电力工程基础知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,电力系统概论,主讲：,李 文 磊,宁波大学信息科学与工程学院,Sunday, September 22, 2024,Introduction to Power Systems,9/22/2024,1,课程介绍,教材：,刘涤尘等编，电气工程基础，武汉理工大学出版社，2002,参考书目：,1 熊信银 张步涵，电气工程基础，华中科技大学出版社，2005,2 刘介才，工厂供电，机械工业出版社，2004,3杨淑英. 电力系统概论, 中国电力出版社,2003,周数：,17周,讲课：51,学时,学分：3,考核方式:,一页开卷。,成绩评定：,期末考试占50%，平时成绩(出勤、作业、课堂表现)占50%,9/22/2024,2,第一章 电力工程基础,一、,电力工业在国民经济中的地位,二、,电力系统简介,三、,发电厂,四、,对电力系统运行的基本要求,五、,电力系统的额定电压,六、,电力系统的供电质量,9/22/2024,3,1.电力工业,电力工业,：把一次能源转换成人们可使用的电能的产业,电力工业,一、电力工业的地位,煤炭、石油、天然气,火电厂,水能,水电厂,核能,核电厂,新能源(风能、潮汐、地热、太阳能),新能源发电,9/22/2024,4,2012,年,7,月,30-31,日印度大停电,电力工业的地位,一、电力工业的地位,起因：,7月30日，当地时间凌晨02:35，,阿格拉,-,巴雷利,输电系统,的一条电线400 kV的,比那,-,瓜廖尔,线发生,短路,，从而引发电网崩溃。所有受影响地区的主要发电站先后关闭，造成大约320亿,瓦特,的电力缺口。,。,2012年7月30日和7月31日接连发生在,印度北部,的两次大,停电,事故。该事故使得印度超过22个,邦,受到影响，其中第一次停电事故就影响了14个,邦,，而第二次事故则多达20个。该事故也是,历史上最大规模的停电,，超过6亿人的日常生活受到影响，占,印度总人口,的一半左右。,9/22/2024,5,2003,年,8,月,14,日北美大停电,电力工业的地位,一、电力工业的地位,起因：俄亥俄州的一家电力公司没有及时修剪树木，导致在用电高峰期，高压电缆下垂，触到树枝而短路。随后，俄亥俄的一家发电厂因此下线，多米诺骨牌被触发 。,根据事后统计，该次大停电，北美的纽约、底特律、克利夫兰、渥太华、多伦多等重要城市及周边地区近5000万人口受到影响，部分经济活动也出现停滞。停电当天，纽约市发生了60起严重火灾，电梯救援行动多达800次，紧急求救电话接近8万次，急诊医疗服务求助电话也创记录的达到5000次。,美国三大汽车制造厂也停止生产、地铁停驶、交通阻塞、班机延误，民众生活面临种种不便。,9/22/2024,6,起因：伦敦国家电网中一个27.5万伏特的供电系统出现故障，导致伦敦近2/3的地铁运营中断，部分列车停运，许多地区路灯和交通信号灯熄灭，路面交通出现混乱，约有25万人因突然停电被困在伦敦地铁中。停电持续了两个小时才开始恢复。,2003,年,8,月,28,日英国停电,电力工业的地位,一、电力工业的地位,在英国伦敦一个观光大转轮上，几名游客由于停电被滞留在半空中,9/22/2024,7,美、加发生的重大停电事故一览,电力工业的地位,9/22/2024,8,1.浙江1972年7月20日电网瓦解事故，损失负荷35万千瓦(占事故前全网负荷的71.5%)，经济损失约200万元。 2.湖北1972年7月27日大面积停电事故，造成武汉、黄石、黄冈地区全部停电，经济损失2400余万元。 3.安徽1980年7月27日大面积停电事故，造成合肥以南及皖南大部分地区停电2030分钟，经济损失60万元。 4.