電氣工程基礎FundamentofElectricalEngineering第1章概論1.1電力系統的基本概念1.2發電廠和變電所的類型1.3電力系統的電壓與電能質量1.4電力系統中性點的運行方式1.1電力系統的基本概念

一、電力系統的形成1.電力系統:是指完成電能生產、輸送、分配和消費的統一整體。圖1-1從發電廠到用戶的送電過程

通常將220kV及以上的電力線路稱為輸電線路，110kV及以下的電力線路稱為配電線路。配電線路又分為高壓配電線路（110kV）、中壓配電線路（6～35kV）和低壓配電線路（380/220V）。地方電力網：電壓為110kV以下的電力網（如35kV、10kV等）區域電力網：電壓為110kV以上的電力網（如220kV）超高壓遠距離輸電網：電壓為330～500kV及以上的電力網發電廠：生產電能，將一次能源轉換成二次能源（電能），分為火、水、核、風、太陽、地熱等發電廠。電力網：由不同電壓等級的輸電線路和變壓器組成，可分為地方電力網、區域電力網及超高壓遠距離輸電網三種類型。110kV屬于地方網還是區域網，要視其在電力系統中的作用而定

二、建立大型電力系統的優點1．可以減少系統的總裝機容量。2．可以減少系統的備用容量。3．可以提高供電可靠性。4．可以安裝大容量的機組。5．可以合理利用動力資源，提高系統運行的經濟性。

目前，我國電力系統已形成東北、華北、華東、華中、西北、南方共6個跨省電網，由兩大集團分別管理。

四、電力系統的特點1．電能不能大量儲存。2．電力系統的過渡過程十分短暫。3．與國民經濟各部門的關系密切。1．保證供電的可靠性。2．保證良好的電能質量。

五、對電力系統的基本要求3．為用戶提供充足的電能。4．提高電力系統運行的經濟性。1.2發電廠和變電所的類型

一、發電廠的類型（1）火電廠的燃料：煤炭、石油、天然氣等。（2）能量轉換過程：燃料的化學能→熱能→機械能→電能。（3）火電廠的組成：燃燒系統（鍋爐）：燃料→灰渣，風（空氣）→煙氣電力系統：發電機、變壓器、輸電線路等。（4）火電廠的生產過程（見圖1-3）汽水系統（汽輪機）：水蒸汽、循環水（冷水熱水）1．火力發電廠圖1-3凝氣式火電廠生產過程示意圖

江蘇諫壁發電廠始建于1959年，于1987年9月全部建成，共安裝10臺機組，總容量162.5萬千瓦，年發電量在100億度左右，成為80年代末到90年代初國內最大的火力發電廠。

浙江北侖發電廠是我國目前最大的現代化火力發電廠，總裝機容量為300萬千瓦(5×600MW)，工程于1988年1月正式開工建設，2000年9月全部建成發電。年發電量167億度，為浙江省各類發電廠發電總量的四分之一，其中兩臺機組的發電量就能滿足寧波市全部用電所需。北侖發電廠主控制室北侖發電廠汽輪機房（1）水電廠的能量轉換過程：水的位能→機械能→電能。（2）水電廠的總發電功率：

（3）水電廠的分類堤壩式水電廠引水式水電廠抽水蓄能電站壩后式：如三門峽、劉家峽、丹江口、三峽水電站河床式：如葛洲壩水電站2．水力發電廠圖1-4堤壩式水電廠生產過程示意圖（4）水電廠的組成：水庫、水輪機、電力系統（5）水電廠是我國目前最重要的電源之一，比例大于10%。

葛洲壩水電站

南美伊泰普水電站

長江三峽水電站

廣州抽水蓄能電站（6）水力發電的優點是最干凈的能源之一。是最廉價的能源之一：無需燃料、無環境污染、生產效率高、發電成本低、運行維護簡單。綜合水利工程：可同時解決發電、防洪、灌溉、航運、水產養殖等問題。特殊的水電廠：抽水蓄能電廠，起“削峰填谷”作用。

