电气工程手册--石化、石油、天然气行业电气工程师用书

前言

本书可用作石油、天然气以及石化企业进行电气工程实施的使用手册，本书作者曾在不同国家为石化企业的员工和大学生进行有关电力系统的系列讲座，本书内容即是在此基础上形成的。书中浓缩了作者多年的知识累积和实践经验。

书中包括了系统设计所必需理论的介绍，同时介绍了选择各种类型的电气设备与系统的实践指导，而这些是诸如海上生产平台、钻井系统、陆基天然气厂、输送管道、液化天然气厂、管道泵站、炼油厂和化工厂等生产单位经常会遇到的问题。

本书既有足够的数学分析，同时也有很多的实践示例，书中注重从用户的角度出发，为读者提供进行工厂设计所需使用的资料。书中介绍流程工业电气工程师经常会遇见的问题，经常会参考的其他文字、书籍和国际标准，可指导读者作为进一步阅读的资料来源。

流程工业使用的电力系统与公用的大规模发电和远距离输配电所使用的电力系统有明显不同的特征。一个重要区别是这些系统中普遍采用自备发电设备，与公用系统连接在一起使用时几乎没有可靠性问题，这就要在系统中配备备用设备和储能设备，考虑这些设备的相互连接与配置问题。通常这些系统中含需要直接在线启动的大型感应电机，这种大型设备是不允许在公用电网中使用的。因此设计系统时必须保证这些设备的启动不能对其他正在运行的设备造成很大干扰。

着手制定详细方法和使用计算机程序之前，工程师经常会采用一些经验方法对系统进行快速有效的估算，本书会为设计工程师提供一些详细的示例，这些示例中含有一些描述所研究问题的实际参数和数据。有些示例初看起来非常冗长，但是这些示例说明了细节背后的原因。多数情况下这些示例是针对实际问题给出的，这些示例可以很容易地在个人计算机中进行编程，采用单步运行方式，其结果可用来检查程序代码。一旦写好程序，改变输入数据就可以用作其他实际问题，因此可以在非常短的时间里获得有用的结果。

本书中各章的顺序是按照规划和设计一个项目的一般过程编排的。第一步是估算装置全部电力消耗或负载，然后需要决定如何为负载供电，例如可利用公用电网或自备发电机，或者是两者结合起来供电。

接下来是开发合理的分布式系统，可包含各种类型的设备和电机，这些设备和电机在后面章节中将会依次加以介绍。

附录中包含有常用缩略语的详细列表、相关的国际标准、各种计量单位之间的换算系数、详细计算的示例、IEEE关于保护和控制设备的编号系统及其在石油、天然气以及石化企业中应用的介绍。

所有图及图表由图形软件包生成，是用Fortran 77语言为本书特别编写的。

本书是第一次出版，作者非常愿意接受任何评论、建议和补充，以便本书再版时做出修正。
	 
	 
	 
	 

本书以 IEC 和美国电气标准为立足点，系统地介绍在石油、天然气和石化行业中电气工程项目的设计全过程。

书中各章的顺序按照规划和设计一个项目的一般过程编排，首先介绍估算装置全部电力消耗和负载，然后介绍如何为负载供电，接下来介绍开发合理的分布式系统的方法，包含各种类型的设备和电机，附录中包含有常用缩略语的详细列表、相关的国际标准、各种计量单位之间的换算系数、详细计算的示例、IEEE关于保护和控制设备的编号系统及其在石油工业中的应用等。

本书的作者艾伦L谢尔德拉克博士有丰富的实际工作经验，曾受雇于多个世界著名的工程公司，担任首席电气工程师、高级电气工程师、多专业项目负责人、顾问以及公司理事等职务，期间开设过发电、配电、仪表设备、控制和安全等主题的讲座。艾伦L谢尔德拉克博士为英国IEE会员、美国IEEE高级会员、英国管理人协会会员。


	 
	 
	 
	 

