电力线路工（DOC133页）

电力线路工（6-07-06-04）职业定义：使用工具和操作机械设备，进行电气化牵引供电、电力维修、变（配）电所和接触网安装、调试、维护、保养作业的人员。第一章电路分析第一节电路的组成及作用电路是电工技术和电子技术的基础，是学习电子电路、电机电路和控制与测量电路的基础。电路是电流的通路，是将电气设备或元件以一定的方式连接起来，完成特定功能的组合体。显然，一个完整的电路都是由电源、负载(用电设备)、连接导线以及控制电器等四个基本部分组成。电路的结构形式依据所需完成的任务不同而不同。有的电路用于电能的传输和转换，有的电路用于信号的测量与处理，通过电路可以把施加的信号(称为激励)变换或“加工”成为其他所需要的输出(称为响应)。在本书的叙述中，涉及很多电力系统构成的电路，如自动闭塞线路(贯通线路)、灯动线路以及其他各种高、低压线路。但在实际的分析和运用中，我们更多是运用电路分析的理论知识，将实际设备或实际线路简化，以方便进行电路计算。一、电源电源的三种状态分别是：有载工作、开路、短路。1.有载工作接通电源与负载就使电源处于有载工作状态。根据电压和电流的实际方向，可确定某一元件是电源还是负载。若是电源，则U和I的实际方向相反，电流从“＋”端流出，发出功率。若是负载，则U和I的实际方向相同，电流从“＋”端流入，取用功率。也可由U和I的参考方向来确定电源或负载。若是电源，则U和I的参考方向选得一致时，P=UI明为负值；不一致时，P为正值。若是负载，则U和I的参考方向选得一致时，P=UI为正值；不一致时，P为负值。2.开路在电路中，当开关断开时，电源处于开路(空载)状态。开路时外电路的电阻对电源来说等于无穷大，因此电路中电流为零，这时电源的端电压(称为开路电压或空载电压0U)等于电源电动势，电源不能输出电能。电源开路时的特征可表示为0I0UUE0P3.短路当电源的两端由于某种原因直接连在一起时，则电源被短路。电源短路时，外电路的电阻可视为零，电流不再通过负载，因为在电流的回路中仅有很小的电源内阻0R，所以这时的电流很大，此电流称为短路电流SI。短路电流可能使电源遭受机械的与热的损伤或毁坏，短路时电源所产生的电能全被内阻所消耗。短路也可发生在负载端或线路的任意处。短路通常是一种严重事故，应尽力预防。但是，有时由于某种需要，可以将电路中的某一段短路(常称为短接)。电源短路时的特征可表示为020,0SEUOEIIRPPRIP由于短路后短路电流往往比正常负荷电流大很多倍，因此短路电流对电力系统将产生极大的危害。短路的后果主要表现为以下几点：(1)短路的电动力和热效应。短路电流将产生很大的电动力和很高的温度，可能造成电路及其中设备的损坏。(2)电压骤降。短路将造成系统电压骤降，越靠近短路点电压越低，这将严重影响电气设备的正常运行。(3)造成停电事故。短路时，电力系统的保护装置动作，使开关跳闸或熔断器熔断，从而造成停电事故。越靠近电源短路，引起停电的范围越大，造成的经济损失也越大。(4)影响系统稳定。严重的短路可使并列运行的发电机组失去同步，造成电力系统解列，破坏电力系统的稳定运行。(5)产生电磁干扰。单相接地短路电流，可对附近的通信线路、信号系统及电子设备等产生电磁干扰，使之无法正常运行，甚至引起误动作。二、负载负载是在特定的电路中利用或消耗电能的设备，同一设备在不同的电路中可能是电源也可能是负载。因此，分析电路时，要根据前述方法判断哪个电路元件是电源(或起电源的作用)，哪个是负载(或起负载的作用)。1.负载的额定值各种电气设备的电压、电流及功率等都有一个额定值，如一盏电灯的电压是220V、功率是100W，这就是它的额定值。额定值是设备的生产商为了保证产品在给定的工作条件下正常运行而规定的正常容许值。大多数电气设备的使用寿命与绝缘材料的耐热性及绝缘强度有关，如果电气设备使用时的电流超过额定值过大，那么电气设备将由于电流作用发热，绝缘材料将被损坏；而当该设备上所加的电压超过额定值过大时，绝缘材料也可能被击穿。