电气工程基础

华中科技大学电气学院电力系统工程基础电气工程及其自动化教研室郭磊华中科技大学电气学院学时分配及安排：

1.讲课学时（44学时）+实践课（4学时）=48学时；

2.以书本内容讲授为主（包括书上的例题）；布置一定量的作业题（有书上的思考题、计算题；也有补充题；考前布置思考题）

3.对重要的作业题、计算题、包括书上的例题，课上会进行仔细讲授，必须熟练掌握—也是本书的难点和重点；

4.最后会布置一定量思考题、计算题；华中科技大学电气学院第一章绪论第二节电力系统基本概念第三节电能质量指标第四节电力系统的电压等级及其选择第五节电力系统中性点接地第一节电力工业发展概况及前景华中科技大学电气学院第一节电力系统发展概况及前景一、电力工业发展概况二、电力系统发展前景华中科技大学电气学院第一章绪论

§1-1电力系统基本概念（六大电力系统）

现代电力系统怎么形成和发展的多个电厂与多个负荷中心供给更多的负荷可以提高供电可靠性互为备用容量，减少系统装机容量可合理利用能源，充分发挥水电在系统中的作用采用高效率大容量的火电机组可以提高系统运行的经济性华中科技大学电气学院一、电力工业发展概况电力工业发展史上的第一：火电：1882年上海电气公司水电：1912年云南石龙坝2×240kW核电：1991年浙江秦山300MW华中科技大学电气学院输电线路：

1972年甘肃刘家峡水电站到陕西关中地区330kV交流；

1981年河南姚孟火电厂到武汉500kV交流；

1988年葛州坝水电站到上海南桥变电站±500kV直流；

2005年9月，我国第一个超高压750kV输变电工程正式投入运行；

2009年1月，我国特高压lOOOkV交流输变电工程——晋东南一南阳一荆门试验示范工程，正式投运。华中科技大学电气学院电力系统之最：

我国最大的火电机组容量100万kW（浙江玉环、广东海门）最大的水电机组容量70万kW（三峡工程）最大的核电机组容量100万kW（田湾核电厂）华中科技大学电气学院

举世瞩目的三峡工程，设计装机容量32台（含地下电厂6台机组），单机容量70万kW，年均发电量847亿kW·h，比全世界70万kW机组的总和还多，是世界上最大的发电厂。华中科技大学电气学院

最大的火力发电厂容量为454万kW(邹县发电厂)，最大的水力发电厂1820万kW（三峡水电厂）最大的核能发电厂为305X104kW(秦山核电厂) 最大抽水蓄能电厂240万kW（广东抽水蓄能电厂，8×30万kW），这也是目前世界上最大的抽水蓄能电厂华中科技大学电气学院我国电力系统的发展：年份装机容量（万kW）年发电量（亿kWh）1949184.8643.1198710000496019952100010000200030000130002004440702187020077130032559截至2008年底，全国发电装机容量达到7．9253亿kW，同比增长10.34％。从电力生产情况看，全国发电量达到34334亿kW．h，同比增长5.18％。华中科技大学电气学院二、电力系统发展前景1.做好电力规划，加强电网建设

加强电力规划，确定合理的电源结构和布局，留有足够的容量和能量的备用，建成容量充足、结构合理、运行灵活的联合电力系统

华中科技大学电气学院华中科技大学电气学院2.电力工业现代化高电压、大系统大电厂、大机组高度自动化3.节能减排，积极发展清洁能源（核能、风能、太阳能等）华中科技大学电气学院华中科技大学电气学院4.联合电力系统

效益各系统间电负荷的错峰效益提高供电可靠性、减少系统备用容量有利于安装单机容量较大的机组进行电网的经济调度进行水电跨流域调度调峰能力互相支援华中科技大学电气学院增加联络线和电网内部加强所需投资以及联络线的运行费用当系统间联系较弱时，有可能引起调频的复杂性和出现低频振荡增加了系统短路容量，并可能导致增加或调换已有设备增加联合电网的通讯和高度自动化的复杂性支出华中科技大学电气学院5.电力市场基本特征：开放性竞争性计划性

协调性基本原则：公平公开公正6.IT技术在电力系统中的应用7.谐波治理华中科技大学电气学院第二节电力系统基本概念一、什么是电力系统三、电力系统的特点四、对电力系统的要求二、电力系统的形成华中科技大学电气学院水库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一、什么是电力系统？华中科技大学电气学院

电力网：由变电所和不同电压等级输电线路组成的网络。动力系统：在电力系统的基础上，把发电厂的动力部分包含在内的系统。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： 生产电能变电所： 变换和分配电能输配电线路： 输送电能用户： 消费电能水库G~M~华中科技大学电气学院华中科技大学电气学院

电力网：按电压等级的高低、供电范围大小的分类地方电力网：电压等级在35kV及以下,供电半径20km～50km区域电力网：电压等级110kV~220kV，供电半径大于50km超高压远距离输电网：电压等级为330kV~500kV的网络，大区联网变电所：按其在电力系统中的地位分类枢纽变电所中间变电所地区变电所终端电站所华中科技大学电气学院二、电力系统的特点电能不能大量存储：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fQ发

Q用＋

Q

电压U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……华中科技大学电气学院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：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。华中科技大学电气学院四、对电力系统的要求保证供电可靠保证良好的电能质量为用户提供充足的电能提高电力系统运行经济性

华中科技大学电气学院例1：一台600MW火电机组，年利用小时6000h，煤耗率300g/kW·h，煤价：300元/吨。解： 年发电量： 60×104kW×6000h＝36亿kW·h 需标煤： 36亿kW·h×300g/kW·h＝108万吨标煤

