电气工程基础

电气工程基础第1页/共69页1.1电力系统的基本概念

一、电力系统的形成1.电力系统:是指完成电能生产、输送、分配和消费的统一整体。图1-1从发电厂到用户的送电过程第2页/共69页图1-2电力系统示意图工业企业供电系统第3页/共69页

通常将220kV及以上的电力线路称为输电线路，110kV及以下的电力线路称为配电线路。配电线路又分为高压配电线路（110kV）、中压配电线路（6～35kV）和低压配电线路（380/220V）。地方电力网：电压为110kV以下的电力网（如35kV、10kV等）区域电力网：电压为110kV以上的电力网（如220kV）超高压远距离输电网：电压为330～500kV及以上的电力网发电厂：生产电能，将一次能源转换成二次能源（电能），分为火、水、核、风、太阳、地热等发电厂。电力网：由不同电压等级的输电线路和变压器组成，可分为地方电力网、区域电力网及超高压远距离输电网三种类型。110kV属于地方网还是区域网，要视其在电力系统中的作用而定第4页/共69页

二、建立大型电力系统的优点1．可以减少系统的总装机容量。2．可以减少系统的备用容量。3．可以提高供电可靠性。4．可以安装大容量的机组。5．可以合理利用动力资源，提高系统运行的经济性。

目前，我国电力系统已形成东北、华北、华东、华中、西北、南方共6个跨省电网，由两大集团分别管理。第5页/共69页第6页/共69页2.年发电量：指系统中所有发电机组全年发出电能的总和，以兆瓦时（MW·）h、吉瓦时（GW·）h、太瓦时（TW·h）计。3.最大负荷：指规定时间内电力系统总有功功率负荷的最大值，以兆瓦（MW）、吉瓦（GW）计。4.额定频率：50Hz1MW·h=103kW·h（千度），1GW·h=103MW·h（100万度）1TW·h=103GW·h（10亿度），1kW·h=1度三、电力系统的基本参量1.总装机容量：指系统中所有机组额定有功功率的总和，以兆瓦（MW）、吉瓦（GW）计。1GW=103MW（10万千瓦）1MW=103kW（1000千瓦）第7页/共69页

四、电力系统的特点1．电能不能大量储存。2．电力系统的过渡过程十分短暂。3．与国民经济各部门的关系密切。1．保证供电的可靠性。2．保证良好的电能质量。

五、对电力系统的基本要求3．为用户提供充足的电能。4．提高电力系统运行的经济性。第8页/共69页1.2发电厂和变电所的类型

一、发电厂的类型（1）火电厂的燃料：煤炭、石油、天然气等。（2）能量转换过程：燃料的化学能→热能→机械能→电能。（3）火电厂的组成：燃烧系统（锅炉）：燃料→灰渣，风（空气）→烟气电力系统：发电机、变压器、输电线路等。（4）火电厂的生产过程（见图1-3）汽水系统（汽轮机）：水蒸汽、循环水（冷水热水）1．火力发电厂第9页/共69页图1-3凝气式火电厂生产过程示意图

第10页/共69页（5）火电厂是我国目前最主要的电源，比例大于75%。（6）火力发电存在的问题（7）今后火电建设的重点采用高参数、大容量、高效率的设备。开发清洁煤燃烧发电、天然气蒸汽联合循环发电。鼓励热电联产。加强煤炭基地的矿口电厂建设。安全问题：采矿和运输中的安全性灾难等。环境问题：酸雨、温室效应、可吸入颗粒物等。效率问题：凝汽式火电厂效率为40%，热电厂为60%~70%。第11页/共69页

江苏谏壁发电厂始建于1959年，于1987年9月全部建成，共安装10台机组，总容量162.5万千瓦，年发电量在100亿度左右，成为80年代末到90年代初国内最大的火力发电厂。第12页/共69页