同样，电气设备工作在小于额定值的条件下，不仅得不到正常合理的工作情况，而且也不能充分利用设备的能力。因此，对任何一种电气设备来说，保证其正常工作的首要条件是使之工作在额定值允许的范围内。电气设备或元件的额定值通常都标明在铭牌上或写在设备的说明书中，在使用时必须按其额定值设置工作条件。额定值一般包括：额定电压(NU)、额定电流(NI)、额定功率(NP)、额定容量(NS)。2.负载的实际值电气设备工作在其额定值范围内，并不代表它的实际值就是额定值。在实际工作中，电源输出的功率和电流取决于负载的大小，也就是说在一定电压下负载需要多少功率和电流，电源就提供多少，所以电源通常不一定处于额定工作状态，但要保证其不超过额定值。1)空载所谓空载，是指用电设备处于额定电压，但负载电流远远未达到额定电流的状态。变压器空载，指的就是变压器在额定电压下二次侧未接入负载时的状态；在实际运行中，由于电流互感器二次侧电流很小，所以人们常说它相当于空载运行的变压器。变压器的有功功率损耗包括铁损和铜损两部分。铁损的大小与铁芯内磁感应强度的最大值有关，与负载大小无关，而铜损则与负载大小有关(正比于电流平方)。变压器空载损耗基本上是铁芯中的功率损耗(铁损)，这是变压器空载试验时测得的功率损耗。短路损耗是变压器短路试验时测得的功率损耗，基本上是绕组中的功率损耗(铜损)。空载试验和短路试验是发现变压器缺陷，确定变压器运行参数的重要手段。变压器中的无功功率损耗包括两部分，一部分是与负荷电流的平方成正比变化的漏磁损耗(变动的无功损耗)；另一部分是与负荷电流无关的励磁损耗(固定的无功损耗)。变压器的功率损耗很小，所以效率很高，通常在95%以上。在一般电力变压器中，当负载为额定值的50%～75%时，其效率达到最大值。2)满载和过载当用电设备运行于额定功率状态时，即为满载；而超过额定功率状态运行，即为过载。过载是一种不正常的运行状态，过载时间太长，将引起电气设备的过热，继而造成事故。可能引起电气设备过热的不正常运行主要有短路、过载、接触不良、铁芯发热、散热不良等。运行中电气装置发生过载的原因一般有以下几种：(1)变压器的正常过负荷倍数和允许的持续时间是有一定限度的，经常超过这个限度就会形成过载。这种情况下应换用与实际负荷大小相适应的变压器。(2)油断路器和隔离开关的额定电流，往往在选择时高于实际负荷，在正常情况下不易过载，而过载多数是发生于系统中出现短路故障的时候。(3)导线的实际负荷若大于该导线的安全载流量时会形成过载。这种情况下，应更换有较大截面面积的导线。(4)电气装置的实际电压高于额定电压时也会出现过载。如电力电容器的端电压高于其额定值时，就会引起过负荷。此外，高次谐波对并联补偿的电容器也有严重影响，同样会造成过负荷。由于高次谐波的作用，还会引起绝缘击穿，甚至发生爆炸。【例1.1】某直流发电机，其铭牌上标有40kW、230V、174A。试问什么是发电机的空载运行、轻载运行、满载运行和过载运行？负载的大小一般指什么而言？解：(1)当发电机外接电路断开，发电机电源处于开路状态时为空载运行。(2)当发电机供给外电路的功率远低于40kW时，处于轻载运行。(3)发电机供给外电路的功率为40kW时，处于满载运行。(4)发电机供给外电路的功率超过40kW时，处于过载运行。(5)负载的大小一般指使用的功率。第二节直流电路的分析与计算一、电路模型实际电路都是由各种各样的实际电路元件所组成的，如发电机、电动机、变压器、晶体管及各种电阻器件和电容器、电感器等。为了便于对实际电路进行分析和数学描述，将实际元件理想化，即在一定条件下突出该元器件的主要电磁性质，忽略其次要因素，把它近似地看成理想元器件。由一些理想电路元件组成的电路，就是实际电路的电路模型。在电路分析中所说的电路都是指电路模型，简称电路。在电路图中，将各种电路元件用规定的图形符号表示，以便于人们记忆与理解。一个电源可以用两种不同的电路模型来表示，一种是用电压的形式来表示，称为电压源；一种是用电流的形式来表示，称为电流源。