1、1,电力工程基础,魏 佳 丹 Tel: 84892313(o) 13913861813 Email:南京航空航天大学 自动化学院 电气工程系（智能楼403房间）,南京航空航天大学 电力工程基础,2,电力系统基本概念,电力网,变电所一次系统,变电所二次系统,继电保护 监控及保护 ,课程特点：概念多；基础性强；实用性强,一、课程内容及特点,课 程 概 述,3,二、教学计划,共48学时；不停课考试；考核方式：平时30（考勤、作业）期末考试70,课 程 概 述,4,第一章 电力系统基础,1-1 电力系统的基本概念,1-2 发电厂的生产过程,1-3 电气设备的发热计算,1-4 电气设备的电动力,1-5
2、开关电器的灭弧原理,1-6 电力系统中性点的运行方式,5,1-1 电力系统的基本概念,电力系统：统一整体,第一章 电力系统基础,发电厂；输电线路；配电系统； 负荷,6,发电厂 电力网 电力用户,发电厂、电力网和电力用户构成整个电力系统。,电力系统:,指完成电能生产、输送、分配和消耗的统一整体。,电力系统的基本概念,7,电力系统示意图,电力系统的基本概念,电厂类型； 电能去向； 电厂互联；,8,近代电力系统发展历程,电力系统的基本概念,直流传输,交流传输,交直流传输,电机制造和电力输送技术从直流开始,低压输电损耗与高压直流输电的困难； 交流输电采用变压器,交流输电系统中 电网互联技术困难,9,近
3、代电力系统发展历程,输电技术全部发展史的特征不断提高线路电压，输送功率和输送距离不断增大,绝缘问题,电力系统的基本概念,10,电力系统运行特点,电能尚不能大量储存；瞬间生产电能等于同一瞬间耗用电能电力系统暂态过程非常迅速(msus)； 供电中断和电能质量的偏差会给国民 经济和人民生活带来重大损失,电力系统的基本概念,11,建立大型电力系统（联合电网）的优点:,1可以减少系统的总装机容量。,2可以减少系统的备用容量。,3可以提高供电可靠性。,4可以安装大容量的机组。,5可以合理利用动力资源，提高系统运行的经济性。,电力系统的基本概念,电厂互联电网互联,12,总装机容量所有发电机组额定有功功率总和
4、(MW) 年发电量发电机组全年所发电能总和(MWh) 最大负荷规定时间内总有功功率负荷的最大值(MW) 年用电量 MWh 额定频率50Hz (美国、日本60Hz) 最高电压等级kV,电力系统的基本概念,电力系统基本参量,13,运行的安全可靠性 电能质量 供电经济降低成本提高经济效益a. 发电厂经济运行；b.输配电过程降低能量损耗；c. 电力系统合理调度；,电力系统的基本要求,电力系统的基本概念,14,1.运行的安全可靠性,电力系统的基本要求,电力系统运行首先要满足安全可靠、持续供电要求,（1）提高电网结构的强壮性； （2）提高系统运行的稳定性； （3）保证一定的备用容量,15,2.保证电能质量
5、,表征电能品质的优劣程度 具体明确的要求: GB12326-90 电能质量，电压允许波动和闪变等,电力系统的基本要求,16,1) 电压偏差,电压幅值偏离额定值的程度电压实际值额定值; 百分数电压损失危害输配电线路允许电压损失常用电气设备端电压的允许偏差,电能质量,17,2) 电压波动和闪变,电压波动: 电压剧变偏离额定值 u=Umax Umin u%=（Umax Umin ）/UN*100% 电压闪变: 周期性电压剧变电光源光通量急剧变化人眼不舒适供电电压波动的幅值、频度和波形 照明装置（白炽灯影响最大） 人对闪变的主观视觉感受,电能质量,18,3) 电压正弦波畸变率: (电压谐波),原因：非
6、线性负载电压波形变化(非正弦)正弦波形畸变正弦波畸变率(电压谐波畸变率)定义：各次谐波有效值的平方和的方根值与其 基波电压有效值的百分比,电能质量,限制谐波方法： 优化整流器设计；装设滤波器；限制接入非线性负载,19,使变压器和电动机的铁芯损耗增加，引起局部过热，同时振动和噪声增大，缩短使用寿命； 使线路的功率损耗和电能损耗增加，并有可能使电力线路出现电压谐振，产生过电压，击穿电气设备的绝缘； 使电容器产生过负荷而影响其使用寿命； 使继电保护及自动装置产生误动作； 使计算电费用的感应式电能表的计量不准； 对附近的通信线路产生信号干扰，使数据传输失真等。,谐波的危害,电能质量,20,4）负序电压
