電氣工程基礎(chǔ)

華中科技大學(xué)電氣學(xué)院電力系統(tǒng)工程基礎(chǔ)電氣工程及其自動(dòng)化教研室郭磊華中科技大學(xué)電氣學(xué)院學(xué)時(shí)分配及安排：

1.講課學(xué)時(shí)（44學(xué)時(shí)）+實(shí)踐課（4學(xué)時(shí)）=48學(xué)時(shí)；

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(jì)算題；也有補(bǔ)充題；考前布置思考題）

3.對(duì)重要的作業(yè)題、計(jì)算題、包括書上的例題，課上會(huì)進(jìn)行仔細(xì)講授，必須熟練掌握—也是本書的難點(diǎn)和重點(diǎn)；

4.最后會(huì)布置一定量思考題、計(jì)算題；華中科技大學(xué)電氣學(xué)院第一章緒論第二節(jié)電力系統(tǒng)基本概念第三節(jié)電能質(zhì)量指標(biāo)第四節(jié)電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)及其選擇第五節(jié)電力系統(tǒng)中性點(diǎn)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)電氣學(xué)院第一節(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)電氣學(xué)院第一章緒論

§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)怎么形成和發(fā)展的多個(gè)電廠與多個(gè)負(fù)荷中心供給更多的負(fù)荷可以提高供電可靠性互為備用容量，減少系統(tǒng)裝機(jī)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(jī)組可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性華中科技大學(xué)電氣學(xué)院一、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)電氣學(xué)院輸電線路：

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(guó)第一個(gè)超高壓750kV輸變電工程正式投入運(yùn)行；

2009年1月，我國(guó)特高壓lOOOkV交流輸變電工程——晉東南一南陽一荊門試驗(yàn)示范工程，正式投運(yùn)。華中科技大學(xué)電氣學(xué)院電力系統(tǒng)之最：

我國(guó)最大的火電機(jī)組容量100萬kW（浙江玉環(huán)、廣東海門）最大的水電機(jī)組容量70萬kW（三峽工程）最大的核電機(jī)組容量100萬kW（田灣核電廠）華中科技大學(xué)電氣學(xué)院

舉世矚目的三峽工程，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量32臺(tái)（含地下電廠6臺(tái)機(jī)組），單機(jī)容量70萬kW，年均發(fā)電量847億kW·h，比全世界70萬kW機(jī)組的總和還多，是世界上最大的發(fā)電廠。華中科技大學(xué)電氣學(xué)院

最大的火力發(fā)電廠容量為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)電氣學(xué)院我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展：年份裝機(jī)容量（萬kW）年發(fā)電量（億kWh）1949184.8643.1198710000496019952100010000200030000130002004440702187020077130032559截至2008年底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到7．9253億kW，同比增長(zhǎng)10.34％。從電力生產(chǎn)情況看，全國(guó)發(fā)電量達(dá)到34334億kW．h，同比增長(zhǎng)5.18％。華中科技大學(xué)電氣學(xué)院二、電力系統(tǒng)發(fā)展前景1.做好電力規(guī)劃，加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)

加強(qiáng)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(yùn)行靈活的聯(lián)合電力系統(tǒng)

華中科技大學(xué)電氣學(xué)院華中科技大學(xué)電氣學(xué)院2.電力工業(yè)現(xiàn)代化高電壓、大系統(tǒng)大電廠、大機(jī)組高度自動(dòng)化3.節(jié)能減排，積極發(fā)展清潔能源（核能、風(fēng)能、太陽能等）華中科技大學(xué)電氣學(xué)院華中科技大學(xué)電氣學(xué)院4.聯(lián)合電力系統(tǒng)

效益各系統(tǒng)間電負(fù)荷的錯(cuò)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(jī)容量較大的機(jī)組進(jìn)行電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度進(jìn)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)電氣學(xué)院增加聯(lián)絡(luò)線和電網(wǎng)內(nèi)部加強(qiáng)所需投資以及聯(lián)絡(luò)線的運(yùn)行費(fèi)用當(dāng)系統(tǒng)間聯(lián)系較弱時(shí)，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(dòng)化的復(fù)雜性支出華中科技大學(xué)電氣學(xué)院5.電力市場(chǎng)基本特征：開放性競(jìng)爭(zhēng)性計(jì)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)電氣學(xué)院第二節(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(diǎn)四、對(duì)電力系統(tǒng)的要求二、電力系統(tǒng)的形成華中科技大學(xué)電氣學(xué)院水庫(kù)G~M~M~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)備一、什么是電力系統(tǒng)？華中科技大學(xué)電氣學(xué)院

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)。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)力部分包含在內(nèi)的系統(tǒng)。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(fèi)電能水庫(kù)G~M~華中科技大學(xué)電氣學(xué)院華中科技大學(xué)電氣學(xué)院

電力網(wǎng)：按電壓等級(jí)的高低、供電范圍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20km～50km區(qū)域電力網(wǎng)：電壓等級(jí)110kV~220kV，供電半徑大于50km超高壓遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)：電壓等級(jí)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)電氣學(xué)院二、電力系統(tǒng)的特點(diǎn)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fQ發(fā)

Q用＋

Q

電壓U過渡過程十分短暫：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……華中科技大學(xué)電氣學(xué)院電能生產(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：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)。華中科技大學(xué)電氣學(xué)院四、對(duì)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(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

華中科技大學(xué)電氣學(xué)院例1：一臺(tái)600MW火電機(jī)組，年利用小時(shí)6000h，煤耗率300g/kW·h，煤價(jià)：300元/噸。解： 年發(fā)電量： 60×104kW×6000h＝36億kW·h 需標(biāo)煤： 36億kW·h×300g/kW·h＝108萬噸標(biāo)煤