目录

第1章装置电力负荷估算1

1.1单线图初步1

1.2负载调度2

1.3电源容量的确定8

1.4裸电缆馈电与变压器馈电的备用容量11

1.5与原动机有关的发电机额定参数12

1.5.1低环境温度下运行12

1.5.2原动机的更新12

1.6与从动机相关的电机额定参数12

1.7单线图的开发13

1.7.1单线图要点13

1.7.2独立配电盘和电机控制装置14

1.8与其他专业的相互协调15

1.8.1工艺工程师15

1.8.2机械工程师15

1.8.3仪器仪表工程师16

1.8.4通信与系统安全工程师16

1.8.5生产装置与操作工程师16

参考文献16

第2章燃气轮机驱动的发电机17

2.1燃气轮机发动机的分类17

2.1.1由航空工业派生的燃气轮机17

2.1.2轻工业燃气轮机17

2.1.3重工业燃气轮机18

2.1.4单轴与双轴燃气轮机18

2.1.5燃气轮机的燃料20

2.2由燃气轮机获取能量20

2.2.1低效率的压缩机与涡轮机的作用效果23

2.2.2发电机最大做功25

2.2.3比热容的变化26

2.2.4管道压降以及燃烧室压降的影响27

2.2.5热流率以及燃料消耗28

2.3燃气轮机的功率输出30

2.3.1机械能损耗以及电能损耗30

2.3.2电力装置设计阶段需要考虑的因素31

2.4燃气轮机启动方法32

2.5燃气轮机速度调整33

2.5.1开环转速转矩特性33

2.5.2闭环转速功率特性34

2.5.3燃气轮机调速系统36

2.5.4有静差调整的燃气轮机的负载分配37

2.5.5负载分配控制器41

2.6燃气轮机转速调整系统的数学模型43

2.6.1现代实践43

2.6.2转速调整系统典型参数值48

参考文献49

其他资料49

第3章同步发电机与同步电机50

3.1发电机与电机的共同之处50

3.2简化的发电机运行理论50

3.2.1稳态电枢反应51

3.2.2瞬态电枢反应51

3.2.3次瞬态电枢反应52

3.3电压与电流相量图52

3.4导出电抗54

3.5发电机传送的有功功率和无功功率56

3.5.1一般情况56

3.5.2凸极发电机特殊情况57

3.5.3凸极发电机简化情况58

3.6凸极发电机功率角度图59

3.7发电机电压选择60

3.8发电机典型参数60

3.9高压发电机与高压感应电机的结构特点62

3.9.1外壳63

3.9.2电抗63

3.9.3定子绕组64

3.9.4接线盒64

3.9.5冷却方法65

3.9.6轴承65

参考文献66

第4章自动电压调整67

4.1现代实践67

4.1.1测量电路67

4.1.2误差测量电路68

4.1.3功率放大器68

4.1.4主激励器71

4.2IEEE标准自动电压调整模型72

4.2.1示例一74

4.2.2示例二74

4.2.3饱和常数的确定74

4.2.4自动电压调整系统典型参数值78

参考文献78

第5章感应电机79

5.1三相电机运行原理79

5.2基本特性80

5.2.1电机转矩转速特性80

5.2.2电机启动电流转速特性85

5.2.3负载转矩转速特性86

5.2.4电阻和电抗改变时对特性曲线的影响87

5.2.5示例88

5.2.6两极和四极感应电机的典型阻抗数据91

5.2.7用两条并联支路描述深槽效应94

5.3感应电机结构96

5.4缩减系数97

5.5电机额定功率和从动机额定功率的匹配98

5.6电源电压对额定功率的影响99

5.7系统故障等级的影响99

5.8电缆电压降的考虑100

5.9电机的临界时间101

5.10感应电机启动方法101

5.10.1星角方法102

5.10.2科恩道夫自动变压器方法102

5.10.3电力电子学软启动方法104

5.10.4串电抗器方法104

5.10.5部分绕组方法104

参考文献104

第6章变压器106

6.1工作原理106

6.2变压器效率108

6.3变压器调整率108

6.4三相变压器绕组连接109

6.5变压器结构111

6.6变压器浪涌电流113

参考文献115

第7章开关装置与电机控制装置116

7.1公用词汇116

7.2结构116

7.2.1电源汇流排117

7.2.2接地汇流排118

7.2.3馈线与汇流排开关装置118

7.2.4分离类型120

7.2.5环境温度的影响系数121

7.2.6额定标称电流121

7.2.7故障峰值电流121

7.2.8基频AC部分122

