南京工程学院课程教案

1. 南京工程学院课程教案 《电力工程I》

2. 第一章 电力系统的基本概念 一．基本概念 二．电力系统的结线方式 三．电压等级及适用范围 四．电力系统中性点的运行方式 五．各类发电厂的运行特点

3. 一．基本概念 • 电力系统——是由发电厂、输电线、配电系统及负荷组成的。是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。 • 电力网络——是由变压器、电力线路等变换、输送、分配电能设备所组成的部分。 • 总装机容量——指该系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和，以千瓦（KW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。

4. 一．基本概念 • 年发电量——指该系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和，以千瓦时（KWh）、兆瓦时（MWh）、吉瓦时（GWh）为单位计。 • 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，以千瓦（KW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。

5. 一．基本概念 • 额定频率——按国家标准规定，我国所有交流电力系统的额定功率为50Hz。 • 最高电压等级——是指该系统中最高的电压等级电力线路的额定电压。

6. 按对供电可靠性的要求将负荷分为三级 • 一级负荷：对这一级负荷中断供电，将造成人身事故，经济严重损失，人民生活发生混乱。 • 二级负荷：对这一级负荷中断供电，将造成大量减产，人民生活受影响。 • 三级负荷：所有不属于一、二级的负荷。

7. 二．电力系统的结线方式 包括单回路放射式、干线式和链式网络 优点：简单、经济、运行方便 无备用结线 缺点：供电可靠性差 适用范围：二级负荷 包括双回路放射式、干线式和链式网络 优点：供电可靠性和电压质量高 有备用结线缺点：不经济 适用范围：电压等级较高或重要的负荷

8. 三．电压等级及适用范围

9. 三．电压等级及适用范围 • 说明： • 用电设备的容许电压偏移一般为±5%； • 沿线路的电压降落一般为10%； • 在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为5%。

10. 三．电压等级及适用范围 • 电力网络中电压分布采取的措施： • 取用电设备的额定电压为线路额定电压，使所有设备能在接近它们的额定电压下运行； • 取线路始端电压为额定电压的105%； • 取发电机的额定电压为线路额定电压的105%； • 变压器分升压变和降压变考虑一次侧接电源，取一次侧额定电压等于用电设备额定电压；二次侧接负荷，取二次侧额定电压等于线路额定电压。

11. 变压器的电压等级 • 升压变压器（例如35/121，10.5/242） • 一次侧（低压侧）接电源，相当于用电设备，一次侧额定电压等于用电设备的额定电压； • 直接和发电机相联的变压器一次侧额定电压等于发电机的额定电压； • 二次侧（高压侧）接线路始端，向负荷供电，相当于发电机，应比线路的额定电压高5%，加上变压器内耗5%，所以二次侧额定电压等于用电设备的额定电压110%。

12. 变压器的电压等级 • 降压变压器（110/38.5，220/38.5） • 一次侧（高压侧）接线路末端，相当于用电设备，一次侧额定电压等于用电设备的额定电压； • 二次侧（低压侧）向负荷供电，相当于发电机，应比线路的额定电压高5%，加上变压器内耗5%，所以二次侧额定电压等于用电设备的额定电压110%。

13. 四．电力系统中性点的运行方式 特点：供电可靠性低，比较经济； 直接接地故障时：如发生接地故障，则构成 短路回路，接地相电流很大； 适用范围：110KV以上系统。 特点：供电可靠性高，绝缘费用高； 故障时：如发生接地故障，不必切 不接地 除接地相，但非接地相对 地电压为相电压 适用范围：60KV以下系统

14. 四．电力系统中性点的运行方式 1.中性点经消弧线圈接地（电抗线圈） 中性点不接地方式 2.中性点经非线性电阻接地 过补偿（总电流为感性）欠补偿（总电流为容性）

15. 五．各类发电厂的分类和运行特点 • 火电厂的分类 • 高温高压火电厂 • 中温中压火电厂 • 低温低压火电厂 • 供热式火电厂 • 火电厂的运行特点 • 锅炉（25%-70%）和汽轮机（10%-15%）都有一 个技术最小负荷； • 锅炉和汽轮机退出和投入都耗时耗能； • 负荷变动剧烈变动也耗时耗能。