华中1982年8月7日电网稳定破坏事故，造成湖北地区大面积停电，武钢、冶钢等重要用户严重受损，部分设备损坏，10小时后恢复正常。 5.贵州1989年8月4日大面积停电事故，造成北部电网和清镇、贵阳、水城、都匀等电厂与主网解列，损失负荷47.4万千瓦，损失电量14.6万千瓦时。,我国电网大停电事故一览,电力工业的地位,9/22/2024,9,6.广东1990年9月20日大面积停电事故，造成广东北部电网与主网解列，北部电网频率崩溃，韶关、清远、肇庆三市全部停电，韶关、广州、南水、长湖四厂失去厂用电。事故历时3小时02分，损失负荷80万千瓦，损失电量177.1万千瓦时。 7.新疆1993年3月14日大面积停电事故，造成系统瓦解事故，系统解列成三片运行。 8.海南1993年4月24日大面积停电事故，造成海南全网瓦解，烧毁高压开关柜6面，波及16面；损失电量137万千瓦时。 9. 西北1997年2月27日大面积停电事故，造成西安东部、咸阳、渭南地区大面积停电，商洛地区全部停电。,10.2008年中国湖南省大停电：2008年2月中国部分地区经历了一场50年一遇的雪灾，这次雪灾对湖南地区电网设备造成了巨大的破坏，让450万人在没有电的情况下生活了两个星期之久。,我国电网大停电事故一览,电力工业的地位,9/22/2024,10,世界人均消费电能,电力工业的地位,一、电力工业的地位,9/22/2024,11,我国历年人均用电指标,（19522001）,电力工业的地位,9/22/2024,12,电力工业在国民经济中占有十分重要的地位，是国民经济重要的基础工业，也是国民经济发展战略中的重点和先行产业。,电力工业必须优先于其它工业部门的发展而发展，其建设和发展的速度必须高于国民经济生产总值的增长速度，只有这样，国民经济各部门才能够快速而稳定地发展，这是社会的进步、综合国力的增强及人民物质文化生活现代化的需要。,一、电力工业的地位,9/22/2024,13,二、电力系统简介,电力系统构成,电力系统,是由发电厂、输配电系统（变压器、输配电线路）和用户组成的统一整体，通常覆盖广阔的地域。,发电厂,输电线路,配电线路,变压器,变压器,用户,220kV,10kV,380V,12kV,9/22/2024,14,二、电力系统简介,电力系统构成,水电厂,核电厂,火电厂,工厂,电气铁路,风电,地区变电所,配电变电所,居民区,输电线路,居民,配电线路,110,500,变电站,500kV,10kV,枢纽变电所,110kV,电力系统,示意图,9/22/2024,15,（1）电力系统：生产、输送、分配与消费电能的系统。包括：发电机、电力网和用电设备组成。,（2）电力网：电力系统中输送与分配电能的部分。,（3）动力系统：动力部分与电力系统组成的整体。,二、电力系统简介,电力系统构成,9/22/2024,16,二、电力系统简介,电力系统构成,热力网,水,库,23kV,锅,炉,10kV,10kV,工业用户,220/380V,商业用户,反,应,堆,23kV,电力系统,电力网,动力系统,220kV,110kV,500kV,超高压电网,地方电力网,区域电力网,枢纽,变电站,中间,变电站,终端,变电站,9/22/2024,17,二、电力系统简介,电力系统构成,电力线路是电力系统的重要组成部分，它担负着输送和分配电能的任务。,由电源向电力负荷中心输送电能的线路，称为,输电线路或送电线路,。送电线路的电压较高，一般在110kV及以上。,主要担任分配电能任务的线路，称为,配电线路,，配电电压较低，一般在35kV及以下。,电压在110kV及以上、供电范围较广、输送功率较大的电力网，称为,区域电力网,。电压在110kV以下、供电距离较短、输电功率较少的电力网，称为,地方电力网,。,电压在610kV的配电网称为,中压配电网,。城市电网中35kV的配电网亦称为中压配电网。