变电值班员培训课件一.ppt

福泉供电局 变电站值班员 初 中 级技能培训 二 一 年三月十八日 第一节 电路一 电路基本定律1 电路的几个名词 1 支路 通过同一电流的分支 右图中有三条 各自通过I3 I4 I5 2 节点 三条或三条以上的支路的连接点称节点 右图有两个节点b e 3 回路 电路中的一个闭合路径 称回路 有三个abcdefa abefa bcdeb 4 网孔没有被支路穿过的闭合回路有两个 abefa bcdeb 2 欧姆定律1 部分电路欧姆定律 a 流经电阻的电流与加在电阻两端的电压成正比 I U R2 全电路欧姆定律 b 在闭合电路中 电流与电动势E成正比与负载及电源内阻之和成反比 电动势的方向由负指向正 而电压的方向规定为由正指向负 I E R R0 E IR0 IR IR E IR0 U 故负载端压U E IR0 上式 得知 外负荷R下降 电流I上升 由 式IR0上升 式中 电源端压 即负载端压 U下降 电灯更不亮 电源质量越好 内阻R0越小 3 基尔霍夫定律 节点电流定律 1 基尔霍夫第一定律 KCL 对电路任一节点 流入节点的电流之和等于流出该节点的电流之和 本公式经常使用 I入 I出或 I 02 基尔霍夫第二定律 KVL 对电路中的任一回路 沿任一方向绕行一周 各电源电动势的代数和等于各电阻上电压降的代数和 E IR或 E U在图1 2b中 电路有源 二 电路的连接1 串联电阻电路 首尾无分支特点 1 串联各电阻上的电流相等 2 串联各电阻上的电压降之和等于总电压降 分压3 串联电路的总电阻等于各电阻之和 这总电阻称为等效电阻 R R1 R2 4 分压计算 I I1 I2 U1 R1 U2 R2U1 U1 U2 R1 R1 R2 U1 U R1 R1 R2 所以U1 U R1 R1 R2 上为合比定律 计算常用 说明分压数为总电压U的R R 百分比 引伸 电容元件的串联 电容C1 C2串联 总电容1 C 1 C1 1 C2电感元件的串联 电感L1 L2串联 总电感L L1 L2 2 电阻并联 几个电阻头与头接在一起 尾与尾接在一起的连接方式称并联 特点 1 各并联电路的电阻电压相等 2 在并联电路中总电流等于各支路电流之和 分流3 并联电路的总电阻的倒数为各支路各电阻的倒数和 I I1 I2 I3 U 1 R1 1 R2 U R所以1 R 1 R1 1 R2 1 R3 常用公式 两个并联电阻的等效电阻R R1R2 R1 R2 比R1 R2之中最小的一个还要小 R1 R2并联用R1 R2符号表示 引伸 电容元件的并联 电容C1 C2并联 总电容C C1 C2电感元件的串联 电感L1 L2并联 总电感1 L 1 L1 1 L2 4 分流公式 U R1I1 R2I2 R1 R2 I2 I1电流与电阻成反比 电阻 力 越大 分流越小 合比定律 R1 R1 R2 I2 I1 I2 R1 R1 R2 I2 I或R2 R1 R2 I1 I故I1 I R2 R1 R2 及I2 I R1 R1 R2 特别指出 在用电作业中 每增加一个用电设备 如增加电灯数加一台电视机 电炉 电动机等 它们各自有一个自己的等效电阻 它们连接在电源线上 实际上是不断增加一个并联电阻 此时 总的等效电阻变得比原来更小了 在原电路上所通过的电流更大了 这叫做加大负荷 负载上的电流 例1 3 在图1 4中 若R1 20欧姆 R2 40欧姆 若U 100V 求电路的总电阻R 及I1 I2及I 3 电阻的混联 既有串联也有并联的电路称为混联电路计算方法1 运用串 并联等效方法 逐步简化电路 2 运用欧姆定律求总电流 3 按KCL及KVL 欧姆定律 分压 分流原理求各支路I U三 电功 电功率1 电功 在电场中 正电荷受电场力作用而移动 在负载上所做的电功 又叫电能 即 W IUt I2Rt U2t R 焦耳 I 电流 U 电压 R 电阻 t 电流流经负载的时间 