发电厂电气部分 第三版 习题参考答案

第一章 电力系统概述

1．何谓电力系统、动力系统及电力网?

答：电力系统是指由发电机、输配电线路、变配电所以及各种用户用电设备连接起来所构成的有机整体。

动力系统由电力系统再加上发电厂的动力部分（火电厂的锅炉、汽轮机、热力管网等；水电厂的水库、水轮机、压力管道等）构成。

电力网指在电力系统中，由各种不同电压等级的电力线路和变配电所构成的网络，简称电网。

2．联合成电力系统并不断扩大有什么优越性? 答：联合成电力系统并不断扩大的优越性有： （1）提高供电的可靠性；

（2）减少系统中总备用容量的比重； （3）减少总用电负荷的峰值； （4）可以安装高效率的大容量机组；

（5）可以水火互济节约能源改善电网调节性能； （6）可以提高电能质量。

3．何谓电力系统额定电压? 我国电网和用电设备的额定电压有哪些等级?

答：额定电压指某一受电器（电动机、电灯等）、发电机和变压器等在正常运行时具有最大经济效益的电压。

我国电网和用电设备的额定电压等级有220V 、380V 、3kV 、6 kV、10 kV、35 kV、60 kV、110 kV、154 kV、220 kV、330 kV、500 kV、750 kV、1000 kV。

4．电能的质量指标有哪几项? 简要说明其内容。 答：电能的质量指标主要是频率、电压和波形三项。

（1）频率：对大型电力系统，频率的允许范围为50Hz ±0.2Hz ，对中小电力系统，频率的允许范围是50Hz ±0.5Hz 。

（2）我国规定用户处的电压容许变化范围是： 1）由35kV 及以上电压供电的用户：±5％；

2）由10kV 及以下电压供电的高压用户和低压电力用户：±7％； 3）低压照明用户：-10％～+5％。

（3）波形：电力系统供电电压或电流的标准波形是正弦波。

5．电力系统中性点有哪几种运行方式? 各有什么优缺点? 我国大体上用怎样的电压等级范围?

答：（1）电力系统中性点运行方式

电力系统中性点运行方式有中性点不接地、直接接地、经电阻接地和经消弧线圈接地运行方式。其中经电阻接地又分经高电阻接地、经中电阻接地和经低电阻接地三种。中性点直接接地、经中电阻接地和经低电阻接地称为大接地电流系统；中性点不接地、经消弧线圈接地和经高电阻接地称为小接地电流系统。

1

（2）各运行方式的优缺点

小接地电流系统的优点：单相接地时，三相间线电压仍保持对称和大小不变，对电力用户的继续供电并无影响。缺点：两个非故障相的对地电压升高至√3倍，所以在中性点不接地的电力网中，各种设备的对地绝缘应按线电压设计，才能承受在一相接地时，非故障相对地电压的升高影响。在中性点不接地的电力网中，一相接地时接地点的接地电流等于正常时相对地电容电流的三倍，经消弧线圈接地的电力网中，可以大大减小一相接地时接地点的接地电流，但欠补偿时容易发生振荡，引起内过电压。

大接地电流系统的优点：单相接地时，非故障相对地电压保持不变，各种设备的对地绝缘按相电压设计即可。 缺点：可靠性较低，发生单相接地故障时，故障的送电线路被切断，因而使用户的供电中断。

经电阻接地运行方式的优点：使接地电容电流向阻性发展，避免系统振荡引起过电压。

缺点：高电阻接地不适用于故障电容电流大于4～5A 的网络，应用

范围较小。低电阻接地接地时则接地电流较大。

（3）目前我国所用的电压等级范围

1）对于6～l0kV 系统，主要由电缆线路组成的电网，在电容电流超过7A 时，采用电阻接地。在电容电流低于7A ，或由架空线组成的电网，则采用不接地的运行方式；

2）6~20kV发电机或调相机回路，中性点可采用不接地、经消弧线圈接地或高电阻接地方式（即经过二次侧接电阻的接地变压器接地）；

3）35kV 系统，一般均采用中性点经消弧线圈接地的方式；

4）110kV 及以上系统，一般均采用中性点直接接地的方式。在一些多雷山区，为了提高供电的可靠性，有的110kV 系统中性点也采用经消弧线圈接地的方式；

5）1kV 以下系统，中性点采用不接地的方式运行。380/220V三相四线制电网的中性点，是为了适应受电器取得相电压的需要而直接接地。

6．如何计算系统单相接地时的电容电流? 如何选择消弧线圈容量? 答：（1）线路一相接地电容电流可近似地用下列公式估计： 1）对于架空电网

I C =(2.7～3.3) U φ-φ×10-3 （A ）

式中的系数，没有架空地线时取2.7，有架空地线时取3.3。对于同杆架设的双回路，电容电流为单回路的1.3～1.6倍。

2）对于电缆电网

I C =0.1U φ-φ （A ）

式中 U φ-φ ——电网线电压（kV ）；

l ——有直接电连接的这一电压级电网送电线路的长度（km ）。 （2）消弧线圈容量的选择

选择消弧线圈的容量，应考虑电网五年左右的发展规划，并按过补偿方式考虑，其容量按下式计算

S =1.5I C ·U φ （kVA ）

式中 I C ——电网一相接地电容电流（A ）； U φ——电网相电压（kV ）。

2

7．电力系统失去稳定是一种什么状况? 稳定问题分为哪几类?

