最新武汉大学电气工程基础总结(1)

电容效应（法拉效应）：空载长线末端电压高于首端电压的现象潜供电流：在超（特）高压输电线路运行中，时常会发生因雷击闪络等原因所产生的单相电弧接地故障。

在具有单相重合闸的线路中，当故障相被切除后，通过健全相对故障相的静电和电磁耦合，在接地电弧通道中仍将流过不大的感应电流，称为潜供电流或二次电流
灵活交流输电系统FACTS的主要特点是以大功率晶闸管部件组成的电子开关代替现有的机电开关，能自如地调节电网电压、功角和线路参数，使电力系统变得更加灵活可控、安全可靠，从而能在不改变现有电网结构的情况下提高其输送能力，增加其稳定性。

静止无功补偿器SVC
SCADA系统是电力系统调度自动控制系统，具有对电力系统运行状态的监视（包括信息的收集、处理和显示），远距离的开关操作，自动发电控制及经济运行，以及制表、记录和统计等功能。

它可将电网中各发电厂和变电所的有关数据集中显示到模拟盘上，使整个电力系统运行状态展现在调度员面前，及时将开关变化和数值越限报告给调度员。

过电压倍数K：内过电压的幅值与电网该处最高运行相电压的幅值之比。

自然功率在传输功率等于自然功率条件下线路任意点的电压均与首末端电压相等。

谐振过电压：因系统的电感、电容参数配合不当，出现的各种持续时间很长的谐振现象及其电压升高，称为谐振过电压。

电气一次接线：发电厂和变电站中的一次设备，按其功能和输配电流程，连接而成的电路称为电气主接线，也称为电气一次接线或一次系统。

二次接线（二次回路）：将二次设备按照工作要求，互相连接、组合在一起所形成的电路。

二次电气设备一般包括控制和信号设备、测量表计、继电保护装置及各种自动装置等 ,它们构成了发电厂和变电所的二次系统。

近后备保护：在保护安装处的主保护拒动时动作的保护称为近后备保护。

工频电压升高：电力系统在正常运行或故障时可能出现幅值超过最大工作相电压、频率为工频或接近工频的电压升高，称为工频电压升高。

电力系统远动：为了保证整个系统稳定、可靠、安全、经济地运行，必须对全系统进行统一的调度、控制和管理。

为此，调度控制中心必须能对分布于不同地点的发电厂、变电站等进行监视和控制，这就是电力系统远动，或称为远程监控。

有循环运输、自动传输、回答（轮询）传输三种工作模式。

纵差动保护：通过比较被保护元件两侧电流的大小和相位来实现的。

准同期并列：是在同步发电机投入调速器和励磁装置的条件下，当发电机电压的幅值、频率和相位分别与并列点系统侧电压的幅值、频率和相位接近相等时，通过并列点断路器合闸将发电机并入系统，优点：并列时的冲击电流小，对发电机和系统不会带来冲击。

缺点：在并列操作过程中需要对发电机电压和频率进行调整，捕捉合适的合闸相位点，所需并列时间较长。

自同期并列：是将未加励磁电流但接近同步转速且机组加速度小于允许值的发电机，通过断路器合闸并入系统，随之投入发电机励磁，在原动机转矩、同步力矩的作用下将发电机拉入同步，完成并列操作。

优点：操作简单和并列时间短。

缺点：并列时会产生较大的冲击电流，同时会从系统吸收无功而造成系统的电压下降。

1.中性点不接地系统中，电磁电压互感器饱和谐振过电压的形成与电网的负荷大小无关，因在中性点不接地系统中，电磁电压互感器饱和谐振过电压是零序性质的，电网负荷对它不起作用。

2.简述直流输电的优点、缺点以及适用范围。

答：优点：a.当输送功率相同时,其线路造价低b.当输送功率相同时,其功率损耗小c.两端交流电力系统不需要同步运行, 输电距离不受电力系统同步运行稳定性的限制d.直流线路的电压、电流、功率的调节比较容易和迅速e.可以实现不同频率或相同频率交流系统之间的非同步联系f.直流输电线路在稳态运行时没有电容电流g每个极可以作为一个独立回路运行，便于检修，分期投资和建设。

