《供用电网络及变电所设备》课程教学大纲.docx
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《供用电网络及变电所设备》课程教学大纲
《供用电网络及变电所设备》课程教学大纲
课程类别：
专业基础课程
适用专业：
供用电技术
适用层次：
高起专
适用教育形式：
网络教育
考核形式：
考试
所属学院：
信息工程学院
先修课程：
无
一、课程简介
本课程是供用电技术的专业基础课程。
要求学生掌握好电能生产、输送、变配等相关的系统工程基础理论和计算方法，以及电力工程技术在国民生产与生活中的应用。
同时让学生了解电力工程领域科技发展的最新成就和内容。
二、课程学习目标
通过本课程的学习，使学生不仅具有广博的电力工程专业理论基础知识，而且具有较强的工程计算分析能力和应用能力。
能较好地适应高等学校人才的培养目标，以及社会对理论知识面广博和工程应用能力强的人才培养需求。
注重学生的素质教育、工程应用和实践以及创新能力的培养。
三、课程主要内容和基本要求
1、了解电力系统的基本结构和基本知识；
2、了解电力系统中基本元件和电力网的数学模型；
3、掌握简单电力系统潮流计算的基本原理和方法；
4、掌握电力系统短路的基本原理、分析手段和计算方法；
5、掌握电气主接线形式及其中的主要电气设备的工作原理和选型；
6、掌握电力系统有功功率、无功功率的调整。
7、掌握负荷计算的方法（需要系数法）。
8、了解电气设备的选择，包括母线、高压电器及主变压器的选择。
第一章发电厂概述
『知识点』
能源开发与有效利用；水电站的主要类型和设备及生产过程与特点；火力发电厂的主要设备和生产过程及原理；风力机的原理和风力发电的运行方式及特点；太阳能热发电和太阳能光发电的过程与原理；其他新能源发电的原理简介。
『基本要求』
1、了解能源开发与利用
2、理解水力发电、火力发电
3、了解风力发电、解太阳能发电及其他新能源发电
『关键知识』
（一）能源开发与利用
（二）水力发电
水电站是将水能转变成电能的工厂，其能量转换的基本过程是：
水能→机械能→电能。
按利用能源的种类，水电站分为：
（1）常规水电站，按集中落差的方法分为：
堤坝式、引水式和混合式；
（2）调节电力系统峰谷负荷的抽水蓄能式水电站；
（3）利用海洋水流的机械能进行发电的水电站:
潮汐电站、波浪能电站、海流能电站。
（三）火力发电
用煤、石油、天然气或其他燃料化学能生产电能的工厂。
1、火电厂生产过程
能量转换过程：
燃料的化学能→热能→机械能→电能。
锅炉将燃料的化学能转化为蒸汽热能。
汽轮机将蒸汽热能转化为机械能。
发电机将机械能转化为电能。
我国大部分火电厂为凝汽式发电厂：
燃烧系统、汽水系统、电气系统
2、锅炉
火力发电厂的主要热力设备之一，作用：
燃料在炉膛内燃烧将其化学能转变为烟气热能；烟气热能加热给水，水经过预热、汽化、过热三个阶段成为具有一定压力、温度的过热蒸汽。
3、汽轮机
将蒸汽热能转换成机械能的高速旋转设备，具有功率大、效率高、结构简单、运行平稳的优点，是火电厂及核电厂中采用的原动机。
（四）风力发电
风能指流动的空气所具有的能量，是由太阳能转化而来的。
是一种干净的自然能源、可再生能源，同时风能的储量十分丰富。
1、风力发电机
能量转换过程为：
空气动能→旋转机械能→电能，发电设备的关键在于将截获的流动空气所具有的动能转化为机械能的装置即风力机。
风力机形式多种多样，可分为两类：
水平轴式，风轮转轴与风向平行；垂直轴式，风轮转轴垂直于风向或地面。
目前应用广泛的是水平轴风力机，它须有对风装置，随风向改变转动又有很高的塔架；而垂直轴风力机无须对风装置，可不要塔架。
2、风力发电的运行方式
风力发电机组由风力机和发电机及其控制系统所组成，其中风力机完成风能到机械能的转换，发电机及其控制系统完成机械能到电能的转换。
