電氣工程手冊

　　主要內(nèi)容本書以 IEC 和美國電氣標準為立足點，系統(tǒng)地介紹在石油、天然氣和石化行業(yè)中電氣工程項目的設計全過程。 書中各章的順序按照規(guī)劃和設計一個項目的一般過程編排，首先介紹估算裝置全部電力消耗和負載，然后介紹如何為負載供電，接下來介紹開發(fā)合理的分布式系統(tǒng)的方法，包含各種類型的設備和電機，附錄中包含有常用縮略語的詳細列表、相關的國際標準、各種計量單位之間的換算系數(shù)、詳細計算的示例、IEEE關于保護和控制設備的編號系統(tǒng)及其在石油工業(yè)中的應用等。 本書的作者艾倫L謝爾德拉克博士有豐富的實際工作經(jīng)驗，曾受雇于多個世界著名的工程公司，擔任首席電氣工程師、高級電氣工程師、多專業(yè)項目負責人、顧問以及公司理事等職務，期間開設過發(fā)電、配電、儀表設備、控制和安全等主題的講座。艾倫L謝爾德拉克博士為英國IEE會員、美國IEEE高級會員、英國管理人協(xié)會會員。 本書前言本書可用作石油、天然氣以及石化企業(yè)進行電氣工程實施的使用手冊，本書作者曾在不同國家為石化企業(yè)的員工和大學生進行有關電力系統(tǒng)的系列講座，本書內(nèi)容即是在此基礎上形成的。書中濃縮了作者多年的知識累積和實踐經(jīng)驗。 書中包括了系統(tǒng)設計所必需理論的介紹，同時介紹了選擇各種類型的電氣設備與系統(tǒng)的實踐指導，而這些是諸如海上生產(chǎn)平臺、鉆井系統(tǒng)、陸基天然氣廠、輸送管道、液化天然氣廠、管道泵站、煉油廠和化工廠等生產(chǎn)單位經(jīng)常會遇到的問題。 本書既有足夠的數(shù)學分析，同時也有很多的實踐示例，書中注重從用戶的角度出發(fā)，為讀者提供進行工廠設計所需使用的資料。書中介紹流程工業(yè)電氣工程師經(jīng)常會遇見的問題，經(jīng)常會參考的其他文字、書籍和國際標準，可指導讀者作為進一步閱讀的資料來源。 流程工業(yè)使用的電力系統(tǒng)與公用的大規(guī)模發(fā)電和遠距離輸配電所使用的電力系統(tǒng)有明顯不同的特征。一個重要區(qū)別是這些系統(tǒng)中普遍采用自備發(fā)電設備，與公用系統(tǒng)連接在一起使用時幾乎沒有可靠性問題，這就要在系統(tǒng)中配備備用設備和儲能設備，考慮這些設備的相互連接與配置問題。通常這些系統(tǒng)中含需要直接在線啟動的大型感應電機，這種大型設備是不允許在公用電網(wǎng)中使用的。因此設計系統(tǒng)時必須保證這些設備的啟動不能對其他正在運行的設備造成很大干擾。 著手制定詳細方法和使用計算機程序之前，工程師經(jīng)常會采用一些經(jīng)驗方法對系統(tǒng)進行快速有效的估算，本書會為設計工程師提供一些詳細的示例，這些示例中含有一些描述所研究問題的實際參數(shù)和數(shù)據(jù)。有些示例初看起來非常冗長，但是這些示例說明了細節(jié)背后的原因。多數(shù)情況下這些示例是針對實際問題給出的，這些示例可以很容易地在個人計算機中進行編程，采用單步運行方式，其結果可用來檢查程序代碼。一旦寫好程序，改變輸入數(shù)據(jù)就可以用作其他實際問題，因此可以在非常短的時間里獲得有用的結果。 本書中各章的順序是按照規(guī)劃和設計一個項目的一般過程編排的。第一步是估算裝置全部電力消耗或負載，然后需要決定如何為負載供電，例如可利用公用電網(wǎng)或自備發(fā)電機，或者是兩者結合起來供電。 接下來是開發(fā)合理的分布式系統(tǒng)，可包含各種類型的設備和電機，這些設備和電機在后面章節(jié)中將會依次加以介紹。 附錄中包含有常用縮略語的詳細列表、相關的國際標準、各種計量單位之間的換算系數(shù)、詳細計算的示例、IEEE關于保護和控制設備的編號系統(tǒng)及其在石油、天然氣以及石化企業(yè)中應用的介紹。 所有圖及圖表由圖形軟件包生成，是用Fortran 77語言為本書特別編寫的。 