《电气工程基础》课件

电气工程基础现产传电气工程是代工程学科中不可或缺的重要部分，它涉及电能的生、输环节课将带领、分配及使用的各个本程学生全面了解电力系统的构成、特数养专性和运行原理，深入研究电力设备的工作机制和学模型，培电气工程业分析能力过习将为通系统学，学生能够掌握电力系统分析的基本方法，今后从事电气关坚论础课论践结将工程相工作奠定实的理基本程注重理与实合，深入探讨领术趋势电气工程域的前沿技和发展课程简介课程性质课程学时12础课计时电气工程基是电气工程及其本程总40学，其中理专专课论时验自动化业的业核心程，教学34学，实教学6学时论践结是学生了解电力系统整体运行理与实相合的教学为专机制的重要渠道作业核模式有助于学生更好地理解和课课内应心程，它承担着帮助学生构掌握程容，提高实际用识关键建电气工程知体系的作能力用先修课程3习课应当础课学本程前，学生已经完成电路原理、电机与拖动等基程习这课为习础识的学些先修程学电气工程基提供了必要的知准备和技能支持课程目标了解电力系统分析方法掌握电力设备特性和数学模型课将绍稳态暂态系统认识电气工程问题程介电力系统分析、分析将习压线计养应学生学发电机、变器、输电路等、短路算等基本分析方法，培学生过课习将认数这问题为通本程的学，学生能够系统地主要电力设备的工作特性，并掌握其学用些方法解决实际工程的能力，识领问题这进续专课习践础电气工程域的基本，建立起电力模型的建立方法些模型是行电力系后业程学和工程实奠定基组计础对系统的整体概念，理解电力系统各成部统分析与算的基，理解设备运行机内关分之间的在联系与相互作用机制理至重要课程内容概览发电与变电技术电力系统基础2压论发电厂类型与原理、变器理1负电力系统概述、电力荷分析输电与配电技术3线数输电路参、等效电路5系统控制与保护系统分析方法压调频继4电整、率控制、电保护稳态计计分析、潮流算、短路算课内领组开课逻辑顺绍础本程容涵盖电气工程的核心域，从电力系统的基本成始，逐步深入到系统分析与控制方法程按照序，先介基概习讲术念，再学各类电力设备的工作原理，最后解电力系统的分析方法和控制技过习将论应领为专坚础通系统学，学生全面了解电气工程的理体系和用域，今后的业发展打下实基第一章电力系统概述电力系统的定义与组成环节组杂电力系统是由发电、输电、变电、配电和用电等成的复工程系现应础统，是代社会能源供的重要基设施电力系统的特点产费时储杂电力系统具有生与消同性、电能不可存、系统复性等特点，这些特性决定了电力系统运行与控制的特殊性电力系统的发展历史爱现历单从迪生的第一个发电站到代智能电网，电力系统经了从机到互传历联、从手动到自动、从统到智能的发展程现代电力系统面临的挑战转场给现带能源型、可再生能源并网、电力市化改革等因素代电力系统来战了新的挑和发展机遇电力系统的定义与组成用电1工业、商业、农业、居民等用户配电235kV及以下配电网，向用户供电输电3压线110kV-1000kV高输电路变电4压压升变电站和降变电站发电5各类发电厂火电、水电、核电、风电等产传环节组环节将转换为环节过压压级电力系统是一个完整的电能生、输和使用系统，由发电、输电、变电、配电和用电五个主要成发电一次能源电能；变电通变器改变电等；环节过压线远传环节将环节费过输电通高输电路距离输电能；配电电能分配到各个用户；用电是各类用户消电能的程这环节紧连协调现规庞结杂创杂五个密相，共同构成一个统一的整体代电力系统模大，构复，是人类造的最大、最复的人工系统之一电力系统的特点生产与消费的同时性电能不可储存性产费规应电力系统中，电能的生与消必与其他能源不同，电能在大模须时进须时难储须时同行，发电量必刻与用用中以直接存，必在需要这产产虽现电量保持平衡一特点要求电力生，在生后立即使用然须调节术储系统必具备