3电气工程概论_第三章_电力系统及其自动化技术

电气工程概论1第3章电力系统及其自动化技术电气工程概论23.1电力系统发展简史一次能源：植物能源（柴草等）、矿物能源（煤、油、天然气等）、可再生能源（水、风、潮汐、地热、太阳能等）及核能（核裂变、核聚变）。二次能源：由一种或多种一次能源经过转换或加工得到的能源产品，二次能源更具优越性,其利用效率高、清洁、方便。电能是一种被极其广泛地应用的二次能源。电能可以方便地转换成机械能、光能等其它形式的能量供人们使用。电能已成为工业、农业、交通运输、国防科技及人民生活等各方面不可缺少的能源。电气工程概论33．1．1电力工业简介电力工业主要生产环节变电电压等级的变换电力工业还包括以下环节：规划、勘测设计、施工建设、运行调度、维护改造、安全监察、科研开发、设备制造、教育培训、法规标准、电力营销（电力市场）等等。电气工程概论41800年伏打发明第一个化学电池，人们开始获得连续的电流1831年法拉第制造了最早的发电机——法拉第盘1866年西门子制成第一台使用电磁铁的自激式发电机1870年格拉姆制成了环形电枢自激发电机供工厂电弧灯用电1875年巴黎北火车站建成世界上第一个火电厂，用直流发电供附近照明1879年旧金山建成世界上第一座商业发电厂，两台发电机共22盏电弧灯。同年先后在法国和美国装设了试验性电弧路灯1879年爱迪生发明白炽灯1881年英国建成了世界上第一座小型水电站1882年爱迪生在纽约建成世界上第一座正规发电厂欧美电力发展史电气工程概论51882年法国人德普勒在慕尼黑博览会上表演了电压为1500～2000V的直流发电机组经57km线路驱动电动泵1884年英国人制造了第一台汽轮机1885年制成交流发电机和变压器，1886年3月在马萨诸塞州的大巴林顿建立了第一个交流送电系统，电源侧升压至3000V，经1.2km到受端降压至500V，显示了交流输电的优越性1891年德国在劳芬电厂安装了第一台三相100kW交流发电机，通过第一条三相输电线路送电至法兰克福1894年建成利亚加拉大瀑布水电站。1896年采用三相交流输电送至35km外的布法罗。结束了1880年来交、直流电优越性的争论。1903年威斯汀豪斯电气公司装设了第一台5000kW汽轮发电机组，标志着通用汽轮机组的开始。欧美电力发展史（续）电气工程概论61916年美国建成第一条90km的132kV线路1922年美国在加州建成第一条220kV线路二战后美国于1955、1960、1963、1970和1973等年份分别制成并投运30、50、100、115和130万千瓦汽轮发电机组1954年瑞典首先建成了380kV线路，采用2分裂导线，距离960km，将北极圈内的Harspranget水电站电力送至瑞典南部。1954年前苏联建成第一座核电站，1973年法国制成120万kW核反应堆1964年美国建成第一条500kV交流输电线路1965年加拿大建成第一条765kV交流输电线路欧美电力发展史（续）电气工程概论71965年苏联建成第一条±400kV的470km直流输电线路，送电75万千瓦1970年美国建成±400kV的1330km直流输电线路，送电144万千瓦1989年苏联建成第一条最高电压1150kV的1900km交流输电线路减小损耗的最合理的途径就是提高电压。输电技术全部发展史的特征便是不断提高线路电压。欧美电力发展史（续）电气工程概论81.新中国成立前的我国电力工业中国的电力工业始于1882年，至今年已有124年的历史；新中国成立前，全国发电装机容量仅为184.86万千瓦，年发电量只有43.1亿kWh，分别居当时世界第21位和第25位；输电电压很低，输电电压等级繁多，全国没有形成统一的电压级标准。中国电力工业发展史电气工程概论91882年英籍商人R.W.Little等创办上海电气公司，安装1台16马力蒸汽发电机组，装设了15盏弧光灯。1882年7月26日下午7时，电厂开始发电。