浙江北仑发电厂是我国目前最大的现代化火力发电厂，总装机容量为300万千瓦(5×600MW)，工程于1988年1月正式开工建设，2000年9月全部建成发电。年发电量167亿度，为浙江省各类发电厂发电总量的四分之一，其中两台机组的发电量就能满足宁波市全部用电所需。第13页/共69页北仑发电厂主控制室北仑发电厂汽轮机房第14页/共69页

张家口发电总厂成立于1988年8月，由下花园发电厂和沙岭子发电厂合并而成，位于张家口市东南14km，距首都北京170km，距煤都大同180km。发电厂总装机容量240万千瓦（8×300MW），通过500kV双回线向北京供电，同时兼顾地方用电，担负着北京地区1/4电力负荷的供电任务。张家口发电总厂夜景厂区景色汽轮机房第15页/共69页（1）水电厂的能量转换过程：水的位能→机械能→电能。（2）水电厂的总发电功率：

（3）水电厂的分类堤坝式水电厂引水式水电厂抽水蓄能电站坝后式：如三门峡、刘家峡、丹江口、三峡水电站河床式：如葛洲坝水电站2．水力发电厂第16页/共69页图1-4堤坝式水电厂生产过程示意图（4）水电厂的组成：水库、水轮机、电力系统第17页/共69页（5）水电厂是我国目前最重要的电源之一，比例大于10%。

葛洲坝水电站

南美伊泰普水电站

长江三峡水电站

广州抽水蓄能电站（6）水力发电的优点是最干净的能源之一。是最廉价的能源之一：无需燃料、无环境污染、生产效率高、发电成本低、运行维护简单。综合水利工程：可同时解决发电、防洪、灌溉、航运、水产养殖等问题。特殊的水电厂：抽水蓄能电厂，起“削峰填谷”作用。第18页/共69页葛洲坝27孔泄洪闸葛洲坝水电站

葛洲坝水电站是长江干流上修建的第一座大型水电工程，是三峡工程的反调节和航运梯级。电站始建于1970年，共有机21台机组，总装机容量271.5万千瓦，年发电量157亿度。电站以500kV和220kV输电线路并入华中电网，并通过500kV直流输电线路向距离1000km的上海输电120万千瓦。第19页/共69页

南美伊泰普水电站是二十世纪最大的水电站

，位于巴西和巴拉圭交界处的巴拉那河上，从1974年5月开始修建，于1991年5月竣工，由巴西与巴拉圭共建。总装机容量12.6GW（18×700MW），年发电量790亿度。水电站坝身长7.7公里，坝高196米（相当于65层楼的高度）。第20页/共69页

长江三峡水电站坝长2309m，坝高185m，水头175m，总库容393亿立方米，总装机容量18.2GW（26×700MW），年发电量86.5TW·h；库区将淹没耕地36万亩，淹没城镇129座，需安置迁移人口113万；电站于93年起步，首批机组于2003年10月发电，以后每年投产4台机组（280MW），2009年全部机组建成投产。三峡电站发出的强大电力将送往华中、华东地区和广东省。电站将引出15条超高压交流输电线路，其中3条线路通过换流站将交流电转换成直流电后，再通过500kＶ直流输电线路，2条送往华东、1条送往广东。第21页/共69页三期导流图三峡大坝模型

三峡大坝由多个功能模块组成，从左至右（面向下游）依次为永久船闸、升船机、泄沙通道（临时船闸）、左岸大坝及电站、泄洪坝段、右岸大坝及电站、山体地下电站等。升船机的最大提升高度为113米，供3000吨以下船只通过大坝，用时约40分钟；永久船闸是双线五级船闸，供3000吨以上船只从这里翻过大坝，用时约3小时。第22页/共69页三峡工程综合效益防洪：三峡水库正常蓄水位175米，总库容393亿立方米，防洪库容221.5亿立方米，能有效地控制长江上游洪水，保护长江中下游荆江地区1500万人口、2300万亩土地，是世界上防洪效益最为显著水利工程。发电：三峡水电站装机总容量为1820万kW，年均发电量847亿kW·h。以直线距离1000公里为半径，全国除辽宁、吉林、黑龙江、新疆、西藏、海南、台湾7省区外，其余地区的主要城市和工业基地都在这个范围内。航运：它将改善航运里程660公里，使重庆至宜昌航道通行的船队吨位由现在的3000吨级提高至万吨级，年单向通过能力由1000万吨提高到5000万吨。第23页/共69页三峡双线五级船闸

