電氣工程概論

1、電氣工程概論,1,3.4 電力網,電網的構成和功能,電力網絡由不同電壓等級的電力線路、變壓器和相應的配電裝置構成。電力網絡的功能是輸送和分配電能并進行電壓變換。電力網可分為輸電網和配電網，大型電力網的結構通常以電壓等級進行分層；輸電網將發(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；,電氣工程概論,2,配電網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；高壓

2、配電網的電壓一般為35～110kV或更高；中壓配電網的電壓一般為1～35kV；低壓配電網的電壓一般為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。導線用來傳導電流，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。桿塔用來支撐導線和避雷線。絕緣子用來使導線與導線、導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,電纜是將導電芯線用絕緣層及防護層包裹，敷設于地下、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整電壓的電力設施，它通過變壓器將各級電壓的電網聯(lián)系起來。主要設備：

4、 變換電壓的變壓器；開閉電路的開關設備；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及以下的線路和設備構成，電力系統(tǒng)通過配電網絡直接向用戶供電，主要由配電變電站、配電線路等

5、構成。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,電網調度和運行,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，給國民經濟造成重大損失；電能質量要求十分嚴格。電力系統(tǒng)調度管理是指對電力系統(tǒng)全局安全經濟運行和事故處理的問題進行計劃、指揮、控制、協(xié)調等工作的總稱。調度管理的任務保證電網經濟、安全可靠運行，提供合格的電

6、能質量。調度管理的內容電力系統(tǒng)分層調度管理：國調、網調、省調、地調、縣調。,電氣工程概論,13,某電力系統(tǒng)地區(qū)調度室,電氣工程概論,14,電網的安全穩(wěn)定控制,電力系統(tǒng)安全控制的主要內容包括對電力系統(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：在安全分析的基礎上，對預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節(jié)、校正和控制。包括：預防性安全控制、緊急狀態(tài)下的安全控制和事故后的恢復控制。,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，可能損毀設備；部分區(qū)域電能質量下降；短路電流的熱效應和電動力效應會損壞設備或縮短設備壽命；電力系統(tǒng)穩(wěn)定性遭到破壞，產生振蕩，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、少送電或電能質量下降，甚至造成人身傷亡、設備損壞等。繼電保護裝置就是能迅速反應電力系統(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備。,電氣工程概論,17,3.5 電力應用,照明,照明大致分為兩種：一是由電能轉化成熱能，然后再轉化成光能的光源，如白熾燈等。另一種是利用放電而轉化成光能的光源，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、電熱器具上轉變成熱能后加熱物料，如電爐、電弧爐、感應爐、微波爐、光波爐等。另一種是利用電能驅動熱泵，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。應用:工業(yè)領域：冶煉、熱處理、焊接等農業(yè)領域：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,控制器件,電源,傳遞機構,工作機械,,,,,,,,機械連接,電連接,電力拖動的應用領域極其寬廣，從一般的家用電器到工業(yè)機床設備、電動交通工具等，在國防、國民經濟和人民生活的方方面面都有應用，是電能最主要的應用方式之一。,,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用領域。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容。轉運業(yè)務是電力市場重要的貿易形式。,,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90年代初期，解決缺電問題。第二階段：20世紀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、廠網分開、輸供分離、實施公司化改組；統(tǒng)一開放、競價上網、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“廠網分開、競價上網”試點。,,電氣工程概

14、論,23,電力市場的基本原則,基本目標是：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，構建政府監(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；擴大自由選擇權力，保證電網的開放；必須建立有關法律法規(guī)、標準、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，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)一在網級電力市場中競爭，為了適應現(xiàn)狀，各省設結算中心和調度中心；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、調度中心、報價系統(tǒng)），省級電力市場的交易仍然由省網交易中心控制；網級電力市場進行網控發(fā)電公司/發(fā)電廠、網控

