电气工程基础

电气工程基础

第一章 绪论

1 煤炭、石油、天然气、水能、核能、风能等由自然界提供的能源，称为一次能源；在我们 生活中广泛使用的电能则是由一次能源转换而成的，称为二次能源。

2 电力网：由各类升降压变电站、各种电压等级的输电线路所组成的整体。电力网的作用是 输送、控制和分配电能。

3 电力系统：由发电机、升降压变压器、各种电压等级的输电线路和广大用户的用电设备所 组成的统一整体

4 动力系统：由带动发电机转动的动力部分、发电机、升压变电站、输电线路、降压变电站 和负荷等环节构成的整体。 5.电力网的分类：

地方电力网：是指电压等级在 35～110kV，输电距离在 50km 以内的中压电力网。 区域电力网：是指电压等级在 110~220kV，输电距离在 50~300km 的电力网。 超高压电力网：是指电压等级在 330~750kV，输电距离在 300~1000km 的电力网。 6.变电站的分类 :

枢纽变电站：处于电力系统的中枢地位，它连接电力系统高压和中压的几个部分，汇集多个 电源，并具有多条联络线路。

中间变电站：是指将发电厂或枢纽变电站与负荷中心联系起来的变电站。一般汇集 2~3 个 电源，起系统交换功率或使长距离输电线路分段的作用。

终端变电站：处于电力网末端的变电站，一般是降压变电站，也称为末端变电站。 .7 电力网的电压等级及确定原则

确定原则：输送功率、输送距离、同系统中电压等级不宜过多或过少，级差不宜过大。 用电设备的额定电压和电网的额定电压相等。国家规定，用户处的电压偏移一般不得超过 ±5％。

发电机的额定电压比所连接线路的额定电压高 5％，用于补偿电网上的电压损失

变压器的额定电压，分一次绕组和二次绕组。一次绕组的额定电压：降压变压器一次绕组的 额定电压与用电设备的相同，等于电网的额定电压；升压变压器一次绕组的额定电压与发电 机的额定电压相同。二次绕组的额定电压：升、降压变压器二次绕组的额定电压一般比同级 电网的额定电压高 10％；当变压器二次侧输电距离较短，或变压器阻抗较小（小于 7％） 时，二次绕组的额定电压可只比同级电网的额定电压高 5％

8 电力系统的特点：①电能不能大量储存；②过渡过程十分短暂；③电能生产与国民经济各 部门和人民生活有着极为密切的关系；④电力系统的地区性特点较强。 9 电能质量指标: 频率\\电压\\波形

指标要求：我国规定的额定频率值为 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 及以上的线路额定电压允许偏差±5%；10kV 线路额定电压 允许偏差±7％。 10kV 以上波形畸变率不大于 4％；380V／220V 线路波形畸变率不大于 5％。

第二章 电力系统的负荷

1. 电力系统负荷分类：综合负荷：电力系统用户用电设备所消耗电功率的总和。供电负荷： 综合负荷和电力网功率损耗之和。发电负荷：供电负荷与厂用电之和。 2．负荷曲线：描述某一段时间内用电负荷大小随时间变化规律的曲线。

日负荷曲线的定义:描述一天 24 小时内负荷随时间变化规律的曲线。在图上可以看出：日最 大负荷、日最小负荷、峰荷、腰荷和基荷。

年负荷曲线：描述一年内每月（或每日）最大有功负荷随时间变化情况的曲线。 峰谷差：日最大负荷 Pmax 和日最小负荷 Pmin 的差值。 日用电量 Ad：日有功负荷曲线所围成的面积 日平均负荷 Pav：

最小负荷系数 a: 两者之间的关系：km、a 值愈小，表明负荷波动愈大，发负荷率 km： 电机的利用率愈差。km 和 a 愈大，负荷特性愈好。采用“削峰填谷”等措施，尽量使得 km、a 趋近于 1。

