电气工程基础 课件 第1章 绪论

第一章绪论第一节电力系统概述第二节电力系统发展简史及电力工业发展趋势第三节电力系统的运行第四节电力系统的接线方式和电压等级

第一节

电力系统概述

一、

电气工程与电力系统的关系电气工程及其自动化专业，简称电气工程专业或电气专业，是高等学校开设的本科专业。电气工程这个名称在我国现行研究生教育的学科目录中，又是一个一级学科的名称。广义上，电气工程学科是以电子学、电磁学等物理学分支为基础，涵盖电子学、电子计算机、电力工程、电信、控制工程、信号处理等子领域的一门工程学科。

电气工程学科与其他学科相互交叉、相互融合、相互

促进，现已形成了相对独立的电机与电器、电力系统及其自动化、高电压与绝缘技术、电力电子与电力传动、电工理论与新技术等五个二级学科。

(1)电机与电器：主要研究电力设备，可细分为电机和电器两个门类。

(2)电力系统及其自动化：主要研究电力系统的设计、规划、调度、控制和保护。

(3)高电压与绝缘技术：主要研究高电压下的电磁现象，设备的绝缘保护设计、试验和检测等，可细分为高压和绝缘两个专业。高压主要研究高压试验、放电和电力系统的过电压及防护；绝缘主要研究绝缘材料、绝缘测试等。

(4)电力电子与电力传动：主要研究电力系统中高电压、大电流情况下电子技术的应用，包括电力变换(如交流电变成直流电、直流电变成交流电、交流电改变频率等)、电力系统中的谐波及其抑制、电源质量控制等；电力传动与电机的关系比较紧密，主要涉及控制技术。

(5)电工理论与新技术：主要研究电路、电磁场等基础理论以及热门的新技术研究领域，如混沌等。

二、

电力系统的组成及其基本参量

通过各种不同电压等级的电力线路，将发电厂、变电所和电力用户联系起来的包含着发电、输电、变电、配电和用电的统一整体，称为电力系统。与“电力系统”一词相关的还有“电力网”和“动力系统”，前者指电力系统中除去发电机和用电设备之外的部分，后者指电力系统和发电厂动力部分的总和，如图1-1所示。所以，电力网是电力系统的一个组成部分，而电力系统又是动力系统的一个组成部分。图1-1动力系统、电力系统及电力网示意图

电力网也称电网，它由电力线路及其联系的变配电所组成，是电力系统的重要组成部分，其作用是将电能从发电厂输送并分配至电力用户。电力网可分为地方电力网、区域电力网及超高压远距离输电网三种类型。

电力系统可以用一些基本参量进行描述，简述如下：

(1)总装机容量。电力系统的总装机容量是指系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和，以千瓦(kW)、兆瓦(MW)、吉瓦(GW)计。

(2)年发电量。电力系统的年发电量是指系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和，以兆瓦时(MW·h)、吉瓦时(GW·h)、太瓦时(TW·h)计。

(3)年用电量。年用电量是指接在系统上所有用户全年所用电能的总和。其单位与年发电量的单位一致。

(4)最大负荷。最大负荷一般是指规定时间，如一天、一月或一年内电力系统总有功功率负荷的最大值，以千瓦(kW)、兆瓦(MW)、吉瓦(GW)计。

(5)额定频率。按国家标准规定，我国所有交流电力系统的额定频率均为50Hz。国外则有额定频率为60Hz的电力系统。

(6)最高电压等级。同一电力系统中的电力线路往往有几种不同的电压等级。所谓某电力系统的最高电压等级，是指该系统中最高电压等级电力线路的额定电压，以千伏(kV)计。

三、

电力系统中的发电厂

1.火力发电

火力发电是利用煤炭、石油、天然气或其他燃料的化学能生产电能。从能量转换的观点分析，其基本过程是：燃料的化学能—热能—机械能—电能。世界上多数国家的火电厂以燃煤为主。

2.水力发电

水力发电是将水能转变为电能。从能量转换的观点分析，其过程为：水能—机械能—电能。实现这一能量转变的生产方式，一般是在河流的上游筑坝提高水位，以造成较高的水头。建造相应的水工设施，以便有效地获取集中的水流。

