《电气工程基础》课件2

电气工程基础欢迎来到电气工程基础课程！本课程旨在帮助学生全面了解电气工程的基本概念、电力系统的组成及其工作原理通过系统学习，您将掌握从发电到用电的完整过程以及各种关键电气设备的工作原理本课程内容涵盖电气工程概论、电力系统组成、主要设备、一次接线、稳态分析、短路计算、继电保护以及自动化等方面的知识我们将结合理论与实践，帮助您建立扎实的电气工程专业基础课程目标与学习要求掌握基础理论理解电气工程的基本概念和原理，包括电力系统的组成、运行特性及电路分析方法培养实践能力通过实验和实践环节，学习电气设备的操作和基本测试方法，培养动手解决问题的能力掌握计算方法熟练掌握电力系统稳态分析、短路计算等基本计算方法，能够进行简单的系统分析培养创新思维结合行业最新发展趋势，培养在电气工程领域的创新意识和前瞻性思维能力本课程要求学生具备高等数学、大学物理等基础知识，并需积极参与课堂讨论和实验环节平时成绩占40%，期末考试占60%第一章电气工程概论电气工程的定义电气工程的研究范围电气工程是研究电能的生产、传输、包括电力系统、电气设备、电力电子分配和使用的工程学科，是现代工业技术、自动控制等多个领域，研究电和社会发展的重要基础它结合了电能的高效转换、安全传输和合理利用磁学、电路理论、控制理论等多个学问题科的知识电气工程的应用领域广泛应用于工业、农业、国防、交通、通信和日常生活中，如电力供应系统、工厂自动化、智能家居等领域电气工程作为现代工程技术的重要组成部分，其发展直接影响着国民经济的各个方面随着社会对电能需求的不断增长，电气工程技术也在不断创新和发展电力系统的定义和组成输电环节发电环节高压远距离输送电能通过各种能源转换为电能变电环节变换电压等级和电能分配用电环节配电环节各类用户消费电能向终端用户分配电能电力系统是由发电、输电、变电、配电和用电五个环节组成的完整系统，用于实现电能的生产、传输和使用系统各部分通过电力网络相互连接，形成一个统一的整体，共同保障电能的安全、稳定供应电力系统的基本特点电能不可储存性电能生产与消费同时进行，系统需时刻保持发电与用电平衡，这是电力系统运行的基本条件，也是其最大特点系统的统一性电力系统各部分电气参数相互关联，任何一处的变化都会影响整个系统，需要统一协调运行安全可靠性要求高电力系统需保持高度稳定和可靠，故障可能导致大面积停电，造成严重经济损失和社会影响负荷波动性用电负荷随时间、季节变化明显，系统需适应这种波动并保持稳定供电这些特点决定了电力系统需要精确的计算分析、严格的安全标准和复杂的控制策略，以确保系统安全、稳定、经济地运行电力系统的发展历史年11882爱迪生建立世界上第一个商业化电站——珍珠街电站，开启了电气工程的新纪元最初的电力系统仅限于小范围直流配电年21890-1900交流电力系统开始发展，特斯拉的多相交流系统为长距离输电奠定了基础电力系统从孤立的小系统开始向区域联网发展年31920-1950电网规模不断扩大，输电电压不断提高，从早期的几千伏发展到数十万伏区域性电网逐渐形成，系统稳定性理论和分析方法开始发展年41950-2000超高压输电技术发展，计算机在电力系统中的应用开始普及大型区域电网互联，形成全国统一电网世纪至今521智能电网技术兴起，可再生能源并网发电比例提高，特高压输电技术实现突破，电力市场化改革深入推进电力系统的发展历程反映了人类对电能使用的不断探索和技术的持续创新，从小规模的孤立系统发展为如今的大型互联电网，电压等级和系统规模不断提高电力系统的未来趋势能源互联网多能源协同优化智能化与数字化人工智能与大数据应用清洁能源主导可再生能源大规模接入分布式与微网灵活多元的电力架构电力市场化开放竞争的市场机制未来电力系统将加速向清洁化、数字化、分布式、市场化和智能化方向发展可再生能源将成为主导，电动汽车等新型负荷将大量接入同时，区块链、人工智能等新兴技术将在电力交易、系统调度、故障诊断等领域得到广泛应用未来电力系统还将与热力、燃气等其他能源系统深度融合，形成多能互补的综合能源系统，实现能源的高效利用和优化配置第二章电力系统的组成部分发电环节输电环节配用电环节包括各类发电厂，如火力发电厂、水力发电由输电线路和变电站组成，负责将发电厂产包括配电网络和各类终端用电设备，负责将厂、核电厂、风电场和太阳能电站等，负责生的电能通过高压线路输送到用电区域，减电能分配给各类用户并最终转化为有用的能将各种一次能源转换为电能少输电损耗量形式电力系统各组成部分通过电力网络紧密相连，形成一个统一的有机整体每个环节都有其特定的功能和技术要求，共同保障电能的安全、稳定供应发电厂概述发电厂的基本构成发电厂的分类发电厂主要由一次设备锅炉/水轮按能源类型可分为火力发电厂、机、汽轮机、发电机等和二次设水力发电厂、核能发电厂、风力备测量、控制、保护装置等组成，发电厂、太阳能发电厂等；按运是电能生产的基地行方式可分为基荷电厂、调峰电厂和备用电厂发电厂的主要指标包括装机容量、发电效率、可用系数、耗水率火电、厂用电率等，这些指标反映了发电厂的规模和运行水平发电厂是电力系统的起点，其运行特性和性能直接影响整个电力系统的稳定性和经济性随着能源转型的深入推进，发电厂结构也在发生变化，清洁能源发电比例不断提高常见发电方式介绍当今世界主要的发电方式包括火力发电、水力发电、核能发电、风力发电和太阳能发电火力发电仍是许多国家的主要发电方式，但随着环保要求提高，清洁能源发电占比不断增加不同发电方式各有优缺点火电调节能力强但污染较大；水电清洁可再生但受地理条件限制；核电稳定高效但安全要求高；风电和太阳能发电清洁但间歇性强，需要配套储能系统理想的电力系统应是多种发电方式互补协调的系统火力发电原理燃料燃烧煤炭、天然气等燃料在锅炉中燃烧释放热能水蒸气产生热能将锅炉中的水加热成高温高压蒸汽汽轮机转动蒸汽推动汽轮机叶片旋转产生机械能发电机发电汽轮机带动发电机转子旋转切割磁力线产生电能火力发电是将燃料的化学能转换为电能的过程，其本质是多次能量转换化学能→热能→机械能→电能现代火力发电厂的热效率通常在40%-45%之间，超超临界机组效率可达47%以上火力发电具有启停灵活、调节能力强的特点，适合作为电力系统的基荷电源和调峰电源但也面临着资源消耗大、环境污染严重等问题，需要通过技术创新不断提高效率、降低排放水力发电原理水能积蓄水库蓄水形成落差，积累势能势能转换高处水流下落，势能转化为动能水轮机旋转水流冲击水轮机叶片产生旋转力矩发电机发电水轮机带动发电机转动，机械能转化为电能水力发电是利用水位落差的势能发电，是最主要的可再生能源发电方式之一水电站按水头高度可分为高水头＞100m、中水头30-100m和低水头＜30m电站，不同水头条件选用不同类型的水轮机水力发电具有运行成本低、无污染、调节能力强等优点，但建设周期长、初投资大、对生态环境有一定影响抽水蓄能电站能够削峰填谷，是电网重要的调峰电源，对提高系统稳定性具有重要作用核能发电原理热能传递蒸汽产生一回路冷却剂水或气体将热量传递给二回路介质二回路工质水被加热成蒸汽核裂变反应汽轮机发电铀235等核燃料在反应堆中发生核裂变蒸汽推动汽轮机旋转，带动发电机发电释放大量热能核能发电是利用核裂变反应释放的巨大热能进行发电的方式1克铀-235完全裂变可释放相当于燃烧

