电气工程概论 第一章学习资料

电力工程基础赵玉顺TELMAIL:zhaoyushun@合肥工业大学电气与自动化工程学院如果没有电能，我们的生活、生产、社会将发生什么变化？电气工程概述电气工程是研究电磁领域的客观规律及其应用的科学技术，以电工科学中的理论和方法为基础而形成的工程技术称为电气工程。根据电气工程学科的发展现状，可将其分为相对独立的五个二级学科:电力系统及其自动化技术、电机与电器及其控制技术、高电压与绝缘技术、电力电子技术和电工理论与新技术。电气工程的学科分支与研究领域电力系统过电压与绝缘配合电力系统接地技术电力设备绝缘技术与绝缘材料气体放电理论及其应用电力设备在线监测与状态维修高电压新技术（脉冲功率技术，等离子体应用等）我国高校电气工程专业设置时间1908年，南洋大学堂（交大）设立了电机专科。1912年，同济医工学堂（同济大学）设立电机科。1920年，公立工业专门学校（浙江大学）设立电机科。1923年，中央大学（东南大学）设立电机工程系。1929年，重庆大学设立电机系。1932年，清华大学设立电机系。1933年，北洋大学（天津大学）设立电机工程系。1946年，合肥工业大学设立电机系，至今已有68年传统。电气与电器的区分1绪论1.1概述合肥工业大学.电气与自动化工程学院1、电能是什么？它是一种二次能源！由一次能源经加工转换而成的能源。2、电能的特点？可以大规模生产；便于输送和分配；便于转换和控制；便于提高能源利用效率；无污染，噪声小；存储效率低。3、对电能的基本要求？安全；可靠；优质；经济。1.2能量转换原理一、能量的基本形式合肥工业大学.电气与自动化工程学院机械能、热能、化学能、辐射能、电能、核能二、能量的来源常规能源与新能源；再生能源与非再生能源；一次能源与二次能源三、能量的转换遵守能量守恒定律四、旋转电机中的能量转换遵守电磁感应定律；电磁力定律；旋转电机中的能量转换原理；旋转电机中的能量平衡原理上述内容请大家自学了解电能是如何输送的？1.3电力系统一、电力系统的基本概念合肥工业大学.电气与自动化工程学院电力系统的含义电力发电厂电力网用户生产输送和分配消费变压器、输电线路用电设备发电机、变压器按照一定规律连接而组成的统一整体，称为电力系统1.3电力系统一、电力系统的基本概念电力系统的含义发电机升压变输电线路降压变用电设备水库合肥工业大学.电气与自动化工程学院发电厂电力网用户输电线路、变压器用电设备发电机、变压器按照一定规律连接而组成的统一整体，称为电力系统发电厂的动力部分锅炉、汽机；水库、水轮机；反应堆等1.3电力系统一、电力系统的基本概念合肥工业大学.电气与自动化工程学院动力系统的含义发电厂电力网用户按照一定规律连接而组成的统一整体，称为电力系统发电厂的动力部分+动力系统发电机升压变输电线路降压变用电设备水库电力系统的基本参数？锅炉、汽机；水库、水轮机；反应堆等1.3电力系统一、电力系统的基本概念合肥工业大学.电气与自动化工程学院电力系统的基本参数发电厂电力网用户发电机升压变输电线路降压变用电设备水库（1）系统装机容量（发电机额定有功功率总和，MW）（2）系统年发电量（发电机全年发电量总和，MWh）（3）最高电压等级（电力线路的最高额定电压，kV）（6）额定频率（交流工频：50Hz）（4）最大负荷（一段时间内有功负荷最大值，MW）（5）年用电量（所有用户全年所用电量总和，MWh）电力系统都有的参数电力系统的基本参数？1.3电力系统一、电力系统的基本概念合肥工业大学.电气与自动化工程学院发电厂发电厂电力网用户发电机升压变输电线路降压变用电设备水库发电厂:是生产电能的工厂，它把其他不同类的一次能源转换成电能。火力发电厂（火电厂、热电厂）水力发电厂（堤坝式、径流式、抽水蓄能式）核动力发电厂（压水堆、沸水堆）其他发电厂（风力、太阳能、地热、沼气、潮汐、海浪、磁流体）发电厂外景1.3电力系统一、电力系统的基本概念合肥工业大学.电气与自动化工程学院电力网发电厂电力网用户发电机升压变输电线路降压变用电设备水库电力网:是由2个及以上变电站和不同电压等级的电力线路组成的网络。