浙江石化培訓教材

電氣分冊

前言

本書主要介紹騰龍芳煌（漳州）有限公司熱電廠2X75a“火力發電機組的設備及其系

統的基本原理、結構、規范、功能及性能，供熱電廠管理人員及運行人員操作技能培訓使用。

本叢書編寫主要依據各設備制造廠的說明書和技術協議、福建永福公司設計圖及相應的

電力行業的法規和標準，同時參照了其他各電廠的培訓教材，在此表示感謝。

由于目前我廠工程設備在招標中，時間也比較倉促，最終現場設備、系統與本培訓教材

有偏差，將在設備招標完成后進行升版。實際運行須以現場設備、集控運行規程為準。同時

限于編者的水平，缺點和錯誤在所難免，敬請讀者批評、指正。

騰龍芳煌（漳州）有限公司汽電部

2010年08月

目錄

第一章電力系統概述...........................................................2

第一節電力系統的基本概念.................................................1

第二節電力系統的中性點運行方式...........................................5

第二章發電機................................................................14

第一節發電機的工作原理...................................................14

第二節發電機的結構.......................................................22

jz.電....................................................24

第四節發電機異常及事故處理...............................................37

第三章發電機勵磁系統........................................................44

第一節概述...............................................................44

第―-品!］勵系.......................................................46

第三節勵磁系統簡述......................................................50

第四章變壓器及其運行.........................................................72

第__.節概述72

第二節變壓器結構.........................................................86

第三節變壓器的主要附件...................................................91

第四節變壓器的運行、維護及事故處理......................................99

第五章電氣主接統110

第一節電氣主接線的基本形式..............................................110

第一節電氣主接線117

第一節廠用電接線........................................................120

第二節廠用電系統的35行..................................................126

第七章直流系統.............................................................133

第一節概述..............................................................133

第二節蓄電池基本知識....................................................134

第三節直流系統運行......................................................140

第八章高壓電氣設備..........................................................144

第一節高壓斷路器概述....................................................144

第二節真空斷路器和真空接觸器............................................151

第三節封閉母線..........................................................164

第九章自動裝置..............................................................174

第一節概述..............................................................174

第二節微機準同期裝置....................................................177

第三節微機廠用電源快速切換裝置...........................錯誤!未定義書簽。

第四節微機備用電源自動投入裝置.........................................182

第十章廠用電動機............................................................204

第一節異步電動機的結構和工作原理.......................................205

第二節廠用電動機的運行維護..............................................216

第三節廠用電動機事故處理...............................................218

第一章電力系統概述

第一節電力系統的基本概念

-電力系統與電力網

發電廠將一次能源轉變成電能，生產的電能需要通過一定方式輸送給電力用戶。在由發

電廠向用戶供電過程中，廣泛通過升壓變電站、降壓變電站、輸電線路將多個發電廠連接起

來并聯工作，向用戶供電。這種由發電廠、升壓變電站、降壓變電站、輸電線路以及用電設

備有機連接起來的整體，稱為電力系統。

在電力系統中，由升壓變電站、降壓變電站和輸電線路連接在一起的部分稱為電力網。

二電力生產的特點

(1)電能不能大量儲存

電力系統中發電廠負荷的多少，決定于用戶的需要，電能的生產和消費時時刻刻都是保

持平衡的。電能的生產、分配和消費過程的同時性，使電力系統各個環節形成了一個緊密的

有機聯系的整體，發、供、用電設備任一環節發生故障，都將影響電能的生產和供應。

(2)電力系統的電磁變化過程非常迅速

電力系統中，電磁波的變化過程只有幾毫秒，甚至是幾微秒；而短路過程、發電機運行