1912年中国第一座水电站在云南昆明石龙坝水电站建成，装机容量为2×240kW。同年建成电压为23kV从石龙坝水电站到昆明的输电线路。1917年建成中国第一台变压器、8kW直流发电机、60A电镀用直流发电机，1926年制成中国第一台150kW交流同步三相发电机。1949年前平津唐地区发电装机共14.66万kW，77kV输电线路共350km，其余为33kV及以下电压输电和配电。工业最集中的华东地区三省一市、华中地区四省全部为孤立电网。电气工程概论101.新中国成立后的我国电力工业1949年新中国成立，我国电力工业迅速发展。到1978年，全国电力装机容量已达5712千瓦，比1949年增长近30倍；年发电量2566亿千瓦时，增长近59倍。1987年，装机容量达１亿千瓦；1995年，装机容量达2亿千瓦；2000年，装机容量达3亿千瓦；2004年，装机容量达4亿千瓦。电气工程概论11目前基本上进入大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制的新时代。全国总装机4亿kW（2004年4月)，发电量为18000亿kWh（2003年底）均居世界第二位；2007年，全国总装机达7.13亿kW，发电量达到32559亿kWh。电气工程概论123.2电力系统简介1、电力系统的功能与作用电力系统是由发电、变电、输电、配电、用电等设备和相应的辅助系统，按规定的技术和经济要求组成的一个同一系统。发电、变电、输电、配电、用电等设备称为电力主设备，也称为一次设备，由主设备构成的系统称为主系统，也称为一次系统；测量、监视、控制、继电保护、安全自动装置、通信，以及各种自动化系统等用于保证主系统安全、稳定、正常运行的设备称为二次设备，二次设备构成的系统称为辅助系统，也称为二次系统。电气工程概论13电力系统的基本任务是安全、可靠、优质、经济地生产、输送与分配电能，满足国民经济和人民生活需要。为了发挥电力系统的功能和作用，应满足以下基本要求：①满足用户需求；②安全可靠性要求；③经济性要求；④环保和生态要求。电气工程概论142、现代电力系统的特点电力系统技术上的发展是以“大机组、大电网、高电压、高度自动化”为特征来描述；数字化、网络化、信息化、智能化技术日益提高电力系统的自动化水平；洁净煤技术、水电开发、核电的发展越来越得到重视，新能源的开发利用，特别是可再生能源的开发利用也是现代电力技术的发展趋势；建立健全的电力市场机制是提高效率、降低成本，促进电力资产的合理利用与发展的有效保证。电气工程概论153、电力资源与负荷我国一次能源蕴藏量较为丰富，煤炭资源总蕴藏量为2.6亿万吨，列世界第2位；水力资源蕴藏量有6.76×108kW，其中可供开发的就有3.7×108kW，居世界首位；其他如石油、核料、风能、太阳能、地热等能源也较丰富。中国资源的分布（西部为主）、中国能源的结构（水、煤为主）、中国经济的发展格局（东部领先）决定了中国电网的发展格局：西电东送、南北互供、全国联网。电气工程概论16电力系统的负荷按供电可靠性分为三类：①一级负荷：对一级负荷中断供电，将可能造成生命危险、损坏设备、破坏生产过程，使大量产品报废，给国民经济造成重大损失，使市镇生活发生混乱。②二级负荷：对二级负荷停止供电，将造成大量减产，交通停顿，使城镇居民生活受到影响。③三级负荷：不属于一、二级负荷的其他负荷。电气工程概论174、电力系统构成电力系统是由发电厂、输配电系统及负荷组成的统一整体，通常覆盖广阔的地域。发电厂输电线路配电线路变压器变压器用户220kV10kV380V12kV电气工程概论18500kV小型燃气轮机水库核岛锅炉23kV500kV500kV500kV500kV500kV500kV500kV500kV220kV220kV220kV110kV10kV380V/220V10kV供配电系统区域电力系统电气工程概论19水电厂核电厂火电厂工厂电气铁路风电地区变电所配电变电所居民区输电线路居民配电线路110500变电站500kV10kV枢纽变电所110kV电气工程概论205、电力系统设备一次设备是指电力系统中发电、变电、输电、配电、用电等设备的总称；包括：发电设备、输电设备、变电设备、配电设备、用电设备等。