电气工程概论课件

电气工程基础,2019/5/18,1,第一章 电气工程概论,第一节 电力系统的基本概念 第二节 电力系统的电压等级 第三节 电力系统中性点接地方式,2019/5/18,2,第一节 电力系统的基本概念,一、电力系统的组成 二、电力系统的特点 三、电力系统运行的基本要求 四、建立大型电力系统的优点,2019/5/18,3,一、电力系统的组成,电力系统就是由发电厂、变电所、输配电线路和电力用户连接而成的统一整体，包含着电能的生产、输送、分配和使用。 电力系统加上发电厂的动力部分，如汽轮机、水轮机、锅炉、水库、反应堆等，称之为动力系统。,图1-1 电力网、电力系统和动力系统,2019/5/18,4,图1-1 电力网、电力系统和动力系统,2019/5/18,5,1.发电厂 生产电能的工厂，把不同形式的一次能源转换成电能。 分类：据所利用能源的种类不同，可将发电厂分为火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂、风力发电厂、地热发电厂、太阳能发电厂和潮汐发电厂等。 发电厂举例,2019/5/18,6,2.变电所 变电所是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。 根据变电所在电力系统中的地位，可分为以下几种： 1枢纽变电所 2中间变电所 3地区变电所 4终端变电所,2019/5/18,7,1枢纽变电所 联系电力系统各部分的中枢，由大电网供电，电压等级较高，变压器容量大，进出线回路数多。 其高压侧电压为330550kV，全所一旦停电，将引起整个系统解列，甚至使部分系统瘫痪。 2中间变电所 将发电厂、枢纽变电所及负荷中心联系起来，处于电源与负荷的中间位置。主要用以交换潮流或使长距离输电线路分段，同时降低电压给所在区域供电。 电压为220330kV。全所一旦停电，将引起区域电力系统解列。,2019/5/18,8,3地区变电所 地区变电所是一个地区或城市的主要变电所，高压侧电压一般为110220kV。 全所一旦停电，将使该地区中断供电。 4终端变电所 终端变电所是电网的末端变电所，一般为降压变电所，由地区变电所供电，高压侧电压为10110kV。 全所一旦停电，将使用户中断供电。,2019/5/18,9,3.电力网 电力系统的重要组成部分，用于输送和分配电能。 分类：一般按其供电范围的大小和电压等级的高低可分为地方电力网、区域电力网和超高压远距离输电网三类。 电力网的分类如表1-1所示。,2019/5/18,10,表1-1 电力网的分类,2019/5/18,11,二、电力系统的特点,1电能不能大量储存 2过渡过程十分短暂 3.电能生产与国计民生密切相关 4.地区性特点较强,2019/5/18,12,三、电力系统运行的基本要求,终极目标:给用户提供充裕、安全、优质的电能。 1保证系统安全可靠的运行 要求系统设备的运行具有足够的可靠性，加强对设备运行状态的监视和维修。 要完善电力系统结构，提高系统抗干扰的能力。 提高操作人员的技术水平和责任心，防止误操作事故的发生，以及在事故发生后能够最快的缩小事故范围，防止事故扩大。,2019/5/18,13,2保证良好的电能质量 衡量电能质量的主要指标有电压、波形和频率。 （1）电压 电压质量一般用电压偏差、电压波动和闪变以及三相电压不平衡度三个指标来衡量。 （1-1） 式中：U% 为电压偏差；U电网某点的实际运行电压；UN 为额定电压。 我国规定的用户受电端的电压偏差见表1-2。,2019/5/18,14,表1-2 用户供电电压允许变化范围,2019/5/18,15,电压波动是指电压在系统中作快速、短时的变化，变化更为剧烈的电压波动称为闪变。 