電氣工程概論

1、電氣工程概論,1,3.4 電力網(wǎng),電網(wǎng)的構(gòu)成和功能,電力網(wǎng)絡(luò)由不同電壓等級的電力線路、變壓器和相應(yīng)的配電裝置構(gòu)成。電力網(wǎng)絡(luò)的功能是輸送和分配電能并進行電壓變換。電力網(wǎng)可分為輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)，大型電力網(wǎng)的結(jié)構(gòu)通常以電壓等級進行分層；輸電網(wǎng)將發(fā)電廠的電能通過高壓輸電線送到負荷中心，其額定電壓通常為220～750kV，它是電力系統(tǒng)的主干網(wǎng)；,電氣工程概論,2,配電網(wǎng)將電能通過配電線路送到電能用戶，可以分為高壓、中壓、和低壓配電網(wǎng)；高壓

2、配電網(wǎng)的電壓一般為35～110kV或更高；中壓配電網(wǎng)的電壓一般為1～35kV；低壓配電網(wǎng)的電壓一般為380/220V。,電氣工程概論,3,電氣工程概論,4,電力線路,電力線路分為架空線路和電纜線路架空線路主要由導(dǎo)線、避雷線（又稱架空地線）、桿塔、絕緣子串合金具等部分組成。導(dǎo)線用來傳導(dǎo)電流，輸送電能。避雷線用來將雷電流引入大地，保護線路免遭直擊雷的破壞。桿塔用來支撐導(dǎo)線和避雷線。絕緣子用來使導(dǎo)線與導(dǎo)線、導(dǎo)線與桿塔之間保持絕緣

3、狀態(tài)。金具用來固定、懸掛、連接和保護架空線路各主要元件的金屬器件的總稱。,電氣工程概論,5,電氣工程概論,6,電纜是將導(dǎo)電芯線用絕緣層及防護層包裹，敷設(shè)于地下、水中、溝槽等處的電力線路。特點： 造價高，故障定位和檢修困難；占地面積少，供電可靠；不影響城市環(huán)境。,電氣工程概論,7,變電站的功能和構(gòu)成,變電站是電力系統(tǒng)中變換電壓、接受和分配電能、控制電力的流向和調(diào)整電壓的電力設(shè)施，它通過變壓器將各級電壓的電網(wǎng)聯(lián)系起來。主要設(shè)備：

4、 變換電壓的變壓器；開閉電路的開關(guān)設(shè)備；匯集和分配電能的母線；計量和控制用的互感器、儀表、繼電保護裝置；防御過電壓的防雷裝置，如：避雷器、避雷針等；通信裝置；無功補償裝置。,電氣工程概論,8,變電站,電氣工程概論,9,電氣工程概論,10,變壓器,電氣工程概論,11,配電系統(tǒng)的功能和構(gòu)成,配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的一部分，由電壓等級為110kV及以下的線路和設(shè)備構(gòu)成，電力系統(tǒng)通過配電網(wǎng)絡(luò)直接向用戶供電，主要由配電變電站、配電線路等

5、構(gòu)成。主要包括： 1kV以下低壓配電；1～35kV中壓配電；35～110kV高壓配電。,電氣工程概論,12,電網(wǎng)調(diào)度和運行,電能特點： 電能目前不能大量存儲；暫態(tài)過程非常迅速，以10-3～10-6s計；意外供電中斷，給國民經(jīng)濟造成重大損失；電能質(zhì)量要求十分嚴格。電力系統(tǒng)調(diào)度管理是指對電力系統(tǒng)全局安全經(jīng)濟運行和事故處理的問題進行計劃、指揮、控制、協(xié)調(diào)等工作的總稱。調(diào)度管理的任務(wù)保證電網(wǎng)經(jīng)濟、安全可靠運行，提供合格的電

6、能質(zhì)量。調(diào)度管理的內(nèi)容電力系統(tǒng)分層調(diào)度管理：國調(diào)、網(wǎng)調(diào)、省調(diào)、地調(diào)、縣調(diào)。,電氣工程概論,13,某電力系統(tǒng)地區(qū)調(diào)度室,電氣工程概論,14,電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制,電力系統(tǒng)安全控制的主要內(nèi)容包括對電力系統(tǒng)進行安全監(jiān)視和安全分析，提出安全控制對策并予以實施。安全監(jiān)視：利用數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)獲得電力系統(tǒng)實時信息，供運行人員及時處理。安全分析：在安全分析的基礎(chǔ)上，對預(yù)想事故的影響進行估算。分為靜態(tài)安全分析和動態(tài)安全分析。安全控制：在電力系