三峡船闸全长6.4公里，可通过万吨级船队，单向年通过能力5000万吨。船闸主体段闸首和闸室分南北两线，每线船闸主体段由6个闸首和5个闸室组成，每个闸室长280米、宽34米。而船闸人字门是名副其实的“天下第一门”，单扇门宽20.2米，高38.5米，厚度3米，面积有两个篮球场那么大，重达850多吨。第24页/共69页第25页/共69页

广州抽水蓄能电站为目前世界上最大的抽水蓄能电站，是为大亚湾核电站安全经济运行而建设的配套工程，同时还承担着广东、香港电网的调峰填谷和事故备用的任务。电站总装机总装机容量2.4GW（8×300MW），分两期建设，每期4台，设计水头535m，电站一期工程于1989年5月25日开工且1993年6月29日1号机投产，二期工程于1994年9月12日开工，至2000年3月14日8号机投产。第26页/共69页（7）水力发电存在的问题建设问题：投资大、工期长，存在库区移民、淹没耕地、破坏人文景观、破坏自然生态平衡等问题。运行问题：发电量受气象、水文、季节水量变化的影响较大，分丰水期和枯水期，出力不稳定，增加电力系统运行的复杂性。

3.核电厂（1）核电厂的能量转换过程：核燃料的裂变能→热能→机械能→电能。（2）核电厂的组成：核反应堆、汽水系统（汽轮机）、电力系统第27页/共69页

（3）核反应堆的分类：轻水堆（包括沸水堆和压水堆）、重水堆和石墨冷气堆等。轻水堆核电厂的生产过程示意图如图1-5所示。轻水碓核电厂生产过程示意图a）沸水碓b）压水碓热力系统由单回路构成，有可能使汽轮机等设备受放射性污染由双回路系统构成，两个回路各自独立循环，不会造成设备的放射性污染第28页/共69页（4）核电厂是我国目前最重要的电源之一，比例大于10%。秦山核电站大亚湾核电站（5）核电迅速发展的原因核电是一种新型的巨大能源。煤、石油等火电燃料储量有限，不可再生。发达国家的水资源已基本殆尽。一些资源贫乏国家“能源危机”，不得不发展核电。（6）核能发电的优缺点节省大量煤炭、石油等燃料，避免燃料运输。不需空气助燃，可建在地下、水下、山洞或空气稀薄地区。第29页/共69页

秦山核电站位于东海之滨美丽富饶的杭州湾畔，是中国第一座依靠自己的力量设计、建造和运营管理的压水堆核电站，总装机容量2×300MW。1985年3月动工，1991年12月首次并网发电。它的建成使我国成为继美、英、法、前苏联、加拿大、瑞典之后世界上第七个能够自行设计、建造核电站的国家。第30页/共69页秦山核电站主控制室秦山核电站汽轮机房第31页/共69页

大亚湾核电站位于深圳市东部大亚湾畔，为我国目前最大的核电站。大亚湾核电站是我国引进国外资金、设备和技术建设的第一座大型商用核电站。核电站安装有两台单机容量为900MW的压水堆反应堆机组。1987年8月7日工程正式开工，1994年2月1日和5月6日两台机组先后投入商业营运。大亚湾核电站每年发电量超过100亿度，其中七成电力供应香港，三成电力供应广东电网。大亚湾核电站电站设备第32页/共69页比火电厂造价高，但发电成本低30%～50%，且规模越大越合算。存在问题：放射性污染。

