武大电气工程基础读书笔记文档格式.doc
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①电能的生产和使用是同时完成的，所以电能难以储藏是电能生产的最大特点
②正常输电过程和故障过程都非常迅速
③具有较强的地区性特点
④与国民经济各部门关系密切
⑶对电力系统运行的基本要求
基本要求可以简单概括为：
安全、可靠、优质、经济。
①保证供电的安全可靠
电力用户分为三类（一类用户、二类用户和三类用户），当系统发生事故，出现供电不足情况时，应首先切除三类用户的用电负荷，以保证一类、二类用户的用电。
②保证电能的良好质量
频率、电压和波形是电能质量的三个基本指标。
系统的频率主要取决于系统的有功功率的平衡，节点电压主要取决于系统中无功功率的平衡，波形质量问题是由谐波污染引起。
我国规定的电力系统的额定频率为50Hz，大容量系统允许频率偏差±
0.2Hz，中小容量系统允许频率偏差±
0.5Hz。
35kV及以上线路的额定电压允许偏差±
5%；
10kV线路额定电压允许偏差±
7%，电压波形为正弦形，其波形总畸变率不大于4%，380V/220V线路额定电压允许偏差±
7%，电压波形总畸变率不大于5%。
③保证电力系统运行的稳定性
④保证运行人员和电气设备工作的安全
⑤保证电力系统运行的经济性
第二章电力系统的负荷
电力系统的用户：
电力系统中的用电设备，如电动机、电炉、家用电器等。
综合负荷：
电力系统用户用电设备所消耗的电功率的总和，简称负荷。
供电负荷：
综合负荷加上电力网的功率损耗。
发电负荷：
供电负荷与发电厂的厂用电之和。
一，负荷的表示方法
⑴负荷功率
复数功率：
（单相）
（三相）
P为有功功率，Q为无功功率，复数功率的模为视在功率。
⑵负荷曲线
基本概念：
负荷曲线：
描述在某一段时间内用电负荷大小随时间变化规律的曲线。
①日负荷曲线
曲线的最大值和最小值分别代表日最大负荷和日最小负荷。
日有功负荷曲线所围成的面积为电力系统的日用电量。
日平均负荷：
负荷率：
最小负荷系数：
日负荷曲线的作用：
安排日发电计划、确定各发电厂发电任务、系统的运行方式和计算用户日用电量等。
②年负荷曲线
年负荷曲线：
年最大负荷曲线和年持续负荷曲线。
年负荷曲线作用：
用于制定发电设备的检修计划和新建或扩建电厂容量提供依据。
最大负荷利用时间：
二，负荷特性与模型
负荷特性：
电力系统综合负荷取用功率随系统运行参数（主要是电压和频率）变化而变化，反映此变化规律的曲线或数学表达式成为负荷特性。
分为静态特性和动态特性。
静态特性：
反映电压和频率缓慢变化时负荷功率的变化特性。
动态特性：
反映电压和频率急剧变化时负荷功率的变化特性。
研究负荷特性的方法有：
实测法和辨识法。
⑴负荷静态特性
①多项式负荷静态特性
②幂函数式负荷静态特性
③恒定阻抗式负荷静态特性
⑵负荷动态特性
动态特性通常分为：
机械暂态过程、机电暂态过程和电磁暂态过程。
三，电力系统中的谐波
⑴主要谐波参数
①含有谐波的电压和电流的有效值
②谐波分析中的特征量
谐波含量
谐波总畸变率
谐波含有率
③含有谐波时的有功功率和功率因数
有功功率
功率因数
⑵谐波源
①含电弧和铁磁非线性设备的谐波源
②整流和换流电子器件所形成的谐波源
⑶谐波的危害
①使旋转电机附加损耗增加、出力降低、绝缘老化
②谐波电流流入变压器将因集肤效应和邻近效应，在变压器绕组中引起附加铜耗
③谢波电压作用在对频率敏感的电容元件上，会出现严重过电流、导致发热、介质老化和损坏
④高次谐波电流流过电抗器，会形成过高电压降，使电抗器匝间绝缘受损
⑤高次谐波电流流过输电线，线电阻会因集肤效应而增加，加大线路损耗
⑥谐波电压和电流会对电工仪表的测量正确造成影响
⑦供电线路中的谐波产生的电磁场会影响到通信线路
第三章电力系统主设备元件
一，电力变压器的等值电路及参数计算
⑴双绕组变压器
参数：
短路电阻、短路电抗、励磁电导和励磁电纳
①短路电阻
②短路电抗
③励磁电导
④励磁电纳
