電力工程第一章

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電力工程2電力工程主要內(nèi)容第一章電力工程概論第二章電氣設備工作原理及主接線第三章電力網(wǎng)絡及其簡單潮流計算第四章電力系統(tǒng)的短路分析與計算第五章發(fā)/變電站二次系統(tǒng)第六章供配電系統(tǒng)的繼電保護第七章電力系統(tǒng)的過電壓與電氣接地3學習目的認真完成各章作業(yè)（15%）認真聽課、做好筆記閉卷考試（85%）學習要求通過電力工程的學習，培養(yǎng)從事發(fā)電廠、變電所電氣部分生產(chǎn)調度和工程設計能力，為后續(xù)課程的深入學習奠定專業(yè)基礎。4相關專業(yè)課程電力系統(tǒng)分析電力系統(tǒng)繼電保護高電壓技術電力系統(tǒng)自動裝置電力系統(tǒng)微機保護電力系統(tǒng)綜合實驗先修課程：電路分析、電機與拖動基礎電力工程電力工程課程設計電力電子技術電氣控制及可編程控制技術電力系統(tǒng)方向電氣測量技術Matlab在電氣工程中的應用電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用綜合類5第一章概述1.1電力系統(tǒng)的基本概念1.2發(fā)電廠的生產(chǎn)過程1.3電能的質量指標1.4電力系統(tǒng)的接線方式1.5電力系統(tǒng)中性點運行方式1.6電力負荷與負荷曲線1.7電力工業(yè)的發(fā)展概況及前景6問題1 電能怎么產(chǎn)生的？問題2 電能是即發(fā)即用還是存著用？問題3 石油大學用的是哪里發(fā)的電？ 教室的電怎么送過來的？問題4 我們用電對電力系統(tǒng)有要求么？ 如果有，是什么？ 如果沒有，為什么？1.1電力系統(tǒng)的基本概念71.1電力系統(tǒng)的基本概念81.1電力系統(tǒng)的基本概念910111.1電力系統(tǒng)的基本概念12131.1電力系統(tǒng)的基本概念1415來自發(fā)電廠的電能16遠距離輸電示意圖171.1電力系統(tǒng)的基本概念1819201.1電力系統(tǒng)的基本概念

一、電力系統(tǒng)的組成電力網(wǎng)由發(fā)電廠、電力網(wǎng)和電力用戶就構成了電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)是指完成電能生產(chǎn)、輸送、分配和消費的統(tǒng)一整體。電力用戶發(fā)電廠21圖1-1電力系統(tǒng)示意圖工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng)22

輸電線路：220kV及以上的電力線路。配電線路：110kV及以下的電力線路。高壓配電線路（110kV）、中壓配電線路（6～35kV）和低壓配電線路（380/220V）。地方電力網(wǎng)：電壓等級在110kV及以下、供電半徑在50km以內(nèi);區(qū)域電力網(wǎng)：電壓等級在220kV及以上、供電半徑超過100km;超高壓遠距離輸電網(wǎng)：電壓等級為330～500kV的電力網(wǎng)，一般由遠距離輸電線路連接而成。發(fā)電廠：生產(chǎn)電能，將一次能源轉換成二次能源（電能），分為火、水、核、風、太陽、地熱等發(fā)電廠。電力網(wǎng)：由不同電壓等級的輸電線路和變壓器組成。1.1電力系統(tǒng)的基本概念23變電所：是變換電能電壓和接受分配電能的場所。分為區(qū)域變電所、地區(qū)變電所和終端變電所等。電力用戶：消耗電能，將電能轉換成其他形式能量。工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng)由總降壓變電所、高壓配電線路、車間變電所、低壓配電線路及用電設備組成。區(qū)域變電所：由大電網(wǎng)供電，高壓側電壓為330～500kV，全所停電后，將引起整個系統(tǒng)解列甚至瓦解；地區(qū)變電所：由發(fā)電廠或區(qū)域變電所供電，高壓側電壓為110～220kV，全所停電后，將使該地區(qū)中斷供電；終端變電所：主要由地區(qū)變電所供電，其高壓側為10～110kV，全所停電后，將使用戶中斷供電。