,电压为380220V的配电网。称为,低压配电网,。这种划分方式井投有严格的界限。,9/22/2024,18,二、电力系统简介,电力系统构成,地方电力网,是指电压等级在35kV以上、输电距离在50km以内的电力网，是一般城市、农村、工矿区的配电网络。,区域电力网,的供电半径在50km以上，电压等级主要为110220kV，它将范围较大地区的发电厂联系起来，通过较长的输电线路，向各种类型的用户供电。这种电力网在我国各省(区)都有。,超高压远距离输电网络,的电压等级为330500kV、输电距离超过300km。它担负着将很远处发电厂生产的电能送往用电负荷中心，同时它可以将几个区域电力网联接成跨省(区)的大电力系统，甚至形成跨国联合电力系统。,9/22/2024,19,二、电力系统简介,电力系统构成,电力系统中的升、降压变电所分为,枢纽变电所、中间变电所和终端变电所。,枢纽变电所,地位重要，处于联系电力系统各部分的中枢位置，容量也较大。,中间变电所,是将发电厂、枢纽变电所及负荷中心联系起来，处于电源与负荷的中间位置。从这里还可以转送或引出一部分负荷。,终端变电所,或称末端变电所一般是降压变电所，它直接向局部地区的负荷供电而不转送功率。,9/22/2024,20,发电厂类型,水力发电厂,径流式,坝后式,河床式,抽水蓄能,火力发电厂,凝汽式,热电厂,三、发电厂,核电厂,压水堆,重水堆,新能源发电,太阳能风力,地热,潮汐,9/22/2024,21,三、发电厂,火力发电厂,蒸汽管道,汽轮机,储煤场,烟囱,输煤皮带,升压站,锅炉,江河或水库,冷凝器,发电机,冷却水,火力发电厂是利用煤、油、天然气、油页岩等（,固体、液体、气体）,为燃料的发电厂。按照发电方式可分为,凝汽式汽轮机发电、燃气轮机发电、内燃机发电、燃气,蒸汽联合循环发电、供电又供热的“热电联产”的热电厂,。,9/22/2024,22,三、发电厂,火力发电厂,9/22/2024,23,嘉兴发电厂,三、发电厂,火力发电厂,9/22/2024,24,三、发电厂,火力发电厂,9/22/2024,25,三、发电厂,火力发电厂,9/22/2024,26,汽轮机本体,三、发电厂,火力发电厂,9/22/2024,27,安装在平圩发电厂的首台引进型亚临界参数60万kW汽轮发电机组,三、发电厂,火力发电厂,9/22/2024,28,三、发电厂,火力发电厂,9/22/2024,29,三、发电厂,火力发电厂,9/22/2024,30,三、发电厂,火力发电厂,9/22/2024,31,三、发电厂,火力发电厂,9/22/2024,32,三、发电厂,火力发电厂,9/22/2024,33,三、发电厂,火力发电厂,9/22/2024,34,三、发电厂,火力发电厂,9/22/2024,35,三、发电厂,火力发电厂,9/22/2024,36,凝汽式火力发电厂示意图,锅炉,烟囱,发电机,汽轮机,变压器,输电线路,发 电 厂,火力发电厂的生产过程实际上是从一次能源转换为电能的能量转换过程：燃料化学能热能机械能电能,9/22/2024,37,发 电 厂,三、发电厂,火力发电厂,输送带将原煤送入煤斗，为了提高煤的燃烧效率，将煤斗中的原煤送入磨煤机磨成煤粉，然后由排粉机将煤粉随同热空气经喷燃器送入锅炉燃烧室内燃烧。,燃烧室中产生热量中的另一部分用于加热过热器中的蒸汽，其余的热量由燃烧后形成的烟气携带，穿过省煤器、空气预热器，将热量传递给蒸汽、水和空气后，经,除尘器,除尘，由,抽风机,抽出，通过烟囱排入大气中，而炉渣和除尘器下部的细灰，通过冲灰沟水流，由,灰渣泵,抽出，排往厂外的灰场。