电压波动一般用电网某点电压最大值与最小值之差对电网额定电压的百分比表示，即 （1-2）,2019/5/18,16,理想的三相交流电力系统中，三相电压应有相同的幅值，且顺时针按U、V、W顺序互成120，这样的系统就是三相平衡的系统。 电力系统实际运行中，由于三相负荷大小不等或系统三相阻抗不对称等因素的存在，使得电力系统三相电压处于不平衡运行状态。 三相电压不平衡用电压负序分量（顺时针按U、W、V互成120）有效值与正序分量有效值的百分比来表示，称为三相电压不平衡度，即 （1-3）,2019/5/18,17,（2）频率 电力系统运行时的频率与额定频率之差称为频率偏差，是电能质量的又一个主要指标。 我国电力系统采用的额定频率为50Hz，其允许偏差如表1-3所示。,表1-3 系统频率允许偏差,2019/5/18,18,（3）波形 电力系统稳态运行时，其电压或电流波形应为正弦波，但由于系统中谐波源的存在，如变频调速等产生大量的谐波，造成了正弦波形的畸变。 我国在公用电网谐波中规定了谐波电压的限制，如表1-4 所示。 电能质量主要指标的影响因素、主要危害以及可采用的解决方法见表1-5。,2019/5/18,19,3提高电力系统运行的经济性 （1）在发电环节，要综合各类发电厂的运行特点，合理安排其发电顺序，实现电源的优化组合。 （2）在输送电能环节，要采取各种措施降低网络损耗，提高电能的传输效率。 （3）结合本地区的区域特点，积极致力于新能源的开发和利用，减少电能的生产和输送成本。,2019/5/18,20,建立大型电力系统有以下优点： 1减少了系统中的总装机容量 2提高供电的可靠性 3可以安装大容量的发电机组 4可以合理利用一次能源，提高系统运行的经济性,四、建立大型电力系统的优点,2019/5/18,21,第二节 电力系统的电压等级,一、电力系统的额定电压等级 二、电压等级的选择,2019/5/18,22,一、电力系统的额定电压等级,额定电压就是发电机、变压器和电气设备等在正常运行时具有最大经济效益时的电压。 有利于： 1.电器制造业的生产标准化和系列化 2.电器的互相连接和更换 3.设计的标准化和选型 4.备件的生产和维修,2019/5/18,23,1. 电气设备的额定电压 选择电气设备额定电压不低于电网的额定电压。 2. 发电机的额定电压 根据电力系统运行中电能质量标准的要求，正常情况下用户处的电压波动一般不得超过其额定电压的5%。 电网中各部分的电压分布大致情况如图1-2所示,2019/5/18,24,图1-2 电力网中的电压分布 （a）沿线ab的电压分布；（b）连接有升压、降压变压器沿线的电压分布,2019/5/18,25,3、变压器的额定电压 变压器的额定电压分为一次绕组额定电压和二次绕组额定电压 。 接到电力网始端与发电机相连的变压器，采用高出电力网额定电压5的电压作为该变压器一次绕组的额定电压。 接到电力网受电端的变压器，其一次绕组额定电压与电力网额定电压相等。,2019/5/18,26,变压器二次绕组的额定电压，是指变压器空载情况下的额定电压。 变压器带负载运行时，其一,二次绕组均有电压降，如按变压器满载时一、二次绕组压降为5考虑，为使满载时二次绕组端电压仍高出电力网额定电压5，用于补偿线路的电压降,则必须选变压器二次绕组的额定电压比电力网额定电压高出10。 当变压器二次侧供电的线路很短时，其线路压降很小，也可采用高出电力网额定电压5%，作为该变压器二次绕组的额定电压。,2019/5/18,27,例1-1 电力系统接线如图1-3所示，图中标明了各级电力线路的额定电压，试求发电机和变压器绕组的额定电压。