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1、,电力工程基础,主讲:翟子楠,第1章 概论,1.1 电力系统的基本概念 1.2 发电厂和变电所的类型 1.3 电力系统的电压与电能质量 1.4 电力系统中性点的运行方式,1.1 电力系统的基本概念,一、电力系统的形成,1. 电力系统:是指完成电能生产、输送、分配和消费的统一整体。,图1-1 从发电厂到用户的送电过程,图1-2 电力系统示意图,工业企业 供电系统,通常将220kV及以上的电力线路称为输电线路,110kV及以下的电力线路称为配电线路。配电线路又分为高压配电线路(110kV)、中压配电线路(635kV)和低压配电线路(380/220V)。,地方电力网:电压为110kV以下的电力网(如
2、35kV、10kV等) 区域电力网:电压为110kV以上的电力网(如220kV) 超高压远距离输电网:电压为330500kV及以上的电力网,发电厂:生产电能,将一次能源转换成二次能源(电能),分为火、水、核、风、太阳、地热等发电厂。 电力网:由不同电压等级的输电线路和变压器组成,可分为地方电力网、区域电力网及超高压远距离输电网三种类型。,110kV属于地方网还是区域网,要视其在电力系统中的作用而定,二、建立大型电力系统的优点,1可以减少系统的总装机容量。,2可以减少系统的备用容量。,3可以提高供电可靠性。,4可以安装大容量的机组。,5可以合理利用动力资源,提高系统运行的经济性。,目前,我国电力
3、系统已形成东北、华北、华东、华中、西北、南方共6个跨省电网,由两大集团分别管理。,2. 年发电量: 指系统中所有发电机组全年发出电能的总和,以兆瓦时(MW)h、吉瓦时(GW)h、太瓦时(TWh)计。 2013年52451亿千瓦时2013年底我国发电装机总容量约为12.4亿千瓦,3. 最大负荷:指规定时间内电力系统总有功功率负荷的最大值,以兆瓦(MW)、吉瓦(GW)计。,4. 额定频率:50Hz,5. 电压等级:指系统中电力线路的额定电压,以千伏(kV)计 。,1MWh =103kWh (千度), 1GWh =103MWh(100万度) 1TWh =103GWh(10亿度),1kWh=1度,三、
4、电力系统的基本参量,1. 总装机容量:指系统中所有机组额定有功功率的总和,以兆瓦(MW)、吉瓦(GW)计。,1GW=103MW(10万千瓦) 1MW=103kW (1000千瓦),四、电力系统的特点,1电能不能大量储存。,2电力系统的过渡过程十分短暂。,3与国民经济各部门的关系密切。,1保证供电的可靠性。,2保证良好的电能质量。,五、对电力系统的基本要求,3为用户提供充足的电能。,4提高电力系统运行的经济性。,1.2 发电厂和变电所的类型,一、发电厂的类型,(1)火电厂的燃料:煤炭、石油、天然气等。,(2)能量转换过程:燃料的化学能热能机械能电能。,(3)火电厂的组成:,燃烧系统(锅炉):燃料
5、灰渣,风(空气)烟气,电力系统:发电机、变压器、输电线路等。,(4)火电厂的生产过程(见图1-3),1火力发电厂,图1-3 凝气式火电厂生产过程示意图,(5)火电厂是我国目前最主要的电源,比例大于75%。,江苏谏壁发电厂,(6)火力发电存在的问题,(7)今后火电建设的重点,采用高参数、大容量、高效率的设备。 开发清洁煤燃烧发电、天然气蒸汽联合循环发电。 鼓励热电联产。 加强煤炭基地的矿口电厂建设。,安全问题:采矿和运输中的安全性灾难等 。 环境问题:酸雨、温室效应、可吸入颗粒物等。 效率问题:凝汽式火电厂效率为40%,热电厂为60%70%。,张家口发电总厂,浙江北仑发电厂,(1)水电厂的能量转