本書是第一次出版，作者非常愿意接受任何評論、建議和補充，以便本書再版時做出修正。 本書目錄第1章裝置電力負荷估算1 1.1單線圖初步1 1.2負載調(diào)度2 1.3電源容量的確定8 1.4裸電纜饋電與變壓器饋電的備用容量11 1.5與原動機有關的發(fā)電機額定參數(shù)12 1.5.1低環(huán)境溫度下運行12 1.5.2原動機的更新12 1.6與從動機相關的電機額定參數(shù)12 1.7單線圖的開發(fā)13 1.7.1單線圖要點13 1.7.2獨立配電盤和電機控制裝置14 1.8與其他專業(yè)的相互協(xié)調(diào)15 1.8.1工藝工程師15 1.8.2機械工程師15 1.8.3儀器儀表工程師16 1.8.4通信與系統(tǒng)安全工程師16 1.8.5生產(chǎn)裝置與操作工程師16 參考文獻16 第2章燃氣輪機驅動的發(fā)電機17 2.1燃氣輪機發(fā)動機的分類17 2.1.1由航空工業(yè)派生的燃氣輪機17 2.1.2輕工業(yè)燃氣輪機17 2.1.3重工業(yè)燃氣輪機18 2.1.4單軸與雙軸燃氣輪機18 2.1.5燃氣輪機的燃料20 2.2由燃氣輪機獲取能量20 2.2.1低效率的壓縮機與渦輪機的作用效果23 2.2.2發(fā)電機最大做功25 2.2.3比熱容的變化26 2.2.4管道壓降以及燃燒室壓降的影響27 2.2.5熱流率以及燃料消耗28 2.3燃氣輪機的功率輸出30 2.3.1機械能損耗以及電能損耗30 2.3.2電力裝置設計階段需要考慮的因素31 2.4燃氣輪機啟動方法32 2.5燃氣輪機速度調(diào)整33 2.5.1開環(huán)轉速轉矩特性33 2.5.2閉環(huán)轉速功率特性34 2.5.3燃氣輪機調(diào)速系統(tǒng)36 2.5.4有靜差調(diào)整的燃氣輪機的負載分配37 2.5.5負載分配控制器41 2.6燃氣輪機轉速調(diào)整系統(tǒng)的數(shù)學模型43 2.6.1現(xiàn)代實踐43 2.6.2轉速調(diào)整系統(tǒng)典型參數(shù)值48 參考文獻49 其他資料49 第3章同步發(fā)電機與同步電機50 3.1發(fā)電機與電機的共同之處50 3.2簡化的發(fā)電機運行理論50 3.2.1穩(wěn)態(tài)電樞反應51 3.2.2瞬態(tài)電樞反應51 3.2.3次瞬態(tài)電樞反應52 3.3電壓與電流相量圖52 3.4導出電抗54 3.5發(fā)電機傳送的有功功率和無功功率56 3.5.1一般情況56 3.5.2凸極發(fā)電機特殊情況57 3.5.3凸極發(fā)電機簡化情況58 3.6凸極發(fā)電機功率角度圖59 3.7發(fā)電機電壓選擇60 3.8發(fā)電機典型參數(shù)60 3.9高壓發(fā)電機與高壓感應電機的結構特點62 3.9.1外殼63 3.9.2電抗63 3.9.3定子繞組64 3.9.4接線盒64 3.9.5冷卻方法65 3.9.6軸承65 參考文獻66 第4章自動電壓調(diào)整67 4.1現(xiàn)代實踐67 4.1.1測量電路67 4.1.2誤差測量電路68 4.1.3功率放大器68 4.1.4主激勵器71 4.2IEEE標準自動電壓調(diào)整模型72 4.2.1示例一74 4.2.2示例二74 4.2.3飽和常數(shù)的確定74 4.2.4自動電壓調(diào)整系統(tǒng)典型參數(shù)值78 參考文獻78 第5章感應電機79 5.1三相電機運行原理79 5.2基本特性80 5.2.1電機轉矩轉速特性80 5.2.2電機啟動電流轉速特性85 5.2.3負載轉矩轉速特性86 5.2.4電阻和電抗改變時對特性曲線的影響87 5.2.5示例88 5.2.6兩極和四極感應電機的典型阻抗數(shù)據(jù)91 5.2.7用兩條并聯(lián)支路描述深槽效應94 5.3感應電機結構96 5.4縮減系數(shù)97 