1-电力系统概述

电气工程基础FundamentofElectricalEngineering李金灿[e-mail]电气工程及其自动化教研室1.设置背景2.本课程特点、前修课程、后续课程特点：加强基础，拓宽专业知识面前修课程：电路、电机学后续课程：电力系统分析、继电保护、电力系统自动化、高电压技术3.学习方式、要求4.考核方式：笔试（开卷/闭卷，60％），平时（40％：考勤+作业+实验）教学目的：•电气工程入门课程，学完本课程后即可以从事与电力工程相关的设计、运行、检修工作；•要求了解电力生产过程及其设备；•要求掌握电力生产过程中的基本理论、基本技术、基本计算方法；第1章电力系统概述1.1电力系统的发展历程1.2电力系统基本概念1.3发电系统1.4电能的质量指标1.5电力系统的电压等级1.6变电站及类型引例•电力工业是国民经济发展的先行基础行业2003年8月14日美国和加拿大东部广大地区遭遇了当地历史上最大规模的停电，局面一片混乱。加拿大南部安大略省的大部分地区一切似乎都陷入停滞之中，1000万人无电可用。停电还袭击了美国东部地区，纽约、底特律和克利夫兰电力都全部中断。停电后，纽约交通陷入一片混乱，这是美国CNN电视台的现场直播画面•事故最早出现于俄亥俄州北部克利夫兰地区一条34.5万伏的超高压输电线路。14日下午3时许，输电线路突然出现过载现象。按照设计，过载电流可以由附近其它线路“吃进”，但大量电流回流，导致输电线路温度急剧升高，并随高压电线急剧扩散，最终烧断。26分钟后，“吃进”过载电流的第二条34.5万伏超高压输电线路因温度过高，导致线路软化，落在树枝上，短路停电。2条输电线路相继“罢工”，导致克利夫兰地区剩余3条超高压输电线路工作负荷急剧增加，最终“不堪重负”，分别在3:41、3:46和4:06断电。•此后5分钟内，从美国东部到加拿大五大湖区，巨大的电流无路可走，在迂回数千公里的输电线和变压站之间乱窜。俄亥俄州的几座主要发电厂出于保护电机设备的需要，过载保护应急系统自动启动，率先关闭发电机组。此后，密歇根州、纽约及加拿大安大略省的发电机组也相继自动关闭，14日下午4时11分，美加中东部近5000万人陷入一片黑暗之中。停电面积24000平方公里，最长停电29小时，损失300亿美元。美媒体认为，美电网设备老化，防备松懈，电力管制被取消，是薄弱环节。俄人士认为，此次事故的根源在于，美国没有一个能够协调组织各地区电力调运的统一电力系统和调度中心。美国没有建立起完善的备用电力系统，电力指挥调度也不够先进，因此未能及时将重要设施与备用系统相连接。•2003年8月28日，在美加大停电两周后，英国伦敦和东南部地区也发生了大停电，伦敦断电酷似美加大停电，地铁线路几近完全瘫痪，许多地铁乘客在交通高峰时刻被困在地下隧道中。伦敦地区500—1000列铁路火车停驶、60％的地铁交通中断，270个公路交通信号灯停止，引起公路堵车，25万名上班族被困在回家路上。思考：1、什么是电力系统？2、动力系统、电力网和电力系统是如何划分的？各由哪几部分组成？3、电力系统的发展伴随着那几个问题？电力系统概述1.1电力系统的发展历程•1830年法拉第发明电磁感应定律，为未来电力工业发展奠定基础。•1875年第一台火力发电机组（直流发电机）在法国巴黎火车站，照明。•1879年美国旧金山实验电厂开始发电，这是世界上最早出售电力的电厂。•1882年美国爱迪生纽约珍珠街电力系统，6台直流发电机，110V，照明。世界电力工业发展•1884年变压器发明。为三相交流及大容量、远距离输电奠定基础。•1889年美国Oregon和Portland建立长21公里的交流输电系统。•1891年德国世界上第一个三相交流输电系统，距离179英里、电压12000伏。•1897年电压为44000KV的输电线路在美国Utah州建成。•1882年英国商人在上海创办了上海电气公司，装机容量12KW，5盏电灯。