秒 电功的单位 它是功 在力学中功 力乘距离 没有时间t 功的单位叫焦耳 2 电功率 单位时间内电场力所做的功 P W t IUt t IU I2R U2 R瓦 千瓦 1kW 1000W1MW 1000kW 第十七页第二节电磁和电磁感应一 磁铁和磁场1 磁体的基本性质 1 能吸引铁 钢 钴 镍 铬称铁磁性物质 不能吸铜 铅 铝 2 南北两磁极同时存在不可分割 3 同性相斥异性相吸 4 能磁化在磁场附近的铁磁性物质 该物质离开后尚有剩磁 2 磁场和磁力线 1 磁场是一种特殊物质 2 用磁力线来描述磁场性质 形象易懂 1 磁力线向外由N极出发 经外空间进入S极 内部由S N 闭合不断 且不相交 2 磁力线上任一点的受力方向为磁力线的切线方向 就是磁针所示方向 第十八页3 载流导体所产生的磁场 右手定则 1 所产生的磁场方向如图1 7 2 螺线受的磁场方向如图1 8 P21 二 电磁力1 载流导体在磁场中所受的作用力 用左手定则 如右图1 10所受磁力F BILsin B 磁感应强度I 电流L 导线长 电流方向与磁力线方向间夹角 2 平引载流导体之间的相互作用力 如右下图1 11中 左图同向相吸右图反向相斥三 电磁感应 1 电磁感应现象 导体切割磁力线或线圈平面内的磁力线数变化时都要产生感生电流 使其产生电流的电动势称感生电动势 电流称感生电流 P22 2 切割磁力线所产生的感生电动势 P12 图1 12电流方向 用右手定则 四手指方向电动势e BLVsin B 磁场强度L 磁场内的有效长 运动部分 v 导体运动速度 导体运动方向与磁力线间的夹角 第三节单相交流电路一 交流电的物理量1 瞬时值 交流电的每一瞬间的变化值用小写来表示电动势e 电压u 电流i 2 最大值 如1 14c图中振幅最大值是瞬时值中最大者Em Um Im表示 正弦交流电的概念 凡电压 电流 电动势等电量均按时间做正弦变化 统称为正弦交流电 第二十五页3 有效值 交流电与直流电分别通过相同的电阻时 在一周期内使其发热量相等 实际时就要调整其中之一的大小 一般调直流电流 则这个直流电流的值就叫做交流 电流的有效值用E U I表示 4 有效值是机电产品铭牌上及测量仪表的读数 5 有效值与最大值的关系 E 1 Em或Em E 1 414EU 1 UmUm UI 1 ImIm I6 周期 交流电交换一次所需要的时间用T表示 7 频率 1秒钟之内交变的次数用f表示 f 1 T或T 1 f互为导数电流我的交流电的频率f 50HzT 1 50 0 02秒8 角频率 单位时间内转过的中心角 中心角的任意数 t 为转过 角所需时间故角速度 t这就是角频率 t t在交流电的表达式就是如此引进的 P26 设T时间转过中心角360度 2 弧度 所以角速度 3600 T 2 T 2 f9 相位1 初相 在均强磁场中 线圈未转动时 t 0 线圈平面与中性面 磁力线方向的平面间的夹角 在图1 14b图中 0 在图1 15中 2 相位角 线圈匀速转动到某一时刻时线圈平面与中性面的夹角 称相位角 如图1 15a t P27 3 相位差两个同频率的正弦量相位之差为 1 t 1和 2 t 2它们的相位差 1 2 t 1 t 2 1 24 只有同频率才能说到相位之差 如i1 Imsin t i 和i2 Imsin t 2 两式中 相同 可以相加 减 1 1 2 0称i1超前i2或i2滞后i1 2 1 2 0称i1滞后i2或i2超前i1 3 1 2 0i1 i2同相 4 1 2 1800i1 i2反相三 交流电表示1 正弦函数式又称瞬时式解析式 写它们的三个条件是 已知最大值 角频率 初相位e Emsin t e u Umsin t u i Imsin t I 2 曲线法 如图1 14 特别是有多条曲线时更直观 P28 3 向量法 用一个带箭头的线段表示正弦量 长短表正弦量的有效值 大小称模 箭头方向与正实轴间的夹角表正弦量的初相 