,图1-3 电力系统接线图,2019/5/18,28,解：发电机G的额定电压为10.5kV； 变压器T1：低压侧绕组额定电压为10.5kV，高压侧绕组的额定电压为242kV； 变压器T2：高压侧绕组额定电压为220kV，中压侧绕组的额定电压为121kV，低压侧绕组的额定电压为11kV或10.5kV；,2019/5/18,29,变压器T3：高压侧绕组额定电压为110kV，低压侧绕组的额定电压为38.5kV； 变压器T4：高压侧绕组额定电压为35kV，低压侧绕组的额定电压为6.6kV或6.3kV； 变压器T5：高压侧绕组额定电压为10.5kV，低压侧绕组的额定电压为400V。,2019/5/18,30,二、电压等级的选择,在相同的输送功率和输送距离下，所选用的电压等级越高，线路中的电能损耗越小，但同时电气设备的造价也会随之升高。 我国的电力网的额定电压、传输功率和传输距离之间的关系如表1-7所示。,2019/5/18,31,第三节 电力系统中性点接地方式,一、中性点不接地 二、中性点经消弧线圈接地 三、中性点直接接地 四、中性点经低电阻接地,2019/5/18,32,一、中性点不接地,1中性点不接地系统的正常运行 图1-4为中性点不接地系统正常运行的示意图。 设三相电源电压 、 、 对称。每相导线的对地电容分别用集中电容 、 、 表示，并忽略导线间的分布电容。,图1-4 中性点不接地系统正常运行,2019/5/18,33,系统正常运行时，由 ，三相电压 、 、 对称，所以三相导线的对地电容电流 、 、 也是对称的，三相电容电流之和等于零，即 （1-4） 每相导线对地电容电流的值相等，即 （1-5） 式中： 为电源相电压。,2019/5/18,34,2中性点不接地系统单相接地故障 当系统发生单相接地故障时，如图1-5（a）所.设U相单相接地，故障点U相的对地电压变为零.,图1-5 中性点不接地系统U相金属性接地 （a）原理接线图； （b）相量图,2019/5/18,35,中性点的电压，于是 ，V、W相的对地电压为 （1-6） 式中：a为复数算子， 。,2019/5/18,36,由于U相接地，其对地电容CU被短接，所以U相对地电容电流变为零。 V、W相对地电容电流分别为 （1-7） (1-8） 非故障相电流、流进地中后，经过U相接地点流回电网，该电容电流（即接地电流）为 （1-9） 其大小为 （1-10）,2019/5/18,37,当中性点不接地系统发生单相金属性接地时，有以下特点： （1）中性点对地电压 与接地相正常时的电压大小相等，方向相反. （2）故障相的对地电压降为零. （3）两健全的电容电流增大为正常时相对地电容电流的倍.,2019/5/18,38,由于线路对地电容电流很难准确计算，所以单相接地电流（电容电流）通常可按下列经验公式计算 （1-11） 式中： IC为接地点流过的电容电流（A）； UN 为电网的额定线电压（kV）； L1为同级电网具有电的直接联系的架空线路总长度（km）； L2为同级电网具有电的直接联系的电缆线路总长度(km)。,2019/5/18,39,中性点不接地系统发生单相接地时，线电压的大小和方向均不改变。 中性点不接地系统发生单相接地时，当接地电流较大时，接地电流在故障处可产生稳定或间歇性的电弧。 当单相接地电流大于规定值时，就要采用中性点经消弧线圈接地。,2019/5/18,40,二、中性点经消弧线圈接地,消弧线圈是一个具有铁芯的可调电感线圈。如图1-6（a）所示。,图1-6中性点经消弧线圈接地 ( a)原理接线图； (b)相量图,2019/5/18,41,当系统发生单相接地故障时，消弧线圈处于中性点电压 下，则有一感性电流 流过线圈 （1-12） 其值的大小为 （1-13） 滞后 90，正好与相位相反，两者之和等于它们绝对值之差。电流、电压相量图如图1-6（b）所示。,2019/5/18,42,根据消弧线圈的电感电流对电网电容电流的补偿程度，可分为全补偿、欠补偿和过补偿3种不同的运行方式: 1全补偿方式 若IL=IC，接地电容电流将全部被电感电流补偿，即全补偿方式。 