電力系統(tǒng)基本知識

學(xué)習(xí)單元1.1電力系統(tǒng)基礎(chǔ)知識電路系統(tǒng)的基本知識包含很廣泛，有電路的基本知識，有磁路的基本知識，有電磁感應(yīng)現(xiàn)象，還有日常生活中使用的交流電和三相交流電等很多知識，只有把這些相關(guān)的基本知識掌握后才能更好的進(jìn)行電氣線路的相關(guān)操作。|學(xué)習(xí)目標(biāo)I1） 能夠知道電路基礎(chǔ)知識；2） 能夠掌握電磁感應(yīng)和磁路的基本知識3） 能夠知道交流電和三相交流電路的基本知識學(xué)習(xí)任務(wù)電路基本知識；電磁感應(yīng)和磁路；交流電和三相交流電;學(xué)習(xí)內(nèi)容1.1.1電路基礎(chǔ)知識一、電流和電路電荷與電流失去電子或得到的電子的微粒稱為正電荷或負(fù)電荷。帶有電荷的物體稱為帶電體。電荷的多少用電量表示。其單位為C（庫或庫倫）。庫是很大的單位，常用的電量是uC（微庫或微庫倫），1C=106uC。電流是帶電微粒的定向移動。通常以正電荷移動的方向作為電流的正方向。大小和方向不隨時間變化的電流稱為直流電流；大小和方向隨時間作周期性變化的電流稱為交流電流。電流的符號是I、i，電流的單位是A（安）、mA（毫安），1A=1000mA。電流單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量叫做電流，用符號I表示。如果在t秒鐘內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量是Q，則：i=，

t電流的單位是安培（A），計算微小電流時以毫安（mA）或微安（uA）為單位，它們的關(guān)系是：1A=103mA=106uA電流很大時，以千安（kA）為單位。1KA=103A電路在電的實際應(yīng)用中，從最簡單的手電筒的工作到復(fù)雜的電子計算機(jī)的運(yùn)算，都是由電路來完成的。（1） 電路的組成及電路元件的作用電路就是電流所流經(jīng)的路徑，它由電路元件組成。當(dāng)合上電動機(jī)的刀閘開關(guān)時，電動機(jī)立即就轉(zhuǎn)動起來，這是因為電動機(jī)通過導(dǎo)線經(jīng)開關(guān)與電源接成了電流的通路，并將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。電動機(jī)、電源等叫做電路元件，電路元件大體可分為四類：電源負(fù)載控制電器和保護(hù)電器導(dǎo)線電路的作用是產(chǎn)生、分配、傳輸和使用電能。（2） 電路的狀態(tài)通路短路斷路二、電場、電場強(qiáng)度1.電場電場存在于帶電體周圍，能對位于該電場中的電荷產(chǎn)生作用力一一電場力、電場力的大小與電場的強(qiáng)弱有關(guān)，這又與帶電體所帶的電荷量多少有關(guān)。電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度是衡量電場強(qiáng)弱的一個物理量，既有大小又有方向。電場中任意一點的電場強(qiáng)度，在數(shù)值上等于放在該點的單位正電荷所受電場力的大小，其方向是正電荷受力的方向，即：… —a△中式中E——電場強(qiáng)度，e=N匚一；AtF——電荷所受的電場力，N；Q——正電荷的電量，C。三、電位、電壓、電動勢電位在電場力作用下，單位正電荷由電場中某一點移到參考點（電位為零）所做的功叫該點的電位。電壓電場力把單位正電荷由高電位點移到低電位點所做的功叫這兩點間的電壓。電壓也是指電場中某兩點之間的電位差。即：WU=—Q式中，W——電荷所做的功，J；Q——電荷量，C。電壓的單位是伏特（V）。3.電動勢要使電流持續(xù)不斷沿電路流動，就需要一個電源，把正電荷從低電位移向高電位，這種使電路兩端產(chǎn)生并維持一定電位差的能力，叫做電動勢，單位是伏特（V）。四、 導(dǎo)體、絕緣體與導(dǎo)體電阻導(dǎo)體能夠傳導(dǎo)電流的物體為導(dǎo)體。常用的導(dǎo)體是金屬，如銀、銅、鋁等。金屬中存在著大量的自由電子。