最大负荷利用时间：若系统始终以最大负荷 运行，经过一段时间后其围成的面积恰好等于 曲线所围成的面积，即等于全年的电能消耗量时，则称这一段时间为最大负荷利用时间。 3.负荷特性：反映负荷功率随系统运行参数(电压 U 或频率 f ）的变化而变化规律的曲线或 数学表达式。分静态特性和动态特性两种。

实测系统特性（先调频再调压） 当系统由于有功不足和无功不足因而频率和电压都偏低时，： 应该首先解决有功功率平衡的问题，因为当系统频率增高时，发电机电势将要增高，系统的 无功需求略有减少，频率的提高能减少无功功率的缺额，这对于调整电压是有利的。如果首 先去提高电压，就会扩大有功的缺额，导致频率更加下降，因而无助于改善系统运行条件 4.电力系统中的谐波：由于负荷的非线性使电压和电流波形产生畸变，出现各种谐波分量。 谐波含量分为电压和电流两种（针对正弦波）。其中

谐波电压含量（有效值） 谐波电流含量（有效值） 且只与所含各次谐波的有效值有 关，与它们的相位无关。

谐波总畸变率：谐波含量与基波分量的比值的百分数，用 THD 表示。 电压总畸变率电流总畸变率

谐波含有率：某次谐波的有效值与基波有效值的比值，记为 HR。第 n 次谐波的电压含有率 为。

谐波源：含电弧和铁磁非线性设备的谐波源；整流和换流子器件所形成的谐波源。

谐波抑制方法： 降低谐波源的谐波含量（增加整流器的脉动数、脉宽调制法、三相整流变 压器采用 Y／Δ 或 Δ／Y 的接线）、在谐波源处吸收谐波电流（无源滤波器、有源滤波器、 防止并联电容器组对谐波的放大、加装静止无功补偿装置）、改善供电环境（选择合理的供 电电压并尽可能保持三相电压平衡、谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电、 对谐波源负荷由专门的线路供电）。

第三章 电力系统主设备元件

1.电流互感器最大二次电流倍数：在额定负载阻抗下，电流互感器二次可能出现的最大电流 和二次额定电流的壁纸，称为最大二次电流倍数。最大二次电流倍数将随铁心界面增加而增 加，当电流互感器的二次侧皆有测量仪表时，为保护测量仪表的安全，往往需要对二次可能 出现的最大电流加以限制。减小铁心的截面积降低电流互感器的最大二次电流倍数是限制二

次侧可能出现的最大电流的常用办法。

2.10%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值。10%误差倍数随 负载阻抗的增大而减小。

3.电压互感器与电力变压器的差别。电流互感器与电压互感器的差别。

电压互感器工作时二次侧接近开路，所以电压互感器实质上为一个容量极小的降压变压器， 其一次侧绕组远大于二次侧绕组的匝数。电压互感器与电力变压器的主要差别是设计和使用 都要以能达到一定精度为前提。在磁路方面电压互感器采用优质的冷轧硅钢片，设计时磁通 密度要取得低一些；在使用方面，电压互感器所接负载应根据所欲测量精度来决定，不能用 到最大允许的容量。当有检测单项姐弟故障的需要时，电压互感器需设第三绕组来获取零序 电压。

电流互感器工作时其绕组是串接在线路中的，互感器的组在则是串联后接到二次线圈上的仪 表和继电器的电流线圈，阻抗很小，所以电流互感器在工作时接近短路状态。运行中电流互 感器的二次绕组必须通过仪表接成闭合回路或自行短路。电流互感器工作的另一个特点是： 要在很大的范围内保持测量的精度。

4.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，他们对互感器的铁心所提的要求截然不同，二者很难统一，因此电流互 感器通常设有两个铁心和两个二次绕组。

