電氣工程基礎(chǔ)1緒論

1、電氣工程基礎(chǔ)合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程系婁振袖 辦公室：逸夫樓1104 180 9667 0560教學(xué)目的 電力工程入門課程，學(xué)完本課程后即可以從事與電力工程相關(guān)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、檢修工作； 要求了解電力生產(chǎn)過(guò)程及其設(shè)備； 要求掌握電力生產(chǎn)過(guò)程中的基本理論、基本技術(shù)、基本計(jì)算方法；計(jì)劃學(xué)時(shí)安排章學(xué)時(shí)章學(xué)時(shí)章學(xué)時(shí)章學(xué)時(shí)142434445868768092100總學(xué)時(shí)：課內(nèi)40學(xué)時(shí)課程銜接 先修課程：電路理論，電機(jī)學(xué)； 主要后續(xù)課程：電力系統(tǒng)分析、繼電保護(hù)、電力系統(tǒng)自動(dòng)化、高電壓技術(shù)考試 閉卷：60 作業(yè)：30 出勤：10第一章主要內(nèi)容 電力系統(tǒng)、電力網(wǎng)、變電站的定義與分類；大系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益簡(jiǎn)介；電

2、力系統(tǒng)的特點(diǎn)；對(duì)電力系統(tǒng)的要求；電能質(zhì)量指標(biāo)；電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備額定電壓及其規(guī)定；電壓等級(jí)與傳輸功率及傳輸距離的關(guān)系。 電力發(fā)展史 黃晞. 中國(guó)近現(xiàn)代電力技術(shù)發(fā)展史. 山東教育出版社. 2006 jill jones(美). 光電帝國(guó). 中信出版社. 2006 w. c. dampier(英). 科學(xué)史及其與哲學(xué)和宗教的關(guān)系. 廣西師范大學(xué)出版社，2009 電力初期發(fā)展 對(duì)電力的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用從直流開(kāi)始 1873年，在維也納國(guó)際博覽會(huì)上，法國(guó)弗泰內(nèi)使用2000m導(dǎo)線，連接一臺(tái)瓦斯發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的格拉姆直流發(fā)電機(jī)和一臺(tái)帶動(dòng)水泵的電動(dòng)機(jī)，證明了遠(yuǎn)距離輸電的現(xiàn)實(shí)性 1874年，俄國(guó)皮羅茨基在彼得堡架設(shè)了輸送

3、功率4.5kw的直流輸電線路，距離為500m，后增至1000m。1876年，又利用鐵路軌道輸送了3.6km，后來(lái)被用于有軌電車牽引電力初期發(fā)展 1882年，法國(guó)德普勒架設(shè)首條57km直流試驗(yàn)線路，采用4.5mm電報(bào)線，首端電壓1343v，末端850v，輸送功率不到200w，損耗78%，把米斯巴赫水電站直流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電力送到慕尼黑國(guó)際博覽會(huì) 1883年，德普勒從法國(guó)南部比塞爾到格勒諾布爾進(jìn)行14km輸電試驗(yàn)，輸送功率1.1kw 1885年，采用6000v高壓直流發(fā)電機(jī)從瓦利爾輸電到巴黎，56km，損耗55%電力初期發(fā)展 1882年10月，英國(guó)霍普金森（j. hopkinson）發(fā)明直流輸電三線

4、制系統(tǒng)，外線到中線110v，兩外線之間220v。后來(lái)擴(kuò)展到五線制 由于高壓大容量直流發(fā)電機(jī)的制造技術(shù)問(wèn)題，遠(yuǎn)距離輸電所需的高電壓不可能直接從直流電機(jī)直接獲得。19世紀(jì)末，法國(guó)芳建在送端串聯(lián)多臺(tái)直流發(fā)電機(jī)提高輸電電壓，將75kw電力輸送75km ，效率50%電力初期發(fā)展 20世紀(jì)初，瑞典瑟雷在各臺(tái)串聯(lián)的直流發(fā)電機(jī)上裝上短路器，使任意發(fā)電機(jī)投切不停電，該系統(tǒng)在其后20多年中建成了15條直流輸電線路，規(guī)模最大的是1906年投運(yùn)的從法國(guó)慕吉水電站到里昂180km、57kv、4700kw線路，1927年改建為260km、125kv、19000kw，多接入兩座水電站 當(dāng)時(shí)直流輸電裝置和運(yùn)行方式復(fù)雜、造價(jià)高