南美伊泰普水電站是二十世紀最大的水電站

，位于巴西和巴拉圭交界處的巴拉那河上，從1974年5月開始修建，于1991年5月竣工，由巴西與巴拉圭共建。總裝機容量12.6GW（18×700MW），年發電量790億度。水電站壩身長7.7公里，壩高196米（相當于65層樓的高度）。

長江三峽水電站壩長2309m，壩高185m，水頭175m，總庫容393億立方米，總裝機容量18.2GW（26×700MW），年發電量86.5TW·h；庫區將淹沒耕地36萬畝，淹沒城鎮129座，需安置遷移人口113萬；電站于93年起步，首批機組于2003年10月發電，以后每年投產4臺機組（280MW），2009年全部機組建成投產。三峽電站發出的強大電力將送往華中、華東地區和廣東省。電站將引出15條超高壓交流輸電線路，其中3條線路通過換流站將交流電轉換成直流電后，再通過500kＶ直流輸電線路，2條送往華東、1條送往廣東。三期導流圖三峽大壩模型

三峽大壩由多個功能模塊組成，從左至右（面向下游）依次為永久船閘、升船機、泄沙通道（臨時船閘）、左岸大壩及電站、泄洪壩段、右岸大壩及電站、山體地下電站等。升船機的最大提升高度為113米，供3000噸以下船只通過大壩，用時約40分鐘；永久船閘是雙線五級船閘，供3000噸以上船只從這里翻過大壩，用時約3小時。三峽雙線五級船閘

三峽船閘全長6.4公里，可通過萬噸級船隊，單向年通過能力5000萬噸。船閘主體段閘首和閘室分南北兩線，每線船閘主體段由6個閘首和5個閘室組成，每個閘室長280米、寬34米。而船閘人字門是名副其實的“天下第一門”，單扇門寬20.2米，高38.5米，厚度3米，面積有兩個籃球場那么大，重達850多噸。

（3）核反應堆的分類：輕水堆（包括沸水堆和壓水堆）、重水堆和石墨冷氣堆等。輕水堆核電廠的生產過程示意圖如圖1-5所示。輕水碓核電廠生產過程示意圖a）沸水碓b）壓水碓熱力系統由單回路構成，有可能使汽輪機等設備受放射性污染由雙回路系統構成，兩個回路各自獨立循環，不會造成設備的放射性污染（4）核電廠是我國目前最重要的電源之一，比例大于10%。秦山核電站大亞灣核電站（5）核電迅速發展的原因核電是一種新型的巨大能源。煤、石油等火電燃料儲量有限，不可再生。發達國家的水資源已基本殆盡。一些資源貧乏國家“能源危機”，不得不發展核電。（6）核能發電的優缺點節省大量煤炭、石油等燃料，避免燃料運輸。不需空氣助燃，可建在地下、水下、山洞或空氣稀薄地區。

秦山核電站位于東海之濱美麗富饒的杭州灣畔，是中國第一座依靠自己的力量設計、建造和運營管理的壓水堆核電站，總裝機容量2×300MW。1985年3月動工，1991年12月首次并網發電。它的建成使我國成為繼美、英、法、前蘇聯、加拿大、瑞典之后世界上第七個能夠自行設計、建造核電站的國家。秦山核電站主控制室秦山核電站汽輪機房

大亞灣核電站位于深圳市東部大亞灣畔，為我國目前最大的核電站。大亞灣核電站是我國引進國外資金、設備和技術建設的第一座大型商用核電站。核電站安裝有兩臺單機容量為900MW的壓水堆反應堆機組。1987年8月7日工程正式開工，1994年2月1日和5月6日兩臺機組先后投入商業營運。大亞灣核電站每年發電量超過100億度，其中七成電力供應香港，三成電力供應廣東電網。大亞灣核電站電站設備比火電廠造價高，但發電成本低30%～50%，且規模越大越合算。存在問題：放射性污染。

4、其它新能源發電（1）太陽能發電：太陽光能或太陽熱能→電能太陽能發電系統的組成：電池板、控制器和逆變器太陽能發電的優點是一種取之不盡、用之不竭的廉價能源。不需要燃料、生產成本低、不產生污染受季節、晝夜、地理和氣象條件的影響較大。太陽能光伏電源在西部地區應用廣泛。（青海、新疆）我國的太陽能光伏發電產業于20世紀70年代起步，2007年底累計裝機容量只有100MW。（2）風力發電：風力的動能→機械能→電能風力發電的優點西部地區的風能資源占全國的50%以上