穩定性的喪失則在零點幾秒或幾秒內即可形成。為了防止某些短暫的過渡過程對系統運行和

電氣設備造成危害，要求能進行非常迅速和靈敏的調整和切換操作，這些調整和切換操作，

靠手動操作不能荻得滿意的效果，甚至是不可能的，因此電力系統采用了各種自動裝置。

(3)電力工業和國民經濟各部門之間有著極其密切的關系

電能供應不足或中斷，將直接影響國民經濟各個部門的生產，也將影響人們的正常生活，

因此要求電力工業必須保證安全生產，必須有足夠的負荷后備容量，以滿足日益增長的負荷

W景'。

三電力系統的運行要求

為了保證用戶用電，電力系統的運行必須滿足下列基本要求：

(1)保證對用戶供電的可靠性

在任何情況下都應該盡可能地保證電力系統運行的可靠性。系統運行可靠性的破壞，將

引起系統設備損壞或供電中斷，以致造成國民經濟各部門生產停頓和人民生活秩序的破壞，

甚至發生人身事故。

(2)保證電能的質量

即要求供電電壓的波形為較嚴格的正弦波，保證系統中電壓和頻率在一定的允許變動范

圍之內。電力系統電壓允許偏差一般為額定電壓的±5%,頻率允許偏差一般為±0.5Hz。華

東電網調度規程規定頻率偏差不得超過±0.2Hz。

（3）保證運行的最大經濟性

電力系統運行有三個主要經濟指標，即生產每kW.h電能所需要的能源消耗（煤耗率、

油耗率、水耗率等）；生產每kW.h電能所需要的自用電（廠用電率）；供配每kW.h電能在

電力網中的電能損耗（線損率）。提高運行經濟性，就是在生產和供配某一定數量的電能時,

使上述三個指標達到最小。為了實現電力系統的經濟運行，必須對整個系統實施最佳經濟調

度。

四電力系統的額定電壓

所謂額定電壓，就是某一用電設備（電動機、電燈等）、發電機和變壓器等在正常運行

時具有最大經濟效益的電壓。為了便于電器制造業的生產標準化和系列化，國家規定了統一

的電壓等級標準及輸電范圍。如表1-1。

表1-1額定電壓等級及輸電范圍

序號額定電壓（kv）輸送容量（MW）輸送距離（km）適用地區

10.380.1以下0.6以下低壓動力和照明

230.1-11?3高壓電動機

360.1?1.24?15發電機高壓電動機

4100.2-26~20配電線路高壓電動機

5352?1020?50縣級輸電網用戶配電網

611010-5050~150地區級輸電網用戶配電網

7220100~500100~300省區級輸電網

8330200~1000200~600省區級輸電網聯合系統輸電網

95001000~1500150~850省區級輸電網聯合系統輸電網

107502000~2500500以上聯合系統輸電網

在傳輸功率一定的條件下，如果所用的額定電壓越高，則線路上的電流越小，這樣線路

上的功率損耗、電壓損耗等也就越小，同時可以較小截面的導線，以節省有色金屬。但另一

方面，電壓等級越高，線路的絕緣就越要加強，桿塔的幾何尺寸也相應加大，這樣線路的投

資和桿塔材料就要增加，而且變壓器、開關電器等設備的投資也隨著電壓的增高而增加。顯

然采用過分高的額定電壓也不一定恰當。

五電力系統負荷及負荷曲線

電力系統負荷是由國民經濟各部門的用電負荷組成。它包括各種用電設備，如照明、

電熱器、電動機和整流設備等。

根據對供電持續性的要求，可把負荷分為三類。

一類負荷：如停止對該類負荷供電，將造成人身事故或重大設備損壞且難以修復或給國

民經濟帶來重大損失，或使市政生活發生重大混亂。

二類負荷：如停止對該類負荷供電，將造成大量減產和廢品，城市大量居民的正常生活

受到影響。

三類負荷：如停止對該類負荷供電，不會直接影響生產，僅給生產、生活造成不方便。

對于一類負荷，至少要由兩個獨立電源供電，當一路電源故障，另一路電源仍能完全保

證該負荷供電；對于二類負荷是否需要備用電源，要進行技術經濟比較后才能確定；對于三

類負荷，不需要備用電源。

電力系統各用戶的負荷功率總是在不斷變化，電力負荷隨時間變化的關系一般用負荷曲

線來描述。根據負荷的特性，負荷曲線可分為有功功率負荷曲線、無功功率負荷曲線和視在

功率負荷曲線等；按所涉及的范圍，負荷曲線可分為用戶負荷曲線、變電所負荷曲線、發電

廠負荷曲線以及電力系統負荷曲線等；根據持續的時間，負荷曲線又可分為日負荷曲線、周

負荷曲線和年負荷曲線等。

在電力系統中經常用到的負荷曲線有以下幾種：

(1)日負荷曲線

日負荷曲線反映負荷在一天24小時內隨時間變化的規律。典型的日負荷曲線如圖1-2

所示。不同地區，不同負荷，其負荷曲線也是不相同的。一天之內最大的負荷稱為日最大負

荷PM,也稱尖峰負荷；一天之內最小的負荷稱

為日最小負荷P?,也稱低谷負荷；最小負荷以

下的部分稱為基本負荷，簡稱基荷。

若在一天內用戶所消耗的總電能為A,

則全天的日平均負荷為：

-A

Pv24

為了反映負荷曲線的起伏情況，系統中常用到負

荷率冷的概念：

圖1-2日負荷曲線

降=2

Kp值大則表示日負荷曲線平坦，即每天的負荷變化小，系統運行的經濟性較好；Kp

值小則表示日負荷曲線起伏大，發電機的利用率較

差。

(2)年持續負荷曲線

在電力系統的分析計算中，還經常用到年持續

負荷曲線，如圖1-3所示。它是以電力系統全年內

每個小時的負荷按其大小及累計持續運行時間的

順序排列而成的。

將全年中負荷所消耗的電能與一年內最大負

荷相比，得到的時間稱為年最大負荷利用小時

數。即

圖1-3年持續負荷曲線

T=a

1maxD

max

工^的物理意義是，如果用戶始終保持最大負荷Pmax運行，則經過丁由.時間后，它所消

耗的電能恰好等于其全年的實際耗電量。工^的大小，在一定程度上反映了實際負荷在一年

內變化的大小。工^較大，則負荷曲線比較平坦；工^較小，則負荷隨時間的變化較大。它

在一定程度上反映了負荷用電的特點。對于各種不同類型的負荷，其Tmax大體上在一定的范

圍內。因此，若已知各類用戶的性質，則可得到由A=「axXA1ax可以估計出全年

的用電量。在導線截面選擇和計算電網的電能損耗時均要用到Tmax。

(3)年最大負荷曲線

年最大負荷曲線即表示一年內每月的最大負荷隨時間變化的曲線。如圖1-4所示。這曲

線常用于制定發電設備的檢修計劃。機組檢修應安排在負荷最小的時間段。

P(MW)

t

0612

圖1-4年最大負荷曲線

第二節電力系統的中性點運行方式

電力系統的中性點(實際上是指電力系統中發電機、變壓器的中性點)接地或不接地是

一個綜合性的問題，中性點接地方式對于電力系統的運行,特別是對發生故障后的系統運行,

有多方面的影響，所以在選擇中性點接地方式時，必須考慮許多因素。

電力系統中性點的接地有中性點直接接地、經電阻接地和經消瓠線圈接地三大類。其中

經電阻接地又分經高電阻接地、經中電阻接地和經低電阻接地三種。中性點直接接地、經中

電阻接地和經低電阻接地稱為大接地電流系統；中性點不接地、經消弧線圈接地和經高電阻

接地稱為小接地電流系統。

一中性點不接地系統

電力系統的每一相對地都有電容，它們分布在輸電線路全長上和電氣設備中，為了使討

論簡化，設三相系統是完全對稱的，并將分布的相對地電容用集中在線路中央的電容C來代

替，如圖1-5。因為在中性點不接地系統中發生一相接地時，電力系統相間電壓并不改變，

因而相間電容所引起的電容電流也不會改變。這種電網，在正常運行時，中性點接地與否，

對系統運行無任何影響。

圖1-5中性點不接地的三相系統(正常工作狀態)