2.7吨标准煤的能量，能量密度极高核电具有能源利用效率高、不排放温室气体、运行稳定可靠等优点，但也面临着核安全、核废料处理等挑战随着技术进步，第三代、第四代核电技术安全性不断提高，有望在未来能源结构中发挥更重要作用新能源发电技术23%全球可再生能源发电比例截至2022年数据29%风电年均增长率近五年全球装机容量42%太阳能光伏效率提升过去十年技术进步60%新能源发电成本降低过去十年全球平均水平新能源发电技术主要包括风力发电、太阳能发电、生物质能发电、地热发电和海洋能发电等近年来，全球新能源发电技术发展迅速，装机容量持续增长，成本不断下降，已在某些地区实现了与常规能源的平价上网虽然新能源发电具有清洁环保的优势，但也面临着间歇性、随机性等挑战未来，随着储能技术的发展和智能电网的建设，这些问题将得到逐步解决，新能源发电将在能源结构中占据越来越重要的地位变电站的作用和类型电压转换电能分配系统保护通过变压器将电压升高或降通过各种开关设备将电能按配备各种保护装置，在系统低，以适应输配电和用电需需分配到不同的线路和负荷，发生故障时迅速切除故障部要，减少传输损耗并确保用实现电力系统的灵活运行分，保障系统安全稳定运行电安全运行监控对电力系统的运行参数进行测量、记录和监控，为系统调度和运行提供依据变电站按电压等级可分为特高压1000kV及以上、超高压500-750kV、高压110-330kV、中压35-66kV和低压10kV及以下变电站；按用途可分为升压站、降压站和配电站；按结构形式可分为户外式、户内式和半户内式变电站；按运行方式可分为有人值守和无人值守变电站输电系统概述输电系统的定义输电系统是连接发电厂和负荷中心的电力网络，负责大容量、远距离电能传输，通常工作在高电压等级高压输电的必要性提高电压可以减小电流，从而减少线路损耗和导线截面，提高输电效率和经济性线路损耗与电流的平方成正比，与电压的平方成反比输电系统的结构输电系统由输电线路、变电站和各种控制保护设备组成电力网络通常采用网状结构以提高可靠性和灵活性输电技术的发展从早期的低压直流输电发展到现代的特高压交流和直流输电，输电能力和距离不断提高，特高压输电可实现数千公里的远距离输电输电系统是电力系统的骨干，其安全稳定运行对整个电力系统至关重要随着输电技术的发展，输电电压等级不断提高，输电容量和距离也不断增加输电线路的分类按电压等级分类按电流类型分类•特高压线路1000kV及以上交流、•交流输电线路AC技术成熟，变压方±800kV及以上直流便，但存在电感、电容等参数引起的稳定性问题•超高压线路500-750kV交流、±500-±660kV直流•直流输电线路DC适合远距离大容量输电，无稳定性限制，但换流设备复杂•高压线路110-330kV交流、±125-昂贵±400kV直流•柔性交流输电系统FACTS采用电力电•中压线路35-66kV子技术提高交流输电系统的控制灵活性•低压线路10kV及以下和传输能力按架设方式分类•架空线路成本低，散热好，维修方便，但占地面积大，受气象条件影响较大•电缆线路占地少，不受气象条件影响，美观，但成本高，散热差，故障定位和修复难度大•混合线路部分采用架空，部分采用电缆，结合两者优点不同类型的输电线路各有优缺点，应根据输电距离、容量、地理条件等因素综合考虑选择合适的输电方式配电系统概述配电系统的定义配电系统的主要特点配电系统是将电能从变电站分配到各类用户的电力网络，通常工•电压等级低，一般为10kV、