答：（1）电力系统失去稳定时，系统产生自发性振荡，或者各机组间产生剧烈的相对运动，以至于系统的频率和电压大幅度变化，不能保证对负荷的正常供电，造成大量用户停电。

（2）电力系统稳定问题是指当系统受到扰动后能否继续保持各发电机之间同步运行的问题。根据系统受到扰动的大小及运行参数变化特性的不同，通常将系统的稳定问题分为三大类，即静态稳定、暂态稳定和动态稳定。

静态稳定是指电力系统在运行中受到微小扰动(如短时的负荷波动) 后，能够自动恢复到原有运行状态的能力。

暂态稳定是指系统在运行中受到大的扰动(如切除机组、线路或发生短路等) 后，经历一个短暂的暂态过程，从原来的运行状态过渡到新的稳定运行状态的能力。

动态稳定是指系统在运行中受到大扰动后，保持各发电机在较长的动态过程中不失步，由衰减的同步振荡过程过渡到稳定运行状态的能力。

第二章 短路电流的计算

1．何谓短路？引起短路的主要原因是什么？发生短路后可能有什么后果？

答：（1）电力系统短路指电力系统中相与相之间或相与地之间（中性点直接接地系统）通过电弧或其它较小阻抗而形成的一种非正常连接。

（2）发生短路的原因

1）电气设备载流部分绝缘损坏。如大气过电压，操作过电压，绝缘老化，机械性损伤，设计、安装、运行维护不良；

2）意外事件引起的短路。如输电线路断线、倒杆、雷击等；

3）人为事故。如带负荷拉开或合上隔离开关、带地线合闸、将挂地线设备投入运行等； 4）异物跨接导体。如鸟兽跨接、树枝跨接等。 （3）电力系统短路后的后果

1）短路点电弧可能烧坏设备，甚至引起火灾；

2）短路电流产生大量的热量，引起温度升高，甚至会损坏绝缘； 3）短路电流在导体中产生的电动力，可能使导体发生变形，甚至损坏； 4）系统电压大幅下降影响用户的供电，严重时甚至破坏电力系统的稳定； 5）短路电流产生的电磁感应会干扰通讯线路，甚至危及设备和人身安全。

2．何谓次暂态短路电流、冲击短路电流、短路全电流最大有效值及稳态短路电流？计算这些电流的用途是什么？

答：（1）在第一个周期内周期分量的有限值称为次暂态短路电流，是校验断路器开断能力的依据；

（2）短路电流在短路后半个周期(t =0.01s)时，瞬时值达到最大，该最大值称为冲击短路电流，是校验电气设备动稳定能力的依据；

（3）出现在冲击短路电流i sh 处的周期分量有效值和非周期分量的均方根值称为短路全电流最大有效值，故障切断时间小于0.1s 时，检验断路器的开断能力；

（4）短路后，非周期分量衰减完，暂态过程结束，就进入稳定状态，此时的短路电流称为稳态短路电流，是短路后计算残压的依据。

3

3．用标么值对元件电抗和短路电流计算有什么好处? 如何将任意基准下元件电抗的标么值换算成选定基准下元件电抗的标么值?

答：（1）用标么值对元件电抗和短路电流计算的好处有：

1）用标么值进行计算时，只要选定的基准容量相同，基准电压按规定的平均额定电压选取，按电抗所在电压级计算所求得的标么值，可适用于其他电压级；

2）相间电压的标么值与相电压的标么值相等； 3）三相功率的标么值与单相功率的标么值相等；

4）三相电路的欧姆定律公式I *=U */X *，功率方程式S *=U *·I *与单相电路相同；

5）当电压标么值U *=1时，功率的标么值等于电流的标么值，等于电抗标么值的倒数，即 S *=I *=1/X *

（2）任意基准下元件电抗的标么值换算成选定基准下元件电抗标么值的方法：

设X N 、U N 、S N 分别是额定参数下的标么值，换算成选定基准下元件电抗标么值可按公式

2

U N S X

X d *==X N *⋅⋅d 2

X d S N U d

计算，当U N 与U d 相等时，可按公式：

X d *=X N *⋅

计算。其它基准下元件电抗的标么值换算一样。

S d

S N

4．何谓无限大容量电源? 无限大容量电源供电的短路暂态过程有什么特点? 如何计算无限大容量电源供电的短路电流?

答：（1）无限大容量电源理论上是指系统容量S →∞，系统电抗Xs →0, 其出口分界母线的电压在短路时能保持不变。

在实际电力系统中，某容量很小的支路（该支路中各元件的容量较系统容量小得多，其阻抗比系统阻抗大很多）发生短路时，引起系统母线电压的变化很小。

在分析及计算时，为了方便认为该电源是一内部阻抗Z G =0（x G =0，r G =0），系统母线电压为恒定的电源，称这种电源为无限大容量电源。

（2）无限大容量电源供电的短路暂态过程的特点是周期短路电流的幅值始终维持不变。 （3）无限大容量电源供电的短路电流的计算方法： 1）作出计算电路图；

2）作出对各短路点的等值电路图；

3）对等值电路图进行化简，求出短路回路总电抗X ∑*； 4）进行短路电流的计算。 周期短路电流标么值的计算公式：

I P *=

1 X ∑*

周期短路电流有效值的有名值等于其标么值乘以电流基准值，公式为

I p =I p *·I d =I d / X *

4

对无限大容量电源，稳态短路电流等于周期短路电流。 非周期短路电流i np 按指数曲线衰减

t T a

i np =i np 0⋅e

冲击短路电流的计算公式为：

-

i sh =√2K sh ·I p

其中K sh 为短路电流冲击系数，对无限大容量电源K sh =1.8。

5．如何用运算曲线计算发电机供电的任意时刻三相短路电流周期分量的有效值? 答：用运算曲线计算发电机供电的任意时刻三相短路电流周期分量的有效值的方法： （1）求短路回路总电抗的计算电抗X ca ； 1）作出计算电路图；

