电气工程基础 — 系统篇 2013-2014-2

1. 电气工程基础—系统篇2013-2014-2 任课教师：褚晓东 Email：chuxd@sdu.edu.cn Tel.:81696127(office)，13573122659

2. 课程的主要内容 • 掌握电力系统分析的基础理论 • 了解电力系统各设备受电、热、动约束的能力，掌握电力系统设计与运行中应遵循的原则 • 建立电力系统设计、运行、控制与保护的整体概念

3. 课程的主要内容 • 电力网络的稳态与动态分析—系统篇 • 电力系统的高压特性—高压篇 • 电力系统各种一次设备的特点和选型—设备篇 • 电力系统一次设备的保护原则和方法—保护篇 • 电力系统运行的调度与控制—控制篇

4. 系统篇 • “系统篇”是怎样的？ • 讲些什么？ • 认识电力系统的主要构成环节，理解各个环节如何相互连接、作用、牵制，协作完成电力生产、输配与消费等任务 • 去繁就简，对电力系统进行数学抽象，建立分析计算模型 • 针对具体问题，提出系统的、工程化的求解思路与方法 • 有什么用？ • 认知并解决电力系统的相关问题 • 培养系统化的思维：分析与综合 • 与实际现场对接：问题、方法、工具

5. 参考文献 • 夏道止. 电力系统分析. 北京：中国电力出版社，2004（第一版），2011（第二版） • 王锡凡，方万良，杜正春. 现代电力系统分析. 北京：科学出版社，2007 • Arthur R. Bergen, Vijay Vittal. Power System Analysis, 2nd ed. NJ: Prentice Hall, 2000

6. 课程网站 • http://course.sdu.edu.cn/1472.html • “教学日历”

7. 考试政策 • 课程参与：以小组形式开展，10个小组（10人/组，自由分组），分别承担“系统篇”中10个知识群的TA • 课堂之外，每组就各自的知识群进行小组学习，其他组同学可以就该部分的问题向该组任一位同学提问：根据帮助度，每组获得其他9组的评分，取平均值G1 • 每组完成1个大作业/课程项目：根据完成情况，获得分数G2 • 课程参与成绩：50%G1 + 50%G2 • Share more, learn more!

8. 考试政策

9. 电力系统的形成 • 电力系统的形成与发展 • Volta(伏打)在1800年发明了电池(voltaic pile) • Ørsted(奥斯特)与Ampère(安培)在1820年发现并验证了电流的磁效应 • Ohm(欧姆)发现了欧姆定律 • Faraday(法拉第)在1831年发现了电磁感应定律 • Maxwell(麦克斯韦)在1873年出版了A Treatise on Electricity and Magnetism，系统阐述了电磁场理论 • 19世纪末，电气工程迅速发展，成为第二次工业革命的驱动力

10. 交流/直流之争：北美的直流系统 • 1880年代初期，Thomas Edison倡导的直流系统占据主导地位，采用直流发电机供给白炽灯与电动机负荷，利用储能电池提供备用 • 同时期，开铁心变压器（opencore transformer，由Lucien Gaulard和John Dixon Gibbs发明）的变电效率非常低，实用的交流电动机还没有问世，用电设备串联接入配电系统，这些因素限制了交流系统的发展 Thomas Edison Edison发明的白炽灯原型

11. 交流/直流之争：欧洲的交流系统 • 欧洲是交流系统的发源地 • 1832年，法国人Hippolyte Pixii利用Faraday原理发明了世界上第一台交流发电机

12. 交流/直流之争：欧洲的交流系统 • 1884-85年，Ganz Works的Z.B.D.团队（Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy, Miksa Déri）发明了世界上第一台闭铁心（close core transformer）变压器，变电效率大幅提高 • Z.B.D.团队发明了并联型的配电系统 • 1886年，Ganz Works建造了Rome-Cerchi发电厂，是世界上第一个采用交流发电机的发电厂 Z.B.D.团队

13. 交流/直流之争：北美的交流之路 • George Westinghouse是交流系统的倡导者，William Stanley, Jr.为他工作，Stanley于1886年在Massachusetts（马萨诸塞）州的Great Barrington建造了世界上第一个完整的单相交流发输配电系统：采用Siemens的单相交流发电机、Stanley发明的变压器，供给Edison发明的白炽灯负荷 • 同年， Westinghouse电气公司成立，至1887年，建造了30多个交流系统 George Westinghouse William Stanley, Jr. Great Barrington系统中的变压器

14. 交流/直流之争：北美的交流之路 • 1888年，Westinghouse电气公司的Oliver Shallenberger发明了交流电能表计 • 同年，Westinghouse注册了Nikola Tesla有关多相交流感应电动机和变压器设计的几项专利， • Westinghouse购买了Galileo Ferraris的交流感应电动机专利 Oliver Shallenberger Nikola Tesla

