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电气工程基础,北京理工大学自动化学院沈伟电话：68912465-206Email：sw_shebit.educn,电气工程基础第一章引论,本章主要内容,电力系统构成、基本参量,额定电压等级与接线图,发电厂、变电站类型,电力系统运行的特点、要求,电力系统的形成与发展,电气工程基础第一章引论,1.1电力系统的形成与发展,1831年法拉第定律奠定了基础1882年法国人实现了高压直流输电随后，法国与瑞典工程师实现了直流发电机串联方法，实现了更高的直流输出1885年匈牙利工程师发明了单向交流变压器，但单向交流电动机起动困难1889年俄国工程师发明了三相异步电动机、三相变压器1891年德国工程师实现了三相交流供电系统，这种方式一直沿用到现在。,电气工程基础第一章引论,电力系统三相导线中的损耗：,电气工程基础第一章引论,电力系统的发展趋势,能源开发与环境保护的协调；电源结构的优化配置；灵活交流输电与新型直流输电；现代能量管理系统；电能质量的新标准；电力市场的兴起。,电气工程基础第一章引论,1.2电力系统构成、基本参量,原动机发电机输电网络配电系统负荷,电力系统,动力系统,电气工程基础第一章引论,电力系统和电力网络示意图,电气工程基础第一章引论,二、电力系统基本参量,（1）总装机容量：系统中所有发电机组额定有功功率总和（2）年发电量：全年所发电能的总和（MWh）（3）最大负荷：规定时间内总有功功率负荷的最大值（4）年用电量：所有用户全年所用电能的总和（5）额定频率：交流电力系统的额定频率。（6）最高电压等级：电力线路额定电压的最高值,电气工程基础第一章引论,我国电力系统现状：能源地域分布不平衡，能源分布与消费分布脱节，电源结构有待优化；区域电网互联结合大电网的发展模式；西电东送，南北互供，全国联网；电源结构不断调整，新能源发电取得长足的进步。,电气工程基础第一章引论,我国电力系统发展现状：能源地域分布不平衡，能源分布与消费分布脱节，电源结构有待优化；区域电网互联结合大电网的发展模式；西电东送，南北互供，全国联网；电源结构不断调整，新能源发电取得长足的进步。,电气工程基础第一章引论,我国区域电网,一般按照地域划分：现今我国有六个区域电网（每个覆盖一些省区）。六个区域网是东北、华北、华东、华中、西北电网、南方电网。,2010年前后国家电网特高压骨干网架规划图,电气工程基础第一章引论,1.3电力系统的电压等级与接线图,一、电力系统的电压等级及其适用范围制定标准电压的依据：三相功率正比于线电压及线电流。当输送功率一定时，输电电压愈高，则输送电流愈小，因而所用导线截面积愈小；但电压愈高对绝缘的要求愈高，杆塔、变压器、断路器的绝缘投资也愈大。因而对应于一定的输送功率与输送距离应有一最佳的输电电压。但从设备制造的经济性以及运用时便于代换，必须规格化、系列化，且等级不宜过多。我国国家标准规定的电压等级有：3、6、10、35、（60）、110、（154）、220、330、500和750KV,电气工程基础第一章引论,（1）线路额定电压,线路额定电压即线路的平均电压(UaUb)/2。各用电设备的额定电压与线路的额定电压相等。从而使所有用电设备在额定电压的附近运行。用电设备容许的电压偏移一般为5%，沿线电压降落一般为10%，因而要求线路始端电压为额定值的1.05倍，并使末端电压不低于额定值的0.95倍。,二、用电设备、线路、发电机与变压器的额定电压,（2）发电机额定电压,发电机通常接于线路始端，因此发电机的额定电压为线路额定电压的1.05倍UGNUN（15）,电气工程基础第一章引论,（3）变压器额定电压,变压器具有发电机和负荷的双重地位，它的一次侧是接受电能的，相当于用电设备；二次侧是送出电能的，相当于发电机。