电力系统及变压器

第一部分电工基础理论第一单元交流电路第二节三相正弦交流电路一、三相交流电势的产生：•定子铁芯圆周的槽内有三个独立的绕组Ax、By和Cz，分别叫做A相绕组、B相绕组和C相绕组。•当转子沿顺时针方向旋转时，磁力线就依次切割A、B、C三相绕组的导线，在其中产生了感应电势。•由于三相绕组的匝数和形状是一样的，而且磁场对于它们是以同一速度旋转着，所以，在三相绕组中产生的电势频率和最大值彼此相同，但由于三个绕组在空间位置彼此差，则三相电势在相位上差120º（电角）。注：在三相绕组中把哪一个绕组当作A相绕组是无关紧要的，但把A相确定后，则产生比eA滞后120°的电势eB的那个绕组就是B相，产生比eB滞后的电势eC的那个绕组就是C相，不可混淆。发电厂的发电机的相序确定了以后就不再改变。高压方面采用黄、绿、红三种颜色分别表示A、B、C三相。定义：我们把频率相同，幅值相等，彼此相差120°电角的三相电势叫做对称的三相电势。二、三相绕组的连接方法三相电源的连接方法有两种，一个是星形（简记为Y）接法，另一个是三角形（简记为Δ）接法。Y形接法Δ形接法三、电源作星形连接：线电压和相电压的关系AABAABUUUUU330cos2BBCBBCUUUUU330cos2CCACCAUUUUU330cos2线电压在数值上等于相电压的倍，在相位上线电压分别超前其所对应的相电压30°。3负载作星形连接：线电压与相电压的关系流过端线的电流（叫线电流）也就是流过与其相接的对应相的电流（叫相电流）。所以，对于星形连接的负载，其线电流I和相电流Iφ是相等的，即I=Iφ。由于各相的阻抗相等，并且电源电压又是对称的，各相承受的电压彼此对称；流过的电流也彼此对称。平衡的三相负载，每相承受的电压是电源电压的，即Uφ=U/由于各相电流对称，即线电流对称，所以三个线电流的相量和（或复数和）等于零，即3/13/100CBAIIII四、电源作角形连接：线电压与相电压的关系结论：1、将电源的三相绕组的每一相末端与下一相首端依次连接，即X接b，Y接c，Z接a，构成一个闭合回路，再由三个连接点引出端线，这就是三角形接法。2、从图2-4（a）可看出：三个相等的直流电源接成三角形，将在闭合回路中有着值为3E的电势作用，造成电源短路，这当然是不允许的。但与直流电势不同，对称的三相电势，大小相等，在相位上彼此相差120º，因此它们在各个时刻的瞬时值的和以及相量和皆等于零。由此可知，对于生产对称电势的三相电源，其三相绕组是完全可以做三角形连接的。CCBAEEEE2)(3、三相绕组做三角形连接时，端线直接引出了相电压，所以线电压与相电压是相等的，即U=Uφ。4、电源的三相绕组做三角形连接时，如果一相（或两相）反接，则闭合回路中的总电势就不再等于零。从图2-4中可见，如果C相绕组接反，这时回路中的总电势等于两倍的负EC，即CCBAEEEE2)(由于电源的三相绕组的内阻抗很小，所以在回路中将产生很大的环流，将烧毁绕组。因此，在接线时，一定要注意接线顺序，切不可接错。负载作角形连接：线电流与相电流的关系结论：三相负载作三角形连接，是把三相负荷首尾相接，然后再把A、B、C三相电源火线与三个接点相接即可，见图2-8（a）。负载对称与否并不影响三相负载的工作。并不是任何负载都可接成三角形，这要看负载的额定电压是否与电源的线电压相符，相符者可接，否则不可接。例如，当电源电压是380V时，电机铭牌上标明“380/220V，Y/△”就不能接成三角形，对于额定电压为220V的电灯负载也同样不能接成三角形。只有电机铭牌标明为“380V，△”才可以。如果电源电压为220V，则只有“380/220V，Y/△”的电机才可以接成三角形。三相负载作三角形连接，使每相负载直接承受电源的线电压，即U=Uφ。在三角形连接的负载中，线电流等于和它相连的两个相电流的相量差。