《電氣工程概論》輔導資料十一供參習

1、電氣工程概論輔導資料一主 題：第三章電力系統(tǒng)及其自動化技術(shù)（第1節(jié)）學習時間：2012年12月10 日- 12月16日內(nèi) 容：我們這周主要學習第三章電力系統(tǒng)及其自動化技術(shù)的第一節(jié)，主要學習電力系統(tǒng)的組成，發(fā)電廠以及輸配電系統(tǒng)等相關(guān)知識。第三章 電路系統(tǒng)及其自動化技術(shù)第一節(jié)電力系統(tǒng)的基本概念1. 電力系統(tǒng)的組成發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽娔芙?jīng)變壓器和電力線路傳送并分配到用戶，在那里經(jīng)電動機、電爐、電燈等用電設(shè)備又將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能、 熱能、光能等。 由這些生產(chǎn)、變換、傳送、分配、消耗電能的電氣設(shè)備（發(fā)電機、變壓器、電力線路及各種用電設(shè)備等）聯(lián)系在一起組成的統(tǒng)一整體就是電力系統(tǒng)， 如圖1所示。與“

2、電力系統(tǒng)” 一詞相關(guān)的還有“電力網(wǎng)”和“動力系統(tǒng)者指電力系統(tǒng)中除去 發(fā)電機和用電設(shè)備外的部分；后者指電力系統(tǒng)和發(fā)電廠動力部分的總和。2. 發(fā)電廠發(fā)電廠是生產(chǎn)電能的核心，擔負著把不同種類的一次能源轉(zhuǎn)換成電能的任務(wù)。依據(jù)使用的一次能源不同，發(fā)電廠可分為許多類型。例如：燃燒煤、石油、 天然氣發(fā)電的火力發(fā)電廠；利用水力能發(fā)電的水力發(fā)電廠；利用核能發(fā)電的核動 力發(fā)電廠。（1）火力發(fā)電廠火電廠的主要發(fā)電設(shè)備包括鍋爐、汽輪機和發(fā)電機，其輔助設(shè)備有冷凝器、給水加熱器、各種水泵、磨煤機、除氧器、煙囪及各種量測與控制設(shè)備。原煤從 煤礦運到電廠后，先存入原煤倉，隨后由輸煤皮帶運進原煤斗，從原煤斗落入球磨機中被磨成很

3、細的煤粉，再由排粉機抽出，隨同熱空氣送入鍋爐的燃燒室進行 燃燒。燃燒放出的熱量一部分被燃燒室四周的水冷壁吸收，一部分加熱燃燒室頂部和煙道入口處的過熱器中的蒸汽， 余下的熱量則被煙氣攜帶穿過省煤器、 空氣 預(yù)熱器傳遞給這兩個設(shè)備內(nèi)的水和空氣。 煙氣經(jīng)過除塵器凈化處理，由吸風機導 入煙囪，被排入大氣。燃燒時生成的灰渣和由除塵器收集下來的細灰，用水沖進沖灰溝排出廠外。燃燒用的助燃空氣，經(jīng)送風機進入空氣預(yù)熱器中加熱，加熱后， 一部分被送往磨煤機作為干燥和運送煤粉的介質(zhì)，大部分送入燃燒室參與助燃。 水、蒸汽是把熱能轉(zhuǎn)化成機械能的重要介質(zhì)。凈化后的給水，先送進省煤器預(yù)熱， 繼而進入汽包，由汽包降入水冷壁管

4、中吸收燃燒室的熱能后蒸發(fā)成蒸汽。蒸汽通過過熱器時，再次被加熱，變?yōu)楦邷馗邏旱倪^熱蒸汽。過熱蒸汽經(jīng)主蒸汽管道進 入汽輪機膨脹做功，推動汽輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。做完功的蒸汽 在凝結(jié)器中被冷卻凝結(jié)成水。凝結(jié)水經(jīng)除氧器去氧、加熱器加熱后再用給水泵重 新送入省煤器預(yù)熱，便可作為工質(zhì)繼續(xù)循環(huán)使用。凝結(jié)器需要的冷卻水由循環(huán)水 泵送入，冷卻水在凝結(jié)器中吸熱之后，流回冷卻塔散熱，然后，再經(jīng)循環(huán)水泵供 給凝結(jié)器。汽輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)， 在發(fā)電機中又把機械能轉(zhuǎn)換成 電能。發(fā)電機發(fā)出的電能經(jīng)過變壓器升高電壓后送入高壓電力網(wǎng)?；鹆Πl(fā)電廠的特點是技術(shù)成熟、成本較低，但是污染大、耗能大、效率較低。（

