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电工基础知识讲座

第一章电力生产概况

概况

我们大家都知道，自然界中存在的能量是有许多种，例如常见的机械能、热能、光能、水能、化学能等等，根据能量守恒与转换定律得知，各种能量之间在一定的条件下是可以互相转换的。

并且能量既不能创造，也不能消灭，只能从一种形式转换为另一种形式。

能量的总和保持不变。

例如，发电厂和电网就是一个多种能量相互转换的系统。

在火电厂的锅炉中燃烧着的煤炭通过化学反应，使水获得热能变成高压蒸汽（高温高压），高压蒸汽推动汽轮机转动，将它所具有的能量转换为机械能，汽轮机带动发电机转动又将机械能转换成了电能。

而水力发电站则是将具有一定势能的水冲动水轮机转动，水轮机再带动发电机转动，最后将机械能转换成了电能。

电能再经过升压站、降压站和输电线等设备送到用户，又转换成各种形式的能量为人们的生活和各种生产活动服务。

例如电动机可以将电能转换成机械能；电灯可以将电能转换成光能；电炉可以将电能转换成热能等等。

下面我们就围绕“电”的概念，从几个方面的课件展开，一起学习关于电的相关知识及其应用。

第二章电工常用名词、定义及符号

§2―1电路的概念

一、电路

电路就是电流所流经的路径，它是由电源、负载（负荷）、连接导线和开关等几个基本部分组成。

二、三相交流电路

在磁场中放置三个匝数相同彼此在空间相距120°的线圈。

当转子由原动机带动，并以匀速按顺时针方向转动时，则每相绕组依次被磁力线切割，

就会在三个线圈中分别产生频率相同、幅值相等的正弦交流电动势eА、eв、eс，三者在相位上彼此相差120°，再用导线和负载连接起来就构成了三相交流电路。

§2―2常用名词、定义及符号

一、电压

在电场中两点间的电位差就叫做电压。

电压的符号用“U”表示，电压的单位为伏特（简称伏）、用符号“V”表示。

在需要测量很低的电压时，是用毫伏（mV）或者微伏（uV）做单位；在需要测量很高的电压时，则是用伏特（V）或者千伏（kV）做单位。

换算关系为：

1千伏（kV）=1000伏（V）=103伏

1伏（V）=1000毫伏（mV）=103毫伏

1毫伏（mV）=1000微伏（uV）=103微伏。

二、电流

金属导体中的自由电子在电场力的作用下，会向电场强度的反方向移动。

电荷的有规则的定向运动就形成了电流。

通常规定是以正电荷运动的方向为电流的方向。

单位时间（每秒钟）内通过导线某一截面的电荷量（电量）的多少来衡量电流的强弱，叫做电流强度（简称电流），电流的符号用“I”表示，电流的单位为安培（简称安），用符号“A”表示。

