电气工程基础引论.ppt

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课程简介,电气工程专业最基本的专业基础课之一。

电气工程专业（大类）基础课，是电气工程专业小方向专业课的基础。

如电力系统分析、电力系统继电保护、电力系统自动化等。

本课程内容非常广泛。

考试课，必修课。

主要参考资料,发电厂电气部分范锡普等，电力工业出版社。

发电厂电气部分熊信艮等，电力工业出版社。

电力系统稳态分析陈衔等，电力工业出版社。

电力系统暂态分析李光琦等，电力工业出版社。

电力系统分析（上、下）何仰赞等，华中科大出版社。

第一章引论,电气技术的发展与电力系统形成我国电力工业及电力系统的发展电力系统电压等级与接线图发电厂与变电所类型电力负荷电力系统运行的特点与要求,1-1电气技术的发展与电力系统形成,一、电磁学的发展奥斯特（丹麦）-1820年实验验证电流的磁效应;法拉第（英国）-1831年发现电磁感应定律;爱迪生（美国）-1880年发明叠片式铁心；特斯拉（美国）-1882年发明交流电；,二、电力系统的起源与形成1）电机（发电机、电动机、变压器）生产1831年法拉第发现了电磁感应定律（“电生磁、磁生电”）-1884年制成第一台原始型旋转磁极式直流发电机-18341870年出现了原始的交流发电机、直流发电机和直流电动机（电能仅用来电化学工业与电弧灯）-1880年爱迪生提出采用叠片式铁心，一直沿用至今。

2）电力系统的形成1882年人类史上的第一次高压输电出现。

法国人利用位于弥斯巴赫煤矿的蒸汽机发出的电能输送至57KM外的慕尼黑，驱动水泵。

（直流1300V，功率为1.5KW）,1891年德国人展示的电能系统是近代输电技术的基础。

从劳芬镇-法兰克福，长178KM；劳芬镇水轮发电机功率为230KVA，电压为95V，转速为150r/min,电压经变压器升至15200V，用4mm2铜线输送到法兰克福，再用两台降压变压器将电压降到112V，分别给照明供电与拖动一台75KW的电动机（水泵）。

人类第一台电动机（直流）,人类第一个电力系统中所用的发电机（交流）,3）、电力系统的概念,电力系统-由生产、输送、分配与使用电能构成的一个有机的系统。

电源-发电（水电、火电（油、煤、天然气）、核电、新能源（海浪、风力、太阳能等）电网-电能的传输与分配负荷-用电,三、电气工程与电气技术,电气工程是研究电磁现象与规律的学科；电气工程专业所涵盖的内容十分宽广，从电能生产至使用全过程；涵盖有：

电机与电器制造、电力系统及其自动化、电力电子与电力传动、高压绝缘及试验、电工理论与新技术等多个二级学科专业方向。

电气工程技术,电气工程学科是研究电磁现象、规律及应用的学科。

从事与电气工程有关的电气设备和系统的设计、制造、运行、试验、测量和控制、电力电子与传动、计算机应用及工程管理等方面工程技术。

电力系统及其自动化-主要研究电能的产生、变换、输送、分配、控制的理论，电力系统的规划、运行规律，以及相应的测量、保护、调节、控制系统的理论与技术。

电力电子与电力传动-主要研究新型电力电子器件、电能的变换与控制、功率源、电力传动及其自动化等的理论技术与应用；它综合了电能变换、电磁学、自动控制、电子信息、计算机等技术新型交叉学科。