公式中的各量的单位：
短路损耗、空载损耗为kW，额定电压为kV，额定容量为kVA。
⑵三绕组变压器
导纳支路的参数计算公式与双绕组变压器相同，短路参数注意按容量变比进行计算。
三绕组布置方式：
①升压布置：
中压绕组、低压绕组、高压绕组
②降压布置：
低压绕组、中压绕组、高压绕组
⑶自耦变压器
计算方法公式与双绕组变压器相似，注意短路参数要按容量变比进行换算。
⑷变压器的π型等值电路
二，输电线路
⑴架空线路
架空线路由导线、避雷线、杆塔、绝缘子串和金具组成。
①导线与避雷线
导线的作用：
传导电流、输送电能。
导线应具备的条件：
具有良好的导电性能、柔软且有韧性、具有足够的机械强度和抗腐蚀性能。
导线的常用材料：
铜、铝。
分裂导线的作用：
防止电晕（增大导线面积），减小线路感抗。
避雷线用于将雷电流引入大地，对线路进行直击雷的保护。
避雷线常采用钢绞线或铜线（超高压大接地电流系统）。
②杆塔
杆塔分类
按用途分：
直线杆塔、耐张杆塔、终端杆塔、转角杆塔、跨越杆塔和换位杆塔。
按材料分：
木杆、钢筋混凝土杆和铁塔。
③绝缘子
④金具
金具：
架空线路中使用的所有金属部件的总称。
⑵电缆线路
电缆：
将导电芯线用绝缘层及保护层包裹后，敷设于地下、水中、沟槽等处的电力线路。
优点：
占地面积小，受外力破坏的概率低、供电可靠、对人身较安全、使城市美观。
①电缆结构：
包括导体、绝缘层和保护层
②电缆分类：
按芯数分：
单芯、三芯、四芯等；
按内保护层结构分：
三相统包型、屏蔽型和分相铅包型。
③电缆附件：
电缆的连接头和终端盒。
⑶三相对称运行时电力线路的参数计算
①电阻：
反映线路通过电流是产生的有功功率损耗
②电抗（电感）：
反映载流线路周围产生的磁场效应
其中、、m为每相导线分裂根数。
③电导：
反映电晕现象产生的有功功率损失
为实测三相电晕损耗总功率。
④电纳（电容）：
反映载流线路周围产生的电场效应
⑷电力线路的等值电路
①一字型等值电路
使用条件：
线路长度不超过100km的架空线路及不长的电缆线路，工作电压不高。
忽略线路电纳和电导。
②π形和T形等值电路
线路长度在100~300km之间的架空线路或长度不超过100km的电缆线路。
三，高压开关电器
隔离开关：
只起隔离电压的作用不需要开断电流的开关电器。
负荷开关：
用于开断和关合负载电流的开关电器。
断路器：
既能开断负载电流又能开断短路电流的开关电器。
电弧是一种等离子体。
⑴开关电弧的产生和熄灭
①电弧产生：
消游离方式：
扩散方式和复合方式
②电弧熄灭
交流电弧的特点：
电流每半个周期经过零值一次，在电流经过零值时，电弧会自动熄灭。
电弧熄灭后，虽然电源已不再向电弧间隙输入热能，但弧隙中仍存在游离粒子，不能立即恢复到完全绝缘的状态。
断口介质强度的恢复：
断口耐压能力随时间增长的过程。
断口电压恢复：
断口电压随时间变化的过程。
提高开关熄弧能力的主要方法：
加速断口介质强度的恢复速度并提高其数值。
提高开关熄弧能力的措施：
采用绝缘性能高的介质；
提高触头的分断速度或断口数目；
采用各种结构的灭弧装置来加强电弧的冷却。
⑵高压断路器
①组成部分：
开断部分，包括导电和出头系统及灭弧室；
操动和传动部分；
绝缘部分。
其核心是开断部分中的灭弧室。
②种类（按灭弧介质分）：
油断路器、压缩空气断路器、六氟化硫断路器、真空断路器、固体产气断路器。
③油断路器
灭弧原理：
（以自能式纵吹灭弧为例）
灭弧室分自能式和外能式。
吹弧方式分纵吹和横吹。
④六氟化硫断路器
六氟化硫气体有优良的绝缘性能和灭弧性能，断路器检修周期长，无火灾危险。
⑤真空断路器
真空电弧为金属蒸汽电弧。
真空断路器优点：
真空绝缘性能好，触头开距可以较小，能延长断路器的机械寿命；
真空灭弧能力强，开断时触头表面烧损轻微；
结构简单，维修工作量小，无火灾危险，无环境污染。
⑶高压负荷开关
⑷高压熔断器
熔断器判断短路电流大小的能力取决于熔件的热特性：
时间—电流特性和最小熔化电流。
⑸高压隔离开关