5、、可靠性差，很快被競(jìng)爭(zhēng)的三相交流取代電力初期發(fā)展 英國(guó)法拉第（m. faraday,1791-1867）電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)繞在鐵芯上的線圈，當(dāng)斷開(kāi)或接通一個(gè)線圈中的電流時(shí)在另一個(gè)線圈上感應(yīng)有電壓，這實(shí)際上是變壓器的雛形 美國(guó)亨利（j. henry,1797-1878）用多匝線圈作為原邊，用少匝線圈作副邊，使高電壓感應(yīng)出低電壓 1876年，俄國(guó)亞布洛契科夫發(fā)明了單相變壓器，用于照明電力初期發(fā)展 1883年，法國(guó)高拉德(l. gauland)和英國(guó)吉布斯（j. d. gribbs）將多臺(tái)變壓器原邊串聯(lián)在輸電線路中，當(dāng)副邊接入的電弧燈盞數(shù)變化時(shí)，輸電電壓會(huì)受到干擾 1883年，美國(guó)特斯拉研制感應(yīng)電

6、機(jī) 1885年，匈牙利吉伯納基斯、貝利、波拉其共同設(shè)計(jì)多臺(tái)變壓器并聯(lián)連接方式 美國(guó)威斯汀豪斯（g. westinghouse，1846-1914）預(yù)見(jiàn)交流輸電是發(fā)展方向，開(kāi)始了交流輸電工業(yè)嘗試交直流輸電的電力戰(zhàn)爭(zhēng) 19世紀(jì)80年代到90年代，圍繞交直流輸電問(wèn)題爆發(fā)了“交直流之戰(zhàn)” 愛(ài)迪生、凱爾文等主張大力推廣直流電，極力反對(duì)交流電。首先，他們認(rèn)為當(dāng)負(fù)荷波動(dòng)很大時(shí)，采用直流電效率更高。當(dāng)時(shí)主要供給照明，交流1度電煤耗9.072g，而直流是4.536g；其次，他們認(rèn)為交流電具有很大的危險(xiǎn)性，1889年5月購(gòu)買威斯汀豪斯3臺(tái)交流發(fā)電機(jī)，然后賣給監(jiān)獄執(zhí)行罪犯威廉.凱姆勒死刑交直流輸電的電力戰(zhàn)爭(zhēng) 威斯汀

7、豪斯、特斯拉（n. tesla）積極主張發(fā)展交流電。他們認(rèn)為交流電的輸電效率更高，可以通過(guò)變壓器升壓和降壓，高壓輸電可以減少電能損失。交流發(fā)電機(jī)制造業(yè)發(fā)展為交流發(fā)電方式做了充分準(zhǔn)備 1886年，威斯汀豪斯在美國(guó)麻省大巴林頓，進(jìn)行1200m、3kv交流輸電示范 1886年，威斯汀豪斯在意大利建成17mile、2kv高壓輸電線路交直流輸電的電力戰(zhàn)爭(zhēng) 1888年，俄國(guó)多布羅夫斯基發(fā)明三相交流制和三相異步電動(dòng)機(jī) 1891年8月，威斯汀豪斯建成170km供國(guó)際展覽會(huì)用的從法國(guó)勞芬到德國(guó)法蘭克福的世界第一條交流輸電線路，勞芬水電站安裝一臺(tái)230kva、95v、40hz三相交流發(fā)電機(jī)和一臺(tái)200kva、95

8、/15200v升壓變壓器，法蘭克福建有兩座13800/112v降壓變電站，一座供展覽會(huì)照明，另一座供100hp三相異步電動(dòng)機(jī)用電，供9m高人工瀑布離心泵高壓交流輸電發(fā)展 輸電技術(shù)的發(fā)展就是增大輸電功率、輸電距離，減少損失，因此關(guān)鍵是提高電壓 1898年，采用針式絕緣子，美國(guó)加利福尼亞33kv、120km線路 1906年，休伊特、巴克發(fā)明懸式絕緣子，美國(guó)建成110kv高壓輸電線路 1912年，皮克、懷特海、沙特林、米特開(kāi)維奇、高列夫發(fā)現(xiàn)電暈臨界電壓與導(dǎo)線直徑成比例增加，鋁線或鋼芯鋁線開(kāi)始應(yīng)用，美國(guó)建成154kv高壓輸電線路高壓交流輸電發(fā)展 1923年，均壓環(huán)技術(shù)應(yīng)用，美國(guó)建成220kv線路 19

