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1、第第3章章 电力系统及其自动化技术电力系统及其自动化技术 1电气工程概论3.1 电力系统发展简史电力系统发展简史l一次能源：植物能源（柴草等）、矿物能源（煤、油、天然气等）、可再生能源（水、风、潮汐、地热、太阳能等）及核能（核裂变、核聚变）。l二次能源：由一种或多种一次能源经过转换或加工得到的能源产品，二次能源更具优越性,其利用效率高、清洁、方便。l电能是一种被极其广泛地应用的二次能源。电能可以方便地转换成机械能、光能等其它形式的能量供人们使用。电能已成为工业、农业、交通运输、国防科技及人民生活等各方面不可缺少的能源。2电气工程概论311 电力工业简介电力工业简介电力工业主要生产环节电力工业主
2、要生产环节输电输电电力的输电力的输电力的输电力的输送送送送发电发电利用各种利用各种利用各种利用各种能源资源，能源资源，能源资源，能源资源，生产电能。生产电能。生产电能。生产电能。变电变电电压等级电压等级电压等级电压等级的变换的变换的变换的变换配电配电电能的分电能的分电能的分电能的分配供给配供给配供给配供给用电用电电能消费电能消费电能消费电能消费电力工业还包括以下环节：规划、勘测设计、施工建设、电力工业还包括以下环节：规划、勘测设计、施工建设、运行调度、维护改造、安全监察、科研开发、设备制造、运行调度、维护改造、安全监察、科研开发、设备制造、教育培训、法规标准、电力营销（电力市场）等等。教育培训
3、、法规标准、电力营销（电力市场）等等。3电气工程概论18001800年年伏打发明第一个化学电池，人们开始获得连续的电流伏打发明第一个化学电池，人们开始获得连续的电流18311831年年法拉第制造了最早的发电机法拉第制造了最早的发电机法拉第盘法拉第盘18661866年年西门子制成第一台使用电磁铁的自激式发电机西门子制成第一台使用电磁铁的自激式发电机18701870年年格拉姆制成了环形电枢自激发电机供工厂电弧灯用电格拉姆制成了环形电枢自激发电机供工厂电弧灯用电18751875年年巴黎北火车站建成世界上第一个火电厂，用直流发电供附巴黎北火车站建成世界上第一个火电厂，用直流发电供附近照明近照明1879
4、1879年年旧金山建成世界上第一座商业发电厂，两台发电机共旧金山建成世界上第一座商业发电厂，两台发电机共2222盏盏电弧灯。同年先后在法国和美国装设了试验性电弧路灯电弧灯。同年先后在法国和美国装设了试验性电弧路灯18791879年年爱迪生发明白炽灯爱迪生发明白炽灯18811881年年英国建成了世界上第一座小型水电站英国建成了世界上第一座小型水电站18821882年年爱迪生在纽约建成世界上第一座正规发电厂爱迪生在纽约建成世界上第一座正规发电厂欧美电力发展史欧美电力发展史4电气工程概论1882年 法法国人国人德普勒在慕尼黑博览会上表演了电压为德普勒在慕尼黑博览会上表演了电压为15001500200
5、0V2000V的直流发电机组经的直流发电机组经57km57km线路驱动电动泵线路驱动电动泵1884年 英国人制造了第一台汽轮机英国人制造了第一台汽轮机1885年 制成交流发电机和变压器，制成交流发电机和变压器，1886年年3月在马萨诸塞州的大月在马萨诸塞州的大巴林顿建立了第一个交流送电系统，电源侧升压至巴林顿建立了第一个交流送电系统，电源侧升压至3000V，经，经1.2km到受端降压至到受端降压至500V，显示了交流输电的优越性，显示了交流输电的优越性1891年 德国在劳芬电厂安装了第一台三相德国在劳芬电厂安装了第一台三相100kW交流发电机，通交流发电机，通过第一条三相输电线路送电至法兰克福
6、过第一条三相输电线路送电至法兰克福1894年 建成利亚加拉大瀑布水电站。建成利亚加拉大瀑布水电站。1896年采用三相交流输电送年采用三相交流输电送至至35km外的布法罗。结束了外的布法罗。结束了1880年来交、直流电优越性年来交、直流电优越性的争论。的争论。1903年 威斯汀豪斯电气公司装设了第一台威斯汀豪斯电气公司装设了第一台5000kW汽轮发电机组，汽轮发电机组，标志着通用汽轮机组的开始。标志着通用汽轮机组的开始。欧美电力发展史（续）欧美电力发展史（续）5电气工程概论1916年美国建成第一条美国建成第一条90km90km的的132kV132kV线路线路1922年美国在加州建成第一条美国在加