隔离开关作用：
使电力系统中运行的各种高压电器设备与电源间形成可靠的绝缘间隔，以便对退出运行的设备进行试验和检修。
四，高压互感器
互感器的任务：
把高电压和大电流按比例地变换成低电压和小电流；
把电力系统处于高电位的部分与处于低电位的测量仪表和继电保护部分分开，保证运行人员和设备的安全。
互感器分类：
电压互感器和电流互感器。
测量准确度是表征互感器性能的重要指标。
绝缘方式是决定高压互感器结构形式的主要因素。
⑴电压互感器
①电压互感器工作方式：
一次绕组跨接所测电压，负载侧并接在二次绕组上的仪表和几点器的电压线圈。
（因此其一次绕组的匝数远大于二次绕组）
②为提高测量精度，变比通常要大于其匝比。
③误差
一、二次侧电压关系：
误差来源：
励磁电流在一次绕组上的压降，负载电流在一次绕组和二次绕组上的压降
⑵电流互感器
①电流互感器的工作方式：
其一次绕组串接在线路中，负载侧是串联后接到二次线圈上的仪表和继电器的电流线圈。
（因此其一次绕组的匝数远小于二次绕组）
②为提高电流互感器测量精度，其变比要略大于匝比。
③电流互感器的特点：
二次侧必须短路；
电流互感器能在电流变化范围较大情况下保持所需的准确度。
④误差来源以及相应的减小误差的措施
⑤最大二次电流倍数
定义：
在额定负载阻抗下，电流互感器二次可能出现的最大电流和二次额定电流的比值。
减小铁芯的截面可以降低电流互感器的最大二次电流倍数。
⑥10%误差倍数
电流误差达到-10%时的一次电流和一次额定电流的比。
10%误差倍数随负载阻抗的增大而减小，随铁芯截面的增大而增大。
⑥注意
继电保护要求电流互感器具有较高的10%误差倍数，测量仪表要求电流互感器具有较低的最大二次电流倍数，因此电流互感器通常具有两个铁芯和两个二次绕组，一个专门为接测量仪表用，另一个专供继电保护用，一次绕组则是公用的。
第四章电力系统的接线方式
一，电力网的接线
二，发电厂、变电所主接线
电器主接线：
由发电厂或变电所的所有高压电气设备通过连接线组成的用来接受和分配电能的电路。
⑴对电气主接线的基本要求
可靠性、灵活性、经济性
⑵主接线的基本形式
三，中性点接地方式
大电流接地系统在发生单相接地短路时，接地相电源被短接，造成停电事故。
⑴中性点经消弧线圈接地
脱谐度：
消弧线圈的补偿方式：
过补偿和欠补偿。
在欠补偿情况下，当线路非全相运行时或中性点电压偶然升高，使消弧线圈饱和，导致电感变小，脱谐度趋近0，从而产生严重的中性点偏移。
因此消弧线圈一般采用过补偿的运行方式。
第五章电力系统稳态分析
一，电力系统的潮流计算
电力系统的潮流计算：
针对具体的电力网络，根据给定的负荷功率和电源母线电压，计算网络中各节点的电压和各支路中的功率及功率损耗。
⑴电力网的功率损耗
①电力线路功率损耗计算
变动损耗：
随电流变化而变化的功率损耗。
固定损耗：
与负荷无关的功率损耗
固定损耗（充电功率）：
②变压器功率损耗的计算
①双绕组变压器
阻抗支路中的变动损耗：
导纳支路中的固定损耗：
利用变压器的铭牌参数计算变压器的功率损耗：
②三绕组变压器
⑵电力网环节的功率平衡和电压平衡
①电压降落
电力网任意两点电压的矢量差
电压降落纵分量：
电压降落横分量：
（注意：
算式中的功率和电压应该使用同一端的数值）
②电压损耗
电力网中任意两点电压的代数差
计算式：
110kV及以下电压等级电网中可近似为：
③电压偏移
电力网中任意点的实际电压同该处网络的额定电压的数值差，工程中常用其百分数。
④潮流计算迭代法
应用假设的末端电压和已知的末端功率向首端推算，求出首端功率；
再用给定的首端电压和求得的首端功率逐段向末端推算，求出末端电压；
用已知的末端功率和计算得到的末端电压向首端推算；
以此类推，逐步逼近。
⑤电力网环节中功率的传输方向
电压降落的纵分量主要由无功功率影响，横分量主要由有功功率影响。
法拉第效应：
当线路空载运行时，负荷有功和无功均为零，只有末端电容功率通过线路的阻抗支路，此时有.末端电压将高于首端电压。
⑶开式网潮流计算
