1.第一章 概述

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1793年,意大利物理学家伏打在英国皇家学会大厅观 看了伽伐尼的青蛙实验后,立即重复进行这个实验。他 反复实验多次,最后认为青蛙腿的收缩不是由于“动物 电”造成的,而是由于铜、铁带有不同的电荷,两种金 属接触产生电流而使蛙腿收缩,即认为是由“金属电” 造成的。为研究金属电,伏打测定了金属起电序列。金 属起电序列意谓着,两种金属接触时,序列前面的金属 必带正电,后面金属必带负电。 1799年,伏打在锌板和铜Biblioteka Baidu间放入盐水,发明了原 始的电池。1800年,改用稀硫酸,在锌板和铜板间放入 浸有稀硫酸的绒布片,构成一个单元电池。为了提高电 压,他将多个单元电池重叠起来制成了电堆。为了表示 电池作用的大小,伏打还提出了“电动势”的概念。
另外,库仑还确认了磁性体同性相斥、异性相吸的距 离平方反比定律。 库仑定律迈开了从定性研究到定量研究的具有决 定意义的第一步,为静电学奠定了科学基础。从此,电、 磁学研究插上了数学的翅膀,步入了一个革命化的时代。 从吉尔伯特发表《磁石论》到库仑定律的提出, 经历了漫长的180多年。其间人们通过观察和实验所获 得的电学知识还仅仅局限于物体所带的静电荷,这是电 学的初级阶段。
第二节 电力工业的发展
1、电力工业发展史上的一些事件
1600年,吉尔伯特(英国)发表了近代电、 磁学的开山巨著《关于磁石、磁性体及磁性地球的新 自然哲学论》简称《磁石论》。在《磁石论》中,记 录了他所进行的电气实验和观察到的电气现象,摩擦 起电、小磁针偏转等,提出了“琥珀力”、“电气素 (eleetric effluvium)”、“非电气素 (anelectrics)”、“地磁”、“磁极”等概念。 吉 尔伯特是世界上第一个对电、磁进行科学实验和研究 的科学家,是建立近代电学、磁学的先行者,因此他 被誉为“磁学之父”、“磁学的伽利略”、“电学之 父”。
1820年9月,巴黎工业大学教授安培,重复了奥斯 特的实验。他发现了磁针转动方向与电流方向之间的 关系,后来经麦克斯威总结为右手螺旋定则。
同年,安培用实验验证了平行电流间存在作用力, 在他发表的论文中指出了“同向电流相吸,反向电流 相斥”的法则。安培还发现螺线管通电后与天然磁铁 的作用一样。
1821年1月,安培提出了解释磁铁的磁性来源的分子电 流学说,认为一切铁磁物质都由许多微粒组成,每个微 粒中都有一个小的环形电流——分子电流,分子电流使 每个微粒都成为一个微小的磁体。安培的分子电流学说 与现代物理学关于物质磁性的理解是相当吻合的。他还 认为所有电磁作用都是电流与电流间的作用,他称这种 作用力为电动力。 1821~1825年间,安培推导了电动力的公式,提 出了作为现代电磁学基本公式之一的安培环路定律。 F=BIL
奥斯特意识到这可能是一个重大的发现,他闭门 谢客,潜心实验研究,发表了《关于电冲击对磁针作 用的实验》的文章。文章中写到:“当导线距磁针约3/4 英寸时,磁针约偏转45°。距离增加则磁针偏转角度 减小,偏转的大小还与电池的强弱有关。……这种效 应可以透过玻璃、金属、木材、树脂、石头等。…… 导线在磁针上方或磁针下方,其偏转方向是相反的。” 奥斯特的发现是电流产生磁效应的第一个明确的证 据,它打开了电磁学的大门,是电磁学史上的重大发 现。 1820年,德国科学家施魏格尔和波根多费在多匝线 圈中放置磁针,制成了最早的电流检测装置。同年,法 国毕奥和萨伐尔得出了直线电流元的磁力定律—毕奥一 萨伐尔定律。
莱顿瓶给电学研究带来了很大 的方便,放电时产生的光和声也刺 激和吸引了更多的人从事电的研究, 在一定程度上推动了电学的发展。