5.5電機額定功率和從動機額定功率的匹配98 5.6電源電壓對額定功率的影響99 5.7系統(tǒng)故障等級的影響99 5.8電纜電壓降的考慮100 5.9電機的臨界時間101 5.10感應電機啟動方法101 5.10.1星角方法102 5.10.2科恩道夫自動變壓器方法102 5.10.3電力電子學軟啟動方法104 5.10.4串電抗器方法104 5.10.5部分繞組方法104 參考文獻104 第6章變壓器106 6.1工作原理106 6.2變壓器效率108 6.3變壓器調(diào)整率108 6.4三相變壓器繞組連接109 6.5變壓器結構111 6.6變壓器浪涌電流113 參考文獻115 第7章開關裝置與電機控制裝置116 7.1公用詞匯116 7.2結構116 7.2.1電源匯流排117 7.2.2接地匯流排118 7.2.3饋線與匯流排開關裝置118 7.2.4分離類型120 7.2.5環(huán)境溫度的影響系數(shù)121 7.2.6額定標稱電流121 7.2.7故障峰值電流121 7.2.8基頻AC部分122 7.2.9DC部分122 7.2.10雙頻AC部分123 7.2.11故障分斷電流123 7.2.12故障周期126 7.3開關裝置126 7.3.1開關裝置的出口開關裝置126 7.3.2MCC的出口開關裝置126 7.4MCC的出口電路熔斷器127 7.5安全聯(lián)鎖裝置128 7.6控制與指示裝置129 7.6.1電機的再啟動與再加速129 7.6.2微機化系統(tǒng)130 7.7鑄殼斷路器133 7.7.1與熔斷器比較133 7.7.2工作特性133 7.7.3預期電流與切斷電流134 7.7.4I2t特性135 7.7.5斷路器的完全串接與部分串接135 7.7.6斷路器串聯(lián)下相互協(xié)調(diào)示例137 7.7.7成本與經(jīng)濟性141 參考文獻141 第8章熔斷器142 8.1概述142 8.2熔斷器的工作過程143 8.3電路阻抗比的作用143 8.4I2t特性144 參考文獻149 第9章電纜、電線及電纜敷設150 9.1電纜中電氣材質(zhì)150 9.1.1銅和鋁150 9.1.2錫151 9.1.3磷青銅151 9.1.4電鍍鋼板152 9.1.5鉛152 9.2電纜中非導電材料153 9.2.1橡膠153 9.2.2彈性材料153 9.2.3聚合物153 9.2.4塑料153 9.2.5樹脂154 9.2.6熱塑性樹脂154 9.2.7熱固性樹脂155 9.3電力電纜與控制電纜的結構156 9.3.1電纜結構說明156 9.3.2導線157 9.3.3導線的半導體屏蔽層160 9.3.4絕緣161 9.3.5絕緣層的半導體屏蔽161 9.3.6內(nèi)護套161 9.3.7鉛護套162 9.3.8鎧裝電纜162 9.3.9外護套162 9.4電力電纜的額定電流162 9.4.1持續(xù)負載電流163 9.4.2電纜額定持續(xù)電流163 9.4.3電纜電壓降172 9.4.4過流保護197 9.5增強型電纜198 9.5.1阻燃性能198 9.5.2耐火性能199 9.5.3散發(fā)毒氣與煙氣的性能199 9.5.4阻燃電纜與耐火電纜的應用200 參考文獻200 第10章危險區(qū)域分類與設備選擇201 10.1歷史發(fā)展201 10.2當前情況201 10.3危險區(qū)域分類基礎202 10.3.1氣體與蒸汽203 10.3.2溫度類別203 10.3.3氣體與蒸汽分組203 10.4危險區(qū)204 10.4.1非危險區(qū)域204 10.4.2危險區(qū)域2區(qū)204 10.4.3危險區(qū)域1區(qū)204 10.4.4危險區(qū)域0區(qū)205 10.4.5相鄰危險區(qū)205 10.5危險區(qū)保護類型205 10.5.1d型保護類型206 10.5.2e型保護類型206 10.5.3i型保護類型207 