电气工程基础(上)-华中科技大学PPT课件

一、关于电气工程基础,1.课程背景2.课程特点、前修课程、后续课程特点：工程思想前修课程：电路理论、电机学后续课程：电力系统分析、继电保护、电力系统自动化、高电压技术3.教材：熊信银，张步涵电气工程基础（第二版）华中科技大学出版社，20104.学习方式、要求：5.考核方式：笔试80%平时成绩20%6.教学录像：配合,二、教学内容及学时安排,第一章绪论（4）电力系统、电力网、变电站的定义与分类；大系统联网的技术经济效益简介；电力系统的特点；对电力系统的要求；电能质量指标；电力系统和电气设备额定电压及其规定；电压等级与传输功率及传输距离的关系；接地的基本概念和类型；各种工作接地方式的技术特点、适用电压等级第二章发电系统（2）能源的概念与分类，我国的（发电）能源分布和能源政策发电厂的能量转换；各类发电厂的分类及特点第三章输变电系统（4）一次系统和一次设备的基本概念；一次设备的类型；母线、断路器、隔离开关、输电线路、TA、TV等一次设备；各类电气主接线的接线方式、运行特点、检修特点、适用场合（注意各类主接线之间的比较）；配电装置的基本概念及分类，安全净距的概念及ABCDE值简介；保护接地的基本概念、实现原理及分类。第四章配电系统（1）配电网基本概念；保护接零的基本概念、原理及分类。第五章电力系统负荷（1）负荷的基本概念及分类；负荷曲线的基本概念及分类；最大负荷利用小时数Tmax,二、教学内容及学时安排,第六章电力网的稳态计算张步涵（6）电力线路结构、架空输电线路的参数计算和等值电路、变压器的等值电路及参数计算、元件的电压和功率分布计算、开式电力网（同一电压级、不同电压级）潮流计算第七章电力系统的短路计算（10）短路故障、标幺制、无限大功率电源供电网络的三相短路、网络简化与转移电抗的计算、有限容量系统供电网络三相短路电流的实用计算、各元件的负序与零序参数、各序网络的建立、不对称短路的计算第八章电气主接线的设计与设备选择（4）载流导体的发热和电动力；电气设备选择的一般步骤及计算公式；短路计算点的基本概念和选择方法；断路器、电抗器的选择第九章现代电力系统的运行（6）有功功率与频率的关系；电力系统无功功率平衡及其与电压的关系；电力系统调压的基本思路，中枢点电压管理；电力系统各种调压措施的原理、计算和应用；电网运行经济性简介（网损概念及计算、最大负荷损耗时间、降损措施）；电力系统稳定性基本概念。第十章电力系统继电保护（4）继电保护的基本概念、作用、基本原理；继电保护装置的构成，动作电流、返回电流、返回系数的基本概念；继电保护的“四性”要求；三段式相间短路电流保护的实现原理,二、教学内容及学时安排,第十一章发输变配电系统的二次系统（4）二次系统和二次设备的基本概念；原理接线图、展开接线图和安装接线图的基本概念和绘制原则；对断路器控制的基本要求，控制开关，断路器控制回路的实现第十二章电力系统内部过电压（6）过电压的基本概念和分类；操作过电压产生的基本原理，切除空载变压器、切除空载长线路、合闸空载线路、电弧接地等产生过电压的机理、过电压倍数及其影响因素、限制过电压的措施；三种谐振过电压产生的机理、特点、过电压倍数及其影响因素、限制过电压的措施，电力系统中常见谐振过电压及其防治；工频电压升高基本概念及原理简介第十三章电力系统防雷保护（2）雷电的放电过程和雷电参数；防雷装置的外特性第十四章电力系统绝缘配合（1）绝缘配合的基本概念；绝缘配合方法第十五章现代电力系统的管理（0）,第一章绪论,第一节电力系统发展概况及前景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,第一节电力系统发展概况及前景,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2240kW；核电：1991年浙江秦山300MW；,输电线路：1974年甘肃刘家峡水电站陕西关中地区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年青海官厅甘肃兰州东750kV交流；2008年晋东南南阳荆州1000kV交流2010.06.18：云南省楚雄广东省广州800kV直流输电工程,电力系统之最：最大单机：火电：1000MW（玉环061128、邹县061204）水电：700MW（三峡）核电：1000MW（岭澳核电厂）最大发电厂：水电：三峡工程，3270万kW，年均发电量846亿kWh，比全世界70万kW机组的总和还多，世界最大发电厂火电：500万kW（北仑电厂，5602100万kW）核电：200万kW（岭澳核电厂，2100万kW）抽水蓄能：830万kW（广蓄，世界最大）,我国电力系统的发展：,我国发电装机容量的几大跨越：1987年，突破1亿kW(105年)；1995年3月，突破2亿kW；2000年4月，突破3亿kW；2004年5月，以三峡电站7号机组投产发电为标志，我国发电装机突破4亿kW；2005年10月突破5亿kW；2006年突破6亿kW；2007年更突破了7亿kW；2008年末7.9253亿kW。,2007年国家/地区人均发电量排名,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2.