11电力系统基本知识.docx
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11电力系统基本知识
学习单元1.1电力系统基础知识
电路系统的基本知识包含很广泛，有电路的基本知识，有磁路的基本知识，有电磁感应现象，还有日常生活中使用的交流电和三相交流电等很多知识，只有把这些相关的基本知识掌握后才能更好的进行电气线路的相关操作。
学习目标
1）能够知道电路基础知识；
2）能够掌握电磁感应和磁路的基本知识
3）能够知道交流电和三相交流电路的基本知识
学习任务
电路基本知识；电磁感应和磁路；交流电和三相交流电；
学习内容
1.1.1电路基础知识
一、电流和电路
1.电荷与电流
失去电子或得到的电子的微粒称为正电荷或负电荷。
带有电荷的物体称为带电体。
电荷的多少用电量表示。
其单位为C（库或库伦）。
库是很大的单位，常用的电量是uC（微库或微库伦），1C=106uC。
电流是带电微粒的定向移动。
通常以正电荷移动的方向作为电流的正方向。
大小和方向不随时间变化的电流称为直流电流；大小和方向随时间作周期性变化的电流称为交流电流。
电流的符号是I、i，电流的单位是A（安）、mA（毫安），1A=1000mA。
2.电流
单位时间内通过导体横截面的电荷量叫做电流，用符号I表示。
如果在t秒钟内通过导体横截面的电量是Q，则：
电流的单位是安培（A），计算微小电流时以毫安（mA）或微安（uA）为单位，它们的关系是：
电流很大时，以千安（kA）为单位。
3.电路
在电的实际应用中，从最简单的手电筒的工作到复杂的电子计算机的运算，都是由电路来完成的。
（1）电路的组成及电路元件的作用电路就是电流所流经的路径，它由电路元件组成。
当合上电动机的刀闸开关时，电动机立即就转动起来，这是因为电动机通过导线经开关与电源接成了电流的通路，并将电能转换成机械能。
电动机、电源等叫做电路元件，电路元件大体可分为四类：
电源
负载
控制电器和保护电器
导线
电路的作用是产生、分配、传输和使用电能。
（2）电路的状态
通路
短路
断路
二、电场、电场强度
1.电场
电场存在于带电体周围，能对位于该电场中的电荷产生作用力——电场力、电场力的大小与电场的强弱有关，这又与带电体所带的电荷量多少有关。
2.电场强度
电场强度是衡量电场强弱的一个物理量，既有大小又有方向。
电场中任意一点的电场强度，在数值上等于放在该点的单位正电荷所受电场力的大小，其方向是正电荷受力的方向，即：
式中E——电场强度，
;
F——电荷所受的电场力，N；
Q——正电荷的电量，C。
三、电位、电压、电动势
1.电位
在电场力作用下，单位正电荷由电场中某一点移到参考点（电位为零）所做的功叫该点的电位。
2.电压
电场力把单位正电荷由高电位点移到低电位点所做的功叫这两点间的电压。
电压也是指电场中某两点之间的电位差。
即：
式中，W——电荷所做的功，J；
Q——电荷量，C。
电压的单位是伏特（V）。
3.电动势
要使电流持续不断沿电路流动，就需要一个电源，把正电荷从低电位移向高电位，这种使电路两端产生并维持一定电位差的能力，叫做电动势，单位是伏特（V）。
四、导体、绝缘体与导体电阻
1.导体
能够传导电流的物体为导体。
常用的导体是金属，如银、铜、铝等。
金属中存在着大量的自由电子。
当导体与电源接成闭合回路时，这些自由电子就会在电场力的作用下朝一定方向运动形成电流。
2.绝缘体
能够可靠地隔绝电流的物体叫做绝缘体。
如橡胶、塑料、陶瓷、变压器油、空气等都是很好的绝缘体。
导体和绝缘体并没有绝对的界限，在一般状态下是很好的绝缘体，当条件改变时也可能变为导体。