3.核能发电

重核分裂和轻核聚合时，都会释放出巨大的能量，这种能量统称为“核能”，即通常所说的原子能。利用重核裂变释放能量发电的核电厂，从能量转换的观点分析，其基本过程是：重核裂变能—热能—机械能—电能。由于重核裂变的强辐射特性，已投入运营和在建的核电厂，毫无例外地划分为核岛部分和常规岛部分，用安全防护设施严密分隔开的两部分，共同构成核电厂的动力部分。

4.风力发电

风力发电的动力系统主要指风力发电机。最简单的风力发电机由叶轮和发电机两部分构成，空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动叶轮旋转。如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连，就会带动发电机发出电来。

5.太阳能发电

太阳能发电的方式主要有通过热过程的太阳能热发电和不通过热过程的太阳能光伏发电、光感应发电、光化学发电及光生物发电等。目前，可进行商业化开发的主要是太阳能热发电和太阳能光伏发电两种。

四、

电力系统中的变电所

变电所是联系发电厂和电力用户的中间环节，由电力变压器和配电装置组成，起着变换电压、交换和分配电能的作用。根据功能，变电所可分为升压变电所和降压变电所两类；

根据在电力系统中的地位，变电所可分为枢纽变电所、中间变电所、地区变电所和终端变电所等。

工业企业内部的车间变电所，根据变压器安装位置的不同，可分为附设式变电所(包括内附式和外附式)、车间内变电所、独立变电所、露天变电所、地下变电所和杆上变电所

等几种形式。

五、

电能的传输及分配

发电厂产生的电能向用户输送，输送的电能可以表示为

式中：W为输送的电能(kW·h)；P为输送的有功功率(kW)；t为时间(h)；U

为输电网电压(kV)；I为导线中的电流(A)；cosφ为功率因数。

我国的电能传输方式有两类：一类是交流输电方式，另一类是直流输电方式。

1.交流输电

以交流方式传输的电力网主要是由输电、变电设备构成的，电力线路以传输交流电能为主体。电力变压器的主要作用除了升高或降低电压之外，还能将不同电压等级的电网相

联系。电能传输是在输电线路上进行的。

2.直流输电

直流输电是将发电厂发出的交流电经过升压后，由换流设备(整流器)转换成直流，通过直流线路送到受电端，再经过换流设备(逆变器)转换成交流，供给受电端的交流系统。需要改变直流输电的输电方向时，只需让两端换流器互换工作状态即可。换流设备是直流输电系统的关键部分。

1)直流输电的主要优点

(1)造价、运行费用低。

(2)不需串、并联补偿。

(3)直流输电不存在稳定性问题。

(4)采用直流联络线可以限制互连系统的短路容量。

2)直流输电的主要缺点

(1)换流站造价高。

(2)换流装置在运行中需要消耗无功功率，并且产生谐波。

(3)高压断路器制造困难。

第二节

电力系统发展简史及电力工业发展趋势

一、

电力系统的形成和发展

1831年，法拉第发现了电磁感应定律。第一次高压输电出现于1882年。

1891年于法兰克福举行的国际电工技术展览会上，在德国人奥斯卡·冯·密勒主持下展出的输电系统，奠定了近代输电技术的基础。与19世纪时电力系统的雏形相比，现代电力系统在输电电压、输电距离、输电功率等方面有了千百倍的增长。

现代电力系统不仅具有以大机组、大电网、超高压、交直流联合输电为主体的结构特征，而且可再生能源的开发和应用将形成新型的输、配电网与分布式发电系统拓扑结构。

现代电力系统更为显著的标志是电力系统主体运行安全、优质、经济且实现了高度自动化、数字化、网络化和智能化。信息通信系统和电网监测、控制系统成为电力系统主体安

全、优质、经济运行的重要技术保障。因此，现代电力系统是由电力系统主体、信息通信系统和电网监测、控制系统组成的统一整体，是一个巨大而又复杂的系统。现代电力系统又可称为广义电力系统。

二、

欧美电力工业的发展简史

三、

我国电力工业的发展

从电力结构看，目前火电在我国现有电力结构中占据绝对的优势，2017年火电装机容量占全国电力装机容量的62.24%。虽然短期内以火电为主导的格局难以改变，但出于对煤炭资源未来供应能力的担忧，以及火电厂对环境的危害，国家今后在可再生能源方面的投入将相对较多。火电在整个电力结构中的比例逐步下降将是必然趋势。