5.电流互感器的误差直接来源于励磁电流 I0。减小误差可以： 1）增大磁路面积，减小磁路长度，缩小气隙

2）增加一次或二次侧绕组的匝数：对电流比相同的互感器，匝数越多准确度越高；对于一 次匝数固定的互感器，变比越大的准确度越高 3）降低二次绕组的电阻 R2 和 X2 可降低 I0

6.励磁电流将随负载阻抗的增加而增加因此负载阻抗增加胡茬增大。误差还与功率因数有 关。因此在规定电流互感器的准确度是必须同时给定其负载阻抗及功率因数。

第四章 电力系统的接线方式

1.用户只能从单方向的一条线路获得电源的电力网成为无备用接线方式的电力网，也成为开 式电力网，简称开式网。

2.用户能从两个或以上方向获得电源的电力网成为闭式电力网，简称为闭式网。 3.闭式网中串接有变压器时，就构成了多级电压网，称为为电磁环网。 4.电力网按其职能可分为输电网和配电网。

5.‘N‐1’法则：系统失去任一元件后，对系统的影响能控制在规定的范围内。

6.发电厂或变电所的电气主接线是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，又称为电器一次接线图或电气主系统。

7.主接线中的断路器和隔离开关正确配置的原则：每回路配置一台断路器 QF；断路器两侧 应配置隔离开关。但在发电机侧不用配置隔离开关。 8. 电气主接线的基本要求：

可靠性：是电力生产的首要任务。

灵活性：主接线应能适应于各种工作情况和运行方式，能根据运行情况方便地退出和投入电 气设备。

经济性：经济合理性。

主接线的基本形式分为有汇流母线和无汇流母线。倒闸操作的原则“先通后断”。 9．倒闸操作的五防：防止带负荷合隔离开关；防止误粉盒断路器；防止带地线合隔离开关 和带电合接地刀闸；防止带地线合断路器；防止误入带电间隔。

10.桥型接线中：内桥接线适用于线路较长、主变不易经常切除的情况；外桥接线适用于线 路较短、主变压器须经常切除、且有穿越功率的情况。

11.电力系统的中性点：指接成星形的三相变压器绕组或者发电机绕组的公共点。分为两类： 大电流接地系统（直接接地系统）和小电流接地系统（非直接接地系统）。在小电流接地系 统中发生单相接地短路故障时，不会出现电源被短接的现象，因此系统可以带接地故障继续 运行（一般允许 2 个小时），待做好停电准备后再停电排除故障。但是此时非故障相电压升 为线电压，会破坏绝缘。因此，在 110KV 以上的电力系统采用中性点接地运行方式；60KV 以下的电力系统采用中性点不接地或者接消弧线圈接地的运行方式。

12.消弧线圈采用过补偿方式：采取消弧线圈接地可以使单相接地电流大为减小， 时为完全 调谐，接地电弧就会自动熄灭，但是电网中性点可能出现谐振出现很高的电位。 为调谐度， 在欠补偿下（L 大，电感电流小于电容电流），当线路出现非全相运行时，中性点电压升高 使消弧线圈饱和而致 L 自动减小，从而出现严重的中性点移位。消弧线圈一般采取过补偿运 行方式。

第五章 电力系统稳态分析

1.电力系统潮流计算的任务就是针对具体的电力网络结构，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。

2.潮流计算作用：电力网规划设计；电力系统运行（稳态、短路、稳定等）；继电保护、自 动装置整定计算。

3.电力网的功率损耗：电力网由线路和变压器组成，因此，电力网的功率损耗也由线路的功 率损耗和变压器的功率损耗所构成。 4.电压损耗

电力网中任意两点电压的代数差。

5.110kV 以上电力网电压损耗电压损耗的计算公式：

6.110kV 及以下电压等级的电力网，可忽略电压降落横分量，而将电压损耗的计算公式简化 为电压降落的纵分量，若已知线路首端功率和电压，则

7.电压偏移：电力网中任意点的实际电压 U 同该处网络额定电压 UN 的数值差称为电压偏移。 8.电压偏移的大小，直接反映了供电电压的质量 。 9.电力网环节中的功率传输方向：