例如干燥的木头是很好的绝缘体，但把木头弄湿后，它就变得容易导电了。
3.电阻
在导体两端加上电压，导体中就会产生电流。
从物体的微观结构来说，电子的运动必然要和导体中的分子或原子发生碰撞，使电子在导体中的运动受到一定阻力，导体对于电流的阻碍作用，称为电阻。
不同材料的导体，对电流的阻碍作用也是不尽相同的。
有的导体电阻很小，则表示它的导电能力好；有的导体电阻很大，则表示它的导电能力差。
电阻用R表示，单位是欧姆，其符号为“Ω”。
常用的单位还有千欧（kΩ）和兆欧（MΩ）。
在实验中发现各种材料的电阻率会随温度而变化。
一般金属的电阻率随温度的升高而增大，人们常利用金属的这种性质制作电阻温度计。
但有些合金，例如康铜和锰铜的电阻率随温度变化特别小，用这些合金制作的导体，其电阻受温度影响也特别小，所以常用来作标准电阻。
五、欧姆定律
在电路中，电压可理解为产生电流的能力。
欧姆定律是表示电路中电压、电流和电阻这3个物理量之间关系的定律。
该定律指出，在图2-1所示的局部电路中，流过电阻R的电流I与加在电阻两端的电压U成正比，而与电阻成反比。
其表达式为
式中U——电路上的电压，V；
I——流经电路的电流，A；
R——电路的电阻，Ω。
从欧姆定律可知，在电路中如果电压保持不变，电阻越小则电流越大；而电阻越大则电流越小。
当电阻趋近于零时，电流很大，这种电路状态称为短路；当电阻趋近于无穷大时，电流几乎为零，这种电路状态称为开路。
图1.1.1局部电路的欧姆定律
全电路欧姆定律表明，在闭合电路中，电流与电源电动势成正比，与电路中电源内阻和负载电阻之和成反比。
六、电功、电功率与热效应
1.电功
将电能转换成其他形式的能时，电流都要做功，电流所做的功叫电功，根据公式
及
和欧姆定律可得电功A的数学式为
或
电功的单位是焦耳（J）。
2.电功率
单位时间内电流所做的功叫做电功率，用字母P表示，其表达式为
由部分电路欧姆定律可得常见功率的计算式。
电功率的单位是瓦特（W）。
在实际工作中，功率的常用单位还有千瓦（kW）、毫瓦（mW），它们之间的关系为1kW=103W=106Mw
电源的电功率等于电源的电动势和电流的乘积。
负载功率等于负载两端电压和通过负载的电流乘积。
3.电流的热效应
电流通过导体时所产生的热量和电流值的平方、导体本身的电阻值以及电流通过的时间成正比。
用公式表达就是：
这个关系式又叫楞次——焦耳定律，热量Q的单位是J。
为了避免设备过度发热，根据绝缘材料的允许温度，对于各种导线规定了不同截面下的最大允许电流值，又称安全电流。
七、串联与并联电路
1.串联电路
在电路中，两个或两个以上的电阻按顺序联成一串，使电流只有一条通路，这种联接方式叫电阻的串联，如图1.1.2所示。
图1.1.2电阻的串联
下面以图1.1.2为例分析串联电路的特点：
（1）串联电路中流过每个电阻的电流都相等且等于总电流。
即：
式中的角标1、2……n代表第1、第2、第n个电阻（以下表示相同）。
（2）电路两端的总电压等于各个电阻两端的电压之和。
即：
（3）串联电路的等效电阻（即总电阻）等于各串联电阻之和。
即：
2.并联电路
在电路中两个活两个以上的电阻一端连在一起，另一端也连在一起，使每一电阻两端都承受同一电压的作用，这种联接方式叫并联，如图1.1.3所示。
图1.1.3电阻的并联
下面以图1.1.3为例分析并联电路的特点：
（1）并联电路中各电阻两端的电压相等且等于电路两端的电压，即：
（2）并联电路中的总电流等于各电阻中的分电流之和，即：
（3）并联电路的等效电阻值（即总电阻值）的倒数，等于各电阻阻值倒数之和，即：
