电气工程基础华中科技大学版本第一章绪论.ppt

1、电气工程基础华中科技大学电力工程系罗 毅,教学目的,掌握“发电输电配电用电”的设备、工作原理以及与电力系统整体的关系，建立电力系统的整体概念 掌握电力系统“分析设计运行管理”的基本理论、基本技术、基本计算方法 电力工程入门课程，学完本课程后即可以从事与电力工程相关的设计、运行、检修工作,课程衔接,先修课程：电路理论，电机学； 主要后续课程：电力系统分析、继电保护、电力系统自动化、高电压技术,本学期计划学时安排,总学时：课内56学时；课外实验8学时,第一章主要内容,掌握与电力系统相关的若干基本概念，包括电力系统、电力网、动力系统、变电站等； 理解电力系统的特点； 理解对电力系统提出的要求； 掌握

2、电力系统的三个电能质量指标，包括国家标准规定的允许变化范围； 掌握电力系统的额定电压等级及规定，了解电力系统电压等级与输电距离之间的关系； 了解电力系统中常用的接地方式，掌握各种不同的中性点接地方式的特点。,第一章学习难点,电能不能大量存储的特点引起的电力系统有功功率和无功功率动态平衡； 电力系统和电气设备额定电压的规定； 各种不同的中性点接地方式的特点；,第一章学习方法指导,注意基本概念的内涵和外延，并适当识记； 注意思考从电力系统的特点、要求推断出来的一系列基本原理； 注意寻找额定电压规定的基本规律； 注意比较各种不同的中性点接地方式的特点。,电力初期发展,对电力的认识和应用从直流开始 1

3、873年，在维也纳国际博览会上，法国弗泰内使用2000m导线，连接一台瓦斯发动机拖动的格拉姆直流发电机和一台带动水泵的电动机，证明了远距离输电的现实性 1874年，俄国皮罗茨基在彼得堡架设了输送功率4.5kW的直流输电线路，距离为500m，后增至1000m。1876年，又利用铁路轨道输送了3.6km，后来被用于有轨电车牵引,电力初期发展,1882年，法国德普勒架设首条57km直流试验线路，采用4.5mm电报线，首端电压1343V，末端850V，输送功率不到200W，损耗78%，把米斯巴赫水电站直流发电机发出的电力送到慕尼黑国际博览会 1883年，德普勒从法国南部比塞尔到格勒诺布尔进行14km输

4、电试验，输送功率1.1kW 1885年，采用6000V高压直流发电机从瓦利尔输电到巴黎，56km，损耗55%,电力初期发展,1882年10月，英国霍普金森（J. Hopkinson）发明直流输电三线制系统，外线到中线110V，两外线之间220V。后来扩展到五线制 由于高压大容量直流发电机的制造技术问题，远距离输电所需的高电压不可能直接从直流电机直接获得。19世纪末，法国芳建在送端串联多台直流发电机提高输电电压，将75kW电力输送75km ，效率50%,电力初期发展,20世纪初，瑞典瑟雷在各台串联的直流发电机上装上短路器，使任意发电机投切不停电，该系统在其后20多年中建成了15条直流输电线路，规

5、模最大的是1906年投运的从法国慕吉水电站到里昂180km、57kV、4700kW线路，1927年改建为260km、125kV、19000kW，多接入两座水电站 当时直流输电装置和运行方式复杂、造价高、可靠性差，很快被竞争的三相交流取代,电力初期发展,英国法拉第（M. Faraday,1791-1867）电磁感应实验中，两个绕在铁芯上的线圈，但断开或接通一个线圈中的电流时在另一个线圈上感应有电压，这实际上是变压器的雏形 美国亨利（J. Henry,1797-1878）用多匝线圈作为原边，用少匝线圈作副边，使高电压感应出低电压 1876年，俄国亚布洛契科夫发明了单相变压器，用于照明,电力初期发展

6、,1883年，法国高拉德(L. Gauland)和英国吉布斯（J. D. Gribbs）将多台变压器原边串联在输电线路中，当副边接入的电弧灯盏数变化时，输电电压会受到干扰 1883年，美国特斯拉研制感应电机 1885年，匈牙利吉伯纳基斯、贝利、波拉其共同设计多台变压器并联连接方式 美国威斯汀豪斯（G. Westinghouse，1846-1914）预见交流输电是发展方向，开始了交流输电工业尝试,交直流输电的电力战争,19世纪80年代到90年代，围绕交直流输电问题爆发了“交直流之战” 爱迪生、凯尔文等主张大力推广直流电，极力反对交流电。首先，他们认为当负荷波动很大时，采用直流电效率更高。当时主要

