電氣工程基礎(chǔ)

1、華中科技大學(xué)武昌分校,華中科技大學(xué)武昌分校,,電力系統(tǒng)工程基礎(chǔ)電氣工程及其自動化教研室郭磊,華中科技大學(xué)武昌分校,學(xué)時分配及安排：1.講課學(xué)時（44學(xué)時）+實踐課（4學(xué)時）=48學(xué)時； 2.以書本內(nèi)容講授為主（包括書上的例題）；布置一定量的作業(yè)題（有書上的思考題、計算題；也有補充題；考前布置思考題） 3.對重要的作業(yè)題、計算題、包括書上的例題，課上會進行仔細講授，必須熟練掌握—也是本書的難點和重點；

2、 4.最后會布置一定量思考題、計算題；,華中科技大學(xué)武昌分校,第一章 緒論,第二節(jié) 電力系統(tǒng)基本概念,第三節(jié) 電能質(zhì)量指標,第四節(jié) 電力系統(tǒng)的電壓等級及其選擇,第五節(jié) 電力系統(tǒng)中性點接地,第一節(jié) 電力工業(yè)發(fā)展概況及前景,華中科技大學(xué)武昌分校,第一節(jié) 電力系統(tǒng)發(fā)展概況及前景,一、電力工業(yè)發(fā)展概況,二、電力系統(tǒng)發(fā)展前景,華中科技大學(xué)武昌分校,第一章 緒 論§1-1 電力系統(tǒng)基本概念（六大電力系統(tǒng)）,現(xiàn)代電力系統(tǒng)

3、怎么形成和發(fā)展的,多個電廠與多個負荷中心供給更多的負荷可以提高供電可靠性互為備用容量，減少系統(tǒng)裝機容量可合理利用能源，充分發(fā)揮水電在系統(tǒng)中的作用 采用高效率大容量的火電機組 可以提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性,華中科技大學(xué)武昌分校,一、電力工業(yè)發(fā)展概況電力工業(yè)發(fā)展史上的第一：火電：1882年上海電氣公司水電：1912年云南石龍壩2×240kW核電：1991年浙江秦山300MW,華中科技大學(xué)武昌分校,輸電線路：

4、 1972年甘肅劉家峽水電站到陜西關(guān)中地區(qū) 330kV交流； 1981年河南姚孟火電廠到武漢500kV 交流； 1988年葛州壩水電站到上海南橋變電站±500kV直流； 2005年9月，我國第一個超高壓750 kV輸變電工程正式投入運行； 2009年1月，我國特高壓lOOOkV交流輸變電工程——晉東南一南陽一荊門試驗示范工程，正式投運。,華中科技大學(xué)武昌分校,電力系統(tǒng)之最

5、： 我國最大的火電機組容量100萬kW（浙江玉環(huán)、廣東海門） 最大的水電機組容量70萬kW（三峽工程） 最大的核電機組容量100萬kW（田灣核電廠）,華中科技大學(xué)武昌分校,舉世矚目的三峽工程，設(shè)計裝機容量32臺（含地下電廠6臺機組），單機容量70萬kW，年均發(fā)電量847億kW·h，比全世界70萬kW機組的總和還多，是世界上最大的發(fā)電廠 。,華中科技大學(xué)武昌分校,最大的火力發(fā)電廠容量為

6、454萬kW(鄒縣發(fā)電廠)， 最大的水力發(fā)電廠1820萬kW（三峽水電廠） 最大的核能發(fā)電廠為305X104kW(秦山核電廠) 最大抽水蓄能電廠240萬kW（廣東抽水蓄能電廠，8×30萬kW），這也是目前世界上最大的抽水蓄能電廠,華中科技大學(xué)武昌分校,,我國電力系統(tǒng)的發(fā)展：,截至2008年底，全國發(fā)電裝機容量達到7．9253億kW，同比增長10.34％。從電力生產(chǎn)情況看，全國發(fā)電量達到34334億kW．h