7、系数,意义：反映三相电压不平衡程度 符号：K2u 原因：负荷不平衡引起(正常性、事故性) 危害：电机温升，噪音增大 规定：国内尚未作明确规定国际不超过2,电能质量,21,5）频率偏差,频率漂移 表示方法：差值；百分数 危害：电动机: fn,生产率电动机寿命变压器: f,u 不变易饱和，励磁电流过大,电能质量,额定频率：50Hz,允许偏差：电网容量3000MW及以上者，0.2 Hz；,电网容量3000MW以下者，0.5 Hz。,跨省电力系统频率的允许偏差都保持在0.1Hz范围内,22,现代电能质量的控制与治理措施,利用基于电力电子技术的柔性交流输电技术（FACTS）和柔性配电技术（DFACTS）
8、，将电力电子、计算机和控制等高新技术运用于中低压配用电系统，形成一系列电能质量补偿控制设备，能够有效地解决谐波影响、电压波动与闪变、三相电压不对称等问题，从而可大大提高电能质量。,FACTS系统的设备：串联补偿装置、并联补偿装置和综合控制装置。其设备功能见表1-5。,柔性交流输电技术：又称为基于电力电子技术的灵活交流输电系统，通过控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮流，使电力传输容量更接近线路的热稳定极限。,电能质量,23,DFACTS装置：有源电力滤波器（APF）、动态电压恢复器（DVR）和固态断路器（SSBC）等。,柔性配电技术：将柔性交流输电系统中的现代电力电子技术及相关的检测和控制设
9、备延伸应用于配电领域。,电能质量,24,选择标准电压（额定电压）的依据：,功率一定，电压与电流的关系,电压与绝缘要求的关系,设备制造的要求,导线截面积，线路投资,杆塔、变压器、断路器的绝缘,规格化、系列化，等级不宜太多,电力系统的基本概念,电力系统额定电压,25,我国规定的额定电压两大类： 1. Un 3kV（系统与受电设备额定电压一致）交流：有效值 单相三相直流：平均值,电力系统额定电压,直流100V以下： Un用电 = Un供电100V以上： Un用电 Un供电,26,发电机额定电压变压器一次绕组额定电压变压器二次绕组额定电压,发电机：UF=105%Un 变压器一次侧： 如直接与UF相连
10、：Un1=UF 如与电网相连： Un1=Un 二次侧： 供电线路长时： 110%Un 供电线路不长时： 105%Un,2. Un 3kV,电力系统额定电压,27,用电设备的额定电压：与同级电网的额定电压相同。,发电机的额定电压：比同级电网的额定电压高出5%，用于补偿线路上的电压损失。,电力网的额定电压：我国高压电网的额定电压等级有3kV、6 kV、10 kV、35 kV、63 kV、110 kV、220 kV、330 kV、500 kV等。,图1-6 供电线路上的电压变化示意图,电力系统额定电压,供电线路上的电压变化示意图,28,变压器的二次绕组：对于用电设备而言，相当于电源。,变压器的额定电
11、压,我国公布的三相交流系统的额定电压见表1-1。,变压器的一次绕组：相当于是用电设备，其额定电压应与电网的额定电压相同。,注意：当变压器一次绕组直接与发电机相连时，其额定电压应与发电机的额定电压相同。,当变压器二次侧供电线路较长时：应比同级电网额定电压高10% 当变压器二次侧供电线路较短时：应比同级电网额定电压高5%,其中5%用于补偿变压器满载供电时一、二次绕组上的电压损失； 另外5%用于补偿线路上的电压损失，用于35kV及以上线路。,可以不考虑线路上的电压损失，只需要补偿满载时变压器绕组上的电压损失即可，用于10kV及以下线路。,电力系统额定电压,29,发电机G的额定电压：UNG=1.051
12、0=10.5（kV） 变压器T1的额定电压： U1N=10.5（kV）U2N=1.1110=121（kV） 变压器T1的变比为：10.5/121kV 变压器T2的额定电压：U1N=110（kV）U2N=1.056=6.3（kV） 变压器T2的变比为：110/6.3kV,例1-1 已知下图所示系统中电网的额定电压，试确定发电机和变压器的额定电压。,变压器T1的一次绕组与发电机直接相连，其一次侧的额定电压应与发电机的额定电压相同,变压器T1的二次侧供电距离较长，其额定电压应比线路额定电压高10%,变压器T2的二次侧供电距离较短，可不考虑线路上的电压损失,电力系统额定电压,30,第一章 电力系统基础
13、,1.1 电力系统的基本概念,1-2 发电厂的生产过程,1-3 电气设备的发热计算,1-4 电气设备的电动力,1-5 开关电器的灭弧原理,1-6 电力系统中性点的运行方式,31,发电方式按能源划分：,火力发电；水力发电；核能发电；风力发电；地热发电；潮汐发电；太阳能发电；,1-2 发电厂的生产过程,各具特色：能量来源、效率、经济性、应用前景,32,一、火力发电厂 1. 原料:煤、石油、天然气等可燃物 2. 原理：煤燃烧：化学能热能汽轮机：热能机械能 (原动机）发电机：机械能电能 3 .生产过程 4 .热效率不高,发电厂的生产过程,33,凝汽式汽轮发电厂生产过程示意图,发电厂的生产过程,34,凝