節(jié)約燃料1%： 10800噸標(biāo)煤

華中科技大學(xué)電氣學(xué)院第三節(jié)電能質(zhì)量指標(biāo)電能的質(zhì)量指標(biāo)主要包括：電壓

頻率波形華中科技大學(xué)電氣學(xué)院14012010080608090100110120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/%14012010080608090100110120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）電壓：必要性：華中科技大學(xué)電氣學(xué)院電壓質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：華中科技大學(xué)電氣學(xué)院頻率頻率的影響：(1)對(duì)用電設(shè)備：偏高，經(jīng)濟(jì)性降低；偏低，生產(chǎn)率低，降低使用壽命。(2)鍋爐的離心式機(jī)械：偏低，出力下降，緊急停爐，惡性循環(huán)。(3)對(duì)系統(tǒng)：頻率下降較多，系統(tǒng)崩潰。華中科技大學(xué)電氣學(xué)院頻率頻率偏差：

±0.2Hz（≥3000MW系統(tǒng)）

±0.5Hz（＜3000MW系統(tǒng)） 國(guó)外： ±(0.1~0.2)Hz或±0.5Hz額定頻率：

50Hz（國(guó)外：50或60Hz）對(duì)頻率的要求：華中科技大學(xué)電氣學(xué)院2.諧波危害①降低電動(dòng)機(jī)的效率②諧波過電流、過電壓燒壞無功補(bǔ)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(jī)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)電氣學(xué)院波形：3.諧波電壓限值表1-3公用電網(wǎng)諧波電壓限值電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)電壓(kV)電壓總諧波畸變率（%）各次諧波電壓含有率（%）說

明奇次偶次0.385.04.02.01.衡量點(diǎn)為PCC，取實(shí)測(cè)95%概率值；2.對(duì)用戶允許產(chǎn)生的諧波電流，提供計(jì)算方法；3.對(duì)測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器作出基本規(guī)定；4.對(duì)同次諧波隨機(jī)性合成提供算法。6及104.03.21.635及663.02.41.21102.01.60.8注：220kV電網(wǎng)參照110kV執(zhí)行。華中科技大學(xué)電氣學(xué)院4.諧波電流允許值表1-4注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值（A）標(biāo)準(zhǔn)電壓（kV）基準(zhǔn)短路容量/MVA諧波次數(shù)23456789101112131415161718192021222324250.381078623962264419211628132411129.7188.6167.88.97.1146.512610043342134142411118.5167.1136.16.85.3104.79.04.34.93.97.43.66.810100262013208.5156.46.85.19.34.37.93.74.13.26.02.85.42.62.92.34.52.147125.18.83.84.13.15.62.64.72.22.51.93.61.73.21.51.81.42.71.32.56650016138.1135.49.34.14.33.35.92.75.02.32.62.03.81.83.41.61.91.52.81.42.6110750129.66.09.64.06.83.03.22.44.32.03.71.71.91.52.81.32.51.21.41.12.11.01.9注：220kV基準(zhǔn)短路容量取2000MV?A。華中科技大學(xué)電氣學(xué)院4.含諧波負(fù)荷接入系統(tǒng)條件（1）系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的諧波電壓距規(guī)定的限制有裕度（2）含諧波負(fù)荷注入系統(tǒng)的諧波電流不超過允許值華中科技大學(xué)電氣學(xué)院第四節(jié)電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)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(jí)

四、電壓等級(jí)選擇華中科技大學(xué)電氣學(xué)院一、電力系統(tǒng)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。經(jīng)濟(jì)電壓：對(duì)應(yīng)一定傳輸功率和輸送距離的輸電線路應(yīng)有一個(gè)合理的電壓值華中科技大學(xué)電氣學(xué)院電氣設(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(yùn)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(jí)別下，電氣設(shè)備的額定電壓值不同G~M~華中科技大學(xué)電氣學(xué)院華中科技大學(xué)電氣學(xué)院三、電力系統(tǒng)電壓等級(jí)1.低于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)電氣學(xué)院注：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(jí)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%華中科技大學(xué)電氣學(xué)院2、3kV及以上系統(tǒng)的額定電壓發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓高20%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(jī)的額定電壓：105%UN變壓器一次繞組： 相當(dāng)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(dāng)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)電氣學(xué)院

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(jī)，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(jī)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)電氣學(xué)院

標(biāo)明發(fā)電機(jī)和變壓器兩側(cè)繞組的額定電壓值（圖中已標(biāo)明的是電力系統(tǒng)的額定電壓）華中科技大學(xué)電氣學(xué)院U1IU2SZ

I∝（U1－U2）/Z傳輸功率S、電壓等級(jí)U、輸電距離之間的關(guān)系S＝Const，電壓越高，電流越小，損耗??；電壓越高，絕緣要求高，投資高。四、電壓等級(jí)的選擇華中科技大學(xué)電氣學(xué)院表1-4額定電壓與相應(yīng)傳輸功率和傳輸距離的關(guān)系電力系統(tǒng)額定電壓/kV輸送方式傳輸功率/kW傳輸距離/km0.22架空線小于500.150.22電纜小于500.200.38架空線1000.250.38電纜1750.353架空線100~10003~16架空線200~200010~36電纜3000小于810架空線200~300020~510電纜5000小于1035架空線2000~1000050~20110架空線10000~50000150~50220架空線100000~500000300~100330架空線200000~1000000600~200500架空線