•1913年上海杨树浦发电厂发电，1924年该厂装机12台，总容量121MW，成为当时远东第一大发电厂。•1949年以前，仅东北有220KV和154KV的电网（日本人建造）。我国电力工业发展•80年代，形成了17个以220KV为骨干输电网的跨省地区电网和省际电网。1972年由甘肃天水－陕西关中的534KM的我国第一条330KV输电线路工程。•1981年由河南平顶山－湖北武汉的全长595KM的我国第一条500KV输电线路。•1989年建成了我国第一条远距离±500KV葛洲坝－上海的直流输电线路。•1997年，三峡工程建设，26台700MW，15回500kV交流及三回±500KV直流，连接华东、华中、河南、四川、广东等电网，中国电网联网的核心。•2006年，甘肃官厅第一条750kV交流输电线路。•2009年1月6日，中国自主研发、设计和建设的晋东南-南阳-荆门1000千伏特高压交流试验示范工程正式投运，到目前一直保持稳定运行。特高压交流1100千伏电压电网被国际电工委员会和国际大电网组织推荐为国际标准电压。•2009年7月底，中国220千伏及以上输电线路达到37.5万公里，电网规模超过美国，跃居世界第一位。1.2电力系统基本概念一、电力系统的形成1、电力系统:是指完成电能生产、输送、分配和消费的统一整体。发电用电输电变电配电发电机降压变升压变输电线负荷D水库水轮机水电厂变电所变电所发电机升压变锅炉汽轮机火电厂变电所输电线2、电力系统的含义电力发电厂电力网用户输送和分配变压器、输电线路用电设备发电机按照一定规律连接而组成的统一整体，称为电力系统发电厂的动力部分+动力系统锅炉、汽机；水库、水轮机；反应堆等发电厂电力网用户按照一定规律连接而组成的统一整体，称为电力系统发电厂的动力部分+动力系统发电机升压变输电线路降压变用电设备水库电力系统的基本参数？水轮机2、电力系统的含义（5）年用电量（所有用户全年所用电量总和，MWh）（4）最大负荷（一段时间内有功负荷最大值，MW）（3）最高电压等级（电力线路的最高额定电压，kV）（2）系统年发电量（发电机全年发电量总和，MWh）（1）系统装机容量（发电机额定有功功率总和，MW）发电厂电力网用户发电机升压变输电线路降压变用电设备水库（6）额定频率（交流工频：50Hz）水轮机3、发电厂发电厂电力网用户发电机升压变输电线路降压变用电设备水库发电厂是生产电能的工厂，它把其他不同类的一次能源转换成电能。火力发电厂（火电厂、热电厂）水力发电厂（堤坝式、径流式、抽水蓄能式）核动力发电厂（压水堆、沸水堆）其他发电厂（风力、太阳能、地热、沼气、潮汐、海浪）水轮机4、电力网发电厂电力网用户发电机升压变输电线路降压变用电设备水库电力网是由2个及以上变电站和不同电压等级的电力线路组成的网络。其作用是输送、控制和分配电能。地方电力网（35～110kV，50km以内，配电网）区域电力网（110～220kV，50～300km）超高压电力网（330～750kV，300～1000km）特高压电力网（1000kV）水轮机电力网是由2个及以上变电站和不同电压等级的电力线路组成的网络。其作用是输送、控制和分配电能。地方电力网（35～110kV，50km以内，配电网）区域电力网（110～220kV，50～300km）超高压电力网（330～750kV，300～1000km）特高压电力网（1000kV）GG水力发电厂火力发电厂500kV220kV110kV10kV35kV110kV35kV变电站A变电站B变电站C变电站D地方电力网区域电力网超高压电力网目前，我国电力系统已形成东北、华北、华东、华中、西北、南方共6个跨省电网，由两大集团（国家电网和南方电网）分别管理，其中南方电网管理广东，广西，云南、贵州、海南5省。