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电力施工工程师手册.PDF

电力施工工程师手册

zy2897
2011-04-18 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《电力施工工程师手册pdf》,可适用于工程科技领域

第一章电力施工实用技术知识第一节电的基本知识一、直流电路(一)欧姆定律!"部分电路欧姆定律图!#!是不含电源的部分电路。该种电路的计算公式为$’或$’或’$该公式说明:流过导体的电流强度与这段导体两端的电压成反比与该段导体的导阻成反比。这一规律称为欧姆定律。图!"!图!"#!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第一章电力施工实用技术知识!"全电路欧姆定律图#$!是含有电源的闭合电路就称为全电路欧姆定律。该种电路的计算公式为’()(*或()(*或’$(*该公式说明:在一个闭合电路中电流强度与电源的电动势成正比与电路中内电阻和外电阻之和成反比。该规律称为全电路欧姆姆定律。(二)电阻串联电路两个或两个以上的电阻头尾相接一个接一个地联接起来使电流只有一条通路。该种联接方式称为电阻的串联。该种电路有以下特点:图!"##"#!,⋯(#$#)!"#)!)!)⋯)(#)(!)(,)⋯)((#$!),"((#)(!)(,)⋯)((#$,)(三)电阻并联电路两个或两个以上的电阻一端连在一起另一端也连在一起使每个电阻两端都受同一个电压的作用。该种联接方式称为电阻的并联。$!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!电力施工工程师手册该种电路有以下特点:图!"#!"#$#!$#$#$⋯’#((!)*)"$!’’’⋯’($#,!’#,’#,’⋯’#((!))"!,$!,!’!,’!,’⋯’!,((!))(四)电阻混联电路在一个电路中既有电阻的串联又有电阻的并联该种联方式称为混联电路。在计算混联电路时根据情!况运用串并联电路逐步简化。最后求出总的等效电阻则可计算出总电流。如图!)。图!"$!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第一章电力施工实用技术知识(五)基尔霍夫定律(电流定律和电压定律)!"电流定律:流入任意一个节点的电流之和必定等于流出该节点的电流之和。图!"#即:!#入$!#出!#$如图!’(!())"电压定律:电路中任一回路内各段电压的代数和等于零。即!*$!(#)$!,如图!((!)图!"$二、单相交流电路交流电路是由交流电源、负载、连接导线和电路的控制、保护设备等组成。"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""电力施工工程师手册(一)纯电阻电路纯电阻电路是电路中只有电阻。!"纯电阻电路中电压与电流的关系如下:如图!#$所示电压与电流的关系满足欧姆定律:’(’)*,(’)*,()’)(为电流最大值)(!#)图!"#其中’)*,!"如用电流和电压的有效值表示则为’("纯电阻电路中的功率在纯电阻电路中电压的瞬时值与电流的瞬时值的乘积叫做瞬时功率:’#·$瞬时功率在一个周期内的平均值来衡量交流电功率的大小则这个平均值称做有功功率:’’(’((、分别是交流电压和电流的有效值)(!#!!)(二)纯电感电路纯电感电路是指电路中只有电感(电阻很小可忽略不计)图!#(!)为纯感电路图!#()为其电压、电流波形$!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第一章电力施工实用技术知识图!"#!"纯电感电路中电流与电压的关系:!"##$"($"#"#$!"(!!)$"纯电感电路的功率:(!)瞬时功率:’"#(·)##*),(’!$·!*),)##*!*),·#!$#*!*),(!!()($)无功功率:)*#$,*#$,*(!!)(三)纯电容电路纯电容电路是指电路中只有电容的电路如图!!所示。图!"!$纯电容电路及其电压、电流波形!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!电力施工工程师手册!"纯电容电路中电流与电压的关系:!"##$"($#!"#!$!’"(!!)$"纯电容电路的功率(!)瞬时功率:(#)·*"##’(),·!"’()(,*!$)##!"’(),·,’,#!$#!’(),(!!)(!!)($)无功功率:##$#$(!!)(四)电阻、电感、电容串联电路电阻、电感、电容串联电路图如图!!!所示。图!"!!电阻、电感、电容串联电路!"该电路阻抗:#$*()!$(、、分别为交流电路中的电阻值、感抗值、容抗值)(!!)$"总电流的有效值:#(!$)"单相交流电路的视在功率::#(!$!)有功功率:#,’!(,’!#<(!