电工理论与新技术-主要研究电网络、电磁场和基于新原理、新材料等电工新技术的理论、方法及其应用。

它是电类学科特别是电气工程学科的基础学科，又可成为边缘学科与交叉学科的生长点。

电机与电器-主要研究电机、电器及其他机电装置的理论、设计、制造、运行及其控制规律。

高电压与绝缘技术-主要研究高电压与绝缘的理论、测试、绝缘结构、过电压及其防护，以及它们在电力工业及新兴科学技术中的应用,四、现代电力系统,现代电力系统不仅是由发电机、变压器、输电线路、用户等一次设备构成的一个有机整体，而且是拥有包括卫星通信在内的各种手段的巨大计算机监控系统（安全自动控制装置、继电保护装置、计量装置、通信与调度、数据处理与分析、远动等）,交流电力系统（电力网）,交、直流电力系统,动力系统、电力网、电力系统之间的关系,原动机发电机输电网络配电系统负荷,电力系统,动力系统,现代电力系统的发展趋势,能源开发与环境保护协调；电源结构的优化配置；灵活交流输电与新型直流输电（FACTS）；现代能量管理系统（EMS）；电能质量新标准；电力市场兴起,1-2我国电力工业及电力系统发展,我国能源资源丰富，水电资源居世界第一；电能生产与消耗目前居世界第二；社会人均用电量逐年上升，但仍然较低；用电结构发生变化，第三产业用电增加；电力系统自动化程度及经济指标（如煤耗率、线损率等）大大提升；,我国电力工业发展情况,我国发电能源占一次能源比重及单位产值,衡量电力系统发展水平的几个指标,总装机容量年发电量最大负荷年用电量最高电压等级额定频率自动化程度等,全国主要电网地理位置图,“西电东送”,北线,中线,南线,南水北调路线,南水北调,电力发展新特点,大部分国家以火电为主。

工业用电的比例有下降趋势。

火电机组向高参数、大容量、高效率和建设大电厂方向发展。

洁净煤发电技术异军突起。

电力工业管理体制和经营方式的变革普遍展开（电力市场）。

电力发展新技术,发展超高参数大容量火电机组和火电厂洁净煤燃烧技术烟气净化技术（脱硫、脱硝、除灰、除渣等）水力发电技术灵活交流输电技术（FACTS）电网自动化技术蓄能技术（电池蓄能、超导储能、飞轮储能）提高电能质量技术需方管理技术（DMS）大都市供电技术,补充：

电力体制概述,水利电力部电力部能源部垂直、半封闭化管理发输供一体厂、网分家,一、发电企业,中国华能集团（副部级央企）中国大唐集团（副部级央企）中国华电集团（副部级央企）中国国电集团（副部级央企）中国电力投资集团（副部级央企）其他（如华润、地方电力企业等）,大唐耒阳发电厂（2*200MW2*300MW）大唐湘潭发电有限责任公司（2*300MW2*600MW）大唐石门发电有限责任公司（2*300MW）大唐衡阳发电股份有限公司（水电白鱼潭）株洲华银火力发电有限公司（2*125MW2*310MW）华银金竹山火力发电分公司（2*300MW2*600MW）湖南张家界水电开发有限责任公司（水电共106MW）,中国大唐集团湖南分公司,二、电网公司,国家电网公司（副部级央企）南方电网公司（副部级央企）地方电网公司,电网企业以省公司为主体（法人）,国网公司-省电力公司-地区电业局-县电力局（供电局）-乡镇供电所省电力公司对县电力局（农村电网）管理有:

直管（委托地区电业局）、代管、控股。

跨省区域性电网（网局）-业务上协调区域内省电网公司。

三、国家相关机构,国家发改委国家能源局（部级机关）国家电力监管委员会（正部级机关）中国电力企业联合会（简称中电联）,1-3电力系统的额定电压与额定频率,一、电力系统额定频率工频：

50Hz取决于电力系统电源-交流发电机,三类额定电压,第一类：

100V以下的额定电压。

直流48V及以下，交流36V及以下。

第二类：

1001000V额定电压。

低压电动机及照明。

第二类：

1000V以上的额定电压。

发电机、变压器、电网及高压电动机。

制定标准电压的依据,三相功率正比于线电压及线电流（S=UI）。

当输送功率一定时，输电电压愈高，则输送电流愈小，因而所用导线截面积愈小；但电压愈高对绝缘的要求愈高，杆塔、变压器、断路器的绝缘投资也愈大。

因而对应于一定的输送功率与输送距离应有一最佳的输电电压。

但从设备制造的经济性以及运用时便于代换，必须规格化、系列化，且等级不宜过多。

线路额定电压,线路额定电压即线路的平均电压。

各用电设备的额定电压取与线路的额定电压相等。

从而使所有用电设备在额定电压的附近处运行。

额定电压-“标准电压”。

电力系统中的设备在额定电压下运行时，技术经济性能最佳。

用电设备容许的电压,用电设备容许的电压偏移一般为5%，沿线电压降落一般为10%，因而要求线路始端电压为额定值的1.05倍，并使末端电压不低于额定值的0.95倍。

发电机的额定电压,发电机通常接于线路始端，因此发电机的额定电压为线路额定电压的1.05倍UGNUN（15）,变压器额定电压,变压器具有发电机和负荷的双重地位，它的一次侧是接受电能的，相当于用电设备；二次侧是送出电能的，相当于发电机。