在需要测量很小的电流时，是用毫安（mA）或者微安（uA）做单位；当需要测量很大的电流时，则是用安培（A）或者千安（kA）做单位。

换算关系为：

1千安（kA）=1000安培（A）=103安培

1安培（A）=1000毫安（mA）=103毫安

1毫安（mA）=1000微安（uA）=103微安。

三、电阻

当把不同的负载接到电源上去的时候，就会发现负载中通过的大小是不相同的。

例如，在一根铜棒的两端和一根铁棒的两端加上同样的电压，在这两棒中的电流将会相差很大，这是因为不同的导体材料对于电流具有不同阻力的缘故。

我们就把加在导体两端的电压和通过导体的电流的比值叫做电阻。

衡量电阻大小的单位是欧姆（简称欧），用符号“Ω”表示。

如果在导体两端加上1伏的电压，通过导体的电流是1安，那么，这个导体的电阻就是1欧姆，即

1欧姆＝1伏特/1安培

在实际生产中有时嫌欧姆这个单位太小，则可以用千欧（kΩ）和兆欧（MΩ）做单位，换算关系如下：

1兆欧（MΩ）=1000千欧（kΩ）=10³（kΩ）

1千欧（kΩ）=1000欧姆（Ω）=10³（Ω）

请大家注意的是，导体的电阻不仅和导体的材料种类有关，而且还和导体的截面积有关，由实践证明，同一材料导体的电阻和导体的截面积成反比，而和导体的长度成正比。

即导体的截面积愈大，电阻就愈小；导体愈长，电阻就愈大。

用公式表示就是

R＝ρ（L∕S）

式中L—导线长度，单位是米；

S—导线截面积，单位是平方毫米；

ρ—比例常数，叫做导体的电阻率，单位是：

欧·毫米²/米。

电阻率ρ是长1米，截面为1平方毫米导体的电阻值。

例如常用材料中银的电阻率ρ＝0.0165欧-毫米²/米，铜的电阻率ρ＝0.00175欧-毫米²/米，铝的电阻率ρ＝0.0283欧-毫米²/米。

四、电流的热效应

当电流通过电阻时，电阻的温度会逐渐升高。

这是因为电阻所吸收的电能转换成了热能的缘故，这种现象就叫做电流的热效应。

例如，电炉，电烙铁等电热设备就是利用这种性能来生产我们所需要的热量；在白炽灯中，由于钨丝温度升得很高，达到白热的程度又将一部分热能转化为光能而发出亮光。

但是，从另外一方面分析，在电机、变压器等电气设备中，电流通过绕组时所产生的热量，对于这些设备是很不利的。

为什么？

因为这些热量如果不设法从电机及变压器内部散发出去，经过长时间运行后，就后会使设备的温度升得很高，绝缘损坏，严重时甚至烧坏设备。

所以，我们必须加以严密的监视和控制。

人们经过长期的实践和实验，发现当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。

这种关系就是楞次-焦耳定律，用公式表达就是

Q=0.24I²Rt（2-1）

式中Q—电流在电阻上产生的热量，单位是卡；

I—通过导体的电流，单位是安；

R—导体的电阻，单位是欧；

t—电流通过的时间，单位是秒；

0.24—热功当量，它相当于电阻为1欧姆的导体中通过1安电流时，每秒钟产生的热量。

问题1：

在输电线路中如果出现导线发热好不好？

是什么原因所导致？

我们应该怎样避免？

导线的选择原则：

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（即安全电流），例如下表所示：

500伏单芯（多芯）橡皮、塑料绝缘导线明线敷设允许载流量（安）

截面（㎜²）

BX、BLX、BXF、BLXF、BXR型橡皮线允许载流量（安）

BV、BLV、BVR型塑料线允许载流量（安）

铜芯

铝芯

铜芯

铝芯

0.75

∕

1.0

∕

1.5

2.5

110

105

145

110

138

105

180

138

170

130

230

175

215

165

285

220

265

205

345

265

325

250

由表中可以看出：

由于导线的电阻和它的截面积成反比，所以，导线愈粗，允许通过的电流也就愈大；周围空气温度愈高，愈不利于散热，所以允许通过的电流愈小。

五、电功率

是指在单位时间内电源力所做的功。

它们之间的关系是：

W＝P•t且P＝UI（2-2）

电功率是用瓦特表测量。

电功率的单位是“瓦特”（简称瓦W），用“P”表示，大的单位还有千瓦（kw）。

它们的换算关系如下：

1千瓦（kw）＝1000瓦（W）

声母表

b（玻）

r（日）

六、电能

是指在一段时间内电源力所做的功。

电能是用瓦时表测量。

电能的单位是用千瓦·时（kw·h）表示，简称度。

问题2：

电能和电功率的概念是否一样？

在计算上有什么区别？

（例2-1）在220伏的电源上，接入一个电炉，已知通过电炉的电流是4.55安，问在3个小时内，该电炉消耗的电能是多少？

解：

电炉的功率是

P＝UI＝220×4.55≈1kw

3个小时中电炉消耗的电能是

W＝P·t＝1×3＝3kw·h

即消耗了3度电。

七、功率因素

功率因素又称“力率”，它是指有功功率与视在功率的比值，通常用符号cosφ表示，即

cosφ＝有功功率（kw）/视在功率（kvA）

功率因素的大小与电路的负载性质有关。

例如呈电阻性负载的白炽灯、电阻炉等电热设备，其功率因素为1，说明它们只消耗有功功率；对具有电感的电器设备如日光灯、电动机等，其功率因素小于1

（一般只有0.5-0.8左右），说明它们需要一定数量的无功功率，如当电动机输出功率很低时，所消耗的有功功率减少，但所需要的无功功率确基本不变，无功功率所占的比例增大，所以电动机的cosφ就更低。