9、36年美國(guó)287kv、430km線路投運(yùn) 1952年，瑞典首先建成380kv、940km、采用分裂導(dǎo)線的超高壓線路 1956年，蘇聯(lián)400kv、890km雙回投運(yùn)；1959年，該線路升壓到500kv 1965年，加拿大735kv建成 1969年，美國(guó)765kv線路并入aep電網(wǎng)高壓交流輸電發(fā)展 1985年，蘇聯(lián)1150kv、510km投運(yùn)。蘇聯(lián)解體后降壓至500kv運(yùn)行。中國(guó)高壓交流輸電發(fā)展年份年份電壓等級(jí)電壓等級(jí)線路長(zhǎng)度線路長(zhǎng)度地點(diǎn)地點(diǎn)191223kv34km云南石龍壩至昆明192133kv20km北京石景山至市區(qū)192444kv64.5km奉天至遼陽(yáng)193466kv大連甘井子至天之川194

10、177kv45km天津第一發(fā)電廠至塘沽1941220kv東北水豐水電廠至鞍山1942110kv192km鏡泊湖水電廠至延邊1972330kv534km劉家峽水電站至陜西漢中1981500kv595km平頂山姚孟電廠至武昌20091000kv640km山西晉東南經(jīng)南陽(yáng)到荊門高壓直流輸電 1954年，瑞典本土與哥特蘭島之間建成世界第一個(gè)工業(yè)直流輸電工程，海底電纜，100kv，96km，2萬(wàn)千瓦，采用汞弧閥換流 1970年，瑞典本土與哥特蘭島工程擴(kuò)建了50kv、1萬(wàn)千瓦晶閘管換流閥試驗(yàn)工程 1972年，世界上第一個(gè)采用晶閘管換流閥的背靠背工程在加拿大投運(yùn)中國(guó)高壓直流輸電 1987年12月，舟山直流工

11、程，寧波至舟山，12km海底電纜+42km架空線路， 100kv，六脈沖換流閥 1989年，葛-滬直流工程，宜昌宋家壩至上海南橋， 500kv，1045.7km 預(yù)計(jì)2010年6月，云廣直流工程云廣直流工程投運(yùn)，投運(yùn)， 1438km， 800kv ，輸送容量 500 萬(wàn)千瓦三相交流輸電的優(yōu)點(diǎn) 易于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 瞬時(shí)功率不隨時(shí)間變化而保持恒定 輸電線路所用導(dǎo)線量少因此，除了室內(nèi)配電等小功率供電時(shí)采用單相交流方式外，其他場(chǎng)合都采用三相交流輸電)240sin()120sin()(inuocobatuutuutusuaubuc每根導(dǎo)線的輸電功率輸電方式輸電方式輸電功率輸電功率每根導(dǎo)線輸電功率每根導(dǎo)線輸

12、電功率比率（比率（cos =1）直流二線制100單相二線制100二相三線制94三相三線制115三相四線制87四相四線制100對(duì)稱n相n線制（n為偶數(shù)）100ui2uiuicos2uicosuicos23uicos2uicos33uicos3uicos34uicos324uicos2uicos2uicos2nuicos所需導(dǎo)線量輸電方式輸電方式輸電功率輸電功率p，輸電損失，輸電損失p1導(dǎo)線全截面導(dǎo)線全截面單相二線制三相三線制對(duì)稱n相n線制（n為偶數(shù)）rip212uicospripp213uicos32nuicosp2212cosup4s2pl2212cosup3s3pl2212cosup4nsp

13、l電力系統(tǒng)的形成與發(fā)展ssss電力系統(tǒng)基本概念電力系統(tǒng)基本概念水庫(kù)gmm電力網(wǎng)電力系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)電廠水輪機(jī) 發(fā)電機(jī)變電所升壓變壓器輸電線路變電所降壓變壓器用戶用電設(shè)備電力系統(tǒng)基本概念電力系統(tǒng)基本概念 電力網(wǎng)：由變電所和不同電壓等級(jí)輸電線路組成的網(wǎng)絡(luò)。 電力系統(tǒng)：由發(fā)電機(jī)、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：生成電能 變電所：變換和分配電能 輸配電線路：輸送電能 用戶：消費(fèi)電能 動(dòng)力系統(tǒng)：在電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，把發(fā)電廠的動(dòng)力部分（例如火力發(fā)電廠的鍋爐、汽輪機(jī)和水力發(fā)電廠的水庫(kù)、水輪機(jī)以及核動(dòng)力發(fā)電廠的反應(yīng)堆等）包含在內(nèi)