电力工业现代化高电压、大系统大电厂、大机组智能电网,3.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,支出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,4.电力市场基本特征：开放、竞争、计划、协调基本原则：公平、公开、公正5.绿色能源的开发和利用（风能、太阳能等）6.节能、减排、低碳,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,一、什么是电力系统？,电力网：由变电所和不同电压等级输电线路组成的网络。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。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。,电力网：按电压等级的高低、供电范围大小的分类超高压远距离输电网：电压等级为330kV500kV的网络区域电力网：电压等级在35kV以上（一般为110kV220kV）地方电力网：电压等级在35kV及以下,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,二、电力系统的形成电力系统规模越大，给人们带来的技术经济效益越大：可以提高供电可靠性可以减少备用容量可以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,三、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V,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,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。,四、对电力系统的要求保证供电可靠保证良好的电能质量提高电力系统运行经济性,Exa：一台1000MW火电机组，年利用小时5000h，煤耗率290g/kW.h，煤价：600元/吨。Sol：年发电量：1000000kW5000h50亿kW.h需标煤：50亿kW.h290g/kW.h145万吨标煤燃料费：145万吨600元/吨87000万元1%节约：燃料：1.45万吨标煤燃料费：870万元,第三节电能质量指标,电能的质量指标：电压频率波形,电压：必要性：,电压质量标准：,频率：,频率偏差：0.2Hz（3000MW系统）0.5Hz（3000MW系统）国外：(0.10.2)Hz或0.5Hz,电钟时偏：30s（3000MW系统）1min（3000MW系统）,额定频率：50Hz（国外：50或60Hz）,波形：,谐波电压限值,表1-3公用电网谐波电压限值,2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）,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,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。,二、电气设备额定电压和最高电压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。,注：受（用）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,直流系统的额定电压100V以下的额定电压，受电设备与供电设备相同。对受电设备为110V、220V和440V的直流系统，供电设备的额定电压分别为115V、230V和460V。,低于3kV交流三相/单相电力系统额定电压和电气设备额定电压,2、3kV及以上系统的额定电压电力线路额定电压：等于电力系统的额定电压UN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变压器二次绕组：相当于发电设备110%UN特例1：变压器一次绕组105%UN特例2：变压器二次绕组105%UN,I（U1U2）/ZSU2(U1U2)/lz010%UN2/lz0传输功率S、电压等级U、输电距离l之间的关系SConst，lU2lConst，SU2,第四节电力系统中性点接地,一、概述二、中性点不接地系统三、中性点经消弧线圈接地电力系统四、中性点直接接地的电力系统五、中性点经电阻接地的电力系统,一、概述接地：为了保证电力网或电气设备的正常运行和工作人员的人身安全，人为地使电力网及其某个设备的某一特定地点通过导体与大地作良好的连接。,接地分类：工作接地：为了保证电气设备在正常或发生故障情况下可靠地工作而采取的接地。保护接地：将一切正常工作时不带电而在绝缘损坏时可能带电的金属部分接地，以保证工作人员接触时的安全。保护接零：在中性点直接接地的低压电力网中，把电气设备的外壳与接地中性线直接连接，以实现对人身安全的保护作用。防雷接地：为消除大气过电压对电气设备的威胁，而对过电压保护装置采取的接地措施。