。（青海、甘肅、新疆、內蒙、云南、西藏等）新疆達板城風電廠是一種取之不盡、用之不竭的自然能源。有一定的隨機性和不穩定性，因此必須配有蓄能裝置。達板城風力發電廠裝機容量7.23萬千瓦，占全國的30%。（3）地熱發電：地熱能→電能電能生產過程：與火電廠相似，用地熱井取代鍋爐設備。地熱資源的開發利用在西部地區已取得了良好的效益。西藏羊八井電廠（4）潮汐發電：海水漲潮或落潮的動能或勢能→電能。潮汐發電示意圖江廈潮汐電站

法國郎斯潮汐電站我國正在運行發電的潮汐電站共有8座（浙江4座，山東、江蘇、廣西、福建各1座）

羊八井電廠是我國最大的地熱電廠，總裝機容量為25.18MW，水溫約150℃，擔負拉薩地區50%的供電任務。電站由5眼地熱井供水，單井產量為75～160立方米／小時。羊八井地熱電廠

羊八井地熱溫泉潮汐發電示意圖法國朗斯潮汐電站法國郎斯潮汐電站示意圖

法國郎斯電站1967年建成，位于法國圣馬洛灣郎斯河口。一道750米長的大壩橫跨郎斯河。壩上是通行車輛的公路橋，壩下設置船閘、泄水閘和發電機房。郎斯潮汐電站機房中安裝有24臺雙向渦輪發電機，漲潮、落潮都能發電。總裝機容量24萬千瓦，年發電量5億多度，輸入國家電網。

江廈潮汐電站是中國第一座雙向潮汐電站，位于浙江省溫嶺市樂清灣北端江廈港。1980年5月第一臺機組投產發電。電站裝有雙向貫流式機組6臺，總裝機容量3200干瓦，年發電量600萬度，可晝夜發電14～15小時

。規模僅次于法國郎斯潮汐電站、加拿大芬地灣安娜波利斯潮汐電站，居世界第三。變電所：是變換電壓和接受分配電能的場所。分為區域變電所、地區變電所和終端變電所等。配電所：只接受和分配電能，不變換電壓。電力用戶：消耗電能，將電能轉換成其他形式能量。2．工業企業供電系統總降壓變電所：將35～110kV的供電電壓變換為6～10kV的高壓配電電壓，給廠區各車間變電所或高壓電動機供電。區域變電所：電壓等級高，變壓器容量大，進出線回路數多，由大電網供電，高壓側電壓為330～750kV，全所停電后，將引起整個系統解列甚至瓦解；地區變電所：由發電廠或區域變電所供電，高壓側電壓為110～220kV，全所停電后，將使該地區中斷供電；終端變電所：是電網的末端變電所，主要由地區變電所供電，其高壓側為35～110kV，全所停電后，將使用戶中斷供電。

二、變電所的類型配電所：只接受和分配電能，不變換電壓。工廠供配電系統：由總降壓變電所、高壓配電線路、車間變電所、低壓配電線路及用電設備組成。

車間變電所：將6～10kV的電壓降為380/220V，再通過車間低壓配電線路，給車間用電設備供電。配電線路：分為廠區高壓配電線路和車間低壓配電線路。車間變電所可分為以下幾種類型（圖1-6）：附設式變電所（1~4）車間內變電所（5）獨立變電所（7）露天變電所（6）地下變電所桿上變電所圖1-6車間變電所的類型用電設備的額定電壓：與同級電網的額定電壓相同。發電機的額定電壓：比同級電網的額定電壓高出5%，用于補償線路上的電壓損失。1.3電力系統的電壓與電能質量

一、電力系統的額定電壓電力網的額定電壓：我國高壓電網的額定電壓等級有3kV、6kV、10kV、35kV、63kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV、1000kV等。變壓器的二次繞組：對于用電設備而言，相當于電源。變壓器的額定電壓我國公布的三相交流系統的額定電壓見下表。變壓器的一次繞組：相當于是用電設備，其額定電壓應與電網的額定電壓相同。注意：當變壓器一次繞組直接與發電機相連時，其額定電壓應與發電機的額定電壓相同。當變壓器二次側供電線路較長時：應比同級電網額定電壓高10%