$$)#"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""第一章电力施工实用技术知识无功功率:!"#$’!(’!"()(*,)三种功率(图**,)的关系:",!!,(*,)图!"!#功率三角形功率因数:!"三、三相交流电路*三相交流电的特点单相交流电路中的电源只有一个交变电动势对外引出两根线。本节讨论多相制电路是在交流电路中有几个电动势同时作用每个电动势的大小相等频率相同相位上相差一定角度。目前应用最为广泛的是三相制交流电路。这种电路有三个交变电动势它们频率相同相位上相互相差*,由三相发电机产生三相交流电与单相交流电相比三相交流电具有下列优点:(*)三相发电机比尺寸相同的单相发电机输出的功率要大。(,)三相发电机的结构和制造并不比单相发电机复杂多少而且使用、维护也较方便运转时比单相发电机的振动小。()在同样条件下输送同样大的功率时三相输电线比单相输电线可省约,左右的材料这对远距离输电意义很大。由于三相交流电有以上优点所以三相交流电比单相交流电应用得$"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""电力施工工程师手册更广泛而且往往单相交流电都是从三相交流电中取得。!"三相正弦交流电动势的产生三相电动势一般是由三相交流发电机产生。三相交流发电机的结构示意图见图#$#(#)。它主要由定子和转子构成在定子中嵌入了三个空间相差#!’的绕组每一个绕组为一相合称三相绕组。三相绕组的始端分别为!#、"#、##末端为!!、"!、#!。转子是一对磁极它以均匀的角速度!旋转(如顺时针方向旋转)。如果三相定子绕组的形状、尺寸、匝数均相同则三相绕组中分别感应出的电动势振幅相等、频率相同但因为三个绕相的布置在空间位置上相互隔开#!’所以感应电动势最大值出现的时间各相差三分之一周期即相位上互差#!’。若磁感应强度沿转子表发正弦规律分布则在三相绕组中分别感应出振幅相等、频率相同、相位互差#!’的三相正弦交流电动势。"三相正弦交流电动势的表示方法若规定三相电动势的正方向都是从绕组的末端指向始端如图#$#(!)所示。则三相正弦交流电动势的瞬时值表示式为:图!"!#三相交流发电机原理$!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第一章电力施工实用技术知识!"!#$"#$!(’()!!#$"#$(!’)*)(’)!’!#$"#$(!,’)*)(’)与之相对应的波形图和矢量图如图()、(’)所示。图!"!#三相交流电的波形及矢量图相序三相电动势到达最大值的先后次序叫做相序。在图()中最先到达最大值的是!"其次是!再次是!(它们的相序是"’"称为正序。若最大值出现的次序是"’"与正序相反则称为负序。一般三相电动势都是指正序而言并常用颜色黄、绿、红来表示"、、’三相即)、*、三相。四、三相电源绕组的联接三相电源绕组的联接方法有二种:星形()联接和三角形(!)联接。三相电源绕组的星形()联接如果将发电机三相绕组的末端"’、’、’’联接在一起形成一个公共点三相绕组的始端"、、’分别引出这种联接方式称为星形$!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!电力施工工程师手册(!)联接法。如图!"!#所示。图!"!#三相四线制图!"!#中三相绕组末端联接在一起的这个公共点称为中性点以"表示。从三个始端#!、$!、!分别引出的三根导线称为相线。从电源中性点"引出的导线称为中性线。如果中性点"接地则中性点改称为零点用"$表示。由零点"$引出的导线称为零线。有中性线或零线的三相制系统称为三相四线制系统。中性点不引出即无中性线或零线的三相交流系统称为三相三线制系统如图!"!所示。!"!$三相三线制在图!"!#、图!"!中相线与中性线(或零线)间的电压称为相电压用##、#$、#(或#、#’、#()表示。两根相线之间的电压称为!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第一章电力施工实用技术知识线电压用!!"、!"#、!#!、(或!$、!、!$)表示。星形(’)联接时线电压在数值上为相电压的!!倍即!线!"!!相。相位上线电压超前相电压!#$。三相电源绕组的三角形(")联接如果将三相电源绕相首尾依次相接则称为三角形(")联接。例如将!相(即$相)绕组的末端!与"相(即相)绕组的始端"’相接然后将"相绕组的末端"与#相(即相)绕组的始端#’相接然后再将#相绕组的末端#与!相绕组的始端!’相接则构成一个三解形(")接线。三角形的三个角引出导线即为相线如图’(’)所示。图!"!#电源绕组的三角形联接从图’(’)可看到:采用"形接法时线电压在数值上等于相电压即!线"!相。五、三相电路的功率在三相交流电路中三相负载消耗的总功率为每相负载消耗功率之和。即:("(!*("*(#"!!)!,!!*!")",!"*!#)#,!#(’()$!#####################################################电力施工工程师手册上式中!!