缺点：a.谐波b.消耗无功c.换流站造价高d.高压直流断路器e.大地回流造成的腐蚀及对交流系统的影响f.闭锁。

适用范围：a.远距离大功率输电b.海底电缆送电c.不同频率或相同额定频率非同步运行的交流系统之间的联络d.用地下电缆向用电密度高的城市供电
3.并联电抗器作用：a.对空载长线末端电压的限制b.对潜供电流的抑制
4.试述消除电压互感器饱和过电压的措施。

（1）在中性点经消弧线圈接地或直接接地的电网中尽量避免形成中性点不接地运行方式；（2）在中性点不接地的电网中，可在零序回路中增加阻尼（开口三角绕组接灯泡）或躲开谐振条件，包括选用励磁特性好的电磁式电压互感器或只使用电容式电压互感器，回路加电感，当空母线带PT合闸时可适当增加空线，减少系统中接地的PT台数等；
（3）保证系统三相对地阻抗的对称性，避免中性点位移。

5.分析铁磁谐振的发展过程，及七个特征分析。

答：按电路定理，电感上电压与电容上电压之间的差值必定等于电源电压。

因此，当我们将电源电压由正常工作值E开始不断加大时，电路的工作点将沿曲线3自a点上升。

但当电源电压超过m点的值U0后，工作点显然不是沿m-d段下降（因为后者意味着电源电压的下降），而将从m点突然跳到n点，并沿n-e段上升。

n点与m点相比较，其相应的电源电压虽然一样，但电容上的电压Uc值却大得多。

同时电感上的电压UL值也增大了。

即此时产生了过电压，其特征如下：a.铁磁谐振不像线性谐振那样需要有严格的C值，而是在满足式C＞1/ω2L0或
ω/
C
Lω
1
>的很大C值范围内都可能发生。

b.需要“激发”才会出现谐振c.电容越大，0
出现铁磁谐振的可能性将越小d.由于铁芯电感的饱和效应，铁磁谐振过电压幅值一般不会很高，而电流却可能很大e.铁磁谐振的产生虽需由电源电压大于U0来“激发”，但当“激发”过去后电源电压降到正常值时，铁磁谐振过电压仍可能继续存在，谐振状态可能“自保持”。

f.产生铁磁谐振时，电流的相角将有180°的转变，这叫作电流的“翻相”。

g.具有各次谐波谐振（实际上多为1/3、1/2、1和3次）的可能性
6.什么是高压断路器的“跳跃”现象？如何防止？
答：按下控制开关“SA合”后，断路器就合闸。

如果是合闸于有予伏性故障的线路上，则在继电保护作用下，断路器会自动事故跳闸。

假若控制开关“SA合”接触时间过长，或触点被焊住或机械被卡住不能复归，即“SA合”一直在发合闸信号，则断路器在事故跳闸后会再次合闸。

由于是永久性故障，在继电保护作用下，断路器又会跳闸，造成断路器多次合闸、跳闸，即出现断路器“跳跃”现象，这极易造成断路器损坏，必须加以防止。

方法:控制回路中设有防跳闭锁继电器KCF,电流线圈KCFⅠ串联在跳闸回路中，电压线圈KCFV串联在合闸回路中。

机理：a.当操作断路器跳闸时，电流线圈KCFⅠ励磁，其常开触点KCFⅠ1和KCFⅠ2闭合b.当合闸于有予伏性故障的线路并出现控制开关“SA合”被卡住时,电压线圈KCFV启动，其常闭触点KCFV2断开，切断了合闸回路，避免断路器的再次合闸。

7.因为隔离开关没有专门的灭弧装置，不能用来切断或接通负荷电流和短路电流，所有必须是在断路器断开及接地刀闸断开的情况下，才能对隔离开关进行操作。

为避免误操作，隔离开关与断路器、接地刀闸的操作之间必须按规定的操作顺序加以闭锁。

即在图14-12中隔离开关1QS的控制回路中应采用接地刀闸1QS的动断触点作闭锁，隔离开关2QS的控制回路中应同时采用接地刀闸2QS1和2QS2的动断触点作闭锁，隔离开关1QS和2QS控制回路与断路器的闭锁
可共同由断路器的动断辅助触点QF来实现。