运行方式通常可分为独立运行和并网运行。
（五）太阳能发电
太阳能是可再生能源，资源丰富、遍地都有，既可免费使用、又无需开采和运输，是清洁而无任何污染的能源。
1、太阳能热发电
将吸收的太阳辐射热能转换成电能。
包括两大类型：
一是利用太阳热能直接发电；
二是太阳热能间接发电，就是利用光—热—电转换，即通常所说的太阳能热发电。
2、太阳能光发电
指不通过热过程直接将太阳的光能转换成电能的太阳能发电方式，可分为光伏发电、光感应发电、光化学发电、光生物发电，其中光伏发电是太阳能光发电的主流。
光伏发电利用太阳能电池（光伏电池）将太阳能直接转化成电能。
（六）其他能源发电
1、核能发电
核电厂是利用核裂变能转化为热能，再按火电厂的发电方式，将热能转换为电能，原子核反应堆相当于锅炉。
2、生物质能发电
生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量。
3、地热发电
4、海洋能发电
『重点』
水力和火力发电厂的生产原理与过程
『难点』
水力和火力发电厂的生产过程
第二章电气主接线
『知识点』
电气主接线的基本要求；主接线的基本形式；各种发电厂和变电站电气主接线的方式及特点简介；高、低压配电网的结构与接线方式；工厂供电系统的主接线；建筑配电系统接线。
配电装置的基本要求与安全净距等概念。
『基本要求』
1、掌握电气主接线的基本形式、特点及应用，掌握单母线接线的倒闸操作分析。
2、熟悉不同类型发电厂特点和接线方式。
3、熟悉变电站的分类和接线方式。
4、掌握高低压配电系统的接线方式、类型和特点及其应用。
5、了解工厂供电系统的主接线类型及其特点，建筑配电系统的接线及其特点。
6、了解配电装置的类型及特点，掌握安全净距离的含义。
『关键知识』
（一）电气主接线的基本形式
（1）有汇流母线的接线：
单母线、单母线分段
双母线、双母线分段
一台半断路器接线
带旁路母线的接线
（2）无汇流母线的接线：
单元接线、桥型接线、角型接线
（二）发电厂、变电所电气主接线
（1）火电厂电气主接线
（2）水力发电厂的电气主接线
（3）变电所电气主接线
变电所的分类：
枢纽变电所，区域变电所，配电变电所
（三）配电网的接线方式
放射式接线、树干式接线的特点。
（四）低压配电网接线方式
主要形式：
放射式、树干式、混合式、链式。
（五）工厂供电系统的主接线
工厂供电的基本要求：
（1）安全：
不应发生人身事故和设备事故。
（2）可靠：
要满足各种等级用电负荷的可靠性要求。
（3）优质：
应满足用户对电压、频率、波形不畸变等电能质量指标的要求。
（4）经济：
接线要简单，投资要少，运行维持费用要低。
负荷分级：
一级负荷：
因突然停电会造成设备损坏或造成人身伤亡，因此必须有两个独立电源供电；
二级负荷：
为突然停电会造成经济上的较大损失或会造成社会秩序的混乱，因此要求必须双回路供电；
三级负荷：
对供电电源不作特殊要求。
（六）建筑配电系统接线
民用建筑配电方式：
有放射式、树干式和环式三种。
具体应根据用电负荷的特点、实际分布及供电要求，在线路设计中，按照安全、可靠、经济、合理的原则进行优化组合。
（七）配电装置
1、按安装地点分为：
屋内式（多用于35kV及以下电压等级），屋外式（多用于110kV及以上电压等级）
2、按安装形式分为：
成套式，装配式
3、安全净距：
指从保证电气设备和工作人员的安全出发，考虑气象条件及其他因素的影响所规定的各电气设备之间、电气设备各带电部分之间、带电部分与接地部分之间应该保持的最小空气间隙。
『重点』
电气主接线的基本形式。
『难点』
电气主接线的操作分析（单母线倒闸操作）。
第三章输电网运行分析
『知识点』
电能质量及其指标分析；线路的参数和等值电路（按工程习惯）；变压器的参数和等值电路（重点掌握双绕组变压器和要用好工程单位制）；发电机和负荷的参数和等值电路；输电网的频率分析简介。