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

17、術的范疇，技術創(chuàng)新和出現(xiàn)重大突破的機會要比信息科學、生命科學、材料科學等新興學科少得多。但是，應該看到，電力技術與其他學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 高壓交流輸電技術三相高壓交流輸電技術 常規(guī)的三相交流輸電在遠距離輸電工程中占主導地位，在未來相當長的時間內仍然是輸電和聯(lián)網的主要方式； 前蘇聯(lián)建成了900km的1150kV特高壓輸電線路并經過了試運行，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)，不需經過多相交流變電所； 多相交流輸電已經入工業(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與現(xiàn)代控制技術對交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓、相位實施靈活快速調節(jié)的輸電技術； 出現(xiàn)背景：發(fā)展互聯(lián)電網的需要；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想成為現(xiàn)實。靈活交流輸電技術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，應用現(xiàn)代換流技術和控制技術，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

20、端對端直流輸電該技術是一項成熟的遠距離輸電技術，預計端對端直流輸電在未來仍是遠距離輸電和聯(lián)網的重要方式。,多端直流輸電技術 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。,電氣工程概論,31,,新一代直流輸電技術未來直流輸電技術的發(fā)展趨勢是在應用可關斷器件組成的換流器進一步改善輸電性能的同時，大幅度簡化設備，減少換流站的占地，降低造價，以便在技術經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)省閥廳的建設費用；應用連續(xù)調節(jié)交流濾波器、有源濾波器等技術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線數(shù)、縮短相間距離、合理排列相導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、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、超導輸電線路超導輸電線路是一種低損耗的輸電方式；日本正在開發(fā)6kV、1000MVA的超導電纜；美國也制造出12.4kV、1250A的三相超導電纜系統(tǒng)；我國也有超導輸電線路在南方電網試運行；超導電纜的價格很高，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 當今我國的火力發(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，建設大型循

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)關系密切。 ,電氣工程概論,36,,5 分布式發(fā)電技術當今的分布式電源主要是指用液體或氣體燃料的內燃機(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,,應用背景 輸電線路建設費用增加。由于公眾對輸電線路可能產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、網崩潰和意外災害（例如地震、暴風雪、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年冰雪災造成輸配電線路災難性破壞，引起大面積停電，許多重要用戶長期不能恢復供電。,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。其技術關鍵是高速軸承、高溫材料、部件加工等。可見，電工技術的突破常常取決于材料科學的進步。,電氣工程概論,39,,燃料電池燃料電池是直接把燃料的化學能轉換為電能的裝置。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極間離子導電的電解質到達陽極與氫離子結合成水，外電路則形成電流。,電氣工程概論,40,,分散的電能儲存技術由于分布式的電源的應用及提高電網可靠性和調峰的需要，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 定質電力技術定質電力（Custom Power）技術是應用現(xiàn)代電力電子技術和控制技術為實現(xiàn)電能質量控制，為用戶提供用戶特定要求的

29、電力供應的技術。在現(xiàn)代企業(yè)中，由于變頻調速驅動器、機器人、自動生產線、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，對電能質量的控制提出了日益嚴格的要求。這些設備對電源的波動和各種干擾十分敏感，任何供電質量的惡化可能會造成產品質量的下降，產生重大損失。重要用戶為保證優(yōu)質的不間斷供電，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)質的電能

30、供應。,電氣工程概論,42,,為提高配電網無功調節(jié)的質量，已開發(fā)出用于配電網的靜止無功發(fā)生器。它由儲能電路、GTO或IGBT變換電路和變壓器組成。它的功能是快速調節(jié)電壓，發(fā)生和吸收電網的無功功率，同時可以抑制電壓閃變。這是“定質電力”的關鍵設備之一。此外，靜止無功發(fā)生器和固態(tài)開關配合，可在電網發(fā)生故障的暫態(tài)過程中保持電壓恒定。另一關鍵設備是動態(tài)電壓恢復器（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成。變換器