7、供给照明，交流1度电煤耗9.072kg，而直流是4.536kg；其次，他们认为交流电具有很大的危险性，1889年5月购买威斯汀豪斯3台交流发电机，然后卖给监狱执行罪犯威廉.凯姆勒死刑,交直流输电的电力战争,威斯汀豪斯、特斯拉（N. Tesla）积极主张发展交流电。他们认为交流电的输电效率更高，可以通过变压器升压和降压，高压输电可以减少电能损失。交流发电机制造业发展为交流发电方式做了充分准备 1886年，威斯汀豪斯在美国麻省大巴林顿，进行1200m、3kV交流输电示范 1886年，威斯汀豪斯在意大利建成17mile、2kV高压输电线路,交直流输电的电力战争,1888年，俄国多布罗夫斯基发明三相交

8、流制和三相异步电动机 1891年8月，威斯汀豪斯建成170km供国际展览会用的从法国劳芬到德国法兰克福的世界第一条交流输电线路，劳芬水电站安装一台230kVA、95V、40Hz三相交流发电机和一台200kVA、95/15200V升压变压器，法兰克福建有两座13800/112V降压变电站，一座供展览会照明，另一座供100hp三相异步电动机用电，供9m高人工瀑布离心泵,高压交流输电发展,输电技术的发展就是增大输电功率、输电距离，减少损失，因此关键是提高电压 1898年，采用针式绝缘子，美国加利福尼亚33kV、120km线路 1906年，休伊特、巴克发明悬式绝缘子，美国建成110kV高压输电线路 1

9、912年，皮克、怀特海、沙特林、米特开维奇、高列夫发现电晕临界电压与导线直径成比例增加，铝线或钢芯铝线开始应用，美国建成154kV高压输电线路,高压交流输电发展,1923年，均压环技术应用，美国建成220kV线路 1936年美国287kV、430km线路投运 1952年，瑞典首先建成380kV、940km、采用分裂导线的超高压线路 1956年，苏联400kV、890km双回投运；1959年，该线路升压到500kV 1965年，加拿大735kV建成 1969年，美国765kV线路并入AEP电网,高压交流输电发展,1985年，苏联1150kV、510km投运。苏联解体后降压至500kV运行。,中国

10、高压交流输电发展,高压直流输电,1954年，瑞典本土与哥特兰岛之间建成世界第一个工业直流输电工程，海底电缆，100kV，96km，2万千瓦，采用汞弧阀换流 1970年，瑞典本土与哥特兰岛工程扩建了50kV、1万千瓦晶闸管换流阀试验工程 1972年，世界上第一个采用晶闸管换流阀的背靠背工程在加拿大投运,中国高压直流输电,1987年12月，舟山直流工程，宁波至舟山，12km海底电缆+42km架空线路， 100kV，六脉冲换流阀 1989年，葛-沪直流工程，宜昌宋家坝至上海南桥， 500kV，1045.7km 2010年6月，云广直流工程投运，1438km， 800kV ，输送容量 500 万千瓦,

11、进一步阅读：电力发展史,黄晞. 中国近现代电力技术发展史. 山东教育出版社. 2006 Jill Jonnes(美). 光电帝国. 中信出版社. 2006 W. C. Dampier(英). 科学史及其与哲学和宗教的关系. 广西师范大学出版社，2009,三相交流输电的优点,易于产生旋转磁场 瞬时功率不随时间变化而保持恒定 输电线路所用导线量少 因此，除了室内配电等小功率供电时采用单相交流方式外，其他场合都采用三相交流输电,Ua,Ub,Uc,每根导线的输电功率,所需导线量,电力系统的形成与发展,S,S,S,S,电力系统基本概念,电力网：由变电所和不同电压等级输电线路组成的网络。 电力系统：由发电

12、机、变压器、输电线路以及用电设备（或发电厂、变电所、输配电线路以及用户），按照一定的规律连接而组成的统一整体。 发电厂：生成电能 变电所：变换和分配电能 输配电线路：输送电能 用户：消费电能 动力系统：在电力系统的基础上，把发电厂的动力部分（例如火力发电厂的锅炉、汽轮机和水力发电厂的水库、水轮机以及核动力发电厂的反应堆等）包含在内的系统。,电力系统基本概念,电力系统基本概念,电力系统基本概念,电力网：按电压等级的高低、供电范围的大小的分类 地方电力网：电压等级在35kV及以下，供电半径在2050km以内 区域电力网：电压等级在35kV以上（一般为110kV220kV），供电半径超过50km，联