①区域网潮流计算
计算的简化：
变电所作为一个等值负荷（变电所运算负荷）：
低压母线负荷加上变压器总功率损耗，再加上高压母线上的负荷和与高压母线相连的所有线路电容功率的一半。
发电厂作为一个等值功率（发电厂的运算功率）：
发出的总功率减去厂用电及地方负荷，再减去升压变压器中的总功率损耗和与其高压母线相连的所有线路电容功率的一半。
②地方网潮流计算
计算简化：
忽略电力网等值电路中的导纳支路；
忽略阻抗中的功率损耗；
忽略电压降落的横分量；
用线路额定电压带起各点的实际电压计算电压损耗。
二，电力系统的频率与有功功率
⑴频率调整的必要性
①频率变化对生产实际的影响：
频率变化会引起异步电机转速变化，影响产品的质量和产量；
频率变化影响各种电子技术设备的精确性；
频率变化使计算机发生误计算和误打印；
频率变化不利于电力系统的正常运行，甚至会造成“频率崩溃”等。
②系统负荷可以视为由三种变化规律的变动负荷组成：
变化幅度小，周期短的负荷分量；
变化幅度较大，周期较长的负荷分量；
变化缓慢的持续变动的负荷分量。
调整的方法：
对于第一种变化负荷，通过发电机的调速器自动调整，为一次调频；
对于第二种变化负荷，需手动调整调频器调节，为二次调频；
对第三种变化负荷，需通过制定发电厂的发电量分配解决。
⑵电力系统的频率特性
①电力系统综合负荷有功-频率静态特性
描述电力系统负荷的有功功率随频率变化的关系曲线。
（在额定频率附近，该曲线近似为直线）
负荷调节效应系数：
标幺值为
负荷调节效应系数不能人为整定，其大小取决于系统各类负荷的比重和性质。
通常=1~3.
②发电机组有功-频率静态特性
描述发电机组输出的有功功率随频率变化的关系曲线。
发电机组单位调节功率：
发电机组功频静态特性系数：
发电机单位调节功率可以人为整定，但其调整范围受到机组调速机构的限制。
负荷变化时，除了已经满载运行的机组外，系统中的每台机组都要参与一次调频。
一次调频是有差的，频率回升后仍低于初始值。
二次调频是无差的，它由一个或数个发电厂来承担。
⑶电力系统频率调整
①一次调频
负荷功率增量：
电力系统单位调节功率：
②二次调频
即
③主调频厂的选择
调频厂分为：
主调频厂、辅助调频厂、非调频厂。
主调频厂：
具有足够的调节容量和范围；
具有较快的调节速度；
具有安全性和经济性。
注意：
枯水季节，选择水电厂为主调频厂；
丰水季节，选择装有中温中压机组的火电厂为主调频厂。
④事故调频的措施和步骤
投入旋转备用容量，迅速启动备用发电机组；
切除部分负荷；
选取合适地点，将系统解列运行；
分离厂用电，确保发电厂迅速恢复正常，与系统并列运行。
⑷有功功率平衡
发电机组有功输出=所有负荷有功之和+电力网有功损耗之和+发电厂厂用电有功之和。
即
⑸备用容量
负荷备用、检修备用、事故备用、国民经济备用。
按备用形式分：
热备用（旋转备用）、冷备用（停机备用）。
三，电力系统电压与无功功率
⑴电压调整必要性
电压降低导致电动机绕组电流增大，温度升高，绝缘老化加速，甚至烧毁电机。
电压降低会降低系统并列运行的稳定性，甚至导致供电中断或系统解列。
⑵电力系统电压特性
①综合负荷无功-电压静态特性
各种用电设备所消耗的无功功率随电压变化的关系
综合负荷无功-电压静态特性主要取决于异步电机的无功-电压静态特性。
电动机消耗的无功为
②发电机无功-电压静态特性
发电机向系统输出的无功功率随电压变化的关系
发电机所发无功功率
③电力系统中无功与电压的关系
造成电力系统电压下降的主要原因就是系统电源无功功率不足，因此要保证电力系统运行质量，必须使系统保持无功平衡。
⑶电力系统无功功率
①无功损耗
②无功电源
发电机、同步调相机、电力电容器、静止补偿器
③无功平衡
电力系统中无功电源之和=无功负荷之和+发电厂厂用无功负荷之和+电力网无功损耗之和+无功备用容量之和。
即
⑷电力系统中电压管理
①中枢点调压
电压中枢点：
对电力系统电压监视、控制和调整的母线。
②电压调整的措施
由上式可知，调压措施有：