2）根据计算电路图作出等值电路图； 3）化简等值电路图；

4）确定短路回路总电抗X ∑或 X ∑*； 5）按下列公式求出计算电抗

X ca *=X ∑⋅

S N ∑S N ∑

X =X ⋅或 ca *∑*2

U av S d

（2）查所需周期短路电流有效值的标么值I pt * 1）按电源性质及求得的计算电抗X ca *选择运算曲线； 2）次暂态短路电流I "的标么值I *"，查t=0时曲线； 3）稳态短路电流I ∞的标么值I ∞*，查t=4时曲线；

4）需要其它时刻短路电流I pt*时，查t 时的曲线。若所查时刻t ，没有曲线可采用插值法对于X ca*>3时，按无限大系统计算。

8．如图2-42所示电力系统，计算K 点三相短路时，每回输电线路上的I "、i sh 、I 0.2和I ∞，并计算未故障母线I 段上的残压。(提示：I 段母线的残压即I 段母线对短路点的电压

)

0.145 0.525

图2-42 第8题计算用图

图2-8-1 等值电路图

0.874

图2-8-2 等值电路化简（一） 图2-8-3 等值电路化简（二） 图2-8-4 等值电路化简（三）

答：

5

（1）网络化简

1）画等值电路图，各电抗按顺序编号，如图2-8-1。

2）电抗2、3并联电抗合并为7号电抗，电抗5、6串联电抗合并为8号电抗，如图2-8-2。 3）电抗1、7串联电抗合并为9号电抗，电抗4、8并联电抗合并为10号电抗，如图2-8-3。 4）电抗9、10串联电抗合并为11号电抗，如图2-8-4。 （2）参数计算 1）各元件参数：

取S d =S∑N =100MVA，U d =Uav

发电机：X 1=Xd "·S d /SN =0.3·100/100=0.3

线路：X 2=X3=Xl ·L ·S N /Uav 2=0.4×48×100/1152=0.145 变压器：X 4=X5=(Ud %/100)·S d /SN =(10.5/100)×100/20=0.525

电抗器：X 6=(Xdk %/100)·(UN /√3I N ) ·(Sd /Uav 2)=(6/100)×(6/1.5√3) ×(100/6.32)=0.349 2）电抗2、3并联电抗合并X 7=(X2·X 3)/ (X2+X3)=0.145/2=0.0725

电抗5、6串联电抗合并X 8=X5+X6=0.525+0.349=0.874 3）电抗1、7串联电抗合并X 9= X1+X7=0.3+0.0725=0.3725

电抗4、8并联电抗合并X 10=(X4·X 8)/ (X4+X8)=(0.525×0.874)/(0.525+0.874)=0.328 4）电抗9、10串联电抗合并X 11= X9+X10=0.3725+0.328=0.7 （3）计算短路电流 计算电抗X ca = X11=0.7 查曲线：

查t=0曲线，得I *"=1.5 查t=0.2曲线，得I *0.2=1.32 查t=4曲线，得I *4=1.72 输电线路上的I "、i sh 、I 0.2、I ∞

基准电流I d =Sd /(√3U d )=100/(115×√3)=0.502kA 每回输电线路的I "= I*"·I d /2=1.5×0.502/2=0.377kA 每回输电线路的i sh =1.8√2 I"=1.8√2×0.377=0.958kA 每回输电线路的I 0.2= I0.2"·I d /2=1.32×0.502/2=0.331kA 每回输电线路的I ∞= I*4·I d /2=1.72×0.502/2=0.432 kA （4）计算未故障母线I 段上的残压

未故障母线I 段上的稳态电流标么值：I I*=(X10/X8) I*4=(0.328/0.874)×1.72=0.645 未故障母线I 段上的残压标么值：U re*=II*·X 6=0.645×0.349=0.225 未故障母线I 段上的残压有名值：U re = Ure*·U d =0.225×6.3=1.418kV

9．如图2-43所示的电力系统，计算K 点三相短路时短路处和每个电源供给短路点的I "。

6

图2-43 第9题计算用图

0.16

图2-9-2 等值电路化简（一）

图2-9-4 等值电路化简（三） 答：

图2-9-1 等值电路图

图2-9-3 等值电路化简（二）

0.349

图

7

（1）网络化简

1）画等值电路图，各电抗按顺序编号，如图2-9-1。

2）电抗4、5并联电抗合并为X 9，电抗2、3串联电抗合并为X 10，如图2-9-2。 3）电抗6、7、8三角形变换为星形电抗11、12、13，如图2-9-3。

4）电抗1、9、11串联电抗合并为X 14，电抗10、12串联电抗合并为X 15，如图2-9-4。 5）电抗13、14、15星形变换为三角形电抗16、17、18，如图2-9-5。 （2）参数计算 1）各元件参数： 取S d = 100MVA，U d =Uav

水电厂：X 1=Xd "·S d /SN =0.4×100/250=0.16 火电厂：X 2=Xd "·S d /SN =0.125×100/45=0.278

变压器：X 3= (Ud %/100)·S d /SN =(10.5/100)×100/60=0.175

2×100km 线路：X 4=X5=Xl ·L ·S N /Uav 2=0.4×100×100/1152=0.302 30km 线路：X 6= Xl ·L ·S N /Uav 2=0.4×30×100/1152=0.091 40km 线路：X 7= Xl ·L ·S N /Uav 2=0.4×40×100/1152=0.121 25km 线路：X 8= Xl ·L ·S N /Uav 2=0.4×25×100/1152=0.076 2）电抗4、5并联电抗合并X 9=(X4·X 5)/ (X4+X5)=0.302/2=0.151