快速的能力，以代技发展了一些能设施，如抽应负组适荷的变化如果发电量与用水蓄能电站、大型电池等，但其将导频对电量不平衡，致系统率偏离容量相于电力系统总容量仍然很额严时溃储定值，重可能引起系统崩小，不能从根本上改变电能不可存的特性系统的复杂性杂态组压线电力系统是一个高度复的动系统，包含大量的发电机、变器、输电这过络连路和各类用电设备，些设备通电力网相互接，共同运行系统中任何传杂来一点的扰动都可能播到整个系统，因此需要复的控制和保护系统确保其稳安全定运行电力系统的发展历史成熟阶段1950-2000初创阶段1882-1900现压压电力系统实了全国性甚至跨国互联，形成了超高、特高输电爱纽约开术应调计术1882年，迪生在珍珠街建立了世界上第一座中央发电站，系统自动化技广泛用于电力系统的度和控制，算机技现历这阶规为开挥启了代电力系统的史一段的电力系统模小，多孤立始在电力系统分析和控制中发重要作用，系统的运行效率和可围为负的直流供电系统，供电范有限，主要照明荷服务靠性达到新的高度1234形成阶段1900-1950智能化阶段2000至今术组应渐术术随着交流输电技的发展和大型发电机的用，电力系统逐从随着信息技和新能源技的发展，电力系统正在向智能电网方向为区这时小型孤立系统发展域性互联电网一期，电力系统的输电发展大量可再生能源接入电网，分布式发电日益普及，智能化、压级断显开为渐电等不提高，供电能力和可靠性著增强，始向工业和居信息化、互动化成电力系统发展的新特征，能源互联网概念逐规民大模供电兴起现代电力系统面临的挑战可再生能源并网电力市场化改革网络安全威胁规围内场大模风电、光伏等可全球范的电力市随着电力系统信息化、给进再生能源的接入电力化改革正在深入推，智能化水平的提高，电稳带来垄断结临络系统的定运行了的电力工业构逐力系统面的网安全战这渐竞场结胁严恶新的挑些能源的被争性的市构威日益峻意攻这转仅击导间歇性、波动性和不确所替代一变不可能致电力系统的营定性特点，要求电力系改变了电力系统的运信息泄露、控制系统失调节对积统具备更强的能力模式，也电力系统的效甚至大面停电，因规络和更灵活的运行方式划、运行和控制提出此加强电力系统的网时传为当同，统的电力系统了新的要求，需要建立安全防护已成务之规场规则术标划和运行方法也需要新的市和技急进应调行相的整准第二章电力负荷负荷的定义与分类1电力系统中的用电需求负荷曲线2负时图荷随间变化的形表示负荷特性参数3负负负最大荷、平均荷、荷率等负荷预测方法4趋势负外推法、荷密度法等负规础对将绍负负数电力荷是电力系统划与运行的基，它反映了电力用户电能的需求特性本章系统介电力荷的基本概念、分类方法以及荷特性参，帮助学生负规对理解荷变化律及其电力系统的影响过习负线将负预测为规计论通学荷曲的特点和分析方法，学生能够掌握电力系统荷的基本原理和方法，电力系统划设和经济运行提供理支持负荷的定义与分类按供电可靠性要求分类级负断伤损一荷中供电可能造成人身亡、重大经济2失或社会影响的用电设备级负断较损二荷中供电可能造成大经济失的用电设按用电性质分类备负级负工业荷钢铁、化工、机械等行业用电，特点是容三荷一般用电设备连续1量大、性好按负荷特性分类负产节农业荷农田灌溉、农品加工等用电，具有季连续负性特点性荷全天运行的用电设备，如钢铁企业的高炉3负周期性荷按一定周期运行的用电设备，如水泥厂磨机负时规则间歇性荷运行间不的用电设备，如电梯负时时内规数电力荷是指在某一刻或某一段，用户从电网吸取的有功功率或无功功率它是电力系统划与运行的基本据，直接影响电力系统的容量配置和运行方式负荷曲线日负荷曲线月负荷曲线负线时内负负线内日荷曲反映了24小荷变化月荷曲反映了一个月各日最大负线负负情况，是最基本的荷曲类型典荷或平均荷的变化情况它可以负线显负型