三相对称负载作三角形连接时，线电流有效值为相电流的倍。而相位较它对应的相电流滞后30°。五、三相电源功率1、一个电源发出的有功功率，或一个三相负载接受的有功功率，都等于它们各相有功功率之和，即CBAPPPP以三相负载为例，在已知各相电压，电流的有效值及功率因数的情况下，三相的有功功率为CCCBBBAAAIUIUIUPcoscoscos如果电源电压和各相负载都是对称的，则每相功率皆为cosIUP这时三相总的功率为一相有功功率的3倍，即cos33IUPP通常都用线电压、线电流来表达功率。三相对称负载如果是星接，则√3Uφ=U，Iφ=I；如果是角接，则√3Iφ=I，Uφ=U。由此可知，不论是星形连接，还是做三角形连接，其有功功率均为cos3cos33cos3UIIUIUP式中为φ每相的相电压和相电流间的相位差，COSφ是每相的功率因数。三相电路的无功功率等于每相无功功率之和CCCBBBAAABBAIUIUIUQQQQsinsinsin在各相负载对称的情况下，总无功功率为sin3sin3UIIUQ对称三相电路中的视在功率为UIUIUIQPS3)sin3()cos3(2222在三相电压对称和负载对称的情况下，三相瞬时功率之和可以证明是一个常数，其值等于有功功率，即就是说在对称三相正弦电路中，并且负载也对称的话，则每个瞬时的功率全一样，这是三相电路中的优点之一。因为旋转电机的转矩与功率有关，功率不变，则转矩不变，这样，旋转电机就不会因转矩变动而引起振动。PUIppppCBAcos3第四节电力系统重点内容：介绍电力系统的基本概念；联合电力系统运行的优越性；系统的额定电压；额定负荷；系统中性点接地运行方式。在电力工业发展的初期，发电厂都建设在用户附近，规模很小，而且是孤立运行的。发电厂必须建设在动力资源所在的地方，而蕴藏动力资源的地区与电能用户之间又往往隔有一定距离。一、电力系统的基本概念大城市、大工业中心等用电部门则由于原材料供应、产品协作配套、运输、销售等原因以及各种地理、历史条件的限制，往往与动力资源所在地相距较远要实现大容量、远距离输送电能，还必须建设升压变电所和架设高电压输电线路。1、电力网的类型电力系统中输送和分配电能的供电部分成为电力网。它包括升压、降压变压器和各种电压等级的输电线路。电力网按其供电范围的大小和电压等级的高低，可分为地方电力网、区域电力网及超高压远距离输电网络等三种类型。地方电力网是指电压不超过110kV、输电距离在几十公里以内的电力网，主要是一般城市、工矿区、农村的配电网络。区域电力网则把范围较广地区的发电厂联系在一起，而且输电线路较长、用户类型也较多。目前在我国，区域电力网主要是电压为110-220kV级的电力网。超高压远距离输电网络主要有电压为330-500kV及以上的远距离输电线路组成。它担负着将远区发电厂的功率送往用电负荷中心的任务，同时还联系几个区域电力网以形成省（区）与省（区）之间、国与国之间的互联电力网。2、联合电力系统的优越性变电所、输电线路是电网的组成部分，电网是电力系统的组成部分，两个或两个以上电力系统用电网连接起来，并联运行即可构成地区性电力系统。若干地区电力系统再用电网连接起来就组成联合电力系统。例如东北电力系统就是由辽宁省电力系统、吉林省电力系统、黑龙江电力系统，通过500kV东长哈大送电线及220kV跨省联网线路连接起来的联合电力系统。联合电力系统在技术上具有很大的优越性可以从五个方面加以说明：1、提高了供电可靠性。大电力系统发电机多，备用机组多，线路也多，容量比较大，因此个别线路发生故障不会影响系统供电，这样也就提高了供电的可靠性。2、能充分保证电能质量。电能质量指标有二项：其一是频率稳定，正负不超过0.2Hz；其二是电压波动小。在大电力系统中，系统容量大，个别负荷变动如高压电动机起停、某些线路故障接地，都不会造成系统电压波动或频率的变化，能充分保证电能质量。