电气工程基础汇总

电气工程基础汇总1.1.1电力系统的定义•一次能源(primaryenergy)：自然界提供的动力资源，包括煤炭、石油、天然气(统称为化石燃料fossilfuel)，水能，风能，太阳能，地热能，潮汐能等。•二次能源：由一次能源转换得到易于传输和使用的能源，最典型的就是电能。•发电厂(powerplants/powerstations)：将不同种类的一次能源转换为电能的工厂。•电力网(electricalpowernetwork/electricalpowersystem)：将电能从发电厂输送到用电侧的网络，包括变压器和输电线路。由变电站和不同电压等级输电线路组成的网络称为电力网。•电力系统(electricalpowersystem/powersystem)：由发电厂内的发电机、电力网和用电设备按照一定的规律连接组成的统一整体称为电力系统。•动力系统：电力系统加上发电厂内的动力部分统称为动力系统。1.1.1电力系统的定义电力网G~M~M~原动机发电机发电厂变电站升压变压器输电线路变电站降压变压器用电设备工业用电照明用电电力系统动力系统1.1.2电力系统的组成•电力系统就是由各种电压等级的输电线路将发电机，变电站和用户连接成为一体的系统，完成发、输、变、配、用的完整过程–发电powergeneration–输电powertransmission–变电powertransformation–配电powerdistribution–用电powerutility1.1.2电力系统的组成•电力网根据电压等级可以分为：–输电网(powergrid/transmissionnetwork)：整个电力网中输电电压等级最高的部分，在我国是330kV~500kV，输电距离超过300km。这部分电网将位于偏远能源产地的发电厂产生的电能输送到用电负荷中心，并作为不同的大区电网和省网之间的联络线。输电网加上发电机称为bulkpowersystem(发输电系统)。–地区电网(subtransmissionnetwork)：输电电压等级在我国是110kV~220kV，输电线路距离在50km以上，连接发电厂并向用户负荷中心供电。–配电网(distributionnetwork)：在我国电压等级在10kV~35kV，输电距离50km以内，用于从终端变电站向工业用户、商业、民用和农村用电负荷直接供电的部分。1.1.2电力系统的组成•变电站根据电压等级和作用可分为：–枢纽变电站：一般高压500kV/330kV，中压220kV，低压110kV。处于联系电力系统各部分的中枢位置，地位重要，容量大，一旦出现故障，会产生很严重的影响。–中间变电站：一般高压220kV，中压110kV，低压35kV。将发电厂，枢纽变电站和负荷中心联系起来，处于电源和负荷的中心位置，一般110kV或35kV侧可以直接向较大的工业用户供电。–终端变电站(localsubstation)：一般高压110kV，中压35kV，低压10kV。通常是降压变电站，将110kV进线功率降压到35kV供工业用户，降压到10kV供商业/民用用户。1.1.3电力系统的特点4个•电能不能大量存储，生产和消费过程同时完成–供需不平衡就会产生系统稳定的破坏–有功需求不平衡导致频率波动——频率、有功全网统一调整–无功需求不平衡导致电压波动——电压、无功就地平衡•过渡过程十分短暂–机电暂态过程不超过秒级，必须依靠高度自动化的监测、控制、保护与自动装置保证电力系统的安全稳定运行1.1.3电力系统的特点•电力系统有较强的地区性特点–能源集中分布在偏远地区；负荷中心集中在城市–西电东送，北煤南送–水火协调•与国民经济关系密切–经济发展，电力先行–电力发展滞后造成大面积停电，工厂不得不停工或错峰运行1.1.5联合电力系统的优势•合理利用资源，协调不同一次能源的发电容量–水电跨流域调度–水火协调•可以采用大容量发电机组，提高机组运行效益•系统故障或供需不平衡条件下，区域间可以相互提供支援–减少总备用容量–提高整个电网的供电可靠性和安全稳定性•是不是越大越好？