的日荷曲通常有两个高峰一示出工作日和休息日荷的差异，现现内负趋势对个出在上午9-11点，另一个出在以及月荷的总体于工业这们负线对稳对晚上7-9点，与人的生活和工作用户，月荷曲相平；而于规关负律密切相不同类型的用户（工商业和居民用户，周末和工作日的状较为显业、商业、居民）具有不同形的日荷差异明负线荷曲年负荷曲线负线负负节年荷曲反映了全年各月最大荷或平均荷的变化情况它受季因素影响显区负热区负负线著，在寒冷地冬季荷高，在炎地夏季荷高年荷曲是电力系统规结划的重要依据，可用于确定系统装机容量和电源构负荷率与负荷利用率负负负负数平均荷率荷利用率最小荷率最大荷率其他参负负负评负匀标负负稳对来说负单荷率是指平均荷与最大荷之比，是价荷均程度的重要指荷率越高，表明荷越平，电力设备的利用率越高于电力系统运行，高荷率意味着更经济的运行方式和更低的位电能成本负负时数时数负负负侧时维负负侧荷利用率是指最大荷使用小与全年小之比，它反映了最大荷的利用程度荷利用率与荷率类似，但更重于间度的利用效率提高荷率和荷利用率是电力需求管理的重要标过错现目，通常通峰用电、平谷填谷等措施实负荷预测方法趋势外推法负荷密度法弹性系数法人工智能方法历负数数规区积单积负费关络基于史荷据，利用学模型根据划域的面和位面基于电力消与经济发展的相性利用人工神经网、支持向量机、断来负趋势预测来负这过弹数费逻辑术进负推未荷的发展常用的荷密度未荷种方法特，通电力性系（电力消增模糊等人工智能技行荷数线归数别规结预测来预测这线关学模型包括性回、指平滑适用于城市电网划，能够合长率与GDP增长率之比）未类方法能够处理非性时这简单规进预测负这应对、间序列分析等种方法城市发展划行，但需要准荷种方法能够反映经济因素系和多因素影响，适性强，但对结规数对负难虑数质训练实用，但突发事件和构性变化确的土地利用划据支持电力荷的影响，但以考技据量和方法要求高应术进产结的适性差步和业构变化的影响第三章发电厂火力发电厂水力发电厂核电厂新能源发电过烧产应释火力发电厂通燃煤炭、石水力发电厂利用水位落差生核电厂利用核裂变反放的风力发电、太阳能发电、生物产热转为势转为热质油或天然气生的能化的能化电能，是一种清能发电，具有能源密度高、能发电等新能源发电方式正转为稳们环资机械能，再化电能它是洁的可再生能源发电方式它运行定、零碳排放等特点快速发展它保清洁，来目前世界上最主要的发电方式运行成本低，但建设周期长，但其建设和运行要求极高的安源可再生，是未电力系统的标废问题组临，具有建设周期短、控制灵活且受地理条件和水文条件限制全准，且核料处理仍重要成部分，但目前仍面较战、不受地理条件限制等优点大待解决间歇性和成本等挑发电厂的类型转换为为势发电厂是电力系统的源头，根据能源方式的不同，可分多种类型火力发电厂以化石燃料能源，包括煤电、气电和油电；水力发电厂利用水的能发电；核电厂利应产热质热用核裂变反生的能发电；新能源发电包括风力发电、太阳能发电、生物能发电、地发电等多种形式为稳调则不同类型的发电厂各有特点，在电力系统中承担不同的角色大型火电厂和核电厂通常作基荷电源提供定电力；水电站可以承担峰任务；风电和太阳能发电提供清规对关洁能源补充合理划各类型发电厂的比例和布局，电力系统的安全经济运行至重要火力发电厂的基本工作原理锅炉系统燃料准备系统2烧产压1燃煤粉生高温高蒸汽储煤炭粉碎、输送和存汽轮机系统3转产蒸汽推动叶片旋生机械能5凝结水系统发电机系统环4蒸汽冷凝后循使用将转换为机械能电能热环过将转为热转为终转为火力发电厂的工作原理基于力循程，其核心是化学能化能，再化机械能，最化电能首先，煤炭在制粉系统中被粉碎成煤粉，锅烧烧产热锅将热压送入炉燃燃生的高温烟气加炉管壁，水加成高温高蒸汽压进转产带转应将转为过过高温高蒸汽入汽轮机，推动汽