这种补偿方式因感抗等于容抗，电力网将发生谐振，产生危险的高电压和过电流，影响系统安全运行。因此，一般系统都不允许采用完全补偿的方式。,2019/5/18,43,2欠补偿方式 选择消弧线圈的电感，使ILIC，称为欠补偿方式。 采用欠补偿方式时，当电力网运行方式改变而切除部分线路时，整个电力网对地电容将减少，有可能发展为全补偿方式，导致电力网发生谐振。 再者，欠补偿方式还有可能出现数值很大的铁磁谐振过电压。因此，欠补偿方式目前很少采用。,2019/5/18,44,3过补偿方式 选择消弧线圈的电感使ILIC，称为过补偿方式。 在过补偿方式下，即使电力网运行方式改变而切除部分线路时，也不会发展为全补偿方式。 同时，由于消弧线圈有一定的裕度，今后电力网发展，线路增多，原有消弧线圈还可以继续使用。因此，经消弧线圈接地的系统一般采用过补偿方式。,2019/5/18,45,常把 称为消弧线圈的补偿度， 而 称为脱谐度。目前一般脱谐度选在10%左右。 消弧线圈的补偿容量S通常是根据该电网的接地电容电流值 IC 选择的。 （1-14） 式中：UN为电网的额定电压。,2019/5/18,46,中性点经消弧线圈接地系统的适用范围：凡不符合中性点不接地要求的360kV电网，均可采用中性点经消弧线圈接地方式。 110kV电网可采用,电压等级更高的电网不宜采用。,2019/5/18,47,三、中性点直接接地,图1-7是中性点直接接地系统。 仍设U相在k点单相接地，这时线路上将流过较大的单相接地电流 ，因此中性点直接接地系统也称为大接地电流系统。,图1-7中性点直接接地系统,2019/5/18,48,中性点直接接地的电力系统发生单相接地时，中性点电位仍为零，非故障相对地电压基本不变，因此电气设备的绝缘水平只要按电力网的相电压考虑，可以降低工程造价。 中性点直接接地系统在发生单相接地时，接地电流 将很大 ,必须安装保护装置，迅速切断故障。,2019/5/18,49,四、中性点经低电阻接地,中性点经低电阻接地系统，单相接地时，短路电流较大，应设置有快速、有选择性的切除接地故障的保护装置；中性点电压不等于零，两健全相的电压可能升高，或产生串联谐振。 RN可由下式计算 （1-15） 式中：Uph 为网络相电压。,2019/5/18,50,中性点经低电阻接地系统，单相接地时，短路电流从数百至数千安不等，对电信系统也有影响，但比中性点直接接地系统小。 中性点经低值电阻接地系统适用于城市以电缆为主、单相接地电流较大的635kV系统。,2019/5/18,51,第四节 电力负荷与负荷计算,一、电力负荷的构成及其分级 二、电力系统负荷曲线 三、电力负荷计算,2019/5/18,52,一、电力负荷的构成及其分级,电力系统的负荷是指电力系统中所有用电设备消耗的功率总和。 一般用有功功率P、无功功率Q和视在功率S来表示。包括：电厂消耗的负荷和综合用电消耗负荷。,2019/5/18,53,根据电力负荷对供电可靠性的要求以及中断供电在政治、经济上造成的损失和影响的程度不同，规定将负荷分为三级。 1一级负荷 由两个独立电源供电，即双电源供电网络。 2二级负荷 由两回线路供电 3三级负荷 单回线路供电,2019/5/18,54,二、电力系统负荷曲线,负荷曲线是指某一段时间内负荷随时间变化的曲线，反映用户用电的特点和规律。 按负荷性质不同，可分为有功功率负荷曲线和无功功率负荷曲线。 按负荷持续时间不同，可分为日负荷曲线、月负荷曲线和年负荷曲线。,2019/5/18,55,1常用的负荷曲线 （1）有功功率日负荷曲线和无功功率日负荷曲线。 日负荷曲线表明了系统在一天（24h）内负荷变动的情况，负荷曲线下所包围的面积表示一天24h内所消耗的电能。