–复杂的机电磁耦合，过大的电力系统会产生无法控制的振荡–电网越大，发生联锁停电事故波及范围越广，事故影响越严重–多大合适？热力网水库23kV锅炉10kV35kV工业用户220/380V居民用户反应堆23kV220kV110kV500kV枢纽变电站地区电网中间变电站配电网终端变电站输电网10kV杆上变压器1.2.1火力发电厂•火力发电厂的分类–朗肯(Rankine)循环——做功流体依次汽化、液化–布雷顿(Brayton)循环——做功流体始终保持气态1.2.1火力发电厂•特点–一次性投资比较少，建设周期短，见效快。–可以靠近负荷中心，减少电能的大容量、远距离传输，增强电网的稳定性。–运行费用高：耗煤量大，设备繁多，控制操作复杂，厂用电和运行人员都比较多。–最优单机容量600MW左右，小型火电机组很不经济。–由于锅炉本身的物理限制，火电机组爬坡速率有限，从停机到开机到带满负荷要8个小时以上，开停机成本高，适宜带基本负荷。–做调峰、调频电厂会增加损耗，降低效率，而且增加设备故障率。–对环境还是有一定影响1.2.2水力发电厂•特点–生产过程简单，设备少，可以实现高度自动化。–启停迅速，发电出力调节快速，开机到带满负荷不超过1分钟，极其适合提供调峰、调频。–运行费用低。–抽水蓄能电厂是目前唯一的可以大规模存储电能的实用方法。–大型水电工程通常远离负荷中心，需要高电压、大容量、远距离送电，会带来电网稳定运行方面的问题。–土建规模大，建设费用高昂，建设周期长。–发电量受水流条件影响很大。丰水期为避免弃水，一般宜带基荷，不宜做调峰调频使用；枯水期发电量不到丰水期的30%。–环境问题•未来水电如何发展？•我国的水电厂多了吗？1.2.6储能技术•常见储能技术–抽水蓄能–压缩空气储能–飞轮储能–化学储能——蓄电池•铅酸电池、镍氢电池、锂电池–氢气储能–超导磁体储能–超级电容器可再生能源基本上都是间断性能源，功率输出不稳定，必须和储能技术配合，因此可再生能源发电的发展大大促进了储能技术的发展。1.2.6储能技术•常见储能技术的比较–不同的应用场景适合不同的储能方案•长时间，大容量：抽水蓄能、压缩空气——适合于大电网•长时间，中等容量：氢气储能，铅酸电池——适合于分布式发电、中低压电网•短时间，大容量：飞轮，超导磁体，超级电容器——适合于分布式发电、中低压电网•短时间，小容量：镍氢电池、锂电池——适合于便携、小功率应用，也许会被超级电容取代•放开思路，还有其它储能方法：–储热：家庭中可以通过热水器，热泵等设备储热；前面讲过太阳能热电厂中通过熔融硝酸盐作为介质储热–相变储能1.3.2负荷曲线日负荷曲线1.3.2负荷曲线•年负荷曲线–年持续负荷曲线•横坐标范围是8760小时。将1年内系统负荷的数值大小从大到小按照其持续小时数依次排列•安排发电生产计划的重要依据•确定发电报价策略的重要依据1.4.3波形质量指标•谐波–正弦的电流流经非线性电路时会产生非正弦的电压–电力电子设备会产生谐波电流，成为电网中的谐波电流注入源–电流和电压的谐波畸变会产生无功功率，降低功率因数，增大系统损耗并影响电气设备的正常运行•什么是谐波？–谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍1.3.1负荷的分类•按供电可靠性分类–一类用户•绝不允许出现供电中断•2路以上独立电源，自身备用电源–二类用户•尽量保证供电连续性•2路以上电源–三类用户•允许短时停电•单路电源1.5.2电力系统电压等级•高压电压等级–6、10、35、（60）、110、（154）、220、330和500KV•制定电压等级的基本假设–用电设备的容许电压偏移一般为±5%–沿线路的电压降落一般为10%–在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为5%1.5.2电力系统电压等级•根据以上假设规定电压等级–线路额定电压就是电压等级规