5、2）水力發(fā)電廠水力發(fā)電廠是利用河流所蘊藏的水能資源來發(fā)電， 水力能資源是最干凈、價 廉的能源。水力發(fā)電廠的容量大小決定于上下游的水位差（簡稱水頭）和流量的大 小。因此，水力發(fā)電廠往往需要修建攔河大壩等水工建筑物以形成集中的較高水 位差，并依靠大壩形成具有一定容積的水庫， 以調(diào)節(jié)河水流量。根據(jù)地形、地質(zhì)、 水能資源特點等的不同，水力發(fā)電廠的形式是多種多樣的。由攔河壩維持在高水 位的水，經(jīng)壓力水管進入螺旋形蝸殼，推動水輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將水能變?yōu)闄C械能。 水輪機轉(zhuǎn)子再帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)， 使機械能變成了電能。而做完功的水則經(jīng)過 尾水管排往下游。發(fā)電機發(fā)出的電，經(jīng)變壓器升壓后由高壓輸電線送至用戶。水利發(fā)

6、電廠的優(yōu)勢是首先，水利發(fā)電廠的生產(chǎn)過程較簡單，故所需的運行維 護人員較少，且易于實現(xiàn)全盤自動化。其次，水力發(fā)電廠不消耗燃料，故電能成 本要比火力發(fā)電廠低得多。此外，水力機組的效率較高，承受變動負載的性能較 好，故在系統(tǒng)中的運行方式較為靈活。 水力機組啟動迅速，在事故時能有力地發(fā) 揮其后備作用。再者，隨著水力發(fā)電廠的興建往往還可以同時解決發(fā)電、防洪、 灌溉、航運等多方面的問題，從而實現(xiàn)河流的綜合利用，使國民經(jīng)濟取得更大效 益。水力發(fā)電廠的另一個優(yōu)點是不像火力發(fā)電廠、核能發(fā)電廠那樣存在環(huán)境污染 問題。水利發(fā)電廠的劣勢是由于水力發(fā)電廠需要建設(shè)大量的水工建筑物，所以相對于火電廠來說，建設(shè)投資大，工期較

7、長，使用勞力也較多。特別是水庫還將淹沒 一部分土地，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來一定不利影響。水力發(fā)電廠的運行方式還受到氣象、 水文等條件的影響，有豐水期、枯水期之別，發(fā)電出力不如火電廠穩(wěn)定，也給電 力系統(tǒng)的運行帶來一定不利因素。（3）核能發(fā)電廠核能是一種新的能源，也是可望長期使用的能源。所以，自1954年世界上第一座核電廠投入運行以來，許多國家紛紛建設(shè)核電廠。核電廠建設(shè)的速度最 快。核能發(fā)電的基本原理：核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生核裂變，即所謂鏈式反應(yīng)，釋 放出大量熱能，由冷卻劑（水或氣體）帶出，在蒸汽發(fā)生器中將水加熱為蒸汽。然 后，同一般火力發(fā)電廠一樣，用蒸汽推動汽輪機，再帶動發(fā)電機發(fā)電。冷卻劑在 把熱量傳給水