6、换过程:水的位能机械能电能。,(2)水电厂的总发电功率:,(3)水电厂的分类,堤坝式水电厂,引水式水电厂 抽水蓄能电站,坝后式:如三门峡、刘家峡、丹江口、三峡水电站 河床式:如葛洲坝水电站,2水力发电厂,图1-4 堤坝式水电厂生产过程示意图,(4)水电厂的组成:水库、水轮机、电力系统,(5)水电厂是我国目前最重要的电源之一,比例大于10%。,葛洲坝水电站,南美伊泰普水电站,长江三峡水电站,广州抽水蓄能电站,(6)水力发电的优点,是最干净的能源之一。 是最廉价的能源之一:无需燃料、无环境污染、生产效率高、发电成本低、运行维护简单。 综合水利工程:可同时解决发电、防洪、灌溉、航运、水产养殖等问题。
7、 特殊的水电厂:抽水蓄能电厂,起“削峰填谷”作用。,(7)水力发电存在的问题,建设问题:投资大、工期长,存在库区移民、淹没耕地、破坏人文景观、破坏自然生态平衡等问题。 运行问题:发电量受气象、水文、季节水量变化的影响较大,分丰水期和枯水期,出力不稳定,增加电力系统运行的复杂性。,3. 核电厂,(1)核电厂的能量转换过程:核燃料的裂变能热能机械能电能。,(2)核电厂的组成:核反应堆、汽水系统(汽轮机)、电力系统,(3)核反应堆的分类:轻水堆(包括沸水堆和压水堆)、重水堆和石墨冷气堆等。,轻水堆核电厂的生产过程示意图如图1-5所示。,图1-5 轻水碓核电厂生产过程示意图 a)沸水碓 b)压水碓,热
8、力系统由单回路构成,有可能使汽轮机等设备受放射性污染,由双回路系统构成,两个回路各自独立循环,不会造成设备的放射性污染,(4)核电厂是我国目前最重要的电源之一,比例大于10%。,秦山核电站,大亚湾核电站,(5)核电迅速发展的原因,核电是一种新型的巨大能源。 煤、石油等火电燃料储量有限,不可再生。 发达国家的水资源已基本殆尽。 一些资源贫乏国家“能源危机”,不得不发展核电。,(6) 核能发电的优缺点,节省大量煤炭、石油等燃料,避免燃料运输。 不需空气助燃,可建在地下、水下、山洞或空气稀薄地区。,比火电厂造价高,但发电成本低30%50%,且规模越大越合算。 存在问题:放射性污染。,4、其它新能源发
9、电,(1)太阳能发电:太阳光能或太阳热能电能,太阳能发电系统的组成:电池板、控制器和逆变器,太阳能发电的优点,是一种取之不尽、用之不竭的廉价能源。 不需要燃料、生产成本低、不产生污染 受季节、昼夜、地理和气象条件的影响较大 。,太阳能光伏电源在西部地区应用广泛。(青海、新疆) 我国的太阳能光伏发电产业于20世纪70年代起步,2007年底累计装机容量只有100MW 。,(2)风力发电:风力的动能 机械能电能,风力发电的优点,西部地区的风能资源占全国的50%以上 。(青海、甘肃、新疆、内蒙、云南、西藏等),新疆达坂城风电厂,是一种取之不尽、用之不竭的自然能源。 有一定的随机性和不稳定性,因此必须配
10、有蓄能装置。,(3)地热发电:地热能电能,电能生产过程:与火电厂相似,用地热井取代锅炉设备。 地热资源的开发利用在西部地区已取得了良好的效益。,西藏羊八井电厂,(4)潮汐发电:海水涨潮或落潮的动能或势能电能 。,潮汐发电示意图,江厦潮汐电站,法国郎斯潮汐电站,我国正在运行发电的潮汐电站共有8座(浙江4座,山东、江苏、广西、福建各1座),变电所:是变换电压和接受分配电能的场所。分为枢纽变电所、地区变电所和终端变电所等。,配电所:只接受和分配电能,不变换电压。,电力用户:消耗电能,将电能转换成其他形式能量。,2工业企业供电系统,总降压变电所:将35110kV的供电电压变换为610kV的高压配电电压
11、,给厂区各车间变电所或高压电动机供电。,枢纽变电所:是大供电区域的核心变电所,汇集多个大电源和大容量联络线,高压侧电压为330750kV,全所停电后,将引起整个系统解列甚至瓦解; 地区变电所:由发电厂或枢纽变电所供电,高压侧电压为110220kV,全所停电后,将使该地区中断供电; 终端变电所:是电网的末端变电所,主要由地区变电所供电,其高压侧为35110kV,全所停电后,将使用户中断供电。,二、变电所的类型,配电所:只接受和分配电能,不变换电压。 工厂供配电系统:由总降压变电所、高压配电线路、车间变电所、低压配电线路及用电设备组成。,车间变电所:将610kV的电压降为380/220V,再通过车