1.1電力系統(tǒng)的基本概念配電所（開閉所）：只接受和分配電能，不變換電壓241.1電力系統(tǒng)的基本概念電能不能大量儲存。電力系統(tǒng)的過渡過程十分短暫。與國民經(jīng)濟各部門的關系密切。保證供電的可靠性。保證良好的電能質量。為用戶提供充足的電能。提高電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。二、電力系統(tǒng)的特點及基本要求1、電力系統(tǒng)的特點2、對電力系統(tǒng)的基本要求25電力負荷的分級---保證供電的可靠性。

供電方式:由兩個及以上獨立電源供電。1．一級負荷：中斷供電將造成人身傷亡，重大設備損壞，重大產(chǎn)品報廢，或在政治、經(jīng)濟上造成重大損失。2．二級負荷：中斷供電將造成主要設備損壞，大量產(chǎn)品報廢，重點企業(yè)大量減產(chǎn)，或在政治、經(jīng)濟上造成較大損失。供電方式:由雙回路供電。3．三級負荷：所有不屬于一、二級負荷的電力負荷。供電方式:對供電電源無特殊要求。26三、建立大型電力系統(tǒng)的優(yōu)點1．可以減少系統(tǒng)的總裝機容量。2．可以減少系統(tǒng)的備用容量。3．可以提高供電可靠性。4．可以安裝大容量的機組。5．可以合理利用動力資源，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。1.1電力系統(tǒng)的基本概念27四、電力系統(tǒng)的基本參量1.總裝機容量：指系統(tǒng)中所有機組額定有功功率的總和，以MW、GW計。

2.年發(fā)電量：指系統(tǒng)中所有發(fā)電機組全年實際發(fā)出電能的總和，以MW·h、GW·h、TW·h計。3.最大負荷：指規(guī)定時間內(nèi)電力系統(tǒng)總有功功率負荷的最大值，以MW、GW計。4.額定頻率：50Hz5.最高電壓等級：指系統(tǒng)中最高電壓等級線路的額定電壓，以kV計。1GW=103MW（10萬千瓦）1MW=103kW（1000千瓦）1MW·h=103kW·h（千度），1GW·h=103MW·h（100萬度）1TW·h=103GW·h（10億度），1kW·h=1度1.1電力系統(tǒng)的基本概念281.2發(fā)電廠的的生產(chǎn)過程

一、火力發(fā)電廠1．火電廠的燃料：煤炭、石油、天然氣等。2．能量轉換過程：燃料的化學能→熱能→機械能→電能。3．火電廠的組成：燃燒系統(tǒng)（鍋爐）：燃料→灰渣，風（空氣）→煙氣電力系統(tǒng)：發(fā)電機、變壓器、輸電線路等。汽水系統(tǒng)（汽輪機）：水蒸汽，循環(huán)水（冷水熱水）294．火電廠的生產(chǎn)過程：301.2發(fā)電廠的生產(chǎn)過程5．火力發(fā)電存在的問題6．今后火電建設的重點采用高參數(shù)、大容量、高效率的設備。開發(fā)清潔煤燃燒發(fā)電、天然氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。鼓勵熱電聯(lián)產(chǎn)。加強煤炭基地的礦口電廠建設。安全問題：采礦和運輸中的安全性災難等。環(huán)境問題：酸雨、溫室效應、可吸入顆粒物等。效率問題：凝汽式火電廠效率為40%，熱電廠為60%~70%?；痣姀S是我國目前最主要的電源，比例大于75%。311.2發(fā)電廠的類型及其生產(chǎn)過程