13、系较多发电厂的网络 超高压远距离输电网：电压等级为330kV500kV的网络，其主要任务是把远处发电厂生产的电能输送到负荷中心，同时还联系若干区域电力网形成跨省、跨地区的大型电力系统,电力系统基本概念,变电站（变电所）： 枢纽变电站、中间变电站、地区变电站、终端电站站 升压变电站、降压变电站 1000kV变电站、500kV变电站、220kV变电站、 110kV变电站、 35kV变电站、 10kV变电站,为什么要联成大电网？,提高供电可靠性； 减少装机容量； 减少备用容量； 合理利用能源，发挥水电作用； 采用大容量发电机组； 提高运行经济性；,电力系统基本概念,电力系统的特点,1、电能不能大量存

14、储 电能的生产、变换、输送、分配和使用是同时进行的。 P发 P用P 频率f Q发 Q用Q 电压V,原动机驱动转矩 负荷制动转矩,发电机转轴,电力系统的特点,电力系统的负荷时刻处于变化之中，电力系统的参数也处于变化之中，因此，功率平衡关系式是动态平衡关系式。 P发 P用P 频率f Q发 Q用Q 电压V 保证功率平衡是最根本的任务。 电力系统的稳态与暂态的基本概念,电力系统的特点,2、电力系统过渡过程十分短暂 控制操作自动化程度高。 必须借助自动装置对电力系统进行控制： 继电保护装置、远动装置 减载装置、同期装置、励磁装置、,电力系统的特点,3、电能生产与国民经济各部门和人民生活有着极为密切的关系

15、 对社会政治经济影响巨大 负荷分类： 一类负荷 二类负荷 三类负荷,电力系统的特点,4、电力系统的地区性特点较强 发展各具特色。 电力系统的规划设计、运行等不能盲目搬用其它系统的经验,对电力系统的要求,1、保证供电可靠 （有） 2、保证良好的电能质量 （好） 3、提高电力系统运行经济性 （费用低） Exa：一台600MW火电机组，年利用小时6000h，煤耗率320g/kW.h，煤价：300元/吨。 Sol：年发电量：600000kW6000h36亿kW.h 需标煤：36亿kW.h320g/kW.h115.2万吨标煤 燃料费：115.2万吨300元/吨34560万元 1%节约：燃料：1.152万

16、吨标煤 燃料费：345.6万元,电能的质量指标,电能的质量指标主要包括：电压、频率、波形 电压： 必要性：,图1-3 照明负荷（白炽灯）的电压特性 图1-4 异步电动机的电压特性 （图中的100%表示额定值） （图中的100%表示额定值）,电能的质量指标,电压质量标准：,电能的质量指标,频率： 额定频率：50Hz（国外：50 或 60Hz） 频率偏差：0.2Hz（3000MW系统） 0.5Hz（3000MW系统） 国外：(0.10.2)Hz 或 0.5Hz 电钟时偏：30s（3000MW系统） 1min（3000MW系统） 波形： 质量标准：正弦波电压和电流 谐波的危害与抑制,进一步阅读资料,

17、GB/T 1980-1966 标准频率 GB 12325-1990 电能质量 供电电压允许偏差 GB 12326-2000 电能质量 电压波动和闪变 GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波 GB/T 15543-1995 电能质量 三相电压允许不平衡度 GB/T 15945-1995 电能质量 电力系统频率允许偏差,电力系统的电压等级,包括电力系统的额定电压和最高电压以及电气设备的额定电压和最高电压。 电力系统的额定电压：由国家根据技术经济条件规定的电压等级标准，又称电力网的额定电压或线路的额定电压。 电力系统的最高电压：电力系统正常运行时，在任何时间系统中任何一点上所出现的电

18、压最高值。 电气设备的额定电压：电气设备制造厂根据所规定的电气设备工作条件而确定的电压。 电气设备的最高电压：考虑到设备的绝缘性能和与最高电压有关的其它性能（如变压器的激磁电流及电容器的损耗等）所确定的允许最高运行电压，其数值等于所在电力系统的最高电压值。,电力系统额定电压,1. 低于3kV系统的额定电压 低于3kV交流三相/单相电力系统额定电压和电气设备额定电压,注：受电设备的额定电压电力系统的额定电压。 直流系统的额定电压： 100V以下的额定电压，受电设备与供电设备相同。 对受电设备为110V、220V和440V的直流系统，供电设备的额定电压分别为115V、230V和460V。,电力系统