10.5.4m型保護類型207 10.5.5N型和n型保護類型207 10.5.6o型保護類型208 10.5.7p型保護類型208 10.5.8q型保護類型209 10.5.9s型保護類型209 10.5.10de型保護類型209 10.6防水和防塵保護類型210 10.6.1歐洲標準210 10.6.2美國標準211 10.7危險區(qū)域設備認證213 10.8設備銘牌標記214 參考文獻214 其他資料215 第11章故障計算與穩(wěn)定性分析216 11.1概述216 11.2高壓恒壓源216 11.3低壓恒壓源218 11.4非恒壓源——所有電壓等級219 11.5故障發(fā)生在發(fā)電機一側時的故障計算220 11.5.1故障前條件或初始條件220 11.5.2計算對稱故障電流的有效值221 11.6計算次瞬態(tài)過程對稱故障電流有效值分量224 11.7采用倍增系數(shù)對11.6節(jié)中的故障電流I″frms進行計算231 11.7.1示例231 11.7.2分斷電流能力233 11.8計算故障電流的計算機程序234 11.8.1故障電流計算——對稱電流的有效值和峰值235 11.8.2最簡單情況235 11.8.3已知電路的阻抗比235 11.8.4已知發(fā)電機的詳細數(shù)據(jù)235 11.8.5電機對故障電流的影響235 11.9電抗器的應用236 11.10關于IEC60363和IEC60909的應用說明240 11.11穩(wěn)定性分析241 11.11.1靜態(tài)穩(wěn)定性241 11.11.2瞬態(tài)穩(wěn)定性244 參考文獻248 其他資料249 第12章繼電保護250 12.1過流保護介紹250 12.2發(fā)電機保護252 12.2.1電源發(fā)電機252 12.2.2過流253 12.2.3定子微分電流保護繼電器256 12.2.4磁場故障繼電器257 12.2.5反向作用功率繼電器258 12.2.6反相序繼電器259 12.2.7定子接地故障繼電器259 12.2.8端子電壓過壓保護261 12.2.9端子電壓欠壓保護261 12.2.10欠頻與超頻保護261 12.3應急柴油發(fā)電機262 12.4饋線變壓器保護262 12.4.1過流保護264 12.4.2高設定或瞬間電流266 12.4.3上游電源設備特性267 12.5電源電纜保護268 12.5.1過流保護268 12.5.2短路保護268 12.5.3接地故障保護268 12.6配電盤中的匯流排269 12.6.1匯流排區(qū)段保護269 12.6.2過流保護270 12.6.3欠壓保護270 12.7高壓感應電機保護271 12.7.1過載或熱保護272 12.7.2瞬間過載電流或高設定過載電流274 12.7.3反相序274 12.7.4線芯平衡接地故障274 12.7.5定子微分電流275 12.7.6失電流275 12.7.7限定電機連續(xù)啟動次數(shù)276 12.7.8欠電流276 12.7.9繞組超溫276 12.7.10軸超溫276 12.7.11劇烈振動276 12.8低壓感應式電機277 12.8.1過載或熱保護277 12.8.2瞬間或高設定過流278 12.8.3反相序278 12.8.4線芯平衡接地故障279 12.8.5失電流279 12.8.6限定電機連續(xù)啟動次數(shù)279 12.9低壓靜態(tài)負載保護279 12.9.1延時過流保護279 12.9.2瞬時或高設定過流保護280 12.9.3線芯平衡接地保護280 12.10標準反比時間繼電器、高反比時間繼電器和超反比時間繼 電器的數(shù)學公式280 參考文獻282 第13章接地與屏蔽283 13.1接地的用途283 13.1.1電擊283 13.1.2設備損壞284 13.1.3零參考電位285 13.2現(xiàn)場設備285 13.2.1鋼結構285 13.2.2就地裝置286 