第一章-緒論2011PPT課件

1、遵守規(guī)則，關(guān)愛生命 上課請關(guān)閉手機(jī) 1 電氣工程基礎(chǔ)II 華中科技大學(xué)電力工程系 羅 毅 2 教學(xué)目的 建立電力系統(tǒng)整體概念； 掌握電力系統(tǒng)“發(fā)電-輸電-配電-用電”各個 環(huán)節(jié)的構(gòu)成和工作原理； 通過本課程的學(xué)習(xí)，具備基本的電力工業(yè)背 景知識，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，也 為學(xué)生從事電力系統(tǒng)相關(guān)行業(yè)的工作打下必 要的基礎(chǔ)。 3 主要教學(xué)參考書 熊信銀. 電氣工程基礎(chǔ). 華中科技大學(xué)出 版社，2010 4 課程銜接 先修課程：電路理論，電機(jī)學(xué) 主要后續(xù)課程：電力系統(tǒng)分析、繼電保 護(hù)、電力系統(tǒng)自動化、高電壓技術(shù) 5 第一章 主要內(nèi)容 掌握與電力系統(tǒng)相關(guān)的若干基本概念，包括電力系統(tǒng)、電力 網(wǎng)、動力

2、系統(tǒng)、變電站等； 理解電力系統(tǒng)的特點； 理解對電力系統(tǒng)提出的要求； 掌握電力系統(tǒng)的三個電能質(zhì)量指標(biāo)，包括國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允 許變化范圍； 掌握電力系統(tǒng)的額定電壓等級及規(guī)定，了解電力系統(tǒng)電壓等 級與輸電距離之間的關(guān)系； 了解電力系統(tǒng)發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和前景。 6 電力發(fā)展簡史 時間時間事事 件件 1873年在維也納國際博覽會上，法國弗泰內(nèi)使用2000m導(dǎo)線， 連接一臺瓦斯發(fā)動機(jī)拖動的格拉姆直流發(fā)電機(jī)和一臺 帶動水泵的電動機(jī)，證明了遠(yuǎn)距離輸電的現(xiàn)實性 1874年俄國皮羅茨基在彼得堡架設(shè)了輸送功率4.5kW的直流 輸電線路，距離為500m，后增至1000m。1876年，又 利用鐵路軌道輸送了3.6km，后

3、來被用于有軌電車牽 引 1882年法國德普勒架設(shè)首條57km直流試驗線路，采用4.5mm 電報線，首端電壓1343V，末端850V，輸送功率不到 200W，損耗78%，把米斯巴赫水電站直流發(fā)電機(jī)發(fā)出 的電力送到慕尼黑國際博覽會 1883年德普勒從法國南部比塞爾到格勒諾布爾進(jìn)行14km輸電 試驗，輸送功率1.1kW 7 電力發(fā)展簡史 時間時間事事 件件 1885年采用6000V高壓直流發(fā)電機(jī)從瓦利爾輸電到巴黎， 56km，損耗55% 1882年10月英國霍普金森（J. Hopkinson）發(fā)明直流輸電三線制系 統(tǒng)，外線到中線110V，兩外線之間220V。后來擴(kuò)展 到五線制 19世紀(jì)末由于高壓大容

4、量直流發(fā)電機(jī)的制造技術(shù)問題，遠(yuǎn)距離 輸電所需的高電壓不可能直接從直流電機(jī)直接獲得。 法國芳建在送端串聯(lián)多臺直流發(fā)電機(jī)提高輸電電壓， 將75kW電力輸送75km ，效率50% 20世紀(jì)初瑞典瑟雷在各臺串聯(lián)的直流發(fā)電機(jī)上裝上短路器，使 任意發(fā)電機(jī)投切不停電。該系統(tǒng)在其后20多年中建成 了15條直流輸電線路，規(guī)模最大的是1906年投運的從 法國慕吉水電站到里昂180km、57kV、4700kW線路， 1927年改建為260km、125kV、19000kW，多接入兩 座水電站 8 電力發(fā)展簡史 時間時間事事 件件 英國法拉第（M. Faraday,1791-1867）電磁感應(yīng)實驗中， 兩個繞在鐵芯上的