0.4kV作在中低电压等级10kV及以下它是电力系统与用户直接相连的•线路短，覆盖范围有限部分，直接影响供电质量和可靠性•结构相对简单，多采用放射状结构配电系统结构相对简单，但数量庞大，分布广泛，是电力系统中•设备数量多，分布广泛投资比重最大的部分之一随着分布式电源的发展，配电网也从•直接面向终端用户传统的单向供电向双向互动的智能配电网转变•负荷密度和性质差异大•故障率相对较高随着社会发展，配电系统正在向智能化、自动化方向发展，智能配电网能够实现故障自动定位隔离、负荷自动转移、电压无功优化控制等功能，显著提高配电系统的可靠性和运行效率用电设备简介用电设备是电能的最终使用者，将电能转换为机械能、热能、光能等形式的能量主要用电设备包括电动机工业用电的主体，约占工业用电量的60%-70%；照明设备包括各类灯具；电热设备电炉、电锅炉等；电力电子设备整流器、变频器等；家用电器等随着电力电子技术的发展，各类用电设备的效率不断提高，同时出现了大量非线性负荷，对电能质量提出了新的要求未来，随着物联网和人工智能技术的应用，用电设备将更加智能化，能够自动调整运行状态，优化用电效率第三章电力系统的主要设备发电设备变电设备输电设备发电机是电力系统中的核心设备，将机械能变压器是变电站中的核心设备，用于改变电输电线路主要由导线、绝缘子、杆塔等组成转换为电能现代发电机多为三相同步发电压等级此外，还包括断路器、隔离开关、导线负责传输电能，绝缘子确保导线与杆塔机，由转子和定子组成，利用电磁感应原理互感器等多种设备，共同构成变电站的主体之间的绝缘，杆塔支撑导线并保持安全距离工作电力系统中的各类设备需要协调配合，共同保障系统的安全稳定运行随着技术的发展，这些设备在绝缘性能、机械强度、电气性能等方面都有了显著提高发电机的工作原理磁场形成机械旋转转子通过励磁绕组产生磁场原动机驱动转子匀速旋转感应电动势磁力线切割定子绕组产生三相交流电旋转磁场切割定子绕组发电机是基于电磁感应原理工作的，当磁场和导体之间存在相对运动时，导体中会感应出电动势同步发电机的转子以恒定速度旋转，转速与电网频率同步，转速r/min=60×频率Hz/极对数发电机的主要参数包括额定容量、额定电压、额定功率因数、额定频率、效率等现代大型发电机组容量可达1000MW以上，效率可达98%以上发电机的运行控制主要通过调节励磁电流来实现电压调节，通过调节原动机输入功率来控制有功功率输出变压器的结构和原理初级绕组连接电源，产生交变磁通铁芯导磁，提供磁路次级绕组感应电压，连接负载变压器是利用电磁感应原理工作的静止电气设备，用于改变交流电的电压等级变压器的基本结构包括铁芯和绕组两部分，铁芯由硅钢片叠成，提供磁路；绕组由绝缘导线绕制而成，分为初级绕组和次级绕组₁₂₁₂变压器的电压比等于绕组匝数比，即U/U=N/N理想变压器的一次侧功率等于二次₁₂₁₂₂₁侧功率，即S=S，因此电流比与电压比成反比，I/I=N/N实际变压器存在损耗，主要包括铁损磁滞损耗和涡流损耗和铜损绕组的欧姆损耗变压器的效率₂₂₂₂₀₁₀₁η=S cosφ/S cosφ+P+P，其中P为空载损耗，P为负载损耗断路器的类型和作用断路器的基本功能断路器的主要类型断路器是一种能够开断短路电流的开关设备，是电力系统中最重按灭弧介质和结构形式分类要的保护设备之一其主要功能包括•油断路器利用油作为灭弧介质，体积大，灭弧性能较差，现•正常情况下接通和断开电路，进行操作控制已逐渐淘汰•故障情况下迅速切断短路电流，保护电力系统和设备安全•空气断路器利用压缩空气灭弧，适用于中低压系统•与继电保护装置配合，实现选择性保护•真空断路器利用高真空环境灭弧，结构简单，维护少，广泛用于中压系统₆₆•SF断路器利用SF气体灭弧，灭弧能力强，广泛用于高压和超高压系统断路器的选择考虑因素包括额定电压、额定电流、额定短路开断电流、灭弧性能、机械寿命等随着技术的发展，现代断路器已向小型化、智能化、环保化方向发展互感器的原理和应用互感器的基本原理互感器是基于电磁感应原理工作的一种特殊变压器，用于测量电路中的大电流或高电压，并将其按比例转换为标准低值，供测量仪表和继电保护装置使用电流互感器CT将一次侧的大电流按比例变换为二次侧的小电流通常为5A或1A，一次绕组为被测电路，二次绕组接测量或保护装置一次绕组匝数少甚至为一匝，二次绕组匝数多电压互感器PT/VT将一次侧的高电压按比例变换为二次侧的低电压通常为100V，一次绕组接在被测电路上，二次绕组接测量或保护装置一次绕组匝数多，二次绕组匝数少互感器的主要功能隔离高电压和大电流，保护人员和设备安全；标准化测量信号，方便仪表和保护装置的规范化设计；提高测量和保护的准确性和可靠性互感器的准确度等级表示其测量误差的大小，测量用互感器通常为