轮机叶片旋，生机械能汽轮机动发电机旋，发电机利用电磁感原理机械能化电能通蒸汽经凝为锅环热环过还烧辅汽器冷凝水，再次回到炉循使用，形成了完整的力循程此外，火电厂配备了燃控制系统、烟气处理系统、冷却水系统等助设施，确过稳环保发电程的高效、定和保水力发电厂的基本工作原理水能收集过坝库储库还调节通大或水收集和存水能，形成水位落差水具有水量、防洪组等多种功能，是水力发电系统的重要成部分水力传输过压将这过势渐转通力管道或隧洞高处的水引向水轮机在个程中，水的能逐为压结压化动能，力管道通常采用钢管构，以承受高水力能量转换击产转将转为水流冲水轮机叶片生旋运动，水的动能化机械能水轮机的类型击击根据水头高度不同而异，包括冲式、反式、混流式等多种类型电能生成带转过应将转为现水轮机动发电机旋，通电磁感原理机械能化电能代水电站多采用同步发电机，可根据电力系统需求提供有功功率和无功功率核电厂的基本工作原理核反应堆热量传递系统能量转换系统应进应产热过剂转带核电厂的核心是核反堆，其中行受反堆生的能通冷却（通常是蒸汽推动汽轮机旋，动发电机发电应当铀传压这过规控的核裂变反-235等核燃料被水或重水）递到蒸汽发生器在水，一程与常火电厂相似核电厂轰击时释热压腾积为数中子，原子核分裂放大量能堆核电厂中，一回路水在高下不沸的汽轮机通常体更大，因蒸汽参产维链应应将热传给压，并生新的中子持式反反，量递二回路水；沸水堆中，（温度、力）低于火电厂，需要更多内调节应腾产这来产堆部装有控制棒，可以吸收中子反堆冷却水直接沸生蒸汽种的蒸汽流量生相同的电力发电后应应进计质环则过反速率，确保反受控行设形成了多重屏障，防止放射性物，蒸汽在凝汽器中冷凝，循水通泄漏冷却塔或直接用冷却水源冷却新能源发电技术简介风力发电技术太阳能发电技术生物质能发电技术质风力发电利用风能推动太阳能发电主要包括光生物能发电利用农林转带热废弃风机叶片旋，动发伏发电和光发电光物、城市垃圾等有现导质为电机发电代风力发伏发电利用半体材料机物作燃料发电轴应将术线电主要采用水平三叶的光电效直接太阳常见的技路包括直转为热烧片风机，根据安装位置能化电能；光发接燃发电、气化发电为陆则术质可分上风电和海上电利用聚光技集中和沼气发电等生物热产风电风电具有零排放太阳能生蒸汽发电能是可再生能源中唯一资资储调、源丰富的优点，但太阳能源丰富，但可存的形式，具有临对也面间歇性、电网发电效率受天气影响大峰能力，且有助于处理击战废弃举冲大等挑中国是，且存在夜间无法发电物，一多得但问题来规应临全球风电装机容量最大的近年光伏技目前模化用仍面术当术进显的国家，技已相成步著，成本大幅原料收集和处理成本高问题熟下降等第四章变压器变压器的工作原理压应静过压级现变器是基于电磁感原理工作的止电气设备，通改变电等实电能传压习关键的高效输理解变器的基本工作机理是学电力系统的一步变压器的等效电路压压过计变器等效电路是分析变器电气特性的重要工具，通等效电路可以压压损数算变器的电降落、电流分布和功率耗等参变压器的损耗与效率压损损损们压变器耗包括铁和铜两部分，它直接影响变器的效率和温升压损计对压关掌握变器耗的特性和算方法优化变器运行至重要三相变压器的连接方式压连连三相变器有多种接方式，包括Y-Y、Y-Δ、Δ-Y和Δ-Δ等不同应场选择连接方式有不同的特点和用合，合理接方式可以提高系统的经济性和可靠性变压器的工作原理电磁感应磁通耦合1产场闭传2交流电流生变化磁合磁路递磁通能量传递4电压转换3损传数压几乎无耗递电能根据匝比改变电压应当级线时产这过链级线级线变器的工作原理基于法拉第电磁感定律初圈通入交流电流，在铁芯中生交变磁通个交变磁通通铁芯接到次圈，在次圈应势级级线数应势现压中感出交变电动由于初和次圈的匝不同，感电动的大小也不同，从而实电的升高或降低压压数₁₂₁₂₁₁为级线压数₂₂为级线压数压变器的电比等于匝比，即U/U=N/N，其中U和N初圈的电和匝，U和N次圈的电和匝在理想变器中，级级₁₁₂₂数压远传初输入功率等于次输出功率，因此有U