(a)電流分布(b)A相電流、電壓相量關系

當中性點不接地系統發生一相接地，其相量關系如圖1-6(6)所示，相當于原有的線電

壓三角形48c平移到了ABC的位置。即三相間線電壓仍保持對稱和大小不變，故對電力

用戶的繼續供電并無影響。但兩個非故障相4和刀的對地電壓卻升高至M3倍，所以在中性點

不接地的電力網中，各種設備的對地絕緣應按線電壓設計，才能承受在一相接地時，非故障

相對地電壓的升高影響。

在中性點不接地的電力網中，一相接地時接地點的接地電流等于正常時相對地電容電流

{o的三倍，其數值與電網的電壓、頻率和一相對地電容有關。

圖1-6中性點不接地的三相系統（C相接地）

（a）電流分布（b）電流、電壓相量關系

如上所述，當中性點不接地的系統中發生一相接地時，接在相間電壓上的用電設備的供

電并未遭到破壞，它們可以繼續運行，但是這種電網長期在一相接地的狀態下運行，也是不

能允許的，因為這時非故障相電壓升高，絕緣薄弱點很可能被擊穿，而引起兩相接地短路，

將嚴重地損壞電氣設備。所以，在中性點不接地電網中，必須設專門的監察裝置，以便使運

行人員及時地發現一相接地故障，從而切除電網中的故障部分。

在中性點不接地系統中，當接地的電容電流較大時，在接地處引起的電弧就很難自行熄

滅。在接地處還可能出現所謂間歇電弧，即周期地熄滅與重燃的電弧。由于電網是一個具有

電感和電容的振蕩回路，間歇電弧將引起相對地的過電壓，其數值可達（2.5?3）Uo這種

過電壓會傳輸到與接地點有直接電連接的整個電網上，更容易引起另一相對地擊穿，從而形

成兩相接地短路。

在電壓為3?10kV的電力網中，一相接地時的電容電流不允許大于30A,否則，電弧便

不能自行熄滅，而且由于3?10kV電力網中使用電纜較多，其絕緣比較薄弱，一相接地轉變

為相間短路的可能性將大大增加。

在20?6OkV電壓級的電力網中，間歇電瓠所引起的過電壓，數值更大，對于設備絕緣更

為危險，而且由于電壓較高，電弧更難自行熄滅。因此，在這些電網中，規定一相接地電流

不得大于10A。

在與發電機或調相機有直接電氣連接的6?20kV回路中，為防止單相接地時燒壞電機鐵

芯，允許的一相接地電容電流更小，可參見表1-2

表1-2發電機回路一相接地電容電流的允許值

序號額定電壓（KV）額定容量（MW）額定電壓下一相接地電流允許值（A）

16.3<504

210.550?1003

313.8、15.75125?2002

418、20>3001

二中性點經消弧線圈接地系統

當一相接地電容電流超過了上述允許值時，可以用中性點經消弧線圈接地的方法來解

決，該系統即稱為中性點經消弧線圈接地系統。

消弧線圈主要由帶氣隙的鐵芯和套在鐵芯上的繞組組成，它們被放在充滿變壓器油的油

箱內。繞組的電阻很小，電抗很大。消瓠線圈的電感，可用改變接入繞組的匝數加以調節。

顯然，在正常運行狀態下，由于系統中性點的電壓是三相的不對稱電壓，數值很小，所以通

過消弧線圈的電流也很小。

當發生一相完全接地時，消弧線圈處在相電壓之下，通過接地處的電流是接地電容電流左和

線圈電感電流h的相量和，如圖1-7。

從圖1-7(6)可見，因為電感電流和電容電流有180°的相位差，所以在接地處它們互

相補償。如果，IL=Ic就沒有電流在接地處通過，實際上，這種完全補償的情況是不允許的，

因為可能引起諧振。

在電力網中，一般都采用過補償方式，即單相接地時消弧線圈的電感電流略大于系統一

相接地電容電流，使補償后的剩余電流較小。采用過補償方式，即使系統的電容電流突然減

少(如某回線路切除)也不會引起諧振，而是離諧振點更遠。

選擇消弧線圈的容量，應考慮電網五年左右的發展規劃，并按過補償方式考慮，其容量

按下式計算

S=1.35ICUX(kVA)

式中Ic—電網一相接地電容電流(A);5一電網相電壓(kV)o

圖1-7中性點經消弧線圈接地的三相系統(C相接地)

