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张刘春设计肖登明主编中国电力出版社出版2005张刘春设计第一章绪论电气工程概论张刘春设计电气工程概论第一章绪论一、电气工程的历史和形成电气工程是研究电磁领域的客观规律及其应用的科学技术，以电工科学中的理论和方法为基础而形成的工程技术称为电气工程。根据电气工程学科的发展现状，可将其分为相对独立的五个分学科:电力系统及其自动化技术、电机与电器及其控制技术、高电压与绝缘技术、电力电子技术和电工新技术其结构简图如下图所示。张刘春设计电气工程概论第一章绪论张刘春设计电气工程除具有其各分支学科的专业理论外，还具有本学科的共性基础理论（电路理论、电磁场理论、电磁计量理论等），它与基础科学（如物理、数学等）中的相应分支具有密切的联系，但又具有明显的差别。基础科学的主要任务是认识客观世界的本质及其内在规律。技术科学的目的则在于改造客观世界以达到人们的预定要求。电工学科的基础理论所研究的对象是经过人类加工改造后出现的新现象，而不是自然界固有存在的现象。还不能只限于现象的分析，而应包括实现所需现象的综合以及为此所需的代价，从而使方法和途径也占有重要地位。电气工程概论第一章绪论张刘春设计电气测量技术在电气工程各分支学科的技术发展中具有耳目和神经的作用，它是定量研究电气工程技术问题的手段，随着各分支学科的发展而迅速发展。电气测量技术及其仪器的自动化、微机化、智能化、多功能化等发展趋势，已深深渗透到电气工程各分支学科的测量技术中。新原理、新技术和新仪器日新月异，例如测量、监视、控制等多功能新型装置以及现场测试或实时监测技术对整体系统精度的改进等，都对电气工程分支学科的发展起了重要作用。电气工程概论第一章绪论张刘春设计二、电气工程的地位和发展电气工程学科在国家科技体系中具有特殊的重要地位。是国民经济的一些基本工业（能源、电力、电工制造等）所依靠的技术科学是另一些基本工业（交通、铁路、冶金、化工、机械等）必不可少的支持技术是一些高新技术的重要科技组成部分电气工程概论第一章绪论张刘春设计解放前，我国电工科学的基础薄弱而落后。建国后，有了多方面的巨大发展。我国一次能源总产量达10.9亿吨标准煤（2000），居世界第三位，比1949年增长了44倍。但电能比重仍较落后，只占国民经济总能源消耗的25%左右。1949年,我国电力工业的发电量4.3亿kWh（世界排序第25位）、装机容量1850MW（世界排序第21位）。2003年，分别增加到19052亿kWh和391GW（皆居世界第二位），各增大443倍和211倍。截至2003年底，我国水电装机达92170MW，占发电总装机的24％，年发电量2830亿kWh，占总发电量的15％。电气工程概论第一章绪论张刘春设计电工制造业以技术复杂的汽轮发电机组为例：我国1956年才试制成功6000kW机组；2002年，已制成并投产900MW，即46年期间汽轮发电机组单机容量的制造能力扩大到1500倍，居于世界先进行列。电气工程概论第一章绪论张刘春设计电气工程概论第一章绪论在断路器和避雷器等电器制造方面：解放时，我国只能制造10kV的充油式断路器；目前，可制造500kV新型的SF6的断路器；从10kV管式避雷器提高到500kV氧化锌避雷器的制造水平，均已进入了世界先进行列。张刘春设计以大型电力变压器为例：1923年，我国生产第一台三相电力变压器50kVA；1948年，制成国内最大的6.6kV三相2500kVA电力变压器；本世纪初，我国已能生产500kV的三相750MVA和成组1000kV/250MVA的单相电力变压器，按三相容量计算，制造能力扩大到300倍。电气工程概论第一章绪论张刘春设计电气工程概论第一章绪论在输电线路方面：1949年，我国只有一回220kV线路，全部35kV以上输电线仅6475km；1999年底，我国超高压输电500kV（含直流线路）达22927km，变电容量达80120MVA；220kV以上输电线路总长达495123km、变电容量达593690MVA。