4、其它新能源发电（1）太阳能发电：太阳光能或太阳热能→电能太阳能发电系统的组成：电池板、控制器和逆变器太阳能发电的优点是一种取之不尽、用之不竭的廉价能源。不需要燃料、生产成本低、不产生污染受季节、昼夜、地理和气象条件的影响较大。第33页/共69页太阳能光伏电源在西部地区应用广泛。（青海、新疆）我国的太阳能光伏发电产业于20世纪70年代起步，2007年底累计装机容量只有100MW。（2）风力发电：风力的动能→机械能→电能风力发电的优点西部地区的风能资源占全国的50%以上

。（青海、甘肃、新疆、内蒙、云南、西藏等）新疆达板城风电厂是一种取之不尽、用之不竭的自然能源。有一定的随机性和不稳定性，因此必须配有蓄能装置。第34页/共69页达板城风力发电厂装机容量7.23万千瓦，占全国的30%。第35页/共69页（3）地热发电：地热能→电能电能生产过程：与火电厂相似，用地热井取代锅炉设备。地热资源的开发利用在西部地区已取得了良好的效益。西藏羊八井电厂（4）潮汐发电：海水涨潮或落潮的动能或势能→电能。潮汐发电示意图江厦潮汐电站

法国郎斯潮汐电站我国正在运行发电的潮汐电站共有8座（浙江4座，山东、江苏、广西、福建各1座）第36页/共69页

羊八井电厂是我国最大的地热电厂，总装机容量为25.18MW，水温约150℃，担负拉萨地区50%的供电任务。电站由5眼地热井供水，单井产量为75～160立方米／小时。羊八井地热电厂

羊八井地热温泉第37页/共69页潮汐发电示意图第38页/共69页法国朗斯潮汐电站法国郎斯潮汐电站示意图

法国郎斯电站1967年建成，位于法国圣马洛湾郎斯河口。一道750米长的大坝横跨郎斯河。坝上是通行车辆的公路桥，坝下设置船闸、泄水闸和发电机房。郎斯潮汐电站机房中安装有24台双向涡轮发电机，涨潮、落潮都能发电。总装机容量24万千瓦，年发电量5亿多度，输入国家电网。第39页/共69页

江厦潮汐电站是中国第一座双向潮汐电站，位于浙江省温岭市乐清湾北端江厦港。1980年5月第一台机组投产发电。电站装有双向贯流式机组6台，总装机容量3200干瓦，年发电量600万度，可昼夜发电14～15小时

。规模仅次于法国郎斯潮汐电站、加拿大芬地湾安娜波利斯潮汐电站，居世界第三。第40页/共69页变电所：是变换电压和接受分配电能的场所。分为区域变电所、地区变电所和终端变电所等。配电所：只接受和分配电能，不变换电压。电力用户：消耗电能，将电能转换成其他形式能量。2．工业企业供电系统总降压变电所：将35～110kV的供电电压变换为6～10kV的高压配电电压，给厂区各车间变电所或高压电动机供电。区域变电所：电压等级高，变压器容量大，进出线回路数多，由大电网供电，高压侧电压为330～750kV，全所停电后，将引起整个系统解列甚至瓦解；地区变电所：由发电厂或区域变电所供电，高压侧电压为110～220kV，全所停电后，将使该地区中断供电；终端变电所：是电网的末端变电所，主要由地区变电所供电，其高压侧为35～110kV，全所停电后，将使用户中断供电。

二、变电所的类型配电所：只接受和分配电能，不变换电压。工厂供配电系统：由总降压变电所、高压配电线路、车间变电所、低压配电线路及用电设备组成。

第41页/共69页车间变电所：将6～10kV的电压降为380/220V，再通过车间低压配电线路，给车间用电设备供电。配电线路：分为厂区高压配电线路和车间低压配电线路。车间变电所可分为以下几种类型（图1-6）：附设式变电所（1~4）车间内变电所（5）独立变电所（7）露天变电所（6）地下变电所杆上变电所图1-6车间变电所的类型第42页/共69页用电设备的额定电压：与同级电网的额定电压相同。发电机的额定电压：比同级电网的额定电压高出5%，用于补偿线路上的电压损失。1.3电力系统的电压与电能质量

