电气工程基础2015.

1、第一章第一章 绪论绪论v第二节 电力系统基本概念v第三节 电能质量指标v第四节 电力系统的电压等级及其选择 v第五节 电力系统中性点接地v第一节 电力系统发展概况及前景第一节第一节 电力系统发展概况及前景电力系统发展概况及前景v一、电力工业发展概况v二、电力系统发展前景一一、电力工业发展概况、电力工业发展概况u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；v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

2、500kV直流。u电力系统之最： 我国最大的火电机组容量90万kW（外高桥第二发电厂），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（岭澳核电厂）； 举世瞩目的三峡工程三峡工程，装机容量32台（含地下电厂6台机组），单机单机容量容量70万kW，年均发电量年均发电量846亿kWh，比全世界70万kW机组的总和还多，是世界上最大世界上最大的发电厂 。 最大的火力发电厂容量300万kW（北仑港电厂，560万kW）， 最大的水力发电厂330万kW（二滩水电厂，655万kW）， 最大的核能发电厂200万kW（岭澳核电厂，2100万kW）， 最大抽水蓄能电厂240万kW（广东抽

3、水蓄能电厂，830万kW），这也是目前世界上最大的抽水蓄能电厂。u我国电力系统的发展：年 份 装机容量（万 kW） 年发电量（亿 kWh） 1949 184.86 43.1 1987 10000 4960 1995 21000 10000 2000 30000 13000 2004 44070 21870 u年人均电量：我国：1700kWh中等发达国家：7000kWh北欧、美国：18000kWh二、电力系统发展前景二、电力系统发展前景1.做好电力规划，加强电网建设做好电力规划，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

4、合电力系统 2. 电力工业现代化电力工业现代化u高电压、大系统u大电厂、大机组u高度自动化3. 联合电力系统联合电力系统 v 效益效益u 各系统间电负荷的错峰效益u 提高供电可靠性、减少系统备用容量u 有利于安装单机容量较大的机组u 进行电网的经济调度u 进行水电跨流域调度u 调峰能力互相支援u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u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u增加了系统短路容量，并可能导致增加或调换已有设备u增加联合电网的通讯和高度自动化的复杂性v支出支出4. 电力市场电力市场u基本特征：开放性 竞争性 计划性 协调性u基本原则：公平 公开 公正5

5、. IT技术在电力系统中的应用技术在电力系统中的应用6.谐波治理谐波治理7.绿色能源的开发和利用（风能、太阳能等）绿色能源的开发和利用（风能、太阳能等） 第二节第二节 电力系统基本概念电力系统基本概念v一、什么是电力系统v三、电力系统的特点v四、对电力系统的要求v二、电力系统的形成水库 GMM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？一、什么是电力系统？v 电力网：由变电所和不同电压等级输电线路组成的网络。v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。v电力系统：由发电机、变压器、输电线路以及用电设备（

6、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。水力发电厂水力发电厂火力发电厂火力发电厂超高压远距超高压远距离输电网离输电网地方电力网地方电力网区域电力网区域电力网110kV35kV35kV500kV220kV110kV10 kV变电所变电所A：枢纽：枢纽变电所变电所C：地方：地方变电所变电所D：终端：终端变电所变电所B：中间中间v 电力网电力网：按电压等级的高低、供电范围大小的分类：按电压等级的高低、供电范围大小的分类u地方电力网地方电力网：电压等级在：电压等级在35kV及以下及以下u区域电力网区域电力网：电压等级在：电压等级在35kV以上（一般为以上（一般为11

7、0kV220kV）u超高压远距离输电网超高压远距离输电网：电压等级为：电压等级为330kV500kV的网络的网络v 变电所变电所：按其在电力系统中的地位分类按其在电力系统中的地位分类u枢纽变电所枢纽变电所u中间变电所中间变电所u地区变电所地区变电所u终端电站所终端电站所二、电力系统的形成二、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电力系统规模越大，给人们带来的技术经济效益越大，具体说明如下：大，具体说明如下：u 可以提高供电可靠性可以提高供电可靠性 u 可以减少备用容量可以减少备用容量 u 可以减少系统装机容量可以减少系统装机容量 u 可合理利用能源，充分发挥水电在系统中的

8、作用可合理利用能源，充分发挥水电在系统中的作用 u 采用高效率大容量的火电机组采用高效率大容量的火电机组 1.1. 可以提高系统运行的经济性可以提高系统运行的经济性 三、电力系统的特点三、电力系统的特点v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f Q发 Q用Q 电压Vv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v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v电力系统的地区性特点较强：发展各具