二、水力發(fā)電廠1．水電廠的能量轉換過程：水的位能→機械能→電能。2．水電廠的總發(fā)電功率：

3．水電廠的分類堤壩式水電廠引水式水電廠:一般建于河流上游、坡宜較大的區(qū)段，用修隧道、渠道的方法，形成水流的落差.抽水蓄能電站：“削峰填谷”壩后式：如三門峽、劉家峽、丹江口、三峽水電站。河床式：廠房起攔水壩的作用：如葛洲壩水電站。效率0.85落差水流量32331.2發(fā)電廠的生產(chǎn)過程堤壩式水電廠34河床式35引水式水電廠4．水電廠的組成：水庫、水輪機、電力系統(tǒng)36三峽水電站效果圖長江三峽水電站壩長2309m，壩高185m，水頭175m，總庫容393億立方米，總裝機容量18.2GW（26×700MW），年發(fā)電量86.5TW·h；庫區(qū)將淹沒耕地36萬畝，淹沒城鎮(zhèn)129座，安置遷移人口113萬；電站于93年起步，首批機組于2003年10月發(fā)電，以后每年投產(chǎn)4臺機組（280MW），2009年全部機組建成投產(chǎn)。三峽電站發(fā)出的強大電力將送往華中、華東地區(qū)和廣東省。電站將引出15條超高壓交流輸電線路，其中3條線路通過換流站將交流電轉換成直流電后，再通過500kＶ直流輸電線路，2條送往華東、1條送往廣東。37葛洲壩27孔泄洪閘葛洲壩水電站葛洲壩水電站是長江干流上修建的第一座大型水電工程，是三峽工程的反調節(jié)和航運梯級。電站始建于1970年，共有機21臺機組，總裝機容量271.5萬千瓦，年發(fā)電量157億度。電站以500kV和220kV輸電線路并入華中電網(wǎng)，并通過500kV直流輸電線路向距離1000km的上海輸電120萬千瓦。38水電廠是我國目前最重要的電源之一，比例大于10%。6．水力發(fā)電的優(yōu)點是最干凈的能源之一。是最廉價的能源之一：無需燃料、無環(huán)境污染、生產(chǎn)效率高、發(fā)電成本低、運行維護簡單。綜合水利工程：可同時解決發(fā)電、防洪、灌溉、航運、水產(chǎn)養(yǎng)殖等問題。

特殊的水電廠：抽水蓄能電廠，起“削峰填谷”作用。1.2發(fā)電廠的生產(chǎn)過程397．水力發(fā)電存在的問題建設問題：投資大、工期長，存在庫區(qū)移民、淹沒耕地、破壞人文景觀、破壞自然生態(tài)平衡等問題。運行問題：發(fā)電量受氣象、水文、季節(jié)水量變化的影響較大，分豐水期和枯水期，出力不穩(wěn)定，增加電力系統(tǒng)運行的復雜性。

三、核電廠1．核電廠的能量轉換過程核燃料的裂變能→熱能→機械能→電能。2．核電廠的組成核反應堆、汽水系統(tǒng)（汽輪機）、電力系統(tǒng)1.3發(fā)電廠的生產(chǎn)過程40

3．核反應堆的分類：輕水堆（包括沸水堆和壓水堆）、重水堆和石墨冷氣堆等。輕水碓核電廠生產(chǎn)過程示意圖a）沸水堆b）壓水堆熱力系統(tǒng)由單回路構成，有可能使汽輪機等設備受放射性污染由雙回路系統(tǒng)構成，兩個回路各自獨立循環(huán)，不會造成設備的放射性污染。1.2發(fā)電廠的生產(chǎn)過程415．核電迅速發(fā)展的原因核電是一種新型的巨大能源。煤、石油等火電燃料儲量有限，不可再生。發(fā)達國家的水資源已基本殆盡。一些資源貧乏國家“能源危機”，不得不發(fā)展核電。6.核能發(fā)電的優(yōu)缺點節(jié)省大量煤炭、石油等燃料，避免燃料運輸。不需空氣助燃，可建在地下、水下、山洞或空氣稀薄地區(qū)。比火電廠造價高，但發(fā)電成本低30%～50%，規(guī)模越大越合算。存在問題：放射性污染。1.2發(fā)電廠的生產(chǎn)過程42