一、电力系统的额定电压电力网的额定电压：我国高压电网的额定电压等级有3kV、6kV、10kV、35kV、63kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV、1000kV等。第43页/共69页变压器的二次绕组：对于用电设备而言，相当于电源。变压器的额定电压我国公布的三相交流系统的额定电压见下表。变压器的一次绕组：相当于是用电设备，其额定电压应与电网的额定电压相同。注意：当变压器一次绕组直接与发电机相连时，其额定电压应与发电机的额定电压相同。当变压器二次侧供电线路较长时：应比同级电网额定电压高10%

当变压器二次侧供电线路较短时：应比同级电网额定电压高5%其中5%用于补偿变压器满载供电时一、二次绕组上的电压损失；另外5%用于补偿线路上的电压损失，用于35kV及以上线路。可以不考虑线路上的电压损失，只需要补偿满载时变压器绕组上的电压损失即可，用于10kV及以下线路。第44页/共69页分类电力网和用电设备的额定电压发电机额定电压电力变压器额定电压一次绕组二次绕组低压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高压33.153及3.153.15及3.366.36及6.36.3及6.61010.510及10.510.5及11—13.8，15.75，18，2013.8，15.75，18，20—35—3538.560—6066110—110121220—220242330—330363500—500550750—750—第45页/共69页~T1GT2110kV10kV6kVM发电机G的额定电压：UN·G=1.05×10=10.5（kV）变压器T1的额定电压：U1N=10.5（kV）

U2N=1.1×110=121（kV）变压器T1的变比为：10.5/121kV变压器T2的额定电压：U1N=110（kV）

U2N=1.05×6=6.3（kV）变压器T2的变比为：110/6.3kV例1-1已知下图所示系统中电网的额定电压，试确定发电机和变压器的额定电压。变压器T1的一次绕组与发电机直接相连，其一次侧的额定电压应与发电机的额定电压相同变压器T1的二次侧供电距离较长，其额定电压应比线路额定电压高10%变压器T2的二次侧供电距离较短，可不考虑线路上的电压损失第46页/共69页

二、电压等级的选择220kV及以上：用于大型电力系统的主干线。110kV：用于中小型电力系统的主干线。35kV：用于大型工业企业内部电力网。10kV：常用的高压配电电压，当6kV高压用电设备较多时，也可考虑用6kV配电。3kV：仅限于工业企业内部采用。380/220V：工业企业内部的低压配电电压。第47页/共69页三、电能质量电压偏差是指用电设备的实际电压与额定电压之差，用占额定电压的百分数来表示电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。频率偏差额定频率：50Hz允许偏差：正常允许偏差为±0.2Hz，当容量较小时可放宽到±0.5Hz

电压偏差1.电能质量的概念第48页/共69页电压偏差的危害白炽灯：电压低时，寿命延长，但发光效率降低，照度下降；电压高时，发光效率增加，但使用寿命大大缩短。

，电压低时，转矩将急剧减小，电流由于电动机：增大，使电动机绕组绝缘过热受损，缩短使用寿命。电压波动与闪变电压波动是指电网电压短时、快速的变动，用电压最大值与最小值之差对电网额定电压的百分比表示，即第49页/共69页电压波动产生的原因：是由负荷急剧变动引起的。

闪变是指人眼对因电压波动引起灯闪的一种主观感觉，引起灯闪的电压称为闪变电压。使电动机无法正常起动，引起同步电动机转子振动；使某些电子设备无法正常工作；使照明灯发生明显的闪烁现象等。电压波动的危害谐波

谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解后所得到的频率为基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波。第50页/共69页谐波产生的原因：是由于电力系统中存在各种非线性元件