,9/22/2024,38,发 电 厂,三、发电厂,火力发电厂,燃烧时产生的热量使,燃烧室,四周冷水壁管中的水变成,蒸汽,，,此蒸汽再通过,过热器,进一步吸收烟气的热量而变为高压高温的,过热蒸汽,，,将在汽轮机中作了功的,蒸汽,，送往,冷凝器,凝结成水，经,除氧器,除氧、,加热器,加热后，由给水泵送进,省煤器,预热、重新送回,锅,炉，完成了水的重复使用。,过热蒸汽,经过,主蒸汽管,道进入,汽轮,机，该蒸汽在喷管里膨胀而高速冲动汽轮机的转子旋转，将热能变成了机械能，汽轮机带动联轴的,发电机,发电，机械能就变成了电能。,9/22/2024,39,火力发电厂的主要缺点是其热效率不高，原因是作过功的蒸汽仍含有热量，这部分热量由循环水带出变成热损失，使发电厂的效率只能达到30%40%，其中70%左右的燃料热量未加利用而损耗掉了。要提高凝汽式发电厂的效率，其有效途径是采用高温、高压、大容量的发电机组。,火电机组现状,大机组比重小,2000,年,100MW,及以下机组的容量占火电机组容量,31.7%,火电厂煤耗高,2003,年供电煤耗率平均为,380g/kWh,，约比世界先进水平差,50g/kWh,火电机组品种单一,火电机组中,95%,是常规的燃煤火电机组,三、发电厂,火力发电厂,9/22/2024,40,制约因素,石油,、天然气资源量不足,一次能源消费以煤炭为主，约占,75%,，煤电占总发电量的,80%,以上,环境问题,大气烟尘,温室效应,酸雨,三、发电厂,火力发电厂,9/22/2024,41,三、发电厂,水力发电厂,发电站,电力网,水库,河流,大坝,进水口,发电机,水轮机,水力发电厂是利用河流、水库的水位能来发电的电厂。按照取水方式的不同，分为,堤坝式（,坝后式、河床式）、引水式,或泾流,式,、抽水蓄能电厂。,定义: 厂房建在坝后的堤坝式水电厂，,全部水头由坝体承受,水库的水由压力水管引入厂房,转动水轮发电机组发电。坝后式水电厂适合于高、中水头的情况。,9/22/2024,42,水电厂生产示意图,三、发电厂,水力发电厂,坝后式,9/22/2024,43,三峡水电厂,9/22/2024,44,乌江渡水电厂,9/22/2024,45,河床式水力发电厂示意图,进水口,厂房,溢流坝,发 电 厂,定义:堤坝和厂房建在一起的堤坝式水电厂，,厂房也起挡水作用,因修建在河床中, 故名河床式。,9/22/2024,46,葛洲坝水电厂,三、发电厂,水力发电厂,河床式,9/22/2024,47,引水式水力发电厂,堰,引水渠,压力水管,厂房,发 电 厂,定义:采,用修隧道或渠道的方法形成水流落差来发电,的水电厂。,水电厂建筑在山区水流湍急的河道上或河床坡度较陡的地方,由引水渠道造成水头,一般不需修坝或只修低堰 ，但由于没有大坝，不能蓄水，也称泾流电站，发电量不好调节，只能有多少水就发多少电。优点是投资少，一般在山地河流落差大的在方比较多。,9/22/2024,48,四川映秀湾水电站,9/22/2024,49,三、发电厂,水力发电厂,抽水蓄能水电厂既可蓄水又可发电。,水轮机叶片模型(从化抽水蓄能电厂),9/22/2024,50,9/22/2024,51,9/22/2024,52,抽水蓄能水电厂,抽水蓄能电站利用电力,负荷低谷时,的电能抽水至上水库，在电力,负荷高峰期,再放水至下水库发电的水电站。又称蓄能式水电站。它可将电网,负荷低时的多余电能，转变为电网高峰时期的高价值电能,，还适于调频、调相，稳定电力系统的周波和电压，且宜为事故备用，还可提高系统中火电站和核电站的效率。,9/22/2024,53,从化抽水蓄能电厂下水库,9/22/2024,54,水电厂特点,与火力发电厂相比，水力发电厂的生产过程要简单得多。水电厂不消耗燃料，无环境污染，生产效率高，发电成本仅为火电厂的25%35%。,水电厂也容易实现自动化控制与管理，并能适应负荷的急剧变化。,然而水电厂投资大、建设工期长、受季节水量变化的影响较大的缺点。