电气工程基础1绪论

电气工程基础

电气工程系

娄振袖

办公室：逸夫楼1104

180966705601教学目的电力工程入门课程，学完本课程后即可以从事与电力工程相关的设计、运行、检修工作；要求了解电力生产过程及其设备；要求掌握电力生产过程中的基本理论、基本技术、基本计算方法；2计划学时安排章学时章学时章学时章学时142434445868768092100总学时：课内40学时3课程衔接先修课程：电路理论，电机学；主要后续课程：电力系统分析、继电保护、电力系统自动化、高电压技术4考试闭卷：60％作业：30％出勤：10％5第一章主要内容电力系统、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。6电力发展史黄晞.中国近现代电力技术发展史.山东教育出版社.2006JillJones(美).光电帝国.中信出版社.2006W.C.Dampier(英).科学史及其与哲学和宗教的关系.广西师范大学出版社，20097电力初期发展对电力的认识和应用从直流开始1873年，在维也纳国际博览会上，法国弗泰内使用2000m导线，连接一台瓦斯发动机拖动的格拉姆直流发电机和一台带动水泵的电动机，证明了远距离输电的现实性1874年，俄国皮罗茨基在彼得堡架设了输送功率4.5kW的直流输电线路，距离为500m，后增至1000m。1876年，又利用铁路轨道输送了3.6km，后来被用于有轨电车牵引8电力初期发展1882年，法国德普勒架设首条57km直流试验线路，采用4.5mm电报线，首端电压1343V，末端850V，输送功率不到200W，损耗78%，把米斯巴赫水电站直流发电机发出的电力送到慕尼黑国际博览会1883年，德普勒从法国南部比塞尔到格勒诺布尔进行14km输电试验，输送功率1.1kW1885年，采用6000V高压直流发电机从瓦利尔输电到巴黎，56km，损耗55%9电力初期发展1882年10月，英国霍普金森（J.Hopkinson）发明直流输电三线制系统，外线到中线110V，两外线之间220V。后来扩展到五线制由于高压大容量直流发电机的制造技术问题，远距离输电所需的高电压不可能直接从直流电机直接获得。19世纪末，法国芳建在送端串联多台直流发电机提高输电电压，将75kW电力输送75km，效率50%10电力初期发展20世纪初，瑞典瑟雷在各台串联的直流发电机上装上短路器，使任意发电机投切不停电，该系统在其后20多年中建成了15条直流输电线路，规模最大的是1906年投运的从法国慕吉水电站到里昂180km、57kV、4700kW线路，1927年改建为260km、125kV、19000kW，多接入两座水电站当时直流输电装置和运行方式复杂、造价高、可靠性差，很快被竞争的三相交流取代11电力初期发展英国法拉第（M.Faraday,1791-1867）电磁感应实验中，两个绕在铁芯上的线圈，当断开或接通一个线圈中的电流时在另一个线圈上感应有电压，这实际上是变压器的雏形美国亨利（J.Henry,1797-1878）用多匝线圈作为原边，用少匝线圈作副边，使高电压感应出低电压1876年，俄国亚布洛契科夫发明了单相变压器，用于照明12电力初期发展1883年，法国高拉德(L.Gauland)和英国吉布斯（J.D.Gribbs）将多台变压器原边串联在输电线路中，当副边接入的电弧灯盏数变化时，输电电压会受到干扰1883年，美国特斯拉研制感应电机1885年，匈牙利吉伯纳基斯、贝利、波拉其共同设计多台变压器并联连接方式美国威斯汀豪斯（G.Westinghouse，1846-1914）预见交流输电是发展方向，开始了交流输电工业尝试13交直流输电的电力战争19世纪80年代到90年代，围绕交直流输电问题爆发了“交直流之战”爱迪生、凯尔文等主张大力推广直流电，极力反对交流电。首先，他们认为当负荷波动很大时，采用直流电效率更高。当时主要供给照明，交流1度电煤耗9.072g，而直流是4.536g；其次，他们认为交流电具有很大的危险性，1889年5月购买威斯汀豪斯3台交流发电机，然后卖给监狱执行罪犯威廉.凯姆勒死刑14交直流输电的电力战争威斯汀豪斯、特斯拉（N.Tesla）积极主张发展交流电。他们认为交流电的输电效率更高，可以通过变压器升压和降压，高压输电可以减少电能损失。交流发电机制造业发展为交流发电方式做了充分准备1886年，威斯汀豪斯在美国麻省大巴林顿，进行1200m、3kV交流输电示范1886年，威斯汀豪斯在意大利建成17mile、2kV高压输电线路15交直流输电的电力战争1888年，俄国多布罗夫斯基发明三相交流制和三相异步电动机1891年8月，威斯汀豪斯建成170km供国际展览会用的从法国劳芬到德国法兰克福的世界第一条交流输电线路，劳芬水电站安装一台230kVA、95V、40Hz三相交流发电机和一台200kVA、95/15200V升压变压器，法兰克福建有两座13800/112V降压变电站，一座供展览会照明，另一座供100hp三相异步电动机用电，供9m高人工瀑布离心泵16高压交流输电发展输电技术的发展就是增大输电功率、输电距离，减少损失，因此关键是提高电压1898年，采用针式绝缘子，美国加利福尼亚33kV、120km线路1906年，休伊特、巴克发明悬式绝缘子，美国建成110kV高压输电线路1912年，皮克、怀特海、沙特林、米特开维奇、高列夫发现电晕临界电压与导线直径成比例增加，铝线或钢芯铝线开始应用，美国建成154kV高压输电线路17高压交流输电发展1923年，均压环技术应用，美国建成220kV线路1936年美国287kV、430km线路投运1952年，瑞典首先建成380kV、940km、采用分裂导线的超高压线路1956年，苏联400kV、890km双回投运；1959年，该线路升压到500kV1965年，加拿大735kV建成1969年，美国765kV线路并入AEP电网18高压交流输电发展1985年，苏联1150kV、510km投运。苏联解体后降压至500kV运行。19中国高压交流输电发展年份电压等级线路长度地点191223kV34km云南石龙坝至昆明192133kV20km北京石景山至市区192444kV64.5km奉天至辽阳193466kV大连甘井子至天之川194177kV45km天津第一发电厂至塘沽1941220kV东北水丰水电厂至鞍山1942110kV192km镜泊湖水电厂至延边1972330kV534km刘家峡水电站至陕西汉中1981500kV595km平顶山姚孟电厂至武昌20091000kV640km山西晋东南经南阳到荆门20高压直流输电1954年，瑞典本土与哥特兰岛之间建成世界第一个工业直流输电工程，海底电缆，100kV，96km，2万千瓦，采用汞弧阀换流1970年，瑞典本土与哥特兰岛工程扩建了50kV、1万千瓦晶闸管换流阀试验工程1972年，世界上第一个采用晶闸管换流阀的背靠背工程在加拿大投运21中国高压直流输电1987年12月，舟山直流工程，宁波至舟山，12km海底电缆+42km架空线路，±100kV，六脉冲换流阀1989年，葛-沪直流工程，宜昌宋家坝至上海南桥，±500kV，1045.7km预计2010年6月，云广直流工程投运，1438km，±800kV，输送容量500万千瓦22三相交流输电的优点易于产生旋转磁场瞬时功率不随时间变化而保持恒定输电线路所用导线量少因此，除了室内配电等小功率供电时采用单相交流方式外，其他场合都采用三相交流输电UaUbUc23每根导线的输电功率输电方式输电功率每根导线输电功率比率（cos=1）直流二线制100单相二线制100二相三线制94三相三线制115三相四线制87四相四线制100对称n相n线制（n为偶数）10024所需导线量输电方式输电功率P，输电损失P1导线全截面单相二线制三相三线制对称n相n线制（n为偶数）25电力系统的形成与发展SSSS26电力系统基本概念水库G~M~M~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27电力系统基本概念