0.2级、

0.5级等，保护用互感器通常为5P

10、10P10等互感器的选择应考虑额定电压、额定电流、准确度等级、负载容量等因素避雷器的功能和选择避雷器的基本功能避雷器的主要类型避雷器的选择考虑因素避雷器是一种用于保护电力设备免受过电压损传统的阀型避雷器利用碳化硅SiC非线性电额定电压应高于系统最高运行电压害的保护装置在正常工作电压下呈高阻状态，阻和放电间隙组成，现已逐渐淘汰放电电流应能承受系统可能出现的最大雷电几乎不导电；当出现过电压时迅速导通，将雷金属氧化物避雷器MOA利用氧化锌ZnO流电流或开关过电压引入大地，保护设备安全非线性电阻组成，无放电间隙，性能优良，目保护特性残压应低于被保护设备的耐压水平前广泛应用安装位置应尽量靠近被保护设备避雷器是电力系统防雷和过电压保护的重要设备，合理选择和安装避雷器对于提高系统运行可靠性具有重要意义随着电网电压等级的提高和重要性的增加，对避雷器的要求也越来越高电力电缆的结构和特点导体1通常为铜或铝导体，负责传输电流绝缘层2包裹导体，提供电气绝缘，常用交联聚乙烯XLPE、油浸纸等材料屏蔽层3均匀电场分布，防止外界电磁干扰保护层4外部保护层，防水、防腐、机械保护，通常为聚氯乙烯PVC或聚乙烯PE等材料电力电缆是由导体、绝缘层、屏蔽层和保护层等组成的电能传输设备与架空线路相比，电缆具有占地少、不受气象条件影响、安全可靠、美观等优点，但造价高、散热差、故障查找和修复难度大电缆按电压等级可分为低压电缆1kV及以下、中压电缆3-35kV和高压电缆66kV及以上；按绝缘材料可分为油纸绝缘电缆、塑料绝缘电缆等；按芯数可分为单芯电缆、三芯电缆等电缆的选择应考虑电压等级、载流量、敷设环境、机械强度等因素第四章电力系统的一次接线一次接线的概念一次接线的作用一次接线的组成一次接线是指电力系统确定电能传输的路径和通常包括母线系统、断中主要电气设备如母线、方式，保证电能安全可路器、隔离开关、变压断路器、变压器、线路靠传输；便于系统运行器、线路等设备不同等之间的电气连接方式，方式调整，提高供电灵的接线方式有不同的设是变电站设计的重要内活性；减少故障影响范备配置和连接关系，适容合理的一次接线应围，提高系统可靠性；用于不同的供电要求和满足安全可靠、灵活方便于设备检修和维护，场合便、技术先进、经济合确保系统安全稳定运行理的要求一次接线是电力系统设计的重要内容，合理的接线方式可以提高系统的安全性、灵活性和经济性随着电力系统规模的扩大和要求的提高，一次接线方式也在不断发展和完善电气主接线的概念电气主接线的定义主接线设计的基本原则电气主接线是指变电站或发电厂中主要电气设备之间的电气连接•安全可靠原则确保系统在正常运行和故障情况下都能安全可关系图，主要表示母线、断路器、隔离开关、变压器、线路等设靠运行备的连接方式它是电力系统设计、运行和管理的重要基础•灵活方便原则便于系统运行方式调整，满足不同运行需求•技术先进原则采用先进合理的技术方案，考虑发展需要主接线图通常采用单线图表示，使用标准图形符号表示各类设备，简明直观地展示设备之间的连接关系，是电气人员必须熟练掌握•经济合理原则在满足技术要求的前提下，尽量降低投资和运的基本技能行成本•简洁明了原则结构简单明确，便于运行和维护电气主接线是电力系统的骨架，直接影响系统的安全性和经济性随着电力系统规模的扩大和要求的提高，主接线方式也在不断发展和完善单母线接线方式单母线接线的基本形式单母线接线的优点单母线接线是最基本的接线方式，所有•结构简单，设备少，投资低设备都连接在同一条母线上基本形式•占地面积小，布置紧凑包括不分段单母线和分段单母线两种•保护和自动装置简单分段单母线通过分段断路器将母线分为•运行方式单一，操作简单两段或多段，提高可靠性单母线接线的缺点•母线故障导致全站停电•检修断路器需断开相关设备•供电可靠性较低•灵活性较差，运行方式单一单母线接线由于结构简单、投资低，适用于供电可靠性要求不高的中小型变电站，如农村和城镇的110kV及以下变电站、工矿企业变电站等采用分段单母线可以提高可靠性，是实际中最常用的形式双母线接线方式双母线接线的基本形式双母线接线的特点双母线接线是指设置两条完全相同的母线，各回路可以通过自身的优点断路器连接到任一母线上常见形式包括•运行灵活，可根据需要调整运行方式•双母线单断路器接线•母线可轮流检修，不影响供电•双母线双断路器接线•一条母线故障时，可迅速转至另一母线，不影响供电•双母线单分段断路器接线•可靠性高于单母线接线•双母线双分段断路器接线缺点其中，双母线单断路器接线最为常用，兼顾了可靠性和经济性•设备投资较大，占地面积大•结构较复杂，保护和自动装置复杂•操作复杂，要求操作人员素质高双母线接线方式广泛应用于220kV及以下重要变电站，是目前最常用的接线方式之一在实际应用中，常结合分段技术进