第一章電氣基礎知識
第一節交流正弦量相量
1.1 什麼是交流量、正弦量
1.2 相量和交流量的對應關係
第二節有功功率無功功率
2.1 無功功率的的基本概念
2.2 純電阻電路電壓、電流、功率分析
2.3 電感電路電壓、電流、功率分析
2.4 電容電路電壓、電流、功率分析
第三節變壓器的基本原理
3.1 變壓器空載執行電磁過程分析
3.2 變壓器負載執行電磁過程分析
3.3 變壓器電磁原理現場實際應用舉例
第四節發電機基本原理
4.1第五節中性點接地方式
5.1 中性點接地方式概述
5.2 不接地系統發生單相接地故障分析
5.3 中性點接地方式在繼電保護中的分法
5.4 中性點線圈接地方式
5.5 我廠接地方式介紹
第五節序分量
6.1 序分量的基本概念
6.2 對稱分量法的應用—單相接地故障分析
第六節二次迴路及小結
編者：李博
引言本章內容介紹電氣基礎知識，包括交流正弦量、相量，有功功率、無功功率，變壓器基本原理，中性點接地方式，序分量，二次迴路。整個電氣基礎知識課件注重物理和相應的數學推導過程，既要建立最後概念，又要掌握概念建立過程的推導方法，講求整體性，會有縱向和橫向的穿插。
第一節交流正弦量相量
電力系統採用的一般都是交流正弦量，正弦交流電壓或者正弦交流電流。
1.1 交流量
1.1.1 什麼是交流量？大小和方向隨時間週期性變化的電壓和電流稱為交流電。例圖：
圖1-1 交流量圖1-2 交流量圖1-3 直流量
1.1.2 為什麼電力系統常採用交流電？
與直流電相比，交流電在產生、輸送和使用方面具有明顯的優點和重大的經濟意義。電壓的公升高和降低，在交流供電系統中可以很方便而又經濟地由變壓器來實現，對於使用者來說，採用較低的電壓既安全又可降
低電器裝置的絕緣要求。此外，非同步電動機比起直流電動機來，具有構造簡單、**便宜，執行可靠等優點。
1.1.3 高壓直流輸電
1) 超高壓直流輸電直流輸送輸送相同功率時，線路造價低：交流輸電架空線路通常採用3根導線，而直流只需1根(單極)或2根(雙極)導線。因此，直流輸電可節省大量輸電材料，同時也可減少大量的運輸、安裝費。
2) 線路有功損耗小：由於直流架空線路僅使用1根或2根導線，所以有功損耗較小，並且具有"空間電荷"效應，其電暈損耗和無線電干擾均比交流架空線路要小。
3) 適宜於海下輸電：在有色金屬和絕緣材料相同的條件下，直流時的允許工作電壓比在交流下約高3倍。2根心線的直流電纜線路輸送的功率pd比3根心線的交流電纜線路輸送的功率pa大得多。
執行中，沒有磁感應損耗，用於直流時，則基本上只有心線的電阻損耗，而且絕緣的老化也慢得多，使用壽命相應也較長。
4) 系統的穩定性問題：在交流輸電系統中，所有連線在電力系統的同步發電機必須保持同步執行。如果採用直流線路連線兩個交流系統，由於直流線路沒有電抗，所以不存在上述的穩定問題，也就是說直流輸電不受輸電距離的限制。
5) 能限制系統的短路電流：用交流輸電線路連線兩個交流系統時，由於系統容量增加，將使短路電流增大，有可能超過原有斷路器的遮斷容量，這就要求更換大量裝置，增加大量的投資。直流輸電時，就不存在上述問題。
1.1.4 什麼是交流正弦量。
按照正弦規律變化的交流電勢、交流電壓、交流電流等物理量統稱為正弦量，正弦交流電路中的正弦量的時間函式可以用sin和cos兩種形式表示，一般採用sin形式。
1.2 相量
1.2.1 為什麼還要用相量表示
交流正弦量的一半表示式為（以交流電流為例子）：，如圖
圖1-4 正弦交流量圖1-5 正弦交流量
可以用三角函式式和波形圖表示。用三角函式優點是可以直接從正弦量看到三要素即初相位、角頻率、最大值。但是在計算同頻率下正弦量的加減運算時會遇到麻煩；又比如變壓器的連線方式與其差動保護分析；故障分析中正序量、負序量、零序量；接地故障時電壓與電流的相位關係等等都會用到相量分析，那麼我們說相量是怎麼來的，和正弦交流量有什麼關係？
1.2.2 相量與交流正弦量的對應關係。
在直角座標系中，如果乙個向量勻速旋轉在y軸上的投影對應一條正弦函式，反之乙個正弦量也可以用乙個旋轉向量表示，圖5。向量的長度表示正弦量的最大值，相量的初始位置於x軸正方向的夾角表示正
圖1-6 相量與正弦量
弦量的初相角，相量旋轉的角速度代表正弦量的角頻率，不同時刻t向量在y軸上的投影表示正弦量的瞬時值。
相量與向量。這裡的相量與數學或者物理中的向量不同，在數學中，既有大小又有方向的量叫做向量，也稱向量，物理中的力、速度等。在電力系統中，相量用以表示正弦量大小和相位，為了區別「向量」，這裡用「相量」表示。
這裡的「相」的意思指的是「相線」，如單相、三相等。將同頻率的正弦量相量畫在同乙個復平面中，稱為相量圖。一般我們比較關心的問題都是正序電壓和電流相位差或者相電壓和相電流相位差。