I=U I，即电流比与匝比成反比变器是电力系统中不可或缺的设备，它使电力的高效距离为输成可能变压器的等效电路理想变压器模型T型等效电路Π型等效电路压损虑压损压理想变器模型假设无耗、无漏磁、无T型等效电路考了变器的漏抗和铁Π型等效电路是另一种常用的变器等效压转换压将压为组将为激磁电流，完全依据变比电和电，变器表示由漏抗和激磁支路成表示方法，它激磁支路分两部分，形这简时络这详细络计流种化模型在初步分析很有用，的T形网种等效电路适合于分成Π形网某些算中，Π型等效电路可获对压为认识压计对杂过可以快速得变器基本行的析变器的电气特性，但算相复能比T型更方便两种等效电路可以通压压数压数换转换质理想变器的电比等于匝比，电流比T型等效电路清晰地表示了变器的各种学变相互，本上是等价的数数与匝比成反比参和物理意义变压器的损耗与效率损涡损损滞损损级绕组损级绕组杂损铁-流耗铁-磁耗铜-初铜-次散耗压损损损损产损滞损涡损滞损滞关涡损则应产热损损变器的耗主要包括铁和铜两部分铁是指在铁芯中生的耗，包括磁耗和流耗磁耗与铁芯材料的磁特性有，流耗是由于铁芯中感电流生的量失铁与压负载关称为载损电的平方成正比，基本上与无，因此又无耗损压绕组产损过绕组产热损称为负载损压为计为铜是指在变器中生的耗，由于电流通电阻生量而形成铜与电流的平方成正比，因此又耗变器的效率定义输出功率与输入功率之比，算公式η=P输出/P损压输出+P耗大型电力变器的效率通常在98%以上，是所有电气设备中效率最高的一类三相变压器的连接方式Y-Y连接连压级级绕组连这连Y-Y接是指变器初和次均采用星形接方式种接方式的特点是可以引出中性点，便于谐压线压压压级负载时导接地，有利于消除三次波电并提供电和相电两种电等但在三相不平衡，会致中压对称连压级压性点电位偏移，引起相电不Y-Y接常用于大容量、高电等的变器中Y-Δ连接连级绕组连级绕组连这连谐Y-Δ接是指初采用星形接，次采用三角形接种接方式的优点是三次波电流可级绕组内环传时对单压侧传压以在次三角形循，不会递到系统中；同于相接地故障，不会向低递零序电连压压别压Y-Δ接常用于电力系统的降变器中，特是向配电网供电的变器Δ-Y连接连连应级绕组连级绕组连这连Δ-Y接是Y-Δ接的反向用，即初采用三角形接，次采用星形接种接方式适压压谐时级连用于升变器，可以有效抑制三次波影响，同次星形接的中性点可以接地，便于形成有效的接连应压压压地系统Δ-Y接广泛用于发电厂升变器和电力系统主变器中Δ-Δ连接连级级绕组连这连没Δ-Δ接是指初和次均采用三角形接方式种接方式的特点是有中性点，不易接地，但对负载应谐绕组内环连三相不平衡的适能力强，三次波电流可以在三角形循Δ-Δ接常用于工业电网中的压别较负载场变器，特是需要承受大不平衡的合第五章输电线路输电线路的基本参数1线线础这数输电路的电阻、电感和电容是分析路电气特性的基些参决定了线传对稳关路的阻抗特性和输性能，电力系统的定运行至重要输电线路的等效电路2线线数数根据路长度和精度要求，输电路可采用集中参或分布参等效电路模选择应这线计关键骤型正确和用些模型是路算的步输电线路的电压降落与功率损耗3压损评线标计这电降落和功率耗是价输电路性能的重要指合理算和控制些数质参可以提高输电效率和电能量输电线路的补偿技术4过偿偿术线传通串联电容补和并联电抗补等技，可以改善路的输特性，提高稳输电容量和系统定性输电线路的基本参数电阻电感电容线导线来导线来导输电路的电阻主要由输电路的电感源于输电路的电容源于线积线围场对线导线材料的电阻率和截面周的磁于三相与大地以及之间的铝导线约线场导线决定的电阻率路，电感包括自感和互电电容与高度、为线导线导线径关