二次设备是指电力系统中用来测量、监视、控制、继电保护、安全自动装置、通信，以及各种自动化系统等用于保证主系统安全、稳定、正常运行的设备。包括测量仪表、控制装置、继电保护及自动装置、直流电源设备等。电气工程概论216、交流系统与直流系统直流电是指电流的大小相对于时间是恒定的，方向也不改变。交流电是指电流的大小及方向随时间做周期性变化。通常交流电是指按正弦规律变化的。电压时间0-+a.直流电压时间0-+b.交流电气工程概论22三相降压变压器三相升压变压器三相发电机三相输电线路三相电动机简化电气工程概论23交流系统I直流输电线路交流系统II换流站I换流站IIId+-+-直流输电系统示意图电气工程概论247、电力系统的运行电力系统的基本参量：电压、电流、阻抗（电阻、电抗、容抗）、功率（有功功率、无功功率）、频率等。电流电压B相波形C相波形A相波形时间0电气工程概论25功率电压电流0时间瞬时功率平均功率有功功率无功功率视在功率UISiupcosUIPsinUIQTuidtP0交流电路的功率电气工程概论26发电厂类型3.3发电厂核电厂压水堆重水堆…电气工程概论27火力发电厂蒸汽管道汽轮机储煤场烟囱输煤皮带升压站锅炉江河或水库冷凝器发电机冷却水火力发电厂是利用煤、油、天然气、油页岩等为燃料的发电厂。按照发电方式可分为汽轮机发电、燃气轮机发电、内燃机发电、燃气－蒸汽联合循环发电、供电又供热的“热电联产”的热电厂。电气工程概论28火电机组现状大机组比重小2000年100MW及以下机组的容量占火电机组容量31.7%火电厂煤耗高2003年供电煤耗率平均为380g/kWh，约比世界先进水平差50g/kWh火电机组品种单一火电机组中95%是常规的燃煤火电机组电气工程概论29制约因素石油、天然气资源量不足一次能源消费以煤炭为主，约占75%，煤电占总发电量的80%以上环境问题•大气烟尘•温室效应•酸雨电气工程概论30水力发电厂发电站电力网水库河流大坝进水口发电机水轮机水力发电厂是利用河流、水库的水位能来发电的电厂。按照取水方式的不同，分为径流式、坝后式、河床式、抽水蓄能电厂。电气工程概论31三峡工程简介三峡工程位于长江西陵峡中段，湖北宜昌三斗坪，距宜昌约45km三峡坝顶高程185m，初期蓄水位139m，正常蓄水位175m，坝顶全长1983m；三峡左岸电站2003年首批6台机组发电，2004年又有4台机组发电，计划2012年全部建成投产；三峡工程是世界最大规模的水电枢纽工程，也是治理长江的关键工程，具有防洪、发电、航运、灌溉等综合效益；电气工程概论32三峡电站分为左岸电站，右岸电站及右岸地下电站等３个独立电站；左岸电站装机14台，右岸电站装机12台，计划地下电站装机6台（预留扩建）；单机容量700/756MW，总装机容量（只计地上电站）18.2/19.656GW；初期139m水位是单机发电功率500MW供电范围：华东、广东、华中（含重庆以及通过华中电网向华北电网送电）；三峡电站年发电量84.7/91.5TWh（只计地上电站）；电气工程概论33热交换器反应堆核心控制棒将热量带出反应堆的冷却剂汽轮发电机组冷凝器电能冷却塔排出的余热核电厂原子能发电厂是用核燃料在反应堆中受控核裂变转化为热能，将水变为蒸汽推动汽轮机带动发电机发电的电厂。电气工程概论34中国核电站1991年，中国自主设计建设的第一座核电站———秦山核电站建成投产；1994年建成大亚湾核电站；1996年开始，中国自主设计建设了秦山二期核电站；与国外合作建设了岭澳核电站、秦山三期核电站和田湾核电站。截至2004年7月，共有9台核电机组投入生产，总功率701万千瓦。电气工程概论35新能源发电新能源发电是利用太阳能、风能、地热、潮汐、海浪、海洋温差、沼气、