7.2.9DC部分122

7.2.10双频AC部分123

7.2.11故障分断电流123

7.2.12故障周期126

7.3开关装置126

7.3.1开关装置的出口开关装置126

7.3.2MCC的出口开关装置126

7.4MCC的出口电路熔断器127

7.5安全联锁装置128

7.6控制与指示装置129

7.6.1电机的再启动与再加速129

7.6.2微机化系统130

7.7铸壳断路器133

7.7.1与熔断器比较133

7.7.2工作特性133

7.7.3预期电流与切断电流134

7.7.4I2t特性135

7.7.5断路器的完全串接与部分串接135

7.7.6断路器串联下相互协调示例137

7.7.7成本与经济性141

参考文献141

第8章熔断器142

8.1概述142

8.2熔断器的工作过程143

8.3电路阻抗比的作用143

8.4I2t特性144

参考文献149

第9章电缆、电线及电缆敷设150

9.1电缆中电气材质150

9.1.1铜和铝150

9.1.2锡151

9.1.3磷青铜151

9.1.4电镀钢板152

9.1.5铅152

9.2电缆中非导电材料153

9.2.1橡胶153

9.2.2弹性材料153

9.2.3聚合物153

9.2.4塑料153

9.2.5树脂154

9.2.6热塑性树脂154

9.2.7热固性树脂155

9.3电力电缆与控制电缆的结构156

9.3.1电缆结构说明156

9.3.2导线157

9.3.3导线的半导体屏蔽层160

9.3.4绝缘161

9.3.5绝缘层的半导体屏蔽161

9.3.6内护套161

9.3.7铅护套162

9.3.8铠装电缆162

9.3.9外护套162

9.4电力电缆的额定电流162

9.4.1持续负载电流163

9.4.2电缆额定持续电流163

9.4.3电缆电压降172

9.4.4过流保护197

9.5增强型电缆198

9.5.1阻燃性能198

9.5.2耐火性能199

9.5.3散发毒气与烟气的性能199

9.5.4阻燃电缆与耐火电缆的应用200

参考文献200

第10章危险区域分类与设备选择201

10.1历史发展201

10.2当前情况201

10.3危险区域分类基础202

10.3.1气体与蒸汽203

10.3.2温度类别203

10.3.3气体与蒸汽分组203

10.4危险区204

10.4.1非危险区域204

10.4.2危险区域2区204

10.4.3危险区域1区204

10.4.4危险区域0区205

10.4.5相邻危险区205

10.5危险区保护类型205

10.5.1d型保护类型206

10.5.2e型保护类型206

10.5.3i型保护类型207

10.5.4m型保护类型207

10.5.5N型和n型保护类型207

10.5.6o型保护类型208

10.5.7p型保护类型208

10.5.8q型保护类型209

10.5.9s型保护类型209

10.5.10de型保护类型209

10.6防水和防尘保护类型210

10.6.1欧洲标准210

10.6.2美国标准211

10.7危险区域设备认证213

10.8设备铭牌标记214

参考文献214

其他资料215

第11章故障计算与稳定性分析216

11.1概述216

11.2高压恒压源216

11.3低压恒压源218

11.4非恒压源——所有电压等级219

11.5故障发生在发电机一侧时的故障计算220

11.5.1故障前条件或初始条件220

11.5.2计算对称故障电流的有效值221

11.6计算次瞬态过程对称故障电流有效值分量224

11.7采用倍增系数对11.6节中的故障电流I″frms进行计算231

11.7.1示例231

11.7.2分断电流能力233

11.8计算故障电流的计算机程序234

11.8.1故障电流计算——对称电流的有效值和峰值235

11.8.2最简单情况235

11.8.3已知电路的阻抗比235

11.8.4已知发电机的详细数据235

11.8.5电机对故障电流的影响235

11.9电抗器的应用236

11.10关于IEC60363和IEC60909的应用说明240

11.11稳定性分析241

11.11.1静态稳定性241

11.11.2瞬态稳定性244

参考文献248

其他资料249

第12章继电保护250

12.1过流保护介绍250

12.2发电机保护252

12.2.1电源发电机252