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。发电厂： 生成电能变电所： 变换和分配电能输配电线路： 输送电能用户： 消费电能动力系统：在电力系统的基础上，把发电厂的动力部分（例如火力发电厂的锅炉、汽轮机和水力发电厂的水库、水轮机以及核动力发电厂的反应堆等）包含在内的系统。28电力系统基本概念超高压远距离输电网地方电力网区域电力网110kV~35kV~35kV500kV220kV110kV10kV水力发电厂火力发电厂变电所A：枢纽变电所C：地方变电所D：终端变电所B：中间29电力系统基本概念

电力网：按电压等级的高低、供电范围的大小的分类地方电力网：电压等级在35kV及以下，供电半径在20~50km以内区域电力网：电压等级在35kV以上（一般为110kV~220kV），供电半径超过50km，联系较多发电厂的网络超高压远距离输电网：电压等级为330kV~500kV的网络，其主要任务是把远处发电厂生产的电能输送到负荷中心，同时还联系若干区域电力网形成跨省、跨地区的大型电力系统变电所：枢纽变电所、中间变电所、地区变电所、终端电站所升压变电所、降压变电所1000kV变电所、500kV变电所、220kV变电所、110kV变电所、35kV变电所、10kV变电所30为什么要联成大电网？提高供电可靠性；减少装机容量；减少备用容量；合理利用能源，发挥水电作用；采用大容量发电机组；提高运行经济性；31电力系统的特点1、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原动机驱动转矩负荷制动转矩发电机转轴32电力系统的特点电力系统的负荷时刻处于变化之中，电力系统的参数也处于变化之中，……，因此，功率平衡关系式是动态平衡关系式。P发

P用＋P频率fQ发

Q用＋Q电压V保证功率平衡是最根本的任务。电力系统的稳态与暂态的基本概念33电力系统的特点2、电力系统过渡过程十分短暂

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、

34电力系统的特点3、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对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35电力系统的特点4、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36对电力系统的要求1、保证供电可靠（有）2、保证良好的电能质量（好）3、提高电力系统运行经济性（费用低）Exa：一台600MW火电机组，年利用小时6000h，煤耗率320g/kW.h，煤价：300元/吨。Sol： 年发电量： 600000kW×6000h＝36亿kW.h 需标煤： 36亿kW.h×320g/kW.h＝115.2万吨标煤 燃料费： 115.2万吨×300元/吨＝34560万元1%节约： 燃料： 1.152万吨标煤 燃料费： 345.6万元37电能的质量指标 电能的质量指标主要包括：电压、频率、波形电压：必要性：14012010080608090100110120寿命光通量发光效率电流电压/%寿命光通量发光效率电流/%14012010080608090100110120电压/%效率cos

电流/%电流效率cos

图1-3照明负荷（白炽灯）的电压特性图1-4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）38电能的质量指标电压质量标准：39电能的质量指标频率：额定频率： 50Hz（国外：50或60Hz）频率偏差： ±0.2Hz（≥3000MW系统）

±0.5Hz（＜3000MW系统） 国外： ±(0.1~0.2)Hz或±0.5Hz电钟时偏： ±30s（≥3000MW系统）

±1min（＜3000MW系统）波形：质量标准： 正弦波电压和电流谐波的危害与抑制40电力系统的电压等级

包括电力系统的额定电压和最高电压以及电气设备的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。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