7、州建成第一条220kV220kV线路线路二战后美国于美国于1955、1960、1963、1970和和1973等年份分别等年份分别制成并投运制成并投运30、50、100、115和和130万千瓦汽轮发电万千瓦汽轮发电机组机组1954年瑞典首先建成了瑞典首先建成了380kV线路，采用线路，采用2分裂导线，距离分裂导线，距离960km，将北极圈内的，将北极圈内的Harspranget水电站电力送至水电站电力送至瑞典南部。瑞典南部。1954年前苏联建成第一座核电站，前苏联建成第一座核电站，1973年法国制成年法国制成120万万kW核反应堆核反应堆1964年美国建成第一条美国建成第一条500kV500kV
8、交流输电线路交流输电线路1965年加拿大建成第一条加拿大建成第一条765kV765kV交流输电线路交流输电线路欧美电力发展史（续）欧美电力发展史（续）6电气工程概论1965年苏联建成第一条苏联建成第一条400kV400kV的的470km470km直流输电线路，送电直流输电线路，送电7575万千瓦万千瓦1970年美国建成美国建成400kV400kV的的1330km1330km直流输电线路，送电直流输电线路，送电144144万万千瓦千瓦1989年苏联建成第一条最高电压苏联建成第一条最高电压1150kV1150kV的的1900km1900km交流输电线交流输电线路路减小损耗的最合理的途径就是提高电压
9、。减小损耗的最合理的途径就是提高电压。输电技术全部发展史的特征便是不断提高线路电压输电技术全部发展史的特征便是不断提高线路电压。欧美电力发展史（续）欧美电力发展史（续）7电气工程概论1.1.新中国成立前的我国电力工业新中国成立前的我国电力工业l中国的电力工业始于中国的电力工业始于18821882年，至今年已有年，至今年已有124124年的历史；年的历史；l新中国成立前，全国发电装机容量仅为新中国成立前，全国发电装机容量仅为184.86184.86万千瓦，年发电量只有万千瓦，年发电量只有43.143.1亿亿kWhkWh，分别居当时世界第分别居当时世界第2121位和第位和第2525位；位；l输电电
10、压很低，输电电压等级繁多，全国输电电压很低，输电电压等级繁多，全国没有形成统一的电压级标准。没有形成统一的电压级标准。中国电力工业发展史中国电力工业发展史8电气工程概论18821882年年英籍商人英籍商人R.W.LittleR.W.Little等创办上海电气公司，安装等创办上海电气公司，安装1 1台台1616马力蒸汽发电机组，装设了马力蒸汽发电机组，装设了1515盏弧光灯。盏弧光灯。18821882年年7 7月月2626日下午日下午7 7时，电厂开始发电。时，电厂开始发电。19121912年年 中国第一座水电站在云南昆明石龙坝水电站建成，中国第一座水电站在云南昆明石龙坝水电站建成，装机容量为装
11、机容量为2240kW2240kW。同年建成电压为。同年建成电压为23kV23kV从石龙从石龙坝水电站到昆明的输电线路。坝水电站到昆明的输电线路。19171917年年 建成中国第一台变压器、建成中国第一台变压器、8kW8kW直流发电机、直流发电机、60A60A电镀电镀用直流发电机，用直流发电机，19261926年制成中国第一台年制成中国第一台150kW150kW交流同交流同步三相发电机。步三相发电机。19491949年年前前平津唐地区发电装机共平津唐地区发电装机共14.6614.66万万kWkW，77kV77kV输电线路共输电线路共350km350km，其余为，其余为33kV33kV及以下电压输
12、电和配电。工业最及以下电压输电和配电。工业最集中的华东地区三省一市、华中地区四省全部为孤集中的华东地区三省一市、华中地区四省全部为孤立电网。立电网。9电气工程概论1.1.新中国成立后的我国电力工业新中国成立后的我国电力工业19491949年新中国成立，我国电力工业迅速发展。到年新中国成立，我国电力工业迅速发展。到19781978年，全国电力装机容量已达年，全国电力装机容量已达57125712千瓦，比千瓦，比19491949年增长近年增长近3030倍；年发电量倍；年发电量25662566亿千瓦时，增长近亿千瓦时，增长近5959倍。倍。19871987年，装机容量达亿千瓦；年，装机容量达亿千瓦；1