四、其它新能源發(fā)電1．太陽能發(fā)電：太陽光能或太陽熱能→電能太陽能發(fā)電系統(tǒng)的組成太陽能發(fā)電的優(yōu)點是一種取之不盡、用之不竭的廉價能源。不需要燃料、生產(chǎn)成本低、不產(chǎn)生污染受季節(jié)、晝夜、地理和氣象條件的影響較大。1.2發(fā)電廠的生產(chǎn)過程核電廠是我國目前最重要的電源之一，比例大于10%。43太陽能發(fā)電系統(tǒng)的組成太陽能電池板：將太陽的輻射能轉換為電能。太陽能控制器：控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。蓄電池：在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。逆變器：將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉換成交流電能。

44太陽能光伏電源在西部地區(qū)應用廣泛。（青海、新疆）我國首座太陽能發(fā)電廠：2005年10月29日在南京江寧發(fā)電成功，發(fā)電量只有70kW。2．風力發(fā)電：風力的動能→機械能→電能風力發(fā)電的優(yōu)點西部地區(qū)的風能資源占全國的50%以上

。（青海、甘肅、新疆、內(nèi)蒙、云南、西藏等）是一種取之不盡、用之不竭的自然能源。不需要燃料、沒有污染、運行成本低。有一定的隨機性和不穩(wěn)定性，因此必須配有蓄能裝置。1.2發(fā)電廠的生產(chǎn)過程45達板城風力發(fā)電廠裝機容量7.23萬千瓦，占全國的30%。水平軸風力發(fā)電機46從安裝結構風力發(fā)電機分為：水平軸風力發(fā)電機，葉片安裝在水平軸上；垂直軸風力發(fā)電機，風輪軸是垂直布置的，由葉片帶動垂直軸轉動，再去帶動發(fā)電機進行發(fā)電。垂直軸風力發(fā)電機的增速器、聯(lián)軸器、發(fā)電機、制動器等都是安裝在地面上的。從風電機組調頻方式可分為：恒速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)，在風力發(fā)電過程中，保持風車的轉速（也即發(fā)電機的轉速）不變，從而得到恒頻的電能。變速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)，在風力發(fā)電過程中讓風車的轉速隨風速而變化，而通過其它控制方式來得到恒頻電能。

47大型水平軸風力發(fā)電機的結構:主要由塔架、風輪、機艙以及控制系統(tǒng)等部件構成。風力發(fā)電的過程：當風力使旋轉葉片旋轉時，風力的動能就轉變成機械能，再通過升速裝置驅動發(fā)電機發(fā)出電能。風力發(fā)電機產(chǎn)生的機械功率為:風速空氣密度氣流面積48塔架：支撐轉子和發(fā)動機箱，并將整個裝置位置提升。風輪：捕獲風能并將其轉換為轉軸的轉動能。風輪一般是由2～3個葉片裝在輪轂上組成。大型風力發(fā)電機的葉片直徑都在60m以上，有的甚至到100多米。機艙：由增速器、聯(lián)軸器、制動器和發(fā)電機等構成。機艙是風力發(fā)電機主要的傳動、控制、發(fā)電部分。