7、統(tǒng)各種運行狀態(tài)下，為保證系統(tǒng)安全所進行的各種調(diào)節(jié)、校正和控制。包括：預(yù)防性安全控制、緊急狀態(tài)下的安全控制和事故后的恢復(fù)控制。,電氣工程概論,15,電力系統(tǒng)故障主要包括單相接地短路、兩相接地短路、兩相短路、三相短路、斷線等； 故障可能引起的后果：短路故障點強大的短路電流及燃起的電弧，可能損毀設(shè)備；部分區(qū)域電能質(zhì)量下降；短路電流的熱效應(yīng)和電動力效應(yīng)會損壞設(shè)備或縮短設(shè)備壽命；電力系統(tǒng)穩(wěn)定性遭到破壞，產(chǎn)生振蕩，甚至引起系統(tǒng)瓦解。

8、,電氣工程概論,16,電力系統(tǒng)非正常運行狀態(tài)主要包括過負荷、過電壓、非全相運行、振蕩（非同步運行）、次同步諧振、同步發(fā)電機短時失磁異步運行等。故障和非正常運行都能引起系統(tǒng)事故（如電壓崩潰事故、頻率崩潰事故）。事故是指系統(tǒng)的全部或部分的正常運行遭受破壞，造成對用戶停止供電、少送電或電能質(zhì)量下降，甚至造成人身傷亡、設(shè)備損壞等。繼電保護裝置就是能迅速反應(yīng)電力系統(tǒng)中電氣元件發(fā)生的各種故障及不正常運行狀態(tài)，并有選擇性地動作于跳閘或發(fā)出信號的

9、一種自動裝置。此外，自動重合閘、備用電源自動投入裝置、按頻率自動減負載、自動發(fā)電控制裝置、自動勵磁調(diào)節(jié)裝置、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定裝置等自動裝置都是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要自動化設(shè)備。,電氣工程概論,17,3.5 電力應(yīng)用,照明,照明大致分為兩種：一是由電能轉(zhuǎn)化成熱能，然后再轉(zhuǎn)化成光能的光源，如白熾燈等。另一種是利用放電而轉(zhuǎn)化成光能的光源，如熒光燈、高壓汞燈、霓虹燈等。,電氣工程概論,18,電加熱,電加熱是以電能為能源加熱物料

10、，并通過電爐、電焊機等來實現(xiàn)加熱的一種方法。電加熱大致分為兩種：一是電能在電爐、電熱器具上轉(zhuǎn)變成熱能后加熱物料，如電爐、電弧爐、感應(yīng)爐、微波爐、光波爐等。另一種是利用電能驅(qū)動熱泵，把熱能從溫度較高的物體輸送給溫度較低的物體,如熱泵等。應(yīng)用:工業(yè)領(lǐng)域：冶煉、熱處理、焊接等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域：溫室培育等家庭生活：烹飪、取暖等,電氣工程概論,19,電力拖動,電力拖動是以電動機作為原動機拖動生產(chǎn)機械運動的一種拖動方式，又稱電氣傳動或電力傳動

11、。,電動機,功率開關(guān),控制器件,電源,傳遞機構(gòu),工作機械,,,,,,,,機械連接,電連接,電力拖動的應(yīng)用領(lǐng)域極其寬廣，從一般的家用電器到工業(yè)機床設(shè)備、電動交通工具等，在國防、國民經(jīng)濟和人民生活的方方面面都有應(yīng)用，是電能最主要的應(yīng)用方式之一。,,電氣工程概論,20,電力拖動,電力牽引就是其中一個較大的應(yīng)用領(lǐng)域。如：電氣化鐵路、地下鐵道及其他電力牽引城市軌道交通、礦山電力機車、城市公共電車。,,電氣工程概論,21,3.6 電力市

12、場簡介,電力市場的概念,電力市場是采用經(jīng)濟、法律等手段，本著公平競爭、自愿互利的原則，對電力系統(tǒng)中發(fā)電、輸電、供電、用電等各組成員協(xié)調(diào)運行的管理機制和執(zhí)行系統(tǒng)的總和。電力市場的基本特征：開放性、競爭性、計劃性和協(xié)調(diào)性。電力市場首先是一種管理機制，同時還是體現(xiàn)這種管理機制的執(zhí)行系統(tǒng)。包括貿(mào)易場所、計量系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。電價是電力市場的杠桿和核心內(nèi)容。轉(zhuǎn)運業(yè)務(wù)是電力市場重要的貿(mào)易形式。,,電氣工程概論,22,電力市場的興

