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电气工程概论,1,3.4 电力网,电网的构成和功能,电力网络由不同电压等级的电力线路、变压器和相应的配电装置构成。电力网络的功能是输送和分配电能并进行电压变换。电力网可分为输电网和配电网，大型电力网的结构通常以电压等级进行分层；输电网将发电厂的电能通过高压输电线送到负荷中心，其额定电压通常为220750kV，它是电力系统的主干网；,电气工程概论,2,配电网将电能通过配电线路送到电能用户，可以分为高压、中压、和低压配电网；高压配电网的电压一般为35110kV或更高；中压配电网的电压一般为135kV；低压配电网的电压一般为380/220V。,电气工程概论,3,电气工程概论,4,电力线路,电力线路分为架空线路和电缆线路架空线路主要由导线、避雷线（又称架空地线）、杆塔、绝缘子串合金具等部分组成。导线用来传导电流，输送电能。避雷线用来将雷电流引入大地，保护线路免遭直击雷的破坏。杆塔用来支撑导线和避雷线。绝缘子用来使导线与导线、导线与杆塔之间保持绝缘状态。金具用来固定、悬挂、连接和保护架空线路各主要元件的金属器件的总称。,电气工程概论,5,电气工程概论,6,电缆是将导电芯线用绝缘层及防护层包裹，敷设于地下、水中、沟槽等处的电力线路。特点：造价高，故障定位和检修困难；占地面积少，供电可靠；不影响城市环境。,电气工程概论,7,变电站的功能和构成,变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施，它通过变压器将各级电压的电网联系起来。主要设备：变换电压的变压器；开闭电路的开关设备；汇集和分配电能的母线；计量和控制用的互感器、仪表、继电保护装置；防御过电压的防雷装置，如：避雷器、避雷针等；通信装置；无功补偿装置。,电气工程概论,8,变电站,电气工程概论,9,电气工程概论,10,变压器,电气工程概论,11,配电系统的功能和构成,配电系统是电力系统的一部分，由电压等级为110kV及以下的线路和设备构成，电力系统通过配电网络直接向用户供电，主要由配电变电站、配电线路等构成。主要包括：1kV以下低压配电；135kV中压配电；35110kV高压配电。,电气工程概论,12,电网调度和运行,电能特点：电能目前不能大量存储；暂态过程非常迅速，以10-310-6s计；意外供电中断，给国民经济造成重大损失；电能质量要求十分严格。电力系统调度管理是指对电力系统全局安全经济运行和事故处理的问题进行计划、指挥、控制、协调等工作的总称。调度管理的任务保证电网经济、安全可靠运行，提供合格的电能质量。调度管理的内容电力系统分层调度管理：国调、网调、省调、地调、县调。,电气工程概论,13,某电力系统地区调度室,电气工程概论,14,电网的安全稳定控制,电力系统安全控制的主要内容包括对电力系统进行安全监视和安全分析，提出安全控制对策并予以实施。安全监视：利用数据采集和传输系统获得电力系统实时信息，供运行人员及时处理。安全分析：在安全分析的基础上，对预想事故的影响进行估算。分为静态安全分析和动态安全分析。安全控制：在电力系统各种运行状态下，为保证系统安全所进行的各种调节、校正和控制。包括：预防性安全控制、紧急状态下的安全控制和事故后的恢复控制。,电气工程概论,15,电力系统故障主要包括单相接地短路、两相接地短路、两相短路、三相短路、断线等；故障可能引起的后果：短路故障点强大的短路电流及燃起的电弧，可能损毁设备；部分区域电能质量下降；短路电流的热效应和电动力效应会损坏设备或缩短设备寿命；电力系统稳定性遭到破坏，产生振荡，甚至引起系统瓦解。,电气工程概论,16,电力系统非正常运行状态主要包括过负荷、过电压、非全相运行、振荡（非同步运行）、次同步谐振、同步发电机短时失磁异步运行等。