流特高压、±1100kV直流特高压工程投产运行。目前，中国大部分地区已形成了500kV为主（西北地区为330kV）的电网主网成为世界第一电力装机大国。其中水电2.31亿kW（包括抽水蓄能1836万kW），火电7.65亿kW，核电1257万kW，并网风电4505万kW，太阳能发电214万kW。2002年新一轮电力9亿、10亿kW大关，年均增长近8000万kW，10年增长量超过此前新中国成立以来的532019年9月26日，全球最长输电线路准东-皖南±1100kV特高压直流输电工程（下称准东-皖南特高压工程）正式投运。该工程全长3324公里，起点位于新疆昌吉回族自治定电压为±1100kV，是普通居民用电电压220V的5000倍。2015年12月，准东-皖南特高截至2022年3月，中国水电装机容量（含抽水蓄能）达到3.9427亿kW，持续雄居世界第一。早在2001年，我国常规水电装机达到7700万kW，首次超过美国跃居世界第一位。累计发电量超过5600亿kW·h。三峡水电站位于湖北省宜昌市的长江干流上，包括左岸电机容量达2250万kW斗坪，大坝高程185m，水库总库容393亿m3。工程于1994年正式开工建设，首台70万机组于2003年7月开始蓄水发电，2009河段（卡拉至江口河段）的控制性水库梯级电站，下距河口约358km。坝址以上流域面积10.3万km2，占雅砻江流域面积的75.4%。坝址处多年平均流量为1220m3/s径流量385亿m3。锦屏一级水电站大坝设计坝高305m，为世界上已建、在建和设计中最高的双曲薄拱坝，其施工难度为世界施工界罕见。水库正常蓄水位1880m，死水位1800单机容量600MW，共计3600MW。锦屏一级水电站于2005年9月获国家核准并于11月图3.1统示意图如图3.2所示。电力网由不同电压等级的输电线路和变压器组成，可分为地方电力网、区域电力网及超高压远距离输电网3种类型。图3.2①地方电力网：电压为110kV以下的电力网（如35kV、10kV等）②区域电力网：电压为110kV以上的电力网（如220kV）③超高压远距离输电网：电压为330～500kV国家电网公司下设华北（含山东）、东北（含内蒙古东部）、华东（含福建）（含四川、重庆）和西北5火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气作为燃料生产电能的工厂（图3.3）。火电厂生产的基本过程是：燃料在锅炉中燃烧加热水使其成为蒸汽，将燃料的化旋转，将机械能转变成电能。火力发电过程如图3.4所示。图3.3图3.4火力发电在我国目前占有主导地位。截至2022年3月，中国火电厂装机容量12.9678亿图3.5站、引水式水电站和坝引水混合式水电站三种基本类型。这是工程建设中最通用的分类方法。的具体划分没有统一的规定。有的国家将水头低于15m作为低水头水电站，15～70m为中水头水电站，71～250m为高水头水电站，水头大于250m时为特高水头水电站。中国通常称水头大于70m为高水头水电站，低于30m为低水头水电站，30～70m为中水头水5000kW以下的水电站定为小水电站，5000～10万kW为中型水电站，10万～100万kW为从规模来看，截至2022年3月，全国水电装机容量达到了3.9427万kW，年发电量13图3.6由汽轮机将热能转化为机械能，再由发电机将机械能转化为电能。核能发电原理如图3.7所示。核反应所放出的热量较燃烧化石燃料所放出的能量要高很多（相差约百万倍），而需要的燃料体积与火力电厂相比要少很多。核能发电所使用的铀235纯度只占3～4，其余皆为无法产生核分裂的铀238。举例而言，核电厂每年要用掉50的核燃料，只要2标准货柜就可以运载。如果换成燃煤，则需要515万，每天要用20 的大卡车运705车才够。如果使用天然气，需要143万，相当于每天烧掉20万罐家用燃气。换算起来，接近692万户的天然气用量。图3.7 机容量79.94GW；规划将建核电机组173台，装机容量188.76GW。目前，全世界有10多截至2022年3月底，中国核电厂装机容量5 443万k，位居世界第三，我国已投产电的核电站有：浙江秦山核电站、广东大亚湾核电站（图3.8）、广东岭澳核电站、广东阳江核电站、江苏田湾核电站、福建宁德核电站、福建福清核电站、辽宁红沿河核电站等；正在建设的有：浙江三门核电站、广东台山核电站、山东海阳核电站、山东石岛湾电站、海南昌江核电站、广西防城港核电站、辽宁徐大堡核电站等，筹建的核电站也有多个。图3.8能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173000TW到地球上的能量就相当于500万t标准煤完全燃烧产生的能量为49940000000J。