8.电力系统的电压下降会引起哪些事故？自动控制系统应采用哪些措施恢复电压？
答：当系统中无功电源短缺时，电网电压将大幅度下降。

某些枢纽变电站母线电压遇到较大扰动时，将会瞬间引起静态稳定的破坏，形成电压崩溃，导致系统瓦解。

因此，当电网电压大幅下降时，自动控制系统应采取积极措施，提高电力系统的电压水平。

措施包括：a.迅速通过同步电动机的自动调节励磁装置提高励磁或强行励磁。

b.利用静补或串补的作用及调相机的备用无功容量，增加系统无功功率。

c.必要时切除系统中电压最低点处的用电负荷。

9.电力系统的频率下降会引起哪些事故？自动控制系统应采用哪些措施恢复频率？
答：频率下降到46Hz左右时，会使火电厂的有功出力降低，从而使系统频率进一步下降，造成频率崩溃，系统瓦解，形成大面积停电。

因此，当系统频率大幅度下降时，自动控制系统应采取措施，迅速恢复频率。

措施：a.迅速启用电力系统中的旋转备用b.迅速启动和投入备用发电机组（主要是水电发电机组，采用低频自启动）c.自动按频率减负荷，切除部分用户负荷
d.自动解列，将系统解列成几个小系统运行。

10.电力系统调度自动化的功能包括：a.电力系统监视与控制b.电力系统安全分析c.电力系统经济调度d.自动发电控制
11.切断有负载的变压器时为什么不会产生过电压？
答：切断有负载的变压器时，负载电流大，断路器触头间的电弧将在电流过零时熄灭，不会产生截流现象，因此不会产生过电压。

12.试分析切空线过电压的形成过程及影响因素。

答：切空线过电压形成的根源在于电弧重燃。

当断路器动作切断空长线后，电弧熄灭，空长线的电容上的电荷无处释放，将保持在熄弧时的电压，设为电源电压最大值Em（即断口电容电流在过零时熄灭）。

而电源电压e则继续按工频变化。

断路器两端将承受一定电压，在半个工频周期后，电源电压达到-Em，断口电压达到2Em。

如果断口的介质强度不够，就可能发生重燃，长线上的电压就会从初始的Em过渡到稳态值-Em，在振荡过程中电压最大可达2（-Em）-Em=-3Em。

伴随高频振荡电压的出现，断口间将有高频电流流过，它超前于高频电压90°。

因此当长线电容电压达到-3Em时，高频电流恰好经过零点，电弧可能再一次熄灭。

电容电压将保持在-3Em，而电源电压又将按工频周期变化。

半个周期以后，电源电压将达到Em，断口承受的电压将达到4Em，又可能发生第二次重燃，线路上最大过电压将达到5Em。

依此类推，过电压可按（-7Em）、9Em……的规律逐渐增大。

这是切空线过电压形成的基本过程。

事实上，切空线过电压不会按3、5、7倍逐次增加。

影响切空线过电压的因素有：a.熄弧的随机性b.重燃的随机性c.断路器的三相不同期合闸d.母线上的其它出线。

13.断路器断口并联电阻为什么能限制合空线过电压？
答：合空线过电压的形成的原因在于合闸时刻断路器两端的电源电压与线路电压不相等，导致合闸后过渡过程产生过电压。

断路器断口并联电阻的工作原理如图所示。

其中K1为主触头，K2为辅助触头，R为断口并联电阻。

在合闸时，辅助触头K2先通，电流流经合闸电阻及辅助触头，合闸电阻的值在300Ω左右，可以阻尼合闸时产生的振荡，不产生过电压。

经过1.5~2个工频周期后再合主触头K1。

此时，合闸电流已较小，R两端的电压不大，合上主触头K1，使合闸电阻因被短接而退出回路。

因此，断路器断口并联电阻能够限制合空线过电压。

14.为什么220kV及以下线路不需采用限制重合闸过电压的措施？
答：220kV及以下系统由于电压等级相对较低，相对地绝缘可以配置得较高，都达到3倍最高运行相电压或更高。