10.在高压电力网中 ，一般 X>> R，令 R=0，便有 ，电压降落的纵分量 ——无功功率， 电压降落的横分量 ——有功功率。

11.由于 相位差主要由通过电力网环节的有功功率决定，而与无功功率几乎无关。Sinδ>0 时，P2 为正，有功功率从电压相位超前端向电压相位滞后端输送。

12.由于 ，电压的数值差主要由通过电力网环节的无功功率决定，而与有功功率几乎无关 。 U1>U2 时，Q2 为正，感性无功功率是从电压高的一端向电压低的一端输送；同理，容性 无功功率是从电压低的一端向电压高的一端输送。

13.负荷频率特性：描述电力系统综合负荷有功功率随频率变化的关系曲线。 14.负荷频率调节效应系数 kLD

P—有功负荷变化量， f —频率变化量 kLD —负荷调节效应系数

负荷调节效应系数的标幺值 注意：

1 其值与系统各类负荷的比重和性质有关，一般取值 1~3； 2 不能人为整定 发电机组功频特性：描述发电机组输出的有功功率与频率之间关系的曲线。 发电机组输出有功功率的大小随频率变化的关系斜率来确定

kG 的标幺值为

PG—发电机输出有功功率变化量，MW f —频率变化量 ，HzkG —发电机组的单位

调节功率， MW/Hz 15.一次调频的概念及特点

一次调频：依靠发电机组调速器自动调节发电机组有功功率的输出来调整调率的过程。 一次调频的特点：

①只能实现有差调频； ②系统中的所有机组都参与。

16.二次调频的概念及特点

二次调频：手动或电动发电机组的同步器来调节其有功功率输出的过程。由于所有发电 机组的调速系统均为有差调节特性，因而一次调频只能改善系统的频率。当一次调频不能将 频率调整到允许偏移范围时， 二次调频的特点：

1、以实现频率的无差调节。效果就是平行移动功频静态特性. 2、在一次调频的基础上，由一个或数个发电厂来承担。

17.无功电源 ：电力系统的主要无功电源：发电机、同步调相机、电力电容器、无功功率静 止补偿器

18.电压中枢点：对电力系统电压进行监视、控制和调整的母线。

电压中枢点的选择①区域性发电厂和枢纽变电所高压母线； ②枢纽变电所的二次母 线； ③有一定地方负荷的发电机电压母线； ④城市直降变电所的二次母线。 19.中枢点电压的调整方式：

顺调压：最大负荷运行方式时，中枢点的电压不应低于线路额定电压的 102.5%；最小 负荷运行方式时，中枢点的电压不应高于线路额定电压的 107.5%。

逆调压：最大负荷运行方式时，中枢点的电压要比线路额定电压高 5% ；最小负荷运 行方式时，中枢点的电压要等于线路额定电压。

恒调压：最大和最小负荷方式时保持中枢点电压为线路额定电压的 1.02～1.05 倍。 20.电压调整的措施。

忽略线路充电功率、变压器的励磁功率和网络功率损耗，则负荷端的电压 U 为 电压调整措施：

①改变发电机的励磁电流调压； ②改变变压器的变比调压； ③改变网络的无功功率分布调压； ④改变网络的参数调压。

21.电力系统经济运行的基本任务：在保证整个系统安全可靠和电能质量符合标准的前提下， 尽可能提高电能生产和输送的效率，降低供电的燃料消耗或供电成本。 22.电力网的能量损耗率：

供电量：在给定的时间内，系统中所有发电厂的总发电量同厂用电量之差。 电力网的损耗电量：所有送电、变电和配电环节所损耗的电量。 能量损耗的计算方法：

23.最大负荷损耗时间 τ：如果线路中输送的功率一直保持为最大负荷功率 Smax，在 τ 小时 内的能量损耗恰好等于线路全年的实际电能损耗，则 T 为最大负荷损耗时间