12、间低压配电线路,给车间用电设备供电。,配电线路:分为厂区高压配电线路和车间低压配电线路。,车间变电所可分为以下几种类型(图1-6):,附设式变电所(14) 车间内变电所(5) 独立变电所(7) 露天变电所(6) 地下变电所 杆上变电所,图1-6 车间变电所的类型,用电设备的额定电压:与同级电网的额定电压相同。,发电机的额定电压:比同级电网的额定电压高出5%,用于补偿线路上的电压损失。,1.3 电力系统的电压与电能质量,一、电力系统的额定电压,电力网的额定电压:我国高压电网的额定电压等级有3kV、6 kV、10 kV、35 kV、63 kV、110 kV、220 kV、330 kV、500 kV
13、等。,图17 供电线路上的电压变化示意图,图1-7为供电线路上的电压变化示意图。,变压器的二次绕组:对于用电设备而言,相当于电源。,变压器的额定电压,我国公布的三相交流系统的额定电压见表1-1。,变压器的一次绕组:相当于是用电设备,其额定电压应与电网的额定电压相同。,注意:当变压器一次绕组直接与发电机相连时,其额定电压应与发电机的额定电压相同。,当变压器二次侧供电线路较长时:应比同级电网额定电压高10% 当变压器二次侧供电线路较短时:应比同级电网额定电压高5%,其中5%用于补偿变压器满载供电时一、二次绕组上的电压损失; 另外5%用于补偿线路上的电压损失,用于35kV及以上线路。,可以不考虑线路
14、上的电压损失,只需要补偿满载时变压器绕组上的电压损失即可,用于10kV及以下线路。,发电机G的额定电压:UNG=1.0510=10.5(kV) 变压器T1的额定电压: U1N=10.5(kV) U2N=1.1110=121(kV) 变压器T1的变比为:10.5/121kV 变压器T2的额定电压:U1N=110(kV) U2N=1.056=6.3(kV) 变压器T2的变比为:110/6.3kV,例1-1 已知下图所示系统中电网的额定电压,试确定发电机和变压器的额定电压。,变压器T1的一次绕组与发电机直接相连,其一次侧的额定电压应与发电机的额定电压相同,变压器T1的二次侧供电距离较长,其额定电压应
15、比线路额定电压高10%,变压器T2的二次侧供电距离较短,可不考虑线路上的电压损失,二、电压等级的选择,220 kV及以上:用于大型电力系统的主干线。 110kV:用于中小型电力系统的主干线。 35kV:用于大型工业企业内部电力网。 10kV:常用的高压配电电压,当6kV高压用电设备较多时,也可考虑用6kV配电。 3kV:仅限于工业企业内部采用 。 380/220V:工业企业内部的低压配电电压。,电力网的额定电压、传输功率和传输距离之间的关系见表1-2,三、电能质量,电压偏差是指用电设备的实际电压与额定电压之差,用占额定电压的百分数来表示,电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。,频
16、率偏差,额定频率:50Hz,允许偏差:正常允许偏差为0.2 Hz,当容量较小时可放宽到0.5 Hz,电压偏差,1. 电能质量的概念,电压偏差的危害,白炽灯:电压低时,寿命延长,但发光效率降低,照度下降;,电压高时,发光效率增加,但使用寿命大大缩短。,,电压低时,转矩将急剧减小,电流,由于,电动机:,增大,使电动机绕组绝缘过热受损,缩短使用寿命。,电压波动与闪变,电压波动是指电网电压短时、快速的变动,用电压最大值与最小值之差对电网额定电压的百分比表示,即,电压波动产生的原因:是由负荷急剧变动引起的。,闪变是指人眼对因电压波动引起灯闪的一种主观感觉,引起灯闪的电压称为闪变电压。,使电动机无法正常起动,引起同步电动机转子振动; 使某些电子设备无法正常工作; 使照明灯发生明显的闪烁现象等。,电压波动的危害,谐波,谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解后所得到的频率为基波频率整数倍的各次分量,通常称为高次谐波。,谐波产生的原因:是由于电力系统