其作用是输送、控制和分配电能。火电厂外景火电厂电气侧火电厂升压变压器电能的送出线路架空输电线路变电站合肥工业大学.电气与自动化工程学院地方电力网（35～110kV，50km以内，配电网）区域电力网（110～220kV，50～300km）超高压电力网（330～750kV，300～1000km）特高压电力网（1000kV）地方电力网区域电力网超高压电力网电网分类合肥工业大学.电气与自动化工程学院枢纽变电站（高压侧电压为330～1000kV，汇集多个电源）中间变电站（一般汇集2～3个电源，起到交换功率或使长距离输电线路分段的作用）终端变电站（电力网末端，降压变电站向本地供电）地方电力网区域电力网超高压电力网变电站变电站是联系发电厂和用户用电设备的中间环节，一般安装有变压器及其控制和保护装置。起变换和分配电能的作用。变电站分类升压变电站变电站俯视图1000kV沪西特高压变电站三相变压器（220kV）变压器单相变压器（500kV）单相变压器站用变压器（10kV）单相变压器隔离开关：视觉识别断路器：切断负载合肥工业大学.电气与自动化工程学院地方电力网区域电力网超高压电力网电力线路电力线路包括输电线路和配电线路。就其结构来说，主要分为架空线路和电缆线路两大类。架空线路合肥工业大学.电气与自动化工程学院用电设备及电气设备用电设备是消耗电能的，主要有感应电动机、同步电动机、电热电炉、整流设备、变频设备和照明设备等。用于安全、优质、可靠、经济地生产、输送、分配电能的设备，称为电气设备。一次设备二次设备直接用于生产、输送和分配电能的电气设备对一次设备的工作进行监视、测量、操作和控制的设备发电机、变压器、断路器、隔离开关、母线、输电线路和电力电缆等测量表计、控制及信号器具、继电保护装置、自动装置、远动装置等电力系统形成的原因？1.4电能的质量指标一、电压我国的技术标准规定了各种额定电压，而用电设备都是按照额定电压进行设计、制造的。因此电压质量对各类用电设备的安全经济运行都有直接的影响。60801001201408011010012090寿命光通量发光效率电流电压（%）各种物理指标（%）白炽灯的电压特性60801001201408011010012090电流效率功率因数电压（%）各种物理指标（%）异步电动机的电压特性电压对常见电气设备的影响电压降低，光通量急剧下降；电压升高，寿命缩短。电压降低，电流急剧上升，发电机温度升高；导致电机烧毁；电压升高，铁心磁通密度饱和，励磁电流和铁耗增加，电机过热，甚至发生高频谐振。1.4电能的质量指标一、电压合肥工业大学.电气与自动化工程学院我国的技术标准规定了各种额定电压，而用电设备都是按照额定电压进行设计、制造的。因此电压质量对各类用电设备的安全经济运行都有直接的影响。因此在电力系统运行中，必须规定电压的容许变化范围，这就是电压的质量标准。我国目前的技术标准所规定的供电电压允许偏差为：（1）35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%（2）10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的+7%（3）220V单相供电电压允许偏差为额定电压的7%、-10%系统各地的电压是否统一变化？系统各点的电压不是统一变化的，同一时刻有的可能偏高，有的可能偏低。怎么控制电压？电压控制措施电力系统的调压方法：1.利用同步电动机发电机调压（调压能力很弱，舰船上用）过励磁时，发出感性无功功率，欠励磁时，吸收感性无功功率。因此，同步发电机可作为正的或者负的无功电源。增加发电机的励磁电流升高电压，减小其励磁电流可降低电压。2.改变变压器的变比调压（调压能力小，每个变电站都用）利用变压器的分接头，不同的分接头有不同的线圈绕制圈数，对应不同的高低压比值。每个分接头接出不同的开关触头，通过在有载荷、无载荷两种状态下对变压器的变比进行调节。3.利用无功功率补偿调压同步调相机、并联电容器或静止补偿器。电力系统的电压降落主要决定于线路上传输的无功功率，通过调节线路的无功功率对系统进行调压。