1747年,美国政治家、科学家和文学家富兰克林首 先发现尖端导体放电现象,提出了著名的单电流体 (electric efflulvia)理论,认为电是一种单一的、没有重 量的流体。各种物体都含有一定数量的电流体,超过这 个固定的量物体就带正电,低于这个固定的量物体就带 负电。这里他首次借用数学上的正、负(“+”、“-’)来 表示电荷的性质,为后人研究电现象带来了方便。 他发现莱顿瓶内、外壁所带电荷的性质相反而数量 相等,提出了电荷守恒原理。在进行莱顿瓶实验的过程 中,他发现莱顿瓶的放电和天空中的雷电有许多相同的 地方。 1750年,英国剑桥大学的米切尔发现磁铁的磁力大小 与距离的平方成反比。 1752年,富兰克林通过著名的风筝实验证明了雷电 就是一种放电现象,这种电与摩擦电没有区别。风筝实 验对人类认识雷电具有革命性的贡献。 1753年,富兰克林在家中安装了一个尖端避雷装置。
1766年,富兰克林的好友普利斯特利通过实验和 研究,得出“电力与万有引力有相同的公式,是按距 离平方而变化的”。电力、磁力、引力都可以穿越浩 瀚的虚空,都遵从与距离的平方成反比的规律。 1769年,罗宾逊,1773年,卡文迪什分别通过实验 验证了电力与距离的平方成反比的规律。 1785~1789年,库伦设计并进行了著名的扭秤和 扭摆实验,反复实验证明,两个同电荷的带电体,其 斥力与两个电荷的乘积成正比,而与两个带电体中心 间的距离的平方成反比;两个不同电荷的带电体,其 吸力也与两个带电体中心间距离的平方成反比。这就 是静电力的库伦定律。
安培还首先区分了“静电学”和“动电学”,采用了“电动 力学”这一新名词,提出了“电压”、“电流”的概念,他将测量 电荷性质的仪器用于电流测量,并命名为电流计。安培是电动力学 的创始人,他的研究对电磁理论的发展作出了巨大的贡献。所以, 著名科学家麦克斯韦称他为“电气方面的牛顿。”
1821 年,法拉第做了“水银杯实验”,发现通电 的导线能绕永久磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动。 第一次实现了电磁运动向机械运动的转换,从而建立 了电动机的实验室模型,被认为是世界上第一台电机。 这是法拉第的第一项重大发明。 1822年,英国皇家军事学院数学教 授巴洛对法拉弟电动机进行了改进,制 成了巴洛星形轮电动机。 1823年,英国电气工程师斯特金 对巴洛星形轮电动机进行了改进,他 用金属圆盘代替星形轮,制成了如图 所示的圆盘式电动机。
1824年,法国著名科学家阿拉果在一个悬挂的永 磁针的外面围绕一个铜圆环,转动永磁针时,他发现 铜圆环会对它产生阻尼作用。实际上,这是阿拉果利 用机械力产生了旋转磁场。第二年,他将铜盘放在悬 挂的永磁针下面,转动铜盘,发现永磁针也发生偏转, 这一现象称为阿拉果旋转。 1831年,英国物理学家、化学家法拉弟分别用下 列实验装置进行了试验,都从检流计中观察到了电流, 确认了电磁感应现象。并于1851年在《论磁力线》一 书中提出了著名的电磁感应定律:“一个线圈中产生的 感应电流,其大小与单位时间中线圈所切割的磁力线 数成正比,与线圈电阻成反比。”
1780年,意大利生物学家伽伐尼在做解剖青蛙实验 时,发现金属器械触及蛙的神经时蛙腿会剧烈痉挛。经 过反复实验,他认为痉挛起因于动物体上本来就存在的 电,他还把这种电叫做“动物电”。 1791年他发表了《论肌肉运动中的电气作用》,标 志着“电流”的发现。 伽伐尼是人类历史上第一个发现并研究动电流的人, 他使人类对电的认识产生了一个飞跃,从静电领域扩展 至动电领域。伽伐尼的实验和发现还极大地激发了人们 对动电研究的热情,正如伏打所说,伽伐尼的实验“在 物理学和化学史上,是足以称得上划时代的伟大发明 的”。
220kV及以上称为输电系统; 110kV及一下称为配电系统; 有交流和直流两种输电方式; 电压等级有:1000kV、750kV、500kV、330kV、220kV、 110kV、、66kV、35kV、10kV、6kV、3kV、0.4kV;