,图1-8 电力系统的日负荷曲线 （a）有功功率负荷 （b）无功功率负荷,2019/5/18,56,图1-9 电力系统最大有功功率年负荷曲线 1-10年最大负荷和年最大负荷利用小时,（2）有功功率年负荷曲线。 年负荷曲线：表示全年（8760h）内负荷变动情况。 年最大负荷曲线：表示一年中每日或每月最大负荷的变动情况，如图1-9所示。 年持续负荷曲线：由一年中系统负荷按其数值大小及持续时间顺序由大到小排列而成，如图1-10所示。,2019/5/18,57,2与负荷曲线有关的参数 （1）年最大负荷Pmax 年最大负荷Pmax是指全年中消耗电能最多的半小时的平均功率，也即是年负荷曲线上的最高点。又称半小时最大负荷P30。 （2）年最大负荷利用小时Tmax 年最大负荷利用小时是指：假设负荷以年最大负荷持续运行一段时间消耗的电能恰好等于该电力负荷全年实际负荷消耗的电能。这段时间就是年最大负荷利用小时Tmax。,2019/5/18,58,如果负荷始终等于最大值Pmax，经过Tmax小时后所消耗的电能恰好等于全年的实际消耗量。 以W表示全年实际消耗的电能，则有 （1-16）,图1-10 年最大负荷和年最大负荷利用小时,2019/5/18,59,根据电力系统实际运行经验，各类负荷的Tmax大致有一个范围，见表1-8。,表1-8 各类用户负荷的年最大负荷利用小时Tmax值,2019/5/18,60,（3）平均负荷Pav和年平均负荷 平均负荷就是指电力负荷在一定时间内消耗的功率的平均值。 如在t 这段时间内消耗的电能为Wt，则t时间内的平均负荷为： （1-17） 年平均负荷是指电力负荷在一年内消耗的功率的平均值。 如用W表示全年实际消耗的电能，则年平均负荷为： （1-18）,2019/5/18,61,（4）需要系数Kd 需要系数Kd定义为30min平均最大负荷（P30）与用电设备的设备容量（PN）之比，因为P30=Pmax，所以： （1-19）,2019/5/18,62,三、电力负荷计算,计算负荷=半小时最大负荷P30。 负荷计算的目的:根据计算负荷选择电气设备和导线，并进行保护的整定计算等。,2019/5/18,63,1估算法 （1）单位产品耗电法 若已知某车间或某企业的年生产量m和每一产品的单位耗电量a（见表1-9）， 则企业全年电能W为： （1-20）,表1-9 各种产品的单位耗电量,2019/5/18,64,式中：Tmax为年最大负荷利用小时数，见表1-10。,表1-10 某些企业的年最大负荷利用小时数,有功计算负荷为,2019/5/18,65,（2）车间生产面积负荷密度法 若已知车间生产面积S（m2）和负荷密度指标（kW/m2）时，车间平均负荷为 （1-22） 负荷密度指标如表1-11所示。 车间计算负荷Pc为 （1-23） 式中：为有功负荷系数。,表1-11 车间低压负荷密度指标,2019/5/18,66,2需要系数法,根据已运行同类负荷的需要系数，由 可求出计算负荷，即 （1-24） 式中：PN为用电设备的设备容量；Kd为需要系数，它意味着用电设备投入运行时从供电网络实际取用的功率与用电设备的容量之比。,2019/5/18,67,思考题与习题,1-1 什么叫电力系统、电力网及动力系统？ 1-2 电能生产的主要特点是什么？对电力系统有那些要求? 1-3 衡量电能质量的指标主要有哪些？简述它们对电力系统的主要影响。 1-4 一次能源的不同发电厂可分为几类？ 1-5 国电网的电压等级有哪些？发电机、变压器和用电设备的额定电压如何确定？,2019/5/18,68,1-6 确定图1-11所示电力系统中发电机和变压器的额定电压（图中标示出的是电力系统的额定电压，单位为kV）。,图1-11 电力系统接线图,2019/5/18,69,1-7 中性点不接地三相系统中，发生单相接地故障时，电网的电压和电流如何变化？ 1-8 试述经消弧线圈接地系统的优缺点与适用范围？ 1-9 消弧线圈为什么一般应当