变压器分接头变压器分接开关变电站无功补偿调压设备并联电容器（调节系统电压）串联电抗器（抑制涌流）变电站无功补偿调压设备怎么控制频率？1.4电能的质量指标二、频率合肥工业大学.电气与自动化工程学院在并列运行的电力系统中，全系统所有的机组在任一瞬间的频率值是一致的，均为系统的运行频率。系统运行频率与额定频率之差，称为频率偏差。频率偏差也会影响电力用户的正常工作：（1）对电动机的正常工作产生影响（2）对发电厂本身产生严重的影响（3）对电钟及其他电子设备的准确工作产生影响我国的频率偏差标准呢？3000MW及以上的系统，频率偏差不得超过+0.2Hz，电钟的偏差不得大于+30s；不足3000MW的系统，频率偏差不得超过+0.5Hz，电钟的偏差不得大于+60s。（4）电力系统在低频下运行很危险，因为电源与负荷在低频下重新平衡很不牢固，系统稳定性很差，极易再次失去平衡，频率继续下降，最终导致电网崩溃。1.4电能的质量指标三、波形合肥工业大学.电气与自动化工程学院电力系统中交流电的波形应为正弦波。如果不是标准的正弦波形时，必然包含多种高次谐波分量，对电动机、电气设备、电子设备等产生不良的影响。波形质量用波形总畸变率来表示，正弦波的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。考核系统波形的指标主要是谐波电压含有率。为了限制谐波电压分量，应限制各个非线性负荷所产生的谐波电流，还要采取一些抑制谐波的措施。（1）设置谐波电压限值，随着电压的提高，规定的电压总畸变率限值也变小。（2）设置谐波电流允许值，见书中表1-5。1.5电压等级与选择合肥工业大学.电气与自动化工程学院一、电力系统额定电压及电压等级的选择一定输送距离的输电线路一定的传输功率存在一个最经济合理的电压值（称为经济电压）各个国家根据本国的技术经济条件，规定各自的电压等级标准，称为电力系统额定电压，又称为电力网额定电压或线路额定电压。电力系统在正常运行时，任何时间、任何地点出现的电压最高值，称为电力系统最高电压。（不包括暂态电压和异常电压）电压等级如何选择?传输距离输送距离传输方式电压等级的选择电网结构建设费用运行方式设备制造电力系统的电压等级包括：系统用额定电压和最高电压，设备用额定电压和最高电压。合肥工业大学.电气与自动化工程学院电力系统额定电压（kV）输送方式传输功率（kW）传输距离（km）0.22架空线路小于500.150.22电缆线路小于500.200.38架空线路1000.250.38电缆线路1750.353架空线路100～10001～36架空线路200～20003～106电缆线路3000小于810架空线路200～30005～2010电缆线路5000小于1035架空线路2000～1000020～50110架空线路10000～5000050～150220架空线路100000～500000100~300330架空线路200000～1000000200~600500架空线路1000000～1500000250~800750架空线路2000000～2500000500以上1000架空线路4000000～5000000500以上特高压,大区域电力系统的联合电网超高压,大型电力系统的骨干电力网高压,中小型电力系统的基础电力网,大型电力系统的二次网络城市/企业/农村电力网常用配电电压中高压电动机供电电压居民及一般电动机供电电压电网额定电压与传输功率和传输距离的关系合肥工业大学.电气与自动化工程学院二、电气设备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认的电压，称为电气设备的额定电压。电气设备分为供电设备和受电设备。电气设备的最高电压是考虑设备的绝缘性能和与最高电压有关的其他性能所确定的最高运行电压，其数值等于所在电力系统的最高电压值。1、电力线路的额定电压和电力系统的额定电压相等。线路阻抗压降一般不超过10%。2、用电设备与同级电网的额定电压一致。发电机电动机3、发电机的额定电压较电力系统（同级电网）的额定电压高5%。（10.