19、额定电压,2. 3kV及以上系统的额定电压,用电设备的额定电压 系统的额定电压Ue 发电机的额定电压 105% Ue 变压器一次绕组 相当 于用电设备 Ue 变压器二次绕组 相当 于发电设备110% Ue 特例1： 变压器一次绕组105% Ue 特例2： 变压器二次绕组105% Ue,电力系统基本概念,进一步阅读资料,GB 156-1993 标准电压 GB/T 762-1996 标准电流,电压等级的选择,S = 3U2I I （U1U2）/Z 传输功率S、电压等级U、输电距离l之间的关系 SConst， l U2 lConst， S U2,输电电压的确定,1、斯蒂尔（A. Still）公式 不

20、适合输电距离极小和长距离的情况 2、固有负荷法或SIL(Surge Impedance Loading) Z为波阻抗，适合400km以上的长距离输电,接地,接地： 为了保证电力网或电气设备的正常运行和工作人员的人身安全，人为地使电力网及其某个设备的某一特定地点通过导体与大地作良好的连接。 接地分类： 工作接地：为了保证电气设备在正常或发生故障情况下可靠地工作而采取的接地。 保护接地：将一切正常工作时不带电而在绝缘损坏时可能带电的金属部分接地，以保证工作人员接触时的安全。 保护接零：在中性点直接接地的低压电力网中，把电气设备的外壳与接地中性线（也称零线）直接连接，以实现对人 身安全的保护作用。

21、防雷接地：为消除大气过电压对电气设备的威胁，而对过电压保护装置采取的接地措施。 防静电接地：对生产过程中有可能积蓄电荷的设备所采取的接地。,电力系统中性点接地,如何实现工作接地 ？ 电气设备（电力变压器、电压互感器或发电机）的中性点接地 又称为电力系统中性点接地。 电力系统的中性点：星形连接的变压器或发电机的中性点。 电力系统的中性点接地方式： 小电流接地： 中性点不接地（中性点绝缘） 中性点经消弧线圈接地 大接地电流： 中性点直接接地 中性点经电阻接地 如何确定电力系统中性点接地方式 ？ 应从供电可靠性、内过电压、对通信线路的干扰、继电保护以及确保人身安全诸方面综合考虑。,中性点不接地的电力

22、系统,适用范围 3kV60kV的电力系统 正常运行时,UAUBUC0 IAIBIC0 三相电压对称，三相导线对地电容电流也是对称的，三相电容电流相量之和为零，这说明没有电容电流经过大地流动。,中性点不接地的电力系统,单相金属性接地故障时(A相),中性点不接地的电力系统,结论： 1、 故障相对地电压降为零；非故障相对地电压升高为线电压，且相位相差600。因此，线路及各种电气设备的绝缘要按线电压设计，绝缘投资所占比重加大，显而易见，电压等级越高绝缘投资越大。 2、三相之间的线电压仍然对称，用户的三相用电设备仍能照常运行，但允许继续运行的时间不能超过2h。,中性点不接地的电力系统,接地故障电容电流I

23、PE,中性点不接地的电力系统,结论：接地电流在故障处可能产生稳定的或间歇性的电弧。 如果接地电流大于30A时，将形成稳定电弧，成为持续性电弧接地，这将烧毁电气设备和可能引起多相相间短路。 如果接地电流大于5A10A，而小于30A，则有可能形成间歇性电弧；间歇性电弧容易引起弧光接地过电压，其幅值可达（2.53）U，将危害整个电网的绝缘安全。 如果接地电流在5A以下，当电流经过零值时，电弧就会自然熄灭。,中性点经消弧线圈接地的电力系统,消弧线圈：安装在变压器或发电机中性点与大地之间的具有气隙铁芯的电抗器。,中性点经消弧线圈接地的电力系统,C相发生接地时，中性点电压变为-UC ，在消弧线圈作用下，产生电感电流（滞后90），其数值为 ILUC / XLU / XL,消弧线圈的作用 当发生单相接地故障时，接地故障相与消弧线圈构成了另一个回路，接地故障相接地电流中增加了一个感性电流，它和装设消弧线圈前的容性电流的方向刚好相反，相互补偿，减少了接地故障点