、!"、!#为各相电压$!、$"、$#为各相电流!"#!!、!"#!"、!"#!#为各相的功率因数。在对称三相交流电路中各相电压、相电流的有效值相等功率因数!"#!也相等所以上式可写成:$!相$相!"#!相(’()上式表明在对称三相交流电路中总的有功功率是每相功率的倍。在实际工作中由于测量线电流比测量相电流要方便(指!形联接的负载)所以三相总有功功率也可用线电流、线电压表示。式(’()可改写如下:"$!线$线!"#!相(’)对称负载不管是联接成星形()还是三角形(!)其三相总有功功率均按式(’()、或式(’)计算。同理可得到对称三相负载总的无功功率计算公式如下:’$!相$相#)*!相"$!线$线#)*!相(’)对称三相负载总的视在功率计算公式:($!相$相"$!线$线(’)在上述分析中再三提到对称三相负载这概念。所谓对称三相负载是指各相负载电阻、感抗(或容抗)相等即阻抗相等且性质相同。在三相功率中有功功率单位是瓦(,)或千瓦(,)无功功率的单位是乏()或千乏()视在功率的单位是伏安()或千伏安()。在三相功率计算中如前所述!"#!相$)相*相即:每相负载的功率因数!"#####################################################第一章电力施工实用技术知识等于每相负载的电阻除以每相负载的阻抗!"#!相$!相"相式中!相是每相负载的电抗!相$!#相!$相如果!$相(每相负载的容抗)忽略不计则!相$!#相(每相负载的感抗)。三相有功功率、无功功率、视在功率’之间与单相交流电路一样有下列关系:’$’!如果已知道了三相有功功率视在功率’则三相无功功率也可按下式计算:$’!(()*)目前电力系统高压输电都采用三相三线制这是因为高压输电时三相负载都是对称的三相变压器在对称三相电压作用下若三相负载是对称的则流过各相负载的电流相等由于每相电流之间的相位差为(,所以三相对称负载作星形联接时中性线电流为零此时取消中性线也不影响三相电路的工作高压输电采用三相三线制可节省有色金属减少建设投资。另外要注意的是:在)!(低压配电系统中当三相负载不对称时零线的作用是保证各相负载均能承受对称的相电压使各相负载正常可靠工作所以零线必须联接可靠。规定三相四线制供电系统中零干线上不准安装开关和熔丝并要求零线有一定的机械强度和截面积。当然"形联接还可以反方向(逆时针方向)联接即)相的末端)与*相的始端的*(联接然后将*相的末端始端*与(相的始端((联接再将(相的末端(与)相的联接也可将三相绕组的始端联在一起构成中性点将三相绕组的末端引也这种联接法也很少采用。!"#####################################################电力施工工程师手册六、三相负载的联接三相负载也有两种接方式:星形(!)联接法和三角形(!)联接法。现分述如下:!"三相负载的星形(!)联接法把三相负载分虽接在三相电源的一根相线和中性线(或零线)之间的接法称为三相负载星形(!)联接如图!#!$所示。图!"!#三相负载的星形联接图中"#、"$、"为各相负载的阻抗值为三相负载的中性点。我们把加在每相负载两端的电压称为负载的相电压。相线之间的电压如前所述称为线电压。负载接成星形(!)时相电压等于线电压的!!"即#相’#铁"。星形接线的负载接上电源后就有电流产生。我们把流过每相负载的电流叫做相电流用’#、’$、’(或’(、’)、’*)表示统记为’相。把流过相线的电流叫做线电流用’#、’$、’(或’、’,、’)表示统记为’线如图!#!$中所示。从图中可看到:负载作星形(!)联接时’线’’相。即线电流等于相电流。$!#####################################################第一章电力施工实用技术知识图!"!#是常用的照明线路接法。照明负载接成星形(!)。联接时应注意应尽量使三相负载对称即三相负载应尽量均匀地接在每相上应尽量使每相负载相等这样可减小不平衡电流减少电能损耗保证供电电压。图!"!#照明负载电路$三相负载的三角形(!)联接把三相负载分别接在三相电源的每两根相线之间的接法称为三角形(!)联接如图!"$所示。图!"$三相负载的三角形联接在负载作!形联接的电路中由于各相负载接在两根相线之间因此负载的相电压就是电源(电网)的线电压即"线’"相。三角形联接的负载接上电源后便产生线电流和相电流。在图!"!"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""电力施工工程师手册!"中所标的#$、#、#即为电流#’、#(、#)为相电流。通过分析可知负载接成三角形(!)接线时#线"!"#相。即:三角形(!)联接时负载的相电流在数值上等于#!""线电流。七、电与磁的转换(一)磁通通过与磁场方向垂直的某一面积上的磁力线总数叫做通过该面积的磁通。用字母!表示。磁通的单位是韦伯($)简称韦工程上常用比韦小的单位叫麦克斯(’)简称麦。#韦($)!#()麦(’)磁通是描述磁场在一定面积上分布情况的物理量。