電氣工程概論 第一章學習資料

電力工程基礎(chǔ)趙玉順TELMAIL:zhaoyushun@合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院如果沒有電能，我們的生活、生產(chǎn)、社會將發(fā)生什么變化？電氣工程概述電氣工程是研究電磁領(lǐng)域的客觀規(guī)律及其應(yīng)用的科學技術(shù)，以電工科學中的理論和方法為基礎(chǔ)而形成的工程技術(shù)稱為電氣工程。根據(jù)電氣工程學科的發(fā)展現(xiàn)狀，可將其分為相對獨立的五個二級學科:電力系統(tǒng)及其自動化技術(shù)、電機與電器及其控制技術(shù)、高電壓與絕緣技術(shù)、電力電子技術(shù)和電工理論與新技術(shù)。電氣工程的學科分支與研究領(lǐng)域電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合電力系統(tǒng)接地技術(shù)電力設(shè)備絕緣技術(shù)與絕緣材料氣體放電理論及其應(yīng)用電力設(shè)備在線監(jiān)測與狀態(tài)維修高電壓新技術(shù)（脈沖功率技術(shù)，等離子體應(yīng)用等）我國高校電氣工程專業(yè)設(shè)置時間1908年，南洋大學堂（交大）設(shè)立了電機?？?。1912年，同濟醫(yī)工學堂（同濟大學）設(shè)立電機科。1920年，公立工業(yè)專門學校（浙江大學）設(shè)立電機科。1923年，中央大學（東南大學）設(shè)立電機工程系。1929年，重慶大學設(shè)立電機系。1932年，清華大學設(shè)立電機系。1933年，北洋大學（天津大學）設(shè)立電機工程系。1946年，合肥工業(yè)大學設(shè)立電機系，至今已有68年傳統(tǒng)。電氣與電器的區(qū)分1緒論1.1概述合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院1、電能是什么？它是一種二次能源！由一次能源經(jīng)加工轉(zhuǎn)換而成的能源。2、電能的特點？可以大規(guī)模生產(chǎn)；便于輸送和分配；便于轉(zhuǎn)換和控制；便于提高能源利用效率；無污染，噪聲??；存儲效率低。3、對電能的基本要求？安全；可靠；優(yōu)質(zhì)；經(jīng)濟。1.2能量轉(zhuǎn)換原理一、能量的基本形式合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院機械能、熱能、化學能、輻射能、電能、核能二、能量的來源常規(guī)能源與新能源；再生能源與非再生能源；一次能源與二次能源三、能量的轉(zhuǎn)換遵守能量守恒定律四、旋轉(zhuǎn)電機中的能量轉(zhuǎn)換遵守電磁感應(yīng)定律；電磁力定律；旋轉(zhuǎn)電機中的能量轉(zhuǎn)換原理；旋轉(zhuǎn)電機中的能量平衡原理上述內(nèi)容請大家自學了解電能是如何輸送的？1.3電力系統(tǒng)一、電力系統(tǒng)的基本概念合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院電力系統(tǒng)的含義電力發(fā)電廠電力網(wǎng)用戶生產(chǎn)輸送和分配消費變壓器、輸電線路用電設(shè)備發(fā)電機、變壓器按照一定規(guī)律連接而組成的統(tǒng)一整體，稱為電力系統(tǒng)1.3電力系統(tǒng)一、電力系統(tǒng)的基本概念電力系統(tǒng)的含義發(fā)電機升壓變輸電線路降壓變用電設(shè)備水庫合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院發(fā)電廠電力網(wǎng)用戶輸電線路、變壓器用電設(shè)備發(fā)電機、變壓器按照一定規(guī)律連接而組成的統(tǒng)一整體，稱為電力系統(tǒng)發(fā)電廠的動力部分鍋爐、汽機；水庫、水輪機；反應(yīng)堆等1.3電力系統(tǒng)一、電力系統(tǒng)的基本概念合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院動力系統(tǒng)的含義發(fā)電廠電力網(wǎng)用戶按照一定規(guī)律連接而組成的統(tǒng)一整體，稱為電力系統(tǒng)發(fā)電廠的動力部分+動力系統(tǒng)發(fā)電機升壓變輸電線路降壓變用電設(shè)備水庫電力系統(tǒng)的基本參數(shù)？