7、，同比增長5.18％。,華中科技大學(xué)武昌分校,二、電力系統(tǒng)發(fā)展前景1.做好電力規(guī)劃，加強電網(wǎng)建設(shè) 加強電力規(guī)劃，確定合理的電源結(jié)構(gòu)和布局，留有足夠的容量和能量的備用，建成容量充足、結(jié)構(gòu)合理、運行靈活的聯(lián)合電力系統(tǒng),華中科技大學(xué)武昌分校,,華中科技大學(xué)武昌分校,2. 電力工業(yè)現(xiàn)代化高電壓、大系統(tǒng)大電廠、大機組高度自動化3.節(jié)能減排，積極發(fā)展清潔能源 （核能、風能、太陽能等）,華中科技大學(xué)武昌

8、分校,華中科技大學(xué)武昌分校,4. 聯(lián)合電力系統(tǒng) 效益各系統(tǒng)間電負荷的錯峰效益提高供電可靠性、減少系統(tǒng)備用容量有利于安裝單機容量較大的機組進行電網(wǎng)的經(jīng)濟調(diào)度進行水電跨流域調(diào)度調(diào)峰能力互相支援,華中科技大學(xué)武昌分校,增加聯(lián)絡(luò)線和電網(wǎng)內(nèi)部加強所需投資以及聯(lián)絡(luò)線的運行費用當系統(tǒng)間聯(lián)系較弱時，有可能引起調(diào)頻的復(fù)雜性和出現(xiàn)低頻振蕩增加了系統(tǒng)短路容量，并可能導(dǎo)致增加或調(diào)換已有設(shè)備增加聯(lián)合電網(wǎng)的通訊和高度自動化的復(fù)雜性,支出,華中科

9、技大學(xué)武昌分校,5. 電力市場基本特征：開放性 競爭性 計劃性 協(xié)調(diào)性基本原則：公平 公開 公正6. IT技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用7.諧波治理,華中科技大學(xué)武昌分校,第二節(jié) 電力系統(tǒng)基本概念,一、什么是電力系統(tǒng),三、電力系統(tǒng)的特點,四、對電力系統(tǒng)的要求,二、電力系統(tǒng)的形成,華中科技大學(xué)武昌分校,一、什么是電力系統(tǒng)？,華中科技大學(xué)武昌分校,電力網(wǎng)：由變電所和不同電壓等級輸電線路組成的

10、網(wǎng)絡(luò)。,動力系統(tǒng)：在電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，把發(fā)電廠的動力部分包含在內(nèi)的系統(tǒng)。,電力系統(tǒng)：由發(fā)電機、變壓器、輸電線路以及用電設(shè)備（或發(fā)電廠、變電所、輸配電線路以及用戶），按照一定的規(guī)律連接而組成的統(tǒng)一整體。發(fā)電廠：生產(chǎn)電能變電所：變換和分配電能輸配電線路：輸送電能用戶：消費電能,,華中科技大學(xué)武昌分校,華中科技大學(xué)武昌分校,電力網(wǎng)：按電壓等級的高低、供電范圍大小的分類地方電力網(wǎng)：電壓等級在35kV及以下,供電半徑20k

11、m～50km區(qū)域電力網(wǎng)：電壓等級110kV~220kV，供電半徑大于50km超高壓遠距離輸電網(wǎng)：電壓等級為330kV~500kV的網(wǎng)絡(luò)，大區(qū)聯(lián)網(wǎng),變電所：按其在電力系統(tǒng)中的地位分類樞紐變電所中間變電所地區(qū)變電所終端電站所,華中科技大學(xué)武昌分校,二、電力系統(tǒng)的特點電能不能大量存儲：電能的生產(chǎn)、變換、輸送、分配和使用是同時進行的。 P發(fā) ?P用＋?P ? 頻率f Q發(fā) ?Q用＋?Q