8、后，又被泵打回反應(yīng)堆里去吸熱，這樣反復使用，就可以不斷地把 核裂變釋放的熱能引導出來。核能發(fā)電廠與火力發(fā)電廠在構(gòu)成上最主要區(qū)別是前 者用核一蒸汽發(fā)電系統(tǒng)來代替后者的蒸汽鍋爐， 所以核電廠中的反應(yīng)堆又被稱為 原子鍋爐。核能發(fā)電廠的主要優(yōu)點之一是可以大量節(jié)省煤、 石油等燃料。核能發(fā)電廠的 另一個特點是燃燒時不需要空氣助燃，所以核能電廠可以建設(shè)在地下、山洞里、 水下或空氣稀薄的高原地區(qū)。核能發(fā)電廠的主要問題是放射性污染。 但隨著科學技術(shù)的發(fā)展，將會變得越 來越安全。目前大多數(shù)商業(yè)運行的核電廠屬于水堆型，包括壓水堆、沸水堆和重水堆。正在研究開發(fā)中的有快中子增殖堆和高溫氣冷堆核電廠。（4）新能源發(fā)電新能

9、源發(fā)電主要有風能發(fā)電、太陽能發(fā)電、地熱能發(fā)電、潮汐能發(fā)電等。風力發(fā)電：風力發(fā)電是通過風力發(fā)電機組將風能轉(zhuǎn)化成機械能，再轉(zhuǎn)化為電能。太陽能發(fā)電：太陽能發(fā)電方式主要可分為光熱發(fā)電和光電發(fā)電兩種方式。光熱發(fā)電是用反光鏡集熱產(chǎn)生蒸汽，再用汽輪機來發(fā)電；光電發(fā)電是用光電池直接 把太陽能轉(zhuǎn)化為電能。地熱能發(fā)電：通過熱流體將地下熱能攜帶到地上，經(jīng)過專門的裝置將熱能轉(zhuǎn) 換為電能潮汐發(fā)電：利用潮汐具有的能量轉(zhuǎn)變成機械能，再轉(zhuǎn)化成電能。此外還有生物能、波浪能、海洋溫差能等。從遠景發(fā)展來看，還有聚變能、氫能等。3.輸配電系統(tǒng)（1）三相交流輸配電系統(tǒng)1 ）輸電網(wǎng)的作用：輸電網(wǎng)主要是將遠離負載中心的發(fā)電廠的大量電能經(jīng)過

10、變壓器升高電壓，通過高壓輸電線，送到鄰近負載中心的樞紐變電站。 同時，輸電網(wǎng)還有聯(lián)絡(luò)相鄰電 力系統(tǒng)和聯(lián)系相鄰變電站的作用，或向某些容量特大的用戶直接供電。輸電網(wǎng)的 額定電壓通常為220750kV或更高，它的結(jié)構(gòu)與電力系統(tǒng)運行的安全性及經(jīng)濟 性關(guān)系極大，是整個電力系統(tǒng)的骨架或主干電網(wǎng)。2）配電網(wǎng)的作用配電網(wǎng)可分為高壓、中壓和低壓配電網(wǎng)。高壓配電網(wǎng)的電壓一般為 35110 kV或更高，中壓配電網(wǎng)的電壓一般為 620kV，它們將來自變電站的電能分配 到眾多的配電變壓器，以及直接供應(yīng)中等容量的用戶，低壓配電網(wǎng)的電壓為 380/220V，用于向數(shù)量很大的小用戶供電。電力網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與電壓等級、電源和負載點的

11、容量和數(shù)目、它們之間的地理位 置以及可靠性要求等因素有關(guān)。3）電力網(wǎng)的結(jié)構(gòu)放射式a是一種最簡單的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，運行調(diào)度和控制最為方便，但單回線路 供電可靠性不高。鏈式 b結(jié)構(gòu)是放射式的擴展，但可靠性低于放射式。環(huán)式 c 結(jié)構(gòu)有較好的可靠性與經(jīng)濟性，但當某一線路退出運行后，電壓質(zhì)量可能較差。具有多個電源的電力網(wǎng)有環(huán)式 d和串鏈式e兩種常用的結(jié)構(gòu)，兩者均有很高的 可靠性。但多個閉環(huán)結(jié)構(gòu)電力網(wǎng)的調(diào)度和控制（包括繼電保護）比較復雜，短路電 流水平也較高。輸電網(wǎng)通常采用這兩種結(jié)構(gòu)或它們的組合，其中環(huán)式結(jié)構(gòu)對各發(fā) 電廠間聯(lián)系較強，運行穩(wěn)定性一般較好；串鏈式結(jié)構(gòu)對各發(fā)電廠間聯(lián)系較弱，運行穩(wěn)定性相對較差。干線式f

