电气工程基础华中科技大学版本绪论课件

1、电气工程基础华中科技大学版本绪论课件电气工程基础电力工程系罗 毅 电气工程基础华中科技大学版本绪论课件教学目的 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、检修工作电气工程基础华中科技大学版本绪论课件课程衔接 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、高电压技术电气工程基础华中科技大学版本绪论课件本学期计划学时安排章学时章学时章学时章学时142223444252667884

2、961042114124132142152总学时：课内56学时；课外实验8学时电气工程基础华中科技大学版本绪论课件第一章主要内容 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。电气工程基础华中科技大学版本绪论课件第一章学习难点 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

3、设备额定电压的规定； 各种不同的中性点接地方式的特点；电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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。电气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力初期发展 对电力的认识和应用从直流开始 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500

4、m，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气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力初期发展 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%电气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力初期发展 1882年10月，英国霍普金森（J. Hop

5、kinson）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%电气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力初期发展 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、190

6、00kW，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气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力初期发展 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，用于照明电气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力初期发展 1883年，法国高拉德(L. Gauland)和英国吉布斯（J.

7、 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电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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。当时主要供给照明，交流1度电煤耗9.07

8、2kg，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.凯姆勒死刑电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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高压输电线路电气工程基础华中科技大学版本绪论课件交直流输电的电力战争 1

9、888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、95/15200V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高人工瀑布离心泵电气工程基础华中科技大学版本绪论课件高压交流输电发展 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 19

10、06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高压输电线路电气工程基础华中科技大学版本绪论课件高压交流输电发展 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

11、电气工程基础华中科技大学版本绪论课件高压交流输电发展 1985年，苏联1150kV、510km投运。苏联解体后降压至500kV运行。电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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

12、姚孟电厂至武昌20091000kV640km山西晋东南经南阳到荆门电气工程基础华中科技大学版本绪论课件高压直流输电 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电气工程基础华中科技大学版本绪论课件中国高压直流输电 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， 5

13、00kV，1045.7km 2010年6月，云广直流工程云广直流工程投运，投运，1438km， 800kV ，输送容量 500 万千瓦电气工程基础华中科技大学版本绪论课件进一步阅读：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 电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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

14、，其他场合都采用三相交流输电)240sin()120sin()(inUocobatUUtUUtUsUaUbUc电气工程基础华中科技大学版本绪论课件每根导线的输电功率输电方式输电方式输电功率输电功率每根导线输电功率每根导线输电功率比率（比率（cos =1）直流二线制100单相二线制100二相三线制94三相三线制115三相四线制87四相四线制100对称n相n线制（n为偶数）100UI2UIUIcos2UIcosUIcos23UIcos2UIcos33UIcos3UIcos34UIcos324UIcos2UIcos2UIcos2nUIcos电气工程基础华中科技大学版本绪论课件所需导线量输电方式输电方

15、式输电功率输电功率P，输电损失，输电损失P1导线全截面导线全截面单相二线制三相三线制对称n相n线制（n为偶数）RIP212UIcosPRIPP213UIcos32nUIcosP2212cosUP4S2Pl2212cosUP3S3Pl2212cosUP4nSPl电气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力系统的形成与发展SSSS电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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：

16、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。电气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力系统基本概念电力系统基本概念水库GMM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电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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110kV35kV35kV500kV220kV110kV10 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

17、D：终端变电所B：中间电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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 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电气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力系统基本概念电力系统基本概念 变电站（变电所）：

18、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变电站电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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；电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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110kV35kV35kV500kV220kV110kV10 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

19、间电气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力系统的特点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电气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力系统的特点 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气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力系统的特点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：

20、 继电保护装置、远动装置 减载装置、同期装置、励磁装置、电气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力系统的特点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 对社会政治经济影响巨大负荷分类： 一类负荷 二类负荷 三类负荷电气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力系统的特点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电气工程基础华中科技大学版本绪论课件对电力系统的要求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

21、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：1.152万吨标煤燃料费：345.6万元电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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：140120100806080 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/%140120100806080 90 100 110 120电压/%效率cos电流/%电流效率cos图1-3 照明负荷（白

22、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）电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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%(

23、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； 提供不平衡度算法电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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（3

24、000MW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 谐波的危害与抑制电气工程基础华中科技大学版本绪论课件进一步阅读资料 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电气工程

25、基础华中科技大学版本绪论课件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。电气工程基础华中科技大学版本绪论课

26、件电气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力系统额定电压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 /kV发 电 机 额 定电 压 /kV一 次 绕 组二 次 绕 组0.22/0.1270.230.22/0.1270.23/0.1330.38/0.220.400.38/0.220.40/0.230.66/0.380.690.66/0.380.69/0.40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110

27、V、220V和440V的直流系统，供电设备的额定电压分别为115V、230V和460V。电气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力系统额定电压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/kV33.153 及 3.153.15 及 3.33.666.306 及 6.306.3 及 6.67.21010.5010 及 10.510.5 及 11.012-13.8013.80-15.7515.75-18.018.0-2020.020.0

28、-24-22.022.0-24.024.0-353538.540.560606672.5110110121126220220242252330330363363500500550550750-800 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电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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110kV35kV35kV500kV2

29、20kV110kV10 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：中间电气工程基础华中科技大学版本绪论课件进一步阅读资料 GB 156-1993 标准电压 GB/T 762-1996 标准电流电气工程基础华中科技大学版本绪论课件电压等级的选择U1I U2SZS = 3U2II （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电气工程基础华中科技大学版本绪论课件输电电压的确定1、斯蒂尔（A. Still）公式 不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

30、Loading) Z为波阻抗，适合400km以上的长距离输电PLU01. 06 . 05 . 5ZUP2电气工程基础华中科技大学版本绪论课件接地接地 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。 防雷接地

31、：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。电气工程基础华中科技大学版本绪论课件电力系统中性点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

32、人身安全诸方面综合考虑。电气工程基础华中科技大学版本绪论课件中性点不接地的电力系统 适用范围 3kV60kV的电力系统 正常运行时负荷ABCCCCIACa. 电路图UAUBUC0IAIBIC0 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。0UAUBUCIB0IC0IA0b. 矢量图电气工程基础华中科技大学版本绪论课件中性点不接地的电力系统 单相金属性接地故障时(A相)ICAICAICBICBICCICCIPECAACCBAABBAAAUUUUUUUUUUU)()(0)(0UBUAUC60-UA UCUB -UA ICBICC-ICA负

33、荷ABCCCCUAUBUC电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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。CAACCBAABBAAAUUUUUUUUUUU)()(0)(0UBUAUC60-UA UCUB -UA ICBICC-ICA电气工程基础华中科技大学版本绪论课件中性点不接地的电力系统 接地故障电容电流IPECAACCBAABBAAA

34、UUUUUUUUUUU)()(0)(0UBUAUC60-UA UCUB -UA ICBICC-ICA603jBCBCBeUCjXUIBCCCCUCjXUI3303)(jBCCCBPEeUCIIICUICO 容电流：正常运行时每相对地电COPEICUI33 接地故障电流绝对值：电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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。350/)35( NPEUlcablohI式：接地电流的经验计算公电气工程基础华中科技大学版本绪论课件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。0UAUBUC-UCUAUBILICICAICB负荷ABCCCCILICICCICBICAICCICBICAIPEL电气工程基础华中科技大学版本绪论课件中性点经消