电力工程第一章

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电力工程2电力工程主要内容第一章电力工程概论第二章电气设备工作原理及主接线第三章电力网络及其简单潮流计算第四章电力系统的短路分析与计算第五章发/变电站二次系统第六章供配电系统的继电保护第七章电力系统的过电压与电气接地3学习目的认真完成各章作业（15%）认真听课、做好笔记闭卷考试（85%）学习要求通过电力工程的学习，培养从事发电厂、变电所电气部分生产调度和工程设计能力，为后续课程的深入学习奠定专业基础。4相关专业课程电力系统分析电力系统继电保护高电压技术电力系统自动装置电力系统微机保护电力系统综合实验先修课程：电路分析、电机与拖动基础电力工程电力工程课程设计电力电子技术电气控制及可编程控制技术电力系统方向电气测量技术Matlab在电气工程中的应用电力电子技术在电力系统中的应用综合类5第一章概述1.1电力系统的基本概念1.2发电厂的生产过程1.3电能的质量指标1.4电力系统的接线方式1.5电力系统中性点运行方式1.6电力负荷与负荷曲线1.7电力工业的发展概况及前景6问题1 电能怎么产生的？问题2 电能是即发即用还是存着用？问题3 石油大学用的是哪里发的电？ 教室的电怎么送过来的？问题4 我们用电对电力系统有要求么？ 如果有，是什么？ 如果没有，为什么？1.1电力系统的基本概念71.1电力系统的基本概念81.1电力系统的基本概念910111.1电力系统的基本概念12131.1电力系统的基本概念1415来自发电厂的电能16远距离输电示意图171.1电力系统的基本概念1819201.1电力系统的基本概念

一、电力系统的组成电力网由发电厂、电力网和电力用户就构成了电力系统。电力系统是指完成电能生产、输送、分配和消费的统一整体。电力用户发电厂21图1-1电力系统示意图工业企业供电系统22

输电线路：220kV及以上的电力线路。配电线路：110kV及以下的电力线路。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：电压等级在110kV及以下、供电半径在50km以内;区域电力网：电压等级在220kV及以上、供电半径超过100km;超高压远距离输电网：电压等级为330～500kV的电力网，一般由远距离输电线路连接而成。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。1.1电力系统的基本概念23变电所：是变换电能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。电力用户：消耗电能，将电能转换成其他形式能量。工业企业供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。区域变电所：由大电网供电，高压侧电压为330～500kV，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：主要由地区变电所供电，其高压侧为10～110kV，全所停电后，将使用户中断供电。

1.1电力系统的基本概念配电所（开闭所）：只接受和分配电能，不变换电压241.1电力系统的基本概念电能不能大量储存。电力系统的过渡过程十分短暂。与国民经济各部门的关系密切。保证供电的可靠性。保证良好的电能质量。为用户提供充足的电能。提高电力系统运行的经济性。二、电力系统的特点及基本要求1、电力系统的特点2、对电力系统的基本要求25电力负荷的分级---保证供电的可靠性。

供电方式:由两个及以上独立电源供电。1．一级负荷：中断供电将造成人身伤亡，重大设备损坏，重大产品报废，或在政治、经济上造成重大损失。2．二级负荷：中断供电将造成主要设备损坏，大量产品报废，重点企业大量减产，或在政治、经济上造成较大损失。供电方式:由双回路供电。3．三级负荷：所有不属于一、二级负荷的电力负荷。供电方式:对供电电源无特殊要求。26三、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。1.1电力系统的基本概念27四、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MW、GW计。

2.年发电量：指系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和，以MW·h、GW·h、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MW、GW计。4.额定频率：50Hz5.最高电压等级：指系统中最高电压等级线路的额定电压，以kV计。1GW=103MW（10万千瓦）1MW=103kW（1000千瓦）1MW·h=103kW·h（千度），1GW·h=103MW·h（100万度）1TW·h=103GW·h（10亿度），1kW·h=1度1.1电力系统的基本概念281.2发电厂的的生产过程

一、火力发电厂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。汽水系统（汽轮机）：水蒸汽，循环水（冷水热水）294．火电厂的生产过程：301.2发电厂的生产过程5．火力发电存在的问题6．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%。火电厂是我国目前最主要的电源，比例大于75%。311.2发电厂的类型及其生产过程

二、水力发电厂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:一般建于河流上游、坡宜较大的区段，用修隧道、渠道的方法，形成水流的落差.抽水蓄能电站：“削峰填谷”坝后式：如三门峡、刘家峡、丹江口、三峡水电站。河床式：厂房起拦水坝的作用：如葛洲坝水电站。效率0.85落差水流量32331.2发电厂的生产过程堤坝式水电厂34河床式35引水式水电厂4．水电厂的组成：水库、水轮机、电力系统36三峡水电站效果图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，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。37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。38水电厂是我国目前最重要的电源之一，比例大于10%。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。1.2发电厂的生产过程397．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。

三、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1.3发电厂的生产过程40

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。轻水碓核电厂生产过程示意图a）沸水堆b）压水堆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。1.2发电厂的生产过程415．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。比火电厂造价高，但发电成本低30%～50%，规模越大越合算。存在问题：放射性污染。1.2发电厂的生产过程42