12、投資最省但可靠性很差，只適用于負載密度小、可 靠性要求不高的配電網(wǎng)。網(wǎng)格式 g結(jié)構(gòu)適用于負載密度很大，電壓質(zhì)量和可靠 性要求很高的城市配電網(wǎng)。4）電力系統(tǒng)電壓等級電力系統(tǒng)中的發(fā)電、輸電、配電以及用電等設(shè)備都是按一定的標準電壓設(shè)計 和制造的，在這一標準電壓下運行，設(shè)備的技術(shù)性能和經(jīng)濟指標將達到最好，這一標準電壓稱為額定電壓。我國國家標準規(guī)定的電力網(wǎng)絡(luò)的額定線電壓為：0.38、 3、6、10、35、63、110、220、330、500、750（kV ）。電網(wǎng)電壓及合理的電壓系列選擇是一個涉及面極廣的綜合性問題，除應(yīng)考慮送電容量、距離、運行方式等多種因素外，還應(yīng)根據(jù)動力資源的分布及工業(yè)布局 等遠景發(fā)

13、展情況，進行全面的技術(shù)經(jīng)濟比較。選擇電力網(wǎng)電壓等級的原則是： 選定的電壓等級應(yīng)符合國家標準 。 根據(jù)我國電力工業(yè)發(fā)展迅速的特點，電壓等級不宜過多，以便減少變電重 復容量，同一地區(qū)、同一電網(wǎng)內(nèi)，應(yīng)盡可能簡化電壓等級。但電壓級差也不宜太小。根據(jù)國外經(jīng)驗，110kV以下（或稱電網(wǎng)配電電壓等級），電壓差一般在3倍以 上; 110kV及以上（或稱電網(wǎng)輸電電壓等級），電壓差一般在2倍左右。 我國現(xiàn)有電網(wǎng)的電壓等級配置大致分為兩類， 即110/220/500kV或110 /330kV。220kV以下的電壓等級的配置為 10 /63/220kV及10/35/110/ 220kV兩種系列。（2）直流輸電的特點與

14、應(yīng)用直流輸電是以直流方式實現(xiàn)電能傳輸?shù)募夹g(shù)。直流輸電與交流輸電相互配合，發(fā)揮各自的特長，構(gòu)成現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)。在以交流輸電為主的電力系統(tǒng)中， 直流輸電具有特殊的作用。除了在采用交流輸電有困難的場合必須采用直流輸電 外，在電力系統(tǒng)中，它還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)運行性能并方便其運行 和管理。直流輸電有兩端（也稱端對端）直流工程、多端直流工程、背靠背直流工 程、交直流并聯(lián)輸電等類型。在發(fā)電和用電均為交流電的情況下，要進行直流輸電，必須解決換流問題， 即在送端需將交流電變換為直流電（整流），由直流輸電線路送到受端，然后再將 直流電變換為交流電（逆變），送入受端交流電網(wǎng)使用。集成門極換相晶閘管（I

15、GTA） 和碳化硅等新型半導體器件的開發(fā)，給直流輸電技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了更好的條件。1）直流輸電系統(tǒng)的構(gòu)成直流輸電系統(tǒng)的一次電路主要由整流站、 直流線路和逆變站三部分組成。送端 與受端交流系統(tǒng)與直流輸電系統(tǒng)也有密切的關(guān)系，它們給整流器和逆變器提供實 現(xiàn)換流的條件，同時送端電力系統(tǒng)作為直流輸電的電源提供所傳輸?shù)墓β?，而受端則相當于負載，接受由直流輸電送來的功率。直流輸電的控制保護系統(tǒng)與交流輸電不同，它是實現(xiàn)直流輸電正常啟動和停 運、正常運行、運行參數(shù)的改變和自動調(diào)節(jié)以及故障處理和保護等必不可少的組 成部分。此外，為了利用大地（或海水）為回路，大部分直流輸電工程還有接地極和接地極引線。因此，直流輸電系