9、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、对电力系统的要求四、对电力系统的要求v保证供电可靠 v保证良好的电能质量 v提高电力系统运行经济性 Exa：一台：一台600MW火电机组，年利用小时火电机组，年利用小时6000h，煤耗率，煤耗率320g/kW.h，煤价：，煤价：300元元/吨。吨。Sol： 年发电量：年发电量： 600000kW6000h36亿亿kW.h 需标煤：需标煤：36亿亿kW.h320g/kW.h115.2万吨标煤万吨标煤 燃料费：燃料费：115.2万吨万吨300元元/吨吨34560万元万元1%节约：节约： 燃料：燃料：1.152万吨标煤万吨标煤 燃料费：

10、燃料费：345.6万元万元第三节第三节 电能质量指标电能质量指标电能的质量指标主要包括：v电电 压压 v频频 率率v波波 形形140120100806080 90 100 110 120寿命光通量发光效率电流电压/%寿命光通量发光效率电流/%140120100806080 90 100 110 120电压/%效率cos电流/%电流效率cos图图1-3 1-3 照明负荷（白炽灯）的电压特性照明负荷（白炽灯）的电压特性 图图1-4 1-4 异步电动机的电压特性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）v电压电压：u必要性：名 称 允许限值 说 明 供电电压允许

11、偏差 u 35kV 及以上为正负偏差绝对值之和不超过 10%； u 10kV 及以下三相供电为7%； u 220V 单相供电为+7%，-10% 衡量点为供用电产权分界处或电能计量点 电压允许波动和闪变 1电压波动：电压波动： u 10kV 及以下 2.5%; u 35kV110kV 为 2%； u 220kV 及以上 1.6% 2闪变闪变 V10： u 对照明要求较高,0.4%(推荐值); u 一般照明负荷,0.6%(推荐值) u 衡量点为电网公共连接点(PCC)，取实测 95%概率值； u 给出闪变电压限值和频度的关系曲线，可以根据电压波动曲线查得允许值， 并给出算例； u 对测量方法和测量

12、仪器作出基本规定 三相供电电压允许不平衡度 u 正常允许 2%，短时不超过 4%； u 每个用户一般不得超过 1.3% u 各级电压要求一样； u 衡量点为 PCC， 取实测 95%概率值或日累计超标不超过 72min，且每 30min 中超标不超过 5min； u 对测量方法和测量仪器作出规定； u 提供不平衡度算法 u电压质量标准：v频率频率：u频率偏差： 0.2Hz（3000MW系统）0.5Hz（3000MW系统）国外：(0.10.2)Hz 或 0.5Hzu额定频率：50Hz（国外：50 或 60Hz）v波形：波形：u谐波电压限值 表表1-3 1-3 公用电网谐波电压限值公用电网谐波电压

13、限值 电网标准电网标准电压电压(kV)kV)电压总谐电压总谐波畸变率波畸变率（% %）各次谐波电压含有率各次谐波电压含有率（% %）说说 明明奇次奇次偶次偶次0.385.04.02.01. 衡量点为衡量点为PCCPCC，取实测，取实测95%95%概率值；概率值；2. 对用户允许产生的谐波电流，提供对用户允许产生的谐波电流，提供计算方法；计算方法；3. 对测量方法和测量仪器作出基本规对测量方法和测量仪器作出基本规定；定；4. 对同次谐波随机性合成提供算法。对同次谐波随机性合成提供算法。6及及10104.03.21.635及及66663.02.41.21102.01.60.8注：注：220kV22

14、0kV电网参照电网参照110kV110kV执行。执行。 2谐波电流允许值表表1-4 1-4 注入公共连接点的谐波电流允许值（注入公共连接点的谐波电流允许值（A A） 标准标准电压电压/kVkV基准基准短路短路容量容量/MVA/MVA谐波次数谐波次数23456789101112131415161718192021222324250.381078623962264419211628132411129.7188.6167.88.97.1146.512610043342134142411118.5167.1136.16.85.3104.79.04.34.93.97.43.66.810100262013

15、208.5156.46.85.19.34.37.93.74.13.26.02.85.42.62.92.34.52.147125.18.83.84.13.15.62.64.72.22.51.93.61.73.21.51.81.42.71.32.56650016138.1135.49.34.14.33.35.92.75.02.32.62.03.81.83.41.61.91.52.81.42.6110750129.66.09.64.06.83.03.22.44.32.03.71.71.91.52.81.32.51.21.41.12.11.01.9注：注：220kV220kV

16、基准短路容量取基准短路容量取2000MV2000MVA A。 第四节第四节 电力系统的电压等级及其选择电力系统的电压等级及其选择 v一、电力系统额定电压和最高电压 v二、电气设备额定电压和最高电压v三、电力系统电压等级 v四、电压等级选择一、一、电力系统额定电压和最高电压电力系统额定电压和最高电压 u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。u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。u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。u电气设备的最高电压：考虑到设备

17、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、二、电气设备额定电压和最高电压电气设备额定电压和最高电压 变压器额定电压/kV 电力系统额定电压/kV 发电机额定电压/kV 一次绕组 二次绕组 0.22/0.127 0.23 0.22/0.127 0.23/0.133 0.38/0.22 0.40 0.38/0.22 0.40/0.23 0.66/0.38 0.69 0.66/0.38 0.69/0.40 注：受电设备的额定电压电力系统的额定电压 供电设备的额定电压=电力系统额定电压1.05倍。三、电力系统电压等级三、电力系统电压等级1.