14、的系統(tǒng)。電力系統(tǒng)基本概念電力系統(tǒng)基本概念超高壓遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)地方電力網(wǎng)區(qū)域電力網(wǎng)110kv35kv35kv500kv220kv110kv10 kv水力發(fā)電廠火力發(fā)電廠變電所a：樞紐變電所c：地方變電所d：終端變電所b：中間電力系統(tǒng)基本概念電力系統(tǒng)基本概念 電力網(wǎng)：按電壓等級(jí)的高低、供電范圍的大小的分類 地方電力網(wǎng)：電壓等級(jí)在35kv及以下，供電半徑在2050km以內(nèi) 區(qū)域電力網(wǎng)：電壓等級(jí)在35kv以上（一般為110kv220kv），供電半徑超過(guò)50km，聯(lián)系較多發(fā)電廠的網(wǎng)絡(luò) 超高壓遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)：電壓等級(jí)為330kv500kv的網(wǎng)絡(luò)，其主要任務(wù)是把遠(yuǎn)處發(fā)電廠生產(chǎn)的電能輸送到負(fù)荷中心，同時(shí)還聯(lián)系若干

15、區(qū)域電力網(wǎng)形成跨省、跨地區(qū)的大型電力系統(tǒng) 變電所： 樞紐變電所、中間變電所、地區(qū)變電所、終端電站所 升壓變電所、降壓變電所 1000kv變電所、500kv變電所、220kv變電所、110kv變電所、35kv變電所、10kv變電所為什么要聯(lián)成大電網(wǎng)？ 提高供電可靠性； 減少裝機(jī)容量； 減少備用容量； 合理利用能源，發(fā)揮水電作用； 采用大容量發(fā)電機(jī)組； 提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；電力系統(tǒng)的特點(diǎn)1、電能不能大量存儲(chǔ) 電能的生產(chǎn)、變換、輸送、分配和使用是同時(shí)進(jìn)行的。 p發(fā) p用p 頻率f q發(fā) q用q 電壓v原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 負(fù)荷制動(dòng)轉(zhuǎn)矩發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸電力系統(tǒng)的特點(diǎn) 電力系統(tǒng)的負(fù)荷時(shí)刻處于變化之中，電力系統(tǒng)的參數(shù)也處

16、于變化之中，因此，功率平衡關(guān)系式是動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系式。 p發(fā) p用p 頻率f q發(fā) q用q 電壓v 保證功率平衡是最根本的任務(wù)。 電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)的基本概念電力系統(tǒng)的特點(diǎn)2、電力系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程十分短暫 控制操作自動(dòng)化程度高。必須借助自動(dòng)裝置對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行控制： 繼電保護(hù)裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置 減載裝置、同期裝置、勵(lì)磁裝置、電力系統(tǒng)的特點(diǎn)3、電能生產(chǎn)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門和人民生活有著極為密切的關(guān)系 對(duì)社會(huì)政治經(jīng)濟(jì)影響巨大負(fù)荷分類： 一類負(fù)荷 二類負(fù)荷 三類負(fù)荷電力系統(tǒng)的特點(diǎn)4、電力系統(tǒng)的地區(qū)性特點(diǎn)較強(qiáng) 發(fā)展各具特色。 電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行等不能盲目搬用其它系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)電力系統(tǒng)的要求1、保證供電可靠 （有）

17、2、保證良好的電能質(zhì)量 （好）3、提高電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性 （費(fèi)用低）exa：一臺(tái)600mw火電機(jī)組，年利用小時(shí)6000h，煤耗率320g/kw.h，煤價(jià)：300元/噸。sol： 年發(fā)電量：600000kw6000h36億kw.h需標(biāo)煤：36億kw.h320g/kw.h115.2萬(wàn)噸標(biāo)煤燃料費(fèi)：115.2萬(wàn)噸300元/噸34560萬(wàn)元1%節(jié)約：燃料：1.152萬(wàn)噸標(biāo)煤燃料費(fèi)：345.6萬(wàn)元電能的質(zhì)量指標(biāo)電能的質(zhì)量指標(biāo)電能的質(zhì)量指標(biāo)主要包括：電壓、頻率、波形 電壓： 必要性：140120100806080 90 100 110 120壽命光通量發(fā)光效率電流電壓/%壽命光通量發(fā)光效率電流/%1401