15. 交流/直流之争：技术制式的竞争 • 电力工业历史上的交流/直流之争既是Westinghouse与Edison两人之间的对决，也是两种技术制式的竞争，涉及了北美与欧洲的许多公司，双方都握有大量的技术专利，希望随着对方的式微，扩大自己的市场份额，最终，交流系统成为市场主导 • 1891年， 国际电工技术展览会在Frankfurt（法兰克福）的举行，由175公里之外Lauffen（劳芬）的发电站向展览会的照明与电动机负荷供电，这是世界上第一个远距离大功率（230kVA）三相交流输电工程，凸现三相交流制式的优势 • 1892年，General Electric（通用电气）公司成立（合并了Edison电气公司），全力投入交流电气设备的设计与制造，很快超越Westinghouse电气公司，成为领先者 • 在欧洲， Siemens & Halske公司成为市场主导者

16. 交流/直流之争：技术制式的竞争 • 为什么交流制式成为电力工业的选择? • 与直流制式相比，交流制式的优点是什么？ • 为什么现代电力系统采用三相交流制？ • 与单相制相比，多相制的优点是什么? • 可否采用其他相制，例如四相、五相制等？ • 直流制式能否重新占据电力工业的主导地位？ • 直流制式的适用于何种系统？ • 新技术的发展能否推动直流制式的回归？

17. 高压直流输电（HVDC） • 电力系统采用交流还是直流制式之争始于电力工业开端之时，至今，交流仍是各国电力系统的主要形式 • 20世纪70年代之后，电力电子技术的发展使得高电压、大功率直流输电技得以实现 • 在许多条件下，高压直流输电与交流输电相比更有优势 • 高压直流输电系统的换流站采用晶闸管阀实现交直流之间的转换

18. 高压直流输电（ HVDC）

19. 电力系统的构成

20. 电力系统的构成：发电

21. 电力系统的构成：输配电

22. 电力系统的构成：负荷

23. 电力系统的构成 • 电力系统的构成 • 电力系统是一个能量流系统 多种形式的一次能源转化为电能，通过较高电压等级的输电网输送至各负荷中心，配电网将来自输电网的电能降压而对负荷供电 • 电力系统是一个网络流系统 输电网与配电网是将电能从电源输送至用户的途径，电能（功率）在电网中的传输受到网络结构的约束 • 电力系统是一个信息流系统 电力系统在运行管理上是高度自动化的：组成电力系统的各主要环节都配备了数字化的测量、保护与控制装置，在控制中心，计算机通过对各种信息的接收、处理和发送，持续不断地监视及控制全系统的运行

24. 能量转换—火力发电 • 将煤炭、石油或天然气等化石燃料燃烧所产生的热能转化为机械能以生产电能 • 主要的能量转换设备包括锅炉、汽轮机与发电机组 • 发电流程（能量转换过程）：锅炉将水加热变成蒸汽（化学能—>热能）、蒸汽吹动汽轮机的叶片（热能—>机械能）、汽轮机带动发电机的转子旋转（机械能—>电能）

25. 能量转换—火力发电

26. 能量转换—水力发电 • 将水的机械能转化为电能 • 发电流程（能量转换过程）：水从高位向低位冲泻（势能—>动能）、水轮机带动发电机的转子旋转（动能—>电能） • 抽水蓄能：在负荷低谷时，将水由低位水库抽出注入高位水库，发电机工作于电动机模式；在负荷高峰时，工作于发电模式，起到削峰填谷的作用

27. 能量转换—水力发电 • 拦河坝(1)提高了上游的水位，形成水库，增大了水的势能 • 打开导管(2)的阀门，水沿着导管冲泻下来，势能变成动能 • 水的动能带动水轮机(3)的叶片，使水轮机转动 • 水轮机带动发电机(4)发电

28. 能量转换—核能发电 • 利用受控核裂变产生热能，将热能转化为机械能，再由机械能转化为电能 • 除了热能的产生机理不同，核能发电与火力发电的热物理机制类似 • 在妥善处理核废料的基础之上，核能发电是一种清洁的发电形式

29. 能量转换—核能发电 • 在反应堆中，一次侧水经过加压不会产生蒸汽 • 二次侧水在蒸汽发生器中产生蒸汽 • 蒸汽吹动汽轮机的叶片，汽轮机带动发电机的转子旋转，产生电能 PWR

30. 能量转换—可再生能源发电 • 可再生能源：风能、太阳能、生物质能、潮汐能、波浪能等，都被尝试用来进行发电 • 风力发电发展迅速：到2012年底，全球风电的装机容量已经达到282.5GW • 目前，中国、美国和德国是风电装机容量最大的三个国家：75.6 GW、60.0 GW和31.3 GW

31. 能量转换—可再生能源发电 • 太阳能的利用主要有三种形式：太阳能直接转化为热能、光伏电池发电、太阳能—热能—电能 • 目前，太阳能发电的两种形式其能量转换效率都较低，直接转化为热能是较有前途的应用途径

32. 我国的发电总装机容量(2007-2012) • 至2012年3月底，全国装机容量达到1029.93GW，其中：火电、水电、核电、风电装机容量分别达到768.72、197.24、12.57、48.71GW