13、9951995年，装机容量达年，装机容量达2 2亿千瓦；亿千瓦；20002000年，装机容量达年，装机容量达3 3亿千瓦；亿千瓦；20042004年，装机容量达年，装机容量达4 4亿千瓦。亿千瓦。10电气工程概论目前基本上进入大电网、大电厂、大机组、目前基本上进入大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制的新时代。高电压输电、高度自动控制的新时代。l全国总装机全国总装机4 4亿亿kWkW（20042004年年4 4月月)，发电量为，发电量为1800018000亿亿kWh kWh（20032003年底）均居世界第二位；年底）均居世界第二位；l20072007年，全国总装机年，全国总装机达达
14、7.137.13亿亿kWkW，发电量发电量达到达到32559 32559 亿亿kWhkWh。11电气工程概论3.2 电力系统简介电力系统简介 1 1、电力系统的功能与作用、电力系统的功能与作用p 电力系统电力系统是由发电、变电、输电、配电、用电等设备和相是由发电、变电、输电、配电、用电等设备和相应的辅助系统，按规定的技术和经济要求组成的一个同一系应的辅助系统，按规定的技术和经济要求组成的一个同一系统。统。p发电、变电、输电、配电、用电等设备称为电力主设备，也发电、变电、输电、配电、用电等设备称为电力主设备，也称为称为一次设备一次设备，由主设备构成的系统称为主系统，也称为，由主设备构成的系统称为
15、主系统，也称为一一次系统次系统；p测量、监视、控制、继电保护、安全自动装置、通信，以及测量、监视、控制、继电保护、安全自动装置、通信，以及各种自动化系统等用于保证主系统安全、稳定、正常运行的各种自动化系统等用于保证主系统安全、稳定、正常运行的设备称为设备称为二次设备二次设备，二次设备构成的系统称为辅助系统，也，二次设备构成的系统称为辅助系统，也称为称为二次系统二次系统。12电气工程概论 电力系统的基本任务是安全、可靠、优质、经电力系统的基本任务是安全、可靠、优质、经济地生产、输送与分配电能，满足国民经济和人民生济地生产、输送与分配电能，满足国民经济和人民生活需要。活需要。为了发挥为了发挥电力系
16、统电力系统的功能和作用，应满足以下的功能和作用，应满足以下基本要求：基本要求：满足用户需求；满足用户需求；安全可靠性要求；安全可靠性要求；经济性要求；经济性要求；环保和生态要求。环保和生态要求。13电气工程概论2 2、现代电力系统的特点、现代电力系统的特点p 电力系统技术上的发展是以电力系统技术上的发展是以“大机组、大电网、高电压、大机组、大电网、高电压、高度自动化高度自动化”为特征来描述；为特征来描述；p数字化、网络化、信息化、智能化数字化、网络化、信息化、智能化技术日益提高电力系统的技术日益提高电力系统的自动化水平；自动化水平；p洁净煤技术、水电开发、核电的发展越来越得到重视，洁净煤技术、
17、水电开发、核电的发展越来越得到重视，新能新能源源的开发利用，特别是的开发利用，特别是可再生能源可再生能源的开发利用也是现代电力的开发利用也是现代电力技术的发展趋势；技术的发展趋势；p建立健全的建立健全的电力市场电力市场机制是提高效率、降低成本，促进电力机制是提高效率、降低成本，促进电力资产的合理利用与发展的有效保证。资产的合理利用与发展的有效保证。14电气工程概论3 3、电力资源与负荷、电力资源与负荷p 我国一次能源蕴藏量较为丰富，我国一次能源蕴藏量较为丰富，煤炭煤炭资源总蕴藏量为资源总蕴藏量为2.62.6亿亿万吨，列世界第万吨，列世界第2 2位；位；水力资源水力资源蕴藏量有蕴藏量有6.766
18、.7610108 8kWkW，其中，其中可供开发的就有可供开发的就有3.73.710108 8kWkW，居世界首位，居世界首位；其他如；其他如石油、核石油、核料、风能、太阳能、地热料、风能、太阳能、地热等能源也较丰富。等能源也较丰富。p中国资源的分布（西部为主）、中国能源的结构（水、煤为中国资源的分布（西部为主）、中国能源的结构（水、煤为主）、中国经济的发展格局（东部领先）决定了中国电网的主）、中国经济的发展格局（东部领先）决定了中国电网的发展格局：发展格局：西电东送、南北互供、全国联网西电东送、南北互供、全国联网。15电气工程概论 电力系统的负荷按供电可靠性分为三类：电力系统的负荷按供电可靠