當變壓器二次側供電線路較短時：應比同級電網額定電壓高5%其中5%用于補償變壓器滿載供電時一、二次繞組上的電壓損失；另外5%用于補償線路上的電壓損失，用于35kV及以上線路。可以不考慮線路上的電壓損失，只需要補償滿載時變壓器繞組上的電壓損失即可，用于10kV及以下線路。分類電力網和用電設備的額定電壓發電機額定電壓電力變壓器額定電壓一次繞組二次繞組低壓0.22/0.1270.230.22/0.1270.23/0.1330.38/0.220.400.38/0.220.40/0.230.66/0.380.690.66/0.380.69/0.40高壓33.153及3.153.15及3.366.36及6.36.3及6.61010.510及10.510.5及11—13.8，15.75，18，2013.8，15.75，18，20—35—3538.560—6066110—110121220—220242330—330363500—500550750—750—~T1GT2110kV10kV6kVM發電機G的額定電壓：UN·G=1.05×10=10.5（kV）變壓器T1的額定電壓：U1N=10.5（kV）

U2N=1.1×110=121（kV）變壓器T1的變比為：10.5/121kV變壓器T2的額定電壓：U1N=110（kV）

U2N=1.05×6=6.3（kV）變壓器T2的變比為：110/6.3kV例1-1已知下圖所示系統中電網的額定電壓，試確定發電機和變壓器的額定電壓。變壓器T1的一次繞組與發電機直接相連，其一次側的額定電壓應與發電機的額定電壓相同變壓器T1的二次側供電距離較長，其額定電壓應比線路額定電壓高10%變壓器T2的二次側供電距離較短，可不考慮線路上的電壓損失

二、電壓等級的選擇220kV及以上：用于大型電力系統的主干線。110kV：用于中小型電力系統的主干線。35kV：用于大型工業企業內部電力網。10kV：常用的高壓配電電壓，當6kV高壓用電設備較多時，也可考慮用6kV配電。3kV：僅限于工業企業內部采用。380/220V：工業企業內部的低壓配電電壓。三、電能質量電壓偏差是指用電設備的實際電壓與額定電壓之差，用占額定電壓的百分數來表示電能質量是指通過公用電網供給用戶端的交流電能的品質。頻率偏差額定頻率：50Hz允許偏差：正常允許偏差為±0.2Hz，當容量較小時可放寬到±0.5Hz

電壓偏差1.電能質量的概念電壓偏差的危害白熾燈：電壓低時，壽命延長，但發光效率降低，照度下降；電壓高時，發光效率增加，但使用壽命大大縮短。

，電壓低時，轉矩將急劇減小，電流由于電動機：增大，使電動機繞組絕緣過熱受損，縮短使用壽命。電壓波動與閃變電壓波動是指電網電壓短時、快速的變動，用電壓最大值與最小值之差對電網額定電壓的百分比表示，即電壓波動產生的原因：是由負荷急劇變動引起的。

閃變是指人眼對因電壓波動引起燈閃的一種主觀感覺，引起燈閃的電壓稱為閃變電壓。使電動機無法正常起動，引起同步電動機轉子振動；使某些電子設備無法正常工作；使照明燈發生明顯的閃爍現象等。電壓波動的危害諧波

諧波是指對周期性非正弦交流量進行傅里葉級數分解后所得到的頻率為基波頻率整數倍的各次分量，通常稱為高次諧波。諧波產生的原因：是由于電力系統中存在各種非線性元件

。

波形畸變程度的幾個特征量第h次諧波電壓含有率：

第h次諧波電流含有率：諧波電壓總含量：

諧波電流總含量：

電壓總諧波畸變率：

電流總諧波畸變率：

使變壓器和電動機的鐵芯損耗增加，引起局部過熱，同時振動和噪聲增大，縮短使用壽命；使線路的功率損耗和電能損耗增加，并有可能使電力線路出現電壓諧振，產生過電壓，擊穿電氣設備的絕緣；使電容器產生過負荷而影響其使用壽命；使繼電保護及自動裝置產生誤動作；使變壓器使計算電費用的感應式電能表的計量不準；對附近的通信線路產生信號干擾，使數據傳輸失真等。諧波的危害三相不平衡