防静电接地：对生产过程中有可能积蓄电荷的设备所采取的接地。,电力系统的中性点接地方式：小接地电流系统大接地电流系统如何确定电力系统中性点接地方式：应从供电可靠性、内过电压、对通信线路的干扰、继电保护以及确保人身安全诸方面综合考虑。,二、中性点不接地的电力系统,结论：三相电压对称，三相导线对地电容电流也是对称的，三相电容电流相量之和为零，这说明没有电容电流经过大地流动。,单相金属性接地故障时(A相),故障相对地电压降为零；非故障相对地电压升高为线电压，且相位相差600。因此，线路及各种电气设备的绝缘要按线电压设计，绝缘投资所占比重加大，显而易见，电压等级越高绝缘投资越大。三相线电压仍然对称。用户的三相用电设备仍能照常运行，但允许继续运行的时间不能超过2h。,接地故障电容电流IPE,中性点不接地系统发生单相接地故障时：接地电流大于30A时，将形成稳定电弧，成为持续性电弧接地，这将烧毁电气设备和可能引起多相相间短路。如果接地电流大于5A10A，而小于30A，则有可能形成间歇性电弧；间歇性电弧容易引起弧光接地过电压，其幅值可达（2.53）U，将危害整个电网的绝缘安全。如果接地电流在5A以下，当电流经过零值时，电弧就会自然熄灭。Howtodo？,三、中性点经消弧线圈接地的电力系统,消弧线圈:安装在变压器或发电机中性点与大地之间的具有气隙铁芯的电抗器。单相(C相)金属性接地故障:C相发生接地时，中性点电压变为-UC，在消弧线圈作用下，产生电感电流（滞后90），其数值为:ILUC/XLU/XL,消弧线圈的补偿方式全补偿方式：按IL=IC选择消弧线圈的电感，使接地故障点电流为零，此即全补偿方式。欠补偿方式：按ILIC选择消弧线圈的电感，此时接地故障点有剩余的电感电流流过。,消弧线圈容量的选择,下述情况，应安装消弧线圈,四、中性点直接接地的电力系统,特点：供电可靠性不如电力系统中性点不接地和经消弧线圈接地方式。为提高供电可靠性，在线路上广泛安装三相或单相自动重合闸装置。电气设备的绝缘水平只需按电力网的相电压考虑，可以降低工程造价。我国380/220V系统中一般都采用中性点直接接地方式，主要是从人身安全考虑问题。,适用范围：我国110kV（国外220kV）及以上电压等级电力系统。380/220V低压系统。,五、中性点经电阻接地的电力系统,特点：降低工频过电压，抑制弧光过电压；消除铁磁谐振过电压，防止断线谐振过电压；设置零序保护动作跳闸；设置零序保护动作跳闸；避免发生高压触电事故；供电可靠性有保证。,适用范围：配网系统（与中性点经消弧线圈接地、不接地比较）全电缆出线变电站的单相接地故障电容电流超过30A时采用中性点经电阻接地；全架空线路出线变电站的单相接地故障电流超过10A时，采用中性点经消弧线圈接地；对电缆与架空线混合线路的单相接地故障电容电流超过10A时，可采用中性点经消弧线圈接地或采用中性点经电阻接地。,35kV降压变压器,升压变压器,110kV输电线路,北京知春里220kV变电所,北京新东安110kV地下变电站,广东新丰江水电站,水轮机,世界上最大水轮发电机组：三峡水轮发电机组。,用户照明,三峡大坝鸟瞰,第二章发电系统,第一节能源及电能第二节火力发电厂第三节核电厂第四节水电厂第五节其它发电厂第六节各类发电厂的技术经济特点,第一节能源及电能,一、能源的分类,二、新能源,三、我国的能源资源及电网特点,一、能源的分类,煤，石油，天然气，核裂变物质,水力,核聚变物质,太阳能，风能，海洋能，地热能,电力、焦炭、煤气、汽油、煤油、柴油重油、氢能、沼气、酒精、蒸汽、热水等,二次能源,一、能源的分类,太阳能发电：地球表面一年从太阳获得的总能量约达61017kW.h，比全世界目前一年内利用各种能源的总和还大1万倍以上风力发电：世界上风能总量约3500亿kW，相当于每年可发电3050亿万kWh地热发电：地热资源分为干蒸汽田、湿蒸汽田、地热水和热岩层沙漠温差发电、风筝发电、重力发电、高跟鞋风电,海洋能发电：大范围有规律的动能（如潮汐、海流）和无规律的动能（如波浪能）以及海洋不同深度的温差（热能）磁流体发电：它是利用高温等离子体流过与流动方向垂直的强磁场，在与等离子体流向和磁场都垂直的方向上产生了电动势，使回路中产生电流的直接发电方式核聚变能：轻核聚变所释放的能量十分巨大，如氘聚合成一公斤氦，所释放的能量相当于一万吨标准煤完全燃烧放出的能量,二、新能源,三、我国的能源资源及电网特点,能源是一个国家生存和发展的最基本的条件，电力是能源的最基本构成之一。,到2002年底，探明可直接利用的煤炭储量为1886亿t，我国煤矿的平均资源综合回收率仅为30%，按煤炭产量19亿t计算，仅使用30年。世界上10大产煤国，2004年煤炭产量（/亿t）分别为：中国19.56，美国9.32，印度3.62，俄罗斯2.83，澳大利亚2.64，南非2.43，印度尼西亚1.35，波兰0，哥伦比亚0.52，德国0.29，共计42.56，中国占45.96%。,煤炭供给的85以上集中在秦岭和淮河以北，山西和内蒙就占了50，而煤炭需求多集中在沿海经济比较发达的地区，煤炭的平均运输成本高于开采成本。华东地区煤炭资源储量87%集中在安徽、山东，而工业主要在上海为核心的长江三角洲地区。中南地区72%集中在河南，而工业在武汉和珠江三角洲地区。