地球上的3.9）。这座位于美国加州和内华达州交界处的发电厂由谷歌和亮源能源共同持有。伊万帕太阳热能发电厂拥有近35万块太阳能面板，总占地面积为12.92 k2。这些面板通过阳光反射到140高的塔上，然后加热上面的锅炉产生蒸汽，进而发电。伊万帕太阳热发电厂的三组发电机组总投入资金为22亿美元，其容量可达400MW，足以支持14图3.9图3.10源为交流220V或110V，还需要配置逆变器，如图3.11所示。图3.11太阳能电池一般都是12V、24V、48V直流电，为能向220V交流电器提供电能，需近几年国际上光伏发电快速发展，世界上已经建成了10多座W级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家，1997年提出“百万屋顶”计划。日本1992年启动了新阳光计划，2003年日本光伏组件生产占世界的50，世界前10大厂商有4家在日本。而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推速工业化进程。电池生产的企业达到50余家，太阳能电池生产能力达到290万kW1188MW，超过日本和欧洲，并已初步建立起从原材料生产到光伏系统建设等多个环节“十二五”时期，我国新增太阳能光伏电站装机容量约1000万kW，太阳能光热发电装机容量为100万kW，分布式光伏发电系统约1000万kW，光伏电站投资按平均每千瓦1万元测算，分布式光伏系统按每千瓦1.5万元测算，总投资需求约2500亿元。量连续五年全球第一，截至2022年3月，中国并网光伏装机容量已经超过3.1855亿kW，光根据《可再生能源中长期发展规划》，到2050年，我国力争使太阳能发电装机容量到600 。预计到2050年，中国可再生能源的电力装机将占中国电力装机的25%，其光伏发电装机将占到5%。未来十几年，我国太阳能装机容量的复合增长率将高达25以上。图3.12图3.13图3.14球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10本低得多。不过，当时的发电量较低，大都在5kW以下。1978年1月，美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成的200kW38m，发电量足够60户居民用电。而1978年初夏，在丹麦日德兰半岛西海岸投入运行的风力发电装置，其发电量则达2000kW，风车高57m，所发电量的75%送入电网，其余供最大的发电用的风车。这个风车有十层楼高，风车钢叶片直径达60m；叶片安装在一个塔形建筑物上，因此风车可自由转动并从任何一个方向获得电力；风力时速在38km以上时，发电能力也可达2000kW。由于这个丘陵地区的平均风力时速只有29km，因此风车促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每3m/s的微风速度（微风的程度），便风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，把蓄电池的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200W风力发电机也可以通过蓄电池与逆变器的配合使用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率输出。图3.15风力发电机组成如图3.15①风力机：将风能转换为机械能。有各种类型，按容量分为微型 kW）、小（1～10kW）、中型（10～100kW）、大型（＞100kW）②发电机：将机械能转换为电能。10kW以下的，采用永磁式或自励式交流发电机，经整流后向负载供电及向蓄电池充电；100kW以上的并网运行的风力发电机组，则应用截至2022年3月，中国并网风电装机容量3.3652亿kW，发电厂遍布全国各省、市、自图3.16据估计，地球上每年植物光合作用固定的碳达2×1011t，含能量达3×1021J，因此每年20%）图3.17圾焚烧电厂。该项目设计规模为日均处理城市生活垃圾4500t，设置6台750t/d的机械炉排炉，6台蒸发量为73.5t/h中温中压余热锅炉，4台25MW抽凝式汽轮发电机组。该项目 图3.18分）20世纪初，欧、美一些国家开始研究潮汐发电。1913座潮汐发电站。1961的潮差水平为10.9，最大可达13.5；水库坝长350，涨潮时水库的水面能延伸到k长。