(a)電流分布(b)相量關系

在中性點經消弧線圈接地的系統中，一相接地時和中性點不接地系統一樣，故障相對地

電壓為零，非故障相對地電壓升高至，3倍，三相線電壓仍保持對稱和大小不變，所以也允

許暫時運行，但不得超過兩小時，消弧線圈的作用對于瞬時性接地故障尤為重要，因為它使

接地處的電流大大減小，電弧可能自動熄滅。接地電流小，還可減輕對附近弱電線路的干擾。

在中性點經消弧線圈接地的系統中，各相對地絕緣和中性點不接地系統一樣，也必須按

線電壓設計。

消弧線圈通過隔離開關接在相應電網的發電機、變壓器或專用接地變壓器的中性點上。

但是，這種接地方式對于運行方式變化較為頻繁的系統，由于電容量的不斷變化，中性點經

消弧線圈接地可能會造成欠補償從而引發諧振過電壓。因此必須根據電容電流大小的變化調

整消弧線圈的電感值。但目前在線實時檢測電網單相接地電容電流的設備很少，因此消弧線

圈在運行中不能根據電容電流的變化及時地進行調節，不能很好地起到補償作用。特別是由

于故障電流減小為很小的殘流后，接地支路的識別更加困難

三中性點直接接地系統

另一種常用的系統中性點的運行方式是將中性點直接接地。這樣，中性點的電位在電網

的任何工作狀態下均保持為零。在這種系統中，當發生一相接地時，這一相直接經過接地點

和接地的中性點短路，一相接地短路電流的數值很大，因而立即使繼電保護動作，將故障部

分切除，如圖1-8。

圖1-8中性點直接接地的三相系統圖1-9中性點經電抗器接地的三相系統

在中性點直接接地的大電力系統內，為了減小一相接地短路電流，也可以將中性點經過

電抗器接地，如圖1-9。這時一相接地短路電流，因受到電抗器的限制而大大減小，即需〈

但通常采用的限制一相接地短路電流的方法是不將全部變壓器的中性點都直接接地，而

只將其中的一部分直接接地，這樣，也可以將一相接地短路電流，減小到不超過可能的最大

三相短路電流。

中性點直接接地或經過電抗器接地系統，在發生一相接地故障時，故障的送電線路被切

斷，因而使用戶的供電中斷。運行經驗表明，在1000V以上的電網中，大多數的一相接地故

障，尤其是架空送電線路的一相接地故障，大都具有瞬時的性質，在故障部分切除以后，接

地處的絕緣可能迅速恢復，而送電線路可以立即恢復工作。目前在中性點直接接地的電網

內，為了提高供電可靠性，均裝設自動重合閘裝置，在系統一相接地線路切除后，立即自動

重合，再試送一次，如為瞬時故障，送電即可恢復。

中性點直接接地的主要優點是它在發生一相接地故障時，非故障相的對地電壓不會增

高，因而各相對地絕緣即可按相對地電壓考慮；在高電壓級時將大大降低電氣設備和電網的

建設費用。電網的電壓愈高，經濟效果愈大。而且在中性點不接地或經消弧線圈接地的系統

中，單相接地電流往往比正常負荷電流小得多，因而要實現有選擇性的接地保護就比較困難，

但在中性點直接接地系統中，實現就比較容易，由于接地電流較大，繼電保護一般都能迅速

而準確地切除故障線路，且保護裝置簡單，工作可靠。

一相接地是電力網中最常見的一種故障。如上所述，這種大接地電流系統在一相接地時

將產生很大的一相接地短路電流，任何部分發生一相接地時都必須將其切除。即使采用自動

重合閘裝置，在發生永久性故障時，供電也將中斷，有時甚至可能導致系統動態穩定破壞。

而且在這種大接地電流系統中，一相接地在線路與地之間流過很大的一相接地短路電流，將

產生一個很強的磁場，而在附近的弱電線路(如通訊線路或鐵路信號線路等)上感應出相當

大的電勢，輕則引起噪音，妨害通訊，重則可能引起弱電設備的損壞，并危及通訊人員安全

或引起鐵路信號的誤動作，因此，大接地電流系統的送電線路，應與弱電線路保持一定的距

離，或在弱電線路上采取有效的保安措施。

四中性點經電阻接地系統

過去我國電廠中壓系統和城市、農村電網一律采用不接地或經消弧線圈接地的方式。這

種對于單相接地故障不立即跳閘的接地方式，有利于提高供電連續性和可靠性。這種接地方

式在我國的配電網以架空線路為主，電源容量嚴重不足，負荷過重，供需矛盾尖銳的時期發

揮了重要作用。這種方式特別適用于故障幾率高，絕緣可自行恢復的以架空線路為主的配電

網，例如農村配電網和中小城市城區電網，以及中小型火力發電廠的中壓廠用電系統。

隨著社會的發展，目前大城市城區配電網、大中型工礦企業配電網、中小型發電機電壓

配電網、大型火力發電廠的中壓廠用電系統等，均以電纜供電為主，大量的電纜饋線，使得

配電網內的電容電流不斷增大。部分城市達到幾十安培至上百安培，個別城市甚至達到一百

多安培，大型的火力發電廠中壓廠用電系統也達到了幾十安培。這樣，傳統的接地方式就暴

露了許多弊病：

(1)內過電壓倍數比較高，可達3.5?4倍相電壓。特別是間歇性電弧接地過電壓和諧振

過電壓已超過了避雷器允許的承載能力，這對于具有大量高壓電動機的工礦企業和火電廠,

絕緣配合相當困難。

(2)單相接地故障下，在升高的穩態電壓下運行時間在2h以上，不僅會導致絕緣早期

老化，或在薄弱環節發生閃絡，引起多點故障，釀成斷路器異相開斷，惡化開斷條件。

(3)配電網的電容電流大增。這使補償用消弧線圈容量很大。況且，運行中電容電流