四、

电力工业发展趋势

1.节能减排、大力开发新能源、走绿色电力之路

在发电用一次能源的构成中，以煤、石油、天然气为主的局面在相当长的时间内还难以改变。但由于这类化石燃料的短期不可再生性，且储量在逐年减少，因此面临资源枯竭的危险。同时由于这些燃料(特别是煤)的低效“燃烧”使用，既浪费了能源，又产生大量的二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NO2)等温室气体及烟尘排放到大气中，导致气候变暖、冰层融化，将会给人类带来严重的灾难性后果。旨在限制全球CO2温室气体排放总量的《联合国气候变化框架公约》已于2005年2月正式生效，议定书规定了具体的、具有法律约束力的温室气体排放标准。

目前，发达国家清洁能源用于发电的比重已达80%。截至2019年底，我国非化石能源占总装机容量的42%，占总发电量的32.7%。根据规划，我国提出的目标是2035年非化石能源发电装机比重超过60%，发电能源占一次能源消费比重超过57%。

2.建设以特高压为骨干网架的坚强电网

我国地域辽阔，建设以特高压为骨干网架的坚强电网可以实现跨区域、远距离、大功率的电能输送和交易，做到更大范围的资源优化配置，推动能源的高效开发利用，更好地调节电力平衡，培育和发展更加广阔的电力市场。特高压电网在合理利用能源、节约装机、降低网损、提高设备利用率、节约土地资源、减少建设投资、降低运行成本、减少事故和设备检修以及获得错峰、调峰和跨区域补偿效益等方面潜力巨大，具有显著的社会和经济效益。

3.组成联合电力系统

电力负荷的不断增长和电源建设的发展，以及负荷和能源分布的不均衡，必然需要将各个孤立电网与邻近电网互联，组成一个更大规模的电网，形成联合电力系统。

全国各电力系统互联，形成联合电力系统，是我国电力系统发展的必然趋势。

发展联合电力系统，除实现系统之间的电力电量交换外，还能对全网实现联合计划、协调维修、事故支援，以及对发电运行的联合调度或统一调度，以保证获取最大经济效益。在联合效益上，不仅能取得电力电量效益，还能取得原有孤立系统所没有的一系列新的效益。

其优越性主要体现在以下几方面：

(1)实现各电力系统间负荷的错峰。

(2)提高供电可靠性，减少系统备用容量。

(3)有利于安装单机容量更大的发电机组。

(4)有利于进行电网的经济调度。

(5)实现水电跨流域调度。

应该指出，电网互联在带来巨大经济效益的同时，也不可避免地存在一些问题。如故障会波及相邻电网，如果处理不当，会导致大面积停电；电网短路容量的增加，会造成断路器等设备因容量不够而需增加投资；需要进行联络线功率控制等。为了限制短路容量的增大和提高运行的可靠性及灵活性，可用直流联络线将巨型交流电力系统分割成几个非同步运行的部分，以避免发生灾难性的大面积停电事故。

4.加强智能电网的建设

智能电网是将先进的传感量测技术、信息通信技术、分析决策技术和自动控制技术与能源电力技术以及电网基础设施等高度集成而形成的新型现代化电网。传统电网是一个刚性系统，电源的接入与退出、电能的传输等都缺乏弹性，使电网动态柔性及重组性较差，垂直的多级控制机制反应迟缓，无法构建实时、可配置和可重组的系统，自愈及自恢复能力完全依赖于物理冗余；对用户的服务简单，信息单向；系统内部存在多个信息孤岛，缺乏信息共享，相互割裂和孤立的各类自动化系统不能构成实时的有机统一整体，整个电网的智能化程度较低。

国家电网公司将智能电网的主要特征概括为“坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化”。

(1)坚强：在电网发生大扰动和故障时，仍能保持对用户的供电能力，而不发生大面积停电事故。在自然灾害、极端气候条件下或遭外力破坏时仍能保证电网的安全运行，具有确保电力信息安全的能力。