如图1 15b P29 四 纯电阻电路1 纯电阻 灯泡 电炉 变阻器作为负载可以看成为纯电阻元件 2 电压与电流的关系特点 施加正弦交流电压时 电路中通过正弦交流电流 他们的频率相同 相位也相同电阻上的电流 i u R Umsin t u R Imsin t i 电流的有效值 I U R所以U Um 波形图 相量图见图1 16b c 第三十页3 电路的功率1 瞬时功率 p ui不便计量 如图1 16b 2 平均功率 P UI I2R U2 R这就是电器铭牌上标注的额定功率 P36 第四节 纯电感和纯电容单相交流电路一 纯电感电路1 u与i的关系如图12 4电路加上交变电流i Imsin t 在线圈上就要产生自感电动势 根据前一节的自感公式u eL L I t Ldi dt 将i带入得到 u Ld Imsin t dt L Imcos t LImsin t 900 令XL L叫感抗 单位欧姆 是线圈对电流的阻碍 故u XLImsin t 900 仿欧姆定律U RIUm XLIm在u Umsin t 900 中 有效值U LI XLI所以电流有效值I U XL式中XL L 2 L T 2 fL 角频率弧度 秒rad sL 线圈电感Hf 频率Hz小结 1 由所加电流i Imsin t 和线圈上产生的电压u Umsin t 900 说明在图12 4b 图中 电压U超前I900或电流I滞后电压U900 2 用向量表示如右图 3 感抗XL 2 fL L是固定不变的 因为线圈确定了 各个参数不变 而频率f是变化的 所以感抗值XL也是变化的 直流电f 0不变 所以XL 0即没有阻力 XL与频率f成正比 故高频中线圈对电流的阻碍很大 所以直流电毫无阻碍的通过线圈 交流电不易通过 P38 2 无功和无功功率如图12 5由图知 当开关Q连接1时 电流从O变到I 有磁通变化 就产生自感电流直至电流I稳定流过回路 i 0 0 但此时将Q连接2 电灯亮了 然后熄灭 说明线圈L向灯泡提供了能量 这个能量是电源给线圈建立磁场 就将电能量转化成磁场能 储存起来 到Q 2连接时向灯泡提供电能 这说明线圈能储存能量且不消耗 若电源是交变电源电流也是交变的 线圈就有规律地储能 放能 再储能 再放能 如此此循环而与交变电源进行能量交换 这种电源与电感线圈之间循环交换且不消耗的能量称为无功能量 这种在单位时间内的无功能量的交换叫无功功率 在纯电感电路中 线圈上的无功功率叫感性无功功率 所以QL UI I2XL U2 XL乏 Var 或千乏 kVar P39 例12 1 图12 4所示 纯电感电路 已知u 220sin tf 50Hz L 100mH 试求电路中的电流和功率 写出电流的瞬时值表达式 如果电源电压大小不变 而频率变为500Hz 求电路中的电流和功率 如果电源改为直流20V 其电流又是多少 P40 3 当该线圈接到20V直流电源上时 f 0 XL 0 由于线圈电感抗很小很小 电路中的总电抗只有很小的线圈导线电阻及电源内阻 电流非常大 二 纯电容电路1 电容器1 电容器 储存电荷的元件 2 具体结构 电容器如左图上下为两极板 分别接正负极 中间用电介质使两板绝缘 P41 当电容器两极分别与电源正 负极连接以后如右图 极板上就等量 异性电荷Q两极板间的电压差越大 极板上储存的电荷量越多也就是说电容的电荷量Q 与其端电压U之比是一个常数即Q U C3 电容器的电容量C Q U1 对不同的电容器C值不同 两极板相对面积 距离 两者之间的绝缘介质有关 2 电压U相同时 C值越大表明电容器所带电荷越多 3 单位 法拉 F 法拉这个单位很大 常用较小的单位 1微法 10 12法拉1F 106皮法 1012微法1 F 10 6PF 10 12F1皮法 10 6微法4 电容的图形 可变电容在P31续表中左边倒数第二行 P42 2 电容器的充 放电 1 电容的充电 上面电路图G是电流检流计 