枢纽变电站（高压侧电压为330～1000kV，汇集多个电源）中间变电站（一般汇集2～3个电源，起到交换功率或使长距离输电线路分段的作用）终端变电站（电力网末端，降压变电站向本地供电）GG水力发电厂火力发电厂500kV220kV110kV10kV35kV110kV35kV变电站A变电站B变电站C变电站D地方电力网区域电力网超高压电力网5、变电站变电站是联系发电厂和用户用电设备的中间环节，一般安装有变压器及其控制和保护装置。起变换和分配电能的作用。电力网是由2个及以上变电站和不同电压等级的电力线路组成的网络。其作用是输送、控制和分配电能。GG水力发电厂火力发电厂500kV220kV110kV10kV35kV110kV35kV变电站A变电站B变电站C变电站D地方电力网区域电力网超高压电力网6、电力线路电力线路包括输电线路和配电线路。就其结构来说，主要分为架空线路和电缆线路两大类。通常将220kV及以上的电力线路称为输电线路，110kV及以下的电力线路称为配电线路。配电线路又分为高压配电线路（110kV）、中压配电线路（6～35kV）和低压配电线路（380/220V）。7、用电设备及电气设备用电设备是消耗电能的，主要有感应电动机、同步电动机、电热电炉、整流设备、变频设备和照明设备等。用于安全、优质、可靠、经济地生产、输送、分配电能的设备，称为电气设备。一次设备二次设备对一次设备的工作进行监视、测量、操作和控制的设备发电机、变压器、断路器、隔离开关、母线、输电线路和电力电缆等测量表计、控制及信号器具、继电保护装置、自动装置、远动装置等发电机升压变输电线路降压变用电设备水库水轮机电气设备直接用于生产、输送和分配电能的电气设备二、电力系统的特点电能的生产、输送、分配及使用与其他工业不同，它具有下述特点；1、电能不能大量存储发电与用电实时平衡。电能生产的最大特点。2、暂态过程十分短暂正常运行操作、故障排除、恢复供电等都需要快速动作。3、地区性特点较强我国提出西电东送、南北互供的电力发展战略方针。4、与国民经济各部门有着极为密切的关系三、对电力系统的要求1、为用户提供充足的电力要求规划好、管理好2、保证供电的安全可靠不断电，要求元件可靠、系统稳定3、保证良好的电能质量电能质量三指标：电压、频率和波形4、提高电力系统运行经济性降低煤耗、水耗，减少厂用电和电网损耗，降低电力成本1.3发电系统1、能源种类•一次能源——煤、石油、天然气、水等随自然演化而成的动力资源是能源的直接提供者，称为一次能源。•二次能源——电能是由一次能源转化而成的，称为二次能源。一、电能（1）是一种优良的能量形式便于输送使用转换水能化学能核能电能机械能光能热能2、电能的特点控制：便于实现生产过程自动化洁净（2）是一种良好的信息载体•能源方针：立足火电，优先发展水电，大力发展核电，提倡新能源。•中国五大发电集团：中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司、中国电力投资集团公司将煤、油、天然气或其它燃料的化学能转换成电能。燃料的化学能→热能→机械能→电能。燃煤：100万kW电厂300~400万t/a。效率：34～45％，乏汽损失占燃煤发热量的42％。二、火力发电（74.49%）1、特点火电厂凝汽式—效率低（37~50%）、容量大，坑口电厂热电厂—效率高（60~70%）、容量小，城市区三大主机(锅炉、汽轮机、发电机)及其辅助设备；燃料供应及煤粉制备系统；锅炉燃烧及除尘除灰系统；热力(汽水)系统；循环水冷却系统(江河、冷却塔、冷却池)；补充水系统；电气系统；热力控制系统。2、火电厂设备与系统2、火电厂设备与系统三大主机(锅炉、汽轮机、发电机)及其辅助设备燃料供应及煤粉制备系统2、火电厂设备与系统锅炉燃烧及除尘除灰系统2、火电厂设备与系统循环水冷却系统2、火电厂设备与系统安全问题：采矿和运输中的安全性灾难等。环境问题：酸雨、温室效应、可吸入颗粒物等。效率问题：凝汽式火电厂效率为40%，热电厂为60%~70%。3、火力发电存在的问题江苏谏壁发电厂始建于1959年，于1987年9月全部建成，共安装10台机组，总容量162.5万千瓦，年发电量在100亿度