1.电压源任何一个电源，如发电机、电池或各种信号源，都含有电动势E和内阻R。在分析与计算电路时，往往把它们分开，组成由E和R串联的电源的电路模型，即为电压源，如图1-1所示。电压源有两个基本特性：其端电压SU是一定的，与流过它的电流的大小无关，也就是端电压SU不因与电压源相连接的电路不同而变化；电压源本身不能确定流过它的电流是多少，而是要取决于与电压源相连接的外电路。图1-1电压源电路当电压源的U＝0时，该电压源就相当于一根短路线，但在实际中不存在具有这种特性的电压源。同时电压源允许流过任意大小的电流，意味着它可以提供无限大的功率，这在实际中也是不可能的。当0R＝0时，电压U恒等于电动势E为一定值，而其中的电流，则由负载LR及电压U本身确定，这样的电源称为理想电压源或恒压源。虽然实际中不存在理想电压源，但如果一个电源的内阻远远小于负载电阻，即0RLR，则内阻压降0RIU，于是UE基本上恒定，可视为恒压源。通常用的稳压电源即视为恒压源。2.电流源与电压源相对的是电流源，即用电流来表示电源的电路模型，如图1-2所示。电流源有两个基本特性：其电流是一定的，与它两端的电压无关，不论与它相连接的外电路怎样不同，它总是对外电路提供同样的电流SI；电流源本身不能确定它两端的电压，而是取决于与它相连接的外电路。当电流源的电流SI=O时，则该电流源相当于开路。任何一个实际电源都不可能完全具有电流源的性质，电流源是一种理想化的模型，但在一定条件下，一些实际电源可近似地用电流源来作为模型。图1-2电流源电路理想电流源也是理想的电源。如果一个电源的内阻远远大于负载的电阻，即0RLR时，则SII基本上恒定，可视为恒流源。通常将晶体管近似地认为是一个理想电流源。3.电压源与电流源的等效变换在电路分析中，电源的两种电路模型——电压源和电流源对外电路来说具有等效关系，即对外电路而言，电压源和电流源相互间是等效的，可以等效变换；但对电源内部讲，它们是不等效的。电源的两种电路模型，实际上一种是电动势为E的理想电压源和内阻0R串联的电路，另一种是电流为SI的理想电流源和0R并联的电路，电压源和电流源的对照关系见表1-1。表1-1电压源和电流源的对照电源状态电压源电流源理想电压源理想电流源开路UER0ISE×I000×短路U00×0IE/R0IS×IS等效条件E=R0ISE/R0=IS不等效二、电路的分析方法由电工基础理论得知，分析和计算电路有很多方法，基本的方法有以下几种。1.欧姆定律流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。欧姆定律是分析电路的基本定律之一，它的表示方式为URIUIR2.基尔霍夫电压定律(KVL)在任一时刻，任一回路所有支路电压的代数和恒等于零(或在任一时刻，任一回路内各支路电压升的总和恒等于各支路电压降的总和)。KVL给闭合回路中各支路电压施加了约束，它是各支路电压所必须遵守的共同规律。基尔霍夫电压定律用公式表示为0U若一回路是由电源和电阻构成的，则可将公式改为()ERI基尔霍夫电压定律不仅可以应用于闭合回路，也可以推广应用于回路的部分电路。如图1-3所示电路，各支路的元件是任意的，根据基尔霍夫电压定律，可列出下式0ABABABABUUUUUUU图1-3基尔霍夫电压定律的应用推广3.基尔霍夫电流定律(KCL)在任一时刻，任一节点上的所有支路电流的代数和恒等于零(或在任一时刻，流入任一节点的电流总和恒等于流出该节点的电流总和)。KCL是电流连续性原理的体现。基尔霍夫电流定律用公式表示为0I基尔霍夫电流定律通常应用于节点，也可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面，也就是不管闭合面内有多少条支路，引到闭合面外的各支路的电流服从基尔霍夫电流定律。如图1-4所示闭合面包围的是一个三角形电路，它有三个节点，根据基尔霍夫电流定律可列出AABCABBCABCCABCIIIIIIIII