故障和非正常运行都能引起系统事故（如电压崩溃事故、频率崩溃事故）。事故是指系统的全部或部分的正常运行遭受破坏，造成对用户停止供电、少送电或电能质量下降，甚至造成人身伤亡、设备损坏等。继电保护装置就是能迅速反应电力系统中电气元件发生的各种故障及不正常运行状态，并有选择性地动作于跳闸或发出信号的一种自动装置。此外，自动重合闸、备用电源自动投入装置、按频率自动减负载、自动发电控制装置、自动励磁调节装置、电力系统安全稳定装置等自动装置都是保证电力系统安全稳定运行的重要自动化设备。,电气工程概论,17,3.5 电力应用,照明,照明大致分为两种：一是由电能转化成热能，然后再转化成光能的光源，如白炽灯等。另一种是利用放电而转化成光能的光源，如荧光灯、高压汞灯、霓虹灯等。,电气工程概论,18,电加热,电加热是以电能为能源加热物料，并通过电炉、电焊机等来实现加热的一种方法。电加热大致分为两种：一是电能在电炉、电热器具上转变成热能后加热物料，如电炉、电弧炉、感应炉、微波炉、光波炉等。另一种是利用电能驱动热泵，把热能从温度较高的物体输送给温度较低的物体,如热泵等。应用:工业领域：冶炼、热处理、焊接等农业领域：温室培育等家庭生活：烹饪、取暖等,电气工程概论,19,电力拖动,电力拖动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种拖动方式，又称电气传动或电力传动。,电动机,功率开关,控制器件,电源,传递机构,工作机械,机械连接,电连接,电力拖动的应用领域极其宽广，从一般的家用电器到工业机床设备、电动交通工具等，在国防、国民经济和人民生活的方方面面都有应用，是电能最主要的应用方式之一。,电气工程概论,20,电力拖动,电力牵引就是其中一个较大的应用领域。如：电气化铁路、地下铁道及其他电力牵引城市轨道交通、矿山电力机车、城市公共电车。,电气工程概论,21,3.6 电力市场简介,电力市场的概念,电力市场是采用经济、法律等手段，本着公平竞争、自愿互利的原则，对电力系统中发电、输电、供电、用电等各组成员协调运行的管理机制和执行系统的总和。电力市场的基本特征：开放性、竞争性、计划性和协调性。电力市场首先是一种管理机制，同时还是体现这种管理机制的执行系统。包括贸易场所、计量系统、计算机系统、通信系统等。电价是电力市场的杠杆和核心内容。转运业务是电力市场重要的贸易形式。,电气工程概论,22,电力市场的兴起,我国电力体制改革的三个阶段：第一阶段：1985年实施集资办电政策20世纪90年代初期，解决缺电问题。第二阶段：20世纪90年代初期1998年撤销电力工业部前，提出逐渐实施电力体制改革，方案为：政企分开、厂网分开、输供分离、实施公司化改组；统一开放、竞价上网、建立电力交易市场；依法管理、竞争有序，建立健全电力市场法规体系和监管体系。第三阶段：1998年撤销电力工业部目前，实行“厂网分开、竞价上网”试点。,电气工程概论,23,电力市场的基本原则,基本目标是：打破垄断，引入竞争，提高效率，降低成本，健全电价机制，优化资源配置，促进电力发展，推进全国联网，构建政府监管下的政企分开、公平竞争、开放有序、健康发展的电力市场体系。电力市场最基本的原则是公平。为保证电力市场公平竞争的原则，必须做到：电力市场要有公开性（包括成本、定价、计量、计划等），以便监督；扩大自由选择权力，保证电网的开放；必须建立有关法律法规、标准、规约，使竞争规范化。,电气工程概论,24,电价和电力市场运行模式,制定电价的基本原则为：成本为主，合理利润，公平负担，促进用户合理用电。我国电力市场两种可能的运行模式：统一市场：以个发电厂、供电公司为单位统一在网级电力市场中竞争，为了适应现状，各省设结算中心和调度中心；联合市场：以省为单位参加竞争（分层模式），保留现有的省级电力市场的所有职能（交易中心、调度中心、报价系统），省级电力市场的交易仍然由省网交易中心控制；网级电力市场进行网控发电公司/发电厂、网控负荷和各省网之间的市场竞争。