电抗2、3串联电抗合并X 10=X2+X3=0.278+0.175=0.453 3）三角形→星形，X 11=

X 7X 60. 091⨯0. 121

==0. 038

X 6+X 7+X 80. 091+0. 121+0. 076X 6X 80. 091⨯0. 076

==0. 024

X 6+X 7+X 80. 091+0. 121+0. 076X 7X 80. 121⨯0. 076

==0. 032

X 6+X 7+X 80. 091+0. 121+0. 076

X 12=X 13=

4）电抗1、9、11串联电抗合并X 14= X1+X9+X11=0.16+0.151+0.038=0.349

电抗10、12串联电抗合并X 15= X10+X12=0.453+0.024=0.477 5）星形→三角形，X 17=X 13+X 14+

X 13X 140. 032⨯0. 349

=0. 032+0. 349+=0. 404 X 150. 477

X 18=X 13+X 15+

（3）求计算电抗

X 13X 150. 032⨯0. 477

=0. 032+0. 477+=0. 553 X 140. 349

水电厂对k 点转移电抗为X 17，火电厂对k 点转移电抗为X 18，则， 水电厂对k 点计算电抗为X ca = X17(SG /Sd )=0.404×(250/100)=1.01 火电厂对k 点计算电抗为X ca = X18(SG /Sd )=0.553×(45/100)=0.249 （4）计算次暂态短路电流I "

1）水电厂对k 点次暂态短路电流标么值I *"：根据X ca =1.01，查t=0时曲线，得I *"=1.06 基准电流I d =250/(√3×115)=1.255kA；

水电厂对k 点次暂态短路电流有名值I "=Id ·I *"=1.06×1.255=1.33kA

2）火电厂对k 点次暂态短路电流标么值I *"：根据X ca =0.553，查t=0时曲线，得I *"=1.88

8

基准电流I d =45/(√3×115)=0.226kA；

火电厂对k 点次暂态短路电流有名值I "=Id ·I *"=1.88×0.266=0.425kA 3）k 点次暂态短路电流有名值I "：I "=1.33+0.425=1.755kA

10．如图2-44所示的电力系统，计算K 点三相短路时短路点的I "、i sh 、I ∞。

0.179

0.104 0.364

图2-44 第10题计算用图

图2-10-1 等值电路图

图2-10-2 等值电路化简（一）

图2-10-3 等值电路化简（二）

0.621

0.231

图2-10-4 等值电路化简（三） 答：

（1）网络化简

图2-10-5 等值电路化简（四）

1）画等值电路图，各电抗按顺序编号，如图

2-10-1。

2）电抗1、4串联电抗合并为X 11，电抗2、5串联电抗合并为X 12，电抗3、8串联电抗合并为X 13，M 、N 属等电位点，直接相连。如图2-10-2。

3）电抗6、9并联电抗合并为X 14，电抗12、13并联电抗合并为X 15，电抗7、10并联电抗合并为X 16。如图2-10-3。

4）电抗11、14串联电抗合并为X 17，如图2-10-4。

5）电抗15、16、17 星形→三角形变换成电抗18、19、20，如图2-10-5。 （2）参数计算

9

1）各元件参数： 取S d = 100MVA，U d =Uav

水电厂G 1、G 2、G 3：X 1=Xd "·S d /SN =0.2×100/55=0.364=X2=X3 双绕组变压器：X 4= (Ud %/100)·S d /SN =(10.5/100)×100/60=0.175 三绕组变压器：U k1%=(Uk1-2%+Uk1-3%-Uk2-3%)/2=(10.5+17-6)/2=10.75

U k2%=(Uk1-2%+Uk2-3%-Uk1-3%)/2=(10.5+6-17)/2=-0.25（数据不合实际，这里

将错就错）

U k3%=(Uk1-3%+Uk2-3%-Uk1-2%)/2=(17+6-10.5)/2=6.25

X 5=(Uk3%/100)(Sd /SN )=(6.25/100)(100/60)=0.104=X8

X 6=(Uk1%/100)(Sd /SN )=(10.75/100)(100/60)=0.179=X9 X 7=(Uk2%/100)(Sd /SN )=(-0.25/100)(100/60)=-0.004=X10

2）电抗1、4串联电抗合并X 11= X1+X4=0.364+0.175=0.539 电抗2、5串联电抗合并X 12= X2+X3=0.364+0.104=0.468

电抗3、8串联电抗合并X 13= X3+X8=0.364+0.104=0.468 3）电抗6、9并联电抗合并X 14=(X6·X 9)/(X6+X9)=0.179/2=0.089

电抗12、13并联电抗合并X 15=(X12·X 13)/(X12+X13)=0.468/2=0.234 电抗7、10并联电抗合并X 16=(X7·X 10)/(X7+X10)=-0.004/2=-0.002 4）电抗11、14串联电抗合并X 17= X11+X14=0.539+0.089=0.628 5）星形→三角形，X 18=X 16+X 17+

X 16X 170. 002⨯0. 628

=0. 628-0. 002-=0. 621 X 150. 234X 15X 160. 002⨯0. 234

=0. 234-0. 002-=0. 231 X 170. 628

X 19=X 15+X 16+

（3）求计算电抗

水电厂G 1对k 点转移电抗为X 18，水电厂G 2、G 3对k 点转移电抗为X 19，则， 水电厂G 1对k 点计算电抗为X ca = X18(SG /Sd )=0.621×(55/100)=0.342 水电厂G 2、G 3对k 点计算电抗为X ca = X19(SG /Sd )=0.231×(110/100)=0.254 （4）求K 点三相短路时短路点的I "、i sh 、I ∞

1）水电厂G 1对k 点次暂态短路电流标么值I *"：根据X ca =0.342，查t=0时曲线，得I *"=3.26 水电厂G 1对k 点稳态短路电流标么值I ∞*：根据X ca =0.342，查t=4时曲线，得I ∞*=2.82 基准电流I d =55/(√3×115)=0.276 kA；