13.2.3磚混結構287 13.3接地系統(tǒng)設計287 13.3.1高壓系統(tǒng)288 13.3.2低壓三相系統(tǒng)289 13.3.3IEC中的接地系統(tǒng)類型290 13.3.4接地回路阻抗294 13.3.5接地棒與接地柵296 13.4接地的結構細節(jié)299 13.4.1金屬框架、外殼與機柜鋼架299 13.4.2螺紋孔入口和光孔入口300 13.4.3電纜單端接地300 13.5電子線路中電纜的屏蔽與接地301 13.5.1電容與電感機理301 13.5.2抗外部干擾的屏蔽層302 13.5.3屏蔽接地305 13.5.4高頻屏蔽306 13.5.5電源接地、機柜與干凈地307 參考文獻308 第14章變速電氣驅動310 14.1介紹310 14.1.1環(huán)境311 14.1.2電源311 14.1.3經(jīng)濟性312 14.2第一類方法312 14.2.1簡單的變壓電源313 14.2.2定子繞組變極314 14.2.3磁極調(diào)幅電機315 14.2.4繞線型轉子感應電機315 14.3第二類方法316 14.3.1變壓恒頻供電316 14.3.2變頻變壓供電316 14.4變速直流電機317 14.5潛電泵318 14.5.1簡介318 14.5.2潛電泵結構318 14.6交流電機控制系統(tǒng)320 參考文獻323 第15章諧波電壓和諧波電流324 15.1概述324 15.2整流器325 15.2.1二極管橋路325 15.2.2晶閘管橋路327 15.2.3電力晶體管橋路329 15.2.4直流電機329 15.3電源電流諧波分量333 15.3.16脈沖波形的簡化333 15.3.2換向延遲簡化334 15.3.3線電流波形的傅里葉系數(shù)334 15.3.412脈沖波形的簡化337 15.4逆變器340 15.4.1基本工作原理340 15.4.2三相電力逆變器341 15.4.3感應電機電壓源饋線342 15.5電源濾波348 15.6保護、報警與指示349 參考文獻350 第16章基于計算機的電力管理系統(tǒng)351 16.1簡介351 16.2典型結構351 16.3主要功能351 16.3.1高速分區(qū)切斷負載352 16.3.2分區(qū)切斷負載優(yōu)先表354 16.3.3低速分區(qū)切斷負載356 16.3.4禁止大型電機啟動356 16.3.5單線圖的VDU顯示357 16.3.6發(fā)電機組有功功率分配358 16.3.7系統(tǒng)頻率的同步控制358 16.3.8發(fā)電機組無功功率分配358 16.3.9母線電壓的同步控制360 16.3.10燃氣輪機的狀態(tài)監(jiān)測360 16.3.11調(diào)度主發(fā)電機組的啟動與停車361 16.3.12電機負載再加速控制362 16.3.13主發(fā)電機組自動同步362 16.3.14數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)壓縮、趨勢顯示、報警、消息和狀態(tài)報告363 第17章不間斷電源364 17.1AC不間斷電源364 17.1.1逆變器364 17.1.2子電路額定電流和逆變器額定電流的配合365 17.1.3對地漏電檢測366 17.2DC不間斷電源366 17.2.1UPS電池組充電器366 17.2.2電池組369 17.3冗余配置370 參考文獻371 第18章其他內(nèi)容372 18.1照明系統(tǒng)372 18.1.1照明裝置類型373 18.1.2照度等級374 18.2導航輔助系統(tǒng)375 18.2.1燈語閃光信號燈375 18.2.2白紅閃爍燈375 18.2.3導航浮標376 18.2.4照明指示盤376 18.2.5航空危險照明377 18.2.6直升機著陸系統(tǒng)377 18.2.7雷達377 