5、線圈，但斷開或接通一個線圈中的 電流時在另一個線圈上感應(yīng)有電壓，這實際上是變壓 器的雛形 美國亨利（J. Henry,1797-1878）用多匝線圈作為原邊， 用少匝線圈作副邊，使高電壓感應(yīng)出低電壓 1876年俄國亞布洛契科夫發(fā)明了單相變壓器，用于照明 1883年美國特斯拉研制感應(yīng)電機(jī) 當(dāng)時直流輸電裝置和運行方式復(fù)雜、造價高、可靠性差，很快 被競爭的三相交流取代 9 電力發(fā)展簡史 時間時間事事 件件 1883年法國高拉德(L. Gauland)和英國吉布斯（J. D. Gribbs） 將多臺變壓器原邊串聯(lián)在輸電線路中，當(dāng)副邊接入的 電弧燈盞數(shù)變化時，輸電電壓會受到干擾 1885年匈牙利吉伯納基

6、斯、貝利、波拉其共同設(shè)計多臺變壓 器并聯(lián)連接方式 19世紀(jì)80年代到90 年代 美國威斯汀豪斯（G. Westinghouse，1846-1914）預(yù)見 交流輸電是發(fā)展方向，開始了交流輸電工業(yè)嘗試。圍 繞交直流輸電問題爆發(fā)了“交直流之戰(zhàn)” 1889年5月愛迪生、凱爾文等主張大力推廣直流電，極力反對交 流電。首先，他們認(rèn)為當(dāng)負(fù)荷波動很大時，采用直流 電效率更高。當(dāng)時主要供給照明，交流1度電煤耗 9.072kg，而直流是4.536kg；其次，他們認(rèn)為交流電 具有很大的危險性，1889年5月購買威斯汀豪斯3臺交 流發(fā)電機(jī)，然后賣給監(jiān)獄執(zhí)行罪犯威廉.凱姆勒死刑 10 電力發(fā)展簡史 時間時間事事 件件

7、威斯汀豪斯、特斯拉（N. Tesla）積極主張發(fā)展交流電。 他們認(rèn)為交流電的輸電效率更高，可以通過變壓器升 壓和降壓，高壓輸電可以減少電能損失。交流發(fā)電機(jī) 制造業(yè)發(fā)展為交流發(fā)電方式做了充分準(zhǔn)備 1886年威斯汀豪斯在美國麻省大巴林頓，進(jìn)行1200m、3kV 交流輸電示范 1886年威斯汀豪斯在意大利建成17mile、2kV高壓輸電線路 1888年俄國多布羅夫斯基發(fā)明三相交流制和三相異步電動機(jī) 1891年8月威斯汀豪斯建成170km供國際展覽會用的從法國勞芬 到德國法蘭克福的世界第一條交流輸電線路，勞芬水 電站安裝一臺230kVA、95V、40Hz三相交流發(fā)電機(jī)和 一臺200kVA、95/152

8、00V升壓變壓器，法蘭克福建有 兩座13800/112V降壓變電站，一座供展覽會照明，另 一座供100hp三相異步電動機(jī)用電，供9m高人工瀑布 離心泵 11 電力發(fā)展簡史 時間時間事事 件件 1898年，采用針式絕緣子，美國加利福尼亞33kV、 120km線路 1906年，休伊特、巴克發(fā)明懸式絕緣子，美國建成 110kV高壓輸電線路 1912年，皮克、懷特海、沙特林、米特開維奇、高列 夫發(fā)現(xiàn)電暈臨界電壓與導(dǎo)線直徑成比例增加，鋁線或 鋼芯鋁線開始應(yīng)用，美國建成154kV高壓輸電線路 1923年，均壓環(huán)技術(shù)應(yīng)用，美國建成220kV線路 1936年美國287kV、430km線路投運 輸電技術(shù)的發(fā)展就

9、是增大輸電功率、輸電距離，減少損失，因此 關(guān)鍵是提高電壓 12 電力發(fā)展簡史 時間時間事事 件件 1952年瑞典首先建成380kV、940km、采用分裂導(dǎo)線的超高 壓線路 1956年蘇聯(lián)400kV、890km雙回投運；1959年，該線路升壓 到500kV 1965年加拿大735kV建成 1969年美國765kV線路并入AEP電網(wǎng) 1985年蘇聯(lián)1150kV、510km投運。蘇聯(lián)解體后降壓至500kV 運行 13 中國高壓交流輸電發(fā)展 年份年份電壓等級電壓等級線路長度線路長度地點地點 191223kV34km云南石龍壩至昆明 192133kV20km北京石景山至市區(qū) 192444kV64.5km