水电厂G 1对k 点次暂态短路电流有名值I "=Id ·I *"=0.276×3.26=0.900kA 水电厂G 1对k 点稳态短路电流有名值I ∞=Id ·I ∞*=0.276×2.82=0.778 kA

2）水电厂G 2、G 3对k 点次暂态短路电流标么值I *"：根据X ca =0.254，查t=0时曲线，得I *"=4.36

水电厂G 2、G 3对k 点稳态短路电流标么值I ∞*：根据X ca =0.254，查t=4时曲线，得I ∞

*=3.16

基准电流I d =110/(√3×115)=0.552 kA；

水电厂G 2、G 3对k 点次暂态短路电流有名值I "=Id ·I *"=0.552×4.36=2.407kA 水电厂G 2、G 3对k 点稳态短路电流有名值I "=Id ·I ∞*=0.552×3.16=1.744kA

10

3）k 点次暂态短路电流有名值I "=0.900+2.407=3.307 kA

k 点冲击短路电流i sh =√2K sh I"，变压器后短路时K sh =1.85，则，

i sh =√2×1.85×3.307=8.664 kA

k 点稳态短路电流有名值I ∞=0.778+1.744=2.522 kA

11．如图2-45所示电力系统，已知K 1短路时短路点的I "＝2.51kA ，求K 2点三相短路时短路点的I "。

1

K 1

1.75

K 2

图2-45 第11题计算用图 图2-11-1 等值电路图

答：

（1）网络化简

1）画等值电路图，各电抗按顺序编号，如图2-11-1。

2）电抗1、2串联电抗合并为X 3，如图2-11-2。

（2）参数计算

1）各元件参数：

取S d =500MVA，U d =Uav

系统及双回路线电抗X 1：

基准电流I d =Sd /(√3·U d )=500/(√3×115)=2.51kA

已知K 1短路时短路点的I "＝2.51kA ，则X 1= Id /I"=1

变压器：X 2= (Ud %/100)·S d /SN =(10.5/100)×500/30=1.75

2）电抗1、2串联电抗合并X 3= X1+X2=1+1.75=2.75

（3）K 2点三相短路时短路点的I "

K 2点三相短路时短路点的I *"=1/2.75

基准电流I d =Sd /(√3·U d )=500/(√3×10.5)=27.5kA

K 2点三相短路时短路点的I "=27.5/2.75=10 kA

2.75 2-11-2 K 2 等值电路化简 11 图

第三章 导体的发热、电动力效应

1．引起导体和电器发热的原因是什么?

答：引起导体和电器发热的原因是：

（1）电阻损耗：由电阻引起，是损耗的主要形式；

（2）磁滞损耗：由交变磁场的作用引起，针对铁磁材料零配件；

（3）涡流损耗：由交变磁场的作用引起，磁性或非磁性导电材料零配件均有；

（4）介质损耗：由强电场的作用引起，针对绝缘材料。

2．导体和电器的发热有哪两种类型? 各有什么特点? 对导体和电器的工作可能造成什么影响?

答：（1）导体和电器的发热类型有：

1）长期发热状态。正常时，导体长期流过工作电流引起的发热；

特点：工作电流和发热是持续的，温度升高到某一值时，发热与散热将达到平衡。

2）短时发热状态。短路时，导体短时间流过短路电流引起的发热。

特点：①导体中流过短路电流数值大，但持续的时间很短，一般为零点几秒到几秒钟（断路器全开断时间）。

②导体的温度在短时间内上升很快，短路电流产生的热量几乎来不及向周围散热，可以看作绝热过程。

③导体温度变化很大，导体电阻值R 、导体的比热容C 不能看作常数，而是温度的函数。

（2）对导体和电器的工作可能造成的影响：①使导体材料的机械强度显著下降；②破坏接触连接部分的工作；③显著降低导体绝缘材料的绝缘强度。

3．为什么要规定导体和电器的发热允许温度? 长期发热允许温度和短时发热允许温度是如何具体规定的?

答：（1）规定导体和电器的发热允许温度的原因：导体和电器的温度超过发热允许温度将引起很多不良后果。

1）降低机械强度。导体的温度超过一定允许值后，会导致导体材料退火，使机械强度显著下降。在短路电流产生的电动力作用下将引起导体变形，甚至使导体结构损坏。如铝和铜在温度分别超过100℃和150℃后，其抗拉强度急剧下降。

2）影响接触电阻。触头和连接部位由于温度过高，表面会强烈氧化并产生一层电阻率很高的氧化层薄膜，从而使接触电阻增加，导致温度进一步升高，形成恶性循环，直至烧红、松动甚至熔化。

3）降低绝缘强度。温度超过允许值时，绝缘材料将加速老化，丧失原有的机械性能和绝缘性能，甚至引起绝缘击穿、直至烧毁。

（2）长期发热允许温度和短时发热允许温度的具体规定。

1）长期发热允许温度的具体规定。采用螺栓连接时，电器设备正常工作温度不应超过70℃。计及太阳辐射影响时，钢芯铝铰线及管形导体，按不超过80℃考虑。导体的接触面处采用搪锡处理具有可靠的过渡覆盖层时，可按不超过85℃考虑。

12

2）短时发热允许温度的具体规定。硬铝及铝锰合金不超过200℃，硬铜不超过300℃。

4．导体和电器正常发热计算的目的是什么? 满足怎样的条件可保证它们在正常运行时的发热温度不超过允许值?

答：（1）导体和电器正常发热计算的目的：根据电器及导体的工作和发热状况，计算可能达到的最高工作温度，选择合适的额定电流。

（2）保证在正常运行时，发热温度不超过允许值的条件是：额定电流小于允许载流量。

5．导体和电器短路时发热计算的目的是什么? 满足怎样的条件可使它们在短路时保证是热稳定的?