张刘春设计在电气化方面：工业用电量占全部电能生产的71.5%（2001），每年新增发电量的64.6%用于工业用电，其中轻工业用电的年增长率已达14.6%。农业用电增长也很快，自解放以来，平均每年以24%的高速增长，在全国2300个县中，已有2280个县用上了电。第三产业用电（包括市政商业和交通通信）和居民用电量到2001年已达电能总生产量的24.61%。电气工程概论第一章绪论张刘春设计电气工程概论第一章绪论在电力电子和电工新技术领域：1962年，我国试制出第一个晶闸管；目前，已能批量生产电流达3000A、电压为8500V的晶闸管，并能研制生产和应用快速、全控器件或设备。张刘春设计在电力系统方面：1949年，只有东北、京津唐和上海三个容量不大（分别为646，259和250MW）的电力系统；2003年，已有11个电力系统发电装机容量超过20000MW，其中东北、华北、华东、华中电网发电装机容量均超过30000MW，华东、华中电网甚至超过40000MW，西北电网的装机容量也达到20000MW；其他几个独立省网，如四川、山东、福建等电网发电装机容量超过或接近10000MW；大区电力系统目前正进入各自加强和彼此互联以及进一步发展形成全国统一电力系统的过程中。电气工程概论第一章绪论张刘春设计在电工高技术的范围内：我国也从空白状态发展形成多个相互配合的研究基地或重点实验室，并相继取得一些世人瞩目的研究成果。例如1983年建成的8MV闪光－I强流脉冲电子束加速器和1990年建成的9MeV感应直线加速器、各种激光器、各种等离子体装置的研制和应用、超导技术、医疗用电工技术、电接触技术、新型电测技术等的成果（新装置、新仪器、新方法等）都使我国在电工新技术和新技术领域中从填补空白的阶段先后步入建立试验基地，开展系统性研究，力求迎头弥补差距的新阶段。电气工程概论第一章绪论张刘春设计电气工程概论第一章绪论在电力电子和电工新技术中：我国已从1962年研制出第一个晶闸管起，到目前能批量生产电流达3000A、电压为8500V的晶闸管，并能研制生产和应用快速、全控器件或设备。张刘春设计电气工程概论第一章绪论综上所述：我国电工科学在传统的电力输送、电工制造或高电压技术方面，取得可喜的进展和成绩。我国在电工新技术和高技术领域中也取得可喜的进展和成绩。这说明我国的电工科学已发展成为国民经济发展中可靠的支柱。张刘春设计三、电气工程的展望20世纪中叶以来，以电子信息技术为核心的新技术革命正在兴起，冲击着所有传统科学，包括基础科学、技术科学、综合科学，甚至社会科学等在内的广大领域。有人统计，最近20年中的科技创造和发明超过了过去两千年中创造发明的总和。在技术科学范围内，不少学科都发生了“旧貌换新颖”的变化，电工学科的巨大变化也十分显著。电气工程概论第一章绪论张刘春设计在支持和加强电工科学技术发展时，应从宏观方面考虑到以下几个重要问题：（1）电工科学是一门技术科学，只从纵向关系看，它与其所依赖的基础科学（如电磁学、力学、数学、化学等）和指引并支持的生产技术（包括设计、工艺、产品开发等）是一条连续线，但又各有分工。（2）电工科学应指导电力和电工的生产应用．而生产应用应促进电工科学进步。（3）当代学科发展户的相互交叉、渗透现象已成为科技发展中的重要促进因素。电工科学中近些年来新出现的大量新分支、新技术、新方法和新理论就是明证。（4）电工科技的应用面广，交叉范围大。但科研资金的来源却不能和其应用范围相适应，相对较狭窄。电气工程概论第一章绪论张刘春设计电气工程学科是在经验和教训中不断发展起来的：著名例子是美加“8.14大停电”，2003年8月14日下午，美国的中西部和东北部以及加拿大的安大略省经历了一次大停电事故，其影响范围包括美国的俄亥俄州、密西根州、宾夕法尼亚州、纽约州、佛蒙特州、马萨诸塞州、康涅狄格州、新泽西州和加拿大的安大略省，损失负载大61.8GW，影响了5千万人口的用电。停电在美国东部时间下午4时06分开始，在美国的一些地区两天内未能恢复供电，加拿大的安大略省甚至一周未能恢复供电。