(2)自愈：具有实时、在线和连续的安全评估和分析能力，强大的预期和预防控制能力，以及自动故障诊断、故障隔离和系统自我恢复的能力。

(3)兼容：支持可再生能源的有序、合理接入，适应分布式电源和微电网的接入，能够实现与用户的交互和高效互动，满足用户多样化的电力需求，并提供对用户的增值服务。

(4)经济：支持电力市场运营和电力交易的有效开展，实现资源的优化配置，降低电网损耗，提高能源利用效率。

(5)集成：实现电网信息的高度集成和共享，采用统一的平台和模型，实现标准化、规范化和精细化管理。

(6)优化：优化资产的利用，降低投资成本和运行维护成本。

第三节

电力系统的运行

一、

电力系统运行的特点

(1)电能不能大量储存，电能的生产和使用只能同时完成。

(2)正常输电过程和故障过程都非常迅速。

(3)具有较强的地区性特点。电力系统的规模越来越大，其覆盖的地区也越来越广，各地区的自然资源情况存在较大差别。

(4)与国民经济各部门关系密切。

二、

电力系统运行的基本要求

1.保证供电的安全可靠性

保证供电的安全可靠性是对电力系统运行的基本要求。这就要求从发电到输电以及配电，每个环节都必须安全可靠，不发生故障，以保证连续不断地为用户提供电能。为此，电力系统的各个部门应加强现代化管理，提高设备的运行和维护质量。

应当指出，要绝对防止事故的发生是不可能的，而各种用户对供电可靠性的要求也不一样。因此，应根据电力用户的重要性等级不同区别对待。通常将电力用户分为三类：

(1)一类用户：由于中断供电会造成人身伤亡的用户，如煤矿、大型医院等；或中断供电会在政治、经济上给国家造成重大损失的用户，如大型冶炼厂、军事基地等；或中断供电会影响国家重要部门正常工作的用户，如铁路枢纽、通信枢纽、国家重要机关以及大量人员集中的公共场所、城市公用照明等。

(2)二类用户：由于中断供电会在政治、经济上造成较大损失的用户，或中断供电将影响重要单位正常工作的用户，以及大型影剧院、大型商场等。对二类用户应设专用供电线路，条件许可时也可采用双回路供电，并在电力供应出现不足时优先保证其电力供应。

(3)三类用户：短时停电不会造成严重后果的用户，如小城镇、小加工厂及农村用电等。

当系统发生事故、出现供电不足的情况时，应当首先切除三类用户的用电负荷，以保证一、二类用户的用电。

2.保证电能的良好质量

电力系统不仅要满足用户对电能的需要，而且还要保证电能的良好质量。电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。频率、电压和波形是电能质量的三个基本

指标，其额定值是电气设备设计的最佳运行条件。

系统频率主要取决于系统中有功功率的平衡。发电机发出的有功功率不足，会使系统频率偏低。节点电压主要取决于系统中无功功率的平衡，无功功率不足，则电压偏低。波形质量是由谐波污染引起的，用总谐波畸变率来表示。正弦波的总谐波畸变率是指各次谐波有效值平方和的方根值占基波有效值的百分比。保证波形质量就是限制系统中电压、电流中的谐波成分。

电力系统的负荷是不断变化的，系统的电压和频率必然会随之变动。这就要求调度必须时刻注视电压、频率变化情况和系统的有功和无功负荷平衡情况，随时给发电厂及变电站下达指令，通过自动装置快速及时地调节发电机的励磁电流或原动力，停止或启动备用电源及切除部分负荷等，使电力系统中发出的无功和有功功率分别与负荷的无功和有功功率保持平衡，以保持系统额定电压和额定频率的稳定，确保系统的电能质量。

3.保证电力系统运行的稳定性

电力系统在运行过程中不可避免地会发生短路事故，此时系统的负荷将发生突变。当电力系统的稳定性较差，或对事故处理不当时，局部事故的干扰有可能导致整个系统的全

面瓦解(即大部分发电机和系统解列)，而且需要长时间才能恢复，严重时会造成大面积、长时间停电，因此稳定问题是影响大型电力系统运行可靠性的一个重要因素。为使电力系统保持稳定运行，除要求系统参数配置得当，自动装置灵敏、可靠、准确外，还应做到调度合理，处理事故果断、正确等。

4.保证运行人员和电气设备工作的安全

保证运行人员和电气设备工作的安全是电力系统运行的基本原则，为此要求不断提高运行人员的技术水平和保持电气设备始终处于完好状态。这就要求在设计时一方面合理选

择设备，使之在一定过电压和短路电流的作用下不致损坏；另一方面应按规程要求及时安排对电气设备进行预防性试验或实施在线监测和状态检修，及早发现隐患，及时进行维修。在运行和操作中要严格遵守有关的规章制度。

5.保证电力系统运行的经济性

要使电能在生产、输送和分配过程中实现高效率、低损耗，以期最大限度地降低电能成本，实现发电厂和电网的经济运行，就要最大限度地降低发电厂的能源消耗率。为了实现电力系统的经济运行，除了进行合理的规划设计外，还需对整个系统实施最佳经济调度，实现火电厂、水电厂、核电厂负荷的合理分配，积极开发新能源发电等，同时还要提高整个系统的管理水平。