『基本要求』
1、掌握电能质量指标的分析。
2、掌握电力线路中电阻、电抗、电导、电纳等参数的计算，熟悉各类线路的等值电路。
3、掌握双绕组变压器的参数计算及其等值电路绘制；
4、了解发电机和负荷的参数计算及及其等值电路的绘制。
5、理解系统频率一次、二次调整的原理。
『关键知识』
（一）电能质量分析
衡量电能质量的指标主要是电压、频率、波形、电压波动与闪变和三相不平衡度等。
（二）各元件的参数和等值电路
（1）电力线路的参数和等值电路
（2）电抗器的参数和等值电路
（3）变压器的参数和等值电路
双绕组变压器，短路实验求电阻和电抗；空载实验求电导和电纳
（4）发电机的参数和等值电路
（三）电力系统的等值电路
电力系统的等值电路由单个元件的等值电路组成。
电力系统中有不同的电压等级，不能仅仅将单元件的等值电路接元件原有参数简单的相连，而要进行适当的参数归算，将全系统各元件的参数归算至同一个电压等级，才能将各元件的等值电路连接起来，称为系统的等值电路。
（四）输电网的潮流分析（了解简单的潮流分析）
潮流分布：
指电力系统在某一稳态的正常运行方式下，电力网络各节点的电压和支路功率的分布情况。
（五）系统频率分析
电力系统的频率；频率的一次调整；频率的二次调整
『重点』
电网各元件的参数和等值电路，电网的等值电路
『难点』
电网的等值电路
第四章配电网运行分析
『知识点』
配电网的电压计算；配电网的功率损耗计算（线路和变压器）、电能损耗计算与降损措施，掌握最大负荷损耗时间和最大负荷年利用小时数两个概念；简单配电网的潮流计算；电力系统的无功电源种类及其作用，配电网无功补偿的原理与意义、原则与措施；配电网电压调整的原理与措施；电网的短路过程简单分析；无穷大功率条件下的短路电流计算。
『基本要求』
1、理解电压降落、电压损耗和电压偏移的概念
2、掌握线路的功率损耗和变压器的功率损耗的计算方法；理解电能损耗指标及配电网的降损措施
3、掌握简单配电网的潮流计算方法
4、了解复杂配电网的潮流计算
5、掌握配电网无功补偿的原理与意义、无功平衡的意义；掌握配电网无功补偿的措施；理解配电网电压调整的三种方式。
6、熟悉电网短路的基本类型；掌握无穷大功率条件下的短路电流计算方法。
『关键知识』
（一）配电网的电压计算
1、配电网的电压降落
当输电线路传输功率时，电流将在线路的阻抗上产生电压降落。
电压降落指线路首末两端电压的相量差。
2、配电网的电压损耗
指线路首末两端电压的数值差。
3、配电网的电压偏移
指线路首端或末端电压与线路额定电压的数值差。
（二）配电网的损耗计算与降损措施
1、线路的功率损耗
2、变压器的功率损耗
3、配电网的电能损耗
（三）简单配电网的潮流计算
开式网：
只有一端电源供电的网络。
三种情况：
1、已知末端电压和功率，求首端电压和功率
2、已知首端电压和功率，求末端电压和功率
3、已知末端功率和首端电压，求首端功率和末端电压（常见）
（四）配电网的无功补偿和电压调整
1、配电网的无功补偿
2、无功补偿的原理
3、无功补偿的意义
4、无功补偿的配置原则
5、无功补偿的措施
（五）电压调整
1、电压调整的方式
主要有：
逆调压、顺调压和常调压等三种方式。
2、电压调整的基本原理与措施
（六）配电网的短路电流计算
短路：
供电系统中一相或多相载流导体接地或相互接触并产生超出规定值的大电流。
短路电流计算的目的：
供母线、电缆、设备的选择和继电保护整定计算之用。
短路的基本类型：
三相短路、两相短路、单相接地短路和两相接地短路。
1、三相对称短路过程简单分析
2、短路冲击电流
3、求短路电流周期分量的有效值
4、用标么值计算短路电流
（七）系统的运行方式
系统的运行方式可分为最大运行方式和最小运行方式。
『重点』