面积一定时如果通过该面积的磁通越多则表示磁场越强。(二)磁感应强度磁感应强度是表示磁场中某点磁场强弱和方向的物理量用符号*表示。磁场中某点磁感应强度*的方向就是该点磁力线的切线方向。磁感应强度*的大小可用下式表示*!#,式中,与磁场方向垂直的一段导体长度(*)#通过导体,的电流()长度为,的导体当通以电流#时在磁场中受到的作用力(,)*磁感应强度()。磁感应强度的单位是“特斯拉”简称“特”用字母“”表示。在工程上常用较小的磁感应强度单位“高斯”()。!"#####################################################第一章电力施工实用技术知识!"#!$’如果磁场中各处的磁感应强度!相同则这样的磁场叫做均匀磁场。在均匀磁场中磁感应强度可用下式表示。!#!"在均匀磁场中磁感应强度!等于单位面积的磁通量。如果通过单位面积的磁通越多则磁场越强。所以磁感应强度有时又叫磁通密度。(三)导磁率通过实验发现不同材料其导磁性能不同。通常用导磁率(导磁系数)"来表示该材料的导磁性能。导磁率"的单位是(!)(亨!米)。由实验测定真空的导磁率"$##*!$,(!)。因为"$是一个常数所以用其它材料的导磁率和它相比较其比值称为相对导磁率用字母"#表示。根据各种物质的相对导磁率"#的大小可以把物质分为三类。第一类叫反磁物质它们的相对导磁率小于!如铜、银、碳和铋等。第二类物质叫顺磁性物质它们的相对导磁率略大到!如铂、锡和铝等。第三类叫铁磁性物质它们的相对导磁率远大于!甚至大到几千倍、几万倍如铁、镍、钴和这些金属的合金等。铁磁性材料在生产中应用很广泛例如变压器、电动机、发电机等的铁芯以及电磁铁等都采用铁磁性物质。(四)磁场强度由于不同的媒介质具有不同的导磁率"这样在同一个磁路中由于媒介质的不同将有不同的磁感应强度!这样就使磁路计算变得非常复杂。因此引入磁场强度$这个物理量。磁场中任一点磁场强度$的大小与媒介质的性质无关只与产生磁场的电流及载流导体的空间布置情况有关。这样在计算分析磁路时就!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!电力施工工程师手册可先不考虑场内媒介质的影响这给计算带来很大方便。磁场强度也是一个矢量其大小定义为磁场中某点的磁感应强度!与媒介质导磁率!的比值即:"!!!("#$)磁场强度的单位是安!米(#!$)。较大的单位是奥斯特()简称奥。"!’#!$在均匀媒介质中磁场强度"的方向和所在点的磁感应强度!的方向相同。八、铁磁性材料的磁性能铁磁性材料主要是指铁、钴、镍或它们的合金以及含铁的氧化物(铁氧体)。铁磁性材料具有下列磁性能:(一)高导磁性在外磁场作用下铁磁性材料能够被强烈磁化而呈现很强的磁性。铁磁性材料的导磁率!’!"可达到数百、数千、甚至数万。(二)磁饱和性磁饱和性是铁磁性物质在磁化过程中表现出来的一些特性。如图"#("所示在环形线圈中放待研究的铁磁性材料利用双刀双投开关可改变线圈中电流方向利用调节电阻器(来改变线圈中电流)的大小从而改变磁场强度线圈内部的磁感应强度!可用测量仪器测出然后利用描点法可画出磁化曲线(!#")曲线。从图"#("(()可看到磁化曲线可分四段:’*段!增加较缓慢*段!与"几乎成正比地增加,段!的增加缓慢下来以后一!""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""第一章电力施工实用技术知识段!增加得很少这时!已达到最大值!"这种现象称为磁饱和。这是铁磁性材料的一个重要特性。#点称为饱和点。铁磁性材料饱和时的磁感应强度!"又称为饱和磁通密度!$它是铁磁性材料的一个重要磁性指标。材料的!$越大铁芯就可以做得越小。优质的冷轧矽钢片其!$值可达!"#左右。图!$为几种铁磁物质的磁化曲线。图!$!磁化过程实验装置和磁化曲线(!)实验装置()磁化曲线图!"##几种材料的!"曲线(三)磁带性利用图!$!(!)所示的实验装置可使铁芯线圈通过一个大小和方向都变化的交变电流当线圈中通有交变电流时铁芯就受到交变磁化。$#!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!电力施工工程师手册铁芯中磁感应强度!随磁场强度"变化关系如图!"#$所示。图!"#$磁滞回线由图!"#$可见当"已减零值时!并没有回到零值而是维持一定的数值。这种磁感应强度滞后于磁场强度的变化称为铁磁性材料的磁滞性。当线圈中的电流减到零值时由其产生的磁场强度也为零但铁芯在磁化时所获得的磁性还没完全消失这时铁芯中所保留的磁感应强度称为剩磁。在图!"#$中纵坐标#、$表示剩磁。要去掉剩磁则要在线圈中通过反向电流以便产生一个反向的磁场强度"来进行反向磁化。使剩磁为零的反向磁场强度叫矫顽力用"表示。在图!"#$中横坐标、表示矫顽力。图!"#$所示的曲线称为磁滞回线它是铁磁性材料被反复交变磁化的情况下表示!与"关系的闭合曲线(’、#、、(、$、、’)。