19、性分为三类：一级负荷一级负荷：对一级负荷中断供电，将可能：对一级负荷中断供电，将可能造成生命危险、损坏设备、破坏生产过程，造成生命危险、损坏设备、破坏生产过程，使大量产品报废，给国民经济造成重大损使大量产品报废，给国民经济造成重大损失，使市镇生活发生混乱。失，使市镇生活发生混乱。二级负荷二级负荷：对二级负荷停止供电，将造成：对二级负荷停止供电，将造成大量减产，交通停顿，使城镇居民生活受大量减产，交通停顿，使城镇居民生活受到影响。到影响。三级负荷三级负荷：不属于一、二级负荷的其他负：不属于一、二级负荷的其他负荷。荷。16电气工程概论4 4、电力系统构成、电力系统构成p 电力系统电力系统是由发电厂
20、、输配电系统及负荷组成是由发电厂、输配电系统及负荷组成的统一整体，通常覆盖广阔的地域。的统一整体，通常覆盖广阔的地域。发电厂输电线路配电线路变压器变压器用户220kV10kV380V12kV17电气工程概论500kV500kV小型燃小型燃气轮机气轮机水水库库核核岛岛锅锅炉炉23kV23kV500kV500kV500kV500kV500kV500kV500kV500kV500kV500kV500kV500kV500kV500kV500kV500kV220kV220kV220kV220kV220kV220kV110kV110kV10kV10kV380V/220V380V/220V10kV10kV供
21、配电系统供配电系统区域电力系统区域电力系统18电气工程概论水电厂水电厂核电厂核电厂火电厂火电厂工厂电气铁路风电地区变电所配电变电所居民区输电线路居民配电线路110500变电站变电站500kV10kV枢纽变电所枢纽变电所110kV19电气工程概论5 5、电力系统设备、电力系统设备p一次设备一次设备是指电力系统中发电、变电、输电、配电、用是指电力系统中发电、变电、输电、配电、用电等设备的总称；电等设备的总称；包括：发电设备、输电设备、变电设备、配电设备、用包括：发电设备、输电设备、变电设备、配电设备、用电设备等。电设备等。p二次设备二次设备是指电力系统中用来测量、监视、控制、继电是指电力系统中用来
22、测量、监视、控制、继电保护、安全自动装置、通信，以及各种自动化系统等用保护、安全自动装置、通信，以及各种自动化系统等用于保证主系统安全、稳定、正常运行的设备。于保证主系统安全、稳定、正常运行的设备。包括测量仪表、控制装置、继电保护及自动装置、直流包括测量仪表、控制装置、继电保护及自动装置、直流电源设备等电源设备等。20电气工程概论6 6、交流系统与直流系统、交流系统与直流系统p直流电直流电是指电流的大小相对于时间是恒定的，方向也是指电流的大小相对于时间是恒定的，方向也不改变。不改变。p交流电交流电是指电流的大小及方向随时间做周期性变化。是指电流的大小及方向随时间做周期性变化。通常交流电是指按正
23、弦规律变化的。通常交流电是指按正弦规律变化的。电压时间0-+a.直流电压时间0-+b.交流21电气工程概论三相降压变压器三相降压变压器三相升压变压器三相升压变压器三相发电机三相发电机三相输电线路三相输电线路三相电动机三相电动机简化简化 22电气工程概论交流系统交流系统I I直流输电线直流输电线路路交流系统交流系统IIII换流站换流站I I换流站换流站IIIII Id d+-+-直流输电系统示意图直流输电系统示意图23电气工程概论7 7、电力系统的运行、电力系统的运行p电力系统的基本参量：电力系统的基本参量：电压、电流、阻抗（电阻、电抗、容抗）、功率（有功功电压、电流、阻抗（电阻、电抗、容抗）、功率（有功功率、无功功率）、频率等。率、无功功率）、频率等。电流电压B相波形C相波形A相波形时间024电气工程概论功率电压电流0时间瞬时功率瞬时功率瞬时功率瞬时功率平均功率平均功率平均功率平均功率有功功率有功功率有功功率有功功率无功功率无功功率无功功率无功功率视在功率视在功率视在功率视在功率交流电路的功率交流电路的功率25电气工程概论