隨機性的變化范圍很大，采用跟蹤范圍有限的自動調諧，不論在機械壽命、響應時間、調節

限位等方面也難以滿足這種頻繁地、適時地大范圍調節的需要。另外，網絡的擴展也有個過

程，工程初期饋線較少，后期則會逐漸增多，消弧線圈容量也要隨之相應擴大。

(4)電纜為非自恢復絕緣，發生單相接地必是永久性故障，不允許繼續運行，必須迅

速切斷電源，避免擴大事故。消弧線圈在這種情況下不能充分發揮作用。

(5)有些配電網大量采用了對地絕緣水平為相電壓級的進口電纜和工頻試驗電壓為28

kv的進口電氣設備（國外配電網中性點多數為電阻接地或直接接地），應用于我國中性點

非有效接地系統不夠安全。

（6）無間隙氧化鋅避雷器應用于中性點非有效接地系統，在單相接地故障狀態下的事

故率很高。只有給避雷器加設串聯間隙或提高其持續運行電壓，才能保證其安全運行。

（7）人身觸電不立即跳閘，甚至因接觸電阻大而發不出信號。長時間觸電，人身安全

難以保障。

因此，這就提出了改變傳統的接地方式的要求，即由原來不立即跳閘改為立即跳閘和由

原來中性點非有效接地改為中性點有效接地。單相接地故障，保護立即動作于跳閘。如果電

網仍然是中性點不接地方式，由于電容電流較大，將會造成真空斷路器或其他開斷設備電弧

重燃，無法滅弧的情況，同時產生嚴重的操作過電壓，危害設備。這樣就要求將中性點改為

有效接地的型式，使接地電流由容性向阻性發展，使真空斷路器或其他開斷設備不致于電弧

重燃，迅速開斷故障電流。

中性點有效接地方式分為中性點直接接地和電阻接地。采用中性點直接接地，單相接地

電流很大，可達到幾千安甚至幾十千安，雖然保護在較短的時間內跳閘，但接地點仍會因為

流過強大的接地電流而嚴重燒損。采用電阻接地可以限制接地電流在一定的范圍內，即達到

保護接地點不會因為流過強大的接地電流而嚴重燒損，又能滿足繼電保護的靈敏度要求，達

到限制單相接地時非故障相產生的瞬時過電壓。

因此，目前國內在中壓系統中，主要由電纜線路組成的電網，如大城市的10kV城網和大

型火力發電廠的6kV廠用電系統，在電容電流超過7A時，均采用中性點電阻接地，單相接地

故障立即跳閘的接地方式。解決了上面所述的弊病，而由于立即跳閘而影響的供電可靠性，

則可以從提高線路或設備的冗余度來解決。當電廠高壓廠用電系統的接地電容電流小于7A

時，其中性點宜采用高電阻接地，也可采用不接地方式；當接地電容電流大于7A時，其中

性點宜采用低電阻接地方式，也可采用不接地方式。

1.中性點經電阻接地簡介

在6?10kV以至20kV的電網中，目前所采用的有高電阻、中電阻、低電阻接地3種形式。

其阻值與單相接地故障電流的范圍如表1-3。

2.高電阻接地

高電阻接地方式以限制單相接地故障電流為目的，并可防止阻尼諧振過電壓和間歇性電

弧接地過電壓，但是它要使總的接地電流增大2倍，主要用于200WM以上大型發電機回路

和某些6?10kV配電網。

在發電機內部發生單相接地故障，為了減輕鐵芯的燒毀程度，故障電流超過表1-3所示

數值，須瞬時切機。

表1-3電阻接地的阻值

序號電阻形式電阻阻值（。）單相接地故障電流（A）

1高電阻數百?數千<10

2中電阻10?10030~300

3低電阻<10600~1000

發電機中性點若采用消弧線圈接地方式也可以將故障點殘余電流限制在表1-3范圍內，

而不要求瞬時切機。但此時須注意發電機出口避雷器的選型與發電機的絕緣配合，對無間隙

氧化鋅避雷器不推薦采用。

在6?10kV配電系統以及發電廠廠用電系統，當單相接地電容較小，故障不跳閘時，采

用高電阻接地可以減少故障點的電壓梯度，阻尼諧振過電壓。

為了遏制間歇性電弧接地過電壓，至少應使。=(1?L5兒。考慮到故障電流宜限制在1OA

以下，以維持2h的運行條件。因此，故障電容電流I。大于4?5A的網絡，就不宜采用高電阻

接地，從而大大限制了這種接地方式的推廣應用。

3.低電阻接地

這種中性點采用小于10。電阻接地方式的特點是獲得一個大的阻性電流疊加在故障點

上，其優點是：

(1)快速切除故障，過電壓水平低，諧振過電壓發展不起來，可采用絕緣水平較低的

電纜和設備。

(2)減少絕緣老化效應，延長設備壽命，提高網絡及設備可靠性。

(3)把雙重接地(異相故障)的幾率削減至最低限度。

(4)為采用簡單的、有選擇性和足夠靈敏度的繼電保護提供了可能性。

(5)可以采用無間隙氧化鋅避雷器。

(6)自動清除故障，運行維護方便。

(7)人身安全事故及火災事故幾率降低。

由于低電阻接地方式的接地故障電流達400?1000A甚至更大，目的是提高接地保護的靈

敏性和選擇性，另一個原因是為了避開高壓電動機的起動和線路沖擊合閘。這種數百安以至

上千安的接地故障電流會帶來以下問題：

(1)電纜一處接地，大的電弧可能會連帶燒毀同一電纜溝或電纜隧道的其它相鄰電纜，

擴大事故，釀成火災

(2)低值電阻中流過的電流過大，電阻的熱容量與PR成正比，給電阻的制造帶來困難。

鑄鐵電阻難以勝任這種大的電流沖擊，合金電阻的造價大高，而且體積太大，每臺約1.5?