电机、变压器工作时铁芯会发热其原因是铁芯一直处在被交变磁场反复磁化的状态而铁芯磁化时又存在磁滞外磁场要使磁畴(铁磁性物质内部存在的许多相当于小磁铁的小区域)转向就必须克服磁畴间的阻碍而消耗一部分电能这消耗的能量变为热能使铁芯发热。这种能量!#!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第一章电力施工实用技术知识的损耗称为磁滞损耗。实验证明磁滞回线包围的面积越大磁滞损耗越大此外磁滞损耗还与反复磁化的频率有关频率越高磁滞损耗也越大。根据铁磁性物质的磁性能可将铁磁性物质分成两大类型。(!)软磁材料:具有导磁率高、剩磁和矫顽力小、磁滞回线窄、磁滞损耗小等特点。硅钢、铸铁、坡莫合金和铁氧体等材料都是软磁性材料。软磁材料广泛应用来制作电机、变压器及电器等的铁芯。(")硬磁材料:具有较大的剩磁和矫顽力、磁滞回线较宽等特点。一般用来制作永久磁铁。常用的材料有:碳钢、钴钢、钨钢、铁镍铝合金等。此外还有磁矩材料它的磁滞回线呈矩形。它的特点是能在很小的外磁场作用下就被磁化并达到饱和去掉外磁场后磁性能仍保持与饮和时相同。利用矩磁材料可制作记忆元件如电子计算机存贮器中的铁芯。九、电磁感应(一)电磁感应现象在图!#"$所示的均匀磁场中放置一根导体!"导体两端接上一个灵敏的检流计。当导体垂直于磁力线作切割运动时可以看到检流计指针有偏转说明其回路中有电流存在当导体平行于磁力线方向运动时检流计指针不偏转说明回路中没有电流存在。再如图!#"在线圈两端接上灵敏检流计#当磁铁插入线圈时线圈中的磁通将增加这时会看到检流计指针向一个方向偏转如果条形磁铁在线圈中静止不动时线圈中的磁通不发生变化检流计指针不偏转再将磁铁迅速由线圈中拔出时线圈中磁通将减小这时可看到检流计指针向另一方向偏转。!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!电力施工工程师手册图!"#$直导体的电磁感应现象图!"#磁铁在线圈中运动上述两个实验现象说明:当导体相对于磁场运动而切割磁力线或者线圈中磁通发生变化时在导体或线圈中都会产生感应电动势若导全或线圈构成闭合回路则导体或线圈中就有电流产生。这种现象叫做电磁感应。由电磁感应产生的电动势称为感应电动势简称感应电势由感应电动势引起的电流叫感应电流。(二)电磁感应定律!"法拉弟电磁感应定律在图!#$的实验中当磁铁插入或拔出愈快即磁通随时间变化愈快时回路中感应电动势也愈大。这说明回路中感应电动势的大小与穿过回路的磁通变化速率成正比这个规律就叫做法拉弟电磁感应定律。#!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第一章电力施工实用技术知识设通过线圈的磁通量为!则单匝线圈的感应电动势的大小为:!!""!""(#"$)对于#匝线圈其感应电动势为!!"#"!""!""(#!)""!""!""(#"$)式中!感应电动势(’)"!""磁通变化速率(()!*)#线圈匝数#线圈的磁链#!#!。上式表明线圈中感应电动势的大小决定于线圈中磁通变体速度。如图"!""!则!!"!""!则!!"!""越大则!越大。式(#"$)是表示感应电动势的普遍公式。对于在磁场中切割磁力线的直导体来说感应电动势可用下列公式计算:!!$*,’(#"$)式中$磁感应强度(()!)导体切割磁力线速度(!*)导体在磁场中的有效长度()’导体运动方向与磁力线的夹角。当’!时表示导线运动方向与磁力线平行这时!!当’!时表示导体垂直于磁力线运动这时切割磁力线最大感应电势!也最大!!$。楞次定律线圈中因磁通变化而产生的感应电动势(电流)的方向可以用楞次!""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""电力施工工程师手册定律来确定。楞次定律指出当闭合线圈回路中的磁通量发生变化时回路中就有感应电流产生。感应电流的方向总是要使它产生的磁场阻碍闭合回路中原来磁通量的变化。即闭合线圈回路中的感应电流它又要产生磁场其磁场的方向总是阻碍闭合回路中原来磁通的变化。例如线圈闭合回路的感应电流是由于穿过线圈闭合回路的磁通增加而产生的则感应电流产生的磁场方向与原磁通方向相反即阻碍原磁通增加假如线圈闭合回路的电流是由于空过线圈闭合回路的磁减少而产生的则感应电流产生的磁场方向与原磁通方向相同即阻碍原磁通砬少感应电流产生的磁场方向根据楞次定律确定后就很容易的可用右手定则判断出感应电流的方向。利用楞次定律确定感应电流方向的步骤如下:(!)首先判断线圈闭合回路原磁通的方向及其变化(")根据感应电流产生的磁场总是阻碍原磁通的变化的原则确定感应电流的磁场方向(#)利用右手定则确定感应电流方向。见图!$"(!)原磁通方向如图所示(向下)由于磁铁插入线圈时磁通增加根据楞次定律感应电流产生的磁通方向与原磁通方向相反这时要阻碍磁通的增加因此得出感应电流产生的磁通方向如图所示(向上)。再应用右手定则判断感应电流方向用右手握线圈姆指指向感应电流产生的感生磁通方向则弯曲四指指向表示感应电流方向。如图中电流由右端流入检流计。