16. 五．各类发电厂的分类和运行特点 • 水电厂分类（根据水库自然来水量和水库库容） • 固定水头水电厂 • 变水头水电厂 • 梯级水电厂 • 径流式水电厂 • 抽水蓄能式水电厂 • 水电厂的运行特点 • 为了综合利用水能，必须向下游释放一定的水量 • 水轮机退出运行和再度投入不需要耗费很多能量和时间，且操作简单 • 要受水电厂水头影响

17. 五．各类发电厂的分类和运行特点 • 原子能发电厂的特点： • 反应堆的负荷基本上没有限制 • 反应堆和汽轮机退出和投入都耗时耗能 • 原子能发电厂的一次投资大，运行费用小

18. 第二章 电力系统各元件的特性和数学模型 一．电力系统中生产、变换、输送、消费电能的四大部分的特性和数学模型 1.发电机组 2.变压器 3.电力线路 4.负荷 二．电力网络的数学模型

19. 复功率的符号说明： 取 滞后功率因数 为正，感性无功 负荷运行时，所吸取的无功功率 超前功率因数 为负，容性无功 滞后功率因数 为正，感性无功 发电机运行时，所发出的无功功率 超前功率因数 为负，容性无功

20. 第一节 发电机组的运行特性和数学模型 一．隐极发电机稳态运行时的相量图和功角特性

21. 隐极式发电机功率特性方程：

22. 二．隐极发电机组的运行限额和数学模型

23. 决定隐极式发电机组运行极限的因素： • 定子绕组温升约束。取决于发电机的视在功率。以O点为圆心，以OB为半径的圆弧S。 • 励磁绕组温升约束。取决于发电机的空载电势。以O’点为圆心，以O’B为半径的圆弧F。 • 原动机功率约束。即发电机的额定功率。直线BC。 • 其他约束。当发电机以超前功率因数运行的场合。综合为圆弧T。

24. 发电机组的数学模型： 发电机组在约束的上、下限运行。 通常以两个变量表示，即发出的有功功率P和端电压U的大小 或发出的有功功率P和无功功率Q的大小。

25. 第二节 变压器的参数和数学模型 • 双绕组变压器的参数和数学模型 • 三绕组变压器的参数和数学模型 • 自耦变压器的参数和数学模型

26. 一.双绕组变压器的参数和数学模型 • 阻抗 • 电阻 变压器的电阻是通过变压器的短路损耗，其近似等于额定总铜耗。 我们通过如下公式来求解变压器电阻：

27. 电抗 在电力系统计算中认为，大容量变压器的电抗和阻抗在数值上接近相等，可近似如下求解：

28. 导纳 • 电导 变压器电导对应的是变压器的铁耗，近似等于变压器的空载损耗，因此变压器的电导可如下求解： • 电纳 在变压器中，流经电纳的电流和空载电流在数值上接近相等，其求解如下：

29. 二.三绕组变压器的参数和数学模型 • 按三个绕组容量比的不同有三种不同的类型： 100/100/100、100/50/100、100/100/50 • 按三个绕组排列方式的不同有两种不同的结构： 升压结构：中压内，低压中，高压外 降压结构：低压内，中压中，高压外

30. 电阻 由于容量的不同，对所提供的短路损耗要做些处理 • 对于100/100/100 然后按双绕组变压器相似的公式计算各绕组电阻

31. 对于100/50/100或100/100/50 首先，将含有不同容量绕组的短路损耗数据归算为额 定电流下的值。 例如：对于100/50/100 然后，按照100/100/100计算电阻的公式计算各绕组电阻。

32. 按最大短路损耗求解（与变压器容量比无关） ——指两个100%容量绕组中流过额定电流，另一个100%或50%容量绕组空载时的损耗。 根据“按同一电流密度选择各绕组导线截面积”的变压器的设计原则：

33. 2. 电抗 • 根据变压器排列不同，对所提供的短路电压做些处理： 然后按双绕组变压器相似的公式计算各绕组电阻 一般来说，所提供的短路电压百分比都是经过归算的

34. 三.自耦变压器的参数和数学模型 就端点条件而言，自耦变压器可完全等值于普通变压器，但由于三绕组自耦变压器第三绕组的容量总小于变压器的额定容量，因此需要进行归算。 • 对于旧标准： • 对于新标准，也是按最大短路损耗和经过归算的短路电压百分比值进行计算。