,电气工程概论,25,电力市场下的电力系统,电力市场给电力系统的科学研究、发展建设和运营管理等方方面面带来机遇和挑战。主要技术问题：如何灵活控制潮流？最优输送？电网的安全、稳定运行？如何实现统一调度？,电气工程概论,26,3.7 电力新技术和发展趋势,我国发展能源的指导方针是：大力（优先）发展水电，继续发展火电，适当发展核电，积极发展新能源发电，同步发展电网，促进全国联网。电力技术属于传统技术的范畴，技术创新和出现重大突破的机会要比信息科学、生命科学、材料科学等新兴学科少得多。但是，应该看到，电力技术与其他学科的相互交叉和渗透的趋势越来越明显。电力研究的一些前沿课题反映了这种趋势。,电气工程概论,27,1 高压交流输电技术三相高压交流输电技术 常规的三相交流输电在远距离输电工程中占主导地位，在未来相当长的时间内仍然是输电和联网的主要方式；前苏联建成了900km的1150kV特高压输电线路并经过了试运行，后因无电可送等原因而降压为500kV运行；未来交流输电发展的重点将是采用新技术充分利用线路走廊输送更多的电力。,电气工程概论,28,多相交流输电 多相交流输电以多相（相数大于3）交流电形式实现电能输送；特点：相同的线路走廊和占地面积，多相输电可提高由线路发热条件决定的负荷容量，可设计得更“紧凑”适合线路路径受限制的地区，可以接入三相交流输电系统，不需经过多相交流变电所；多相交流输电已经入工业性试验和试运行阶段。,电气工程概论,29,灵活交流输电灵活交流输电（FACTS）是基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压、相位实施灵活快速调节的输电技术；出现背景：发展互联电网的需要；发展电力市场的需要；电力电子器件的快速发展使灵活交流输电的设想成为现实。灵活交流输电技术的核心就是利用电力电子器件可以按照控制系统的要求，应用现代换流技术和控制技术，实现电压、阻抗或相位大幅度灵活控制。,电气工程概论,30,2 高压直流输电技术端对端直流输电该技术是一项成熟的远距离输电技术，预计端对端直流输电在未来仍是远距离输电和联网的重要方式。,多端直流输电技术 为了解决直流输电多电源供电、多落点受电问题，研究出多端直流输电技术。,电气工程概论,31,新一代直流输电技术未来直流输电技术的发展趋势是在应用可关断器件组成的换流器进一步改善输电性能的同时，大幅度简化设备，减少换流站的占地，降低造价，以便在技术经济上比其它输电方式更具竞争力；典型例子是：所谓轻型直流输电（HVDC Light），它采用IGBT等可关断的器件组成换流器；使用户外换流阀以节省阀厅的建设费用；应用连续调节交流滤波器、有源滤波器等技术大幅度减少户外场的占地。,电气工程概论,32,3 新型输电线路 紧凑型线路紧凑型线路是指增加分裂导线数、缩短相间距离、合理排列相导线等措施以降低线路波阻抗，从而提高线路输送能力的输电线路。研究的主要目的是提高线路的输送能力，节省线路走廊；从20世纪60年代起，美国、前苏联、法国、巴西等国建成了各种电压等级的紧凑型线路，我国也建成了一条500kV的紧凑型线路，正在试运行中。,电气工程概论,33,气体绝缘线路气体绝缘输电线路（GIL）是以六氟化硫气体绝缘的、带有与导体同轴的接地金属外壳的输电线路，与电缆相比，其优点是绝缘击穿后可恢复、承载电流大；气体绝缘输电线路已在美国、德国的水力发电厂的出线等场合得到了应用。未来由于输电线路走廊的获得越来越困难，气体绝缘输电线路的研究和开发受到重视。