变压器一次侧额定电压取等同于用电设备额定电压，对于直接和发电机相联的变压器，其一次侧额定电压等于发电机的额定电压即：U1NUGNUN（15）二次侧额定电压取比线路额定电压高5%，因变压器二次侧额定电压规定为空载时的电压，而额定负荷下变压器内部电压降落约为5%。为使正常时变压器二次侧电压较线路额定电压高5%，变压器二次侧额定电压取比线路额定电压高10%。,电气工程基础第一章引论,例1,电气工程基础第一章引论,架空线路的线路电压与输送功率、输送距离,电气工程基础第一章引论,三、电力系统接线图,定义：电力系统整体性质的图形表示方法。分类：地理接线图；单线电气接线图,无备用,有备用,简单接线,双回路放射式干线式链式及两端供电网,放射式干线式链式,地理接线图复杂，可以看成简单接线的组合。,电气工程基础第一章引论,1.4发电厂及变电所类型,一、发电厂类型1.火力发电厂（在我国占大约75%左右）2.水力发电厂（在我国占约占20%）迳流式、坝后式、河床式、抽水蓄能3.核能发电厂（在我国约占1%）4.其他可再生能源发电方式（在我国约占4%）风力、地热、潮汐、太阳能二、变电所类型按功能划分：升压变电所、降压变电所按照在系统中的地位：枢纽变电所、中间变电所、地区变电所、终端变电所,火电厂分类,火力发电厂的生产过程,煤从储煤厂用输煤皮带送到煤粉设备中磨成细粉并加热干燥，然后送进锅炉，与鼓风机吹进来的空气混合燃烧。燃烧发出的热量传给锅炉内的水，使其产生蒸汽。蒸汽送到汽轮机后逐级膨胀作功，驱动发电机发电。蒸汽在汽轮机内的压力和温度逐渐降低，最后进入冷凝器。凝结成的水再用水泵送到低压给水加热器，最后又送入锅炉。,能量转换过程,燃料的化学能,火电厂的组成,锅炉,辅助设备,火力发电厂的系统流程,燃料供应及煤粉制备系统锅炉燃烧及除尘除灰系统热力系统循环水冷却系统,汽水补充系统热力控制系统电气系统,电气工程基础第一章引论,1.4发电厂及变电所类型,一、发电厂类型1.火力发电厂（在我国占大约75%左右）2.水力发电厂（在我国占约占20%）迳流式、坝后式、河床式、抽水蓄能3.核能发电厂（在我国约占1%）4.其他可再生能源发电方式（在我国约占4%）风力、地热、潮汐、太阳能二、变电所类型按功能划分：升压变电所、降压变电所按照在系统中的地位：枢纽变电所、中间变电所、地区变电所、终端变电所,分类：迳流式坝后式河床式抽水蓄能,水力发电就是利用水能发电的一种方式在天然河流上构筑坝后，抬高水位，形成水库。上游水库中的水经进水口，压力水管进入水轮机蜗壳，冲动水轮机转动，并带动同轴的发电机发出电力。作功后的尾水，经尾水管流至下游河道,水电厂,能量转换过程水能机械能电能,电气工程基础第一章引论,1.4发电厂及变电所类型,一、发电厂类型1.火力发电厂（在我国占大约75%左右）2.水力发电厂（在我国占约占20%）迳流式、坝后式、河床式、抽水蓄能3.核能发电厂（在我国约占1%）4.其他可再生能源发电方式（在我国约占4%）风力、地热、潮汐、太阳能二、变电所类型按功能划分：升压变电所、降压变电所按照在系统中的地位：枢纽变电所、中间变电所、地区变电所、终端变电所,从已探明的能源储量来看，地球上的石油和天然气在今后几十年内将被耗尽，煤炭也只能再用几百年。但是可开发的核燃料所提供的裂变能可供人类用几千年，提供的聚变能则几乎是用之不竭。核能将成为重要的能源之一。,核电厂,当前投入使用核电站均采用原子核裂变时释放出来的能量发电。,能量转换过程裂变热能机械能电能,电气工程基础第一章引论,1.4发电厂及变电所类型,一、发电厂类型1.火力发电厂（在我国占大约75%左右）2.水力发电厂（在我国占约占20%）迳流式、坝后式、河床式、抽水蓄能3.核能发电厂（在我国约占1%）4.