配电网的电压计算；配电网的损耗计算；简单配电网的潮流计算；无功补偿和电压调整；无穷大功率条件下的短路电流计算。
『难点』
简单配电网的潮流计算
第五章电气设备的选择
『知识点』
电力设备的发热和电动力简介；电气设备选择的一般条件；母线、电缆的选择；高、低压电器的选择；主变压器的选择。
『基本要求』
1、理解电气设备所能承受的发热和电动力的允许值的概念及短时发热和最大电动力。
2、掌握电气设备选择的一般条件。
3、掌握母线的选择及校验。
4、掌握断路器、电流、电压互感器的配置、选择及校验项目。
5、熟悉低压电器的选择及校验项目。
6、了解变压器的主要类型和结构原理及主要技术参数；熟悉变压器的选择。
『关键知识』
（一）电气设备的发热和电动力
1、导体通过电流，产生电能损耗，转换成热能，使导体温度上升
2、导体短路时的发热计算
3、导体短路时的电动力计算
（二）电气设备选择的一般条件
1、按正常工作条件选择
（1）额定电压
（2）额定电流
（3）按当地环境条件校核
2、按短路情况校验
（1）短路热稳定校验
（2）动稳定校验
3、短路电流计算条件的确定
4、主要电气设备的选择和校验项目
（三）母线、电缆的选择
（四）高压电器的选择
1、高压断路器
高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，既可以在正常情况下接通或断开电路，又可以在系统发生故障时自动地迅速地断开故障电路。
高压断路器的选择：
型式、额定电压、额定电流、校验开断能力、校验热稳定、校验动稳定。
2、高压隔离开关
隔离开关没有灭弧装置。
既不能断开正常负荷电流，更不能断开短路电流。
隔离开关的用途：
隔离电压、倒闸操作、分、合小电流。
高压隔离开关：
型式、额定电压、额定电流、校验热稳定、校验动稳定。
3、电流（压）互感器
（1）电流互感器的原理与选择
在运行中的电流互感器二次回路严禁开路；二次侧一端可靠接地和接线时注意极性。
（2）电压互感器的原理与选择
在运行中的电压互感器二次回路严禁短路；二次侧一端可靠接地和接线时注意极性。
（五）低压电器的选择
低压开关电器按作用大体上也可分为隔离电源的开关、投切负荷电流的开关、保护电器以及多功能的断路器等。
（六）发电厂和变电所主变压器的选择
主变压器的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。
型式选择主要考虑相数的确定、绕组数的确定、绕组组别的确定、调压方式的确定、冷却方式选择。
『重点』
电气设备选择的一般条件；主要高压电器的选择
『难点』
电流（压）互感器使用过程中的注意事项
第六章电力负荷特性与计算分析
『知识点』
负荷的构成，负荷曲线特性与指标分析；负荷计算的方法；工厂、建筑供电负荷的统计计算。
『基本要求』
1、掌握用电设备的工作制，掌握负荷曲线、负荷曲线的特征指标分析。
2、掌握计算负荷的意义、需要系数的概念。
3、了解计算负荷估算法。
掌握按需要系数法确定计算负荷。
『关键知识』
（一）负荷曲线与特性分析
1、电力系统负荷的构成
2、用电设备的工作制：
（1）长期工作制S1
（2）短时工作制S2
（3）断续周期工作制S3
3、负荷曲线
负荷曲线：
指在某一时间段内描绘负荷随时间的推移而变化的曲线。
4、负荷曲线的特征指标分析
（二）负荷计算的方法
计算负荷：
在已知用电设备性质、容量等条件的情况下，按照一定的方法和规律，通过计算确定的电力负荷。
1、计算负荷的意义
通常根据半小时（30min）的平均负荷所绘制的负荷曲线上的“最大负荷”作为“计算负荷”，并作为按发热条件选择电气设备的依据。
2、确定计算负荷的系数
需要系数Kd
（三）工厂供电负荷的统计计算示例
（四）建筑配电负荷的统计计算示例
1、计算负荷的估算
2、按需要系数法确定计算负荷