从功率三角形的图中，运用数学的三角函数关系可以得出如下表达公式：

有功功率P＝UIcosφ式中的cosφ即为功率因素。

问题3：

引起功率因素下降的因素有哪些？

会产生哪些危害？

一是在负载中有电感性的负载增多；二是负载自身的功率因素过低。

功率因素的降低，说明在电路中用于交变磁场吞吐转换的无功功率增大，而有功功率下降，并且这部分无功功率在电源和负载之间送过来又送回去不做功。

因此，

（1）、从而降低了电源设备的利用率；

（2）、在线路上将引起电压降增大、会使得用户端的电压降低，影响了用户负载的正常工作；（3）线路的功率损失增加就会造成电能的损失。

八、线电压、相电压

试画图举例说明：

在星形连接的电路中（指三相对称电路），每相线圈两端的电压就做相电压，通常是用符号UА、Uв、Uс分别表示。

端线与端线之间的电压则叫做线电压，一般是用符号UAB、UBс、UсA表示。

线电压与相电压的关系：

因为UAB＝

UАUBс＝√~3UвUсA＝√~3Uс

而且UА＝Uв＝Uс＝UXg

UAB＝UBс＝UсA＝UX

所以线电压与相电压的关系可概括为

UX＝√~3UXg（2-3）

即星形连接的电路中，线电压等于相电压的√~3倍。

九、相电流、线电流

在星形连接的电路中（指三相对称电路），当每相线圈两端的电压知道后，就可以逐一计算出每相的电流，这个电流是在各相负载中流过的，所以叫做相电流，而且，它们的有效值是

IА＝UА/ZАIв＝Uв/ZвIс＝Uс/Zс

条件：

tgφА＝ХА/RАtgφв＝Хв/Rвtgφс＝Хс/Rс

如果ХА＝Хв＝Хс＝ХRА＝Rв＝Rс＝R则称为三相对称电路，IА＝Iв＝Iс＝IXgφА＝φв＝φс＝φ

因此，在各端线中流过的电流则叫做线电流（试画图举例说明），用符号“Iх-х”表示，对星形连接的电路来说，线电流就等于相电流，

即Iх＝IXg（2-4）

十、中性线（零线）

三相三线制只是三相交流电源供电的一种连接方式。

假如我们从三个线圈的首端分别引出三根导线，再将三个线圈的尾端连在一起，就形成了三相三线制的星形连接。

如果在三相三线制星形连接的基础上，我们再从三个线圈尾端的连接点（称为星点）上再引出一根导线，就变成了由四根导线供电的三相四线制供电系统。

那么，由三个线圈尾端的连接点（称为星点）上引出的这根导线我们就叫做中性线（零线）。

中性线的作用：

就在于使星形连接的不对称负载的相电压保持对称，消除由于三相负载不对称引起的中性线点位移，从而避免因负载电压过高而造成设备的损坏，因负载电压过低而使设备不能正常工作。