10、奉天至遼陽 193466kV大連甘井子至天之川 194177kV45km天津第一發(fā)電廠至塘沽 1941220kV東北水豐水電廠至鞍山 1942110kV192km鏡泊湖水電廠至延邊 1972330kV534km劉家峽水電站至陜西漢中 1981500kV595km平頂山姚孟電廠至武昌 20091000kV640km山西晉東南經(jīng)南陽到荊門 14 高壓直流輸電簡史 時間時間事事 件件 1954年瑞典本土與哥特蘭島之間建成世界第一個工業(yè)直流輸 電工程，海底電纜，100kV，96km，2萬千瓦，采用 汞弧閥換流 1970年瑞典本土與哥特蘭島工程擴(kuò)建了50kV、1萬千瓦晶閘 管換流閥試驗工程 1972年世

11、界上第一個采用晶閘管換流閥的背靠背工程在加拿 大投運 15 中國高壓直流輸電簡史 時間時間事事 件件 1987年12月舟山直流工程，寧波至舟山，12km海底電纜+42km架 空線路， 100kV，六脈沖換流閥 1989年葛-滬直流工程，宜昌宋家壩至上海南橋， 500kV， 1045.7km 2010年6月云廣直流工程投運，1438km， 800kV ，輸送容量 500 萬千瓦 16 進(jìn)一步閱讀：電力發(fā)展史 黃晞. 中國近現(xiàn)代電力技術(shù)發(fā)展史. 山東 教育出版社. 2006 Jill Jonnes(美). 光電帝國. 中信出版社. 2006 W. C. Dampier(英). 科學(xué)史及其與哲學(xué)和

12、宗教的關(guān)系. 廣西師范大學(xué)出版社，2009 17 單線圖 單線圖：采用一根線表示對稱三相 18 電力系統(tǒng)的形成與發(fā)展 SS SS 19 電力系統(tǒng)基本概念電力系統(tǒng)基本概念 電力網(wǎng)：由變電所和不同電壓等級輸電線路組成的網(wǎng)絡(luò)。 電力系統(tǒng)：由發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路以及用電設(shè)備（或 發(fā)電廠、變電所、輸配電線路以及用戶），按照一定的規(guī)律連 接而組成的統(tǒng)一整體。 發(fā)電廠：生成電能 變電所：變換和分配電能 輸配電線路：輸送電能 用戶：消費電能 動力系統(tǒng)：在電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，把發(fā)電廠的動力部分（例 如火力發(fā)電廠的鍋爐、汽輪機(jī)和水力發(fā)電廠的水庫、水輪機(jī)以 及核動力發(fā)電廠的反應(yīng)堆等）包含在內(nèi)的系統(tǒng)。 20 電力系

13、統(tǒng)基本概念電力系統(tǒng)基本概念 水庫 G M M 電力網(wǎng) 電力系統(tǒng) 動力系統(tǒng) 發(fā)電廠 水輪機(jī) 發(fā)電機(jī) 變電所 升壓變壓器 輸電線路 變電所 降壓變壓器 用戶 用電設(shè)備 21 電力系統(tǒng)基本概念電力系統(tǒng)基本概念 超高壓遠(yuǎn)距 離輸電網(wǎng) 地方電力網(wǎng) 區(qū)域電力網(wǎng) 110 kV 35kV 35kV 500kV220kV110kV10 kV 水力發(fā)電廠火力發(fā)電廠 變電所A：樞紐變電所C：地方 變電所D：終端 變電所B： 中間 22 電力系統(tǒng)基本概念電力系統(tǒng)基本概念 電力網(wǎng)：按電壓等級的高低、供電范圍的大小的分類 地方電力網(wǎng)：電壓等級在35kV及以下，供電半徑在 2050km以內(nèi) 區(qū) 域 電 力 網(wǎng) ： 電 壓

14、等 級 在 3 5 k V 以 上 （ 一 般 為 110kV220kV），供電半徑超過50km，聯(lián)系較多發(fā)電廠 的網(wǎng)絡(luò) 超高壓遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)：電壓等級為330kV500kV的網(wǎng)絡(luò)， 其主要任務(wù)是把遠(yuǎn)處發(fā)電廠生產(chǎn)的電能輸送到負(fù)荷中心， 同時還聯(lián)系若干區(qū)域電力網(wǎng)形成跨省、跨地區(qū)的大型電力 系統(tǒng) 23 電力系統(tǒng)基本概念電力系統(tǒng)基本概念 變電站（變電所）： 樞紐變電站、中間變電站、地區(qū)變電站、終端電站 站 升壓變電站、降壓變電站 1000kV變電站、500kV變電站、220kV變電站、 110kV變電站、 35kV變電站、 10kV變電站 24 為什么要聯(lián)成大電網(wǎng)？ 提高供電可靠性； 減少裝機(jī)容量；