16、統(tǒng)由整流站、直流輸電線路、逆變站、控制保護系統(tǒng)以及接地極及其引線等五部分組成。2）直流輸電的基本原理上圖是直流輸電基本原理簡圖。它包括兩個換流站，直流輸電線路及兩端交流系統(tǒng)I和U。當系統(tǒng)I向系統(tǒng)U送電時，換流站1運行于整流狀態(tài)，把系統(tǒng)I送 來的三相交流電變換成直流電，經(jīng)直流線路送到換流站 2。此時，換流站2則運 行于逆變狀態(tài)，把直流電變換為三相交流電送入系統(tǒng)U。3 ）直流輸電的特點 直流架空線結(jié)構(gòu)簡單、造價低、損耗小。 電纜耐受直流電壓的能力比交流電壓約高 3倍以上。 直流輸電本身無交流輸電的穩(wěn)定問題。 采用直流輸電可實現(xiàn)電網(wǎng)間的非同步互聯(lián)， 增強了各電網(wǎng)的獨立性和可靠 性，運行管理也方便。

17、利用直流輸電的快速控制，可改善交流系統(tǒng)的運行性能。 直流輸電采用大地為回路，提高了直流輸電系統(tǒng)運行可靠性和經(jīng)濟性。 直流輸電換流站比交流輸電的變電站增加了換流裝置及相關(guān)的配套設(shè)備。4 ）直流輸電的應(yīng)用范圍主要有：遠距離大容量輸電。直流輸電線路的造價和運行費用比交流輸電線路低， 換流站造價和運行費用 均比交電流互感器電站高。因此，對同樣的輸送容量，輸送距離越遠，直流的經(jīng) 濟性能越好。一般定義為當直流線路和換流站的造價與交流線路和變電站的造價 相等時的輸電距離為等價距離。也就是說對于一定的輸送功率，當輸電距離大于 等價距離時，采用直流比較經(jīng)濟。 電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。用傳統(tǒng)的交流輸電方式聯(lián)網(wǎng)，將形成同步運

18、行的大電網(wǎng)，可取得聯(lián)網(wǎng)效益， 但也帶來一些大電網(wǎng)存在的問題，如穩(wěn)定問題，故障后可能引起的大面積停電， 短路容量增大等。采用直流方式聯(lián)網(wǎng)，可以取得同樣的聯(lián)網(wǎng)效益，并且可避免大 電網(wǎng)帶來的問題，同時還可以改善原交流電網(wǎng)的運行性能。 遠距離海底電纜送電。由于遠距離大容量電纜送電采用直流比交流有明顯的優(yōu)勢，跨越海峽或向沿海島嶼的直流海底電纜工程也越來越多。 大城市地下電纜送電。大城市用電密度高，人口稠密，選擇高壓架空線路走廊比較困難，采用高壓 直流地下電纜將電力送到大城市負載中心， 具有較好的技術(shù)經(jīng)濟性，是值得考慮 的選擇方式。 輕型直流輸電。采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）電壓源換流器的輕型直流輸電，在向孤立的遠 方負載區(qū)送電、小型水電或風力發(fā)電與主干電網(wǎng)的連接以及小容量遠距離的配電 線路等場合有較強的發(fā)展?jié)摿?。本周要求掌握的?nèi)容如下：通過學習本周我們要了解掌握電力系統(tǒng)的組成，掌握火力發(fā)電廠、水力發(fā)電 廠、核能發(fā)電廠、新能源發(fā)電的過程、優(yōu)缺點，掌握三相交流輸配電系統(tǒng)中輸電 網(wǎng)、配電網(wǎng)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電壓等級原則，掌握直流輸電的構(gòu)成、基本原理、特點 及應(yīng)用范圍等。習題（一）選擇題1.中壓配電網(wǎng)的電壓一般為（）kVA.