電氣工程基礎(chǔ)1緒論

電氣工程基礎(chǔ)

電氣工程系

婁振袖

辦公室：逸夫樓1104

180966705601教學(xué)目的電力工程入門(mén)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；2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)3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)4考試閉卷：60％作業(yè)：30％出勤：10％5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(lèi)；大系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益簡(jiǎn)介；電力系統(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。6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.2006JillJones(美).光電帝國(guó).中信出版社.2006W.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，20097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(xiàn)，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)了輸送功率4.5kW的直流輸電線(xiàn)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(chē)牽引8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(xiàn)路，采用4.5mm電報(bào)線(xiàn)，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1.1kW1885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%9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(xiàn)制系統(tǒng)，外線(xiàn)到中線(xiàn)110V，兩外線(xiàn)之間220V。后來(lái)擴(kuò)展到五線(xiàn)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%10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(xiàn)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(xiàn)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、可靠性差，很快被競(jìng)爭(zhēng)的三相交流取代11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(xiàn)圈，當(dāng)斷開(kāi)或接通一個(gè)線(xiàn)圈中的電流時(shí)在另一個(gè)線(xiàn)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(xiàn)圈作為原邊，用少匝線(xiàn)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12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(xiàn)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13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(mǎi)威斯汀豪斯3臺(tái)交流發(fā)電機(jī)，然后賣(mài)給監(jiān)獄執(zhí)行罪犯威廉.凱姆勒死刑14交直流輸電的電力戰(zhàn)爭(zhēng)威斯汀豪斯、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(xiàn)路15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(xiàn)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、95/15200V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16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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)直徑成比例增加，鋁線(xiàn)或鋼芯鋁線(xiàn)開(kāi)始應(yīng)用，美國(guó)建成154kV高壓輸電線(xiàn)路17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(xiàn)路1936年美國(guó)287kV、430km線(xiàn)路投運(yùn)1952年，瑞典首先建成380kV、940km、采用分裂導(dǎo)線(xiàn)的超高壓線(xiàn)路1956年，蘇聯(lián)400kV、890km雙回投運(yùn)；1959年，該線(xiàn)路升壓到500kV1965年，加拿大735kV建成1969年，美國(guó)765kV線(xiàn)路并入AEP電網(wǎng)18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。19中國(guó)高壓交流輸電發(fā)展年份電壓等級(jí)線(xiàn)路長(zhǎng)度地點(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194177kV45km天津第一發(fā)電廠(chǎng)至塘沽1941220kV東北水豐水電廠(chǎng)至鞍山1942110kV192km鏡泊湖水電廠(chǎng)至延邊1972330kV534km劉家峽水電站至陜西漢中1981500kV595km平頂山姚孟電廠(chǎng)至武昌20091000kV640km山西晉東南經(jīng)南陽(yáng)到荊門(mén)20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)21中國(guó)高壓直流輸電1987年12月，舟山直流工程，寧波至舟山，12km海底電纜+42km架空線(xiàn)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，云廣直流工程投運(yùn)，1438km，±800kV，輸送容量500萬(wàn)千瓦22三相交流輸電的優(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(xiàn)路所用導(dǎo)線(xiàn)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UaUbUc23每根導(dǎo)線(xiàn)的輸電功率輸電方式輸電功率每根導(dǎo)線(xiàn)輸電功率比率（cos=1）直流二線(xiàn)制100單相二線(xiàn)制100二相三線(xiàn)制94三相三線(xiàn)制115三相四線(xiàn)制87四相四線(xiàn)制100對(duì)稱(chēng)n相n線(xiàn)制（n為偶數(shù)）10024所需導(dǎo)線(xiàn)量輸電方式輸電功率P，輸電損失P1導(dǎo)線(xiàn)全截面單相二線(xiàn)制三相三線(xiàn)制對(duì)稱(chēng)n相n線(xiàn)制（n為偶數(shù)）25電力系統(tǒng)的形成與發(fā)展SSSS26電力系統(tǒng)基本概念水庫(kù)G~M~M~電力網(wǎng)電力系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)電廠(chǎng)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)變電所升壓變壓器輸電線(xiàn)路變電所降壓變壓器用戶(hù)用電設(shè)備27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(xiàn)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(xiàn)路以及用電設(shè)備（或發(fā)電廠(chǎng)、變電所、輸配電線(xiàn)路以及用戶(hù)），按照一定的規(guī)律連接而組成的統(tǒng)一整體。發(fā)電廠(chǎng)： 生成電能變電所： 變換和分配電能輸配電線(xiàn)路： 輸送電能用戶(hù)： 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(chǎng)的動(dòng)力部分（例如火力發(fā)電廠(chǎng)的鍋爐、汽輪機(jī)和水力發(fā)電廠(chǎng)的水庫(kù)、水輪機(jī)以及核動(dòng)力發(fā)電廠(chǎng)的反應(yīng)堆等）包含在內(nèi)的系統(tǒng)。28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)110kV~35kV~35kV500kV220kV110kV10kV水力發(fā)電廠(chǎng)火力發(fā)電廠(chǎng)變電所A：樞紐變電所C：地方變電所D：終端變電所B：中間29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(lèi)地方電力網(wǎng)：電壓等級(jí)在35kV及以下，供電半徑在20~50km以?xún)?nèi)區(qū)域電力網(wǎng)：電壓等級(jí)在35kV以上（一般為110kV~220kV），供電半徑超過(guò)50km，聯(lián)系較多發(fā)電廠(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)超高壓遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)：電壓等級(jí)為330kV~500kV的網(wǎng)絡(luò)，其主要任務(wù)是把遠(yuǎn)處發(fā)電廠(chǎng)生產(chǎn)的電能輸送到負(fù)荷中心，同時(shí)還聯(lián)系若干區(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30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；31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fQ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32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fQ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33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、

34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(mén)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(lèi)：一類(lèi)負(fù)荷二類(lèi)負(fù)荷三類(lèi)負(fù)荷35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)36對(duì)電力系統(tǒng)的要求1、保證供電可靠（有）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： 600000kW×6000h＝36億kW.h 需標(biāo)煤： 36億kW.h×320g/kW.h＝115.2萬(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37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：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）38電能的質(zhì)量指標(biāo)電壓質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：39電能的質(zhì)量指標(biāo)頻率：額定頻率： 50Hz（國(guó)外：50或60Hz）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40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(chēng)電力網(wǎng)的額定電壓或線(xiàn)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(chǎng)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)