用同样方法亦可判断出图!$"(")中感应电流方向是从左端流入检流计。直导体中感应电动势的方向判别通常采用右手定则。方法:伸平右手姆指与其余四指垂直让磁力线穿过手心。当姆指指向表示导体切割!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第一章电力施工实用技术知识磁力线的运地动方向时四指的方向便是感应电动势的方向如图!"#$所示。图!"#$右手定则图!"#应用楞次定律判断感生电流(三)自感和互感!自感电动势当通过线圈的电流发生变化时也会引起线圈回路的磁通发生变化在线圈感应出电动势这个电动势要阻碍电流变化这种现象叫做自感。由自感产生的感应电动势叫做自感电动势用!"表示。所以自感电动势$#!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!电力施工工程师手册是由于通过线圈本身的电流发生变化引起的。为了掌握!"和外电流#之间的定量关系把线圈的磁链和电流的比值叫做线圈的自感系数又称电修用"表示。"!!#("#$)式中!电流#通过线圈时产生的自感磁链(’)#通过线圈的电流($)"电感()。电感"是表示线圈产生自感电动势本领大小的物理量。如果通过线圈的电流为"$在线圈中产生的自感磁链为’则该线圈的电感应为"((亨利)。较小的单位有)((毫亨)和!((微亨)等。")(!"*#$(。通过分析可得到:自感电动热的大小与线圈中电流的变化率成正比即!"!#""#"。式中负号表示自感电动势的方向总是和外电流的变化方向相反即线圈中的外电流#增大时自感电动势(感应电流)的方向与#的方向相反当线圈中的外电流#减小时自感电动势(感应电流)的方向与#相同。自感现象有利有弊。例如:由于自感现象的存在使线圈在交流电路中既能产生高电压又能抑制电流变化如日光灯中的镇流器就是起这种作用日光灯管在镇流器产生的自感电动势和外电压叠加后的高电压作用下激励发光但在供电系统中断开电感量大的线圈时会产生瞬时高电压使电路的开关断开处产生强烈的电弧严重时会损坏设备引起事故。,互感电动势如图"#所示的实验电路其中线圈"和线圈靠得很近在线圈!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第一章电力施工实用技术知识!两端接一只灵敏检流计。当开关"闭合瞬间我们会观察到检流计指针会发生偏转一下后又恢复到零位。这种现象是由于开关闭合瞬间线圈!中发生了电流由无到有的变化因而在线圈!中产生了变化的磁通!!其中一部分磁通!!"穿过线圈"使线圈"中产生感应电动势#$"这时检流计中便有电流通过使指针发生偏转。后因恒定不变不再发生上述过程所以无电流流过检流计指针又回到零位。图!"#$两线圈的互感现象这种由于一个线圈的电流变化使另一个线圈产生感应电动势的现象叫做到感现象简称互感。由互感产生的感应电动势叫互感电动势#$"表示。互感电动势#$的大小为:#$"#$$"!"(!$)#$!#$$"""(!$!)上式中$称为互感系数其大小与两线圈的匝数、尺寸、相互位置$#!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!电力施工工程师手册及线圈中介质的导磁系数有关。互感电动势的方向可用右手定则来确定。一个线圈的电流!增大时电流变化率!!!"!!这时在另一线圈中产生的互感电动#$势为负值当一个在的电流!减小时在另一线圈产生的互感电动势为正值因为电流变化率!!!""#$!。十、磁场对通电导体的作用(一)磁场对通电直导体的作用通电直导体在磁场中将受到力的作用磁场越强受的力越大磁场弱受的力小导体通的电流大受的力大通的电流小受的力小。在均匀磁场中通电直导体受力大小可按下列公式计算:"’(#$)(’())式中均匀磁场的磁感应强度(*!,))’导体中的电流强度()(导体在磁场中的有效长度(,))导体与磁力线的夹角导体受到的磁力()。当导体与磁力线平行时即""!时#$""!此时导全受到的磁力"!。当导体与磁力线垂直时即""!时#$""此时导体受到的磁力最大。此时式(’())变为:*"’(式中*导体与磁力线垂直时受到的最大磁力。!"’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’第一章电力施工实用技术知识通电导线在磁场中受力的方向可用左手定则判断。左手定则的方法是:将左手伸平姆指与四指垂直让磁力线穿过手心四指指向电流方向则姆指所指方向就是导体受力方向如图!"#$所示。图!"#$左手定则(二)磁场对通电线圈的作用由于磁场对通电导体有力的作用所以磁场对通电线圈也有磁力作用。通电线圈在均匀磁场中受到的旋转力矩大小可按下式计算:!"#$’(!(!")*)式中"均匀磁场的磁感应强度()#通过线圈的电流强度(,)$线圈的面积(#)!线圈平面与磁力线的夹角!旋转力矩(·)。对于匝线圈线圈受到的转矩为!"#$’(!由式(!")*)可看出:当线圈平面与磁力线平行时!’(!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!