c3

2mo

(3)引起的地電位升高達數千伏，大大超過了安全允許值。通信線路要求地電位差不

超過430?650V;低壓電器要求不大于(2U+1000)X0.75=1000V。電子設備不能承受600V的電

位差，人身保安要求的接觸電壓和跨步電壓在0.2s切斷電源情況下不大于650V,延長切斷電

源的時間，將更會有危險。

4.中電阻接地

為了克服低電阻接地的弊端而保留其優點，可以采用中電阻接地方式，其要求是：

(1)保證%=(1?1.5兒，以限制內過電壓不超過2.6倍(此2.6倍，是高壓電動機可以承

受的最大過電壓，也是當未發生間歇性電弧接地過電壓時，網絡上出現的較嚴重的過電壓限

值)。分析表明，進一步增大％減小電阻，對降低內過電壓收效不大。

(2)保證接地保護的靈敏性和選擇性。

(3)保證設備人身安全。按前述通信干擾、人身保安和設備安全的要求，在接地電阻

不大于0.5。的發電廠和變電所，一般不存在問題。但在接地電阻不大于4。的用戶受電配電

所，故障電流則不宜超過150A。這意味著回路中的I。和%均宜控制在100A左右。當I。超過

100A時，可以采取以下措施：增加變電所的母線段數；減少一段母線上連接的饋線數量；

在母線段上或長饋線上加裝隔離變；給中性點接地電阻串聯一個干式小電抗，把L補償到

100A以下。

本廠機組10KV廠用電中性點接地就采用了中阻接地方式，接地電阻為101。，最大接地

電流為300A。

目前我國電力系統中性點運行方式，大體是

(1)對于6-10kV系統，主要由電纜線路組成的電網，在電容電流超過7A時，均采用中

性點電阻接地，單相接地故障立即跳閘的接地方式。

(2)對于UOkV及以上的系統，主要考慮降低設備絕緣水平，簡化繼電保護裝置一般均

采用中性點直接接地的方式。并采用送電線路全線架設避雷線和裝設自動重合閘裝置等措

施，以提高供電可靠性。

(3)20?60kV的系統，是一種中間情況，一般一相接地時電容電流不很大，網絡不很

復雜，設備絕緣水平的提高或降低對于造價影響不很顯著，所以一般均采用中性點經消弧線

圈接地的方式。

(4)IkV以下的電網的中性點采用不接地的方式運行。但電壓為380/220V的三相四線制

電網的中性點，則是為了適應用電設備取得相電壓的需要而直接接地。

五我廠各系統電壓等級及中性點接地方式，如表1-4

表1-4我廠各系統電壓等級及中性點接地方式

系統名稱所接電動機正常母線電母線電壓

中性點接地方式相數線數

或額定電壓的額定電壓壓變化范圍

220kV230KV230±5%kV主變中性點直接接地33

中性點經配電變(二次側

發電機15.75kV15.75±5%kV33

接電阻)接地

中壓廠用電10kV10.5kV10.5±10%kV變壓器中性點經中阻接地33

低壓廠用電

380/220V400V/230V400±5%kV直接接地34

(主廠房內)