33. 我国年发电量 (1980-2010)

34. 区域电网互联 中国电力互联格局

35. 区域电网互联 美国电力互联格局

36. Case 1：交流系统的中性点运行方式 • 中性点运行方式指的是绕组星形联结的变压器或发电机的中性点接地方式 • 中性点的运行方式主要分两类：直接接地、不接地 • 采用何种方式主要取决于供电可靠性（停电风险）与经济性（绝缘水平要求）两个因素之间的平衡

37. Case 1：交流系统的中性点运行方式：中性点接地 中性点接地系统发生单相接地故障示意图

38. Case 1：交流系统的中性点运行方式：中性点接地 • 当系统中发生单相接地故障时，由于接地相直接通过大地与电源构成回路，短路电流很大，保护装置应立即动作，使断路器断开，迅速切除故障相甚至三相，造成用户停电 • 接地相电压降为0；非接地相电压不变，仍为相电压；中性点对地电压不变，为0

39. Case 1：交流系统的中性点运行方式：中性点不接地 正常运行时的中性点不接地系统 （a） 电路图 （b） 相量图

40. Case 1：交流系统的中性点运行方式：中性点不接地 • 中性点不接地的电力系统三相线路的相间及相与大地间都存在着分布电容，只考虑相与大地间的电容，且用集中参数来表示 • 系统正常运行时，三相相电压是对称的，三相对地电容电流也是对称的，这时三相的对地电容电流的相量和为零，因此没有电流在大地中流过 • 各相对地电压均为相电压

41. Case 1：交流系统的中性点运行方式：中性点不接地 （a） （b） 发生单相接地故障时的中性点不接地系统 （a） 电路图 （b） 相量图

42. Case 1：交流系统的中性点运行方式：中性点不接地 • 当系统发生单相接地故障时，假设C相发生金属接地，其接地电阻为零，这时C相对地电压为零，而非故障相A、B相的对地电压在幅值和相位上都发生改变： • 非故障相A相和B相对地电压幅值升高 倍，变为线电压，因此，设备的相绝缘不能只按相电压来考虑，而要按线电压来考虑

43. Case 1：交流系统的中性点运行方式：中性点不接地 • 系统的接地电流（接地电容电流）为： • 即系统单相接地时的接地电流的幅值为正常运行时每相对地电容电流的3倍

44. Case 1：交流系统的中性点运行方式：中性点不接地 • 单相接地故障时，不必切除接地相，用户可继续运行，提高了供电可靠性 • 因为非故障相电压升高为线电压，对绝缘水平提出较高的要求，需要付出较高的经济成本

45. Case 1：交流系统的中性点运行方式：中性点经消弧线圈接地 • 中性点不接地系统，具有单相接地故障时可继续给用户供电的优点，即供电可靠性比较高，但有一种情况比较危险，即在发生单相接地时，如果接地电流较大，将在接地点产生断续电弧，为了克服这一点，可将电力系统的中性点经消弧线圈接地 • 消弧线圈实际上是一种带有铁芯的电感线圈，其电阻很小，感抗很大，其铁芯柱有很多间隙，以避免磁饱和，使消弧线圈有一个稳定的电抗值

46. Case 1：交流系统的中性点运行方式：中性点经消弧线圈接地 中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障 （a） 电路图 （b） 相量图

47. Case 1：交流系统的中性点运行方式：中性点经消弧线圈接地 • 当系统发生单相接地时，流过接地点的总电流是接地电容电流 与流过消弧线圈的电感电流 的相量和：由于 超前 90°，而 滞后 90°，所以两者在接地点互相补偿，可使接地电流小于最小生弧电流，从而消除接地点的电弧以及由此引起的各种危害 • 当电流过零而电弧熄灭后，消弧线圈还可减小故障相电压的恢复速度，从而减小了电弧重燃的可能性，有利于单相接地故障的消除

48. Case 1：交流系统的中性点运行方式：中性点经消弧线圈接地 • 当系统发生单相接地时，流过接地点的总电流是接地电容电流 与流过消弧线圈的电感电流 的相量和：由于 超前 90°，而 滞后 90°，所以两者在接地点互相补偿，可使接地电流小于最小生弧电流，从而消除接地点的电弧以及由此引起的各种危害 • 当电流过零而电弧熄灭后，消弧线圈还可减小故障相电压的恢复速度，从而减小了电弧重燃的可能性，有利于单相接地故障的消除

49. Case 2：直流输电系统的稳态功率流 • 设直流输电系统换流站CS1的直流输出电压为Ud1，换流站CS2的直流输入电压为Ud2 • 直流线路电流为： • 换流站CS1送到直流线路的功率和换流站CS2从直流线路接受的功率分别为

50. Case 2：直流输电系统的稳态功率流 • 设直流输电系统换流站CS1的直流输出电压为Ud1，换流站CS2的直流输入电压为Ud2 • 直流线路上的损耗功率为：