定的额定电压UN–用电设备额定电压为线路额定电压UN–发电机额定电压为线路额定电压的105%UN–变压器额定电压•一次侧(算用电设备)–额定电压等于用电设备额定电压UN–直连发电机的升压变等于发电机的额定电压1.05UN•二次侧(算电源1.05UN，加变压器内耗5%)–额定电压等于用电设备额定电压的110%UN1.5.2电力系统电压等级示例：GT110KVT4T2T3D1220KV110KV6KV35KV3KV10.5KV10.5KV/242KV10.5KV/3.15KV220KV/121KV/38.5KV35KV/6.6KV1.6.1接地的概念•如何实现工作接地？–电气设备（电力变压器、电压互感器或发电机）的中性点接地——又称为电力系统中性点接地。–电力系统的中性点：星形连接的变压器或发电机的中性点。•中性点接地方式的分类非直接接地系统直接接地系统大电流接地系统小电流接地系统中性点直接接地经小阻抗接地中性点不接地经消弧线圈接地1.6.2小电流接地系统•中性点经消弧线圈接地——补偿方式–全补偿•IL=IC，电容电流全部被补偿，接地点电流为零•电网将产生串联谐振，中性点电压可能会达到很高的数值，不能采用–欠补偿•ILIC，电感电流不能完全补偿接地电容电流，接地点仍有残余的电容电流存在•当系统运行方式改变切除部分线路时，整个电网对地容抗减小，有可能接近全补偿的方式，也不采用–过补偿•ILIC，补偿后的残余电流呈电感性1.4.2频率质量指标•我国规定的电网标准频率为50Hz•频率的波动对电动机等设备会造成严重影响，频率过低会导致频率崩溃，引起电网瓦解•规定限值–大容量系统允许频率偏差±0.2Hz–中小容量系统允许频率偏差±0.5Hz1.5.1电力系统接线方式•输电网接线方式变电站1变电站2双端电源输电线路变电站1变电站2并架双回线1.5.1电力系统接线方式•输电网接线方式环网结构本章小结•电力系统的组成–电力系统：发、输、变、配、用(牢记)–电网：输电网、地区电网、配电网(牢记)–变电站：枢纽、中间、终端•发电生产过程–3种电厂的发电生产过程和各自的优缺点(熟悉，尤其是水电、火电)•负荷–3类负荷–日负荷曲线、年负荷曲线的作用•电能质量指标–电压、频率允许的波动范围(牢记)电压等级的规定(牢记)1.6.4中性点接地方式的确定大部分110kV和220kV及以上电网中性点直接接地10~66kV电网中性点不接地经消弧线圈接地10kV电缆线路经小电阻接地发电机中性点不接地经消弧线圈接地2.1.2架空线路•架空线路的换位ABCAAABBBCCC目的在于减少三相参数不平衡整换位循环：指一定长度内有两次换位而三相导线都分别处于三个不同位置，完成一次完整的循环。滚式换位换位方式换位杆塔换位2.2.1架空线路的等值参数•有哪些参数？–电阻：反映线路通过电流产生的有功功率损失效应–电抗：反映载流导线周围产生的磁场效应–电导：反映线路带电时绝缘介质中产生泄漏电流以及导线附近空气游离产生的有功功率损失–电纳：反映带电导线周围的电场效应假定每单位长度的电阻为r1(Ω/km)，电抗为x1(Ω/km)，电导为g1(S/km)，电纳为b1(S/km)，则长度为l的架空线路参数为：lrR1lxX1lgG1lbB1(Ω)(Ω)(S)(S)2.1.2架空线路•架空线路–导线：主要由铝、钢、铜等材料制成–避雷线：一般用钢线××××××/—J表示加强型，Q表示轻型，没有表示普通型J表示多股线表示材料，其中：L表示铝、G表示钢、T表示铜、HL表示铝合金钢线部分额定截面积，单位mm2主要载流部分额定截面积，单位mm2例如：LGJ—400/50表示载流额定截面积为400mm2、钢线额定截面积为50mm2的普通钢芯铝线。架空线路的标号：电气工程基础课件page*2.1.2架空线路导线为增加架空线路的性能而采取的措施目的：减少电晕损耗或线路电抗多股线其安排的规律为：中心一股芯线，由内到外，第一层为6股，第二层为12股，第三层为18股，以此类推扩径导线人为扩大导线直径，但不增