西南地区67%集中在贵州，而工业主要在四川。东北地区52%集中在黑龙江，而工业集中在辽宁。,煤炭是我国最主要的能源，探明可直接利用的煤炭储量为1886亿吨，但煤炭资源的分布很不均匀。,我国水能资源居世界首位理论蕴藏量6.76亿kW，其中，可开发装机容量3.78亿kW（单机500kW及以上），年发电量1.92万亿kWh。水能资源利用率低于世界平均水平:目前，水能资源的开发利用率以装机计为可开发装机容量的18，以发电量计约11.56，远低于经济发达国家的水平。,水电是清洁、环保和可再生的能源。我国可开发水能资源量，开发条件优越，技术经济指标良好。,石油，截至1996年底，储量约32.87亿t，居世界第9位。铀，我国的铀储量可供4000万kW核发电厂运行30年。风能，可开发的装机容量有2.53亿kW。海洋潮汐能，我国沿海的潮汐能量约有2亿kW。天然气，根据1993年的预测，总资源量达38万亿m3。,中国的能源状况：,资源相对贫乏，人均占有量更低。煤的储量占世界的4.2%石油为2%(为世界平均水平1/10）天然气为0.5%（为世界平均水平1/20）水能15%（世界第一）分布极为不均匀因此，对资源的合理配置与管理极其重要。,美科学家宣称盐水在无线电作用下可燃烧?2007年09月12日08:27新浪科技北京时间9月12日消息，据国外媒体报道，美国的科学家日前表示，他们发现普通盐水在无线电波的照射下可以燃烧，这很可能是21世纪人类最伟大的发现之一，未来将有望解决人类的能源危机。这个发现是约翰-坎祖斯在研制癌症治疗法的时候偶然发现的，当时他在尝试用一个射频发生器给海水脱盐，结果发现处于无线电频率下的盐水会燃烧。这一发现令科学家们为之兴奋，如此一来，科学家们将可以利用地球上最富足的资源-海水来作为燃料。美宾夕法尼亚州的化学家罗斯坦姆-罗伊在实验室中证实了他的观测，他表示，无线电频率可以降低盐水中所含元素之间的结合力，释放出氢，一旦点火，氢气就会在这种频率下持续燃烧。罗斯坦姆-罗伊说：“这个发现绝对是100年来最神奇的水科学。世界上最丰富的资源就是海水，它无处不在。看着盐水燃烧不禁让我有些寒意。”本周，罗伊将会见美国能源部和国防部官员，以争取获得一些科研资助。科学家们目前希望了解氢燃烧所释放的能量燃烧时温度高达3000多华氏度可以为一辆汽车或者其它重型机械提供足够的能量。罗伊说：“我们将集思广议，看看研究的结果到底如何。可以肯定，它的发展潜力将会是巨大的。”,美研制高空风车发电应对能源短缺2008年09月28日07:39新浪科技讯北京时间9月28日消息，据美国探索杂志报道，风力早已被认为是一种重要的能量资源。但是，几十年来人们一直不知道风力的实际发电量是多少。最新研究发现，利用高空风车发电，可解决人类的能源短缺问题。三年前，斯坦福大学的大气学家克里斯蒂纳阿彻和马克雅各布森根据空气流动模式作了详细计算。他们使用一种保守的方式计算了80米高处的风能产生的能量。海拔80米是现在典型的风力涡轮机的高度。两人的计算得出，在理想状态下，风能发电72万亿瓦特。这是一个相当可观的数字。而2007年美国的总发电量只有1万亿瓦特多一点。但是，阿彻意识到，这个数字只不过暗示一种可能性。风速随海拔而增大，而有效功率随风速的三次方增大。这意味着，72万亿是一个较低的估算。海拔每升高几英里，涡轮叶片的发电量就高达地面涡轮叶片发电量的250倍。阿彻说：“这一前景简直太令人兴奋了。”发展高空飞行风力发电机的一个方案来自澳大利亚悉尼工业大学的工程学教授布赖恩罗伯茨和开发他的研究的圣地亚哥的SkyWindPower公司。他们设计了带有转子的风筝，象直升飞机那样飞到1英里或者更高的海拔，也是风力最强的地方。到达这一高度后，转子就切换到发电模式，可把电发送到很远。当风有变化时，风筝被叫做飞行发电器也会追随风而变。还有几家其他研究组也在研究相关的高空飞行风力发电方式。,电网现状,2010年前后国家电网特高压骨干网架规划图,美公司推出无线输电系统可用于手机电脑,2007年美国麻省理工的科学家们完成了一项实验，他们使用两个相距2米的铜线圈，成功地通过无线电力传输点亮了一个功率为60瓦的灯泡。电磁波无线输电系统由美国WiTricity公司开发，能够在不借助电线情况下为手机、电视等用电设备输送电量。实际上，利用电磁波进行无线输电的想法已经不是什么新鲜事，但由于电磁能会向所有方向辐射，这种输电方式效率很低。为此，索尔贾希克将目光转向“共振”原理，即在使用一个确定的频率时，能量转移能够更有效地进行。当两个物体拥有相同的共振频率时，彼此间的能量转移将更为强烈，周围物体无法对这一过程产生影响。举个例子来说，如果歌手唱出一个特定的高音，其所产生的声共振能够将酒杯“撕碎”。WiTricity的无线输电系统便利用了低频电磁波的共振现象。WiTricity研制的一种充电器共由两个磁线圈组成，其中一个磁线圈能够以一个特殊的频率产生共振，可以植入墙内，或者放置在地板、天花板以及桌子下面。另一个磁线圈则植入手机或笔记本，通过以同样的频率共振吸收电量。