很灵敏的电流表内阻很小 它在线路中串联 V是电压表用它来衡量 电容C的两端电压 电压表内阻很大 原则上电流不能通过电压表 它与元件C并联 此电路与直流电源连接 充电就是使C的两极板带有与电源相同电压的异性电荷过程 开关S与1钮相连时发现检流计一开始偏转很大 随即逐渐降低至0在检流计先大后小至0时 电压表指示值上升 最后稳定指在V 电源电压 至此I 0 V V电源 充电结束 储存的电量Q CU 库仑 2 电容的放电 把S与2相接 电容器通过电阻正负电荷中和 电容器极板上电荷消失 此过程称为电容器的放电 在放电过程中 检流计指针反向偏转 先大后小至0 此时电压表上指示值很快下降逐渐至0 Q CU U减小Q减至0 电荷全部中和 3 电容的放电电流如图 电容器两端电压为u 小写是变化的 极板上的电量q 小写 也是变化的 若在极短的时间dt极板上的电荷增加了dq 则导线上形成的电流i dq dt 因为q Cu代入所以i C du dt 此式说明 电容器电流与电容器两端电压的变化率 du dt 成正比 4 直流电路中电容的 隔直流 作用 即只通过交流电 对直流电是断路 因为直流中du dt 0 故i 0 断路 在交流电路中的电容 导通 实际上是电容两极极板上电荷随电源正负改变而改变 就好似 导通 P44 3 纯电容电路中电流和电压的关系 在P212的电路图a中 外加的电压u Umsin t而电容器上的电流变化i C du dt 所以i C du dt C d Umsin t dt C Umcos t C Umsin t 900 令XC 1 C称电容器的容抗 单位是欧姆代入i Umsin t 900 XC Imsin t 900 P45 小结 1 电容器上的电流ic超前电压uc900 或电压uc滞后电流ic900见前页图b 也可以用向量来表示 如右图 2 电流的有效值从第一章已知 最大值与有效值之间相差倍 所以 Im I而Im Um XC I U XC故 有效值I U XC3 容抗 是电容器对 通过 其上的电流变化状况的阻碍能力XC 1 C 1 2 fc欧姆 1 电容器的电容量C与电抗成反比 2 电容器的电容量C一定时 频率f与容抗XC成反比 故交变电流的频率越高f越大 容抗越小 即高频电流容易通过 反之 当f 0时 为直流电XC趋向于无穷 表示对直流电而言是断路 表现了它的 隔直 作用 故在实用中 对高频就是通路 所以 电路中用一电容一端接地 而进行旁路 通地 4 无功功率如图12 7开关Q 1接通时 电容充电建立电场 当开关Q 2接通时灯泡通过电流发光 使用电容器的电能 这说明电容可以储存能量 而不消耗且往返不断与电源交换能量 循环着充电 放电 反向充电 反向放电 这个交换而不损耗的能量叫无功功率 无功功率 单位时间无功交换的能量称无功功率 QC UI I2XC U2 XC单位 乏 Var 或千乏 KVar P47 三 R L C串联电路1 电压和电流的关系 u和i的关系电路中的交变电流i Imsin tI分别流过R L C时 纯电阻元件上的电压uR iR RImsin t URmsin t纯电感元件上的电压uL iXL XLImsin t 900 ULmsin t 900 纯电容元件上的电压uc iXc XcImsin t 900 Ucmsin t 900 P48 故电路上的总电压u uR uL uC同频率的正弦量相加 其和仍为同频率的正弦量 即u uR uL uC Umsin t 式中 表示了幅值为Um与电流i之间的相位差 由于用三角函数相加的方法求Um和 很复杂 而用向量作图法求Um 更简便 2 向量图的画法 图b 电压三角形 1 在水平方向先画电流I的向量 2 画三个元件的电压uR uL uC的向量 R L C我们知道 R上的电流 R与uR同相 故在水平方向上与 重合 L上的电流 L与其上的uL关系是U超前于 900 故在 的起始点 垂直向上900 