变压器一次侧额定电压取等同于用电设备额定电压，对于直接和发电机相联的变压器，其一次侧额定电压等于发电机的额定电压即：

U1NUGNUN（15）二次侧额定电压取比线路额定电压高5%，因变压器二次侧额定电压规定为空载时的电压，而额定负荷下变压器内部电压降落约为5%。

为使正常时变压器二次侧电压较线路额定电压高5%，变压器二次侧额定电压取比线路额定电压高10%。

二、电力系统的额定电压-线电压有效值（kV）,发电设备额定电压：

发电机定子（出口处）端电压3.156.310.513.815.751820输电线路（电网或电力系统）额定电压0.383.06.01035（60）110（154）220330500750,变电设备额定电压：

变压器的一次侧、二次侧绕组（主分接头时）的额定电压一次绕组（接受电功率一侧的绕组）：

3/3.156/6.310/10.513.815.75182035110220330500二次绕组（输出电功率一侧的绕组）：

3.15/3.36.3/6.610.5/1138.5121242363,注意：

当发电、输电、变电设备为同一电压等级时，发电设备比输电设备（线路）额定电压高出5%；变电设备的额定电压一次绕组电压与线路或与发电机（直接相连时）相同；变电设备的额定电压二次绕组电压比线路高出10%或5%（线路不长或变压器损耗较小时）有些电压是发电机出口专用，如：

13.815.751820,举例分析,变压器分接头-变压器分接开关,几个相关问题：

-变压器调压线圈（有时并不单独设置）绕组的匝数处于不同的位置-改善电压质量。

变压器分接头调压方式-有载、无载，原理及调压装置的构成等。

变压器调压分接头通常在高压侧或中压侧同样型号的升压变与降压变，同样的调压百分比，其对应的绕组额定电压不一样。

如：

SFPSZ-90000/2205*1.25%,对应的2.5%档，升压变高压绕组电压为248KV，降压变为225.5kV,用线电压表示的抽头额定电压,升压变压器,降压变压器,三、描述电力系统的几种方式,地理接线图电气接线图-电气接线图：

主要是单相电路原理图。

较早期湖南省电网示意图,较早期华中电网,电力系统的接线方式,一、有备用与无备用电力网放射式干线式树状式闭式（环网式）双电源式与负荷级别联系说明二、输电网与配电网,各级电压一般输送能力,架空线路的输电能力与距离,四、电力系统中性点,指三相系统作星形连接的变压器和发电机的中性点。

中性点有效接地系统（直接接地与低阻抗接地系统）中性点非有效接地系统（不接地、经消弧线圈接地与高阻抗接地）电力系统接地方式是一个关系到供电可靠性过电压与绝缘配合继电保护要求通信干扰及电气安全等方面的综合性问题.,电力系统中性点接地方式,中性点不接地系统（非有效接地系统-小电流接地系统）中性点经消弧线圈接地系统（非有效接地系统）中性点经阻抗接地系统（非有效接地系统）中性点直接接地系统（有效接地-大电流接地系统）,1、中性点不接地系统,中性点不接地系统特点,单相接地故障时，故障相电压为0，非故障相电压为线电压（倍相电压）。