14、气式火电厂生产过程示意图,发电厂的生产过程,35,6火电厂是我国目前最主要的电源，比例大于75%。,江苏谏壁发电厂,7火力发电存在的问题,8今后火电建设的重点,采用高参数、大容量、高效率的设备。 开发清洁煤燃烧发电、天然气蒸汽联合循环发电。 鼓励热电联产。 加强煤炭基地的矿口电厂建设。,安全问题：采矿和运输中的安全性灾难等 。 环境问题：酸雨、温室效应、可吸入颗粒物等。 效率问题：凝汽式火电厂效率为40%，热电厂为60%70%。,张家口发电总厂,浙江北仑发电厂,发电厂的生产过程,36,二、水力发电厂,1水电厂的能量转换过程：水的位能机械能电能。,2水电厂的总发电功率：,3水电厂的分类,堤坝式水
15、电厂,引水式水电厂 抽水蓄能电站,坝后式：如三门峡、刘家峡、丹江口、三峡水电站 河床式：如葛洲坝水电站,4水电厂的组成：水库、水轮机、电力系统,发电厂的生产过程,37,5水电厂的生产过程（见图1-4）,图1-4 堤坝式水电厂生产过程示意图,发电厂的生产过程,38,6水电厂是我国目前最重要的电源之一，比例约为15%。,葛洲坝水电站,长江三峡水电站,广州抽水蓄能电站,7水力发电的优点,是最干净的能源之一。 是最廉价的能源之一：无需燃料、无环境污染、生产效率高、发电成本低、运行维护简单。 综合水利工程：可同时解决发电、防洪、灌溉、航运、水产养殖等问题。 特殊的水电厂：抽水蓄能电厂，起“削峰填谷”作用
16、。,发电厂的生产过程,39,8水力发电存在的问题,建设问题：投资大、工期长，存在库区移民、淹没耕地、破坏人文景观、破坏自然生态平衡等问题。 运行问题：发电量受气象、水文、季节水量变化的影响较大，分丰水期和枯水期，出力不稳定，增加电力系统运行的复杂性。,三、核电厂,1核电厂的能量转换过程：核燃料的裂变能热能机械能电能。,2核电厂的组成：核反应堆、汽水系统（汽轮机）、电力系统,发电厂的生产过程,40,3核反应堆的分类：轻水堆（包括沸水堆和压水堆）、重水堆和石墨冷气堆等。,轻水堆核电厂的生产过程示意图如图1-5所示。,图1-5 轻水碓核电厂生产过程示意图 a）沸水碓 b）压水碓,热力系统由单回路构成
17、，有可能使汽轮机等设备受放射性污染,由双回路系统构成，两个回路各自独立循环，不会造成设备的放射性污染。,发电厂的生产过程,41,4核电厂是我国目前重要的电源之一，比例不到2%。,秦山核电站,大亚湾核电站,5核电迅速发展的原因,核电是一种新型的巨大能源。 煤、石油等火电燃料储量有限，不可再生。 发达国家的水资源已基本殆尽。 一些资源贫乏国家“能源危机”，不得不发展核电。,6. 核能发电的优缺点,节省大量煤炭、石油等燃料，避免燃料运输。 不需空气助燃，可建在地下、水下、山洞或空气稀薄地区。,发电厂的生产过程,42,比火电厂造价高，但发电成本低30%50%，且规模越大越合算。 存在问题：放射性污染。
18、,四、其它新能源发电,1太阳能发电：太阳光能或太阳热能电能,太阳能发电系统的组成：,发电厂的生产过程,43,太阳能光伏电源在西部地区应用广泛。（青海、新疆） 我国首座太阳能发电厂 ： 2005年10月29日在南京江宁发电成功，发电量只有70kW。,发电厂的生产过程,太阳能发电的优点,是一种取之不尽、用之不竭的廉价能源。 不需要燃料、生产成本低、不产生污染 受季节、昼夜、地理和气象条件的影响较大 。,44,2风力发电：风力的动能 机械能电能,风力发电的优点,西部地区的风能资源占全国的50%以上 。（青海、甘肃、新疆、内蒙、云南、西藏等）,是一种取之不尽、用之不竭的自然能源。 不需要燃料、没有污染
19、、运行成本低。 有一定的随机性和不稳定性，因此必须配有蓄能装置。,45,新疆达板城风电厂,46,3地热发电：地热能电能,电能生产过程：与火电厂相似，用地热井取代锅炉设备。 地热资源的开发利用在西部地区已取得了良好的效益。,发电厂的生产过程,西藏羊八井电厂,47,4潮汐发电：海水涨潮或落潮的动能或势能电能 。,潮汐发电示意图,我国正在运行发电的潮汐电站共有8座（浙江4座，山东、江苏、广西、福建各1座）,48,浙江江厦潮汐能发电厂,49,5新能源发电的优缺点,太阳能、风能、地热能、潮汐能等新能源都属于清洁、廉价和可再生能源，是未来的能源主要形式。 其他新能源：燃料电池、垃圾燃料、核聚变能、生物质能等。 太阳能、风能发电容量小，分散性大，属于分布式能源，互联后在运行安全和管理方面存在很多问题。,发电厂的生产过程,本质：各种能源机械能， 由发电机转变为电能,