四、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。1.2发电厂的生产过程核电厂是我国目前最重要的电源之一，比例大于10%。43太阳能发电系统的组成太阳能电池板：将太阳的辐射能转换为电能。太阳能控制器：控制整个系统的工作状态，对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。蓄电池：在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。逆变器：将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能。

44太阳能光伏电源在西部地区应用广泛。（青海、新疆）我国首座太阳能发电厂：2005年10月29日在南京江宁发电成功，发电量只有70kW。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）是一种取之不尽、用之不竭的自然能源。不需要燃料、没有污染、运行成本低。有一定的随机性和不稳定性，因此必须配有蓄能装置。1.2发电厂的生产过程45达板城风力发电厂装机容量7.23万千瓦，占全国的30%。水平轴风力发电机46从安装结构风力发电机分为：水平轴风力发电机，叶片安装在水平轴上；垂直轴风力发电机，风轮轴是垂直布置的，由叶片带动垂直轴转动，再去带动发电机进行发电。垂直轴风力发电机的增速器、联轴器、发电机、制动器等都是安装在地面上的。从风电机组调频方式可分为：恒速恒频风力发电机系统，在风力发电过程中，保持风车的转速（也即发电机的转速）不变，从而得到恒频的电能。变速恒频风力发电机系统，在风力发电过程中让风车的转速随风速而变化，而通过其它控制方式来得到恒频电能。

47大型水平轴风力发电机的结构:主要由塔架、风轮、机舱以及控制系统等部件构成。风力发电的过程：当风力使旋转叶片旋转时，风力的动能就转变成机械能，再通过升速装置驱动发电机发出电能。风力发电机产生的机械功率为:风速空气密度气流面积48塔架：支撑转子和发动机箱，并将整个装置位置提升。风轮：捕获风能并将其转换为转轴的转动能。风轮一般是由2～3个叶片装在轮毂上组成。大型风力发电机的叶片直径都在60m以上，有的甚至到100多米。机舱：由增速器、联轴器、制动器和发电机等构成。机舱是风力发电机主要的传动、控制、发电部分。

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变桨距控制系统：变桨距控制是依据风速的变化随时调节桨距角，控制风轮的能量吸收，保持一定的输出功率。当风速增大时，风轮的转速增加，微机系统发出指令让叶片增大安装角，使叶片所接受的风能减少；当风速减小时，微机发出的指令信号与前述相反，变桨矩液压油缸动作，以减小叶片的安装角，使叶片所接受的风能增加。50蓄电池组：发电系统中的一个非常重要的部件，(专用铅酸蓄电池)。应用蓄电池控制器，实现对蓄电池的充电最优控制，以保证蓄电池不至于过充和过放，以保证蓄电池的正常使用和整个系统的可靠工作。偏航控制器：移动转子使其与风向保持一致。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51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524．潮汐发电：海水涨潮或落潮的动能或势能→电能。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）1.2发电厂的生产过程潮汐发电示意图5354法国郎斯潮汐电站示意图法国朗斯潮汐电站法国郎斯电站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。55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。565．新能源发电的优缺点太阳能、风能、地热能、潮汐能等新能源都属于清洁、廉价和可再生能源，是未来的能源主要形式。其他新能源：燃料电池、垃圾燃料、核聚变能、生物质能等。太阳能、风能发电容量小，分散性大，属于分布式能源，互联后在运行安全和管理方面存在很多问题。1.2发电厂的生产过程57用电设备的额定电压：与同级电网的额定电压等级相同。发电机的额定电压：比同级电网的额定电压等级高出5%，用于补偿线路上的电压损失。一、电力系统的额定电压电力网的额定电压等级：3kV、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV等。供电线路上的电压变化示意图1.3电力系统的电能质量指标58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。35kV以上网络，应比同级电网额定电压高10%；35kV以下网络，应比同级电网额定电压高5%，但变压器短路阻抗值在7.5%以上，应比同级电网额定电压高10%1.3电力系统的电能质量指标59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60电气设备的额定电压61电气设备的额定电压图1-5例1-1图62表1-1我国三相交流电力网和用电设备的额定电压∕kV63

二、电压等级的选择电压等级的选择与网络的规模：输电距离和容量、短路电流大小和继电保护整定配合等因素有关。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或农网。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。1.3电力系统的电能质量指标64表电力网的额定电压与传输功率和传输距离之间的关系65三、电能质量指标白炽灯：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。电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。1.3电力系统的电能质量指标衡量电能质量的主要指标有频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、高次谐波（波形畸变率）和三相电压不平衡度等。661.3电能的质量指标电压偏差的允许值35kV及以上电压供电的用户：±5%

10kV及以下高压供电和低压电力用户：±7%低压照明用户：+5%～–10%电压偏差是指电网某点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1、电压偏差672、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

电压波动的允许值10kV及以下电网：2.5%35～110kV电网：2%1.3电能的质量指标68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1.3电能的质量指标693、频率频率偏差额定频率：50Hz(工频）允许偏差：电网容量3000MW及以上者，±0.2Hz；电网容量3000MW以下者，±0.5Hz。1.3电能的质量指标70谐波产生的原因：是由于电力系统中存在各种非线性元件

。

1.3电能的质量指标

4、谐波谐波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。谐波危害：使变压器和电动机的铁芯损耗增加，缩短使用寿命；使线路的功率损耗和电能损耗增加，出现电压谐振；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等。

71波形畸变程度的几个特