节约燃料1%： 10800吨标煤

华中科技大学电气学院第三节电能质量指标电能的质量指标主要包括：电压

频率波形华中科技大学电气学院14012010080608090100110120寿命光通量发光效率电流电压/%寿命光通量发光效率电流/%14012010080608090100110120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）电压：必要性：华中科技大学电气学院电压质量标准：华中科技大学电气学院频率频率的影响：(1)对用电设备：偏高，经济性降低；偏低，生产率低，降低使用寿命。(2)锅炉的离心式机械：偏低，出力下降，紧急停炉，恶性循环。(3)对系统：频率下降较多，系统崩溃。华中科技大学电气学院频率频率偏差：

±0.2Hz（≥3000MW系统）

±0.5Hz（＜3000MW系统） 国外： ±(0.1~0.2)Hz或±0.5Hz额定频率：

50Hz（国外：50或60Hz）对频率的要求：华中科技大学电气学院2.谐波危害①降低电动机的效率②谐波过电流、过电压烧坏无功补偿电容器等电气设备③干扰通信线路波形：谐波产生原因发电机输出电压波形不符合要求；电能变换、输送和分配过程中波形畸变；变压器或电抗器饱和非线性特性的用电设备产生的谐波。换流装置、电气铁道和电弧炉华中科技大学电气学院波形：3.谐波电压限值表1-3公用电网谐波电压限值电网标准电压(kV)电压总谐波畸变率（%）各次谐波电压含有率（%）说

明奇次偶次0.385.04.02.01.衡量点为PCC，取实测95%概率值；2.对用户允许产生的谐波电流，提供计算方法；3.对测量方法和测量仪器作出基本规定；4.对同次谐波随机性合成提供算法。6及104.03.21.635及663.02.41.21102.01.60.8注：220kV电网参照110kV执行。华中科技大学电气学院4.谐波电流允许值表1-4注入公共连接点的谐波电流允许值（A）标准电压（kV）基准短路容量/MVA谐波次数23456789101112131415161718192021222324250.381078623962264419211628132411129.7188.6167.88.97.1146.512610043342134142411118.5167.1136.16.85.3104.79.04.34.93.97.43.66.810100262013208.5156.46.85.19.34.37.93.74.13.26.02.85.42.62.92.34.52.147125.18.83.84.13.15.62.64.72.22.51.93.61.73.21.51.81.42.71.32.56650016138.1135.49.34.14.33.35.92.75.02.32.62.03.81.83.41.61.91.52.81.42.6110750129.66.09.64.06.83.03.22.44.32.03.71.71.91.52.81.32.51.21.41.12.11.01.9注：220kV基准短路容量取2000MV•A。华中科技大学电气学院4.含谐波负荷接入系统条件（1）系统公共连接点的谐波电压距规定的限制有裕度（2）含谐波负荷注入系统的谐波电流不超过允许值华中科技大学电气学院第四节电力系统的电压等级及其选择一、电力系统额定电压和最高电压二、电气设备额定电压和最高电压三、电力系统电压等级

四、电压等级选择华中科技大学电气学院一、电力系统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。经济电压：对应一定传输功率和输送距离的输电线路应有一个合理的电压值华中科技大学电气学院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)。二、电气设备额定电压和最高电压

在同一电压级别下，电气设备的额定电压值不同G~M~华中科技大学电气学院华中科技大学电气学院三、电力系统电压等级1.低于3kV系统的额定电压低于3kV直流系统额定电压高于系统额定电压5%华中科技大学电气学院注：受电设备的额定电压＝电力系统的额定电压。三、电力系统电压等级1.低于3kV系统的额定电压低于3kV交流电力系统额定电压和电气设备额定电压高5%高5%华中科技大学电气学院2、3kV及以上系统的额定电压发电机机端电压高20%电力线路额定电压：电力线路的额定电压和电力系统的额定电压相等。发电机的额定电压：105%UN变压器一次绕组： 相当于用电设备＝UN

特例1：变压器一次绕组＝105%

UN变压器二次绕组： 相当于发电设备＝110%

UN

特例2：变压器二次绕组＝105%

UN华中科技大学电气学院

规定电气设备的额定电压，往往是考虑到变压器约有5%的电压损耗，输电线路约有10%左右的电压损耗。 额定电压在10.5kV及以下的发电机，其额定电压一般比相应的系统额定电压高5%。

升压变压器低压绕组额定电压与发电机额定电压相同，其高压绕组额定电压比相应电力系统额定电压高10%。

降压变压器高压绕组额定电压与相应电力系统额定电压相同，其低压绕组额定电压比电力系统额定电压高5%或10%。

华中科技大学电气学院

标明发电机和变压器两侧绕组的额定电压值（图中已标明的是电力系统的额定电压）华中科技大学电气学院U1IU2SZ

I∝（U1－U2）/Z传输功率S、电压等级U、输电距离之间的关系S＝Const，电压越高，电流越小，损耗小；电压越高，绝缘要求高，投资高。四、电压等级的选择华中科技大学电气学院表1-4额定电压与相应传输功率和传输距离的关系电力系统额定电压/kV输送方式传输功率/kW传输距离/km0.22架空线小于500.150.22电缆小于500.200.38架空线1000.250.38电缆1750.353架空线100~10003~16架空线200~200010~36电缆3000小于810架空线200~300020~510电缆5000小于1035架空线2000~1000050~20110架空线10000~50000150~50220架空线100000~500000300~100330架空线200000~1000000600~200500架空线