这次停电事故引起了全世界的关注。综合资料，基本可以判断本次大停电对全网而言属于潮流大范围转移导致的快速电压崩溃，同时伴有潮流大范围转移和窜动导致的断面线路相继跳闸和系统解列后的频率崩溃。电簔工程概论0第一章绪论第二章电机与电器基础第一节开关电器一、概述（一）开关电器概述1断路器：电力网正常工作和发生故障时关合和开断电路。2隔离开关：将高压设备与电源隔离，以保证检修工作人员的安全。3熔断器：电路发生故障或短路时,依靠熔件的熔断来开断电路。4低压控制电器：接通和分断低压交、直流的控制电路。（二）开关电器技术参数1额定电压：额定电压是指开关电器设计时所采用的标称电压。2额定电流：开关电器在额定频率下能长期通过而各个金属部分和绝缘部分的温升不超过长期工作时最大容许温升的最大标称电流。3额定短时耐受电流：额定短时耐受电流是高压开关电器在规定时间内能够通过而其温升不超过规定条件的最大标称电流，主要反映开关电器承受短路电流热效应的能力。4额定峰值耐受电流：额定峰值耐受电流是指开关电器在规定条件下能够通过，而不发生机械损坏的最大标称电流，主要反映开关电器承受短路电流电动力效应的能力。二、低压断路器（一）低压断路器概述低压断路器主要用于配电线路和电气设备的过载、欠压、失压和短路保护，常在低压大功率电路中作为主控电器。按电源类型分为交流式和直流式低压断路器，按结构可分为万能式和装置式低压断路器。（二）低压断路器的选择要点（1）额定工作电压不小于线路额定电压。（2）额定电流不小于线路计算负载电流。（3）额定短路通断能力不小于线路中可能出现的最大短路电流。（4）线路末端单相对地短路电流不小于1.5倍断路器脱扣器整定电流。（5）欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压；按使用场合的需要来确定是否需要带延时。（6）注意断路器接触方向，母联断路器应选用可在下方进线的断路器。（7）注意与其他电器的配合协调，各级断路器的过电流脱扣器整定值和延时应符合选择性配合要求。（8）电动机保护断路器的瞬时动作电流应考虑电动机的启动条件（电动机的种类、启动电流倍数和时间）。（三）断路器额定电流的确定断路器壳架等级额定电流（指塑壳或框架中所能装的最大过流脱扣器的额定电流）和断路器额定电流（过电流脱扣器额定电流）可确定为：式中IN.QF为断路器壳架等级的额定电流；Ica为线路的计算负载电流；IN.OR为过电流脱扣器的额定电流。三、低压控制电器（一）低压接触器概述低压接触器是电气传动和自动控制系统中应用最广的一种电器，适用于远距离频繁的接通和分断交、直流主电路及大容量控制电路，其主要控制对象是电动机，也可用于控制照明设备、电焊机、电容器、电热设备等负载。交流接触器的结构（二）低压接触器的选用1、控制电动机负载2、控制非电动机负载（1）控制电热设备（2）控制电容器（3）控制变压器（4）控制照明装置（5）控制电磁铁（三）控制继电器概述电磁式控制继电器是根据电磁吸合和释放原理而动作的继电器。常见的电磁式控制继电器有通用（电压、电流）继电器、中间继电器、时间继电器、热过载继电器等。四、真空断路器（一）真空断路器概述利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器称为真空断路器。（二）真空断路器的触头1圆盘形触头圆盘形触头目前只用于开断电流要求不大的真空负荷开关和真空接触器上。2横向磁场触头横向磁场就是与弧柱轴线相垂直的磁场，它与电弧电流产生的电磁力能使电弧在电极表面运动，防止电弧停留在某一点上，延缓阳极斑点的产生，提高了开断能力。3纵向磁场触头在同样触头直径的情况下，纵向磁场触头能够开断的电流最大。4触头材料触头材料除了要求具有一定的导电、导热和机械性能外，还必须具备下述要求：（1）耐弧性能好。真空断路器的特点是不需检修，因此要求触头能够耐受少则8－12次，多则30－50次开合额定短路电流时对触头的烧损，还