鍋爐、汽機；水庫、水輪機；反應(yīng)堆等1.3電力系統(tǒng)一、電力系統(tǒng)的基本概念合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院電力系統(tǒng)的基本參數(shù)發(fā)電廠電力網(wǎng)用戶發(fā)電機升壓變輸電線路降壓變用電設(shè)備水庫（1）系統(tǒng)裝機容量（發(fā)電機額定有功功率總和，MW）（2）系統(tǒng)年發(fā)電量（發(fā)電機全年發(fā)電量總和，MWh）（3）最高電壓等級（電力線路的最高額定電壓，kV）（6）額定頻率（交流工頻：50Hz）（4）最大負荷（一段時間內(nèi)有功負荷最大值，MW）（5）年用電量（所有用戶全年所用電量總和，MWh）電力系統(tǒng)都有的參數(shù)電力系統(tǒng)的基本參數(shù)？1.3電力系統(tǒng)一、電力系統(tǒng)的基本概念合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院發(fā)電廠發(fā)電廠電力網(wǎng)用戶發(fā)電機升壓變輸電線路降壓變用電設(shè)備水庫發(fā)電廠:是生產(chǎn)電能的工廠，它把其他不同類的一次能源轉(zhuǎn)換成電能?；鹆Πl(fā)電廠（火電廠、熱電廠）水力發(fā)電廠（堤壩式、徑流式、抽水蓄能式）核動力發(fā)電廠（壓水堆、沸水堆）其他發(fā)電廠（風力、太陽能、地熱、沼氣、潮汐、海浪、磁流體）發(fā)電廠外景1.3電力系統(tǒng)一、電力系統(tǒng)的基本概念合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院電力網(wǎng)發(fā)電廠電力網(wǎng)用戶發(fā)電機升壓變輸電線路降壓變用電設(shè)備水庫電力網(wǎng):是由2個及以上變電站和不同電壓等級的電力線路組成的網(wǎng)絡(luò)。其作用是輸送、控制和分配電能。火電廠外景火電廠電氣側(cè)火電廠升壓變壓器電能的送出線路架空輸電線路變電站合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院地方電力網(wǎng)（35～110kV，50km以內(nèi)，配電網(wǎng)）區(qū)域電力網(wǎng)（110～220kV，50～300km）超高壓電力網(wǎng)（330～750kV，300～1000km）特高壓電力網(wǎng)（1000kV）地方電力網(wǎng)區(qū)域電力網(wǎng)超高壓電力網(wǎng)電網(wǎng)分類合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院樞紐變電站（高壓側(cè)電壓為330～1000kV，匯集多個電源）中間變電站（一般匯集2～3個電源，起到交換功率或使長距離輸電線路分段的作用）終端變電站（電力網(wǎng)末端，降壓變電站向本地供電）地方電力網(wǎng)區(qū)域電力網(wǎng)超高壓電力網(wǎng)變電站變電站是聯(lián)系發(fā)電廠和用戶用電設(shè)備的中間環(huán)節(jié)，一般安裝有變壓器及其控制和保護裝置。起變換和分配電能的作用。變電站分類升壓變電站變電站俯視圖1000kV滬西特高壓變電站三相變壓器（220kV）變壓器單相變壓器（500kV）單相變壓器站用變壓器（10kV）單相變壓器隔離開關(guān)：視覺識別斷路器：切斷負載合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院地方電力網(wǎng)區(qū)域電力網(wǎng)超高壓電力網(wǎng)電力線路電力線路包括輸電線路和配電線路。就其結(jié)構(gòu)來說，主要分為架空線路和電纜線路兩大類。架空線路合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院用電設(shè)備及電氣設(shè)備用電設(shè)備是消耗電能的，主要有感應(yīng)電動機、同步電動機、電熱電爐、整流設(shè)備、變頻設(shè)備和照明設(shè)備等。用于安全、優(yōu)質(zhì)、可靠、經(jīng)濟地生產(chǎn)、輸送、分配電能的設(shè)備，稱為電氣設(shè)備。