18、低于3kV系统的额定电压u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u直流系统的额定电压：u100V以下的额定电压，受电设备与供电设备相同。u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。电电力力变变压压器器额额定定电电压压/kV 电电力力系系统统 额额定定电电压压 /kV 发发电电机机 额额定定电电压压 /kV 一一次次绕绕组组 二二次次绕绕组组 电电气气设设备备 最最高高电电压压 /kV 3 3.15 3 及 3.15 3.15 及 3.3 3.6 6 6.30 6 及 6.30 6.3 及 6.6 7.2 10

19、 10.50 10 及 10.5 10.5 及 11.0 12 - 13.80 13.80 - - 15.75 15.75 - - 18.0 18.0 - 20 20.0 20.0 - 24 - 22.0 22.0 - - 24.0 24.0 - 35 35 38.5 40.5 60 60 66 72.5 110 110 121 126 220 220 242 252 330 330 363 363 500 500 550 550 750 - - 800 2、 3kV及以上系统的额定电压u电力线路电力线路额定电压：额定电压：电力线路的额定电压和电力电力线路的额定电压和电力系统的额定电压系统的额

20、定电压UN相等。相等。u发电机发电机的额定电压：的额定电压： 105% UNu升压变压器升压变压器：变压器一次绕组：变压器一次绕组105% UN 变压器二次绕组变压器二次绕组110% UN u降压变压器：变压器一次绕组降压变压器：变压器一次绕组 UN 变压器二次绕组变压器二次绕组105% UN或或110% UN 电网中各部分的电压分布大致情况如所示 例1 电力系统接线如图所示，图中标明了各级电力线路的额定电压，试求发电机和变压器绕组的额定电压。 电力系统接线图电力系统接线图 电力系统额定电压为220kV及以上电压等级与其相适应的传输功率和传输距离的关系曲线如图1-6所示。65006000550

21、05000450040003500300025002000150010005000 100 300 500 700 900220kV3305007501000kV传输功率传输功率(MW)传输距离传输距离(km)图图1-6 220kV1-6 220kV及以上电压等级的传输功率和传输距离及以上电压等级的传输功率和传输距离 第四节第四节 电力系统中性点接地电力系统中性点接地v一、概述v二、中性点不接地系统v三、中性点经消弧线圈接地的电力系统v四、中性点直接接地的电力系统v五、中性点经电阻接地的电力系统一、概一、概 述述u 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

22、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。u接地分类：u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。u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。u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。u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。u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。u如何确定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

23、身安全诸方面综合考虑。u电力系统的中性点接地方式中性点接地方式：小接地电流系统大接地电流系统负荷ABCCCCICa. 电路图UAUBUC0IAIBIC00UAUBUCIB0IC0IA0b. 矢量图二、中性点不接地的电力系统二、中性点不接地的电力系统u 适用范围3kV60kV的电力系统u 正常运行时结论： 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。CAACCBAABBAAAUUUUUUUUUUU)()(0)(0UBUAUC60-UA UCUB -UA ICBICC-ICAICAICAICBICBICCICCIPE负荷ABCCCCUAU

24、BUCu 单相金属性接地故障时(A相)中性点不接地系统单相接地故障的结论结论 ：u三相之间的线电压仍然对称，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。u 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。CAACCBAABBAAAUUUUUUUUUUU)()(0)(0UBUAUC60-UA UCUB -UA ICBICC-ICA603jBCBCBeUCjXUIBCCCCUCjXUI3303)(jBCCCBPEeUCIIIu 接地故障电容电流IPEC

25、UICO 容电流：正常运行时每相对地电COPEICUI33 接地故障电流绝对值：350/)35( NPEUlcablohI式：接地电流的经验计算公中性点不接地系统单相接地故障的讨论讨论 ：u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。u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。u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。0UAUBUC-UCUAUBILICICAICB负荷ABCCCCILICICCICBICAICCICBICAIPEL三、中性点经消弧线圈接地的电力系统三、中性点经消弧线圈接地的电力系统u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。u单相(C相)金属性接地故障:u 消弧线圈的作用 当发生单相接地故障时，接地故障相与消弧线圈 构成了另一个回路，接地故障相接地电流中增加了一个感性电流，它和装设消弧线圈前的容性电流的方向刚好相反，相互补偿，减少了接地故障点的故障电流，使电弧易于自行熄灭，从而避免了由