电站坝内安装有直径为5.35的可逆水轮机24台，每台功率1万kW，发电量达24kW，每年可供电530亿k。法国还在圣马诺湾兴建了一座巨型潮汐电站。这座电站装机1000万kW，相当于朗斯电站的40多倍；年发电量达到25万亿k，几乎是朗斯电站的50倍。法国还准备在圣马诺湾2000km2的海面上建造三座拦潮坝，装配容量最大的水轮江南部乐清湾北端的江厦港。江厦港为封闭式海港，在港口筑起一道15.5mm，平均潮差5.08m；电站功率3200kW；1989年发电量6.2亿kW·h。双向潮汐电站的特点是在涨潮、落潮两个方向均能发电。江厦电站每昼夜可发电14～15h，比单向潮汐电站增 7.16m。该站年发电量为31.5亿kW·h图3.19255处5800MW。迄今运行的地热电站有5处，共27.78MW。中国尚有大量高低温地热，市西北90km的当雄县境内。这里有规模宏大的喷泉与间歇喷泉、温泉、热泉、沸泉、热水湖等，地热田面积达17.1km2图3.20以氢-反应物向燃料电池内部传递→电化学反应→离子传导以及电子传导→图3.21燃料电池、磷酸型燃料电池、质子交换膜燃料电池等。各种燃料电池的优缺点见表3.1。我国第一辆燃料电池汽车如图3.22所示，最新技术的燃料电池手机如图3.23所示。表3.1图3.22我国第一辆PEMFC图3.23①燃料电池是一种能量转换装置，在工作时必须有能量（燃料）交流输电线路按电压高低分，有高压线路（即1kV以上线路）和低压线路（即1kV及以下线路）。也有的细分为低压（1kV及以下）、中压（1～35kV）、高压（35～330kV）、超高压（330～1000kV）、特高压（1000kV及以上）等线路。同时，把标称电压±800kV以下的直流电压等级定义为高压直流，把标称电压±800kV及以上的直流电压图3.24导线是用来传导电流、输送电能的元件。架空裸导线一般每相一根，220kV及以上线图3.25图3.26（外护层）；9—麻被（外护层图3.27高现有电网的最大传输能力。我国能源分布很不均匀，形成了电力资源“西电东送北电南送”的基本格局，具有输电距离长、容量大的特点。因此，研究新型输电技术，提高线路的传输能力是非常必要的。由式（3.2）可知，要降低能量损耗就需要降低传输的电流或电线的电阻。由于成本和技术所限，很难降低目前使用的输电线路（如铜线）一而且有效的方法。由式（3.3）图3.28我国发展特高压指的是在现有500kV交流和±500kV直流之上采用更高一级电压等级输电技术，包括1000kV级交流特高压和±1100kV直流特高压两部分，简称国家特高压骨近或超过4000MW。高压直流输电图3.29柔性交流输电系统20世纪80年代中期，美国电力科学研究院（EPRI）首次提出FACTS（FlexibleACTransmissionSystems）概念：应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功②线路输送能力可增大至接近导线的热极限。例如，一条500kV线路的安全送电极限为1000～2000kW，线路的热极限为3000kW，采用FACTS技术后，可使输送能力提高 40%的送电容量；而以分频输电方式即送电频率由50Hz降为50/3Hz时，理论上线路送电①变电站：包括各种电压等级的升压变电站（图3.30）和降压变电站（图3.31）②变电所：一般是电压等级在110kV图3.30图3.31设备的低电压和小电流。在额定运行情况下，电压互感器二次电压为100V，电流互感器二次电流为5A。电流互感器的二次绕组经常与负荷相连近于短路，绝不能让其开路，否自动把故障设备和线路断开，还可以有自动重合闸功能。在我国，220kV以上变电站使用断丝配合用于10kV及以上电压且不经常操作的变压器或出线上。显示出某种程度的规律性。例如某些负荷随季节（冬、夏季）、企业工作制（作业）荷曲线（）和无功负荷曲线（），常用的是有功负荷曲线。每类负荷曲线按时间坐标（变电所）我国电力系统的标称频率为50Hz。GB/T15945—2008《电能质量电力系统频率偏差》规定：电力系统正常运行条件下频率偏差限值为±0.2Hz，当系统容量较小时，偏差限值可放宽到±0.5Hz，标准中没有说明系统容量大小的界限。35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%；20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的 6～220kV各级公用电网电压（相电压）总谐波畸变率是0.38kV为5.0%，6～10kV4.0%，35～66kV为3.0%，110kV为2.0%；用户注入电网的谐波电流允许值应保证各级电0.38kV为2.6%，6～10kV为2.2%，35～66kV为1.9%，110kV为1.5%。