,第二节火力发电厂,一、分类二、能量转换过程三、火电厂的组成四、火力发电厂的生产过程五、火力发电厂的系统流程,一、火电厂分类,低压、中压、高温高压超高压、亚临界、超临界超超临界(25MPa,580),热力参数,2003火力发电及供热用原煤8.51亿吨，供电标准煤耗380g/kWh，比国际先进水平320g/kWh高60g/kWh,相当于美国、英国70年代的水平。一年发电多耗标准煤约1.1亿吨。主要原因：火电大机组比重偏低，2003年全国6MW及以上的火电机组4959台，总容量为278498.3MW，平均机组容量为56.16MW，300MW及以上占总容量43.1%，超临界机组仅占火电总装机容量的2.2%，而发达国家已占50%以上。,二、火力发电厂的生产过程,煤从储煤厂用输煤皮带送到煤粉设备中磨成细粉并加热干燥，然后送进锅炉，与鼓风机吹进来的空气混合燃烧。燃烧发出的热量传给锅炉内的水，使其产生蒸汽。蒸汽送到汽轮机后逐级膨胀作功，驱动发电机发电。蒸汽在汽轮机内的压力和温度逐渐降低，最后进入冷凝器。凝结成的水再用水泵送到低压给水加热器，最后又送入锅炉。,三、能量转换过程,燃料的化学能,四、火电厂的组成,锅炉,辅助设备,五、火力发电厂的系统流程,燃料供应及煤粉制备系统锅炉燃烧及除尘除灰系统热力系统循环水冷却系统,汽水补充系统热力控制系统电气系统,从已探明的能源储量来看，地球上的石油和天然气在今后几十年内将被耗尽，煤炭也只能再用几百年。但是可开发的核燃料所提供的裂变能可供人类用几千年，提供的聚变能则几乎是用之不竭。核能将成为重要的能源之一。,第三节核电厂,当前投入使用核电站均采用原子核裂变时释放出来的能量发电。,能量转换过程裂变热能机械能电能,分类：堤坝式引水式抽水蓄能,水力发电就是利用水能发电的一种方式在天然河流上构筑堤坝，抬高水位，形成水库。上游水库中的水经进水口，压力水管进入水轮机蜗壳，冲动水轮机转动，并带动同轴的发电机发出电力。作功后的尾水，经尾水管流至下游河道,第四节水电厂,能量转换过程水能机械能电能,一、风力发电风力发电是利用风的动能来生产电能。风力发电的过程是利用风力使风机的转子旋转，将风的动能转换成机械能，再通过变速和超速控制装置带动发电机发出电能。我国风力资源丰富，尤其在西北、东北和沿海地区，有着建设风力发电厂的天然优势。风能发电成本低，风能是清洁的能源和可以再生的能源，风力发电必将会得到更大的发展。,第五节其他发电厂,二、太阳能发电在新能源中，应用最广，最有发展前途的是太阳能发电。太阳能发电可以分为太阳的热能发电和太阳的光能发电。利用太阳的热能发电，有直接热电转换和间接热电转换两种形式。温差发电、热离子和磁流体发电等，属于直接转换方式。将太阳能聚集起来，通过热交换将水变为蒸汽来驱动汽轮发电机组发电则属于间接转换方式。因为太阳能取之不尽，用之不竭，太阳能发电具有安全可靠，使用寿命长，无噪声，不需要燃料，不污染环境等优点，所以倍受人们青睐。,三、地热发电地热发电是利用地表深处的地热能来生产电能。地热发电厂的生产过程与火电厂相似，只是以地热井取代锅炉设备，将地热蒸汽从地热井引出，滤除其中的固体杂质后，由地热蒸汽推动汽轮机旋转，将地热能转换为机械能，带动发电机发出电能。地球内部蕴藏着巨大的热能，据估计全世界可供开采利用的地热能相当于几万亿煤，因此，开发利用地热资源发电具有广阔的发展前景。,四、潮汐发电海水时进时退，海面时涨时落。海水的这种自然涨落现象，称为潮汐。潮汐是由月球和太阳的引力对海水的作用形成的。潮汐发电是利用海水涨潮、落潮中的动能和势能来发电的。潮汐发电厂一般建在海岸边或河口地区，与水电厂建筑拦河坝一样，潮汐发电厂也需要在一定的地形条件下，建筑拦潮堤坝，以形成足够的潮汐潮差及较大的容水区。潮汐发电厂在涨潮和退潮时均可发电，即涨潮时将水通过闸门引入厂内发电并储水，退潮时打开另一闸门放水发电。我国的海岸线长，沿海的潮汐能量约有2亿kW。,第六节各类发电厂的技术经济特点,一、发电厂的分类二、火电厂三、核电厂四、水电厂五、抽水蓄能电厂六、燃气蒸气联合循环电厂,一、发电厂的分类,基荷：核电站大型凝汽式径流式水电站,腰荷：中型凝汽式部分水电站燃气蒸汽联合循环,峰荷：水电站抽水蓄能小型凝汽式燃汽轮机,出力与发电量比较稳定：只要发电设备正常、燃料充足，就可以按其额定装机容量发电。,调节负荷的能力有限（最小技术出力限制）,不宜经常启停启动技术复杂，且需耗费大量燃料、电、化学水。如50MW机组从冷态启动到带满负荷需要6h。,负荷调节速度慢：国产300MW机组，改变负荷速率仅为每分钟12%（一般在3%左右，不超过5）,选址较灵活，有利于合理配置有功和无功电源（除坑口等电厂外）。,火电厂建设周期较短，投资较少，但运行费用较高。,二、火电厂,三、核电厂,连续地以额定功率运行，在电力系统中总是分担基荷技术上，核电站也可承担腰荷,主要设备及辅助设备极为复杂，检修时间较长。在有核电站的电力系统中需要设置较大的发电机组备用容量，并要求有抽水蓄能机组进行调峰配合。,主要优点：核燃料以少胜多。一座100万kW的压水堆核电站一年只需2530吨低浓铀作为燃料。而同容量的燃煤火电站一年需要约250万吨原煤。因此，正常运行时核电站的环境污染较小。,大约每年更换一次燃料，每次停运约半个月大亚湾核电站每年更换一次燃料，每次更换三分之一的燃料棒，加检修约需60天左右,四、水电厂,最突出的运行特点是其出力和发电量随天然径流量的情况而变化。