一步提高可靠性桥形接线方式单桥接线一个断路器连接两回线路双桥接线2两个断路器连接两回线路和一台变压器一个半断路器接线3三个断路器连接两回线路环形接线断路器形成闭合环路桥形接线是一种特殊的接线方式，其特点是每个元件线路或变压器连接两个断路器，每个断路器连接两个元件，形成桥状结构这种接线方式的优点是可靠性高，任一断路器故障或检修时，不影响任何元件的运行；设备利用率高，断路器数量少于元件数量其中，一个半断路器接线是最常用的桥形接线方式，广泛应用于500kV及以上超高压变电站它的缺点是结构复杂，保护和自动装置复杂，操作复杂，投资较大随着电网规模的扩大和可靠性要求的提高，桥形接线方式的应用越来越广泛环网接线方式环网结构双电源供电多个配电站点形成闭合环路，每个站点与相12通常由两个电源点供电，形成双向供电路径邻两个站点相连自动化控制分段运行43配合环网柜和自动化系统，实现故障自动隔正常情况下环网某处断开，呈放射状运行，离和供电恢复故障时可快速恢复供电环网接线是配电系统中常用的一种接线方式，主要应用于城市配电网它的基本思想是将配电站点连接成环状，但正常运行时断开环网中的某一点，使系统呈放射状运行，既简化了保护配置，又保留了备用电源的切换能力环网接线的主要优点是可靠性高、灵活性好任何一段线路发生故障，只影响故障段，其他用户可通过另一条路径迅速恢复供电，大大缩短了停电时间随着配电自动化技术的发展，环网接线方式得到了更广泛的应用，特别是在城市配电网中主接线方式的选择依据系统重要性电压等级系统在电网中的地位和重要程度决定了可靠性要求，越重要的系统应选择可通常电压等级越高，系统越重要，对接线的可靠性要求越高500kV及以上靠性越高的接线方式如省会城市中心区域变电站通常采用双母线或桥形接超高压变电站常采用桥形接线；220-330kV变电站常采用双母线接线；线，而农村地区可采用单母线接线110kV及以下变电站可采用单母线或双母线接线经济因素发展规划在满足可靠性要求的前提下，应考虑投资成本和运行维护成本复杂的接线应考虑系统未来发展需要，预留发展空间接线方式应能适应系统的扩展，方式设备投资大、占地面积大、运行维护复杂，应在综合分析后合理选择不因短期考虑而限制长远发展主接线方式的选择是一个综合考虑多方面因素的复杂问题，需要在可靠性、灵活性、经济性等方面进行权衡随着电力系统智能化水平的提高，主接线方式也在向更加灵活、可靠的方向发展第五章电力系统的稳态分析稳态分析的定义稳态分析的主要内容电力系统稳态分析是研究系统在稳定运行状潮流计算计算系统各节点电压和线路功率，态下各节点电压、线路功率等参数的计算和是稳态分析的核心分析方法它是电力系统分析的基础，为系经济调度在满足技术条件下，优化机组出统规划、设计和运行提供重要依据力，实现系统经济运行无功优化通过调整无功源，优化电压分布，降低网损稳态分析的意义评估系统运行状态，检查是否存在过载、过电压等问题；为系统规划、扩建改造提供依据；为系统经济运行和优化调度提供基础；为继电保护整定、稳定性分析等提供初始条件随着计算机技术的发展，电力系统稳态分析已从手工计算发展为完全计算机化的分析，大大提高了分析效率和精度现代电力系统分析软件能够处理包含数千个节点的大型电力系统的稳态分析问题电力系统潮流计算概述潮流计算的定义潮流计算的应用潮流计算是确定电力系统在稳定运行状态下各节点电压的幅值和相系统规划评估新建线路和设备的影响，优化系统结构角，以及线路上的有功功率、无功功率和线路损耗的计算过程它运行方式分析检查各种运行方式下系统的运行状况是电力系统分析和设计的基础，也是系统运行监控的重要工具故障分析评估设备故障对系统的影响潮流计算的基本步骤安全校验检查系统是否满足安全约束条件•建立系统节点导纳矩阵经济调度为系统经济运行提供基础•列出节点功率方程继电保护整定提供系统正常运行参数•选择求解算法如牛顿-拉夫逊法•稳定性分析提供初始运行状态迭代计算求解节点电压•计算各线路的功率和损耗随着电力系统规模的不断扩大和结构的日益复杂，潮流计算方法也在不断发展，从早期的高斯-赛德尔法发展到今天的牛顿-拉夫逊法、快速解耦法等，计算效率和精度不断提高节点导纳矩阵的形成功率方程的建立节点i的复功率表达式Si=Pi+jQi=Vi·Ii*=Vi·∑Yik·Vk*展开为实部和虚部Pi=Vi·∑Vk·Gik·cosθik+Bik·sinθikQi=Vi·∑Vk·Gik·sinθik-Bik·cosθik其中Vi,Vk-节点电压幅值θik=θi-θk-节点间相角差Gik,Bik-导纳矩阵元素的实部和虚部功率方程是潮流计算的核心方程，它描述了节点注入功率发电功率减去负荷功率与节点电压和网络参数之间的关系对于有n个节点的系统，有2n个功率方程每个节点有有功和无功两个方程在潮流计算中，根据已知条件的不同，节点可分为三类