答：（1）导体和电器短路时发热计算的目的：校验短路时发热的稳定。

（2）在短路时，保证是热稳定的条件是：当短路过程结束时的温度θk 不大于导体材料短时发热的最高允许温度θal ，即

θk ≤θal

则认为该导体在此短路条件下是热稳定的。 或者，导体短时热稳定条件是：截面大于最小截面S min =

（Q k ---短路电流热效应值）

电器的短时热稳定条件是：Q k ≤1C K f Q k ， I t 2t

（I t ——t 秒内允许通过的短时热电流(或短时耐受电流) 。）

6．如何计算短路电流周期分量和非周期分量的热效应? 答：短路电流周期分量的热效应的计算：Q p =

短路电流非周期分量的热效应的计算：Q np =t k 12[(I '') 2+10I 02. 5t +I t 2] T a (I '') 2

αA (θal -θ0) R 7．导体的允许载流量是如何确定的? 有哪些措施能提高导体的允许载流量? 答：导体的允许载流量：I al =αA τal =R

（θal ---长期发热最高允许温度；τal ----允许温升；θ0----导体或电器实际温度）

为了提高导体的载流能力，可采取以下措施：

（1）导体材料宜采用电阻率小的材料，如铝、铝合金、铜等；

（2）提高导体的长期发热允许温度θal ；如铝导体接头螺栓连接时θal 为70℃，改为超声搪锡方法则可提高到85℃；

（3）提高导体的散热能力。导体的散热能力与导体的形状、布置方式及散热方式有关。

1）导体形状：散热表面积大为好。在相同截面积的条件下，扁矩形截面的周长大，故导体截面形状宜采用扁矩形或槽形，以获得较大的散热表面积。

2）布置方式：使散热效果最佳。矩形截面导体竖放比平放散热效果好；两半槽组成的槽形截面，立缝置于铅垂面比水平面的散热效果好。

13

3）散热方式：传导、对流和辐射。传导：置于液体介质中或由液体内冷的导体，主要是传导散热；对流：置于室外或采用强制通风的导体，主要是对流散热；辐射：由温度高的物体向周围的自然散热过程。置于室内空气中的导体，辐射和对流是它的主要散热方式。由于油漆的辐射系数较大，所以室内硬母线都涂上油漆：A 相-黄色、B 相-绿色、C 相-红色。这样除了加强散热，还便于相序的识别。

8．电动力对导体和电器的运行有哪些危害?

答：正常工作时，电流不是很大，电动力也不大，短路时电动力很大，产生的危害也很大：

（1）由于电动力作用，电器产生振动；

（2）载流导体变形，损坏载流部件或损坏绝缘部件

（3）电磁绕组变形，损坏电器设备，如变压器绕组。

9．三相同平面布置的平行导体短路时，哪一相受到的电动力最大? 其数值应如何计算? 答：当三相母线安装于同一平面时，中间相母线所受的电动力最大（约比边相母线受力大7％）。在三相短路冲击电流作用下，中间相母线所受的最大电动力为

2F =0. 173K x i sh L （N ） a

式中：i sh ——三相短路冲击电流，kA ；

L ——两支持绝缘子之间的一段母线长度，称为跨距，m ；

a ——相邻两相导体的中心距离，m 。

10．硬母线的动稳定条件是什么? 若校验时动稳定条件不能被满足，可采取哪些措施加以解决?

答：硬母线满足动稳定的条件是：

δϕ≤δal

式中：δal ——母线材料的允许应力，Pa 。

δϕ——母线受到的最大相间应力。

若计算结果是δϕ>δal ，则必须设法减小δϕ。办法是减小绝缘子跨距，令δϕ＝δal ，得

L max =δal W 10δal W 7. 6==al Wa (m ) 1f ϕi sh 20. i sh a

式中：i sh ——冲击短路电流，kA ；

a ——母线相间距离，m ；

W ——母线截面形状系数，m 3。

为避免水平放置的矩形母线因本身重量而过分弯曲，要求绝缘子跨距不得超过1.5～2.0m 。绝缘子跨距一般等于配电装置间隔的宽度。

11．大电流母线为什么常用全连式分相封闭母线?

答：因为大电流母线常用的全连式分相封闭母线具有下列优点：

（1）运行可靠性高。母线被封装在里面，避免了外界自然环境对母线及其绝缘子的粉尘污染，消除了母线相间短路的可能性。

（2）可有效地减小母线及其附近短路时母线间的电动力。外壳与母线形成相当于1：1的空心变压器。由于外壳涡流和环流磁场对母线电流磁场的强烈去磁作用，使壳内磁场大为减弱， 14

有效地减小了短路时母线的电动力。

（3）可显著地减小母线附近钢构的发热。

（4）外壳多点接地，可保证人体触及时的安全。

（5）维护工作量较小。

（6）母线和外壳之间可兼作强迫冷却介质的通道，可大大提高母线的载流量。

12．何为母线共振? 有何危害? 有什么措施保证母线系统不发生共振?

答：（1）母线系统在外力的作用下要发生变形。当撤去外力后，母线系统要经历一个往复振动过程，才回到原来的平衡位置。这种振动称为自由振动，其频率称为母线系统的固有频率。若给母线系统一周期性的持续外力（如三相短路时的电动力），母线系统将发生强迫振动，如果周期性外力的频率等于母线系统的固有频率，母线系统将发生共振现象。

（2）母线系统发生共振时，振动的幅值特别大，可能超过母线系统的弹性限度，使母线的结构遭到破坏。

（3）为了避免母线系统可能发生的共振现象，可以直接求解不发生共振的绝缘子最大允许跨距：

r L max =i ε=0. r i ε 160

只要实际选用的绝缘子跨距L 小于最大允许跨距L max ，母线系统就不会发生共振。

13．采取何种措施可减小大电流母线附近的钢构件发热?