18.2.8無線電測向器377 18.2.9聲吶設備378 18.3陰極保護378 參考文獻378 第19章設備規(guī)格書的制作379 19.1規(guī)格書的用途379 19.2規(guī)格書的典型格式380 19.2.1概述380 19.2.2供貨范圍380 19.2.3工作環(huán)境條件381 19.2.4采用的國際標準381 19.2.5技術定義與非技術定義381 19.2.6性能或功能要求381 19.2.7設計與結構細節(jié)382 19.2.8檢驗與測試383 19.2.9備品備件384 19.2.10技術文件384 19.2.11附錄386 第20章同步發(fā)電機與感應電機的一般電氣理論387 20.1概述387 20.2同步發(fā)電機387 20.3感應電機的一些說明395 20.3.1導出電抗396 20.3.2三相短路的應用396 20.3.3感應電機的導出電抗與時間常數(shù)398 20.3.4等效電路的導出參數(shù)399 20.3.5重復或強調(diào)要點400 20.3.6感應電機對三相短路電流的影響405 參考文獻407 其他資料408 附錄409 附錄A電氣文獻中常用的縮略語409 附錄B電力系統(tǒng)設計和設備選型的常用標準表417 B.1國際電工技術協(xié)會（歐洲）417 B.2石油協(xié)會（英國）423 B.3國際標準化組織（全世界范圍）423 B.4英國標準協(xié)會（英國）424 B.5美國石油協(xié)會（美國）426 B.6國際電氣研究咨詢委員會（法國）426 B.7工程設備與材料用戶協(xié)會（英國）427 B.8電氣咨詢委員會（英國）427 B.9德國電氣研究與檢驗協(xié)會（德國）427 B.10電子電氣工程師協(xié)會（美國）427 B.11其他一些參考資料（英國）427 附錄C電力系統(tǒng)中保護設備、控制和指示設備的編號系統(tǒng)428 C.1電力系統(tǒng)中電路保護性繼電器、控制和報警裝置的使用428 C.2電力系統(tǒng)設備編號及功能430 附錄D燃氣輪機驅動發(fā)電機的欠頻和過熱保護432 參考文獻435 附錄E項目產(chǎn)生文件類型列表436 E.1承包商文件436 E.2制造商文件439 附錄F燃氣輪機性能的計算示例440 F.1要求及給定數(shù)據(jù)440 F.2基本要求441 F.3詳細要求441 F.4基本解441 F.5詳細解442 附錄G計算含有感應電機電路壓降的計算示例445 參考文獻466 附錄H計算接地棒、接地柵系統(tǒng)的接地電流和電擊電位差示例466 附錄I國際單位制換算476 I.1基本SI單位476 I.2非電導出單位476 I.3電導出單位476 I.4換算476 I.4.1長度476 I.4.2面積477 I.4.3體積477 I.4.4質(zhì)量和密度477 I.4.5速度和加速度477 I.4.6力478 I.4.7力矩478 I.4.8功率478 I.4.9能量和功478 I.4.10壓強478 I.4.11慣性慣量與動量479 I.4.12照度479 I.4.13電與磁479 I.4.14其他量479 I.5國際標準化組織（ISO）條件481 I.6標準溫度與標準壓力（STP）條件481 I.7標準常數(shù)481 I.8十進制單位常用前綴481 參考文獻481 關鍵詞英漢對照482

　　謝爾德拉克，作者的職業(yè)生涯從1960年開始，作為英國中心電氣發(fā)電事業(yè)局（CEGB）的學徒在一個火力發(fā)電站工作。他用6年的時間對電廠的維護和操作有了全面的掌握，并為CEGB服務至1975年，期間他在CEGB的代理、研發(fā)和規(guī)劃等部門工作過。 作者于1968年在倫敦帝國大學獲得電力系統(tǒng)專業(yè)的碩士學位，又于1976年作為非全日制學生從帝到大學獲得博士學位。位是英國IEE會員、美國IEEE高級會員、英國管理人協(xié)會會員。