24.降低网损的常用技术措施：⑴提高功率因数，减少网络中无功功率的传送；⑵合理组织 或调整电力网的运行方式。

25.等微增率准则 ：电力系统中的各发电机组按相等的耗量微增率运行，从而使得总的能源 损耗最小，运行最经济。

27.电力系统的无功功率损耗主要包括变压器的无功功率损耗和线路的无功功率损耗

28.对于电压为 220KV，长度小于 100Km 的呈感性，300Km 左右的呈阻性，大于 300Km 的呈 容性。

29.高压电力网的首末端电压间存在相位差是传送有功功率的条件。有功功率从电压超前端 向电压之后端传送。

高压电力网的首末端电压间存在数值差是传送无功率的条件，感性无功从电压高的一端向电 压低的一端输送，容性无功从电压低的一端向电压高的一端输送。

30.空载线路只有末端电容功率 Qc2 通过线路阻抗之路，故末端电压大于首段电压。 31.电力系统的无功电源及优缺点

1）发电机 优点：无需增加额外的投资

缺点：输出的无功受到运行条件的限制，远离负荷中心的发电厂若传输大量无功 功率，会引起网络较大的有功和无功损耗，并增加网络的电压损耗。

2）同步调相机 优点：合理调节励磁电流的大小，就可以平滑无级地改变无功功率的大小和 方向达到调压的目的。

缺点：运行维护复杂，有功损耗大，单位容量投资大

3）电力电容器 优点：运行维护方便，有功损耗小，单位容量投资小，且与总容量的大小几 乎无关。

缺点：无功功率调节性能差，无功功率的改变时靠投入或切除店里电容器组来实现，调 压不是平滑无级的，而是阶跃式的

第六章 电力系统的对称故障分析

1.短路就是指相与相或相与地(对于中性点接地的系统）之间发生不正常通路的情况。 2.标幺制：采用物理量的标幺值进行分析计算的体制。

标幺值的特点：① 能简化计算公式和计算过程，便于判断设备的性能② 具有相对性。 当给出某个量的标幺值时，必须同时给出它的基准值，否则，这个量的标幺值是无意义的。 ③只要选择合适的基准值，总可使得某物理量的标幺值为 1。④没有量纲，物理意义没有有 名值明确。

3.实际采用近似算法计算电力系统各元件的参数标幺值： 4.发电机

变压器

输电线路

为各元件所在处的平均额定电压，与各额定电压相应的平均电压规定为:

(KV) (KV)

3 3.15

6 6.3

10 10.5

35 37

110 115

220 230

330 345

500 525

5.恒定电势源：不论电力系统中发生什幺扰动，电源的电压幅值和频率均保持恒定的电源。 6.短路冲击电流 im：短路电流最大可能的瞬时值。短路电流的最大值约在短路后的 T/2 时刻 出现。

8.电力系统实用计算中 kim 的取值：在发电机端部发生短路时， kim=1.9；在发电厂高压侧 母线上发生短路， kim=1.85；在其他地点短路时，kim=1.8。

9.表征暂态短路过程的几个衡量指标：短路冲击电流、短路电流的有效值、母线残压。 10.转移电抗 Xif 的物理意义：若仅在 i 支路中加电势 Ei，其他电势均为 0 时，则 Ei 与在 f 支路中产生的电流比值即为转移电抗。

12.输入电抗 Xff 的物理意义：在所有电源电势相等时，短路点 f，对其它所有电源节点的 转移电抗的并联值。

13.计算电抗 Xjs 的定义：发电机的纵轴次暂态电抗和归算到发电机额定容量的外接电抗的 标幺值之和。

14.将多个电源合并为一个等值电源

前提：假定在短路暂态过程中系统所有的发电机都具有完全相同的变化规律。 ①发电机支路始端的电位都相同；

②等值电源的容量等于提供短路电流的所有电源的额定容量之和； ③将 X∑归算为以等值电源容量和平均额定电压为基准值的计算电抗 Xjs 将多个电源合并为若干个不同的等值电源合并原则：

