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1、电力工程,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,尹克宁 编著,“十一五”国家级规划教材,前言,本课件是为了配合普通高等教育“十一五” 国家级规划教材电力工程的教学需要而制作的。本课件采用powerpoint软件。 为了更好地与教材内容相协调，本课件中所使用的章节号，公式、图及表的编号均与原书一致，特此说明。 本课件由顺特电气有限公司肖勋，程小凤等协助制作，笔者谨在此表示最深切的谢意。 笔者 2009年4月,“十一五”国家级规划教材,第一章电力系统概述,143,第二章电力网及其稳态分析,44236,第三章发电厂和变电所的一次系统,237349,第四章电力系统短路,350471,第五章电力系统稳定
2、,472509,第六章发电厂和变电所的二次系统,510601,第七章远距离输电,602666,目录,“十一五”国家级规划教材,第一节 电力工业在国民经济中的地位和我国电力工业的发展,电力工业是国民经济的重要部门之一。它承担着把自然界提供的能源转换为供人们直接使用的电能，它既为现代工业、现代农业、现代科学技术和现代国防提供必不可少的动力，又和广大人民群众的日常生活有着密切的关系。电力又是工业的先行，电力工业的发展必须优先于其他的工业部门，整个国民经济才能不断前进。,第一章 电力系统概述,“十一五”国家级规划教材,在电力工业发展的初期，发电厂都建设在用户附近，规模很小，而且是孤立运行的。随着生产的
3、发展和科学技术的进步，用户的用电量和发电厂的容量都在不断增大。由于电能生产是一种能量形态的转换，发电厂宜于建设在动力资源所在地，而蕴藏动力资源的地区与电能用户之间又往往隔有一定距离。例如，水能资源集中在河流落差较大的偏僻地区，热能资源则集中在盛产煤、石油、天然气的矿区；而大城市、大工业中心等用电部门则由于原材料供应、产品协作配套、运输、销售、农副产品供应等原因以及各种地理、历史条件的限制，往往与动力资源所在地相距较远，为此就必须建设升压变电所和架设高压输电线路以实现电能的远距离输送。而当电能输送到负荷中心后，又必须经过降压变电所降压，再经过配电线路，才能向各类用户供电。,一、电力系统的形成和优
4、越性,（一）电力系统的形成,第二节 电力系统的组成和特点,“十一五”国家级规划教材,随着生产的发展和用电量的增加，发电厂的数目也不断增加。这样一来，一个个发电厂再保持孤立运行的状态就没有什么好处了。当一个个地理上分散在各处、原来孤立运行的发电厂通过输电线路、变电所等相互连接形成一个“电”的整体以供给用户用电时，就逐步形成了现代的电力系统。换句话说，电力系统就是由发电厂、变电所、输配电线路直到用户等在电气上相互连接的一个整体.,它包括了从发电、输电、配电直到用电这样一个全过程。另外，还把由输配电线路以及由它所联系起来的各类变电所总称为电力网络（简称电力网），所以，电力系统也可以看作是由各类发电厂
5、和电力网以及用户所组成的。,“十一五”国家级规划教材,“十一五”国家级规划教材,（二）系统联系的优越性与存在问题,1减少系统中的总装机容量,2合理利用动力资源，充分发挥水力发电厂的作用,3提高供电的可靠性,4提高运行的经济性,5系统增强所带来的问题：事故波及,“十一五”国家级规划教材,二、电力系统的特点以及对电力系统的要求,（一）电力系统的特点,（1）电能不易储藏。由于电能生产是一种能量形态的转换，从而要求生产与消费同时完成。电能难于储存，可以说是电能生产的最大特点。,（2）电能生产与国民经济各部门和人民生活有着极为密切的关系。,（3）暂态过程十分短暂。由于电是以光速传播的，所以运行情况发生变