如果有n个相同的电阻并联，则总等效电阻值
。
由此可见，并联等效电阻值总比任何一个支路的电阻值小。
（4）在电阻并联电路中，各部分分配的电流与该支路的电阻值成反比，即：
上式称为分流公式，
称为分流比。
1.1.2电磁感应和磁路
一、电磁感应
电磁感应现象就是电产生磁、磁产生电的现象。
电磁感应技术在变压器、电动机、电度表、无线电设备等电气设备中得到了广泛的应用。
1.电流的磁场
磁场是一种看不见的、没有不可进入性的空间。
磁场的表现是引进场域内的磁针发生偏转和取向，引进场域内的电流受到力的作用。
磁感应强度是表征磁场强弱及其方向的物理量。
其大小为单位长度的单位直线电流在均匀磁场中所受到的作用力，其方向与受力的方向和载流直导线的方向垂直。
磁感应强度的符号是B，其常用单位是T（特斯拉）和G（高斯），1T=1×104G。
磁感应强度与磁场前进方向上某一面积的乘积叫做磁通。
磁通是磁路中与电路中电流相当的物理量。
磁通的符号是Φ，单位是Wb（韦伯）和Mx（麦克斯韦），1Wb=1×108Mx。
如一面积S与磁感应强度B垂直，则Φ=BS。
因为
，所以磁感应强度也叫做磁通密度。
2.电磁感应
如图1.1.4所示，当线圈内的磁通Φ发生变化时，线圈内即产生感应电动势e。
如果线圈不是开路的，线圈内即产生感应电流。
线圈内感应电动势的大小与磁通变化的速率成正比。
对于N匝的线圈，感应电动势的大小为
这一规律即法拉第电磁感应定律。
图1.1.4电磁感应
图1.1.4中，当磁通Φ增大时，线圈中感应电动势和感生电流的实际方向是与所表示的电动势e的方向相反的；而磁通Φ减小时，线圈中感应电动势和感生电流的实际方向是与所表示的电动势e的方向相同的。
即感生电流的磁场总是力图阻止原磁场发生变化的这一规律称为楞次定律。
二、磁路
1.磁路组成
磁路是磁通的闭合电路。
依靠电磁感应原理工作的电气设备，如电动机、变压器、各种电磁铁都带有不同类型的磁路。
图1.1.5所示为两种磁路的示意图。
有的磁路由线圈和铁心组成，有的磁路由线圈、铁心和空气隙组成。
图1.1.5磁路
载流线圈是产生磁通的来源。
线圈匝数N与线圈电流I的乘积NI称为磁动势。
磁通在磁路中遇到的阻力称为磁阻。
磁阻的符号是Rm，单位是1/H，磁阻的表达式为
式中l、S——导磁体的长度和截面积；
U——材料磁导率。
一般情况下，空气隙的磁阻比铁心的磁阻大得多。
2.磁路欧姆定律
在磁路中，当磁阻不变时，磁通Φ与磁动势NI成正比。
这一规律就是磁路欧姆定律。
其表达式为
1.1.3交流电和三相交流电路
一、交流电
所谓交流电是指大小和方向都随时间作周期性变化的电动势（电压或电流）。
也就是说交流电是交变电动势、交变电压和交变电流的总称。
交流电又可分为正弦交流电和非正弦交流电两类。
正弦交流电的电流（或电压、电动势）随时间按正弦规律变化，如图1.1.6所示。
非正弦交流电的电流（或电压、电动势）随着时间不按正弦规律变化。
图1.1.6正弦交流电波形图
交流电的用途极为广泛，在现代工农业生产中几乎所有电能都是以交流形式产生出来的。
即使电机车运输、电镀、电讯等行业所需要的直流电也可经过整流获得。
这不仅因为交流电机比直流电机简单、成本低、工作可靠，更主要的是可用变压器来改变交流电的大小，便于远距离输电和向用户提供各种不同等级的电压。
二、正弦交流电的几个基本物理量
在讨论交流电路以前，应了解正弦交流电的几个基本物理量。
正弦交流电的变化规律可用数学公式表示为
上述数学表达式还可用正弦曲线（如图1.1.7所示）来表示为正弦交流电动势的波形图。
图1.1.7正弦电动势波形图
1.瞬时值和最大值