问题4：

在三相四线制供电系统中，如果中性线点发生位移（或者断线）时会造成什么后果？

十一、相序

相序是指三相交流电相位的顺序。

从三相交流电的波形图（试画图举例说明）可以看出，三相交流量（电压或电流）到达最大值（或零值）的时间总是有先有后，例如：

我们称A相超前B相、B相超前C相、相C超前A相。

那么，我们就把ABC、BCA及CAB叫做电压的相序（正相序）。

我们日常工作中所应用的就是指正相序，在计量表计（如多功能表）的接线中特别要注意相序，否则，将造成电能计量上的不准。

问题5：

请列举说出哪些相序是属于反相序？

如何测量？

第三章电路及其计算

§3―1欧姆定律

一、定义

在电阻电路中，电流的大小与电阻两端电压的高低成正比，而与电阻的电值成反比。

这就是欧姆定律。

也是电路中的一条很重要的基本定律。

二、表达式

我们用符号U表示电压、I表示电流、R表示电阻，那么欧姆定律就可以用一个简单的公式表示出来，即

I＝U/R

这个公式表达了电路中电压、电流和电阻之间的相互关系，因此，我们可以从任意两个已知的数量中求出另一个未知的数量（应用公式速记法）。

即

1、已知电压、电阻求电流I＝U/R（3-1）

2、已知电流、电阻求电压U＝IR（3-2）

3、已知电压、电流求电阻R＝U/I（3-3）

问题6：

请问欧姆定律除了上述表达式外，还有哪些表达方式？

（例3-1）一台直流电机的励磁绕组在220伏电压作用下，通过绕组的电流为0.427安。

求绕组的电阻是多少？

已知：

电压=220V、电流=0.427A

求：

电阻R=?

解：

依题意得

R＝U/I＝220/0.427＝515.2Ω

答：

该励磁绕组的电阻是515.2欧。

（例3-2）有一个量程为300伏（即满刻度为300伏）的伏特表，它的内阻是40千欧。

用它测量电压时，流经伏特表的最大电流是多少？

已知：

电压=300V、电阻=40kΩ

求：

电流I=?