13、起,我國電力體制改革的三個階段：第一階段：1985年實施集資辦電政策—20世紀(jì)90年代初期，解決缺電問題。第二階段：20世紀(jì)90年代初期—1998年撤銷電力工業(yè)部前，提出逐漸實施電力體制改革，方案為：政企分開、廠網(wǎng)分開、輸供分離、實施公司化改組；統(tǒng)一開放、競價上網(wǎng)、建立電力交易市場；依法管理、競爭有序，建立健全電力市場法規(guī)體系和監(jiān)管體系。第三階段：1998年撤銷電力工業(yè)部—目前，實行“廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)”試點。,,電氣工程概

14、論,23,電力市場的基本原則,基本目標(biāo)是：打破壟斷，引入競爭，提高效率，降低成本，健全電價機制，優(yōu)化資源配置，促進電力發(fā)展，推進全國聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建政府監(jiān)管下的政企分開、公平競爭、開放有序、健康發(fā)展的電力市場體系。電力市場最基本的原則是公平。為保證電力市場公平競爭的原則，必須做到：電力市場要有公開性（包括成本、定價、計量、計劃等），以便監(jiān)督；擴大自由選擇權(quán)力，保證電網(wǎng)的開放；必須建立有關(guān)法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)約，使競爭規(guī)范化。,,電氣工

15、程概論,24,電價和電力市場運行模式,制定電價的基本原則為：成本為主，合理利潤，公平負擔(dān)，促進用戶合理用電。我國電力市場兩種可能的運行模式：統(tǒng)一市場：以個發(fā)電廠、供電公司為單位統(tǒng)一在網(wǎng)級電力市場中競爭，為了適應(yīng)現(xiàn)狀，各省設(shè)結(jié)算中心和調(diào)度中心；聯(lián)合市場：以省為單位參加競爭（分層模式），保留現(xiàn)有的省級電力市場的所有職能（交易中心、調(diào)度中心、報價系統(tǒng)），省級電力市場的交易仍然由省網(wǎng)交易中心控制；網(wǎng)級電力市場進行網(wǎng)控發(fā)電公司/發(fā)電廠、網(wǎng)控

16、負荷和各省網(wǎng)之間的市場競爭。,,電氣工程概論,25,電力市場下的電力系統(tǒng),電力市場給電力系統(tǒng)的科學(xué)研究、發(fā)展建設(shè)和運營管理等方方面面帶來機遇和挑戰(zhàn)。主要技術(shù)問題：如何靈活控制潮流？最優(yōu)輸送？電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行？如何實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度？,,電氣工程概論,26,3.7 電力新技術(shù)和發(fā)展趨勢,我國發(fā)展能源的指導(dǎo)方針是：大力（優(yōu)先）發(fā)展水電，繼續(xù)發(fā)展火電，適當(dāng)發(fā)展核電，積極發(fā)展新能源發(fā)電，同步發(fā)展電網(wǎng)，促進全國聯(lián)網(wǎng)。電力技術(shù)屬于傳統(tǒng)技

17、術(shù)的范疇，技術(shù)創(chuàng)新和出現(xiàn)重大突破的機會要比信息科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等新興學(xué)科少得多。但是，應(yīng)該看到，電力技術(shù)與其他學(xué)科的相互交叉和滲透的趨勢越來越明顯。電力研究的一些前沿課題反映了這種趨勢。,,電氣工程概論,27,,1 高壓交流輸電技術(shù)三相高壓交流輸電技術(shù) 常規(guī)的三相交流輸電在遠距離輸電工程中占主導(dǎo)地位，在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)仍然是輸電和聯(lián)網(wǎng)的主要方式； 前蘇聯(lián)建成了900km的1150kV特高壓輸電線路并經(jīng)過了試運行，后因

18、無電可送等原因而降壓為500kV運行； 未來交流輸電發(fā)展的重點將是采用新技術(shù)充分利用線路走廊輸送更多的電力。,電氣工程概論,28,,多相交流輸電 多相交流輸電以多相（相數(shù)大于3）交流電形式實現(xiàn)電能輸送； 特點：相同的線路走廊和占地面積，多相輸電可提高由線路發(fā)熱條件決定的負荷容量，可設(shè)計得更“緊湊”適合線路路徑受限制的地區(qū)，可以接入三相交流輸電系統(tǒng)，不需經(jīng)過多相交流變電所； 多相交流輸電已經(jīng)入工業(yè)性試驗和試運行階段。,電氣