对220kV电网及其供电的电力用户参照本标准110kV执行。间谐波电压含有率是1000V及以下＜100Hz为0.2%，100～800Hz为0.5%，1000V以上＜100Hz为0.16%，100～800Hz为0.4%，800Hz以上处于研究中。单一用户间谐波含有率是1000V及以下＜100Hz为0.16%，100～800Hz为0.4%，1000V以上＜100Hz为0.13%，100～800Hz为0.32%。电力系统公共连接点，在系统运行的较小方式下，以一周（168h）为测量周期，所有长时间闪变值Plt满足：≤110kV，Plt=1；＞110kV，Plt=0.8；以及单个用户的相关规电压暂降是指电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1～0.9pu，并在短暂持续10ms～1min后恢复正常的现象。短时中断是指电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1pu以下，并在短暂持续10ms～1min后恢复正常的现象。➃⑫⑭⑮➃⑫⑬⑭是造成电击伤害的主要因素，人体的安全电流是30mA。人体对电的承受能力与以下因素表3.2通干电池的两极，人体并没有任何感觉，这是因为普通干电池的电压较低（直流15V）。我们称这种电压为安全电压。通常情况下，不高于36V的电压对人是安全的，称为安全电下，也就是干燥而触电危险性较小的环境下，安全电压规定为36V，对于潮湿而触电危险性较大的环境（如金属容器、管道内施焊检修），安全电压规定为12V。这样，触电时通个导体间或导体与地之间的电压上限不得超过交流电压50V。②安全电压的等级分为42V、36V、24V、12V、6V。当电源设备采用24V以上的③在潮湿环境中，人体的安全电压为12V。正常情况下，人体的安全电压不超过50V。当电压超过24V时应采取接地措施。图3.32微机保护是用微型计算机构成的继电保护，是电力系统继电保护的发展方向（③柔性交直流输电、网厂协调、智能调度、电力储能、配电自动化等技术的广泛应电设施的接入。第4章电力电子与电力传动种电路及装置，合理、高效地完成对电能的变换和控制。1974年，美国学者.用一个倒三角形对电力电子学进行了描述，如图4.1所示。图4.1电力电子技术主要包括3器代替机械式开关和换流器，代表着电力电子技术发展的开始。19201954年，瑞典通用电机公司首先将汞弧管用于高压整流和逆变，并在±100kV直流输电线路上应用，传输20MW的电力。1956年，美国人J.莫尔制成晶闸管雏形。1957年，美国人①不可控器件——②半控型器件——①单极型——②双极型——③复合型——电力二极管（orod）（图4.2）结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50初期就获得应用。电力二极管的外形、结构和电气符号如图4.3所示。其基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管相同，由一个面积较大的结和两端引线及封装组成。外形有螺栓型和平板型两种封装。普通电力二极管又称为整流二极管，主要利用结的单向导电性，其容量大、反向恢复时间较长，多用于开关频率不高（1k以下）的整流电路。图4.2图4.3快速恢复二极管（FastRecoveryDiode—FRD）是一种开关特性好、反向恢复时间短肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode—SBD）是一种低功耗、超高速半导体器件。最显著的特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右。其晶闸管（hyo）是晶体闸流管的简称，又称为可控硅整流器，以前被简称为可控硅。晶闸管管芯及电气符号如图4.4所示。它是一种开关元件，能在高电压、大电流条件下工作，并且其工作过程可以控制，被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中，是典型的小电流控制大电流的元件。1957器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化。图4.4快速晶闸管（FastSwitchingThyristor—双向晶闸管（TriodeACSwitch—双向晶闸管是五层半导体结构，对外也引出三个电极，分别为两个主电极1和2和一个门极（图4.5）。