當(dāng)導(dǎo)體與電源接成閉合回路時，這些自由電子就會在電場力的作用下朝一定方向運(yùn)動形成電流。絕緣體能夠可靠地隔絕電流的物體叫做絕緣體。如橡膠、塑料、陶瓷、變壓器油、空氣等都是很好的絕緣體。導(dǎo)體和絕緣體并沒有絕對的界限，在一般狀態(tài)下是很好的絕緣體，當(dāng)條件改變時也可能變?yōu)閷?dǎo)體。例如干燥的木頭是很好的絕緣體，但把木頭弄濕后，它就變得容易導(dǎo)電了。電阻在導(dǎo)體兩端加上電壓，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流。從物體的微觀結(jié)構(gòu)來說，電子的運(yùn)動必然要和導(dǎo)體中的分子或原子發(fā)生碰撞，使電子在導(dǎo)體中的運(yùn)動受到一定阻力，導(dǎo)體對于電流的阻礙作用，稱為電阻。不同材料的導(dǎo)體，對電流的阻礙作用也是不盡相同的。有的導(dǎo)體電阻很小，則表示它的導(dǎo)電能力好；有的導(dǎo)體電阻很大，則表示它的導(dǎo)電能力差。電阻用R表示，單位是歐姆，其符號為“Q”。常用的單位還有千歐（kQ）和兆歐（MQ）。在實驗中發(fā)現(xiàn)各種材料的電阻率會隨溫度而變化。一般金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，人們常利用金屬的這種性質(zhì)制作電阻溫度計。但有些合金，例如康銅和錳銅的電阻率隨溫度變化特別小，用這些合金制作的導(dǎo)體，其電阻受溫度影響也特別小，所以常用來作標(biāo)準(zhǔn)電阻。五、 歐姆定律在電路中，電壓可理解為產(chǎn)生電流的能力。歐姆定律是表示電路中電壓、電流和電阻這3個物理量之間關(guān)系的定律。該定律指出，在圖21所示的局部電路中，流過電阻R的電流I與加在電阻兩端的電壓U成正比，而與電阻成反比。其表達(dá)式為U=IR或/=—或R=—RI式中u——電路上的電壓，V；I——流經(jīng)電路的電流，A；R——電路的電阻，Q。從歐姆定律可知，在電路中如果電壓保持不變，電阻越小則電流越大；而電阻越大則電流越小。當(dāng)電阻趨近于零時，電流很大，這種電路狀態(tài)稱為短路；當(dāng)電阻趨近于無窮大時，電流幾乎為零，這種電路狀態(tài)稱為開路。F 圖1.1.1局部電路的歐姆定律全電路歐姆定律表明，在閉合電路中，電流與電源電動勢成正比，與電路中電源內(nèi)阻和負(fù)載電阻之和成反比。六、電功、電功率與熱效應(yīng)1.電功將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能時，電流都要做功，電流所做的功叫電功，根據(jù)公式/=Q一A及U=-和歐姆定律可得電功A的數(shù)學(xué)式為A=UQ=IUtU2A=12Rt=——.tR電功的單位是焦耳(J)。2.電功率單位時間內(nèi)電流所做的功叫做電功率，用字母P表示，其表達(dá)式為八AP=-t由部分電路歐姆定律可得常見功率的計算式。U2P=UI=12R=一R電功率的單位是瓦特(W)。在實際工作中，功率的常用單位還有千瓦(kW)、毫瓦(mW)，它們之間的關(guān)系為1kW=103W=106Mw電源的電功率等于電源的電動勢和電流的乘積。P=EI負(fù)載功率等于負(fù)載兩端電壓和通過負(fù)載的電流乘積。P=UI電流的熱效應(yīng)電流通過導(dǎo)體時所產(chǎn)生的熱量和電流值的平方、導(dǎo)體本身的電阻值以及電流通過的時間成正比。用公式表達(dá)就是：Q=12Rt這個關(guān)系式又叫楞次一一焦耳定律，熱量Q的單位是J。為了避免設(shè)備過度發(fā)熱，根據(jù)絕緣材料的允許溫度，對于各種導(dǎo)線規(guī)定了不同截面下的最大允許電流值，又稱安全電流。七、串聯(lián)與并聯(lián)電路串聯(lián)電路在電路中，兩個或兩個以上的電阻按順序聯(lián)成一串，使電流只有一條通路，這種聯(lián)接方式叫電阻的串聯(lián)，如圖1.1.2所示。Q? 