一次設(shè)備二次設(shè)備直接用于生產(chǎn)、輸送和分配電能的電氣設(shè)備對一次設(shè)備的工作進行監(jiān)視、測量、操作和控制的設(shè)備發(fā)電機、變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、母線、輸電線路和電力電纜等測量表計、控制及信號器具、繼電保護裝置、自動裝置、遠動裝置等電力系統(tǒng)形成的原因？1.4電能的質(zhì)量指標一、電壓我國的技術(shù)標準規(guī)定了各種額定電壓，而用電設(shè)備都是按照額定電壓進行設(shè)計、制造的。因此電壓質(zhì)量對各類用電設(shè)備的安全經(jīng)濟運行都有直接的影響。60801001201408011010012090壽命光通量發(fā)光效率電流電壓（%）各種物理指標（%）白熾燈的電壓特性60801001201408011010012090電流效率功率因數(shù)電壓（%）各種物理指標（%）異步電動機的電壓特性電壓對常見電氣設(shè)備的影響電壓降低，光通量急劇下降；電壓升高，壽命縮短。電壓降低，電流急劇上升，發(fā)電機溫度升高；導致電機燒毀；電壓升高，鐵心磁通密度飽和，勵磁電流和鐵耗增加，電機過熱，甚至發(fā)生高頻諧振。1.4電能的質(zhì)量指標一、電壓合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院我國的技術(shù)標準規(guī)定了各種額定電壓，而用電設(shè)備都是按照額定電壓進行設(shè)計、制造的。因此電壓質(zhì)量對各類用電設(shè)備的安全經(jīng)濟運行都有直接的影響。因此在電力系統(tǒng)運行中，必須規(guī)定電壓的容許變化范圍，這就是電壓的質(zhì)量標準。我國目前的技術(shù)標準所規(guī)定的供電電壓允許偏差為：（1）35kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%（2）10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7%（3）220V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的7%、-10%系統(tǒng)各地的電壓是否統(tǒng)一變化？系統(tǒng)各點的電壓不是統(tǒng)一變化的，同一時刻有的可能偏高，有的可能偏低。怎么控制電壓？電壓控制措施電力系統(tǒng)的調(diào)壓方法：1.利用同步電動機發(fā)電機調(diào)壓（調(diào)壓能力很弱，艦船上用）過勵磁時，發(fā)出感性無功功率，欠勵磁時，吸收感性無功功率。因此，同步發(fā)電機可作為正的或者負的無功電源。增加發(fā)電機的勵磁電流升高電壓，減小其勵磁電流可降低電壓。2.改變變壓器的變比調(diào)壓（調(diào)壓能力小，每個變電站都用）利用變壓器的分接頭，不同的分接頭有不同的線圈繞制圈數(shù)，對應(yīng)不同的高低壓比值。每個分接頭接出不同的開關(guān)觸頭，通過在有載荷、無載荷兩種狀態(tài)下對變壓器的變比進行調(diào)節(jié)。3.利用無功功率補償調(diào)壓同步調(diào)相機、并聯(lián)電容器或靜止補償器。電力系統(tǒng)的電壓降落主要決定于線路上傳輸?shù)臒o功功率，通過調(diào)節(jié)線路的無功功率對系統(tǒng)進行調(diào)壓。變壓器分接頭變壓器分接開關(guān)變電站無功補償調(diào)壓設(shè)備并聯(lián)電容器（調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓）串聯(lián)電抗器（抑制涌流）變電站無功補償調(diào)壓設(shè)備怎么控制頻率？1.4電能的質(zhì)量指標二、頻率合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院在并列運行的電力系統(tǒng)中，全系統(tǒng)所有的機組在任一瞬間的頻率值是一致的，均為系統(tǒng)的運行頻率。系統(tǒng)運行頻率與額定頻率之差，稱為頻率偏差。頻率偏差也會影響電力用戶的正常工作：（1）對電動機的正常工作產(chǎn)生影響（2）對發(fā)電廠本身產(chǎn)生嚴重的影響（3）對電鐘及其他電子設(shè)備的準確工作產(chǎn)生影響我國的頻率偏差標準呢？