供电可靠性高。

线电压上的设备无须立即断电，可继续工作12小时。

增大绝缘成本。

适用于：

35KV及以下线路。

单相接地电容电流实用计算式,2、中性点经消弧线圈接地系统,消弧线圈：

一个具有铁芯的可调电感线圈，电阻小电抗大。

消弧线圈作用：

补偿单相接地故障时产生的电容容性电流。

补偿方式：

全补偿，欠补偿，过补偿。

过补偿在电网中应用较多。

中性点经消弧线圈接地系统,中性点经消弧线圈接地系统应用,610KV中性点不接地系统中，当单相接地电流超过20A时。

3560KV中性点不接地系统中，当单相接地电流超过10A时。

3、中性点直接接地系统,短路故障时，继电保护动作，迅速切除故障。

单相故障时，故障相电压对地电压为0，非故障相对地电压仍接近于相电压。

主要优点：

降低绝缘成本。

主要缺点：

影响供电可靠性；短路电流大。

适用于：

110KV及以上电力系统。

4、中性点经阻抗接地系统,中性点经低阻抗接地系统适用于35KV、10KV城市电缆供电电网。

中性点所接电阻大小以限制接地电流在6001000左右。

中性点经低阻抗接地系统发变组单元接线的200MW以上发电机，当接地电流超过允许值时，发电机中性点经电压互感器一次绕组形成高电阻接地方式。

1-4发电厂、变电站类型,电源-常规发电（火电、水电、核电）及新能源（海浪、风力、太阳能等）发电火电凝汽式火力发电厂（火电厂）供热式火力发电厂（热电厂）,凝汽式燃煤电厂生产过程示意图,1-运煤皮带；2-原煤仓；3-磨煤机；4-排粉机；5-送风机；6-空气预热器；7-引风机；8-过热器；9-省煤器；10-除尘器；11-烟囱；12-灰斗；13-灰渣沟；14-灰渣泵；15-汽包；16-水泠壁；17-汽轮机；18-凝汽器；19-凝结水泵；20-低压加热器；21-除氧器；22-给水箱；23-给水泵；24-高压加热器；25软化补充水；26-冷却水；27-发电机；28-变压器。

火电厂的主要生产系统,燃运系统汽水系统电气系统,火电厂,火力发电机组,水电,按取水方式：

堤坝式水电厂、径流式水电厂、抽水蓄能电厂等。

按集中落差方式分：

堤坝式（坝后式、河床式）、引水式（无压式、有压式）等。

混合式2）按水流调节程度分：

无调节式（径流式）、日、月、季、年调节水库、多年调节水库等。

原理：

由引水系统、发电系统、自动化系统构成。

水电厂装机容量P（KW）=9.81*Q*H*Q为水流量（m3/s），H为落差（m），为水轮机效率,我国水电发展的模式,大力开发水电-我国水电资源世界第一，开发程度只有15%，占世界平均的30%，只有巴西、印度的25%。

流域、梯级、滚动、综合-人口、资源、环境西电东送、基地开发-“两江两河”（长江上游干支流、澜沧江，黄河上游、红水河）发展抽水蓄能水电站。

我国水力分布图,水资源分布图,三江源,新安江水电厂,长江三峡工程（27*700MW）,水电厂厂房（坝内）,水电厂发电机转子,水力发电原理图,水电厂的分类水电厂是将水的位能和动能转换成电能的场所，也称水电站。

水电站的类型可以分为：

（1）堤坝式：

一般河流水位的落差沿河流是分散的，为提高落差就需要在河流的上游修建拦河坝，将水积蓄，提高水头，进行发电。

通常这类水电站又分为坝后式和河床式两种坝后式水电站：

发电机厂房建在坝后，全部水头的压力由坝体承受，水库的水由压力水管引入厂房，推动水轮发电机发电。

坝后式水电厂示意图,河床式水电站：

发电机厂房和挡水堤连成一体，厂房也起挡水作用。

由于厂房修建在河床中，故称河床式,

（2）引水式水电站：

建在山区水流湍急的河道上或河床坡度较陡的地段，由引水渠道提供水头，一般不需要修建堤坝，只修低堰，适用于水头比较高的情况。

抽水蓄能水电站抽水蓄能电站是一种特殊形式的水电站，具有水轮机-发电机和电动机-水泵两种可逆的工作方式。

（1）夜晚或周末低负荷时，抽水蓄能电站的机组作为电动机运行，利用电力系统富余的电能将下库的水抽到上库，以位能的形式将电能储存起来。

（2）在电力系统的峰荷期间抽水蓄能电站的机组又作为发电机运行，将上库的水放下来通过水轮机发电，用以担任电力系统峰荷中的尖峰部分，即起到调峰作用。

核电,1千克U235相当于2700T标准煤（发热量为3000大卡/千克）压水堆-利用高压轻水做慢化剂与冷却剂，使堆中核裂变时产生的快速、高能中子减速。

沸水堆-利用沸水做慢化剂与冷却剂。

重水堆-利用重水做慢化剂与冷却剂。

构成：

1kgU235=2700t标准煤（7000大cal/kg）一回路（核岛）-核反应堆、蒸汽发生器、泵与管道）二回路（常规岛）-汽轮机、发电机、升压变等,核电厂外景,核能发电-核电厂,核芯,核芯,我国已建设的核电主要有：