低壓廠用電400±5%kV

380/220V400V/230V直接接地34

(主廠房外)230±5%kV

發電機中性點經配電變(二次側接電阻)接地。發電機定子線圈接線方式為星型，其星

型接線的中性點通過一臺二次側接有小電阻的單相配電變壓器接地。實質上就是發電機中性

點經大阻抗接地，變壓器的作用是使低壓側的小電阻反映到高壓側大阻抗接地系統，這樣可

以簡化電阻器的結構，降低其價格，使安裝空間更易解決。這種接地方式可以減少單相

接地故障電流對定子鐵芯的損害和抑制故障暫態電壓不超過額定相電壓的2.6倍。

第二章發電機

第一節發電機的工作原理

一發電機的基本原理

我們知道，導線切割磁力線能夠產生感應電勢，將導線連成閉合回路，就有電流流通，

發電機就是基于這個原理工作的。

圖2-1為最簡單的兩極同步發電機。定子上有AX、BY、CZ三相對稱繞組，轉子是直

流勵磁的主磁極。

當轉子磁極上的激磁繞組通以直流

勵磁電流時，轉子形成N與S極的主磁

極磁場，磁通①。從N極出來，經氣隙一

定子鐵芯一氣隙，進入S極而形成回路，

如圖中虛線所示。

若發電機轉子由原動機拖動逆時針

方向以速度n旋轉時，主極磁通①。切割

定子繞組而感應出對稱的三相電勢，其電

勢頻率為

60圖2?1兩極同步發電機

式中：n—轉子轉速，P—極對數1一定子鐵芯2.轉子3-集電環

定子每相繞組電勢的有效值為：

E=4.44fWKw（/>

式中W—每相繞組匝數，Kw—電勢繞組系數W,。一每極磁通（Wb）

每相繞組電勢的波形，取決于氣隙磁密沿圓周的分布以及定子繞組的具體結構。電力系

統中應用的同步發電機，線電勢波形都具有很好的正弦性。但是，由于高次諧波的存在，實

際線電勢波形與正弦波形有一定偏差，只要高次諧波的幅值限制在規定范圍內，即可認為線

電勢是正弦波形。

當發電機帶上負載，三相定子繞組中將產生電流，三相電流又產生一個合成的旋轉磁場，

該磁場與轉子以相同的轉速和方向旋轉，這就叫“同步”。

二基本概念

1.有功、無功、視在功率

有功：在交流電能的發、輸、用過程中，用于轉換成非電、磁形式（如熱能、機械能等）

的那部分能量叫有功，即用于做功而被消耗掉的能量。轉換的平均功率叫做有功功率，用P

表示，單位為瓦，符號是W。其數學表達式為：P=UIcos（po

無功：用于電路內電、磁場交換的那部分能量叫無功，即僅用來進行交換而沒有被負載

消耗的能量。無功又分感性無功和容性無功，用于電路內磁場交換的能量叫感性無功，用于

電場交換的能量叫容性無功。交換的最大功率叫無功功率，用Q表示，無功功率的單位為

乏，符號是var。其數學表達式為：Q=U/sin。0

視在功率：由于電壓、電流間存在相位差，正弦交流電路中的平均功率一般不等于電壓、

電流有效值的乘積，為與平均功率相區別，把電壓、電流有效值的乘積叫視在功率，用s

表示，單位為伏安，符號是VA。其數學表達式為：S=UIo一般用視在功率表示設備的

容量。

視在功率、有功功率、無功功率關系式為：

S=^P2+Q2或

P=S?cos夕

Q=S?sin。

功率因數：上面有功功率公式中的cos夕叫做功率因數，它為有功功率與視在功率的比

值，等于電壓比電流超前的相位差的余弦。功率因數不為1的負載，它的無功功率就不等于

零，就意味著它從電源接受的能量中有一部分是交換而不消耗的，因數值越低，交換部分所

占比例越大。

2.發電機電樞反應

發電機的電樞反應：當有負載電流流過定子繞組時，定子電流便會產生一個磁場，這個

磁場對原來的轉子電流所產生的磁場要產生影響，通常把這種影響稱為電樞反應。

由于發電機的外負荷具有不同的性質，如負載電流為純感性，則電樞反應的結果是與轉

子磁場相抵消的方向，從而減弱了轉子磁場的效果，結果是電壓會下降，為保證正常運行，

要求自動勵磁系統增加勵磁電流。如負載電流為純容性，則結果相反。

3.發電機銘牌上的容量、電壓、電流、溫升意義

額定容量：指發電機長期安全運行的最大允許輸出功率。

額定電壓：指發電機長期安全、經濟工作的最高電壓，發電機的額定電壓指的是線電壓。

額定電流：指發電機正常連續運行的最大工作電流。

額定溫升：指發電機某部分的允許最高溫度與冷卻介質額定入口溫度的差值。

三發電機的運行特性

1.空載特性

同步發電機被原動機拖動到同步轉速，勵磁繞組中通入直流勵磁電流，定子繞組開路時

的運行，稱為空載運行。

空載額定轉速運行時，由于電樞電流等于零，同步發電機的電樞電壓等于空載電勢E。,

電勢E。,決定于空載氣隙磁通，磁通取決于勵磁繞組的勵磁電流庫因此空載時的端電壓或

電勢是勵磁電流的函數，即E0=f（4）,稱為同步發電機的空載特性。如圖2-2所示。

空載特性曲線可以用試驗方法測定。維持發電機額定轉速不變，然后逐漸增加勵磁電流，

使發電機端電壓等于額定電壓的13倍，然后單方向減少勵磁電流，直到勵磁電流為零為止。

在增加和減少勵磁電流的過程中，逐點記錄勵磁電流值及對應的端電壓，將這些點連起來而

成的曲線就是空載特性曲線。由于鐵磁材料具有磁滯性質，勵磁電流由零增加到某一最大值,

再反過來由此最大值減小到零時，空載電勢并不為零，而是與剩磁相對應的電勢值，因此，

試驗曲線將得到上升和下降兩條不同曲線。

空載特性曲線很有實用價值。可以用它判斷電機磁路的飽和情況，鐵芯和勵磁繞組是否

發生短路故障，此外可以求取發電機的電壓變化率，未飽和的同步電抗值等參數。

圖2-2同步發電機空載特性

2.短路特性

短路特性是指發電機在額定轉速下，定于三相繞組短路時，定于穩態短路電流I與勵磁

電流n的關系曲線，即/=f(4)。

在做短路特性曲線時，要先將發電機定于三相繞組出線端短路，然后維持額定轉速不變，

增加勵磁電流，讀取勵磁電流及相應的定子電流值，直到定子電流達到額定值為止。

在短路時，發電機端電壓為零，在忽略定于電阻的情況下，發電機的電勢僅用來平衡穩

態短路電流在同步電抗上的電壓降。因為此時發電機相當于一個電感線圈，穩態短路電流是

感性的，他所產生的電樞磁勢起去磁作用，所以鐵芯不飽和，因此，短路特性曲線是一條直

線。

短路特性可以用來求未飽和的同步電抗和短路比，還可以利用它判斷勵磁繞組有無匝間

短路等故障。顯然勵磁繞組存在匝間短路時，因安匝數減小，短路特性會降低。

圖2-3短路特性

所謂短路比，就是在對應于空載額定電壓的勵磁電流下，定子穩態短路電流與額定電流

之比。

3.外特性

外特性是反應發電機端電壓隨負載電流而變化的曲線，即在勵磁電流、轉速、功率因數

為常數的條件下，負載(定子電流)改變時端電壓的變化曲線，即。=￡(/)。圖2-4示出

了在幾個不同功率因數下的外特性曲線。從圖中可以看出，在滯后的功率因數情況下，定子

電流增加時，電壓降落較大，這是因為此時電樞反應是去磁的；在超前的功率因數下，定子

電流增大，電壓反而升高，這是因為電樞反應是助磁的。

外特性可用來分析電機在運行中的電壓波動情況，并藉此提出對自動勵磁調整裝置電壓

調節范圍的要求。

圖2-4外特性曲線

1-感性負載；2-電阻性負載；3-容性負載

4.調整特性

所謂調整特性，是指端電壓、轉速、功率因數為常數的條件下，改變負載(定子電流)