平時也會經常用到有效值的概念，有效值的定義是在相同的電阻上分別通以直流電流和交流電流，經過乙個交流週期的時間，如果它們在電阻上所消耗的電能相等的話，則把該直流電流（電壓）的大小作為交流電流（電壓）的有效值，正弦電流（電壓）的有效值等於其最大值（幅值）的。
圖1-7 交流正弦量與有效值的對應關係
1.2.3 正弦三相電
電力系統在發電、輸電和配電方面以及大功率用電裝置都是採用三相制。這是因為三相制在技術和經濟性上具有重大優越性。例如在尺寸相同的情況下，三相發電機比單相發電機的輸出功率大；在輸電距離、輸送功率等電氣指標相同的情況下，三相電比單相輸電節約25%的金屬材料。
對稱三相電源是由三個頻率相同、幅值相等和初相角依次相差120°的正弦電壓源按一定方式連線而成，依次稱為a、b、c相，記為：
、，其瞬時值表示式為：
相量表示式為：
第二節有功功率無功功率
2.1 無功功率的的基本概念
電力系統是個複雜的能量交換過程，有功功率和無功功率是維持電力系統的執行的兩種能量重要的表達形式。
有功功率應用廣泛，不論從數學表示式還是從物理意義大家也都很熟悉，雖然是抽象的東西，但卻也能感受到，周圍的例子很多，如從汽輪機到發電機是機械能轉化為電能，6kv的引風機將電能轉換為機械能，照明裝置是電能轉換為光能、熱能等等，有功功率表達為電能與其他形式的能量轉化過程。
那無功功率呢？首先，無功功率不是無用的功率，它為能量交換、輸送、轉化創造必要的條件。電力系統有功功率的傳輸需要無功功率的支援，用於在電氣裝置中建立和維持磁場，完成電磁能量的轉換。
無功功率不對外做功，電氣裝置都要消耗無功功率，如變壓器、電動機、電風扇、冰箱等，他們不僅從電力系統中吸收有功功率，同時需要吸收無功功率，以產生這些裝置正常工作所需要的交變磁場。
以上這些是無功功率的用處，無功功率本身的概念應怎樣才能建立起來呢？需要從最基本的元器件電阻、電感、電容入手，討論他們的電壓、電流及功率情況。
2.2 純電阻電路
2.2.1 電壓電流的關係
若電流量為： 有效值為：
那麼電壓量為： 有效值為：
圖2-1 電流電壓波形圖圖2-2 電流電壓相量圖
2.2.2 瞬時功率。
在交流電路中電壓和電流是隨時間變化的，所以電阻任一時刻吸收和消耗的功率也是隨時間變化的，這個功率稱為瞬時功率，用表示，表示式為：，這個圖形怎麼畫出來的？數學推導
圖2-3 瞬時功率波形圖
可見瞬時功率不斷變化，除過零點外其餘各點都為正值，說明電阻是耗能元件。
2.2.3 平均功率
瞬時功率說明了功率的變化情況，但平時用的是平均功率[類似於有效值，交流正弦的平均值不是有效值，平均值是零]，在工程中常用乙個週期內的平均值來衡量交流電路功率的大小，這叫做平均功率，記為p，表示式是： 這個功率也稱為有功功率。敘述推導過程，我們平常看到的電氣裝置上的功率，就是平均功率，即有功功率。
2.3 電感電路
2.3.1 電壓電流關係
若電流量為
因為電感元件的伏安特性：，
電壓量為：
稱為感抗，記做。如下圖
圖2-4 電壓電流波形圖圖2-5電壓電流相量圖
2.3.2 瞬時功率
圖2-6 瞬時功率波形圖
2.3.3 平均功率
平均功率：
由此可知平均功率為零，即有功功率為零，這說明電感不消耗能量，但和電源之間卻有能量的交換，怎麼來表達這個能量交換的規模？用瞬時功率的最大值，即，就是我們剛開始提到的無功功率，或者說我們將能量轉化的規模稱為無功功率。
如果乙個電感線圈在直流電路中，由於線圈的電流和磁通都是恆定不變的，所以**圈中不產生自感電動勢。此時僅有線圈中的電阻起作用，由於線圈中的電阻很小，所以實際上這個迴路構成了短路，所以電感元件具有「通低頻、阻高頻」的作用。
2.4 電容電路
2.4.1 電壓電流關係
若電流量為
因為電容元件的伏安特性： ，
電壓量為：
圖2-7 電流電壓波形圖圖2-8 電流電壓相量圖
可見：1）電壓和電流為同頻率的正弦量；
2）相位上電流超前電壓90°，或者電壓滯後電流90°；
3）電壓有效值與電流有效值之間有類似歐姆定律的關係，
為電容電抗，通高頻、阻低頻、隔直流。
2.3.2 瞬時功率
圖2-9 瞬時功率波形圖
2.3.3 平均功率
平均功率：
由此可知平均功率為零，即有功功率為零，說明電容不消耗能量，但是卻電源之間有能量的交換，怎麼來表達能量交換的規模，用瞬時功率的最大值，即，這個東西是什麼？就是我們剛開始提到的無功功率，或者說我們這個能量轉化規模稱為無功功率。
無功功率，其單位本身是由電壓和電流乘積而來，為了與有功功率 va 區別開來，就在va的後面加乙個r（reactive power ，無功功率的字頭）。在量綱上，var是與va是一樣的，但物理意思不同。
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