建设水电厂，涉及到因淹没农田而带来的移民问题，并可能会出现破坏人文景观、,生态平衡,等一系列问题。,9/22/2024,55,热交换器,反应堆核心,控制棒,将热量带出反应堆的冷却剂,汽轮发电机组,冷凝器,电能,冷却塔排出的余热,三、发电厂,核电厂,原子能发电厂是用核燃料在反应堆中受控核裂变转化为热能，将水变为蒸汽推动汽轮机带动发电机发电的电厂。,组成：,核系统部分,(,核反应堆及其附属设备组成的,)+,常规部分,(,由汽轮机、发电机等设备组成,),。,9/22/2024,56,核电分类,轻水堆,分为：,沸水堆,，,压水堆,重水堆,石墨冷气堆,发 电 厂,9/22/2024,57,轻水堆?重水堆?冷气堆?,轻水堆,是指用加压的,普通水,慢化和冷却的反应堆。如果不允许水在堆内沸腾，则称,压水堆,(将压力提高150倍，水入口温度300摄氏度，出口大概就要330摄氏度)，如果允许水在堆内沸腾，则称,沸水堆,。轻水堆是目前最主要的堆型。美国通用公司设计制造了压水堆，西屋公司是沸水堆，中国现在的核电厂堆型都是通过法国引进的美国压水堆设计。轻水堆只能用3左右的低浓缩铀作为核燃料。,重水，又称二氧化氘(,do,)重水,的天然形式，它能减缓反应堆中的中子速度，可以让它更多地去撞击铀原子。重水堆是指用重水慢化的反应堆。目前重水堆中，占绝大多数的是加拿大发展的用天然铀作核燃料(0.7)、重水慢化、重水冷却的卧式、压力管式反应堆。重水堆先进和昂贵，中国的秦山三期核电站就用的是加拿大引进的重水堆。,冷气堆是指用石墨慢化、二氧化碳或氦气冷却的反应堆。用二氧化碳冷却的石墨气冷堆，曾在核电站的发展中占领先地位，但很快就让位于轻水堆，并将逐渐退出反应堆的历史舞台。,9/22/2024,58,沸水堆型核电厂示意图,混凝土,防护壳,主循环泵,控制棒,反应堆,汽轮机,发电机,凝结器,凝结水泵,发 电 厂,沸水堆内，水,直接,被加热沸腾成为蒸汽，然后直接引入汽轮机作功，汽轮机带动发电机发电,.,沸水堆型系统结构简单，但由于水是在沸水堆内沸腾，使得堆芯体积增大，更严重的是放射性杂质可能会随蒸汽进入汽轮机，造成汽轮机及其它设备的放射性污染，使得这些设备的运行、维护及检修等变得复杂和困难起来。,9/22/2024,59,压水堆型核电厂示意图,混凝土,防护壳,控制棒,反应堆,加压器,主循环泵,汽轮机,蒸汽,发生器,凝结水泵,凝结器,发电机,发 电 厂,压水堆核电系统中增加了一个蒸汽发生器，一回路水从堆芯流过时，将核裂变产生的热量带至蒸汽发生器，蒸汽发生器将通过传热管将二回路中的水加热成蒸汽，推动汽轮机旋转，进而带动发电机发电。由于蒸汽发生器内两个回路中的水完全被隔离开，所以不会造成设备的放射性污染。,传热管,9/22/2024,60,核电厂特点,核电厂可以节省大量的煤、石油等燃料，1kg铀裂变所产生的热量，相当于2.710,3,t标准煤所产生的热量，例如，一座容量为510,5,kW的火力发电厂，年耗煤1.510,6,t，而同容量的核电厂，每年只需600kg的铀燃料就可以了。,核电厂不需空气助燃，所以核电厂可以建在地下、水下、山洞或高原地区以保证其发电安全。,虽然核电厂造价高于火电厂，但其燃料费、维护费用却较低，在世界性能源短缺的今天，核能发电无疑是各国获取电能的重要来源。,放射性污染,9/22/2024,61,中国核电站,1991,年，中国自主设计建设的第一座核电站,秦山核电站建成投产；,1994,年建成大亚湾核电站；,1996,年开始，中国自主设计建设了秦山二期核电站；与国外合作建设了岭澳核电站、秦山三期核电站和田湾核电站。,截至,2004,年,7,月，共有,9,台核电机组投入生产，总功率,701,万千瓦。,9/22/2024,62,中国自主设计建设的第一座核电站秦山核电站,9/22/2024,63,广东大亚湾核电站,9/22/2024,64,