『 1 OH a H圖1.1.2電阻的串聯(lián)下面以圖1.1.2為例分析串聯(lián)電路的特點：（1）串聯(lián)電路中流過每個電阻的電流都相等且等于總電流。即:I=I1=12=13=....I式中的角標(biāo)1、2 n代表第1、第2、第n個電阻（以下表示相同）。（2） 電路兩端的總電壓等于各個電阻兩端的電壓之和。即：R=R+R+R+....R1 2 3 n（3） 串聯(lián)電路的等效電阻（即總電阻）等于各串聯(lián)電阻之和。即：U=U]=U2=U3+....U并聯(lián)電路在電路中兩個活兩個以上的電阻一端連在一起，另一端也連在一起，使每一電阻兩端都承受同一電壓的作用，這種聯(lián)接方式叫并聯(lián)，如圖1.1.3所示。圖1.1.3電阻的并聯(lián)下面以圖1.1.3為例分析并聯(lián)電路的特點：（1） 并聯(lián)電路中各電阻兩端的電壓相等且等于電路兩端的電壓，即：U=U]=U2=U3+....U（2） 并聯(lián)電路中的總電流等于各電阻中的分電流之和，即：I=I+1+1+....I1 2 3n（3） 并聯(lián)電路的等效電阻值（即總電阻值）的倒數(shù)，等于各電阻阻值倒數(shù)之和，即:11111————+一+一+一RRRRR123n如果有n個相同的電阻并聯(lián)，則總等效電阻值R=R。由此可見，并聯(lián)等效電阻值總n比任何一個支路的電阻值小。（4）在電阻并聯(lián)電路中，各部分分配的電流與該支路的電阻值成反比，即:4.In上式稱為分流公式，3-稱為分流比。Rn1.1.2電磁感應(yīng)和磁路一、電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)現(xiàn)象就是電產(chǎn)生磁、磁產(chǎn)生電的現(xiàn)象。電磁感應(yīng)技術(shù)在變壓器、電動機(jī)、電度表、無線電設(shè)備等電氣設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。電流的磁場磁場是一種看不見的、沒有不可進(jìn)入性的空間。磁場的表現(xiàn)是引進(jìn)場域內(nèi)的磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)和取向，引進(jìn)場域內(nèi)的電流受到力的作用。磁感應(yīng)強(qiáng)度是表征磁場強(qiáng)弱及其方向的物理量。其大小為單位長度的單位直線電流在均勻磁場中所受到的作用力，其方向與受力的方向和載流直導(dǎo)線的方向垂直。磁感應(yīng)強(qiáng)度的符號是B，其常用單位是T（特斯拉）和G（高斯），1T=1X104G。磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場前進(jìn)方向上某一面積的乘積叫做磁通。磁通是磁路中與電路中電流相當(dāng)?shù)奈锢砹俊４磐ǖ姆柺侵?，單位是Wb（韋伯）和Mx（麥克斯韋），1Wb=1X108Mx。如一面積S與磁感應(yīng)強(qiáng)度B垂直，則O=BSo因為B=§，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度S也叫做磁通密度。電磁感應(yīng)如圖1.1.4所示，當(dāng)線圈內(nèi)的磁通中發(fā)生變化時，線圈內(nèi)即產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e。如果線圈不是開路的，線圈內(nèi)即產(chǎn)生感應(yīng)電流。線圈內(nèi)感應(yīng)電動勢的大小與磁通變化的速率成正比。對于N匝的線圈，感應(yīng)電動勢的大小為△①這一規(guī)律即法拉第電磁感應(yīng)定律。圖1.1.4電磁感應(yīng)圖1.1.4中，當(dāng)磁通中增大時，線圈中感應(yīng)電動勢和感生電流的實際方向是與所表示的電動勢e的方向相反的；而磁通中減小時，線圈中感應(yīng)電動勢和感生電流的實際方向是與所表示的電動勢e的方向相同的。即感生電流的磁場總是力圖阻止原磁場發(fā)生變化的這一規(guī)律稱為楞次定律。