。

波形畸变程度的几个特征量第h次谐波电压含有率：

第h次谐波电流含有率：谐波电压总含量：

谐波电流总含量：

电压总谐波畸变率：

电流总谐波畸变率：

第51页/共69页使变压器和电动机的铁芯损耗增加，引起局部过热，同时振动和噪声增大，缩短使用寿命；使线路的功率损耗和电能损耗增加，并有可能使电力线路出现电压谐振，产生过电压，击穿电气设备的绝缘；使电容器产生过负荷而影响其使用寿命；使继电保护及自动装置产生误动作；使变压器使计算电费用的感应式电能表的计量不准；对附近的通信线路产生信号干扰，使数据传输失真等。谐波的危害第52页/共69页三相不平衡

指三相系统中三相电压（或电流）的不平衡程度，用电压（或电流）负序分量有效值与正序分量有效值的百分比来表示，即使电动机产生一个反向转矩，降低输出转矩，同时的总电流增大，绕组温升增高，加速绝缘老化，缩短使用寿命。使变压器的容量得不到充分利用。使整流设备产生更多的高次谐波，进一步影响电能质量。使作用于负序电流的继电保护装置产生误动和拒动。产生三相电压不平衡的原因：三相负荷不对称。三相电压不平衡的危害第53页/共69页暂时过电压和瞬态过电压暂时过电压：包括工频过电压和谐振过电压，其特征为在其持续时间范围内无衰减或弱衰减；瞬态过电压：包括操作过电压和雷击过电压，其特征为振荡或非振荡衰减，且衰减很快，持续时间只有几毫秒或几十微秒。过电压的危害：使电力设备故障、影响电力安全运行。

过电压是指峰值电压超过系统正常运行的最高峰值电压时的工况。第54页/共69页2．电能质量控制技术电能质量的传统控制技术：控制频率偏差、电压偏差、三相电压不平衡以及保证供电的可靠性。频率偏差：依靠电力系统的一、二次调频。电压偏差：配置充足的无功功率电源；改变发电机端电压、变压器变比、线路参数等。三相电压不平衡：合理分配不对称负荷；将不对称负荷分散接于不同的供电点；采用高一级电压供电；加装三相平衡装置等。供电可靠性：加强对设备质量缺陷的检测；强化安全生产教育；提前做好电气设备的检修维护工作；加强二次设备的管理、维护；提高系统的运行管理水平等。第55页/共69页实施电网调度自动化、无功优化、负荷控制及许多新型调频、调压装置的开发和应用，减少频率和电压的偏差。加强城乡电网的建设和改造，提高电压质量。利用无源滤波器、静止无功补偿装置等，抑制谐波干扰、降低电压波动和闪变等。利用柔性交流输电技术，提高系统输电容量和提高暂态稳定性，对线路电压、阻抗、相位进行控制，实现控制潮流、阻尼振荡、提高系统稳定性。利用柔性配电技术，实现补偿谐波、抑制电压下跌等。电能质量的现代控制技术

第56页/共69页柔性交流输电技术：又称为基于电力电子技术的灵活交流输电系统，通过控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮流，使电力传输容量更接近线路的热稳定极限。FACTS设备综合补偿装置：统一潮流控制器（UPFC）串联补偿装置晶闸管控制串联电容器（TCSC）静止同步串联补偿器（SSSC）晶闸管控制串联电抗器（TCSR）并联补偿装置静止无功补偿器（SVC）静止同步补偿器（STATCOM）晶闸管控制制动电阻器（TCBR）第57页/共69页柔性配电技术：将柔性交流输电系统中的现代电力电子技术及相关的检测和控制设备延伸应用于配电领域。DFACTS装置有源电力滤波器（APF）动态电压恢复器（DVR）固态断路器（SSCB）第58页/共69页

我国电力系统中性点有三种运行方式：二、中性点不接地的电力系统正常运行时，系统的三相电压对称，三相导线对地电容电流也对称，其电路图和相量图为：当系统发生A相接地故障时，A相对地电压降为零，相当于在中性点叠加上一个电压。中性点不接地中性点经消弧线圈接地中性点直接（或经低电阻）接地1.4电力系统中性点运行方式小电流接地系统大电流接地系统一、概述第59页/共69页中