19、工程概論,29,,靈活交流輸電靈活交流輸電（FACTS）是基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)對交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓、相位實施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)； 出現(xiàn)背景：發(fā)展互聯(lián)電網(wǎng)的需要；發(fā)展電力市場的需要；電力電子器件的快速發(fā)展使靈活交流輸電的設(shè)想成為現(xiàn)實。靈活交流輸電技術(shù)的核心就是利用電力電子器件可以按照控制系統(tǒng)的要求，應(yīng)用現(xiàn)代換流技術(shù)和控制技術(shù)，實現(xiàn)電壓、阻抗或相位大幅度靈活控制。,電氣工程概論,30,,2 高壓直流輸電技術(shù)

20、端對端直流輸電該技術(shù)是一項成熟的遠距離輸電技術(shù)，預(yù)計端對端直流輸電在未來仍是遠距離輸電和聯(lián)網(wǎng)的重要方式。,多端直流輸電技術(shù) 為了解決直流輸電多電源供電、多落點受電問題，研究出多端直流輸電技術(shù)。,電氣工程概論,31,,新一代直流輸電技術(shù)未來直流輸電技術(shù)的發(fā)展趨勢是在應(yīng)用可關(guān)斷器件組成的換流器進一步改善輸電性能的同時，大幅度簡化設(shè)備，減少換流站的占地，降低造價，以便在技術(shù)經(jīng)濟上比其它輸電方式更具競爭力；典型例子是：所謂輕型直流輸

21、電（HVDC Light），它采用IGBT等可關(guān)斷的器件組成換流器；使用戶外換流閥以節(jié)省閥廳的建設(shè)費用；應(yīng)用連續(xù)調(diào)節(jié)交流濾波器、有源濾波器等技術(shù)大幅度減少戶外場的占地。,電氣工程概論,32,,3 新型輸電線路 緊湊型線路緊湊型線路是指增加分裂導(dǎo)線數(shù)、縮短相間距離、合理排列相導(dǎo)線等措施以降低線路波阻抗，從而提高線路輸送能力的輸電線路。研究的主要目的是提高線路的輸送能力，節(jié)省線路走廊；從20世紀(jì)60年代起，美國、前蘇聯(lián)、法國、巴

22、西等國建成了各種電壓等級的緊湊型線路，我國也建成了一條500kV的緊湊型線路，正在試運行中。,電氣工程概論,33,,氣體絕緣線路氣體絕緣輸電線路（GIL）是以六氟化硫氣體絕緣的、帶有與導(dǎo)體同軸的接地金屬外殼的輸電線路，與電纜相比，其優(yōu)點是絕緣擊穿后可恢復(fù)、承載電流大；氣體絕緣輸電線路已在美國、德國的水力發(fā)電廠的出線等場合得到了應(yīng)用。未來由于輸電線路走廊的獲得越來越困難，氣體絕緣輸電線路的研究和開發(fā)受到重視。,電氣工程概論,34,,

23、超導(dǎo)輸電線路超導(dǎo)輸電線路是一種低損耗的輸電方式；日本正在開發(fā)6kV、1000MVA的超導(dǎo)電纜；美國也制造出12.4kV、1250A的三相超導(dǎo)電纜系統(tǒng)；我國也有超導(dǎo)輸電線路在南方電網(wǎng)試運行；超導(dǎo)電纜的價格很高，冷凍系統(tǒng)的可靠性有待檢驗，用于長距離輸電工程的前景還不明朗。,電氣工程概論,35,,4 潔凈煤發(fā)電技術(shù) 當(dāng)今我國的火力發(fā)電機組效率低，污染物排放量大，與先進國家相比有較大差距，所以要大力推廣潔凈煤發(fā)電技術(shù)，建設(shè)大型循

24、環(huán)流化床鍋爐，增壓硫化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)和整體煤氣化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)示范工程，采用高效脫硫脫硝裝置，以使之達到世界先進水平?；痣姀S生產(chǎn)流程主要包括四大系統(tǒng)：燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。后面的兩個系統(tǒng)和本專業(yè)關(guān)系密切。 ,電氣工程概論,36,,5 分布式發(fā)電技術(shù)當(dāng)今的分布式電源主要是指用液體或氣體燃料的內(nèi)燃機(IC-internal-combustion engine)、微型燃氣輪機（Micro-turbines）和

