第一章-绪论2011PPT课件

1、遵守规则，关爱生命 上课请关闭手机 1 电气工程基础II 华中科技大学电力工程系 罗 毅 2 教学目的 建立电力系统整体概念； 掌握电力系统“发电-输电-配电-用电”各个 环节的构成和工作原理； 通过本课程的学习，具备基本的电力工业背 景知识，为后续专业课的学习奠定基础，也 为学生从事电力系统相关行业的工作打下必 要的基础。 3 主要教学参考书 熊信银. 电气工程基础. 华中科技大学出 版社，2010 4 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 5 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

2、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； 了解电力系统发展历史、现状和前景。 6 电力发展简史 时间时间事事 件件 1873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

3、来被用于有轨电车牵 引 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输电 试验，输送功率1.1kW 7 电力发展简史 时间时间事事 件件 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% 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 19世纪末由于高压大容

4、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。 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% 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 8 电力发展简史 时间时间事事 件件 英国法拉第（M. Faraday,1791-1867）电磁感应实验中， 两个绕在铁芯上的

5、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 1883年美国特斯拉研制感应电机 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 9 电力发展简史 时间时间事事 件件 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 1885年匈牙利吉伯纳基

6、斯、贝利、波拉其共同设计多台变压 器并联连接方式 19世纪80年代到90 年代 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。围 绕交直流输电问题爆发了“交直流之战” 1889年5月爱迪生、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 10 电力发展简史 时间时间事事 件件

7、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 1888年俄国多布罗夫斯基发明三相交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、95/152

8、00V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 11 电力发展简史 时间时间事事 件件 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 1912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 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 输电技术的发展就

9、是增大输电功率、输电距离，减少损失，因此 关键是提高电压 12 电力发展简史 时间时间事事 件件 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 1985年苏联1150kV、510km投运。苏联解体后降压至500kV 运行 13 中国高压交流输电发展 年份年份电压等级电压等级线路长度线路长度地点地点 191223kV34km云南石龙坝至昆明 192133kV20km北京石景山至市区 192444kV64.5km

10、奉天至辽阳 193466kV大连甘井子至天之川 194177kV45km天津第一发电厂至塘沽 1941220kV东北水丰水电厂至鞍山 1942110kV192km镜泊湖水电厂至延边 1972330kV534km刘家峡水电站至陕西汉中 1981500kV595km平顶山姚孟电厂至武昌 20091000kV640km山西晋东南经南阳到荆门 14 高压直流输电简史 时间时间事事 件件 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

11、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 15 中国高压直流输电简史 时间时间事事 件件 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 16 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

12、宗教的关系. 广西师范大学出版社，2009 17 单线图 单线图：采用一根线表示对称三相 18 电力系统的形成与发展 SS SS 19 电力系统基本概念电力系统基本概念 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。 20 电力系

13、统基本概念电力系统基本概念 水库 G M M 电力网 电力系统 动力系统 发电厂 水轮机 发电机 变电所 升压变压器 输电线路 变电所 降压变压器 用户 用电设备 21 电力系统基本概念电力系统基本概念 超高压远距 离输电网 地方电力网 区域电力网 110 kV 35kV 35kV 500kV220kV110kV10 kV 水力发电厂火力发电厂 变电所A：枢纽变电所C：地方 变电所D：终端 变电所B： 中间 22 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

14、等 级 在 3 5 k V 以 上 （ 一 般 为 110kV220kV），供电半径超过50km，联系较多发电厂 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 23 电力系统基本概念电力系统基本概念 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 24 为什么要联成大电网？ 提高供电可靠性； 减少装机容量；

15、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； 25 电力系统基本概念电力系统基本概念 超高压远距 离输电网 地方电力网 区域电力网 110 kV 35kV 35kV 500kV220kV110kV10 kV 水力发电厂火力发电厂 变电所A：枢纽变电所C：地方 变电所D：终端 变电所B： 中间 26 电力系统的特点 1、电能不能大量存储 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 27 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

16、， 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。 28 电力系统的稳态与暂态的基本概念 电力系统稳态：在电力系统运行的某一 段时间内，如果运行参数只在某一恒定 的平均值附近发生微小的变化，称这种 运行状态为稳态 稳态包括正常稳态、故障稳态和故障后 稳态 电力系统暂态：电力系统从一种运行状 态到另一种运行状态的过渡过程 29 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、 30 电力系统的特点 3、电能生产与国民

17、经济各部门和人民生活 有着极为密切的关系 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 31 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 32 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

18、吨300元/吨34560万元 1%节约：燃料：1.152万吨标煤 燃料费：345.6万元 33 电能的质量指标电能的质量指标 电能的质量指标主要包括：电压、频率、波形 电压： 必要性： 140 120 100 80 60 80 90 100 110 120 寿 命 光通量发光效率 电 流 电压/% 寿命 光通量 发光效率 电流/% 140 120 100 80 60 80 90 100 110 120 电压/% 效率 cos 电流/% 电 流 效 率 cos 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） 34

19、 电能的质量指标电能的质量指标 电压质量标准： 名 称允许限值说 明 供电电 压允许 偏差 35kV 及以上为正负偏差绝对值 之和不超过 10%； 10kV 及以下三相供电为7%； 220V 单相供电为+7%，-10% 衡量点为供用电产权分界处或电能计量点 电压允 许波动 和闪变 1电电压压波波动动： 10kV 及以下 2.5%; 35kV110kV 为 2%； 220kV 及以上 1.6% 2闪闪变变 V10： 对照明要求较高,0.4%(推荐值); 一般照明负荷,0.6%(推荐值) 衡量点为电网公共连接点(PCC)，取实 测 95%概率值； 给出闪变电压限值和频度的关系曲线， 可以根据电压波

20、动曲线查得允许值，并 给出算例； 对测量方法和测量仪器作出基本规定 三相供 电电压 允许不 平衡度 正常允许 2%，短时不超过 4%； 每个用户一般不得超过 1.3% 各级电压要求一样； 衡量点为 PCC，取实测 95%概率值或 日累计超标不超过 72min，且每 30min 中超标不超过 5min； 对测量方法和测量仪器作出规定； 提供不平衡度算法 35 电能的质量指标电能的质量指标 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）

21、 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 36 进一步阅读资料 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 37 电力系统的电压等级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

22、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。 38 39 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 变 压 器 额 定 电 压 /kV 电 力 系 统 额 定 电 压 /k

23、V 发 电 机 额 定 电 压 /kV 一 次 绕 组二 次 绕 组 0.22/0.1270.230.22/0.1270.23/0.133 0.38/0.220.400.38/0.220.40/0.23 0.66/0.380.690.66/0.380.69/0.40 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。 40 电力系统额定电压 2. 3kV及以上系统的额定电压 电力变压器额定电压电力变压器额定电压/kV电力系统电力系统 额定电压额定电压 /kV 发电机发电机 额定电压额定电压 /kV 一次绕组一次绕组二次绕组二次绕组 电气设备电气设备 最高电压最高电压 /kV 33.153 及 3.153.15 及 3.33.