6.减少污染、保护生态环境

电力系统要采用新技术、新方法，减少火电厂的温室气体排放，加大对废气、废物的无害化处理力度，提高无害化处理水平，最大限度地采用可再生清洁能源发电；要保护水体，保护生态环境，坚持科学发展，倡导绿色电力。

三、

电力系统中性点的运行方式

电力系统的中性点是指星形联结的变压器或发电机的中性点。这些中性点的运行方式涉及系统的电压等级、绝缘水平、通信干扰、接地保护方式及保护整定等许多方面，是一个综合性的复杂问题。我国电力系统的中性点运行方式主要有三种：中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点直接接地(或经低电阻接地)。前两种系统称为小电流接地系统，亦称电源中性点非有效接地系统；后一种系统称为大电流接地系统，亦称电源中性点有效接地系统。

1.中性点不接地的电力系统

我国3~60kV的电力系统通常采用中性点不接地运行方式。中性点不接地的电力系统正常运行时的电路图和相量图如图1-2所示。图1-2中性点不接地系统正常运行时的电路图和相量图

图1-3中性点不接地系统发生A相接地故障时的电路图和相量图

必须指出，中性点不接地系统发生单相接地故障时，接地电流将在接地点产生稳定的或间歇性的电弧。若接地点的电流不大，在电流过零值时电弧将自行熄灭；当接地电流大于30A时，将形成稳定电弧，成为持续性电弧接地，这将烧毁电气设备并可引起多相相间短路；当接地电流大于10A而小于30A时，则有可能形成间歇性电弧，这是由于电网中电感和电容形成了谐振回路所致，间歇性电弧容易引起弧光接地过电压，其幅值可达(2.5~3)Uφ，将危及整个电网的绝缘安全。

2.中性点经消弧线圈接地的电力系统

中性点不接地系统具有发生单相接地故障时仍可在短时间内继续供电的优点，但当接地电流较大时，将产生间歇性电弧而引起弧光接地过电压，甚至发展成多相短路，造成严重事故。为了克服这一缺点，可采用中性点经消弧线圈接地(也称中性点谐振接地)的方式。消弧线圈实际上是一个铁芯可调的电感线圈，安装在变压器或发电机中性点与大地之间，如图1-4所示。图1-4中性点经消弧圈接地系统发生单相接地故障时的电路图和相量图

选择消弧线圈时，应当考虑电力网的发展规划，通常按式(1-7)进行估算：

式中，Sar为消弧线圈的容量(kV·A)；IC

为电网的接地电容电流(A)；UN为电网的额定电压(kV)。

3.中性点直接接地(或经低电阻接地)的电力系统

中性点直接接地的电力系统示意图如图1-5所示。图1-5中性点直接接地的电力系统示意图

第四节

电力系统的接线方式和电压等级

一、

接线方式电力系统接线图是电力系统整体性质的图形表示，分为地理接线图和电气接线图。

(1)地理接线图。电力系统的地理接线图主要显示该系统中发电厂、变电站的地理位置，电力线路的路径，以及它们相互间的连接。因此，由地理接线图可获得对该系统的宏观印象。但由于地理接线图上难以表示各主要电机、电器间的联系，对该系统的进一步了解，还需阅读其电气接线图。

(2)电气接线图。电力系统的电气接线图主要显示该系统中发电机、变压器、母线、断路器、电力线路等主要电机、电器、线路之间的电气接线。因此，由电气接线图可获得对该系统更细致的了解。但由于电气接线图上难以反映各发电厂、变电站、电力线路的相对位置，阅读电气接线图时，又常需参阅地理接线图。图1-1中，表示发电机、变压器、母线、电力线路相互连接的部分实际上就是一种简化的电气接线图。

现实生活中的电力系统接线往往十分复杂，但仔细分析又可发现，尽管电力系统十分复杂，但基本可以看作是若干简单系统的复合。尤其是电力系统中的500kV或330kV网络，由于它们本身接线简洁，更易于分解。分解所得的简单系统，大致可分为无备用接线或有备用接线两类。无备用接线方式包括单回路放射式、干线式和链式网络，如图1-6所示。有备用接线方式包括双回路放射式、干线式、链式、环式和两端供电网