35. 第二章 电力系统各元件的特性和数学模型 一．电力线路的参数和数学模型 二．负荷的参数和数学模型

36. 第三节 电力线路的参数和数学模型 • 电力线路结构简述 电力线路按结构可分为 架空线：导线、避雷线、杆塔、绝缘子和金具等 电 缆：导线、绝缘层、保护层等 • 架空线路的导线和避雷线 导 线：主要由铝、钢、铜等材料制成 避雷线：一般用钢线

37. 1. 架空线路的导线和避雷线 • 认识架空线路的标号 ×× × × × —×/× 钢线部分额定截面积 主要载流部分额定截面积 J 表示加强型，Q表示轻型 J 表示多股线 表示材料，其中：L表示铝、 G表示钢、T表示铜、HL表示 铝合金 例如：LGJ—400/50表示载流额定截面积为400、钢线额定截面积为50的普通钢芯铝线。

38. 为增加架空线路的性能而采取的措施 目的：减少电晕损耗或线路电抗。 • 多股线 其安排的规律为：中心一股芯线，由内到外，第一层为6股，第二层为12股，第三层为18股，以此类推 • 扩径导线 人为扩大导线直径，但不增加载流部分截面积。不同之处在于支撑层仅有6股，起支撑作用。 • 分裂导线 又称复导线，其将每相导线分成若干根，相互间保持一定的距离。但会增加线路电容。

39. 2. 架空线路的绝缘子 架空线路使用的绝缘子分为 针式：35KV以下线路 悬式：35KV及以上线路 通常可根据绝缘子串上绝缘子的片数来判断线路电压等级，一般一个绝缘子承担1万V左右的电压。 3. 架空线路的换位问题 目的在于减少三相参数不平衡 整换位循环：指一定长度内有两次换位而三相导线都分别处于三个不同位置，完成一次完整的循环。 滚式换位 换位方式 换位杆塔换位

40. 电力线路的阻抗 • 有色金属导线架空线路的电阻 有色金属导线指铝线、钢芯铝线和铜线 每相单位长度的电阻： 其中： 铝的电阻率为31.5 铜的电阻率为18.8 考虑温度的影响则：

41. 2.有色金属导线三相架空线路的电抗 最常用的电抗计算公式： 其中：

42. 进一步可得到： 还可以进一步改写为： 在近似计算中，可以取架空线路的电抗为

43. 分裂导线三相架空线路的电抗 分裂导线采用了改变导线周围的磁场分布，等效地增加了导线半径，从而减少了导线电抗。 可以证明：

44. 4. 钢导线三相架空线路的电抗 钢导线与铝、铜导线的主要差别在于钢导线导磁。 5. 电缆线路的阻抗 电缆线路的结构和尺寸都已经系列化，这些参数可事先测得并由制造厂家提供。一般，电缆线路的电阻略大于相同截面积的架空线路，而电抗则小得多。

45. 电力线路的导纳 • 三相架空线路的电纳 其电容值为： 最常用的电纳计算公式： 架空线路的电纳变化不大，一般为

46. 分裂导线线路的电纳 • 架空线路的电导 线路的电导取决于沿绝缘子串的泄漏和电晕 绝缘子串的泄漏：通常很小 电晕：强电场作用下导线周围空气的电离现象 导线周围空气电离的原因：是由于导线表面的电场强度超过了某一临界值，以致空气中原有的离子具备了足够的动能，使其他不带电分子离子化，导致空气部分导电。

47. 确定由于电晕产生的电导，其步骤如下： 1.确定导线表面的电场强度 2.电晕起始电场强度

48. 3.，得电晕起始电压或临界电压 4.每相电晕损耗功率 5.求线路的电导

49. 6.对于分裂导线在第一步时做些改变 实际上，在设计线路时，已检验了所选导线的半径是否能满足晴朗天气不发生电晕的要求，一般情况下可设 g=0

50. 四.电力线路的数学模型 电力线路的数学模型是以电阻、电抗、电纳和电导来表示线路的等值电路。 分两种情况讨论： • 一般线路的等值电路 一般线路：中等及中等以下长度线路，对架空线为300km；对电缆为100km。 不考虑线路的分布参数特性，只用将线路参数简单地集中起来的电路表示。