改变发电机励磁电流，从而改变发电机机端电压；
改变升、降压变压器变比；
改变网络无功功率分布；
改变网路参数R、X。
⑸改变变压器分接头调压
①普通双绕组变压器分接头选择
降压变压器分接头选择：
升压变压器分接头选择：
分接头选择步骤：
首先分别计算最大负荷和最小负荷运行时，通过公式计算分接头电压，然后计算这两个结果的平均值，最后从变压器分接头中选择最接近该平均值的分接头电压。
②普通三绕组变压器分接头选择
步骤：
先按抵押母线对调压的要求，选择高压侧的分接头电压，再按中压侧所要求的电压和选定的高压侧分接头电压确定中压绕组的分接头电压。
⑹改变无功分布的调压
改变电力网无功分布的调压是采用无功补偿装置就近向负荷提供无功补偿。
补偿容量的计算式：
①电力电容器容量选择
最小负荷运行时，按无补偿情况选择变压器分接头，确定变比
最大负荷运行时，计算无功补偿容量
②同步调相机容量选择
调相机在最大负荷运行时可过激运行，按额定容量发出无功；
在最小负荷运行时可欠激运行，按额定容量的50%~65%吸收无功。
容量选择的步骤：
先计算最大负荷过激运行时调相机容量，其次计算最小负荷欠激运行时调相机容量，再联立求解变比，然后按所算变比确定分接头电压，最后计算调相机容量。
③无功补偿装置与电力网的连接
补偿的形式：
个别补偿、分散补偿、集中补偿。
⑺改变电力网参数调压（串联电容器）
所串联电容器容抗：
所串联电容补偿容量：
5.4电力系统经济运行
⑴电力网的能量损耗
①电力网的能量损耗率
②能量损耗的计算方法
最大负荷损耗时间法：
即，若线路输送功率一直保持为最大负荷功率，在τ小时内能量损耗等于线路全年实际电能损耗，则此τ为最大负荷损耗时间。
等值功率法：
其中,K、L均为形状系数。
。
③降低网损的措施
⑵火电厂有功负荷经济分配
耗量特性：
反映发电设备单位时间内能量输入和输出功率关系的曲线。
比耗量：
即输入与输出之比，
发电厂效率：
输出与输入之比，
耗量微增率：
耗量特性曲线上某点切线的斜率，
等微增率准则：
电力系统中各发电机组按相等的耗量微增率运行，能使得总的能源消耗最小，运行最经济。
第六章电力系统的对称故障分析
一，短路一般概念
短路：
相与相或相与地之间发生不正常通路的情况。
二标幺制
标幺值：
⑴基准值选择
首先选择基准功率和基准电压：
基准功率多选为100MVA、1000MVA或系统总容量或某发电厂机组容量之和；
基准电压为平均额定电压或额定电压。
其次根据所选基准功率和基准电压确定基准电流和基准阻抗。
⑵标幺值换算
①电抗器电抗标幺值换算
②发电机
变压器
③输电线路
④各级额定电压相应的平均电压
额定电压（kV）
3
6
10
35
110
220
330
500
平均电压（kV）
3.15
6.3
10.5
37
115
230
345
525
三恒定电势源供电系统的三相短路
三相短路时，短路电流的周期分量是三相对称的，非周期分量是三相不对称的，因而，非周期分量有最大初始值或零值的情况只可能在一相出现。
短路冲击电流：
短路电流最大可能的瞬时值。
其中，为冲击系数，当在发电机端部短路时，取1.9；
当在发电厂高压母线上短路时，取1.85；
在其他点短路时，取1.8.
短路电流有效值：
以任一时刻t为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值。
短路电流最大有效值：
（出现在短路后第一个周期）
母线残压：
三相金属性短路时，电源侧距故障点电抗为X的任意母线上的电压。
四有限容量电源的三相短路
⑴同步电机对称短路的暂态过程
①空载运行时
短路瞬间同步机的起始暂态电流，其中
②负载运行时
暂态电势为
暂态电流为
③次暂态电抗
次暂态电势
次暂态电流
④短路冲击电流
短路电流最大有效值
⑵异步电动机对称短路的暂态过程
短路瞬间的异步电动机可以用次暂态电势和次暂态电抗串联的模型
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