二、磁路磁路組成磁路是磁通的閉合電路。依靠電磁感應(yīng)原理工作的電氣設(shè)備，如電動機(jī)、變壓器、各種電磁鐵都帶有不同類型的磁路。圖1.1.5所示為兩種磁路的示意圖。有的磁路由線圈和鐵心組成，有的磁路由線圈、鐵心和空氣隙組成。圖1.1.5磁路載流線圈是產(chǎn)生磁通的來源。線圈匝數(shù)N與線圈電流I的乘積NI稱為磁動勢。磁通在磁路中遇到的阻力稱為磁阻。磁阻的符號是Rm，單位是1/H，磁阻的表達(dá)式為u=Usin(wt+Wi)式中1、s——導(dǎo)磁體的長度和截面積；U——材料磁導(dǎo)率。一般情況下，空氣隙的磁阻比鐵心的磁阻大得多。磁路歐姆定律在磁路中，當(dāng)磁阻不變時，磁通中與磁動勢NI成正比。這一規(guī)律就是磁路歐姆定律。其表達(dá)式為1.1.3交流電和三相交流電路、交流電所謂交流電是指大小和方向都隨時間作周期性變化的電動勢（電壓或電流）。也就是說交流電是交變電動勢、交變電壓和交變電流的總稱。交流電又可分為正弦交流電和非正弦交流電兩類。正弦交流電的電流（或電壓、電動勢）隨時間按正弦規(guī)律變化，如圖1.1.6所示。交流電的用途極為廣泛，在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中幾乎所有電能都是以交流形式產(chǎn)生出來的。即使電機(jī)車運(yùn)輸、電鍍、電訊等行業(yè)所需要的直流電也可經(jīng)過整流獲得。這不僅因為交流電機(jī)比直流電機(jī)簡單、成本低、工作可靠，更主要的是可用變壓器來改變交流電的大小，便于遠(yuǎn)距離輸電和向用戶提供各種不同等級的電壓。二、正弦交流電的幾個基本物理量在討論交流電路以前，應(yīng)了解正弦交流電的幾個基本物理量。正弦交流電的變化規(guī)律可用數(shù)學(xué)公式表示為i=Isin（①t+wi）e=Esin（①t+Wi）P=P+Pb+P上述數(shù)學(xué)表達(dá)式還可用正弦曲線（如圖1.1.7所示）來表示為正弦交流電動勢的波形圖。圖1.1.7正弦電動勢波形圖瞬時值和最大值由于正弦交流電的電流（或電壓、電動勢）是隨時間按正弦規(guī)律不斷變化的，所以每一時刻的值都是不同的，把每一時刻的值叫做交流電的瞬時值。正弦電流、電壓及電動勢的瞬時值分別用i、u和e表示。瞬時值中的最大值，叫做交流電的最大值（或峰值、振幅）用Im、Um及Em表示。頻率、角頻率和周期頻率是指在1秒鐘內(nèi)交流電變化的次數(shù)，用f表示。其單位為赫茲（簡稱赫）用Hz表示。常用的單位還有千赫（kHz）、兆赫（MHz）。1kHz=103Hz1MHz=106Hz正弦交流電表達(dá)式中的w表示正弦交流電變化的快慢，稱為角頻率。因正弦交流電完成一次循環(huán)而相應(yīng)的角度變化為弧度，如每秒完成f次循環(huán)，則相應(yīng)的角度變化為弧度。即：s=2兀f周期是指交流電變化一次所需要的時間，用T表示。單位是秒，用s表示。周期與頻率是互為倒數(shù)的，即：目前，我國的供電系統(tǒng)采用的交流電的頻率為50Hz，周期問為0.02s。相位和相位差在正弦交流電的數(shù)學(xué)表達(dá)書中，（st+V）稱為相位或相位角。因為它隨時間而變化，所以在變化過程中能反映出正弦量的瞬時值的大小。t=0時的相位角稱為初相角或初相位，它確定正弦量的初始值。當(dāng)V,二0時，表達(dá)式i=Isin（st+V.）可變?yōu)閕=Isinst，稱它為正弦參考量。相位差是指兩個相同頻率的正弦交流電的相位或初相位之差。它表示兩個正弦量各自達(dá)到其最大值（或零值）時的時間差。若兩個同頻率的正弦交流電壓u1和生二者同時達(dá)到零值或最大值，則二者為同相位，相位差為零。 1 2三、 三相交流電路三相交流電，即電路中的電源同時有三個交變電動勢，這三個電動勢的最大值相等、頻率相同、相位互差120°，也稱為對稱三項電動勢。三相電源的三個繞組及三相負(fù)載，其常用的連接方式有兩種：星形（Y）連接和三角形（△）連接。四、 三相功率電能使燈泡發(fā)光、電爐發(fā)熱、電動機(jī)帶動機(jī)器，這些都