解：

依题意得

I＝U/R＝300/40000＝0.0075A＝7.5mA

答：

测量300伏电压时，流经伏特表的最大电流是7.5毫安。

§3―2常见的几种电路

一、串联电路

1、定义：

如果把几个电阻首尾相接地连接起来，在这几个电阻中通过的是同一电流，这种连接方式就叫做串联（试画图举例说明）。

2、表达式：

在串联电路中，根据克希荷夫第二定律（电压定律）可以写出电压的关系为

U-U1-U2＝0

根据欧姆定律可知U1＝IR1U2＝IR2

所以U＝U1+U2＝IR1+IR2＝I（R1+R2）

设R＝（R1+R2）则上式可简化为

U＝I•R（3-4）

式中的电阻R就叫做串联电阻R1和R2的等效电阻（也叫总电阻）。

问题7：

如果说有三个电阻R1、R2和R3串联，我们应该怎样计算？

3、串联电阻间的电压分配

在电阻R1与R2上的电压降，都是总电压的一部分。

因此，在电阻串联的电路中，每个电阻上分得的电压的大小，与电阻的大小成正比，即电阻大的分得的电压大；电阻小的分得的电压就小。

每个电阻上的电压和总电压又是什么关系呢？

根据公式U＝U1+U2＝IR1+IR2＝I（R1+R2）可以得出

I＝U/R1+R2（3-5）

如果将（3-5）代入U1＝IR1就可得到

U1＝（U/R1+R2）R1＝（R1/R1+R2）U＝（R1/R）U（3-6a）

同样的道理，如果将（3-5）代入U2＝IR2后就可得到

U2＝（R2/R1+R2）U＝（R2/R）U（3-6b）

以上两个式子说明，串联电阻中每个电阻上分得的电压决定于这个电阻和总电阻R的比值。

我们只要适当选择R1和R2的数值，就可以在每个电阻上获得相应的电压。

比值R1/R1+R2和R2/R1+R2又叫做分压比。

所以，在串联电路中串联的电阻有分压作用。

（例3-3）有一块伏特表，它的最大量程是250伏，内阻是250千欧。

如果想用它测量450伏左右的电压，应该采取什么措施才能使用？

解：

根据串联电阻能够分压的原则，可与伏特表串联一个电阻。

在测量较大电压时，串联电阻分去一部分电压，使伏特表所承受的电压不大于最大量程250伏。

这就叫做扩大伏特表的量程。

为了能测量450伏的电压，我们可以把量程扩大到500伏。

假设Rb代表被串入的电阻，Υ0代表伏特表的内阻。

Rb上应该分担的电压是500-250=250伏，所以得出

Ub/U0＝Rb/Υ0即Rb＝（UbΥ0）/U0

将已知数据代人得Rb＝（250×250）/250

＝250kΩ

所以，这块伏特表串联一个250千欧的电阻后，就可以用来测量500伏以内的电压了。

二、并联电路

1、定义：

把几个电阻一齐接在两个节点之间，每个电阻两端所承受的是同一个电压，这种连接方式就叫做电阻的并联（试画图举例说明）。

2、表达式：

在并联电路中，由于每个电阻两端所承受的是同一个电压，根据克希荷夫第一定律（电流定律）可以写出电流的关系为

I＝I1+I2＝U/R1+U/R2＝U（1/R1+1/R2）（3-7）

如果我们设R＝R1+R2，用电阻R代替原来两个并联的电阻R1和R2，R就叫做并联电阻R1、R2的等效电阻。

根据欧姆定律可出：

I＝U（1/R）（3-8）

比较（3-6）和（3-7）两个式子可则得到

1/R＝1/R1+1/R2（3-9）

上式说明，并联电阻的等效电阻的倒数，等于各并联电阻的倒数和。

整理（3-8）式最后得出两个并联电阻的等效电阻是

R＝R1R2/R1+R2（3-10）

在并联电路中，两个并联电阻的总电阻，比其中任何一个电阻的阻值都要小；如果两个阻值相同的电阻并联，其总阻值就等于一个电阻阻值的一半；如果两个电阻的阻值相差较大，并联后的总电阻就接近于小阻值总电阻的电阻，于是在估算总电阻时，就可以忽略那个高值电阻。