12、 ? 電壓U,過渡過程十分短暫：控制操作自動化程度高。 必須借助自動裝置對電力系統(tǒng)進行控制：繼電保護裝置、遠動裝置、減載裝置、同期裝置、勵磁裝置……,華中科技大學(xué)武昌分校,電能生產(chǎn)與國民經(jīng)濟各部門和人民生活有著極為密切的關(guān)系：社會政治經(jīng)濟影響巨大。負荷分類： 一類負荷，二類負荷，三類負荷,電力系統(tǒng)的地區(qū)性特點較強：發(fā)展各具特色。電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計、運行等不能盲目搬用其它系統(tǒng)的經(jīng)驗。,華中科技大學(xué)武昌分校,四、

13、對電力系統(tǒng)的要求保證供電可靠 保證良好的電能質(zhì)量 為用戶提供充足的電能 提高電力系統(tǒng)運行經(jīng)濟性,華中科技大學(xué)武昌分校,例1：一臺600MW火電機組，年利用小時6000h，煤耗率300g/kW·h，煤價：300元/噸。解： 年發(fā)電量：60 × 104kW×6000h＝36億kW·h 需標煤：36億kW·h

14、×300g/kW·h＝108萬噸標煤 節(jié)約燃料1%： 10800噸標煤,華中科技大學(xué)武昌分校,第三節(jié) 電能質(zhì)量指標,電能的質(zhì)量指標主要包括：電 壓 頻 率波 形,華中科技大學(xué)武昌分校,電壓：必要性：,華中科技大學(xué)武昌分校,電壓質(zhì)量標準：,華中科技大學(xué)武昌分校,頻率,頻率的影響：(1) 對用電設(shè)備：偏高，經(jīng)濟性降低；

15、 偏低，生產(chǎn)率低，降低使用壽命。(2) 鍋爐的離心式機械：偏低，出力下降，緊急停爐，惡性循環(huán) 。(3) 對系統(tǒng)：頻率下降較多，系統(tǒng)崩潰。,華中科技大學(xué)武昌分校,頻率,頻率偏差：±0.2Hz（≥3000MW系統(tǒng)）±0.5Hz（＜3000MW系統(tǒng)）國外：±(0.1~0.2)Hz 或 ±0.5Hz,額定頻率：50Hz（國外：5

16、0 或 60Hz）,對頻率的要求：,華中科技大學(xué)武昌分校,2.諧波危害①降低電動機的效率②諧波過電流、過電壓燒壞無功補償電容器等電氣設(shè)備③干擾通信線路,波形：,諧波產(chǎn)生原因,發(fā)電機輸出電壓波形不符合要求； 電能變換、輸送和分配過程中波形畸變；變壓器或電抗器飽和非線性特性的用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。換流裝置、電氣鐵道和電弧爐,華中科技大學(xué)武昌分校,波形：,3.諧波電壓限值,表1-3 公用電網(wǎng)諧波電壓限值,華中科技大學(xué)武昌分校,4.諧波

17、電流允許值,表1-4 注入公共連接點的諧波電流允許值（A）,華中科技大學(xué)武昌分校,4.含諧波負荷接入系統(tǒng)條件,（1）系統(tǒng)公共連接點的諧波電壓距規(guī)定的限制有裕度（2）含諧波負荷注入系統(tǒng)的 諧波電流不超過允許值,華中科技大學(xué)武昌分校,第四節(jié) 電力系統(tǒng)的電壓等級及其選擇,一、電力系統(tǒng)額定電壓和最高電壓,二、電氣設(shè)備額定電壓和最高電壓三、電力系統(tǒng)電壓等級,四、電壓等級選擇,華中科技大學(xué)武昌分校,一、電力系統(tǒng)額定電壓和最高電壓,經(jīng)濟電壓：