双向晶闸管相当于两个单向晶闸管的反向并联，但只有一个逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor—温、关断时间短、通态电压低等优良性能（图4.6）。该器件可用于开关电源、不间断电源中。一只可代替晶闸管和续流二极管各一只，不仅使用方便，而且能简化电路设计。光控晶闸管（LightTriggeredThyristor—图4.5图4.6图4.7电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管号如图4.8所示。结构和工作原理都与小功率晶体管非常相似。由三层半导体、两个结组成，和小功率三极管一样，有和两种类型。通常多用结构。它用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和内，正逐步被功率和所代替。图4.8功率场效应晶体管（Power效应晶体管按导电沟道可分为沟道和沟道；根据栅源极电压与导电沟道出现的关系可分为耗尽型和增强型。功率场效应晶体管一般为沟道增强型。图4.9双扩散结构的单元的结构图及电路符号。图4.9P-MOSFET功率不超过10kW的电力电子装置。绝缘栅双极型晶体管（Insulate-GateBipolarTransistor—绝缘栅双极型晶体管综合了电力晶体管（GiantTransistor—GTR）和电力场效应晶体管（PowerMOSFET）的优点，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单、通态电压MOS控制型晶闸管（MOSControlledThyristor—图4.10是将与晶闸管组合而成的复合型器件。将的高输入阻来，也是器件的一种。一个器件由数以万计的元组成，每个元的组成为：一个晶闸管，一个控制该晶闸管开通的和一个控制该晶闸管关断的。高的di/dt和du/dt，使得其保护电路可以简化。曾被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度静电感应晶体管（StaticInductionTransistor—静电感应晶闸管（StaticInductionThyristor—静电感应晶闸管是在的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到的。因为其工作原理也与类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流，因此又被称为场控晶闸管（donodhyo—）。由于比多了一个具有少子注入功能的结，因而是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与类似，但开关速度比快得多，是大容量的快速器件。集成门极换流晶闸管（IntegratedGate-CommutatedThyristor—上，称为功率集成电路PIC（PowerIntegratedCircuit）。PowerIC）通常指纵向功率器件与控制和保护电路的集成，常用于电压调节器、汽车功率高压集成电路HVIC（HighVoltageIC）一般指高压器件与逻辑或模拟控制电路的单智能功率模块IPM（IntelligentPowerModule）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（IntelligentIGBT）。图4.11图4.12AC-DC图4.13图4.14图4.15①电化学处理。例如：电镀、金属精炼以及化学气体（氢气、氧气、氯气等）图4.16④通用交—直—整流电路在实际中的应用组图如图4.17图4.17DC-ACDC-AC（逆变）是把直流电（电池、蓄电池）转变成交流电（一般为220V、50Hz弦波）图4.18图4.19图4.20AC-AC制）图4.21图4.22交流变换电路应用如图4.24DC-DC 图4.23图4.24期）不变，改变Ton（通用，Ton为开关每次接通的时间）；二是频率调制方式，Ton降压斩波电路（BuckChopper）如图4.25所示，由全控型开关管和续流二极管构成。图4.25图4.26图4.27图4.28图4.29图4.30图4.31 通过式（4.7）的优化自诊断技术等；以高速微处理器RISC（ReducedInstructionSetComputer）及高速DSP（DigitalSignalProcessor）为基础的数字控制模板处理速度大大提高，有足够的能力BuildingBlock（系统集成）。