由于正弦交流电的电流（或电压、电动势）是随时间按正弦规律不断变化的，所以每一时刻的值都是不同的，把每一时刻的值叫做交流电的瞬时值。
正弦电流、电压及电动势的瞬时值分别用i、u和e表示。
瞬时值中的最大值，叫做交流电的最大值（或峰值、振幅），用Im、Um及Em表示。
2.频率、角频率和周期
频率是指在1秒钟内交流电变化的次数，用f表示。
其单位为赫兹（简称赫），用Hz表示。
常用的单位还有千赫（kHz）、兆赫（MHz）。
1kHz=103Hz
1MHz=106Hz
正弦交流电表达式中的w表示正弦交流电变化的快慢，称为角频率。
因正弦交流电完成一次循环而相应的角度变化为弧度，如每秒完成f次循环，则相应的角度变化为弧度。
即：
周期是指交流电变化一次所需要的时间，用T表示。
单位是秒，用s表示。
周期与频率是互为倒数的，即：
目前，我国的供电系统采用的交流电的频率为50Hz，周期问为0.02s。
3.相位和相位差
在正弦交流电的数学表达书中，
称为相位或相位角。
因为它随时间而变化，所以在变化过程中能反映出正弦量的瞬时值的大小。
t=0时的相位角称为初相角或初相位，它确定正弦量的初始值。
当
时，表达式
可变为
，称它为正弦参考量。
相位差是指两个相同频率的正弦交流电的相位或初相位之差。
它表示两个正弦量各自达到其最大值（或零值）时的时间差。
若两个同频率的正弦交流电压u1和u2二者同时达到零值或最大值，则二者为同相位，相位差为零。
三、三相交流电路
三相交流电，即电路中的电源同时有三个交变电动势，这三个电动势的最大值相等、频率相同、相位互差120°，也称为对称三项电动势。
三相电源的三个绕组及三相负载，其常用的连接方式有两种：
星形（Y）连接和三角形（△）连接。
四、三相功率
电能使灯泡发光、电炉发热、电动机带动机器，这些都是电能做功的表现。
做功的效果用电功率来衡量。
所以三相电路计算中除了要计算电流、电压、电阻等以外，常常还要计算电流的功率。
在实际工作中，很多电气设备都标出它们的功率值，以说明它们做功能力的大小。
负载接在三相电源上，不论负载时星形连接或是三角形连接，它所消耗的总的有功功率必定等于各相有功功率之和，即
思考与练习题
一、单选题
1.电流时带电微粒的（）移动。
A.正向B.逆向C.定向
2.交流电是指大小和方向都随（）做周期变化的电动势。
A.气压B.海拔C.时间
3.赫兹是指在（）内交流电变化的次数。
A.固定时间B.一秒钟C.一分钟
4.电阻的单位是（）。
A.欧姆B.安培C.伏特
5.PN结具有（）的特性。
A.不导电B.单向导电C.超导
二、多选题
1.欧姆定律是表示电路中（）之间关系的定律。
A．电压B.电流C.电阻D.电动势
2.交流电可分为（）。
A.正弦交流电
B.余弦交流电
C.非正弦交流电
D.非预先交流电
3.下列属于导体的是（）。
A.沙子
B.金
C.铝
D.空气
4.电磁感应现象是（）的现象。
A.电产生磁
B.磁产生电
C.磁针发生偏转
D.磁通改变
5.三相交流电，即电路中的电源同时又三个交变电动势，这三个电动势的（）。
A.最大角相同
B.最大值相等
C.频率相同
D.相位互差120°
三、判断题
1.磁场是一种看不见的空间。
（）
2.目前，我国的供电系统采用的交流电的频率是52赫兹。
（）
3.电流的单位是安培。
（）
4.在导体两端加上电压，导体中就会产生电流。
（）
5.电能不能转换为其他的能。
（）
四、简答题
1.简述欧姆定律。
2.电路可以有几种状态，分别是什么？
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