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變槳距控制系統(tǒng)：變槳距控制是依據(jù)風速的變化隨時調節(jié)槳距角，控制風輪的能量吸收，保持一定的輸出功率。當風速增大時，風輪的轉速增加，微機系統(tǒng)發(fā)出指令讓葉片增大安裝角，使葉片所接受的風能減少；當風速減小時，微機發(fā)出的指令信號與前述相反，變槳矩液壓油缸動作，以減小葉片的安裝角，使葉片所接受的風能增加。50蓄電池組：發(fā)電系統(tǒng)中的一個非常重要的部件，(專用鉛酸蓄電池)。應用蓄電池控制器，實現(xiàn)對蓄電池的充電最優(yōu)控制，以保證蓄電池不至于過充和過放，以保證蓄電池的正常使用和整個系統(tǒng)的可靠工作。偏航控制器：移動轉子使其與風向保持一致。3．地熱發(fā)電：地熱能→電能電能生產(chǎn)過程：與火電廠相似，用地熱井取代鍋爐設備。地熱資源的開發(fā)利用在西部地區(qū)已取得了良好的效益。西藏羊八井電廠51羊八井電廠是我國最大的地熱電廠，總裝機容量為25.18MW，水溫約150℃，擔負拉薩地區(qū)50%的供電任務。電站由5眼地熱井供水，單井產(chǎn)量為75～160立方米／小時。羊八井地熱電廠羊八井地熱溫泉524．潮汐發(fā)電：海水漲潮或落潮的動能或勢能→電能。我國正在運行發(fā)電的潮汐電站共有8座（浙江4座，山東、江蘇、廣西、福建各1座）1.2發(fā)電廠的生產(chǎn)過程潮汐發(fā)電示意圖5354法國郎斯潮汐電站示意圖法國朗斯潮汐電站法國郎斯電站1967年建成，位于法國圣馬洛灣郎斯河口。一道750米長的大壩橫跨郎斯河。壩上是通行車輛的公路橋，壩下設置船閘、泄水閘和發(fā)電機房。郎斯潮汐電站機房中安裝有24臺雙向渦輪發(fā)電機，漲潮、落潮都能發(fā)電?？傃b機容量24萬千瓦，年發(fā)電量5億多度，輸入國家電網(wǎng)。55江廈潮汐電站是中國第一座雙向潮汐電站，位于浙江省溫嶺市樂清灣北端江廈港。1980年5月第一臺機組投產(chǎn)發(fā)電。電站裝有雙向貫流式機組6臺，總裝機容量3200干瓦，年發(fā)電量600萬度，可晝夜發(fā)電14～15小時。規(guī)模僅次于法國郎斯潮汐電站、加拿大芬地灣安娜波利斯潮汐電站，居世界第三。565．新能源發(fā)電的優(yōu)缺點太陽能、風能、地熱能、潮汐能等新能源都屬于清潔、廉價和可再生能源，是未來的能源主要形式。其他新能源：燃料電池、垃圾燃料、核聚變能、生物質能等。太陽能、風能發(fā)電容量小，分散性大，屬于分布式能源，互聯(lián)后在運行安全和管理方面存在很多問題。1.2發(fā)電廠的生產(chǎn)過程57用電設備的額定電壓：與同級電網(wǎng)的額定電壓等級相同。發(fā)電機的額定電壓：比同級電網(wǎng)的額定電壓等級高出5%，用于補償線路上的電壓損失。一、電力系統(tǒng)的額定電壓電力網(wǎng)的額定電壓等級：3kV、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV等。供電線路上的電壓變化示意圖1.3電力系統(tǒng)的電能質量指標58變壓器的二次繞組：對于用電設備而言，相當于電源。變壓器的額定電壓變壓器的一次繞組：相當于是用電設備，其額定電壓應與電網(wǎng)的額定電壓相同。注意：當變壓器一次繞組直接與發(fā)電機相連時，其額定電壓應與發(fā)電機的額定電壓相同。35kV以上網(wǎng)絡，應比同級電網(wǎng)額定電壓高10%；35kV以下網(wǎng)絡，應比同級電網(wǎng)額定電壓高5%，但變壓器短路阻抗值在7.5%以上，應比同級電網(wǎng)額定電壓高10%1.3電力系統(tǒng)的電能質量指標59發(fā)電機G的額定電壓：UN·G=1.05×10=10.5（kV）變壓器T1的額定電壓：U1N=10.5（kV）