18、對應(yīng)一定傳輸功率和輸送距離的輸電線路應(yīng)有一個合理的電壓值,華中科技大學(xué)武昌分校,電氣設(shè)備的額定電壓：電氣設(shè)備制造廠根據(jù)所規(guī)定的電氣設(shè)備工作條件而確定的電壓。,電氣設(shè)備的最高電壓：考慮到設(shè)備的絕緣性能和與最高電壓有關(guān)的其它性能所確定的允許最高運行電壓(其數(shù)值等于所在電力系統(tǒng)的最高電壓值)。,二、電氣設(shè)備額定電壓和最高電壓,在同一電壓級別下，電氣設(shè)備的額定電壓值不同,華中科技大學(xué)武昌分校,華中科技大學(xué)武昌分校,三、電力系統(tǒng)電壓等級,1. 低

19、于3kV系統(tǒng)的額定電壓,低于3kV直流系統(tǒng)額定電壓,高于系統(tǒng)額定電壓5%,華中科技大學(xué)武昌分校,注：受電設(shè)備的額定電壓＝電力系統(tǒng)的額定電壓。,三、電力系統(tǒng)電壓等級,1. 低于3kV系統(tǒng)的額定電壓,低于3kV交流電力系統(tǒng)額定電壓和電氣設(shè)備額定電壓,高5%,高5%,2、 3kV及以上系統(tǒng)的額定電壓,發(fā)電機機端電壓,高20%,華中科技大學(xué)武昌分校,電力線路額定電壓：電力線路的額定電壓和電力系統(tǒng)的額定電壓相等。發(fā)電機的額定電壓： 105

20、% UN變壓器一次繞組： 相當于用電設(shè)備＝ UN特例1： 變壓器一次繞組＝105% UN變壓器二次繞組： 相當于發(fā)電設(shè)備＝110% UN特例2： 變壓器二次繞組＝105% UN,華中科技大學(xué)武昌分校,規(guī)定電氣設(shè)備的額定電壓，往往是考慮到變壓器約有5%的電壓損耗，輸電線路約有10%左右的電壓損耗。額定電壓在10.5kV及以下的發(fā)電機，其額定電壓一般比相應(yīng)的系統(tǒng)額定電壓高5%。升壓變壓器低壓繞組額定電壓與發(fā)電機

21、額定電壓相同，其高壓繞組額定電壓比相應(yīng)電力系統(tǒng)額定電壓高10%。 降壓變壓器高壓繞組額定電壓與相應(yīng)電力系統(tǒng)額定電壓相同，其低壓繞組額定電壓比電力系統(tǒng)額定電壓高5%或10%。,華中科技大學(xué)武昌分校,標明發(fā)電機和變壓器兩側(cè)繞組的額定電壓值（圖中已標明的是電力系統(tǒng)的額定電壓）,,華中科技大學(xué)武昌分校,I ∝（U1－U2）/Z傳輸功率S、電壓等級U、輸電距離之間的關(guān)系S＝Const，電壓越高，電流越小，損耗小；電壓越高，絕緣要

22、求高，投資高。,四、電壓等級的選擇,華中科技大學(xué)武昌分校,表1-4 額定電壓與相應(yīng)傳輸功率和傳輸距離的關(guān)系,華中科技大學(xué)武昌分校,電力系統(tǒng)額定電壓為220kV及以上電壓等級與其相適應(yīng)的傳輸功率和傳輸距離的關(guān)系曲線如圖1-6所示。,華中科技大學(xué)武昌分校,第四節(jié) 電力系統(tǒng)中性點接地,一、概述,二、中性點不接地系統(tǒng),三、中性點經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng),四、中性點直接接地的電力系統(tǒng),五、中性點經(jīng)電阻接地的電力系統(tǒng),華中科技大學(xué)武昌分校,一、