在丰水年电能有余，可能引起弃水；在枯水年则电能不足，可能导致发电容量空闲，用户停电。,另一运行特点是启停机迅速方便。从停机状态到满负荷运行需时仅12min。此外，水轮机出力在一定幅度变化时仍能维持较高的效率。因此，水电站适合在电力系统担任调峰和调频任务。,水能可再生能源。运行成本几乎与其生产的电量无关。在一定时期内，当天然来水多时发电量亦多，而运行费用并不显著增加。所以，水电站应充分利用天然来水所提供的能量。,有时还可能由于水头太低，使水轮发电机达不到其额定出力。水头下降的原因：在低水头水电站（如葛洲坝），是由于洪水期天然流量过大而使下游水位猛涨；在中水头水电站，则是由于供水期末水库水位下降过低。,建设周期较长，单位投资较大。运行成本较低，基本无污染。,五、抽水蓄能电站,调峰填谷。也可承担系统备用以及调频、调相任务,大中型抽水蓄能电厂建设周期较长（约8年），但投资较低（不高于同容量火电机组），运行费用较低。,目前工作水头在600m以下的抽水蓄能电站几乎全部采用可逆式机组，即其水轮机在抽水时工作在水泵状态，在发电时工作在通常的水轮机状态。机组运行的灵活性有的已超过了常规水力发电机组，运行可靠性也大大提高。,使水电站更好地发挥综合利用效益水库具有综合利用效益的水电站其发电经常受到限制。例如担负灌溉用水时，在农田不用水的季节，水库应保留蓄水量以备以后灌溉之用，使发电量减小。如装设抽水蓄能机组，则该水电站每天仍可发电调峰，夜间再将水从下库抽到上库，使灌溉水量不受损失。,效率6776,整体煤气化燃气蒸汽联合循环（IGCC）：以煤气化设备和燃气轮机取代锅炉，先将煤气化成可燃气体，在燃气轮机中燃烧，燃烧产生的高温度通过燃机作功，作功后排气的中、低温段能量用以产生蒸汽驱动汽轮机，从而实现煤的化学能的梯级利用，提高了联合循环的热效率，热效率可提高到4250%。为了提高热效率，必须提高燃气轮机入口初温，一般可达100015000C。,主要优点：高发电效率与高可靠性。一般发电效率可达46%以上；快速启、停，具有良好的调峰能力；建设周期短，单位千瓦占地面积小，运行维护人员少；,六、燃气蒸气联合循环电站,增压流化床燃烧燃气蒸汽联合循环（PFBCCC）由燃气轮机带动发电机和压气机，将空气压入增压沸腾床，沸腾床燃烧生成的烟气经除尘后进入燃气轮机，沸腾炉生成的蒸汽进入汽轮机发电，其中80%是蒸汽发电。若燃气轮机入口温度为90012500C，则发电效率可达4348%。,大气污染程度轻，耗水量少。如：对于800MW电站，联合循环电站排入大气中的有害物质SO2和NOx总量从常规燃煤电站的12th降到3th。其中，SO2减少了90%，NOx减少了50%，并且不再排出粉尘和氟。,第三章输变电系统,一、概述二、输变电设备三、电气一次接线（重点）四、配电装置五、保护接地（重点）六、高压直流输电（不作要求）,输变电设备包括变换电压的设备：如变压器。接通和开断电路的开关电器：如断路器，隔离开关，熔断器等。防御过电压，限制故障电流的电器：如避雷器、避雷针、避雷线、电抗器。无功补偿设备：如电力电容器，同步调相机，静止补偿器。载流导体：如母线，引线，电缆，架空线。接地装置；如变压器中性点接地、设备外壳接地、防雷接地等。电气主接线发电厂和变电所中的一次设备，按照一定规律连接而成的电路，也称电气一次接线或一次系统。,第三章输变电系统3-1概述,输电线路开关电器高压断路器的基本参数额定开断电流INbr、全开断时间tab、合闸时间ton额定动稳定电流（峰值）ies、热稳定电流It、自动重合闸性能电流互感器运行特点：二次绕组不能开路“电流源”二次接线：单相接线；星形接线；不完全星形接线,第三章输变电系统3-2输变电设备,电压互感器运行特点：二次绕组不能短路“电压源”接线方式：,第三章输变电系统3-2输变电设备,(a)一台电压互感器接相电压(b)一台电压互感器接线电压(c)不完全星行接线(d)三台单相三绕组或三相五柱式电压互感器接线(e)电容式电压互感器接线,第三章输变电系统3-3电气一次接线,一、电力系统接线和输变电网络接线二、电气主接线的基本接线形式*三、发电厂及变电所的电气主接线举例,一、电力系统接线和输变电网络接线电力系统接线：地理接线图和电气接线图,地理接线图：表明各发电厂、变电所的相对地理位置和它们之间的联接关系,一、电力系统接线和输变电网络接线电力系统接线：地理接线图和电气接线图,电气接线图：表明电力系统中各主要元部件之间和厂所之间的电气联接关系,一、电力系统接线和输变电网络接线输变电网络接线无备用和有备用,无备用：单回路放射式、干线式和链式网络等，每一负荷只能靠一条线路获得电能，又称开式网络。,有备用：双回路式、单环式、双环式和两端供电式等，每一个负荷点至少可以通过两条线路从不同方向取得电能，又称闭式网络。,二、电气主接线的基本接线形式有汇流母线：单母线、单母线分段，双母线，双母线分段；增设旁路母线或旁路隔离开关，一倍半断路器接线，变压器母线组接线等。无汇流母线：单元接线、桥形接线、角形接线等。几个基本概念：汇流母线：起汇集和分配电能的作用，也称汇流排。进、出线：进线指电源，出线指线路。断路器、隔离开关（母线、线路）、接地刀闸：,第三章输变电系统3-3电气一次接线,1.