2.电力系统的特点




与国民经济和人民的生活密切相关; 电能不能大量存储,产销是同时进行的; 任何事件的发生都会非常迅速的影响整个系统; 电能质量影响用电设备的效率、寿命、产品的质量。 电能质量包括:电压、频率、波形、三相对称度 电能生产和使用必须遵循“安全第一”的原则。管理、 操作、使用不当,将会危及人身和设备安全。
伏打在人类历史上第一次提供了一种可以控制的产生 动电(电流)的电源装置,它是电学由静电发展到动电的 转机,它为电解、电弧、电镀、电流研究等准备了条件, 开创了电流的应用领域,并对现代电磁学的建立和电工 技术的发展起了重要的作用。 1807年,丹麦科学家,哥本哈根大学教授奥斯特发现 了当电流流过时,磁针有偏转倾向。1820年,奥斯特在 课堂上演示伏打电池功能时,将电池的两个极用导线连 在一起,把导线靠近磁针,当导线水平布置并与磁针垂 直时,没有发现其它现象;当使磁针与导线并行,即发 现磁针明显偏摆。
1746年,荷兰物理学家穆申布鲁克和他的学生发 明了一种储存电荷的装置——莱顿瓶(Leyden jar)。 经改造的莱顿瓶玻璃瓶内、外壁分别贴上锡箔,瓶内 壁的锡箔通过金属链1、金属棒2与金属球3相连。当用 一个带电体(假如带正电)与金属球3接触,则瓶内壁锡 箔就会带正电,瓶外壁锡箔将带负电。移开带电体后, 则带电体传给瓶内壁锡箔的电荷就可保持一段时间。 使用时,只需用导体5的一端与瓶外壁锡箔相接,另一 端靠近金属球3,即可在金属球3与导体间产生放电,发 出火花。
1629年,意大利人N.科贝奥发现同性电荷相斥 现象。 1663年,德国物理学家、马德堡市市长格里 克制成了硫磺球起电机,他将一个硫磺球支承在一 个旋转的支架上,用手摩擦硫磺球即可使它带电。
1705年,英国科学家霍克斯比改进 了格里克的起电机,制成了一台玻璃球手 摇起电机。
1729年,英国电工实验师格雷发现了电传导现象, 并根据材料的电性能,把材料分为能传送电荷的物体 和不能传送电荷的物体。 1733年,法国人杜费和英国人西默发表重要论文 《论电》,提出电的二元流体假设。认为存在两种不 同性质的电荷,一种是丝绸摩擦玻璃棒而产生的电荷, 他取名为玻璃电(vitreous eleetrieity);另一种是猫 皮摩擦树脂或琥珀而产生的电荷,他取名为树脂电 (resinous eleetrieity)。总结出了静电学的第一个基 本原理——带同样性质电荷的物体互相排斥,带不同 性质电荷的物体互相吸引。还总结出物体带电的3种方 式——摩擦带电、传导带电、感应带电。 1740年,法国人德萨居利埃第一次建议将它们分别 称为导体(或非电介质)和绝缘体(或电介质)。
3.对电力系统的基本要求
安全、可靠、合格、经济、环保


保证安全可靠供电。设备安全、人员安全、供 电不间断。 提供合格的电能。电压(±7%~±10%)、频 率(±0.2正常时~±0.5Hz故障时)、波形(总 谐波畸变率、各次谐波含量符合国家标准)、 三相对称度(负序分量与正序分量比值的百分 数,正常时2%、短时4%)。 提高系统运行的经济性。更新技术和设备、节 能降耗、经济调度。 符合环保要求。达标排放废气、废渣、废水; 减低电磁辐射、噪音。
在发明圆盘式直流发电机后,法拉弟设计制造了一些其它形式的发电机。 上图为他制造的一台单导体环形直流发电机。图中W为矩形导体,用手柄转动 导体W旋转,切割地磁场的磁通,就可以在导体W中产生电流,然后通过两半 式换向器C,即可输出直流电流。
1831年10月28日,法拉第发明了圆盘发电机,这 是法拉第第二项重大的电发明。这个圆盘发电机,结构 虽然简单,但它却是人类创造出的第一个发电机。现代 世界上产生电力的发电机就是从它开始的。 它是在一只马蹄形永久磁铁的中间放一个直径约 30cm的铜圆盘,并在圆盘的中心和外缘装上摩擦接触 片(电刷),当手摇圆盘转动时,圆盘切割磁力线而产生 电流。法拉弟圆盘发电机是是现代直流发电机的始祖。
发电厂变电所电气一次部分
课程的内容


本课程讲授与电力网络的构成(设备和接线)、 运行和设计相关的内容。 是一门专业课。前修或同修课程:电力系统分析、 继电保护、高电压技术、自动装置等。
第一章 电力工业概述
第一节 电力系统

1.电力系统的组成 电力系统由发电、输电、变电、配电和用电设备组 成,完成电能的生产、变换、传输、分配和使用的 一个整体。 电力系统由电源、电力网络、用电设备三部分组成, 发电厂和变电所的电气部分是电力网络的重要组成 部分。
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