3、减少系统备用容量，提高设备利用率。在联合电网中，各个用户的最大负荷出现时间并不相同。这是由于大电力系统占有地域很大，存在时差和季差的关系，因此最大负荷将小于各个用户最大负荷的总和，所以可以减少备用机组、备用线路，并可提高设备利用率增加供电电量。4、便于安装大容量输电线路降低造价。大机组容量大，必须建设大容量线路。超高压线路送电容量大，单位千瓦造价低，线路可靠，相对线损小，可以大大提高经济效益。5、充分利用动力资源。在联合电力系统中，水电、火电并网运行，冬季多发火电，夏季丰水多发水电，水主火从，从而降低成本，提高运行的经济性。如吉林省东部水利资源丰富，夏季可多发水电。西部煤炭充足，冬季可多发火电，水电、火电在联合电力系统中取长补短，共同发挥作用。二、系统的额定电压由于线路中有电压降或称电压损耗存在，所以线路末端电压比首端要低。沿线各点电压也不相等。国家规定的电网额定电压为：500、220、110、63、35、10kV。三、系统负荷连接在电力系统上的一切用电设备所消耗的电能，称为电力系统的负荷。由电能转换成机械能、热能等是用电设备中真实消耗的功率，称之为有功负荷，单位为W。电动机为带动机械，需在其转子中产生磁场，变压器在线圈中产生磁场完成电磁能量的相互转换所消耗的功率称为无功负荷，单位为Var。为了满足有功负荷和无功负荷的需要，发电机既要发有功功率，又要发无功功率，发电机全部功率称为视在功率，单位为kVA，是发电机额定电压与额定电流的乘积。有功功率与无功功率的比值成为功率因数。系统负荷随时间不同而不断变化，一般一天中傍晚有功负荷最大，称高峰负荷，深夜负荷最小，称低谷负荷。四、系统中性点接地运行方式1、电力系统中性点是指线路首端电压所连接的变压器三相绕组接成星形时绕组的末端连接点。电力系统中性点接地方式大体可分为三种：（1）中性点直接与接地装置连接，称为中性点直接接地系统，入地电流大于500A，因此也叫大接地电流系统，见图4-2。（2）中性点不接地系统，见图b，即中性点与大地是绝缘的系统。（3）中性点经消弧线圈接地系统，与中性点不接地系统统称为中性点不直接接地系统，入地电流小，也叫小接地电流系统，见图c。电力系统采用哪种接地方式，这对电气设备及线路绝缘水平，杆塔空气间隙有很大的影响，如中性点直接接地系统的绝缘水平比中性点不直接接地系统要低得多，绝缘子片数可以减少，杆塔空气间隙也可减少，这对运行与检修是有很大影响的。中性点接地方式对邻近通信的影响也有很大影响，中性点直接接地系统电磁影响比中性点不接地系统要严重得多。中性点各种接地方式的应用范围。按照我国的技术经济政策，各种额定电压的电力系统其中性点接地方式一般是：1）110kV及以上电压的电力系统采用直接接地方式；2）63kV电压的电力系统采用经消弧线圈接地方式；3）35kV电压的电力系统采用不接地方式；2、中性点不接地系统凡接地电流不超过10A的35kV电力系统，采用不接地方式，见图4-3、图4-4。线路每相电容电流为均布的，用集中电容代表，相间电容忽略不计，正常运行时各相电压UA、UB、UC是对称的。对地所产生的电容电流IA、IB、IC数值是相等的。相角分别超前相电压90º，所以流经大地的总电流和为0。当一相接地故障时，参看图4-5及图4-6。故障相UA，电压为0。非故障相UB、UC上升为线电压，即AOUU3BCOCUU3线间电压不变，故B、C相对地电容电流CCII3接地总电流CBCOCIIII3当接地电流小于5A时，闪络后很难在闪络点形成稳定电压，所以电弧能自动熄灭，不致停电。即使发生永久故障，因线电压不变，不会影响用电设备运行，也不会停电，可以一面倒闸操作切除故障线路，一面巡线或带电检修，还是能保证连续供电的。因此在系统电压低、线路不长的35kV系统用此种方式较多。2、中性点经消弧线圈接地系统随着系统的扩大、电网额定电压的升高，中性点接地电流也增大了，