（1）按需要系数法确定计算负荷的公式
（2）三相用电设备组计算负荷的确定
1）用电设备分组
2）单相用电设备计算负荷的确定
3）多组用电设备计算负荷的确定
『重点』
负荷计算的方法；起重机、电焊机的标准暂载率的换算
『难点』
工厂、建筑供电负荷的统计计算
第七章继电保护基础
『知识点』
继电保护的基本原理和要求、常用的继电器动作原理；单侧电源电网相间短路的电流保护；电力变压器保护；10kV配电系统的保护。
『基本要求』
1、理解继电保护的基本原理和要求，熟悉常用继电器的动作原理和操作电源。
2、掌握无时限电流速断保护、带限时电流速断保护、定时限过电流保护的构成。
3、了解电力变压器的常见故障及异常工作状态、保护的动作行为；熟悉变压器纵联差动、气体保护保护原理。
4、熟悉10kV配电线路的保护配置与特点。
『关键知识』
（一）继电保护的基本知识
（1）继电保护的基本原理
电力系统发生故障，必须迅速而有选择性地切除故障元件，须要设置继电保护装置。
（2）保护的构成
（3）对继电保护装置的基本要求
选择性、速动性、灵敏性、可靠性
（4）常用的保护继电器及操作电源
（二）单侧电源电网相间短路的电流保护。
1、对于无时限电流速断保护（电流保护I段）
（1）动作电流整定
（2）动作时间
（3）灵敏度
2、对于带限时电流速断保护（电流保护II段）
（1）动作电流整定
（2）动作时间
（3）灵敏度
3、对于定时限过电流速断保护（电流保护III段）
（1）动作电流：
保证被保护元件通过最大负荷电流时，过电流保护不误动，并且在外部故障切除后能够可靠返回。
（2）动作时间：
按照阶梯原则整定
（3）灵敏度：
因为按照负荷电流整定，定时限过电流保护的保护范围将远远超出本线路及相邻线路。
（三）反时限过电流保护的时限配合特性
反时限过电流保护是动作时限与被保护线路中短路电流大小有关的一种保护。
当短路电流大时，保护的动作时限短，而当短路电流小时，保护的动作时限长。
在一定程度上具有三段式电流保护的功能。
（四）变压器的故障与保护
1、故障
2、变压器的异常工作状态
3、保护配置
（1）变压器的电流速断保护
（2）瓦斯保护：
对于油箱内部故障及油面的降低而设置的。
（3）差动保护
基于比较变压器各侧的电流大小和相位的原理构成的。
两侧互感器之间的区域就是差动保护的保护范围。
（五）10kV配电线路的保护配置
1、电流速断保护
当电流速断保护不能满足选择性要求，增设带时限电流速断保护。
即：
Ⅰ+Ⅱ段
2、过电流保护（Ⅲ段）
配电线路上装设的主要保护。
3、单相接地保护（选择安装）
一般6～10kV电网都是小接地电流系统，单相接地故障时，只需发信号，运行人员可以
有1～2小时的时间查找接地点。
4、三相一次重合闸
对付瞬时故障。
（六）工厂供电线路的保护配置
1、过电流保护（Ⅲ段）
2、电流速断+反时限过电流保护
3、电流速断+过电流保护（Ⅰ+Ⅲ）常用
一般是1、2、3中选一种
4、单相接地保护
5、低电压保护
6、方向电流保护（采用双电源供电时，才考虑）
『重点』
继电保护的基本原理和要求、单侧电源电网相间短路的电流保护；电力变压器保护
『难点』
单侧电源电网相间短路的电流保护
第八章防雷与接地
『知识点』
电力设备的发热和电动力简介；电气设备选择的一般条件；母线、电缆的选择；高、低压电器的选择；主变压器的选择。
『基本要求』
1、理解各种接地方式的含义和作用；掌握各种接地的具体要求和适用的范围；明确接触电压和跨步电压的含义。
2、了解避雷针、避雷线、避雷器的用途。
3、了解输电线路、变电站防雷的保护措施。
4、了解工厂架空线路和变电所的防雷措施。
『关键知识』
（一）接地概述
1、接接地的目的不同，接地可分为以下三种：
（1）工作接地
（2）保护接地
（3）防雷接地
2、工作接地
为保证电力系统正常工作而采取的接地，即中性点接地运行方式。