18、20100806080 90 100 110 120電壓/%效率cos電流/%電流效率cos圖1-3 照明負(fù)荷（白熾燈）的電壓特性 圖1-4 異步電動(dòng)機(jī)的電壓特性 （圖中的100%表示額定值） （圖中的100%表示額定值）電能的質(zhì)量指標(biāo)電能的質(zhì)量指標(biāo) 電壓質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：名 稱允許限值說(shuō) 明供電電壓允許偏差 35kv 及以上為正負(fù)偏差絕對(duì)值之和不超過(guò) 10%； 10kv 及以下三相供電為7%； 220v 單相供電為+7%，-10%衡量點(diǎn)為供用電產(chǎn)權(quán)分界處或電能計(jì)量點(diǎn)電壓允許波動(dòng)和閃變1電電壓壓波波動(dòng)動(dòng)： 10kv 及以下 2.5%; 35kv110kv 為 2%； 220kv 及以上 1.6%2閃閃

19、變變 v10： 對(duì)照明要求較高,0.4%(推薦值); 一般照明負(fù)荷,0.6%(推薦值) 衡量點(diǎn)為電網(wǎng)公共連接點(diǎn)(pcc)，取實(shí)測(cè) 95%概率值； 給出閃變電壓限值和頻度的關(guān)系曲線，可以根據(jù)電壓波動(dòng)曲線查得允許值，并給出算例； 對(duì)測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器作出基本規(guī)定三相供電電壓允許不平衡度 正常允許 2%，短時(shí)不超過(guò) 4%； 每個(gè)用戶一般不得超過(guò) 1.3% 各級(jí)電壓要求一樣； 衡量點(diǎn)為 pcc，取實(shí)測(cè) 95%概率值或日累計(jì)超標(biāo)不超過(guò) 72min，且每 30min中超標(biāo)不超過(guò) 5min； 對(duì)測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器作出規(guī)定； 提供不平衡度算法電能的質(zhì)量指標(biāo)電能的質(zhì)量指標(biāo) 頻率： 額定頻率：50hz（國(guó)外：50

20、 或 60hz） 頻率偏差：0.2hz（3000mw系統(tǒng)）0.5hz（3000mw系統(tǒng)）國(guó)外：(0.10.2)hz 或 0.5hz 電鐘時(shí)偏：30s（3000mw系統(tǒng)）1min（3000mw系統(tǒng)） 波形： 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：正弦波電壓和電流 諧波的危害與抑制電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)包括電力系統(tǒng)的額定電壓和最高電壓以及電氣設(shè)備的額定電壓和最高電壓。 電力系統(tǒng)的額定電壓：由國(guó)家根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件規(guī)定的電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，又稱電力網(wǎng)的額定電壓或線路的額定電壓。 電力系統(tǒng)的最高電壓：電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，在任何時(shí)間系統(tǒng)中任何一點(diǎn)上所出現(xiàn)的電壓最高值。 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

21、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（如變壓器的激磁電流及電容器的損耗等）所確定的允許最高運(yùn)行電壓，其數(shù)值等于所在電力系統(tǒng)的最高電壓值。電力系統(tǒng)額定電壓1. 低于3kv系統(tǒng)的額定電壓 低于3kv交流三相/單相電力系統(tǒng)額定電壓和電氣設(shè)備額定電壓變 壓 器 額 定 電 壓 /kv電 力 系 統(tǒng) 額 定電 壓 /kv發(fā) 電 機(jī) 額 定電 壓 /kv一 次 繞 組二 次 繞 組0.22/0.1270.230.22/0.1270.23/0.1330.38/0.220.400.38/0.220.40/0.230.66/0.380.690.66/0.380.69/0.40注：受電設(shè)備的額定電壓電力系統(tǒng)的額定電壓。 直流系統(tǒng)的額定電壓： 100v以下的額定電壓，受電設(shè)備與供電設(shè)備相同。 對(duì)受電設(shè)備為110v、220