15、減少備用容量； 合理利用能源，發(fā)揮水電作用； 采用大容量發(fā)電機(jī)組； 提高運行經(jīng)濟(jì)性； 25 電力系統(tǒng)基本概念電力系統(tǒng)基本概念 超高壓遠(yuǎn)距 離輸電網(wǎng) 地方電力網(wǎng) 區(qū)域電力網(wǎng) 110 kV 35kV 35kV 500kV220kV110kV10 kV 水力發(fā)電廠火力發(fā)電廠 變電所A：樞紐變電所C：地方 變電所D：終端 變電所B： 中間 26 電力系統(tǒng)的特點 1、電能不能大量存儲 電能的生產(chǎn)、變換、輸送、分配和使用是同 時進(jìn)行的。 P發(fā) P用P 頻率f Q發(fā) Q用Q 電壓V 原動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 負(fù)荷制動轉(zhuǎn)矩 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸 27 電力系統(tǒng)的特點 電力系統(tǒng)的負(fù)荷時刻處于變化之中，電 力系統(tǒng)的參數(shù)也處于變化之中

16、， 因此，功率平衡關(guān)系式是動態(tài)平衡關(guān)系 式。 P發(fā) P用P 頻率f Q發(fā) Q用Q 電壓V 保證功率平衡是最根本的任務(wù)。 28 電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)的基本概念 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)：在電力系統(tǒng)運行的某一 段時間內(nèi)，如果運行參數(shù)只在某一恒定 的平均值附近發(fā)生微小的變化，稱這種 運行狀態(tài)為穩(wěn)態(tài) 穩(wěn)態(tài)包括正常穩(wěn)態(tài)、故障穩(wěn)態(tài)和故障后 穩(wěn)態(tài) 電力系統(tǒng)暫態(tài)：電力系統(tǒng)從一種運行狀 態(tài)到另一種運行狀態(tài)的過渡過程 29 電力系統(tǒng)的特點 2、電力系統(tǒng)過渡過程十分短暫 控制操作自動化程度高。 必須借助自動裝置對電力系統(tǒng)進(jìn)行控制： 繼電保護(hù)裝置、遠(yuǎn)動裝置 減載裝置、同期裝置、勵磁裝置、 30 電力系統(tǒng)的特點 3、電能生產(chǎn)與國民

17、經(jīng)濟(jì)各部門和人民生活 有著極為密切的關(guān)系 對社會政治經(jīng)濟(jì)影響巨大 負(fù)荷分類： 一類負(fù)荷 二類負(fù)荷 三類負(fù)荷 31 電力系統(tǒng)的特點 4、電力系統(tǒng)的地區(qū)性特點較強 發(fā)展各具特色。 電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計、運行等不能盲目搬用其它系 統(tǒng)的經(jīng)驗 32 對電力系統(tǒng)的要求 1、保證供電可靠 （有） 2、保證良好的電能質(zhì)量 （好） 3、提高電力系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性 （費用低） Exa：一臺600MW火電機(jī)組，年利用小時6000h，煤耗率 320g/kW.h，煤價：300元/噸。 Sol： 年發(fā)電量：600000kW6000h36億kW.h 需標(biāo)煤：36億kW.h320g/kW.h115.2萬噸標(biāo)煤 燃料費：115.2萬

18、噸300元/噸34560萬元 1%節(jié)約：燃料：1.152萬噸標(biāo)煤 燃料費：345.6萬元 33 電能的質(zhì)量指標(biāo)電能的質(zhì)量指標(biāo) 電能的質(zhì)量指標(biāo)主要包括：電壓、頻率、波形 電壓： 必要性： 140 120 100 80 60 80 90 100 110 120 壽 命 光通量發(fā)光效率 電 流 電壓/% 壽命 光通量 發(fā)光效率 電流/% 140 120 100 80 60 80 90 100 110 120 電壓/% 效率 cos 電流/% 電 流 效 率 cos 圖1-3 照明負(fù)荷（白熾燈）的電壓特性 圖1-4 異步電動機(jī)的電壓特性 （圖中的100%表示額定值） （圖中的100%表示額定值） 34