而220kV及以下系统的线路一般都不长，重合空线过电压的倍数不髙，线路绝缘本身已足以承受重合闸过电压的作用，因此不需要采用限制重合闸过电压的措施。

15. 以三段式电流保护为例，说明保护配置时应该如何保证动作的选择性
以各级线路动作值和动作时间相互配合来保证选择性：电流I段瞬时电流速断保护按躲开本线路末端最大短路电流整定，动作时间为0s；电流II段限时电流速断整定值与下一条线路的I 段（或II段）整定值配合，动作时间相应提高△t；电流III段定时限过电流保护整定电流按躲开本线路的最大负荷电流来整定，定值较小，因此采用动作时间来保证选择性。

电流III 段动作时间按照阶梯原则整定，即前一级线路比后一级线路动作时间相应提高△t；并且电流III段动作时间长于电流I、II段动作时间。

三段式电流保护构成原则：电流速断和限时电流速断作主保护，定时限过电流保护作后备保护。

16.试述中性点不接地的电网中，消除电压互感器饱和过电压的措施。

答：a.躲开谐振参数条件：11<0.01C m
X X 时，可不谐振，C11X 为对地电容，m X 为电压互感器高压侧在线电压下的每相励磁电抗。

当空母线带PT 合闸时出现过电压,可适当增加空线(如事先规定好的某些线路和设备)，减少系统中接地的PT 台数(XC 上升)—建议用户PT 不接地，选用励磁特性好的电磁式电压互感器或只使用电容式电压互感器b.在零序回路中加阻尼电阻：在PT 高压侧中性点对地加R ；在开口三角处加电阻R ；c.避免产生中性点位移：保证系统三相对地阻抗的对称性，避免中性点位移，禁止只使用一相或二相电压互感器接在相线与地线之间。

17.含有铁芯元件的回路中为什么会出现铁磁谐振过电压？
答：电力系统正常运行时呈感性。

当外界扰动使电流增大时，铁芯元件磁饱和，L 下降。

当L 下降到感抗与容抗接近或相等时就出现铁磁谐振过电压。

即使外界扰动消除，铁磁谐振过电压仍会存在。

18.中性点直接接地电网发生单相接地时，零序电流和零序电压各有什么特点？
答：零序分量有以下特点：a.故障点的零序电压最高，变压器中性点接地处零序电压为零。

b.零序电流是由故障点处的零序电压产生的。

零序电流的大小和分布，主要决定于变压器的零序阻抗，亦即决定于中性点接地变压器的数目和分布，与电源的数目和位置无关。

19.试述输电线路纵差动保护的基本原理。

差动保护是否要求与相邻元件相配合？
答：当正常运行及保护范围外部故障（如图13-32(a)所示f1点短路）时，两侧电流互感器一次
侧流过的两个电流相等，即I Ⅰ=I Ⅱ。

假定两侧电流互感器变比相同（均为kTA ），在忽略互
感器的励磁电流的理想情况下，二次侧的两个电流I
Ⅰ2和I Ⅱ2大小相等、方向相反，此时流入差动继电器的电流为零，即I k=I Ⅰ2－I Ⅱ2=TA 1
k （I I －I I I ）=0
当线路内部故障时（图13-32(b)所示f2点短路）时，流入继电器的电流为I k=I I2+I II2=TA
2
k I f 式中:I
f2为短路点的总电流，当Ik ≥IOP 时，继电器立即动作，跳开线路两侧断路器。

差动保护不需要与相邻元件相配合。

20.变压器纵差动保护中产生不平衡电流的原因主要有：a ．变压器励磁涌流造成的不平衡电流b.变压器两侧电流相位不同引起的不平衡电流c.电流互感器变比标准化引起的不平衡电流，4d.两侧电流互感器型号不同产生的不平衡电流e.变压器带负荷调整分接头产生的不平衡电流。

21.继电保护装置：能迅速反应电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，发出操作指令使断路器跳闸或发出示警信号的一种自动装置。

基本要求：选择性、速动性、灵敏性、可靠性。

选择性是指当系统发生故障时，保护装置仅将故障设备从系统中切除，使停电范围尽量缩小，保证系统中非故障部分仍将继续进行。

速动性就是快速切除故障设备。

对动作于跳闸的保护，要求动作迅速的原因是：减少用户在电压降低的条件下的运行时间，降低短路电流及其引起的电弧对故障设备的损坏程度，以及保证电力系统并列运行的稳定性。