答：减少钢构损耗和发热的措施有以下几项：

（1）加大与载流导体的距离。当然这会受到许多限制。

（2）装屏蔽环。在钢构发热最严重处(即磁场强度最大处) 套上短路环（铝或铜环），利用短路环中的感应电流起去磁作用。

（3）断开钢构的闭合回路，使其内不产生环流。

（4）采用非磁性材料代替钢构。

（5）采用分相封闭母线。

14．配电装置中的汇流母线为什么不按经济电流密度选择截面?

答：针对配电装置母线和引下线，以及持续电流较小、年利用小时数较低的其它回路导线按最大长期工作电流选择。原因是正常运行时其工作电流达不到最大长期工作电流，所以按最大长期工作电流选择满足长期热稳定条件就可以了。

15．按经济电流密度法选择的母线截面，是否还须按最大长期工作电流校核?

答：按经济电流密度法选择的母线截面，一般不须按最大长期工作电流校核。

15

第四章 电气设备原理与选择

2．概述电弧产生和熄灭的物理过程。总结归纳各类断路器熄弧过程中采用了哪几种熄弧方法。

答：电弧可以分为形成和维持两个阶段。电弧的形成依赖于强电场发射及碰撞游离，电弧的维持主要依赖于热游离。

动静触头分离的瞬间，触头间距小，电场强度很大。阴极触头的电子在被强电场拉出触头表面，这种现象叫强电场发射。电子加速向阳极运动，与气体的中性质子碰撞，电子动能足够大时，中性质子分离为带负电的电子和带正电的正离子，这种现象叫做碰撞游离。

随着电子增加，触头间空间被击穿，及形成了电弧，产生高温强化分子热运动电子和正离子产量增加，并在电场力作用下反向运动。运动中自由电子和正离子可能复合，减少自由电子，叫做去游离过程。游离和去游离同时存在，两者动态平衡时，则电弧稳定燃烧。如果游离过程大于去游离过程，电弧燃烧加剧；如果游离过程小于去游离过程，则电弧燃烧趋弱，直至熄灭。

熄弧的基本方法：1. 用液体或气体吹弧 2.利用真空灭弧 3.利用特殊介质灭弧

4.采用多断口熄弧 5.快速拉长电弧

6.用特殊金属材料作触头

3．断路器的选择有哪些项目? 最重要的是哪项?

答：

断路器的选择项目包括：1. 型式 2.额定电压 3.额定电流 4.校验开断能力

5.校验动稳定 6.校验热稳定

4．真空断路器有什么优点? 如何使动触头能够移动而又不破坏灭弧室的高真空?

答：

真空断路器具有触头开距短，熄弧快，体积小，重量轻，无爆炸危险，无污染等优点 真空灭弧室是断路器的关键部分，要求具有良好密封性，所有的灭弧零件都装在一个玻璃罩内，罩的一端是封死的静触头，另外一端动触头及活动导电杆则固定于金属波纹管的上端。这样靠波纹管的伸缩即可完成分，合闸动作，而又不破坏密封。

5．电压互感器二次侧不允许短路，电流互感器二次侧不允许开路，为什么? 如何防止? 答：电流互感器正常运行时基本处于短路状态，其二次绕组绝对不允许开路运行。否则二次侧电流为零，一次侧电流全部转化为激磁电流，导致铁芯饱和，其磁通变为平顶波，则二次绕组中感应电势很高，二次端子处将出现很高的电压，危及设备及人身安全

电压互感器二次侧如果短路将造成电压互感器电流急剧增大过负荷而损坏，并且绝缘击穿使高压串至二次侧，影响人身安全和设备安全。

无论是电流互感器还是电压互感器都要求二次侧有一点可靠的接地，以防止万一互感器绝缘损坏，高电压会窜入二次回路危及二次设备和人身安全。

16

6．用在大接地电流系统中的电压互感器附加二次绕组的额定电压为100V ；而用在小接地电流系统中则为100V ／3，为什么? 开口三角绕组有什么用途?

答：

（1）开口三角绕组的作用：用于取得零序电压。单相接地时，开口三角形绕组输出100V 。

（2）大接地电流系统中，发生单相接地时，故障相对地电压为0，非故障相对地电压不变。

=0，开口三角形绕组输出电压3U =U +U =-U ，要使输出等设C 相接地，则U 0A B C C k

于100V ，则电压互感器附加二次绕组的额定电压为100V 。

小接地电流系统中，发生单相接地时，故障相对地电压为0，非故障相对地电压升高√3倍。

=0，开口三角形绕组输出电压： 设C 相接地，则U C k

=U +U =U (e -j 150︒+e j 150︒) =-3U 3U 0A k B k C C

要使输出等于100V ，则电压互感器附加二次绕组的额定电压为100/3V。

7．为什么互感器所带负荷超过额定容量其准确度就下降?

答：

在理想情况下，I1不变时I2亦不变，但实际上，当I1不变时，I2随二次负荷阻抗增大而减小，因而使励磁电流I0增大，误差也随之增大。这也是为什么电流互感器正常工作时最好接近于短路状态的原因。当二次侧阻抗超过其允许值时，互感器的准确等级就降低了很多。

8．一台电抗器型号为NKL10-400-5，另一台型号为NKL10-2000-8，哪一台电抗器的电抗值大? 请计算出来。

答：

9．为什么发电厂发电机电压母线上的出线要装电抗器?

答：

1. 加装出线电抗器将短路电流限制到轻型开关能够可靠开断的范围内，在经济上是合理

的，否则可能出现价格昂贵的重型开关。

2. 母线分段电抗器也限制了短路电流，使流经分段开关和回流母线的短路电流减少了，

对他们的动稳定和热稳定更为有利。

3. 出现电抗器后短路时，母线残压仍较高，有利于发电厂厂用电动机的自启动。

10．什么叫限流式熔断器? 其内部结构是什么样的?