19、 電能的質(zhì)量指標(biāo)電能的質(zhì)量指標(biāo) 電壓質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)： 名 稱允許限值說 明 供電電 壓允許 偏差 35kV 及以上為正負(fù)偏差絕對值 之和不超過 10%； 10kV 及以下三相供電為7%； 220V 單相供電為+7%，-10% 衡量點為供用電產(chǎn)權(quán)分界處或電能計量點 電壓允 許波動 和閃變 1電電壓壓波波動動： 10kV 及以下 2.5%; 35kV110kV 為 2%； 220kV 及以上 1.6% 2閃閃變變 V10： 對照明要求較高,0.4%(推薦值); 一般照明負(fù)荷,0.6%(推薦值) 衡量點為電網(wǎng)公共連接點(PCC)，取實 測 95%概率值； 給出閃變電壓限值和頻度的關(guān)系曲線， 可以根據(jù)電壓波

20、動曲線查得允許值，并 給出算例； 對測量方法和測量儀器作出基本規(guī)定 三相供 電電壓 允許不 平衡度 正常允許 2%，短時不超過 4%； 每個用戶一般不得超過 1.3% 各級電壓要求一樣； 衡量點為 PCC，取實測 95%概率值或 日累計超標(biāo)不超過 72min，且每 30min 中超標(biāo)不超過 5min； 對測量方法和測量儀器作出規(guī)定； 提供不平衡度算法 35 電能的質(zhì)量指標(biāo)電能的質(zhì)量指標(biāo) 頻率： 額定頻率：50Hz（國外：50 或 60Hz） 頻率偏差：0.2Hz（3000MW系統(tǒng)） 0.5Hz（3000MW系統(tǒng)） 國外：(0.10.2)Hz 或 0.5Hz 電鐘時偏：30s（3000MW系統(tǒng)）

21、 1min（3000MW系統(tǒng)） 波形： 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：正弦波電壓和電流 諧波的危害與抑制 36 進(jìn)一步閱讀資料 GB/T 1980-1966 標(biāo)準(zhǔn)頻率 GB 12325-1990 電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差 GB 12326-2000 電能質(zhì)量 電壓波動和閃變 GB/T 14549-1993 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波 GB/T 15543-1995 電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度 GB/T 15945-1995 電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差 37 電力系統(tǒng)的電壓等級電力系統(tǒng)的電壓等級 包括電力系統(tǒng)的額定電壓和最高電壓以及電氣設(shè)備的額定 電壓和最高電壓。 電力系統(tǒng)的額定電壓：由國家根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件規(guī)

22、定的電 壓等級標(biāo)準(zhǔn)，又稱電力網(wǎng)的額定電壓或線路的額定電壓。 電力系統(tǒng)的最高電壓：電力系統(tǒng)正常運行時，在任何時間 系統(tǒng)中任何一點上所出現(xiàn)的電壓最高值。 電氣設(shè)備的額定電壓：電氣設(shè)備制造廠根據(jù)所規(guī)定的電氣 設(shè)備工作條件而確定的電壓。 電氣設(shè)備的最高電壓：考慮到設(shè)備的絕緣性能和與最高電 壓有關(guān)的其它性能（如變壓器的激磁電流及電容器的損耗 等）所確定的允許最高運行電壓，其數(shù)值等于所在電力系 統(tǒng)的最高電壓值。 38 39 電力系統(tǒng)額定電壓 1. 低于3kV系統(tǒng)的額定電壓 低于3kV交流三相/單相電力系統(tǒng)額定電壓和電氣設(shè) 備額定電壓 變 壓 器 額 定 電 壓 /kV 電 力 系 統(tǒng) 額 定 電 壓 /k

23、V 發(fā) 電 機(jī) 額 定 電 壓 /kV 一 次 繞 組二 次 繞 組 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：受電設(shè)備的額定電壓電力系統(tǒng)的額定電壓。 直流系統(tǒng)的額定電壓： 100V以下的額定電壓，受電設(shè)備與供電設(shè)備相同。 對受電設(shè)備為110V、220V和440V的直流系統(tǒng)，供電設(shè)備的額定 電壓分別為115V、230V和460V。 40 電力系統(tǒng)額定電壓 2. 3kV及以上系統(tǒng)的額定電壓 電力變壓器額定電壓電力變壓器額定電壓/kV電力系統(tǒng)電力系統(tǒng) 額定電壓額定電壓 /kV 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī) 額定電壓額定電壓 /kV 一次繞組一次繞組二次繞組二次繞組 電氣設(shè)備電氣設(shè)備 最高電壓最高電壓 /kV 33.153 及 3.153.15 及 3.33.