电力施工工程师手册此时式(!"#$)变为:!"#$式中!"线圈受到的最大转矩。当线圈平面与磁力线垂直时!’()*!’此时!’即线圈受到的转矩为零。从上述分析说明:通电线圈在磁场中磁场总是要使线圈平面转到力与磁力线相垂直的位置。但事实上总是不可能因为通电线圈在磁力作用下转动由于惯性不可能在与磁力线垂直的位置停下来而是将不停的转动直到切断电源在线圈中无电流通过时为止。磁场对单匝通电线圈的作用原理如图!"$’所示。图!"#$磁场对线圈的作用(三)通电导线之间的相互作用由于通电导线周围存在着磁场因此当两根平行导线通过电流时它们之间就存在电磁力的作用。作用力的方向仍按左手定则判断。当两根平行导线通的直流主向相同时它们相互吸引反之当两根平行导线通入反方向电流时它们相互排拆。两根平和行直导线之间作用力大小的计算公式为:"’$!$,,#’((!"##)!#!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第一章电力施工实用技术知识式中!!真空的导磁率!"!#分别通过两平行导线的电流强度($)"两平行导线间的距离()#平行导线的长度()$两平行直导线间的电磁力()。单位长度导线上的作用力为:$!’$#’!!!"!##""当电路发生短路事故时导线中通过的短路电流很大导线间相互作用力就很大。因此在设计和设备布置时应予以考虑。十一、电容器(一)电容器是电工和电子技术中常用的元件之一在电力系统中利用它进行无功补偿改善电网的功率因数在电子技术中利用它进行滤波、耦合、隔直、调谐等。在生产和科研中用得很多。电容器是储存电荷(或电场能量)的元件它由两个极板和绝缘介质组成。极板是储存电荷的导体绝缘介质把两极板隔开。常用的电容器介质有空气、纸、云母、塑料薄膜和陶瓷等。根据介质材料不同电容器有空气、液体、无机、介质电容器等种类。常用电容器的符号如图"()"所示。其中()为固定电容器符号()为电解电容器符号(’)为可变电容器符号(")为微调电容器符号。!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!电力施工工程师手册图!"#!常用电容器符号(二)电容量如果把电容器的两个极板分别接到直流电源两端如图!"#$所示。这时两极间便有电压!同时在电场力作用下发生电子运动使两个极板分别带上数量相等符号相反的电荷。与电源正极相连的极板带上正电荷与电源负极相连的极带上负电荷。实验证明对于某一电容器来说其中任一极板所储存的电量与两极板间的电压的比值是一个常数采用这一比值来表示电荷的本领。假如电容器任一极所储存的电量为"两极板间的电压为!则"与!的比值叫做电容器的电容量用字母#表示。即:#"!(!"’)式中"任一极板上的电量(()!两极板间的电压())#电容量(*)。如果在两极板间加!$电压主每极板上所储存的电量为!#则该电容器的电容量为!法拉简称!法(*)。除法拉这单位外在实际应用中电容的单位还有微法(!*)、微微法(!!*)微微法又叫皮法(*)。!微法(!*)!,"法(*)!皮法(*)!,"微法(!*)!,"!#法(*)需说明的是虽然电容器和电容量都可简称电容都可以用#表示但电容器是储存电荷的容器而电容量则是衡量电容器在一定电压下储存电荷能力在小的物理量二者在概念上不同的。##!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第一章电力施工实用技术知识另外要说明的是不只是电容器中才具有电容任何两个导体之间或导体对地之间都存在电容。例如输电线路的导线之间、导线对地之间都存在电容。所以在实际工作中应考虑到这个因素。(三)电容器的充电与放电!"电容器的充电我们用图!#$(!)所示的实验电路来做一个电容器充电和放电实验。现在先做电容器充电实验。实难前开关"置于接点位置这时电容器上没有电荷。#为直流电源$!和$是直流电流表是直流电压表。图!"#$电容器充放电实验电路当开关"合向接点!时其电路如图!#$()所示。这时电源向电容器充电我们会看到串在电路中的灯泡起初较亮但逐渐变暗这说明电路中充电电流在变化。另外从电流表$!上可以观察到充电电流由大向小变化而电压表上看出电容器两端电压’(。逐渐上升。经过一定时间电流表$!指针回到零位灯泡不亮了说明电路中已无电流存在此时电压表的指示值等于电源电压(’(!#)。为什么电容器在充电过程中电流会由大变小而电容器上的电压却由小变大并经过一定时间近似等于电源电压呢?这是因为充电时在直#"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""电力施工工程师手册流电压作用下电源正极向电容器!极板供给正电荷电源负极向电容器"极板供给负电荷电荷在电路中作定向移动而产生电流这就是充电电流的由来。由于#接通瞬间电源正极与电容器!极板之间存在着较大的电位差所以开始时充电电流较大灯泡较亮随着充电的进行电容器极板上的电荷不断储集而使电容的电压$不断上升促使电源与电容器极板间的电位差逐渐减小所以充电电流也就越来越小当两者电位差等于零时充电电流为零(即充电结束)此时电容器两端电压$!