12.2.2过流253

12.2.3定子微分电流保护继电器256

12.2.4磁场故障继电器257

12.2.5反向作用功率继电器258

12.2.6反相序继电器259

12.2.7定子接地故障继电器259

12.2.8端子电压过压保护261

12.2.9端子电压欠压保护261

12.2.10欠频与超频保护261

12.3应急柴油发电机262

12.4馈线变压器保护262

12.4.1过流保护264

12.4.2高设定或瞬间电流266

12.4.3上游电源设备特性267

12.5电源电缆保护268

12.5.1过流保护268

12.5.2短路保护268

12.5.3接地故障保护268

12.6配电盘中的汇流排269

12.6.1汇流排区段保护269

12.6.2过流保护270

12.6.3欠压保护270

12.7高压感应电机保护271

12.7.1过载或热保护272

12.7.2瞬间过载电流或高设定过载电流274

12.7.3反相序274

12.7.4线芯平衡接地故障274

12.7.5定子微分电流275

12.7.6失电流275

12.7.7限定电机连续启动次数276

12.7.8欠电流276

12.7.9绕组超温276

12.7.10轴超温276

12.7.11剧烈振动276

12.8低压感应式电机277

12.8.1过载或热保护277

12.8.2瞬间或高设定过流278

12.8.3反相序278

12.8.4线芯平衡接地故障279

12.8.5失电流279

12.8.6限定电机连续启动次数279

12.9低压静态负载保护279

12.9.1延时过流保护279

12.9.2瞬时或高设定过流保护280

12.9.3线芯平衡接地保护280

12.10标准反比时间继电器、高反比时间继电器和超反比时间继

电器的数学公式280

参考文献282

第13章接地与屏蔽283

13.1接地的用途283

13.1.1电击283

13.1.2设备损坏284

13.1.3零参考电位285

13.2现场设备285

13.2.1钢结构285

13.2.2就地装置286

13.2.3砖混结构287

13.3接地系统设计287

13.3.1高压系统288

13.3.2低压三相系统289

13.3.3IEC中的接地系统类型290

13.3.4接地回路阻抗294

13.3.5接地棒与接地栅296

13.4接地的结构细节299

13.4.1金属框架、外壳与机柜钢架299

13.4.2螺纹孔入口和光孔入口300

13.4.3电缆单端接地300

13.5电子线路中电缆的屏蔽与接地301

13.5.1电容与电感机理301

13.5.2抗外部干扰的屏蔽层302

13.5.3屏蔽接地305

13.5.4高频屏蔽306

13.5.5电源接地、机柜与干净地307

参考文献308

第14章变速电气驱动310

14.1介绍310

14.1.1环境311

14.1.2电源311

14.1.3经济性312

14.2第一类方法312

14.2.1简单的变压电源313

14.2.2定子绕组变极314

14.2.3磁极调幅电机315

14.2.4绕线型转子感应电机315

14.3第二类方法316

14.3.1变压恒频供电316

14.3.2变频变压供电316

14.4变速直流电机317

14.5潜电泵318

14.5.1简介318

14.5.2潜电泵结构318

14.6交流电机控制系统320

参考文献323

第15章谐波电压和谐波电流324

15.1概述324

15.2整流器325

15.2.1二极管桥路325

15.2.2晶闸管桥路327

15.2.3电力晶体管桥路329

15.2.4直流电机329

15.3电源电流谐波分量333

15.3.16脉冲波形的简化333

15.3.2换向延迟简化334

15.3.3线电流波形的傅里叶系数334

15.3.412脉冲波形的简化337

15.4逆变器340

15.4.1基本工作原理340

15.4.2三相电力逆变器341

15.4.3感应电机电压源馈线342

15.5电源滤波348

15.6保护、报警与指示349

参考文献350

第16章基于计算机的电力管理系统351

16.1简介351

16.2典型结构351

16.3主要功能351

16.3.1高速分区切断负载352

16.3.2分区切断负载优先表354

16.3.3低速分区切断负载356

16.3.4禁止大型电机启动356