1.PQ节点已知有功功率P和无功功率Q，求解电压幅值V和相角θ通常负荷节点为PQ节点

2.PV节点已知有功功率P和电压幅值V，求解无功功率Q和相角θ通常发电机节点为PV节点

3.平衡节点已知电压幅值V和相角θ通常取θ=0作为参考相角，求解有功功率P和无功功率Q系统中只有一个平衡节点，用于平衡系统的功率损耗牛顿拉夫逊法求解潮流-建立方程组列出节点功率不平衡方程ΔP和ΔQ构建雅可比矩阵计算功率对电压幅值和相角的偏导数迭代求解解线性方程组，更新电压和相角收敛判断检查功率不平衡量是否满足精度要求牛顿-拉夫逊法是求解潮流计算最常用的方法，它基于多变量函数的牛顿迭代原理，具有收敛速度快、精度高的特点其基本思想是将非线性方程组线性化，通过迭代求解线性方程组，逐步逼近非线性方程组的解牛顿-拉夫逊法的迭代过程可表示为x^k+1=x^k-[Jx^k]^-1•Fx^k，其中x是未知变量向量节点电压幅值和相角，F是不平衡量向量功率不平衡，J是雅可比矩阵功率对电压的偏导数在电力系统分析中，随着系统规模的增大，牛顿-拉夫逊法的计算量迅速增加为提高计算效率，又发展了快速解耦牛顿法等改进算法电压调整与无功补偿并联电容器调压变压器静止无功补偿器SVC最常用的无功补偿设备，结构简单，成本低，通过改变变压器分接头，调整变压比，从而利用电力电子技术实现快速、连续的无功功但只能提供固定容量的无功，无法动态调节调整二次侧电压具有调节范围大、投资少率调节，可动态补偿系统无功需求，提高电常用于配电网中提高功率因数和电压水平的特点，广泛应用于各级变电站但调节速压稳定性适用于负荷波动大、对电压质量度慢，不适合频繁调节要求高的场合，但成本较高电压调整和无功补偿是保障电力系统安全、经济运行的重要手段合理的电压水平可减少线损，提高设备利用率和供电质量无功功率只在系统内部循环，不产生有用功，但会增加线路损耗和设备负担，因此需要在负荷附近就地补偿经济调度基本原理10%系统平均线损率大型电网典型值40%机组效率差异新旧机组间典型效率差15%燃料成本占比发电总成本中的比例30%调度优化节省优化调度可节省的运行成本经济调度是指在满足系统负荷需求和各种运行约束条件下，合理分配各发电机组的出力，使系统的总发电成本最低其基本原理是等增率原则当各机组的增量成本即多发1kWh电所增加的成本相等时，系统总成本最小经济调度的数学模型可表述为目标函数是系统总发电成本最小，约束条件包括功率平衡约束总发电等于总负荷加损耗、机组出力上下限约束、网络约束等求解方法有传统的拉格朗日乘数法、梯度法，以及现代的智能优化算法如遗传算法、粒子群算法等随着电力市场化改革的推进，经济调度也从传统的以成本最小为目标，逐渐转变为以市场出清、社会福利最大为目标，调度机制和模型也在不断发展完善第六章电力系统的短路计算短路故障是电力系统中最常见、最严重的故障类型，它导致系统中流过极大的电流，可能损坏设备、引起系统不稳定甚至崩溃短路计算是电力系统分析的重要内容，其目的是确定系统各点可能出现的最大短路电流，为设备选择和继电保护整定提供依据短路计算的基本方法包括标么值法和实际物理量法标么值法是将系统中各设备的参数转换为统一的标准单位标么值，简化计算过程；实际物理量法直接使用设备的实际参数进行计算在实际工程中，标么值法应用更为广泛短路故障的类型三相短路单相接地两相短路三相同时短路接地或相间短路一相导线与大地连接是最常见两相导线相互连接是不对称故是最严重的对称故障，计算相对的不对称故障，在高压系统中占障的一种，发生概率约为15%，简单，常用作设备选择和保护整故障总数的70%以上计算需要短路电流通常比三相短路小定的依据在高压系统中发生概考虑序网络的耦合率较低，约占故障总数的5%左右两相接地两相导线同时与大地连接也是不对称故障，发生概率约为10%，短路电流可能大于三相短路电流此外，还有断线故障如单相断线、两相断线等，虽然不是短路故障，但也会导致系统不对称，需要使用对称分量法分析在进行短路计算时，通常假设故障发生时系统处于空载状态，所有发电机电动势相等，相角相同标么值计算法标么值的定义基准值的选择标么值是将系统中各种物理量如电压、通常选择系统的额定值作为基准值，如电流、阻抗等按选定的基准值进行归一基准功率Sb常取100MVA、基准电压化处理后的无量纲值标么值=实际值/Ub各电压等级的额定电压基准电流基准值和基准阻抗可由基准功率和基准电压推导Ib=Sb/√3•Ub，Zb=Ub²/Sb标么值计算的优点•消除了不同电压等级的影响，简化计算•计算结果直观，便于比较•参数数值适中，计算精度高•公式简单，便于编程计算在标么值系统中，变压器的变比效应自动被考虑，无需另行处理标么阻抗在不同电压等级的基准值下需要进行转换Z*=Z*•Sb/Sb•Ub/Ub²标么值法是短路计算中最常用的方法，特别适合于大型电力系统的计算三相短路电流计算三相短路电流的计算步骤短路电流的特性•确定计算基准值基准功率和基准电压短路电流由三部分组成•将各元件参数转换为标么值•交流稳态分量频率为50Hz的交流电•绘制系统的正序等值电路•直流分量随时间指数衰减的直流电•计算故障点的等值阻抗•交流暂态分量由同步发电机暂态电抗引起，随时间指数衰减•计算初始短路电流和短路容量三相短路的特点是对称的故障，只需使用正序网络计算短路电流短路电流的时间特性分为₁₁为Ik=E/Z，其中E为故障前的电压通常取

1.0标么值，Z•初始短路电流亚暂态电流故障发生瞬间的电流为故障点的正序等值阻抗•暂态短路电流故障后几个周期的电流•稳态短路电流故障稳定后的电流三相短路电流是设备选择的重要依据断路器的开断能力应大于断路器动作时刻的短路电流；设备的动稳定应能承受最大瞬时短路电流的机械冲击；设备的热稳定应能承受短路电流持续时间内的热效应不对称短路故障分析故障类型序网络连接相对电流大小标准值三相短路只用正序网络