3000MW及以上的系統(tǒng)，頻率偏差不得超過+0.2Hz，電鐘的偏差不得大于+30s；不足3000MW的系統(tǒng)，頻率偏差不得超過+0.5Hz，電鐘的偏差不得大于+60s。（4）電力系統(tǒng)在低頻下運行很危險，因為電源與負荷在低頻下重新平衡很不牢固，系統(tǒng)穩(wěn)定性很差，極易再次失去平衡，頻率繼續(xù)下降，最終導致電網(wǎng)崩潰。1.4電能的質(zhì)量指標三、波形合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院電力系統(tǒng)中交流電的波形應(yīng)為正弦波。如果不是標準的正弦波形時，必然包含多種高次諧波分量，對電動機、電氣設(shè)備、電子設(shè)備等產(chǎn)生不良的影響。波形質(zhì)量用波形總畸變率來表示，正弦波的畸變率是指各次諧波有效值平方和的方根值占基波有效值的百分比?？己讼到y(tǒng)波形的指標主要是諧波電壓含有率。為了限制諧波電壓分量，應(yīng)限制各個非線性負荷所產(chǎn)生的諧波電流，還要采取一些抑制諧波的措施。（1）設(shè)置諧波電壓限值，隨著電壓的提高，規(guī)定的電壓總畸變率限值也變小。（2）設(shè)置諧波電流允許值，見書中表1-5。1.5電壓等級與選擇合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院一、電力系統(tǒng)額定電壓及電壓等級的選擇一定輸送距離的輸電線路一定的傳輸功率存在一個最經(jīng)濟合理的電壓值（稱為經(jīng)濟電壓）各個國家根據(jù)本國的技術(shù)經(jīng)濟條件，規(guī)定各自的電壓等級標準，稱為電力系統(tǒng)額定電壓，又稱為電力網(wǎng)額定電壓或線路額定電壓。電力系統(tǒng)在正常運行時，任何時間、任何地點出現(xiàn)的電壓最高值，稱為電力系統(tǒng)最高電壓。（不包括暫態(tài)電壓和異常電壓）電壓等級如何選擇?傳輸距離輸送距離傳輸方式電壓等級的選擇電網(wǎng)結(jié)構(gòu)建設(shè)費用運行方式設(shè)備制造電力系統(tǒng)的電壓等級包括：系統(tǒng)用額定電壓和最高電壓，設(shè)備用額定電壓和最高電壓。合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院電力系統(tǒng)額定電壓（kV）輸送方式傳輸功率（kW）傳輸距離（km）0.22架空線路小于500.150.22電纜線路小于500.200.38架空線路1000.250.38電纜線路1750.353架空線路100～10001～36架空線路200～20003～106電纜線路3000小于810架空線路200～30005～2010電纜線路5000小于1035架空線路2000～1000020～50110架空線路10000～5000050～150220架空線路100000～500000100~300330架空線路200000～1000000200~600500架空線路1000000～1500000250~800750架空線路2000000～2500000500以上1000架空線路4000000～5000000500以上特高壓,大區(qū)域電力系統(tǒng)的聯(lián)合電網(wǎng)超高壓,大型電力系統(tǒng)的骨干電力網(wǎng)高壓,中小型電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)電力網(wǎng),大型電力系統(tǒng)的二次網(wǎng)絡(luò)城市/企業(yè)/農(nóng)村電力網(wǎng)常用配電電壓中高壓電動機供電電壓居民及一般電動機供電電壓電網(wǎng)額定電壓與傳輸功率和傳輸距離的關(guān)系合肥工業(yè)大學.電氣與自動化工程學院二、電氣設(shè)備額定電壓電氣設(shè)備制造廠根據(jù)所規(guī)定的電氣設(shè)備工作條件而確認的電壓，稱為電氣設(shè)備的額定電壓。電氣設(shè)備分為供電設(shè)備和受電設(shè)備。電氣設(shè)備的最高電壓是考慮設(shè)備的絕緣性能和與最高電壓有關(guān)的其他性能所確定的最高運行電壓，其數(shù)值等于所在電力系統(tǒng)的最高電壓值。1、電力線路的額定電壓和電力系統(tǒng)的額定電壓相等。線路阻抗壓降一般不超過10%。2、用電設(shè)備與同級電網(wǎng)的額定電壓一致。發(fā)電機電動機3、發(fā)電機的額定電壓較電力系統(tǒng)（同級電網(wǎng)）的額定電壓高5%。（10.