电容器储存的电荷’!($!(。"#电容器的放电当充电结束时电容器上的电压$!此时假如将开关#从$接点合向"接点其电路图如$"()。这时电容器便开始放电使电容器"极板的负电荷沿电路移出并与!极板的正电荷不断中和。这时从电流以表!"可看出电路中有电流流过而且由大到小灯泡)也由亮变暗最后不亮电压表*上可以看到电容器两端的电压$逐渐下降经过一定时间后下降至零表示放电过程结束。由上述分析可以知道电容器在充放电过程中电路中有电流流过当充电和放电结束电流就没有了。在充电过程中电容器两极板所储存的电荷不断聚集而增加放电时极板上的电荷不断释放而减少。因此可以得出结论:当电容器极板上的电荷发生变化(增加或减少)时电容器中有电流流过若电容器极板上储存的电荷恒定不变则电容器中没有电流流过。设电容器的电荷变化为!’时间变化为!那么通过电容器的电流为:,!!’!!(!$!#电容器中的电场能量!""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""第一章电力施工实用技术知识从电容器的充放电过程使我们知道一只小灯泡串联在电容器的放电回路中小灯泡会亮一下然后再暗下去这说明充了电的电容器有能量释放出来。这个能量是从哪里来的呢?原来它是直流电源对电容器充电时把电源能量换成电场能量而储存在电容器中在电容器放电时把这电场能量释放出来。设电容器的电容量为!(")、两极板之间的电压为#($)则该电容器中所储存的电场能量可按下式计算:!"#!##("$)电容器是电路的基本元件之一当加在电容器两端的电压增加时电容器便从外界吸收能量储存在它两端建立起来的电场中而当电容器两端电压降低时它便把原来所储存的电场能量释施出来。电容器是一种储能无件。(四)’!电路的暂态过程“暂态过程”又称过渡过程。它是指由一种稳定状态变化到另一种稳定状态所经过的变化过程。这一变化过程所需的时间一般都十分短暂所以常称为“暂态”。下面讨论’!电路在直流电源作用下的暂态过程。图"$’’所示为电阻’与电容!串联电路。图!"##’、!串联电路$#!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!电力施工工程师手册当开关合向!端时电源就向电容器充电在此电路中电阻!两端电压"!等于电源电压"与电容器两端电压"#之差即:"!!"""$经过电阻的充电电充为:!"!!!"""$!当开关合向!的瞬间(!#)由于电容器上原来不带电荷故电容器两端电压"$!#此时电阻两端电压"!!"数值最大。这时流经电阻!的充电电流也最大其电流值为:’#!"!!!"!在充电过程中随着电容器极板上电量的增多使电容器两端电压升高电源电压与电容器两端电压之差也逐渐减小因而充电电流也逐渐减小。最后当电容器两端电压上升到等于电压"时充电电流下降到零此时电容器两端电压达到稳定值。图$"所示为电容器充电电压及充电电流随时间变化的曲线。(!)为充电电压曲线(()为充电电流曲线。在图$"所示的电路中假如将开关合向(端这时已充电的电容器就通过电阻和导线放电。放电电流与充电电流方向相反。放电开始的瞬间"$具有最大值且等于放电前的稳定电压"此时放电电流也最大其值为"$!!"!随着放电的继续电容器上的电荷不断中和电压"$就逐渐下降放电电流也随着减小直到放电完毕时电压"#和电流均为零。!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第一章电力施工实用技术知识图!"#$电容器充电电压、电流曲线图!"#电容器放电电压、电流曲线图!"#$所示为电容器放电时电压!"与放电电流#随时间$变化的曲线。由于放电电流的实际方向与充电电流方向相反故它的曲线画在时间轴的下面。从图!"#和图!"##可以看出电容器充放电过程中电压和电流变化的曲线都是开始时变化较快以后逐渐减慢。经数学证明均按指数规律变化。电容器充电时当电路中电阻一定则电容器电容量愈大充电的时间愈长这是因为"愈大充到同一电压所需的电荷愈多(这好像对水箱加水一样当进水管子粗细一定时水箱越大加满水的时间就越长)若电容量"一定则电阻愈大充电到同样的电荷值所需的时间也就愈长)若电容量"一定则电阻愈大充电到同样的电荷值所需的时间也就愈长这是因这时充电电流小(好像水箱加水一样当水箱大小一定时进水管越细进水量相对就小水箱加满水的时间就愈长一样)。同样放电规律也是如此从上分析可以知道和"的大小对充放电时间的长#!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!电力施工工程师手册短有很大影响。我们把!与"的乘积叫做!"电路和的时间常数用!表示。即:!!!"("#$)若!的单位用欧(")"的单位用法()则!的单位为秒(’)。时间常数!的单位除秒(’)外常用的单位还有毫秒((’)、微秒(!’)。

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