1.0单相接地三序网络串联

0.6-

1.1两相短路正、负序网络并联

0.87两相接地正序与负、零序并联的串联

0.9-

1.4不对称短路故障是电力系统中最常见的故障类型，其分析需要使用对称分量法对称分量法将三相不对称系统分解为正序、负序和零序三个对称系统的叠加正序分量三相等幅值、等相位差120°、相序为a-b-c的三相平衡分量负序分量三相等幅值、等相位差120°、相序为a-c-b的三相平衡分量零序分量三相等幅值、等相位0°相位差的分量₁₂₀₁₂₀₂₁₀各类不对称短路故障可通过特定的序网络连接方式计算如单相接地故障中，三序电流相等，I=I=I=E/Z+Z+Z；两相短路中，I=-I，I=₁₁₂0，I=E/Z+Z第七章电力系统的继电保护继电保护的定义继电保护的基本要求继电保护的发展继电保护是电力系统中的安全守卫，它能够自选择性只切除故障元件，不影响正常部分从最初的电磁式继电器发展到现代的微机保护动检测系统中的故障或异常状态，并迅速切除装置，其性能、功能和可靠性不断提高微机快速性尽快切除故障，减少损失和影响故障部分或发出警报，保障系统安全稳定运行保护具有高精度、多功能、体积小、维护方便灵敏性能够检测到保护范围内的所有故障等优点，已成为主流保护形式可靠性保护装置在需要动作时必须动作，不需要动作时绝不误动继电保护是电力系统安全运行的重要保障，它与自动装置一起构成了电力系统的神经系统随着电力系统规模的扩大和复杂性的增加，继电保护技术也在不断发展，新型保护原理和装置不断涌现继电保护的基本原理信息采集通过互感器获取电流、电压等信息故障判别比较测量值与整定值，判断是否发生故障时间控制根据保护配合要求控制动作时间执行控制发出跳闸命令，切除故障部分继电保护的基本原理是比较原理，即将被保护对象的实际运行参数如电流、电压、功率等与预先设定的阈值整定值进行比较当实际值超过或低于整定值时，判断为故障状态，发出动作信号根据比较的参数不同，继电保护可分为电流保护、电压保护、阻抗保护、功率方向保护等多种类型这些基本保护原理可以单独使用，也可以组合使用，形成更复杂的保护方案，如距离保护、差动保护等现代微机保护装置采用数字信号处理技术，能够实现更复杂的保护逻辑和更精确的测量，显著提高了保护的可靠性和灵敏度同时，通过通信网络，多台保护装置可以实现信息共享和协调配合，形成网络化的保护系统电流保护原理电压保护原理欠电压保护过电压保护当电压低于整定值时动作，主要用于当电压超过整定值时动作，主要用于•检测系统电压异常降低•防止设备绝缘损坏•防止电动机在低电压下过流•检测系统过电压故障•作为其他保护的闭锁元件•防止发电机过励磁•自动切除次要负荷，防止系统崩溃•保护避雷器不过载零序电压保护检测系统中的零序电压，主要用于•检测单相接地故障•作为其他接地保护的辅助判据•中性点不接地系统的接地告警电压保护以电压的变化作为判断故障的依据与电流保护相比，电压保护的优点是对故障位置不敏感，缺点是选择性较差，难以准确判断故障位置因此，电压保护通常与其他保护配合使用，或作为后备保护在实际应用中，为了提高可靠性，电压保护通常设置时限，避免瞬时电压波动引起误动同时，为防止系统扰动时的大范围停电，欠电压保护常采用分级动作方式，先切除次要负荷，维持系统稳定测距保护原理工作原理保护区域根据故障点阻抗判断故障位置，阻抗与故障距离成正比通常设置多个区域，覆盖本线路和相邻线路12特性类型43时限配合圆特性、多边形特性等，适应不同线路特性不同区域设置不同动作时间，确保选择性测距保护又称距离保护是输电线路上最常用的主保护之一，它通过测量故障点的阻抗或视在阻抗Z=U/I来判断故障距离，进而确定是否为保护范围内的故障典型的测距保护设有三个保护区域第一区覆盖被保护线路的80%-85%，无时限动作；第二区覆盖整条线路及相邻线路的部分，有短时限