16.3.5单线图的VDU显示357

16.3.6发电机组有功功率分配358

16.3.7系统频率的同步控制358

16.3.8发电机组无功功率分配358

16.3.9母线电压的同步控制360

16.3.10燃气轮机的状态监测360

16.3.11调度主发电机组的启动与停车361

16.3.12电机负载再加速控制362

16.3.13主发电机组自动同步362

16.3.14数据记录、数据压缩、趋势显示、报警、消息和状态报告363

第17章不间断电源364

17.1AC不间断电源364

17.1.1逆变器364

17.1.2子电路额定电流和逆变器额定电流的配合365

17.1.3对地漏电检测366

17.2DC不间断电源366

17.2.1UPS电池组充电器366

17.2.2电池组369

17.3冗余配置370

参考文献371

第18章其他内容372

18.1照明系统372

18.1.1照明装置类型373

18.1.2照度等级374

18.2导航辅助系统375

18.2.1灯语闪光信号灯375

18.2.2白红闪烁灯375

18.2.3导航浮标376

18.2.4照明指示盘376

18.2.5航空危险照明377

18.2.6直升机着陆系统377

18.2.7雷达377

18.2.8无线电测向器377

18.2.9声呐设备378

18.3阴极保护378

参考文献378

第19章设备规格书的制作379

19.1规格书的用途379

19.2规格书的典型格式380

19.2.1概述380

19.2.2供货范围380

19.2.3工作环境条件381

19.2.4采用的国际标准381

19.2.5技术定义与非技术定义381

19.2.6性能或功能要求381

19.2.7设计与结构细节382

19.2.8检验与测试383

19.2.9备品备件384

19.2.10技术文件384

19.2.11附录386

第20章同步发电机与感应电机的一般电气理论387

20.1概述387

20.2同步发电机387

20.3感应电机的一些说明395

20.3.1导出电抗396

20.3.2三相短路的应用396

20.3.3感应电机的导出电抗与时间常数398

20.3.4等效电路的导出参数399

20.3.5重复或强调要点400

20.3.6感应电机对三相短路电流的影响405

参考文献407

其他资料408

附录409

附录A电气文献中常用的缩略语409

附录B电力系统设计和设备选型的常用标准表417

B.1国际电工技术协会(欧洲)417

B.2石油协会（英国）423

B.3国际标准化组织（全世界范围）423

B.4英国标准协会（英国）424

B.5美国石油协会（美国）426

B.6国际电气研究咨询委员会（法国）426

B.7工程设备与材料用户协会（英国）427

B.8电气咨询委员会（英国）427

B.9德国电气研究与检验协会（德国）427

B.10电子电气工程师协会（美国）427

B.11其他一些参考资料（英国）427

附录C电力系统中保护设备、控制和指示设备的编号系统428

C.1电力系统中电路保护性继电器、控制和报警装置的使用428

C.2电力系统设备编号及功能430

附录D燃气轮机驱动发电机的欠频和过热保护432

参考文献435

附录E项目产生文件类型列表436

E.1承包商文件436

E.2制造商文件439

附录F燃气轮机性能的计算示例440

F.1要求及给定数据440

F.2基本要求441

F.3详细要求441

F.4基本解441

F.5详细解442

附录G计算含有感应电机电路压降的计算示例445

参考文献466

附录H计算接地棒、接地栅系统的接地电流和电击电位差示例466

附录I国际单位制换算476

I.1基本SI单位476

I.2非电导出单位476

I.3电导出单位476

I.4换算476

I.4.1长度476

I.4.2面积477

I.4.3体积477

I.4.4质量和密度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压强478

I.4.11惯性惯量与动量479

I.4.12照度479

I.4.13电与磁479

I.4.14其他量479

I.5国际标准化组织（ISO）条件481

I.6标准温度与标准压力（STP）条件481

I.7标准常数481

I.8十进制单位常用前缀481

参考文献481

关键词英汉对照482