（1）中性点直接接地电力系统
（2）中性点不接地电力系统
（3）中性点经消弧线圈接地电力系统
当中性点不接地系统单相接地电流较大时，可采用中性点经消弧线圈接地。
根据消弧线圈的电感电流对接地电容电流补偿程度的不同，可有以下三种补偿方式。
（1）全补偿
（2）欠补偿
（3）过补偿
（二）保护接地的作用及对接地装置的要求
（1）跨步电压
当人在分布电压区域内跨开一步，两脚间（相距0.8m）所承受的电压称为跨步电压。
（2）接触电压
当人触及漏电外壳，加于人手与脚之间的电压，称为接触电压。
（3）保护接零
（三）防雷装置
1、避雷针
2、避雷线（又称架空地线）
3、避雷器
（四）输电线路的防雷
（五）变电所防雷保护
『重点』
工作接地、保护接地及防雷接地；中性点接地运行方式。
『难点』
中性点接地运行方式
第九章电力工程设计
『知识点』
电气工程制图的基本知识、电力设备图形符号以及电力工程CAD简介。
简单的变电站电气主接线设计、工厂供电设计以及建筑配电设计。
『基本要求』
1、了解电气工程制图的基本知识。
熟悉发电厂和变电所常用电器图形符号。
2、熟悉变电站设计的主要步骤。
3、了解工厂供电、建筑配电设计的内容和与过程。
『关键知识』
（一）电气工程制图的基本知识
1、电气工程图的种类
2、电气工程制图的一般规则
（二）电力设备图形符号
用于图样或其他文件以表达一个设备或概念的图形、标记或字符。
（三）电气设计示例
1、变电站电气主接线
设计任务及要求
设计原始资料
主接线设计：
设计原则和步骤、主接线方案的拟定、主接线方案的技术比较、主变压器的选择、主接线方案的经济比较
短路电流计算
电气设备的选择与校验
2、工厂供电设计示例
工厂总降压变电所设计
厂区供电线路设计
3、建筑配电设计示例
电气（强电）设计内容包括：
配电系统、照明系统、插座系统、空调配电系统、动力配电系统、防雷接地系统。
系统设计与设备选择计算：
负荷统计表、系统设计、设备选择计算原则、导线截面的选择计算、开关电器的选择计算、照明设计与计算、防雷接地系统设计计算。
『重点』
电力工程制图的基本知识；电力设备图形符号
『难点』
变电所电气设计示例
四、课程学习的方法及特点
本课程内容广泛，涉及许多工程概念，要求具有较强的电工原理、电机学基础。
学习时应注意如下几点：
1、仔细阅读教学大纲，了解本课程的基本要求。
2、在学习本课程之前，认真复习电路和电机学（以同步发电机、变压器和异步电动机为主）的基础知识。
3、通过查阅相关资料，建立电力生产过程及相关设备的初步概念。
4、仔细阅读、理解例题，多做习题，加深对概念的理解，提高计算能力。
五、课程学习材料
1、课程基本教材
《电力工程基础》（第二版），温步瀛，中国电力出版社，2014年9月
2、课程主要辅导材料
（1）《电气工程基础》，刘涤尘，武汉理工大学出版社，2002年1月
（2）《电力工程基础》，孙丽华，机械工业出版社，2010年2月
（3）西南科技大学继续教育网（）的学习平台
3、参考资料
部分相关国家规范和设计手册：
《工业与民用配电设计手册》（第3版），中国航空工业规划设计研究院等编，中国电力出版社，2006
六、课程结构导航与学习建议
篇章
教学内容
理论学时
比例
实践学时
比例
第一章
发电厂概述
能源开发与利用
1%
水力发电
2%
火力发电
2%
风力发电
1%
太阳能发电、其他新能源发电
2%
第二章
电气主接线
电气主接线的基本形式
4%
发电厂电气主接线
2%
变电所电气主接线
2%
高压、低压配电网接线方式
2%
工厂供电系统的主接线
1%
建筑配电系统接线、配电装置
1%
第三章
输电网运行分析
电能质量分析
2
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