单母线接线接线图,第三章输变电系统3-3电气一次接线（A.有汇流母线接线）,特点简单、清晰、设备少。当母线故障或检修或母线隔离开关检修时，整个系数全部停电。断路器检修期间也必须停止该回路的供电。适用范围单电源的发电厂和变电所，且出线回路数少，用户对供电可靠性要求不高的场合。,断路器与隔离开关的操作顺序：送电操作顺序：先合上断路器两侧的隔离开关，再投入断路器。停电检修操作顺序：先断开断路器，再断开断路器两侧的隔离开关。待线路对方仃电后，再合上接地刀闸。,2.单母线分段接线接线图,第三章输变电系统3-3电气一次接线（A.有汇流母线接线）,特点减少母线故障或检修时的停电范围。断路器检修期间必须停止该回路的供电。母线分段的数目，通常以23分段为宜，分段太多增加了分段断路器。适用范围610kV配电装置出线6回及以上；35kV出线数为48回；110220kV出线数为34回。,3.单母线分段加装旁路母线接线接线图,第三章输变电系统3-3电气一次接线（A.有汇流母线接线）,旁路母线的作用不停电检修进出线断路器。操作方式（检修QF4，且WL4不停电）如A、B段经QF1和QS1、QS2并列运行，则闭合QS5断开QF1断开QS1闭合QS3闭合QF1使W3带电（不要首先闭合QS8）。此时若W3隐含故障，则由继电保护装置动作断开QF1。若W3充电正常，操作可以继续进行：合上QS8断开QF4。这时WL4由母线BQS2QF1QS3W3QS8WL4供电。并由QF1替代断路器QF4。QF4检修前，应把QS6、QS7断开。适用范围中小型发电厂和35110kV的变电所。,（分段断路器QF1兼旁母断路器）,4.双母线接线接线图具有两组母线W1，W2。每一回路经一台断路器和两组隔离开关分别与两组母线连接，母线之间通过母线联络断路器QF（简称母联）连接。,第三章输变电系统3-3电气一次接线（A.有汇流母线接线）,运行方式母联QF断开，一组母线工作，另一组母线备用，全部进出线接于运行母线上。母联QF断开，进出线分别接于两组母线，两组母线分裂运行。母联QF闭合，电源和馈线平均分配在两组母线上。优点检修一组母线，可使回路供电不中断；一组母线故障，部分进出线会暂时停电。供电可靠，调度灵活，又便于扩建。,第三章输变电系统3-3电气一次接线（A.有汇流母线接线）,双母线接线的倒母线操作闭合母联两侧的隔离开关QS1，QS2，合QF向备用母线充电；若备用母线带电后一切正常，下一步则按“先通后断”的原则：先接通（一条或全部）回路接于备用母线侧的隔离开关；然后断开（该条或全部）回路接于工作母线上的隔离开关；待全部回路操作完成后，断开母联断路器及其两侧的隔离开关。适用范围大中型发电厂和变电所。,5.双母线分段接线接线图,第三章输变电系统3-3电气一次接线（A.有汇流母线接线）,特点工作母线分成2段，即母线II，III段，备用母线I不分段，QF1，QF2为母联，QF3为分段断路器。正常工作时，II，III段工作，I段备用，在分段回路中可接入分段电抗器L，当任一分段故障时，L限制相邻段供给的短路电流。适用范围610kV配电装置中；220kV电压进出线回路数甚多时，也采用双母线四分段的接线。,6.双母线带旁路母线接线接线图,第三章输变电系统3-3电气一次接线（A.有汇流母线接线）,母联兼作旁路断路器一组母线带旁路两组母线带旁路增设旁路跨条,7.一台半断路器接线接线图在母线W1，W2之间，每串接有三台断路器，两条回路，每二台断路器之间引出一回线，故称为一台半断路器接线，又称二分之三接线。,第三章输变电系统3-3电气一次接线（A.有汇流母线接线）,特点具有较高的供电可靠性及运行灵活性。母线故障，只跳开与此母线相连的断路器，任何回路不停电。隔离开关不作操作电器，减少了误操作的几率。使用设备较多，投资较大，二次控制接线和继电保护配置也比较复杂。适用范围大型电厂和变电所的超高压配电装置。,1.单元接线及扩大单元接线接线图a.单元接线,第三章输变电系统3-3电气一次接线（B.无汇流母线接线）,B.扩大单元接线,2.桥形接线接线图,第三章输变电系统3-3电气一次接线（B.无汇流母线接线）,内桥与外桥接线的比较,适用范围,3.角形接线接线图,第三章输变电系统3-3电气一次接线（B.无汇流母线接线）,第三章输变电系统3-3电气一次接线,三、发电厂及变电所的电气主接线举例,发电厂主接线区域性电厂：指坑口电厂和远离城市的大型水火电厂。这类电厂一般规模较大，设备年利用小时数高，生产的电能主要以升高电压送入电力系统，通常不设发电机电压母线。,地方性电厂：主要是热电厂和中小型电厂。大量电能以发电机电压馈送给地方用户，剩余功率以升高电压送入系统，设发电机电压母线。,第三章输变电系统3-3电气一次接线,第三章输变电系统3-3电气一次接线,变电所主接线,第三章输变电系统3-4配电装置,一、概述*二、配电装置的安全净距*三、屋内配电装置四、屋外配电装置五、成套配电装置,第三章输变电系统3-4配电装置,一、配电装置的概念及分类配电装置：根据电气主接线的要求，由开关电器、保护和测量电器、母线和必要的辅助设备组建而成，用于接受和分配电能的装置，它是发电厂和变电站的重要组成部分。