画出 L C上的电压uC滞后电流 900 故在I的起始点O向下900画出 C L C在一根线上其和 X L C 得到R L C串联时的电压三角 如C图式 X称电抗 感抗和容抗的总称 电压有效值ux uL uC P49 3 R L C串联电路的端压 由电压直角三角形U 4 串联电位端电压U与电流I的相位差 反映了端压U与电流I超前或滞后的关系 5 arctg UX UR arctg UL UC UR 例题 在串联电路中 已知交流电电压表PV1 30V PV2 20VPV3 10V求 1 电路端压的有效值 2 端电压与电流的相位差 3 以电流为参考画出电压电流向量图 P50 5 阻抗三角形 由前式得到阻抗三角形 Z 总阻抗由前页电压三角形 阻抗角 tg 1 UL UX UR同时 tg 1 X R tg 1 XL XC R tg 1 L 1 c R 6 电路的三种情况1 XL大于XC 大于0 表明电压超前于电流 其相量图在第一象限 称此电路为电感性电路 2 XC大于XL 小于0 电压滞后于电流相量图在第四象限 称此电路为电容性电路 3 XC XL 此时 0 表明电压与电流同相 相量图为右称此种电路叫电阻性电路 此时会使电路发生谐振 产生一些特殊现象 对此有专章讨论 趋利避害 四 谐振 任一系统有一个固有的振动频频率f 当外界某一个振动频率f 接近或等于固有振动频率f时 该系统就会产生很大的振辐 此振辐对工程而言 则有利有害 如对电力系统 破坏性很大 在谐振时过大的电压 电流将击穿设备絕缘 烧毁电力设施 使桥梁断裂 不准列队齐步过桥 但对无线电工程大有稗益 串谐能将远方极其微弱的无线电讯号得以放大 而视 听设备进入人们生活中 1 串联谐振 又称电压谐振 串联电路如图a图 其向量图如右下b图 1 发生串连谐振的条件 XL XC I U Z U R2 XL XC 2 0 5 1 2 相位差 arctg XL XC R 谐振时XL XC故 0 如向量图3 串连谐振的频率f 1 2 LC 4 总阻抗Z R2 XL XC 2 在谐振时XL XC故Z R其值最小 谐振电流I0 U R 达到最大值 或由阻抗 因XL XC 对边为0 总阻抗Z R 且最小 由I0 U R 电流达到最大 P52因元件阻抗XL XC 其两端上电压UL UC且相位相反 相互抵消 对电路不起作用 故电源电压U UR 它们是相量 头上加点 但因电流I特大 故线圈 电容元件两端上电压UL I XL UC I XC很大 而电路中如果电阻R XL XC由UL I XL UC I XC因R小 故UL UC UR 电源电压 极大的电压它们分別作用在元件两端而击穿绝缘 烧毁设备 故电力系统中要远离谐振频率f 2 并联谐振 它又称电流谐振 在此仅作一般介绍 并联谐振的条件 XL XC 并联谐振频率f 与串联谐振频率f 相同 并联谐振时电路总阻抗Z最大 并联谐振时电路总电流Z最小 并联支路各元件上电流IL IX很大 可能烧毁设备 3 特別指出 在谐振时出现的大电压 大电流 这在直流电路中是不可想象的 只有但在交流电路中才可能出现 同理 电容元件两端上电压UC I XCI 特大 故UL I XL UC I XC很大它们分別作用在元件两端而击穿绝缘 烧毁设备 故电路中如果电阻R XL XC由 2 式因R小而电流电力系统中要远离谐振频率f 2 并联谐振 它又称电流谐振 其图如右 在此仅作一般介绍 并联谐振的条件 XL XC 并联谐振频率f 与串联谐振频率f 相同 并联谐振时电路总阻抗Z最大 并联谐振时电路总电流Z最小 并联支路各元件上电流IL IX很大 可能烧毁设备 3 特別指出 在谐振时出现的大电压 大电流 这在直流电路中是不可想象的 只有但在交流电路中才可能出现 P51 四 有功功率 无功功率 视在功率和功率因数在交流电路中 交换电压及电流u Umsin t u i Imsin t i 1 瞬时功率p ui Umsin