（1）距短路点电气距离相差很大的电源，即使是同类型电源不能合并 （2）直接接于短路点的发电机（或发电厂）应单独处理 （3）无限大容量电源不能合并，必须单独计算。

第七章 电力系统元件的序阻抗和等值网络

1.对称分量的原理

一组三相不对称的电压＝正序电压+负序电压+零序电压 2.电力系统各序网络的制订：

基本方法 ：

①在故障点与地间加上序电压；

②从故障点开始，逐步查明各序电流流通的路径； ③将某一序电流能流通的元件以其序参数加入该序网络中。

3.正序网络的制订：正序网络就是第 6 章中计算三相短路时的网络； 障点的电压不为零而 为正序电压；中性点接地阻抗、空载线路（不计导纳）以及空载变压器（不计激磁电流）中 不会有正序电流通过，所以这些元件在正序网络中是不出现的 。

4.负序网络的制定：组成负序网络的元件与组成正序网络的元件完全相同；负序网络中发电 机的电势为零；各元件的负序电抗值，除发电机等旋转元件外，其他均与正序网络的相同。 5.零序网络的制订：组成零序网络的元件和组成正序、负序网络的元件是不同的；制订零序 网络时首先要查明，在故障点加零序电压后，零序电流可能通过的路径；将零序电流能通过 的元件以其相应的零序电抗代替，即可组成零序网络。 6.正序等效定则

简单不对称短路时，短路点正序电流分量的大小与在短路点每一相中串接一附加电抗， 并在其后面发生三相短路时的电流相等。

第八章 电力系统不对称故障分析

1.正序电压将随着与短路点的距离的增加而升高，而负序电压和灵虚电压则随着与短路点的 距离的增加而降低。正序电压在电源处最高，随着与短路点的接近而逐渐降低，在短路点处 降到最低值。负序电压和灵虚电压则在短路点处最高，随着与短路点距离的增加而降低，灵 虚电压在变压器的 D 出线处降到零值，而负序电压在电源处降到零值。 2.电流和电压个序分量经变压器后的相位变换。

1）电压和电流的各序分量经过 Y,y0 连接的变压器时不会发生相位的移动。

2）对于 Y，d11 接法的变压器来说，其三角侧外的电路中不含零序分量。若在 Y 侧加正序电 压，则其三角侧的线电压与 Y 侧的相电压同相位，此时三角侧的相电压将超前 Y 侧的相电压 300，当在 Y 侧施加负序电压时，则三角形侧的相电压将滞后 Y 侧的相电压 300.

第九章 电力系统稳定的基本概念

1.按物理性质分，电力系统的稳定问题可分为功角稳定和电压稳定。功角稳定主要与有功功 率平衡有关，其主要标志的是同步发电机组之间的同步运行状态是否被破坏。电压稳定主要 与无功功率的平衡相关，其主要表现为系统的局部或全局是否发生电压的持续上升或下降。 2.静态稳定

在小扰动作用下，系统运行状态将有小变化而偏离原来的运行状态，如干扰不消失，系统能 在偏离原来平衡点很小处建立新的平衡点，或当扰动消失后，系统能回到原有的平衡点，则 称电力系统是静态稳定的。 3.暂态稳定

电力系统的暂态稳定是指电力系统能正常工作的情况下，受到一个较大的扰动后，能从原来 的运行状态过渡到新的运行状态，并能在新的运行状态下稳定地工作。

4.档加速面积 Sabc 小于可能的减速面积 Sced 时，系统才能保持暂态稳定。成为面积定则。

5.发电机的电势越高，发电机之间的转移电抗越小，则功率特性的幅值越高，静态稳定性也 就越好。而要提高暂态稳定，则应从减小暂态过程中发生在电机轴上的不平衡转矩，以及不 平衡转矩作用的时间着手。