6、化所引起的电磁方面和机电方面的暂态过程都是十分迅速的。,（4）电力系统的地区性特点较强。,（二）对电力系统的要求,（1）最大限度地满足用户的用电需要，为国民经济的各个部门提供充足的电力。,（2）保证供电的可靠性。,“十一五”国家级规划教材,（3）保证电能的良好质量。,（4）保证电力系统运行的经济性。,把上述各点归纳起来可知：保证对用户不间断地供给充足、优质而又价廉的电能，这就是电力系统的基本任务。,“十一五”国家级规划教材,一次能源，可以说与粮食和水一样，是人类赖以生存以及支撑现代社会文明的主要物质基础之一。从原始社会起，人类就是通过消耗能量而生活，并进行各种社会活动的，目前世界上可以利用的一
7、次能源资源主要为化石能源（煤、石油、天然气）、可再生能源（水能、风能、太阳能等）以及核能源等，电能主要通过这些一次性能源转换而生产出来。能源形态与电能生产的相互关系，可简略地用下图1-2表示。,一、一次能源与电力生产,第三节 发电厂的类型及其生产过程简介,“十一五”国家级规划教材,由于地球上的一次能源资源的储存量是有限的，如不注意节约与合理使用，必有一天人类将面临能源枯竭的危险。因此，在21世纪中，对节约能源与开发新能源特别是对可再生能源利用的研究，将是人类社会的可持续发展所面临的一项重大的课题。,“十一五”国家级规划教材,火力发电厂是以煤、石油、天然气等作为燃料，燃料燃烧时化学能被转换为热能
8、，再借助汽轮机等热力机械将热能转换为机械能，并由汽轮机带动发电机将机械能变为电能。据统计，全世界发电厂的总装机容量中，火力发电厂占了70%以上。迄今，我国的发电厂总装机容量中，火电厂占75%以上。,二、火力发电厂,一般火力发电厂多采用凝汽式汽轮发电机组，故又称为凝汽式发电厂,“十一五”国家级规划教材,图1-3凝汽式发电厂生产过程示意图,“十一五”国家级规划教材,水力发电厂是利用河流所蕴藏的水能资源来发电，水能资源是最干净、价廉的可再生能源。,三、水力发电厂,水力发电厂可能的发电出力（容量）的大小决定于上下游的水位差（简称水头）和流量的大小。因此，水力发电厂往往需要修建拦河大坝等水工建筑物以形成
9、集中的水位差，并依靠大坝形成具有一定容积的水库以调节河川流量。,水力发电厂的生产过程较简单（以坝后式水电厂图1-4为例进行介绍） ，故它所需的运行维护人员较少，且易于实现全盘自动化。再加之水力发电厂不消耗燃料，所以它的电能成本要比火力发电厂低得多。此外，水力发电机组的效率较高、承受变动负荷的性能较好，故在系统中的运行方式较为灵活；水力发电机组起动迅速，在事故时能有力地发挥其后备作用。,水力发电厂的另一个优点是不像火力发电厂、核能发电厂那样存在环境污染问题。水能资源是属于可再生利用的清洁能源，这种发电方式对节能减排有利。,“十一五”国家级规划教材,图1-4 坝后式水电厂示意图,“十一五”国家级规
10、划教材,核能发电的基本原理是：核燃料在反应堆内发生可控核裂变，即所谓链式反应，释放出大量热能，由冷却剂（水或气体）带出，在蒸汽发生器中将水加热为蒸汽，然后同一般火力发电厂一样，用蒸汽推动汽轮机，再带动发电机发电。冷却剂在把热量传给水后，又被泵打回反应堆里去吸热，这样反复使用就可以不断地把核裂变释放的热能引导出来。,四、核能发电厂,核能发电厂与火力发电厂在构成上的最主要区别是，前者用核蒸汽发电系统（核反应堆、蒸汽发生器、泵和管道等）来代替后者的蒸汽锅炉。所以核能发电厂中的反应堆又被称为原子锅炉。,“十一五”国家级规划教材,根据核反应堆的形式不同，核能发电厂可分为几种类型。图1-6为目前使用较广的
11、轻水堆型（包括沸水堆和压水堆）核能发电厂的生产过程示意图。,（a）沸水堆型反应堆；,（b）压水堆型反应堆,图1-6 轻水堆型核能发电厂生产过程示意图,“十一五”国家级规划教材,核能发电厂的主要优点之一是可以大量节省煤、石油等燃料。例如，1 kg的铀裂变所产生的热量，相当于2700 t标准煤燃烧产生的热量。具体而言，一座容量为50万kW的火力发电厂每年至少要烧掉150万t煤，而同容量的核能发电厂每年只要消耗600 kg铀燃料就够了，从而可避免大量的燃料运输。,核能发电厂的另一个特点是燃烧时不需要空气助燃，所以核能发电厂可以建设在地下、山洞里、水下或空气稀薄的高原地区。此外，从发电厂的建设投资和发