配电装置的分类：装设地点：屋内（三层、二层、单层）和屋外（三层中型、半高型、高型）配电装置组装方式：装配式在现场将电器组装而成的配电装置；成套式在制造厂预先将开关电器、互感器等组成各种电路，成套供应的配电装置，其中以SF6全封闭组合电器内的设备最齐全。,第三章输变电系统3-4配电装置,二、配电装置的安全净距*在配电装置中，带电部分与接地部分之间和不同相带电部分之间的空间最小安全净距，即A1和A2值。A值：应保证无论在正常最高工作电压或出现内外过电压时都不致使相应空气间隙击穿；B值：带电部分至无孔遮栏；C值：无遮栏裸导体至地（楼）板；D值：不同时停电检修的无遮栏导体间水平净距；E值：屋内架空出线套管至屋外地面。,第三章输变电系统3-5保护接地,一、保护接地的作用*二、保护接地装置电阻的允许值三、发电厂和变电所接地装置四、保护接地*,第三章输变电系统3-5保护接地,一、保护接地的作用保护接地：将电气设备金属外壳、金属构件或互感器的二次侧等接地，防备由于绝缘损坏而使外壳带危险电压后，以保护工作人员在接触时的安全。,触电方式与带电部分直接接触；接地故障时，人处于接触电压和跨步电压的危险区；与带电部分间隔在安全距离之内。,第三章输变电系统3-5保护接地,二、保护接地装置电阻的允许值接触电压和跨步电压：接地电压：电气设备的接地体与零电位之间的电位差UE。,接触电压：当人触及带电的外壳，加于人手和脚之间的电压。跨步电压：当人在分布电位区域内跨开一步，两脚间（相距0.8米）所受到的电压。,第三章输变电系统3-5保护接地,保护接地装置电阻的允许值大电流接地系统：单相接地时接地网电压不能超过2000V，故RE2000/I。当I4000A时，可取RE0.5。小接地电流系统：接地装置仅用于高压设备时，接地电压不得超过250V，即RE250/I。接地装置为高低压设备共用时，接地电压不超过120V，即RE120/I。一般接地电阻应不超过10；1000V以下电网中接地电阻最好不超过4。,第三章输变电系统3-5保护接地,三、保护接地分为IT、TT和TN三种方式。TN方式为保护接零是保护接地的一种，即将设备金属外壳接零线。IT接地方式,字母I为电源中性点不接地或经高阻抗接地，T为设备的金属外壳接地。其实质是通过降低接地电阻RE，限制故障设备外壳的接地电压UE的值，近似计算可得：,通常REZ，当RE10时，接地电压可限值在安全范围内。,第三章输变电系统3-5保护接地,TT接地方式,字母TT分别表示电源中性点和设备的金属外壳接地。TT接地方式普遍用于高压系统中。但对有较大容量电器的低压系统则不妥。因为：,若相电压U=220V，r0=RE=4，接地电流IE=27.5A，电压U0=UE=110V，接地电流不大。对较大容量的电器设备，接地电流可能小于负荷电流，当发生金属外壳接地时，由于保护整定值较大，熔断器或保护装置是不能正确选择动作的。对地电压将长期存在，对人身不安全。,119,第一节概述第二节配电网主接线第三节配电网开关设备第四节低压配电网的保护接零*第五节配电自动化及系统,第四章配电系统,120,第一节概述一、配电网的基本概念*,配电网：起分配电能作用的电力网络。通常指电力系统中二次降压变电站低压侧直接或降压后向用户供电的网络。配电网的构成：由架空线或电缆配电线路、配电所或柱上降压变压器直接接入用户。分类：电压等级高压（35220kV）、中压（610kV）、低压（220660V）；供电区的功能可分为城市配电网、农村配电网和企业配电网等。,121,第二节配电网主接线不作要求,第三节配电网开关设备不作要求,二、我国配电网及主要特点三、配电网的几个重要指标,122,第四节低压配电网的保护接零一、保护接零的作用二、保护接零方式,一、保护接零的作用由于电气设备采用保护接地时存在接地电阻使接地电流达不到足够大的数值，继电保护装置不能动作，故障点仍然存在。在中性点直接接地的低压配电网中，当设备发生接地故障时，为了能够以最短的时限将故障设备从电网中切除，使设备的金属部分不致长期带有危险的电位，以保证工作人员的安全，将电气设备的外壳与零线连接，称为保护接零。,123,字母T表示电源中性点接地，N表示零线，PE表示保护线。TN接地方式分为三类：1.TNS方式：,字母S表示N与PE分开，设备金属外壳与PE相连接，设备中性点与N连接，即采用五线制供电。优点是PE中没有电流，故设备金属外壳对地电位为零。主要用于数据处理，精密检测，高层建筑的供电系统。,二、保护接零方式保护接零是保护接地的一种，即TN接地方式。,124,二、保护接零方式2.TNC方式：,字母C表示N与PE合并成为PEN，实际上是四线制供电方式。设备中性点和金属外壳都与N连接。正常时三相不平衡电流和谐波电流流过PEN，故设备金属外壳正常对地带有一定电压。通常用于一般供电场所。,125,二、保护接零方式3.TNCS方式：,一部分N与PE合并成PEN，一部分N与PE分开，是四线半制供电方式。当N与PE分开后不允许再合并。应用于环境较差的场所。,TN接地方式的特点：若设备发生碰壳故障，就形成火线、金属外壳和N或PE的一个金属闭合回路，短路电流较大，能使保护装置迅速将故障切除。零线上不允许安装保护装置和熔断器，零线应多重接地。在同一台变压器供电的电网中，是不允许TT和TN方式混用。,126,第五节配电自