0.0282Ω·mm²/m，感两部分路的电感与间距及半有导线约为导线导线线铜间距、排列方式典型的220kV输电路线结关单约为

0.0175Ω·mm²/m和杆塔构有典型的的位长度电容线单线路电阻会随温度升高而增220kV输电路的位长8~10nF/km路电容时约为产导线产大，通常以20℃的电度电感生的容抗会致路为标过线轻载阻值准，并通温度

1.2~

1.5mH/km路生充电功率，在运行数进线产压时线压系行修正路电阻电感生的感抗是电降可能引起路末端电损过是有功功率耗的主要原落的主要原因，也是限制升高，需要通并联电抗关键进偿因，直接影响输电效率输电容量的因素器行补输电线路的等效电路短线路模型中线路模型长线路模型线线线适用于50km以下的短距离输电路，此适用于50~240km的中等长度输电路适用于240km以上的长距离输电路，虑线须虑数数模型只考路的电阻和电感，忽略电，采用π型或T型等效电路表示π型模必考参的分布性，采用分布参导简单仅将线线线传线数容和漏的影响等效电路，由型路总电容平均分配到路两端，模型长路输方程采用双曲函线计简为则将计杂压串联阻抗R+jX表示短路模型算中间总串联阻抗；T型模型阻抗分表示，算复但精度高在超高和应为导纳线压线便，在配电网和城市电网分析中用广成两半，中间总并联中路模特高长距离输电系统中，长路模型对较线较误虑较预测线泛，但于长路会引入大差型考了容抗的影响，精度高，但仍是必不可少的分析工具，可准确数压关属于集中参模型路两端的电和电流系输电线路的电压降落与功率损耗线压损路长度km电降落%功率耗%线压线压对线压计为为负载别为线为输电路的电降落是指从路始端到末端的电幅值下降于短路，电降落主要由阻抗引起，算公式ΔU≈IR·cosφ+IX·sinφ，其中I电流，R和X分路的电阻和电抗，φ负载数压质标规压应过功率因角电降落直接影响电能量，国家准定配电网电偏差不超±7%线损线损计为为线为导线损损压输电路的功率耗主要是由路电阻引起的有功功率耗，算公式ΔP=3I²R，其中I路电流，R每相电阻功率耗与电流的平方成正比，因此降低耗的有效方法是提高输电电，减过导线选择线数线损小电流此外，通优化、减少路长度、提高功率因等措施也可以有效降低路耗输电线路的补偿技术线偿术线传稳偿过线线输电路补技是改善路输特性、提高输电容量和系统定性的重要手段串联补通在路中串入电容器，减小路的等稳偿为偿过谐问题效电抗，有效增加输电容量，改善系统定性典型的串联补度30%~70%，补度高可能引起次同步振偿则过调节线对轻载线对并联补是通并联电抗器或电容器，路的无功功率平衡于长距离路，使用并联电抗器吸收多余的充电功率；载线则现还静偿静偿于重路，使用并联电容器提供无功功率支持代输电系统广泛采用止无功补器SVC和止同步补器STATCOM等术现调节稳柔性交流输电技FACTS设备，实快速、平滑的无功功率，大幅提高系统的输电能力和定性第六章电力系统的稳态分析电力系统的数学模型1状态数系统运行的学表示节点导纳矩阵2络系统网方程的基本形式潮流计算的基本概念3稳态数确定系统运行参牛顿-拉夫逊法4线求解非性潮流方程的迭代方法快速解耦法5简计术化算的潮流求解技稳态稳状态节压线数过稳态状态检验满为规电力系统的分析是研究系统在定运行下各点电、路功率等参的方法通分析，可以确定系统各元件的运行，系统是否足安全运行的要求，系统划和运行提供重要依据计稳态内过线组节压线规断扩结杂稳潮流算是分析的核心容，它通求解系统的非性方程，确定各点的电幅值、相角以及各路的功率分布随着电力系统模的不大和构的日益复，高效、定的潮流计为将绍稳态论计算方法变得尤重要本章系统介电力系统分析的基本理和算方法。