灵敏性是指对其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。

满足灵敏性要求的保护装置，应在保护范围内部故障时，不论故障点的位置、故障的类型及系统运行方式如何，都能灵敏地反应。

可靠性是指在保护范围内发生了它应该动作的故障时，保护应可靠动作，即不拒动；而在任何其他不应动作的情况下，保护应可靠不动作，即不误动。

基本任务：a.对故障特征量进行提取和分析，自动、迅速、有选择性地动作于断路器跳闸，将故障设备从电力系统中切除，保证无故障部分迅速恢复正常运行。

b.反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护条件（如有无经常值班人员等）分别动作于发信号、减负荷或跳闸。

反映不正常工作状态的保护装置通常允许带一定的延时动作。

c.还可与电路系统中其他自动化装置配合，在条件允许时，采取预定措施，缩短事故停电时间，尽快恢复供电，从而提高电力系统运行的可靠性。

1.操作电源：在发电厂和变电所中，对开关电器的远距离操作、信号设备、测量设备、继电保护和自动控制装置、事故照明、直流油泵及交流不停电装置等用电，都需有专门的供电电源，这种电源称为操作电源。

可分为直流和交流两大类，通常以直流为主，也有采用交直流结合的操作电源。

发电厂常用操作电源：a.蓄电池操作电源：酸性蓄电池具有容量大、可用大电流短时放电等特点，所有通常用于大、中型发电厂和变电所。

碱性蓄电池具有体积小、容量小、便于维护和价格高等特点，一般适用于中、小型发电厂和变电所。

b.硅整流电容储能直流操作电源：优点是投资省、设备少、维护简单、占地面积小，缺点是储能容量有限而且电容放电电压按指数曲线衰减，不能保证对负荷长期连续供电，因此只能用作小型变电所的直流操作电源。

c.复式整流直流操作电源：与蓄电池直流电源比较，有设备少、投资省、维护简单和占地小等优点；但是整个装置结构复杂、整流系统设置和调试困难，其可靠性受系统运行方式影响较大，因此仅适用于中小变电站或小型水电站。

d.交流操作电源：接线简单、设备少、投资省。

但难以适应较复杂的保护装置的要求，且其灵敏度和可靠度较低，所以只适用于偏远的小型变电所。

2.电流保护的接线方式：是指电流保护中电流继电器线圈与电流互感器二次绕组间的连接方式。

目前有：三相星形接线、两相星形接线、两相三继电器接线。

两相星形接线优点：当小电流接地电网中发生不同地点的两点接地短路时，若为并行线路上的两点接地，若采用两相星形接线，则保护有2/3机会只切除一条线路，从而提高了供电可靠性。

缺点：当中性点不直接接地电网中发生不同地点的两点接地短路时，若为串联线路上的两点接地，若采用两相星形接线，则保护有1/3机会使靠近电源的线路l1误跳，扩大了停电范围，作为降压变压器和相邻线路保护的后备保护时，会出现灵敏度不能满足要求的情况。

在大电流接地电网中发生单相接地故障时，两相星形接线有一相无法反映故障。

三相星形接线的优缺点与两相星形接线正好相反。

3.电气二次接线图：用规定的图形符号和文字符号将电气二次设备按照工作要求连接在一起的图形称为电气二次接线图。

a.原理接线图：表明二次回路的工作原理，是绘制展开接线图和安装接线图的基础。

特点：图中元件设备以整体形式表示，并不绘出元件本身内部接线，而且电气一次设备和二次设备、交流和直流回路均绘在一起。

b.展开接线图：以独特形式表达出装置的动作原理。

特点：将二次回路有关设备解体，按供电电源不同分为交流电流回路、交流电压回路、直流操作回路和信号回路等几部分。

c.安装接线图：根据安装施工的要求，表示出二次设备具体位置和布线方式的图形。

安装接线图是生产厂家加工制造控制、保护屏（台）和现场施工安装必不可少的图纸，也是试验、检修、运行的主要参考图纸。

安装接线图包括屏面布置图、屏背面接线图、端子排图和电缆配置图等。

4.就地手动合闸：首先将控制开关S旋至“就地”位置、遥控压板XB2打开，核对无误后，按下控制开关“SA合”，这时电路（+W）-S-SA合-KCFV2-K3-QF2-YC-(-W)接通，于是断路器合闸。