25、各種工程用的燃料電池（Fuel Cell）。因其具有良好的環(huán)保性能，分布式電源與“小機組”已不是同一概念。 ,電氣工程概論,37,,應(yīng)用背景 輸電線路建設(shè)費用增加。由于公眾對輸電線路可能產(chǎn)生的電磁影響的憂慮，開辟新的線路走廊越來越困難。例如，北美和西歐許多國家已決定一般不再興建新的輸電線路。于是，直接安置在用戶近旁的分布式發(fā)電裝置便成為一種替代方案。與大電網(wǎng)配合提高供電可靠性。分布式電源可大大地提高供電可靠性，可在電

26、網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害（例如地震、暴風(fēng)雪、人為破壞、戰(zhàn)爭）情況下，維持重要用戶的供電。加拿大魁北克省1997年冰雪災(zāi)造成輸配電線路災(zāi)難性破壞，引起大面積停電，許多重要用戶長期不能恢復(fù)供電。,電氣工程概論,38,,微型燃氣輪機 微型燃氣輪機（Micro Turbine）,是功率為幾千瓦至幾十千瓦，轉(zhuǎn)速為96 000 r/min，以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型燃氣輪機，工作溫度500 

27、℃，其發(fā)電效率可達30%。目前國外已進入示范階段。其技術(shù)關(guān)鍵是高速軸承、高溫材料、部件加工等?？梢?，電工技術(shù)的突破常常取決于材料科學(xué)的進步。,電氣工程概論,39,,燃料電池燃料電池是直接把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。它是一種很有發(fā)展前途的潔凈和高效的發(fā)電方式，被稱為21世紀(jì)的分布式電源。 燃料電池的工作原理頗似電解水的逆過程。氫基燃料送入燃料電池的陽極(電源的負極)轉(zhuǎn)變?yōu)闅潆x子，空氣中的氧氣送入燃料電池的陰極(電源的正極)，負

28、氧離子通過2極間離子導(dǎo)電的電解質(zhì)到達陽極與氫離子結(jié)合成水，外電路則形成電流。,電氣工程概論,40,,分散的電能儲存技術(shù)由于分布式的電源的應(yīng)用及提高電網(wǎng)可靠性和調(diào)峰的需要，分散的儲能系統(tǒng)的重要性日益增加。如：電池儲能系統(tǒng)、超導(dǎo)儲能系統(tǒng)、飛輪儲能系統(tǒng)、燃料電池儲能系統(tǒng)等。,電氣工程概論,41,,6 定質(zhì)電力技術(shù)定質(zhì)電力（Custom Power）技術(shù)是應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和控制技術(shù)為實現(xiàn)電能質(zhì)量控制，為用戶提供用戶特定要求的

29、電力供應(yīng)的技術(shù)。在現(xiàn)代企業(yè)中，由于變頻調(diào)速驅(qū)動器、機器人、自動生產(chǎn)線、精密的加工工具、可編程控制器、計算機信息系統(tǒng)的日益廣泛使用，對電能質(zhì)量的控制提出了日益嚴格的要求。這些設(shè)備對電源的波動和各種干擾十分敏感，任何供電質(zhì)量的惡化可能會造成產(chǎn)品質(zhì)量的下降，產(chǎn)生重大損失。重要用戶為保證優(yōu)質(zhì)的不間斷供電，往往自己采取措施，如安裝不間斷電源(UPS)，但是這并不是經(jīng)濟合理的解決辦法。根本的出路在于供電部門能根據(jù)用戶的需要，提供可靠和優(yōu)質(zhì)的電能

30、供應(yīng)。,電氣工程概論,42,,為提高配電網(wǎng)無功調(diào)節(jié)的質(zhì)量，已開發(fā)出用于配電網(wǎng)的靜止無功發(fā)生器。它由儲能電路、GTO或IGBT變換電路和變壓器組成。它的功能是快速調(diào)節(jié)電壓，發(fā)生和吸收電網(wǎng)的無功功率，同時可以抑制電壓閃變。這是“定質(zhì)電力”的關(guān)鍵設(shè)備之一。此外，靜止無功發(fā)生器和固態(tài)開關(guān)配合，可在電網(wǎng)發(fā)生故障的暫態(tài)過程中保持電壓恒定。另一關(guān)鍵設(shè)備是動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR），它由直流儲能電路、變換器和級次串聯(lián)在供電線路中的變壓器構(gòu)成。變換器