U2N=1.1×110=121（kV）變壓器T1的變比為：10.5/121kV變壓器T2的額定電壓：U1N=110（kV）

U2N=1.05×6=6.3（kV）變壓器T2的變比為：110/6.3kV例1-1已知下圖所示系統(tǒng)中電網(wǎng)的額定電壓，試確定發(fā)電機和變壓器的額定電壓。變壓器T1的一次繞組與發(fā)電機直接相連，其一次側的額定電壓應與發(fā)電機的額定電壓相同60電氣設備的額定電壓61電氣設備的額定電壓圖1-5例1-1圖62表1-1我國三相交流電力網(wǎng)和用電設備的額定電壓∕kV63

二、電壓等級的選擇電壓等級的選擇與網(wǎng)絡的規(guī)模：輸電距離和容量、短路電流大小和繼電保護整定配合等因素有關。220kV及以上：用于大型電力系統(tǒng)的主干線。110kV：用于中小型電力系統(tǒng)的主干線。35kV：用于大型工業(yè)企業(yè)內(nèi)部電力網(wǎng)或農(nóng)網(wǎng)。10kV：常用的高壓配電電壓，當6kV高壓用電設備較多時，也可考慮用6kV配電。3kV：僅限于工業(yè)企業(yè)內(nèi)部采用。380/220V：工業(yè)企業(yè)內(nèi)部的低壓配電電壓。1.3電力系統(tǒng)的電能質量指標64表電力網(wǎng)的額定電壓與傳輸功率和傳輸距離之間的關系65三、電能質量指標白熾燈：電壓低時，壽命延長，但發(fā)光效率降低，照度下降；電壓高時，發(fā)光效率增加，但使用壽命大大縮短。

，電壓低時，轉矩將急劇減小，電流由于電動機：增大，使電動機繞組絕緣過熱受損，縮短使用壽命。電能質量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質。1.3電力系統(tǒng)的電能質量指標衡量電能質量的主要指標有頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、高次諧波（波形畸變率）和三相電壓不平衡度等。661.3電能的質量指標電壓偏差的允許值35kV及以上電壓供電的用戶：±5%

10kV及以下高壓供電和低壓電力用戶：±7%低壓照明用戶：+5%～–10%電壓偏差是指電網(wǎng)某點的實際電壓與額定電壓之差，用占額定電壓的百分數(shù)來表示1、電壓偏差672、電壓波動與閃變電壓波動是指電網(wǎng)電壓短時、快速的變動，用電壓最大值與最小值之差對電網(wǎng)額定電壓的百分比表示，即

電壓波動的允許值10kV及以下電網(wǎng)：2.5%35～110kV電網(wǎng)：2%1.3電能的質量指標68電壓波動產(chǎn)生的原因：是由負荷急劇變動引起的。閃變是指人眼對因電壓波動引起燈閃的一種主觀感覺，引起燈閃的電壓稱為閃變電壓。使電動機無法正常起動，引起同步電動機轉子振動；使某些電子設備無法正常工作；使照明燈發(fā)生明顯的閃爍現(xiàn)象等。電壓波動的危害1.3電能的質量指標693、頻率頻率偏差額定頻率：50Hz(工頻）允許偏差：電網(wǎng)容量3000MW及以上者，±0.2Hz；電網(wǎng)容量3000MW以下者，±0.5Hz。1.3電能的質量指標70諧波產(chǎn)生的原因：是由于電力系統(tǒng)中存在各種非線性元件

。

1.3電能的質量指標

4、諧波諧波指對周期性非正弦交流量進行傅里葉級數(shù)分解后所得到的頻率為基波頻率整數(shù)倍的各次分量，通常稱為高次諧波。諧波危害：使變壓器和電動機的鐵芯損耗增加，縮短使用壽命；使線路的功率損耗和電能損耗增加，出現(xiàn)電壓諧振；使電容器產(chǎn)生過負荷而影響其使用壽命；使繼電保護及自動裝置產(chǎn)生誤動作；使計算電費用的感應式電能表的計量不準；對附近的通信線路產(chǎn)生信號干擾等。

71波形畸變程度的幾個特