其他可再生能源发电方式（在我国约占4%）风力、地热、潮汐、太阳能二、变电所类型按功能划分：升压变电所、降压变电所按照在系统中的地位：枢纽变电所、中间变电所、地区变电所、终端变电所,太阳能发电：地球表面一年从太阳获得的总能量约达61017kW.h，比全世界目前一年内利用各种能源的总和还大1万倍以上风力发电：世界上风能总量约3500亿kW，相当于每年可发电3050亿万kWh地热发电：地热资源分为干蒸汽田、湿蒸汽田、地热水和热岩层,海洋能发电：大范围有规律的动能（如潮汐、海流）和无规律的动能（如波浪能）以及海洋不同深度的温差（热能）磁流体发电：它是利用高温等离子体流过与流动方向垂直的强磁场，在与等离子体流向和磁场都垂直的方向上产生了电动势，使回路中产生电流的直接发电方式核聚变能：轻核聚变所释放的能量十分巨大，如氘聚合成一公斤氦，所释放的能量相当于一万吨标准煤完全燃烧放出的能量,新能源,一、风力发电风力发电是利用风的动能来生产电能。风力发电的过程是利用风力使风机的转子旋转，将风的动能转换成机械能，再通过变速和超速控制装置带动发电机发出电能。我国风力资源丰富，尤其在西北、东北和沿海地区，有着建设风力发电厂的天然优势。风能发电成本低，风能是清洁的能源和可以再生的能源，风力发电必将会得到更大的发展。,二、太阳能发电在新能源中，应用最广，最有发展前途的是太阳能发电。太阳能发电可以分为太阳的热能发电和太阳的光能发电。利用太阳的热能发电，有直接热电转换和间接热电转换两种形式。温差发电、热离子和磁流体发电等，属于直接转换方式。将太阳能聚集起来，通过热交换将水变为蒸汽来驱动汽轮发电机组发电则属于间接转换方式。因为太阳能取之不尽，用之不竭，太阳能发电具有安全可靠，使用寿命长，无噪声，不需要燃料，不污染环境等优点，所以倍受人们青睐。,其它发电厂,三、地热发电地热发电是利用地表深处的地热能来生产电能。地热发电厂的生产过程与火电厂相似，只是以地热井取代锅炉设备，将地热蒸汽从地热井引出，滤除其中的固体杂质后，由地热蒸汽推动汽轮机旋转，将地热能转换为机械能，带动发电机发出电能。地球内部蕴藏着巨大的热能，据估计全世界可供开采利用的地热能相当于几万亿吨煤，因此，开发利用地热资源发电具有广阔的发展前景。,四、潮汐发电海水时进时退，海面时涨时落。海水的这种自然涨落现象，称为潮汐。潮汐是由月球和太阳的引力对海水的作用形成的。潮汐发电是利用海水涨潮、落潮中的动能和势能来发电的。潮汐发电厂一般建在海岸边或河口地区，与水电厂建筑拦河坝一样，潮汐发电厂也需要在一定的地形条件下，建筑拦潮坝后，以形成足够的潮汐潮差及较大的容水区。潮汐发电厂在涨潮和退潮时均可发电，即涨潮时将水通过闸门引入厂内发电并储水，退潮时打开另一闸门放水发电。我国的海岸线长，沿海的潮汐能量约有2亿kW。,电气工程基础第一章引论,1.4发电厂及变电所类型,一、发电厂类型1.火力发电厂（在我国占大约75%左右）2.水力发电厂（在我国占约占20%）迳流式、坝后式、河床式、抽水蓄能3.核能发电厂（在我国约占1%）4.其他可再生能源发电方式（在我国约占4%）风力、地热、潮汐、太阳能二、变电所类型按功能划分：升压变电所、降压变电所按照在系统中的地位：枢纽变电所、中间变电所、地区变电所、终端变电所,电气工程基础第一章引论,1.5电力系统运行的特点和要求,一、电力系统运行的特点电能不能大量存储电力系统的暂态过程非常迅速供电中断可能造成重大损失对电能质量（电压和频率）要求十分严格，偏离规定值太多将导致损坏设备或大面积停电二、电力系统运行的要求运行的安全性和可靠性保证质量运行的经济性环境保护,电气工程基础第一章引论,本章思考题：（2014.10.7）,1.电力系统的输电方式有哪几种？2.为什么电能要采用高电压传输？3.电力系统运行的特点是什么？4.电力系统主要由哪些部分构成？5.电力负荷包括哪些？6.电力系统的基本参量有哪些？7.我国国家标准规定的高压交流输电电压主要分几级？8.线路电压越高，其输送功率和输送距离如何变化？9.发电厂主要有哪些类型？变电所有哪些类型？10.电力负荷如何分级，举例说明5种不同类型的电力负荷？,
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