秦山电站：

300MW,1991-12-15大亚湾：

2*900MW,1993-8-31.94-2-7秦山二厂：

2*600MW,2002-2-1.03-12-30岭澳：

2*984MW,2002-4-5.02-12-15秦山三厂：

2*728MW,2002-11-10.03-6-12田湾：

2*1000MW,2004-05-15.05-5-15,其他能源的电厂,太阳能发电、风力发电、地热发电、潮汐发电、生物质能发电及垃圾电厂等。

（1）太阳能发电太阳能发电-光伏发电,1）太阳能热发电：

它是将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置，其基本组成与常规火力电厂相似。

2）太阳能光发电：

太阳能光发电不通过热过程而直接将太阳的光能转换成电能，其中光伏电池是一种主要的太阳能光发电形式，也叫光伏发电光伏发电是把照射到太阳能电池上的光直接变换成电能的一种发电形式，它是目前太阳能发电研究的方向。

（2）风力发电将风能转换成电能的一种发电方式称为风力发电。

风能属于再生能源，又是一种过程性的能源，无法直接储存，还具有随机性，所以对风能的应用技术上比较复杂。

图1-6是风力发电装置的示意图。

由此图可以看出风力发电机生产过程的简单描述。

风力发电厂,（3）地热发电地热能的储量很大，但是，目前世界上实际能利用的地热资源很少，主要限于蒸汽田和热水田，这两者统称为地热田。

地热电站是清洁的能源。

它的发电成本比水电和火电都低，而且地热发电后排出的热水还可以供采暖、医疗、提取化学物质等利用，所以目前地热发电发展很快。

地热发电厂,（4）潮汐发电,利用潮汐的落差推动水轮机而发电称之为潮汐发电。

即在海湾或河流入海处筑起堤坝，涨潮时蓄水，高潮时关闭。

退潮时形成足以使水轮机工作的落差时才开始放水，将蓄水放出，驱动水轮发电机发电。

潮汐发电示意图,风力发电,我国风力发电情况,太阳能发电（太阳光发电、太阳热发电）,太阳能的具体应用,太阳能产品,太阳能分布,太阳能-光电、光热,截止到2002年底，世界光伏发电总装机容量为2000MW，其中并网发电占51%，独立用户占16%，商业应用占9%。

2002年我国启动“无电乡通电工程”以来，已装机20MW；同时“中国照明工程”计划到2010年解决2000万边远地区人口用电问题，并达到人均100W。

2000年世界太阳能热水器总拥有量为6500万m2,中国是最大的消费国与生产国，2002年我国安装达4000万m2；人均最多的国家是以色列等国。

变电站,枢纽变电站（330KV及以上）中间变电站（220KV、330KV）地区变电站（220KV及以下）终端变电站（110KV及以下）企业变电站（220KV及以下）,500KV枢纽变电所,中间变电站,110KV变电站,运行中的大型电力变压器,1-5电力负荷,一、负荷概述1、负荷的组成电力系统负荷（电力系统综合用电负荷）电力系统供电负荷电力系统发电负荷2、负荷的单位W，KW，MW，GW；VA，KVA，MVA,2、负荷的分类,按用电设备-异步电动机、同步电动机、电热装置、整流装置、照明设备等按用户性质-工业负荷、农业负荷、交通运输业负荷、市政及生活用电等按用户的重要程度-一级负荷、二级负荷、三级负荷,按负荷的工作特点-连续性负荷、间断性负荷、冲击负荷等按负荷的构成范围-电网负荷、地区性负荷、小区负荷、单个负荷等,1-6对电力系统运行的基本要求,一、电力系统生产的特点1、与国民经济与生活密切相关2、电能不能大量贮存3、发电、输配电、用电同时进行，其暂态过程非常短暂。

二、对电力系统运行的基本要求,足够安全、可靠（提出三级负荷的概念）优质（电压幅值、频率、波形等）经济（高效）环保重点说明电能的质量问题（以静态指标为主）,