時勵磁電流的變化曲線，即/f=f(1)。

如圖2-5示出不同功率因數下的調整特性曲線。從圖中可以看出，在滯后的功率因數下，

負載增加勵磁電流也必須增加，這是因為此時去磁作用加強，要維持氣隙磁通，必須增加轉

子磁勢。在超前的功率因數下，負載增加，勵磁電流一般還要降低，這是因為電樞反應有助

磁作用的緣故。

圖2-5調整特性曲線

調整特性可以使運行人員了解在某一功率因數時，定子電流到多少而不使勵磁電流超過

制造廠的規定值，并能維持額定電壓。利用這些曲線可使電力系統的無功功率分配更趨合理。

5.功角特性

功角特性反應的是發電機電磁功率與功角之間的關系，其表達式為：

式中P-發電機電磁功率

m一定子繞組相數

U-定子相電壓

Eq一發電機感應電勢

4—發電機同步電抗

3—功角，轉子磁極中心線與定子磁極中心線的夾角，也是端電壓U與感應電勢Eq間的

夾角。

圖2-6功角特性曲線

圖2-6示出了電磁功率與功角的關系曲線，這是一條正弦函數變化的關系曲線，稱為功

角特性，很明顯，最大功率發生在3=90°時，此值稱為系統極限功率。

下面從功角的物理意義說明發電機發出有功功率的過程。發電機運行時，其輸出功率取

決于汽輪機輸出到發電機軸上的機械功率，逐步增加原動機的輸出功率，且使輸入轉矩大于

電磁轉矩和空載轉矩之和，則剩余轉矩使轉子加速。合成等效磁勢及旋轉速度，受電網電壓、

頻率的牽制保持不變，于是勵磁磁勢此時就會超前于合成磁勢，也即功角增大，功角增大就

引起電磁功率增大，相應的電磁功率轉矩增大，直到剩余轉矩為零，轉子轉速不再升高，達

到新的平衡狀態。

但是，當6=90°時，電磁功率已達到最大值，再繼續增加輸入功率，則490°,電磁

功率反而減小了，就會出現更多的剩余功率，因此功率不能保持平衡，剩余功率將使轉子繼

續加速，直至轉速大于同步轉速，稱之為“失去同步”，同步發電機則失去了靜態穩定。

當同步發電機失去靜態穩定后，應立即減小原動機功率，否則由于電磁功率的減小，剩

余功率增加，使轉子達到很高的轉速，這時相當大的離心力作用在轉子上，轉子將被損壞。

另外，由于電機的電勢、頻率與電網不同，定子繞組中將出現數值大到足以損壞定子的電流。

因此，同步發電機在與電網并列運行時，必須保持靜態穩定運行狀態。

同步發電機維持靜態穩定的判據是：當6角增大后，電磁功率P也隨之增大。以微分的

形式表示則為：

，嚼。

式中P,稱整步功率，當整步功率大于零時，發電機能保持靜態穩定運行；而整步功率

小于零時則不能維持靜態穩定運行。在3=90'時，就達到穩定極限，此時對應的電磁功率

為穩定極限功率。

在實際運行中，電機應在穩定極限范圍內運行，且應留有足夠的靜態穩定儲備。發電機

靜態穩定儲備能力用靜穩定儲備系數來衡量，其表達式為：

Kp=%xlOO%

PQ

PM為發電機極限功率，P。為發電機運行點功率。一般規定正常運行時發電機的靜穩定

儲備系數不小于15?20%,功角值一般30°-40°?

6.發電機安全運行極限

1）發電機安全運行極限

在穩定運行條件下，發電機的安全運行極限決定于下列四個條件：

①原動機輸出功率極限。

②發電機的額定容量，即由定子繞組和鐵芯發熱決定的安全運行極限。在一定電壓下，

決定了定子電流的允許值。

③發電機的最大勵磁電流，通常由轉子的發熱決定。

④進相運行時的穩定度。當發電機功率因數小于零（電流超前于電壓）而轉入進相運行

時，磁勢發電機的有功功率輸出受到靜穩定條件的限制。此外，對內冷發電機還可能受到端

部發熱限制。

上述條件，決定了發電機工作的允許范圍。

圖2-7汽輪發電機的P—Q曲線

2）發電機P—Q曲線

在電力系統中運行的發電機，在一定的電壓和電流下，當功率因數下降時，發電機的無

功功率增大，有功功率相應減小；而當功率因數上升時，則要減少無功功率、增大有功功率，

以達到輸出容量不超過允許值。發電機P—Q曲線圖就是表示其在各種功率因數下，容許的

有功功率P和無功功率Q的關系曲線，又稱為發電機的安全運行極限如圖2-7所示。

發電機的P-Q曲線，是在發電機端電壓一定、冷卻介質溫度一定、不同氫壓條件下繪

制的，如圖2-7所示。電壓、電動勢、功率都以標么值表示的，其繪制基本步驟：

①以O為圓心，以定子額定電流氐為半徑，畫出圓弧。

②在橫軸O點左側，取線段萬厲等于曾，它近似等于發電機的短路比Kc,正比于空

載勵磁電流。

E

③以M點為圓心，以T為半徑（即圖2-7中的MC線段，它正比于額定勵磁電流）畫

Xd

出圓弧。

④以汽輪機額定功率畫一平行于橫坐標的水平線HBG,表示原動機輸出限制。

⑤從M點畫一垂直于橫坐標的直線MH,相應6=90°,表示理論上的靜穩定極限。

考慮到發電機有突然過負荷的可能，實際靜穩定限制，應留有適當儲備，以便在不改變

勵磁電流的情況下，能承受突然性的過負荷。（圖中的BF曲線）由上述各曲線或直線段所

圍成的DCGBFD區域，就叫汽輪發電機的安全運行范圍或叫安全運行區。發電機的運行點

處于這區域或邊界上，均能長期安全穩定運行。

實際發電機的P-Q曲線需要做試驗來確定。

7.V形曲線

當發電機帶感性負載時，電樞反應具有去磁性質，這時為了維持發電機的端電壓不