12、电成本来看，核能发电厂的造价虽较火力发电厂的要高，但发电成本比火力发电厂的要低30%50%，它的规模愈大，单位千瓦投资费用下降愈多。另外，核能发电厂适宜于担任电力系统的基本负荷，这样可以保证运行时的效率最高。,核能发电厂的另一个主要优点是较之一般燃煤电厂而言，它的CO2等温室气体的排放量要低得多，从而对节能减排有利。目前也有一种提法是“核电是清洁能源”。,核能发电厂的主要问题是对放射性泄漏污染的担心。,“十一五”国家级规划教材,在我国，核能发电厂的建设起步较晚。迄今，在全世界的总发电容量中，核能发电厂占了约16%，而我国核电仅占1.6%，,据规划，到2020年中国的核电装机容量将达到4000万
13、kW，约占当时全国装机容量的4%。,“十一五”国家级规划教材,一般而言，可再生利用的能源主要是指水能、风能和太阳能。,五、可再生能源发电与分布式发电,在可再生能源中，以风力发电最受重视。风力发电有离网型和并网型两种类型。并网型的风电场可以得到大电力网的补偿和支撑，可以更充分地开发可利用的风能资源，这是近几年来国内外风力发电发展的主要方向。,（一）风力发电,并网型的风力发电系统又可以分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两种。,图1-7 恒速恒频风力发电系统的基本结构,“十一五”国家级规划教材,变速恒频风力发电系统的发展主要依赖于大容量电力电子技术的成果，从结构和运行方面可分为直接驱动的
14、同步发电机系统和双馈感应发电机系统。,图1-8直接驱动的同步发电机系统,图1-9双馈感应发电机系统,“十一五”国家级规划教材,利用太阳能的转换方式有光热转换、光电转换以及光化学转换三种。,（二）太阳能发电,太阳能电池是利用半导体PN结的光伏效应将太阳能直接转换成电能的器件。单个太阳能电池不能作为电源使用，而要用若干片电池组成的电池阵进行发电。,图1-10离网太阳能光伏发电系统,“十一五”国家级规划教材,图111并网屋顶太阳能光伏发电系统示意图,“十一五”国家级规划教材,最后再谈一下分布式发电。它是指风力、太阳能、潮汐、地热、植物秸秆发电，垃圾发电和磁流体发电等。这种发电方式一般都容量不大，具有
15、各自的运行特点且并不都与系统相连，它可以分散于各处，其中多数属于上述的可再生利用的清洁能源。尽管分布式发电的技术尚不成熟，容量也有限，但是作为一种替代能源，它还是很有潜力的。为了解决长远的能源资源紧缺问题，世界上许多国家都出台了一些支持分布式发电的政策，我国也不例外，今后对它的发展还是非常值得关注的。,“十一五”国家级规划教材,电压质量对各类用电设备的安全经济运行都有直接的影响。图1-12表示照明负荷的电压特性。从图上可以看出，对照明负荷来说，白炽灯对电压的变化是敏感的。当电压降低时，白炽灯的发光效率和光通量都急剧下降；当电压上升时，白炽灯的寿命将大为缩短。例如，电压较额定值降低10%，则光通
16、量减少30%；电压额定值上升10%，则寿命缩减一半。,一、电压,第四节 电能的质量指标,通常衡量电能质量的主要指标是电压、频率和波形。,图1-12照明负荷（白炽灯）的电压特性,“十一五”国家级规划教材,图1-13 输出功率一定时异步电动机的定子电流、功率因数和效率随电压而变化的特性,对电力系统的负荷中大量使用的异步电动机而言，它的运行特性对电压的变化也是较敏感的。当输出额定功率并保持不变时，异步电动机的定子电流、效率因数和功率随电压而变化的特性如图1-13所示。,“十一五”国家级规划教材,频率的偏差同样将严重影响电力用户的正常工作。对电动机来说，频率降低将使其转速下降，从而使生产率降低，并影响电动机的寿命；反之，频率增高将使电动机的转速上升，增加功率消耗，并使经济性降低。特别是某些对转速要求较严格的工业部门（如纺织、造纸等），频率的偏差将大大影响产品质量，甚至产生废品。另外，频率偏差对发电厂（尤其是火力发电厂）本身将造成更为严重的影响。,二、频率,此外，