23、概 述,接地 ： 為了保證電力網(wǎng)或電氣設(shè)備的正常運行和工作人員的人身安全，人為地使電力網(wǎng)及其某個設(shè)備的某一特定地點通過導(dǎo)體與大地作良好的連接。,華中科技大學(xué)武昌分校,接地分類：,工作接地：為了保證電氣設(shè)備在正?；虬l(fā)生故障情況下可靠地工作而采取的接地。,保護接地：將一切正常工作時不帶電而在絕緣損壞時可能帶電的金屬部分接地，以保證工作人員接觸時的安全。,華中科技大學(xué)武昌分校,保護接零：在中性點直接接地的低壓電力網(wǎng)中，把

24、電氣設(shè)備的外殼與接地中性線直接連接，以實現(xiàn)對人 身安全的保護作用。,防雷接地：為消除大氣過電壓對電氣設(shè)備的威脅，而對過電壓保護裝置采取的接地措施。,防靜電接地：對生產(chǎn)過程中有可能積蓄電荷的設(shè)備所采取的接地。,華中科技大學(xué)武昌分校,如何確定電力系統(tǒng)中性點接地方式： 應(yīng)從供電可靠性、內(nèi)過電壓、對通信線路的干擾、繼電保護以及確保人身安全諸方面綜合考慮。,電力系統(tǒng)的中性點接地方式：小接地電流系統(tǒng): 不接地，經(jīng)消弧線圈接地大接地電流

25、系統(tǒng)：直接接地，經(jīng)電阻接地,電力系統(tǒng)的中性點星形連接的變壓器或發(fā)電機的中性點。,？？,電力系統(tǒng)的中性點接地,華中科技大學(xué)武昌分校,UA＋UB＋UC＝0IA＋IB＋IC＝0,二、中性點不接地的電力系統(tǒng),適用范圍3kV~60kV的電力系統(tǒng) 正常運行時,結(jié)論： 三相電壓對稱，三相導(dǎo)線對地電容電流也是對稱的，三相電容電流相量之和為零，這說明沒有電容電流經(jīng)過大地流動。,華中科技大學(xué)武昌分校,單相金屬性接地故障時(A相),華中科技大學(xué)

26、武昌分校,華中科技大學(xué)武昌分校,中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障的結(jié)論 ：,三相之間的線電壓仍然對稱，用戶的三相用電設(shè)備仍能照常運行，但允許繼續(xù)運行的時間不能超過2h。,故障相對地電壓降為零；中性點對地電壓升高；非故障相對地電壓升高為線電壓，且相位相差600。因此，線路及各種電氣設(shè)備的絕緣要按線電壓設(shè)計，絕緣投資所占比重加大。,華中科技大學(xué)武昌分校,接地故障電容電流IPE,華中科技大學(xué)武昌分校,華中科技大學(xué)武昌分校,中性點不接地系統(tǒng)單相接地

27、故障的討論 ：,如果接地電流在5A以下，當電流經(jīng)過零值時，電弧就會自然熄滅。,如果接地電流大于5A~10A，而小于30A，則有可能形成間歇性電弧；間歇性電弧容易引起弧光接地過電壓，其幅值可達（2.5~3）U?，將危害整個電網(wǎng)的絕緣安全。,接地電流大于30A時，將形成穩(wěn)定電弧，成為持續(xù)性電弧接地，這將燒毀電氣設(shè)備和可能引起多相相 間短路。,華中科技大學(xué)武昌分校,三、中性點經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng),消弧線圈: 安裝中性點與

28、大地之間的具有氣隙鐵芯的電抗器。單相(C相)金屬性接地故障:,華中科技大學(xué)武昌分校,消弧線圈的作用 當發(fā)生單相接地故障時，接地故障相與消弧線圈構(gòu)成了另一個回路，接地故障相接地電流中增加了一個感性電流，它和裝設(shè)消弧線圈前的容性電流的方向剛好相反，相互補償，減少了接地故障點的故障電流，使電弧易于自行熄滅，從而避免了由此引起的各種危害，提高了供電可靠性。,C相發(fā)生接地時，中性點電壓變?yōu)?UC ，在消 弧線圈作用下，產(chǎn)生電感電流