3、并联电阻中的电流分配

在并联电路中，各支路中的电流由电源和支路本身的电阻所决定，即I1＝U/R1I2＝U/R2

而且两条支路中电流的比例是I1/I2＝R2/R1两条支路中的电流和两条支路中的电阻成反比。

那么，总电流I和各支路中的电流有什么关系呢？

我们知道

I1＝U/R1I2＝U/R2I＝I1+I2

所以通过公式推导（略）分别得出：

I1＝I（R2/R1+R2）（3-11）

I2＝I（R1/R1+R2）（3-12）

这两个式子说明，在两电阻并联时，某一支路中的电流等于总电流乘上一个分数，这个分数的分母是两并联电阻的和，分子是另外一条支路中的电阻。

所以，在并联电路中的并联电阻有分流作用。

问题8：

如果说有三个电阻R1、R2和R3并联，我们应该怎样计算？

三、电阻的混联（复联）电路

1、定义：

试画图举例说明：

如果在一个电路中，既有互相串联的电阻，又有互相并联的电阻，那么我们就把这个电路叫做混联电路。

2、计算：

计算或分析混联电路时，可以分成如下三个步骤进行：

（1）、首先合并单纯的串联与并联部分，计算出电路的总电阻；

（2）、根据总电阻和总电压计算出电路中的总电流；

（3）、根据串联电路中的分压关系和并联电路中的分流关系，逐步推算出各部分的电压和电流。

§3―3克希荷夫定律

一、概念

前面，我们所讨论的电路，都是可以依靠电阻的串、并联简化及欧姆定律来求解的电路。

但是有时遇到的电路却不能用串、并联进行简化，这样的电路我们就把它叫做复杂电路。

不论是简单的串、并联电路，还是复杂的电路，分析它们的目的就是要计算出电路中的电流、电压、功率等电参数，以便解决设计和运行中提出的问题。

欧姆定律、克希荷夫定律是分析和计算电路的两个基本定律，掌握了它们以后，原则上我们就能分析和计算电路任何复杂的网路。

克希荷夫定律它包括两个内容：

第一定律（简称电流定律）表达电路中的电流关系；第二定律（简称电压定律）表达了回路中各电势和电阻上电位降之间的关系。

二、克希荷夫电流定律

流入某一节点多少电流，必定从该节点流出多少电流，这叫做电流的连续性。

克希荷夫电流定律就是电流连续性的体现（试画图举例说明）。

1、定义：

在任意节点上，流入节点电流的总和等于从节点流出电流总和。

这就是克希荷夫第一定定律。

2、表达式：

用代数式表示可写成

ΣI＝0（3-13）

或写成I1+I2+……＝0（3-14）

三、克希荷夫电压定律

试画图举例说明。

我们知道，在电路的每一点都有一个确定的电位。

那么，从电路内某一点开始，使单位正电荷按一定方向沿任一回路绕行一周，当它经过电源或电阻时，其电位不是升高，便是降低，但回到原来出发点的时候，应该不升不降。

这叫做能量守恒。

1、定义：

在任何回路中，绕行回路一周，电位升的总和等于电位降的总和。

这就是克希荷夫第二定定律。

2、表达式：

用代数式表示可写成

ΣE＝ΣIR（3-15）

§3―4电路中的计算

一、直流电路的计算

1、电位的计算：

2、支路电流法：

3、叠加原理（重叠原理）：

4、等效电源定理：

二、交流电路的计算

1、交流电路中的功率计算

2、功率因素的计算

3、电阻和电容串联电路的计算

4、电阻、电感和电容串联电路的计算

三、熔丝的计算和选择

（一）低压熔丝的选择

1、配电变压器低压侧的选择

配电变压器多采用低压熔断器作为低压侧出线上发生短路或过载时的保护。

变压器低压侧总熔断器熔丝的额定电流（容量），通常是按变压器低压侧的额定电流值选择，但不得超过低压侧额定电流的30％。

2、动力线路熔丝选择原则

熔丝的容量应合理选择，如果选择太大，发生短路时不能烧断而起不到保护的作用；如果选择太小，电动机启动时又会常常烧断。

一般的选择方法是：

熔丝的额定电流＝（1.5～2.5）×电动机额定电流

3、照明线路熔丝选择原则

（1）照明干线熔丝的额定电流应等于或稍大于各分支线路熔丝的额定电流之和；

（2）各分支线路熔丝的额定电流应等于或稍大于各个电灯的工作电流之和。

（二）高压熔丝的选择

1、对100KVA以下者：

按高压侧额定电流×（2～3）倍选择

或变压器容量÷√~3×供电电压＝额定电流

即Ie＝S/√~3U

2、对100KVA以上者：

按高压侧额定电流×（1.5～2）倍选择.

第四章电工测量技术及应用

§4―1电工测量概况

一、电工测量的意义

在自然界中，人们对事物的认识是靠比较，没有比较就没有鉴别。

而比较则是以“量”的概念作基础，获得“量”的概念则靠测量。

所以，测量技术就是人类认识自然界各种量之间数量关系的主要手段。

测量的目的就在于掌握被测对象处于何种状态，保证产品质量和人身、设备的安全。

二、电工测量的作用

在发电厂和变电站的控制中心装设有各种电工仪器仪表，其目的就是对电能的工种运行参数进行全面的测量，进行及时、必要的调整，主要作用有以下几方面：

1、监视输出的电能的质量（电压和频率）。

2、计量发电厂、站发出的电能、厂用电消耗的电能以及变电站输送给用户的电能。

3、监测各电路的负载情况，以防止过载。

4、监测各发电机间和变压器间有功功率和无功功率的分配。

5、记录和存储必要的电参数，以便分析运行过程中的异常现象和故障情况。

6、监视控制回路、继电保护和自动装置的交直流电源，以保证控制回路和保护装置可靠地工作。

§4―2电工测量的基本知识

一、测量的定义

测量就是将被测量与标准量进行比较的过程。

电工测量是指对各种电量和磁量的测量。

二、测量的分类

按获得被测量结果的方式不同，可分为：

1、直接测量——将被测量与度量器的标准量直接比较，或用事先经过校验并刻度好的仪表进行测量，从而测出被测量的大小和单位。

2、间接测量——先是通过直接测量几个与被测量有函数关系的量，然后再通过计算，求出被测量的大小和单位。

3、组合测量——将多个被测量且彼此间有一定函数关系，通过直接或间接方式测量这些组合量的数值，再通过联立方程组求得未知的被测量。

§4―3电工测量仪表分类和表面

标记及型号

一、测量仪表分类

根据它们的工作原理、用途等方面的特性可分为以下几种：

1、指示式仪表（直读式仪表）。

如电流表、电压表、欧姆表、兆欧表、万用表、功率表、相位表、频率表等。

2、按工作原理可分为：

磁电系、电磁系、电动系、铁磁电动系、静电系、感应系、热电系、整流系仪表等。

3、按照使用方法可分为：

可携式

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