0.3-

0.5秒；第三区作为后备保护，覆盖更远的范围，有较长时限

1.0-

1.5秒测距保护具有较好的选择性和速动性，不受系统运行方式变化的影响，但可能受到线路参数不均匀、过渡电阻、负荷影响等因素的干扰现代微机测距保护通过复杂的算法可以克服这些问题，提高保护性能差动保护原理比较原理1比较被保护设备两端的电流差值正常状态两端电流相等，差流为零内部故障差流不为零，保护动作外部故障差流仍为零，保护不动作差动保护是一种比较型保护，它通过比较被保护设备各端电流的大小和方向，判断故障是发生在保护区域内还是区域外差动保护的核心原理是基尔霍夫电流定律正常运行或外部故障时，流入设备的电流等于流出设备的电流；内部故障时，这一平衡被打破差动保护具有极高的选择性和灵敏度，能够快速切除区内故障，同时对区外故障完全不响应因此，差动保护被广泛应用于变压器、发电机、母线、电抗器等重要设备的保护随着技术的发展，现代差动保护已从传统的电流差动发展为纵联差动、纵差电流保护等更先进的形式，能够实现对长距离输电线路的保护通过高速通信通道，两端保护装置可以交换信息，实现对整条线路的完全保护第八章电力系统的自动化智能电网人工智能与大数据应用调度自动化2系统级监控与控制变电站自动化站级监控与保护配电自动化4网络化监控与故障处理设备层自动化5继电保护与自动装置电力系统自动化是指利用先进的计算机技术、通信技术和控制技术，实现电力系统的自动监测、控制、保护和管理，提高系统的安全性、可靠性和经济性电力系统自动化覆盖从发电到用电的全过程，形成了多层次、网络化的控制体系随着新一代信息技术的发展，电力系统自动化正向智能化方向发展，人工智能、大数据、云计算等技术在电力系统中的应用不断深入，推动着传统电网向智能电网转变发电厂自动化系统集中控制系统CCS发电厂的大脑，负责整个电厂的监视和控制集中控制系统通过计算机网络将分散在各处的控制系统连接起来，实现对电厂运行的统一管理和协调控制分散控制系统DCS发电厂的神经网络，负责各子系统的自动控制DCS采用分层分散控制方式，由现场控制单元、通信网络和操作员站组成，实现对锅炉、汽轮机、发电机等设备的精确控制保护与安全系统发电厂的安全卫士，负责设备和人员的安全保护包括发电机保护、变压器保护、母线保护等继电保护装置，以及各种联锁和紧急停机系统，确保电厂安全运行性能监测系统发电厂的健康管家，负责监测设备运行状态和效率通过收集和分析各类运行参数，评估设备性能，指导经济运行和设备维护发电厂自动化系统通过信息化和智能化手段，实现了发电过程的自动控制、设备状态监测、故障诊断和优化运行，显著提高了发电厂的安全性、可靠性和经济性现代发电厂已经实现了高度自动化，正常情况下只需少量人员值守即可运行变电站自动化系统监控系统智能电子设备通信网络SCADA IED变电站自动化的核心，负责数据采集、监视控制、变电站自动化的基础，包括各类微机保护装置、测变电站自动化的神经系统，负责连接各类智能设信息处理和人机交互通过该系统，运行人员可以控装置、智能开关等这些设备具有测量、控制、备和控制中心现代变电站通常采用基于IEC实时监视设备状态，远程操作开关设备，查询历史保护和通信功能，是变电站信息采集和控制执行的61850标准的以太网通信，实现设备间的高速、可数据，处理各类事件和报警前端靠通信和信息共享变电站自动化系统SAS是实现变电站运行监视、控制、保护和管理的综合自动化系统它采用先进的计算机技术、通信技术和控制技术，将传统的继电保护、测量、控制和信号装置集成为一个统一的系统，大大提高了变电站的运行效率和可靠性随着技术的发展，变电站正从传统自动化向智能化方向发展，无人值守变电站已成为标准配置智能变电站通过数字化设备和标准化通信，实现了设备状态实时监测、故障自动诊断和处理、运行优化等高级功能配电自动化系统配电自动化系统的基本功能配电自动化系统的主要组成•配电网络监控实时监视配电网络的运行状态，包括各断路器、配电主站系统负责数据管理、监控和控制功能，是系统的指挥中隔离开关的位置，各线路的电压、电流、功率等参数心•故障管理快速定位故障位置，隔离故障区域，恢复非故障区通信系统连接主站与各终端设备，传输数据和控制命令域供电馈线终端单元FTU安装在环网柜或柱上开关处，负责采集状态•负荷管理监测负荷分布和变化趋势，实现负荷平衡和转移信息和测量数据，执行控制命令•电压和无功控制通过调整变压器分接头、投切电容器等手段，优化电压分布，提高供电质量馈线自动化FA实现故障自动定位、隔离和供电恢复功能•配电网络分析进行潮流计算、短路分析、可靠性评估等，为配变终端单元TTU安装在配电变压器处，监测变压器运行状态运行决策提供依据和低压配电网络配电自动化系统是智能电网建设的重要组成部分，它将传统的人工巡检、人工操作、人工抢修的配电网运行模式，转变为自动监测、远程控制、自动恢复的现代化运行模式，显著提高了配电网的可靠性和供电质量电网调度自动化数据采集与监控网络应用分析实时监视电网运行状态潮流分析和安全校验2远程控制执行调度控制决策实施调度控制命令制定最优运行方案电网调度自动化系统EMS/SCADA是电力系统运行控制的核心，它通过先进的计算机技术和通信技术，实现对电力系统的实时监视、分析和控制，保障电力系统的安全、稳定、经济运行现代电网调度自动化系统通常采用分层分布式结构，包括国家调度中心、区域调度中心、省级调度中心和地市调度中心，形成覆盖全国的调度控制网络各级调度中心既相对独立运行，又通过通信网络紧密协作，共同保障电网的安全稳定运行随着电力市场化改革的深入和新能源大规模接入，电网调度面临着新的挑战和要求智能调度技术的发展，使得电网调度自动化系统正向更加智能化、自主化的方向发展，能够更好地适应复杂多变的电网运行环境第九章电力系统的稳定性稳定性的定义稳定性的分类电力系统稳定性是指系统在受到扰动后，能按扰动大小分为大扰动稳定性和小扰动稳定够恢复到原来的运行状态或达到新的平衡状性；按物理机理分为角度稳定性、频率稳定态的能力它是电力系统安全运行的重要指性和电压稳定性；按时间尺度分为短期稳定标，直接关系到供电的可靠性和安全性性和长期稳定性其中，角度稳定性又分为暂态稳定性和稳态稳定性稳定性研究的意义指导电力系统的规划和设计；确定系统的安全运行极限；制定故障处理和紧急控制策略；评估新设备和新技术对系统稳定性的影响；提高系统的运行可靠性和经济性随着电力系统规模的不断扩大和结构的日益复杂，稳定性问题变得越来越重要特别是随着电力市场化改革的深入，系统负荷的不断增长，以及新能源发电的大量接入，电力系统面临的稳定性挑战越来越严峻现代电力系统稳定性分析依赖于先进的计算机仿真技术和数值算法，通过建立详细的系统模型，模拟各种故障和扰动情况，评估系统的稳定性裕度，为系统的规划和运行提供科学依据稳态稳定的概念稳态稳定的定义稳态稳定的物理机理稳态稳定是指电力系统在小扰动如负荷缓慢变化作用下保持同步从角度稳定性角度看，稳态稳定的本质是同步力矩与阻尼力矩的运行的能力当系统处于稳态稳定状态时，任何微小扰动引起的平衡当发生小扰动时，若系统具有足够的同步力矩使转子偏离振荡都能自行衰减，系统最终恢复到原平衡状态或接近于原状态同步位置时产生的拉回力矩和阻尼力矩抑制转子振荡的力矩，的新平衡状态则能抑制振荡并恢复稳定稳态稳定是电力系统最基本的稳定性要求，是系统安全运行的必功率-角度关系是理解稳态稳定的关键当功率角δ＜90°时，功率要条件在正常运行和设计中，必须保证系统具有足够的稳态稳角增大，同步功率也增大，形成正同步力矩，系统稳定；当δ＞定裕度90°时，功率角增大，同步功率减小，形成负同步力矩，系统失稳稳态稳定的判据有功率角度判据δ＜90°和耗散功率判据阻尼系数为正稳态稳定裕度通常用最大允许传输功率与实际传输功率之比表示影响稳态稳定的因素包括系统参数如同步电抗、传输线路阻抗、运行方式和控制系统参数等暂态稳定的概念课程总结与展望基础知识掌握通过本课程的学习，您已掌握了电气工程的基本概念和原理，理解了电力系统的组成、特点和运行机制分析能力培养您已具备基本的电力系统分析能力，能够进行潮流计算、短路计算等基础分析，为后续深工程思维建立入学习打下基础通过案例分析和原理讲解，您已初步建立电气工程思维，能够从系统角度思考问题和解决未来学习方向方案建议继续深入学习电力系统分析、电力电子技术、高电压技术等专业课程，并关注智能电网、新能源并网等前沿领域电气工程作为现代工程技术的重要组成部分，正经历着前所未有的变革随着能源转型的深入推进，新能源发电比例不断提高，电力电子技术广泛应用，电力系统的结构和运行特性发生了深刻变化同时，人工智能、大数据、物联网等新兴技术与电力系统的融合，推动着传统电网向智能电网转变作为未来的电气工程师，您将面临挑战也将迎来机遇希望您在掌握扎实基础知识的同时，保持对新技术的关注和学习热情，成为推动电气工程发展的重要力量。