第5章高电压与绝缘应用及发展新技术世纪初，美国工程师皮克（F.W.Peek）研究解决110kV输电线路电晕放电问题后，于1915 升到1000kV，直流传输最高电压也已提升到±1100kV，大量智能变电站投入运行，电网的工作压力为0.6MPa，此时击穿场强高出0.1MPa空气的10倍。因此，使用SF6气体的高 图5.1图5.2图5.3国产的变压器油直接用油的凝点作为标号。变压器油按凝固点分成三个牌号，即10#、25#、45#，其代号为—10、—25、—45。其中，10#变压器油的凝固点为10，25#变压器油的凝固点为25，45#变压器油的凝固点为45。10片厚度为0.025mm的云母片，其电击穿强度达4kV，按击穿场强计算为1600kV/cm（空气间隙的击穿场强只有30kV/cm）；它的抗电晕和电火花的能力高于所有的有机绝缘材图5.4图5.5图5.6图5.7在长期停用受潮后，能很容易干燥而恢复绝缘。图5.8为用于绑扎电机绕组的无碱玻璃丝带。图5.8图5.9图5.10图5.11加填料时，固化物的击穿电压高于1.6×107V/m，电阻率高于1011Ω·m。目前，在小容量电图5.12图5.13 离子式极化发生于离子结构的电介质中。固体无机化合物（如云母、陶瓷、玻璃等呈现极性，如图5.14（）所示。在外电场作用下，正、负离子偏移其平衡位置，正、负离子的作用中心不再重合，从而使整个分子呈现极性，如图5.14（b）所示，这种极化称为离子式极化。图5.14离子式极化的特点为：极化过程所需的时间极短，约10-12～10-13s；极化程度与电源质对外不呈现极性，如图5.15（）所示。在有外电场作用时，偶极子受电场力的作用发生转向，并沿电场方向定向排列，整个介质对外呈现极性，如图5.15（b）所示。这种由偶极子转向造成的极化称为偶极子式极化。图5.15图5.16电介质的基本功能是绝缘，将不同电位的导体隔开。理想的绝缘是不导电的，但这种不导电它们在电场作用下会不同程度地作定向移动而形成电流，这就是电介质的电导。在固体介质上加直流电压，流过电介质的电流变化规律如图5.17图5.17 由于电介质的吸收现象，实验中所测得的绝缘电阻随时间变化的曲线如图5.18图5.18 20世纪初，英国物理学家汤逊（JohnSealyTownsend）在均匀电场、低气压、短间隙（亦称电子崩理论）在汤逊之后，由洛依布（ob）和米克（）等在实验的基础上建立了一种新的理论——象。图5.19图5.20声、热的效应以及化学反应等都要引起能量损耗（表5.1为超高压输电线路年平均电晕损耗）；表5.1图5.21图5.22500kV图5.23压要比干闪电压低。以单片悬式绝缘子（X-4.5C型）为例，湿闪电压为45kV，比其干闪电压75kV几乎降低一半。表面脏污的绝缘子在受潮情况下的闪络电压称为污闪电压。绝电压高得多，前者可达106V/cm数量级，而后者只有104V/cm数量级。图5.24图5.25表5.2的不同，常采用的电压有500V、1000V、2500V、5000V等。由于绝缘电阻试验所加图5.26图5.27图5.28图5.29图5.30图5.31图5.32图5.33才进行此类耐压试验。对超高压设备（330kV及以上的设备）而言，普遍认为不能以工频图5.34图5.35C2H2（乙炔）、C2H6（乙烷）图5.36图5.37图5.38图5.39电力系统设备是有危害的，必须加以防范。感应雷过电压一般不会超过500kV，因此只对35kV及以下的线路会造成雷害。因此，电力系统防雷的重点是直击雷防护。（线）击。避雷针冠以“避雷二字，仅仅是指其能使被保护物体避免雷害，而其本身恰恰是引雷”以便释放雷电能量。体。接闪器可用直径为10～12mm的圆钢，引下线可用直径为6mm的圆钢，接地体一般可用多根2.5m长的40mm×40mm×40mm的角钢打入地中再并联后与引下线可靠连接。展。虽然避雷针（线）的高度高于被保护物体（一般为20～30m），但在雷云—大地这果，当h≤30m时，H≈20h；当h＞30m时，H≈600m。绕击，系指雷电绕过避雷装置而击于被保护物体的现象。我国标准DL/T620—1997中使用单支避雷针的保护范围如图5.41图5.40图5.41设避雷针的高度为h（m），被保护物体的高度为hx（m），在hx当式 P—高度影响系数，h＜30m，P=1；30m＜h＜120m，；当h＞120时，按120m图5.42图5.43图5.44垂直接地体的长度宜为2.5m。埋于土壤中的人工水平接地体（图5.46）钢，圆钢直径不应小于10mm；扁钢截面不应小于100mm2，其厚度不应小于4mm；角钢厚度不应小于4mm；钢管壁厚