,电气工程概论,34,超导输电线路超导输电线路是一种低损耗的输电方式；日本正在开发6kV、1000MVA的超导电缆；美国也制造出12.4kV、1250A的三相超导电缆系统；我国也有超导输电线路在南方电网试运行；超导电缆的价格很高，冷冻系统的可靠性有待检验，用于长距离输电工程的前景还不明朗。,电气工程概论,35,4 洁净煤发电技术 当今我国的火力发电机组效率低，污染物排放量大，与先进国家相比有较大差距，所以要大力推广洁净煤发电技术，建设大型循环流化床锅炉，增压硫化燃气-蒸汽联合循环和整体煤气化燃气-蒸汽联合循环示范工程，采用高效脱硫脱硝装置，以使之达到世界先进水平。火电厂生产流程主要包括四大系统：燃烧系统、汽水系统、电气系统和控制系统。后面的两个系统和本专业关系密切。,电气工程概论,36,5 分布式发电技术当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(IC-internal-combustion engine)、微型燃气轮机（Micro-turbines）和各种工程用的燃料电池（FuelCell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。,电气工程概论,37,应用背景 输电线路建设费用增加。由于公众对输电线路可能产生的电磁影响的忧虑，开辟新的线路走廊越来越困难。例如，北美和西欧许多国家已决定一般不再兴建新的输电线路。于是，直接安置在用户近旁的分布式发电装置便成为一种替代方案。与大电网配合提高供电可靠性。分布式电源可大大地提高供电可靠性，可在电网崩溃和意外灾害（例如地震、暴风雪、人为破坏、战争）情况下，维持重要用户的供电。加拿大魁北克省1997年冰雪灾造成输配电线路灾难性破坏，引起大面积停电，许多重要用户长期不能恢复供电。,电气工程概论,38,微型燃气轮机微型燃气轮机（MicroTurbine）,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96000r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。,电气工程概论,39,燃料电池燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。,电气工程概论,40,分散的电能储存技术由于分布式的电源的应用及提高电网可靠性和调峰的需要，分散的储能系统的重要性日益增加。如：电池储能系统、超导储能系统、飞轮储能系统、燃料电池储能系统等。,电气工程概论,41,6 定质电力技术定质电力（CustomPower）技术是应用现代电力电子技术和控制技术为实现电能质量控制，为用户提供用户特定要求的电力供应的技术。在现代企业中，由于变频调速驱动器、机器人、自动生产线、精密的加工工具、可编程控制器、计算机信息系统的日益广泛使用，对电能质量的控制提出了日益严格的要求。这些设备对电源的波动和各种干扰十分敏感，任何供电质量的恶化可能会造成产品质量的下降，产生重大损失。重要用户为保证优质的不间断供电，往往自己采取措施，如安装不间断电源(UPS)，但是这并不是经济合理的解决办法。根本的出路在于供电部门能根据用户的需要，提供可靠和优质的电能供应。,电气工程概论,42,为提高配电网无功调节的质量，已开发出用于配电网的静止无功发生器。它由储能电路、GTO或IGBT变换电路和变压器组成。它的功能是快速调节电压，发生和吸收电网的无功功率，同时可以抑制电压闪变。这是“定质电力”的关键设备之一。此外，静止无功发生器和固态开关配合，可在电网发生故障的暂态过程中保持电压恒定。另一关键设备是动态电压恢复器（DVR），它由直流储能电路、变换器和级次串联在供电线路中的变压器构成。变换器根据检测到的线路电压波形情况，产生补偿电压，使合成的电压动态保持恒定。无论是短时的电压低落或过电压，通过DVR均可以使负载上的电压保持动态恒定。,