t u Imsin t i UmImsin t u sin t i P52 2 有功功率P 瞬时功率p是变化的 故把它在一个周期内的平均值称为有功功率 它是负载在单位时间内得到的能量 根据人们需要而转变为机械能 光能 热能等等 以供使用 有功功率的公式 P UIcos 单位 kW3 无功功率Q 电路中 电源提供的能量除了在电阻负载上作有功消耗外 还有两个部分即线圈和电容 在这两元件上 电源只与它们进行能量交换而不消耗 工程上称为无功功率 其计算公式 Q UIsin 单位 kVar4 视在功率S 电源 发电机 变压器等 的额定功率 称为视在功率 它是设备的有效值的乘积其计算公式 S UI 单位 kVA MVA 5 功率因数cos 及功率三角形 由S UI 组成一个功率直角三角形 如图 可知cos P S P53 1 功率因数cos 是表明 有功功率占视在功率的比例 cos 越大 P越大 说明电源的利用率高 用于与线圈 电容交换能量的比较小 一般工程上要求cos 大于0 8以上 2 功率因数cos 低表示电源利用率低 好似占据银行的总贷的相当部分 又不付利息类似 工厂中大量使用电动机 电动机由线圈提供旋转磁场 所以 该处cos 较低 为此 要并联电容器以提高电源利用率 应该指出 对工厂并无影响 只能电厂采取降低电费办法以资鼓励 第五节继电保护装置一 作用 当被电力系统中的电力元件 如发电机 变压器 线路 发生故障时 需要向运行人员及时发出警告信号 或直接自动 迅速 有选择地将故障从电力系统切除 以保证其余部分恢复正常运行 并使故障元件免于继续受损害 当被保护元件发生异常运行状态时 经一定延时动作于信号 以使值班人员采取措施 二 基本原理和构成方式 继电保护主要利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量 电流 电压 功率 频率等 的变化 构成继电保护动作的原理 也有其他的物理量 如变压器没箱内部故障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高 大多数情况下 不管反映哪种物理量 继电保护装置将包括测量部分 和定值调整部分 逻辑部分 执行部分 三 电力系统对继电保护的基本要求 保护装置应满足可靠性 选择性 灵敏性和快速性四个要求 四性之间紧密联系 既矛盾又统一 1 可靠性 保护该动作时应能可靠动作 不该动作时应可靠不动作 可靠性是对继电保护装置性能的最根本要求 2 选择性 首先由故障设备或线路本身的保护切除故障 当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时 才允许由相邻设备保护 线路保护或断路器失灵保护切除故障 3 灵敏性 在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时 保护装置应具有必要的灵敏性 各类保护的最小灵敏系数在规程中有具体规定 选择性和灵敏性的要求 通过继电保护的整定实现 4 快速性 保护装置应尽快地切除短路故障 其目的是提高系统稳定性 减轻故障设备和损坏程度 缩小故障涉及范围 提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果等 何谓主保护 后备保护和辅助保护 1 能反应整个保护元件上的故障 并能以最短延时有选择地切除故障的保护称为主保护 变压器的主保护 瓦斯 差动保护 通常瓦斯保护又分为重瓦斯 轻瓦斯保护 重瓦斯保护均动作于跳闸 轻瓦斯保护则动作于信号 2 主保护或其断路器拒动时 由于切除故障的保护称为后备保护 如主变保护的各侧低阻抗保护 复合电压起动的过电流保护 低电压起动的过电流保护 负序过电流保护和过电流保护等 他们都是做为瓦斯 差动保护的后备保护 3 为补充主保护和后备保护的不足而增设的比较简单的保护称为辅助保护