答：

有些熔断器内装有石英砂，短路时熔丝融化后深入石英砂狭缝迅速冷却，使电弧熄灭非常迅速，在短路电流尚未达到其最大值之前就能熔断并灭弧，这种熔断器成为限流式熔断器 17

第五章 电气主接线

1．请按可靠性从高到低的顺序列出各种电气主接线的名称。

答：电气主接线的基本形式包括：汇流母线接线和无汇流母线接线两大类。

汇流母线接线有：双母线（变压器---母线接线、3/2台断路器双母线、双母线带旁路、双母线分段、简单双母线）；单母线（单母线带旁路、单母线分段、简单单母线）。

无汇流母线接线有：单元及扩大单元接线；桥形接线（外桥接线、内桥接线）；角形接线。

2．主母线作用是什么? 旁路母线作用是什么? 可否由旁路母线代替主母线工作?

答：主母线：在发电厂和变电站的各级电压配电装置中，将发电机、变压器等大型电气设备与各种电器装置连接的导体。作用是汇集、分配和传送电能。

旁路母线：断路器经过长期运行或者断开一定次数的短路电之后，其机械性能和灭弧性能都会下降，必须进行检修以恢复其性能。一般情况下，该回路必须停电才能检修，设置旁路母线的母的就是可以不停电地检修任一台出线断路器。

不能由旁路母线代替主母线工作

3．隔离开关可以进行哪些操作? 操作时应注意什么? 在什么情况下可以进行等电位操作? 答：（1）隔离电压；接通或断开很小的电流；与断路器配合或单独完成倒闸操作。

（2）①先合上隔离开关，后合上断路器；②先拉开断路器，后拉开隔离开关；③对于断路器两端的隔离开关：线路送电时，先合上电源侧的隔离开关，后合上负荷侧的隔离开关；线路停电时，先拉开负荷侧的隔离开关，后拉开电源侧的隔离开关

旁路母线在检修断路器时可以进行等电位操作。

4．在单母线带旁路母线的条件下，列出不停电检修某一出线断路器的操作步骤。

答：（1）合上旁路断路器两侧的隔离开关QS5、QS4。（2）合上旁路断路器QF ，对旁路母线充电检查（如旁路母线存在短路则旁路断路器会自动断开）。（3）如旁路母线充电正常，合上该出线的旁路隔离开关QS 。（4）断开欲检修的断路器

QF1。（5）断开两侧的隔离开关QS2和QS1

5．内桥接线和外桥接线各有何优缺点? 水电厂发电机承

担调峰任务，如用桥式接线用哪一种为宜?

答：内桥：适于当输电线路较长，故障机会较多，而变

压器又不需经常切换时的情况。

外桥：适于线路较短，且变压器又因经济运行的要求在负荷小时需使一台主变退出运行时以及当系统在本站高压侧有“穿越功率”时的情况。

内、外桥都有以下优点：高压电气少，布置简单，造价低，经适当布置可较容易地过渡成单母线段或双母线接线。缺点：可靠性不是太高，切换操作比较麻烦。

18

[[ 内桥接线

优点：简单经济，方便灵活，检修桥断路器时不必全部停电

缺点：当高压侧有穿越功率时，不能采用

适用：输电线路较长，故障机会较多，变压器不需经常切换

外桥接线

优点：高压电器少，布置简单

适用：线路较短，且变压器在负荷小时需一台主变退出运行

水电厂：外桥接线，因担任调峰任务，变压器需经常切换

]]

6．为什么对短路电流要采取措施加以限制? 有哪几种限制短路电流的方法? 分裂电抗器和分裂绕组变压器各有什么优缺点?

答：（1）在大容量发电厂中，当发电机并联运行于发电机电压母线时，其短路电流可能高达十几万甚至几十万安培，这将使母线、断路器等一次设备遭受到严重冲击。为了安全，必须加大设备型号，而无法采用价格便宜的轻型开关电器和较小截面的导线，这不仅会使投资大为增加，甚至会因短路电流太大而无法选到合乎要求的设备。因此····

（2）A. 选择适当的主接线形式和运行方式：①发电机组采用单元接线；②环形电网开环运行；③并联运行的变压器分开运行。B. 装置限流电抗器：①在发电机电压母线上装设分断电抗器；②在发电机电压电缆出线上装设出线电抗器；③装设分裂电抗器。④采用低压绕组分裂变压器。

7．自耦变压器有何优缺点?

答：优点：消耗材料省、体积小、重量轻、造价低，功率损耗低，输电效率高；可以扩大变压器的制造容量，便于运输和安装。在220kV 及以上降压变电所中应用很广泛

缺点：升压结构的自耦变压器由于漏磁较大不适于由低压侧和高压侧同时向中压测输送功率。自耦变压器的中性点必须直接接地（或经过小电抗接地），因为当高压电网内发生单相接地故障时在其中压侧绕组上出现过电压。

使电力系统短路电流增加；造成调压上的一些困难；使绕组的过电压保护复杂；使继电保护复杂。

10．电气主接线方案如何进行经济比较? 什么叫静态比较法? 什么叫动态比较法? 如何理解资金的时间效益?

答：电气主接线的技术比较，主要是比较各方案的供电可靠性和运行灵活性。经济比较包括：计算综合投资；计算年运行费；各方案的综合比较。

静态比较法：不考虑资金的时间效益，认为资金与时间无关，是静态的。分为抵偿年限法和年计算费用法

动态比较法：采用“最小年费用法”进行方案的动态比较。将参加比较的诸方案计算期内的全部支出费用折算到某一年，然后计算同一时期内的等年值费用即年费用后进行比较，年费用低的方案即为经济最优方案。

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