29、（滯后90°），其數(shù)值為: IL＝UC / XL＝U / XL,華中科技大學(xué)武昌分校,消弧線圈的補償方式,欠補償方式：按IL<IC選擇消弧線圈的電感，此時接地故障點有未被補償?shù)碾娙蓦娏髁鬟^。,全補償方式：按IL=IC選擇消弧線圈的電感，使接地故障點電流為零，此即全補償方式。,過補償方式：按IL>IC選擇消弧線圈的電感，此時接地故障點有剩余的電感電流流過。,華中科技大學(xué)武昌分校,消弧線圈

30、容量的選擇,下述情況，應(yīng)安裝消弧線圈,華中科技大學(xué)武昌分校,四、中性點直接接地的電力系統(tǒng),特點： 供電可靠性不如電力系統(tǒng)中性點不接地和經(jīng)消弧線圈接地方式。為提高供電可靠性，在線路上廣泛安裝三相或單相自動重合閘裝置。電氣設(shè)備的絕緣水平只需按電力網(wǎng)的相電壓考慮，可以降低工程造價。我國110kV以上系統(tǒng)（考慮絕緣）380/220V系統(tǒng)中一般都采用中性點直接接地方式，主要是從人身安全考慮問題。,華中科技大學(xué)武昌分校,中性點直接接地方式

31、適用范圍：我國110kV（國外220kV）及以上電壓等級的電力系統(tǒng) 。380/220V低壓系統(tǒng)。,華中科技大學(xué)武昌分校,五、中性點經(jīng)電阻接地的電力系統(tǒng),特點： 主要用于配網(wǎng)；降低工頻過電壓，抑制弧光過電壓；消除鐵磁諧振過電壓，防止斷線諧振過電壓；設(shè)置零序保護動作跳閘；避免發(fā)生高壓觸電事故；供電可靠性有保證。,華中科技大學(xué)武昌分校,適用范圍：配網(wǎng)系統(tǒng)（與中性點經(jīng)消弧線圈接地、不接地比較）全電纜出線變電站的單相接地故障電容

32、電流超過30A時采用中性點經(jīng)電阻接地；全架空線路出線變電站的單相接地故障電流超過10A時，采用中性點經(jīng)消弧線圈接地；對電纜與架空線混合線路的單相接地故障電容電流超過10A時，可采用中性點經(jīng)消弧線圈接地或采用中性點經(jīng)電阻接地。,華中科技大學(xué)武昌分校,電力系統(tǒng)的中性點接地方式：我國電力系統(tǒng)的中性點接地方式主要有4種，即： 中性點不接地（中性點絕緣）、中性點經(jīng)消弧線圈接地； 中性點直接接地、中

33、性點經(jīng)小電阻接地。 前兩種接地方式稱為小電流接地（系統(tǒng)），適用范圍：3kV～60kV的電力系統(tǒng)。 后兩種接地方式稱為大電流接地。 這種區(qū)分法是根據(jù)系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，按其接地故障電流的大小來劃分的。,華中科技大學(xué)武昌分校,中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障的結(jié)論 ：,三相之間的線電壓仍然對稱，用戶的三相用電設(shè)備仍能照常運行，但允許繼續(xù)運行的時間不能超過2h。,故障相對地電壓降為零；非故障相對地

34、電壓升高為線電壓，且相位相差600。因此，線路及各種電氣設(shè)備的絕緣要按線電壓設(shè)計，絕緣投資所占比重加大，顯而易見，電壓等級越高絕緣投資越大。,華中科技大學(xué)武昌分校,思考題1-1．簡述中國電力工業(yè)發(fā)展概況及發(fā)展前景。 1-2．動力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)及電力網(wǎng)各由哪些部分組成？1-3．電能生產(chǎn)的主要特點是什么？對電力系統(tǒng)有哪些要求？1-4．簡述衡量電能質(zhì)量的主要指標及其重要意義？1-5．為什么要規(guī)定電力系統(tǒng)額定電壓？發(fā)電機、變壓器和電力