接着，断路器辅助触点QF1闭合、出点QF2断开。

辅助触点QF2的断开切断了合闸回路的电源，可避免合闸线圈YC因长期通电而烧毁，辅助触点QF1的闭合，电路（+W）
-K7-HR-QF1-YT-(-W)接通，于是红灯发光，表明断路器处于合闸状态，同时合闸位置继电器
K7也励磁动作，发出合闸信息。

远方遥控合闸：控制开关S旋至“远方”位置、遥控压板XB2接通,（+W）―S―XB2―K2―R―（-W）接通；K2励磁并动作，发出可进行操作信息，通过远方合闸继电器K5动作，使其常开触点K5闭合；(+W)―S―XB2-K5―KCFV2―K3―QF2―YC―（-W）接通，断路器合闸以下与就地手动合闸相同.
就地手动跳闸：控制开关S旋至“就地”位置、遥控压板XB2打开 ,按下控制开关“SA跳”，（＋W）―S―SA跳―K1―(-W)接通；K1励磁并动作，其常开触点闭合，（+W）―K1―KCF1―QF1―YT―（-W）接通，断路器跳闸；QF1断开，切断跳闸线圈YT的电源；QF2闭合，绿灯HG发光，表明断路器处于跳闸状态，跳闸位置继电器K6动作发出跳闸信息。

远方自动跳闸：控制开关S旋至“远方”位置、遥控压板XB2接通,（+W）―S―XB2―K2―R―（-W）接通，K2动作，发出可进行操作信息，通过远方跳闸继电器K4动作，使其常开触点K4闭合，K1励磁并动作，其常开触点闭合，（+W）―K1―KCF1―QF1―YT―（-W）接通，断路器跳闸，QF1断开，切断跳闸线圈YT的电源；QF2闭合，绿灯HG发光，表明断路器处于跳闸状态，跳闸位置继电器K6动作发出跳闸信息。

13-10 图13-37所示网络中，保护1装设了三段式电流保护，试进行Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段电流保护的整定计算，即求保护1的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的动作电流、动作时间和Ⅰ段的最小保护范围l min %，以及Ⅱ段和Ⅲ段的灵敏系数。

已知变压器上装有电流速断保护，线路每公里正序电抗为x 1=0.4Ω/km ，可靠系数I rel K =1.3，II rel K =1.15，III rel K =1.2，返回系数K re =0.85，电动机自启动系数K st =1.5，其它参数标于图中。

解：（１）先求电流Ⅰ段的整定值)(788.34
.03053.53/115min .3max f kA X X E I AB s P B =⨯+=+=）（ )(0864.34
.03063.63/1152323max .)2(min f kA X X E I AB s P B =⨯+⨯=+= )(6604.14
.0)4030(63.63/1152323max .)2(min f kA X X X E I BC AB s P C =⨯++⨯=++= =I 1
p o I I rel K ）（3m ax fB I =1.3×3.788=4.924(kA) 动作时限为：)(01s t =I
最小保护范围 min l (%)=%100)23(1max S I 1
OP AB ⨯-X I E X ϕ=)63.6924.43/11523(4.0301-⨯%100⨯ =42.06% > (10~20)% (2)电流Ⅱ段的整定值： )(9802.1)4030(4.053.53/115min .max kA X X X E I BC AB s P fC =+⨯+=++=
)(4208.19
.29304.053.53/115min .max kA X X X E I T AB s P fD =+⨯+=++=
（i ）与线路BC 配合：
=I I 1op I I I rel K =I 2op I =I I rel K I rel K m ax
f C I =1.3×1.15×1.9802=2.9604(kA) (ii)与相邻变压器配合，由于变压器装有纵差动保护，故有
=I I op1I I I rel K =I 3op I I I rel K I rel K max
fD I =1.3×1.15×1.4208=2.1240（kA ） 取（i ）(ii)的较大值作整定值，=I I 1
op I 2.9604(kA) 校验灵敏度：04.19604
.20864.31)2(min
.1===I I I I op fB I I K <1.3～1.5， 不满足要求，需考虑与相邻线路的电流II 段配合，
故动作时限为：
+=I I I I 21t t ∆t=+I 5t 2∆t=1(s)。