指三相系統中三相電壓（或電流）的不平衡程度，用電壓（或電流）負序分量有效值與正序分量有效值的百分比來表示，即使電動機產生一個反向轉矩，降低輸出轉矩，同時的總電流增大，繞組溫升增高，加速絕緣老化，縮短使用壽命。使變壓器的容量得不到充分利用。使整流設備產生更多的高次諧波，進一步影響電能質量。使作用于負序電流的繼電保護裝置產生誤動和拒動。產生三相電壓不平衡的原因：三相負荷不對稱。三相電壓不平衡的危害暫時過電壓和瞬態過電壓暫時過電壓：包括工頻過電壓和諧振過電壓，其特征為在其持續時間范圍內無衰減或弱衰減；瞬態過電壓：包括操作過電壓和雷擊過電壓，其特征為振蕩或非振蕩衰減，且衰減很快，持續時間只有幾毫秒或幾十微秒。過電壓的危害：使電力設備故障、影響電力安全運行。

過電壓是指峰值電壓超過系統正常運行的最高峰值電壓時的工況。2．電能質量控制技術電能質量的傳統控制技術：控制頻率偏差、電壓偏差、三相電壓不平衡以及保證供電的可靠性。頻率偏差：依靠電力系統的一、二次調頻。電壓偏差：配置充足的無功功率電源；改變發電機端電壓、變壓器變比、線路參數等。三相電壓不平衡：合理分配不對稱負荷；將不對稱負荷分散接于不同的供電點；采用高一級電壓供電；加裝三相平衡裝置等。供電可靠性：加強對設備質量缺陷的檢測；強化安全生產教育；提前做好電氣設備的檢修維護工作；加強二次設備的管理、維護；提高系統的運行管理水平等。實施電網調度自動化、無功優化、負荷控制及許多新型調頻、調壓裝置的開發和應用，減少頻率和電壓的偏差。加強城鄉電網的建設和改造，提高電壓質量。利用無源濾波器、靜止無功補償裝置等，抑制諧波干擾、降低電壓波動和閃變等。利用柔性交流輸電技術，提高系統輸電容量和提高暫態穩定性，對線路電壓、阻抗、相位進行控制，實現控制潮流、阻尼振蕩、提高系統穩定性。利用柔性配電技術，實現補償諧波、抑制電壓下跌等。電能質量的現代控制技術

柔性交流輸電技術：又稱為基于電力電子技術的靈活交流輸電系統，通過控制電力系統的基本參數來靈活控制系統潮流，使電力傳輸容量更接近線路的熱穩定極限。FACTS設備綜合補償裝置：統一潮流控制器（UPFC）串聯補償裝置晶閘管控制串聯電容器（TCSC）靜止同步串聯補償器（SSSC）晶閘管控制串聯電抗器（TCSR）并聯補償裝置靜止無功補償器（SVC）靜止同步補償器（STATCOM）晶閘管控制制動電阻器（TCBR）柔性配電技術：將柔性交流輸電系統中的現代電力電子技術及相關的檢測和控制設備延伸應用于配電領域。DFACTS裝置有源電力濾波器（APF）動態電壓恢復器（DVR）固態斷路器（SSCB）

我國電力系統中性點有三種運行方式：二、中性點不接地的電力系統正常運行時，系統的三相電壓對稱，三相導線對地電容電流也對稱，其電路圖和相量圖為：當系統發生A相接地故障時，A相對地電壓降為零，相當于在中性點疊加上一個電壓。中性點不接地中性點經消弧線圈接地中性點直接（或經低電阻）接地1.4電力系統中性點運行方式小電流接地系統大電流接地系統一、概述中性點對地電壓圖1-8中性點不接地系統正常運行時的電路圖和相量圖a）電路圖b）相量圖在數值上圖1-8中性點不接地系統發生A相接地故障時的電路圖和相量圖a）電路