《发电厂电气部分》课后题部分答案

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

1

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。

（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

IC=(2.7～3.3)U?-?×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

IC=0.1U?-? （A）

2

式中 U?-? ——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=1.5IC·U? （kVA）

式中 IC——电网一相接地电容电流（A）； U?——电网相电压（kV）。

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。

3

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ish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．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；

4

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XN、UN、SN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

2UNSXXd*??XN*??d2

XdSNUd计算，当UN与Ud相等时，可按公式：

Xd*?XN*?计算。其它基准下元件电抗的标么值换算一样。

Sd SN4．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）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ZG=0（xG=0，rG=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：

IP??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

Ip=Ip*·Id=Id / X*

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inp按指数曲线衰减

tTainp?inp0?e冲击短路电流的计算公式为：

?

ish=?2Ksh·Ip

其中Ksh为短路电流冲击系数，对无限大容量电源Ksh=1.8。

5

三绕组变压器：Uk1%=(Uk1-2%+Uk1-3%-Uk2-3%)/2=(10.5+17-6)/2=10.75

Uk2%=(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）

Uk3%=(Uk1-3%+Uk2-3%-Uk1-2%)/2=(17+6-10.5)/2=6.25

X5=(Uk3%/100)(Sd/SN)=(6.25/100)(100/60)=0.104=X8

X6=(Uk1%/100)(Sd/SN)=(10.75/100)(100/60)=0.179=X9 X7=(Uk2%/100)(Sd/SN)=(-0.25/100)(100/60)=-0.004=X10

2）电抗1、4串联电抗合并X11= X1+X4=0.364+0.175=0.539 电抗2、5串联电抗合并X12= X2+X3=0.364+0.104=0.468

电抗3、8串联电抗合并X13= X3+X8=0.364+0.104=0.468 3）电抗6、9并联电抗合并X14=(X6·X9)/(X6+X9)=0.179/2=0.089

电抗12、13并联电抗合并X15=(X12·X13)/(X12+X13)=0.468/2=0.234 电抗7、10并联电抗合并X16=(X7·X10)/(X7+X10)=-0.004/2=-0.002 4）电抗11、14串联电抗合并X17= X11+X14=0.539+0.089=0.628 5）星形?三角形，X18?X16?X17?X16X170.002?0.628?0.628?0.002??0.621 X150.234X19?X15?X16?（3）求计算电抗

X15X160.002?0.234?0.234?0.002??0.231 X170.628水电厂G1对k点转移电抗为X18，水电厂G2、G3对k点转移电抗为X19，则， 水电厂G1对k点计算电抗为Xca= X18(SG/Sd)=0.621×(55/100)=0.342 水电厂G2、G3对k点计算电抗为Xca= X19(SG/Sd)=0.231×(110/100)=0.254 （4）求K点三相短路时短路点的I?、ish、I∞

1）水电厂G1对k点次暂态短路电流标么值I*?：根据Xca=0.342，查t=0时曲线，得I*?=3.26 水电厂G1对k点稳态短路电流标么值I∞*：根据Xca=0.342，查t=4时曲线，得I∞*=2.82 基准电流Id=55/(?3×115)=0.276 kA；

水电厂G1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G1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G2、G3对k点次暂态短路电流标么值I*?：根据Xca=0.254，查t=0时曲线，得I*?=4.36

水电厂G2、G3对k点稳态短路电流标么值I∞*：根据Xca=0.254，查t=4时曲线，得I∞

*=3.16

基准电流Id=110/(?3×115)=0.552 kA；

水电厂G2、G3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G2、G3对k点稳态短路电流有名值I?=Id·I∞*=0.552×3.16=1.744kA 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ish=?2Ksh I?，变压器后短路时Ksh=1.85，则，

ish=?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

11．如图2-45所示电力系统，已知K1短路时短路点的I?＝2.51kA，求K2点三相短路时短路点的I?。

1 1

K1

3 2.75 2 1.75

K2

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X3，如图2-11-2。 （2）参数计算 1）各元件参数： 取Sd=500MVA，Ud=Uav 系统及双回路线电抗X1：

基准电流Id=Sd/(?3·Ud)=500/(?3×115)=2.51kA 已知K1短路时短路点的I?＝2.51kA，则X1= Id /I?=1 变压器：X2= (Ud%/100)·Sd/SN=(10.5/100)×500/30=1.75 2）电抗1、2串联电抗合并X3= X1+X2=1+1.75=2.75 （3）K2点三相短路时短路点的I? K2点三相短路时短路点的I*?=1/2.75

基准电流Id=Sd/(?3·Ud)=500/(?3×10.5)=27.5kA K2点三相短路时短路点的I?=27.5/2.75=10 kA

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图2-11-2 K2

等值电路化简

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：

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

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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。

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是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?k不大于导体材料短时发热的最高允许温度?al，即

?k≤?al

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Smin?电器的短时热稳定条件是：Qkt?It2t

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：Qpt?1CKfQkt，

t22?2[(I?t?Ipt] p)?10Ip2122?短路电流非周期分量的热效应的计算：Qnpt?Ta(I?p)

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：Ial??A?alR??A(?al??0)R

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?al；如铝导体接头螺栓连接时?al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。

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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。

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?0.173KishL（N） a式中：ish——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：

??≤?al

式中：?al——母线材料的允许应力，Pa。

??——母线受到的最大相间应力。

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

Lmax?10?alW10?alW7.6???alWa (m)

1f?ish20.173isha式中：ish——冲击短路电流，kA； a——母线相间距离，m； W——母线截面形状系数，m3。

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?

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