电气工程概论
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电气工程概论-第一章
电气工程学科是在经验和教训中不断发展起来的：
著名例子是美加“8.14大停电”，2003年8月14日下午，美 国的中西部和东北部以及加拿大的安大略省经历了一次大停电 事故，其影响范围包括美国的俄亥俄州、密西根州、宾夕法尼 亚州、纽约州、佛蒙特州、马萨诸塞州、康涅狄格州、新泽西 州和加拿大的安大略省，损失负载大61.8GW，影响了5千万人 口的用电。停电在美国东部时间下午4时06分开始，在美国的 一些地区两天内未能恢复供电，加拿大的安大略省甚至一周未 能恢复供电。这次停电事故引起了全世界的关注。 综合资料，基本可以判断本次大停电对全网而言属于潮流大 范围转移导致的快速电压崩溃，同时伴有潮流大范围转移和窜 动导致的断面线路相继跳闸和系统解列后的频率崩溃。
• 能量守恒定律 • 右手定则=发电机定则 • 左手定则=电动机定则 • 电动机与发电机 • 电机内的损耗：铜损+机械损耗 +介质损耗 热能
第三节 电力系统
电力网结构
电力系统的特点和要求
• 特点：不能大量储存、暂态过程十分短暂、地区性特点较 强、与国民经济各部门有极为密切的关系
• 要求：为用户提供充足的电力、保证供电的安全可靠、保
电气工程概论
第一章 绪论
第一节 概述
一、电气工程的历史和形成 电气工程是研究电磁领域的客观规律及其应用的科学 技术，以电工科学中的理论和方法为基础而形成的工程技 术称为电气工程。 根据电气工程学科的发展现状，可将其分为相对独立 的五个分学科:电力系统及其自动化技术、电机与电器及 其控制技术、高电压与绝缘技术、电力电子技术和电工新 技术 其结构简图如下图所示。
二、电能的特点和要求
• 特点：大规模生产、运输简单、方便转换且易于控制、可 替代其他能源提高利用效率、无污染。
电气工程概论
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一、电力系统的组成
电力系统就是由发电厂、变电所、输配电线路 和电力用户连接而成的统一整体，包含着电能 的生产、输送、分配和使用。
电力系统加上发电厂的动力部分，如汽轮机、 水轮机、锅炉、水库、反应堆等，称之为动力 系统。
图1-1 电力网、电力系统和动力系统
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图1-1 电力网、电力系统和动力系统
➢ 电能质量主要指标的影响因素、主要危害以及 可采用的解决方法见表1-5。
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3．提高电力系统运行的经济性
➢ （1）在发电环节，要综合各类发电厂的运行特点， 合理安排其发电顺序，实现电源的优化组合。
➢ （2）在输送电能环节，要采取各种措施降低网络 损耗，提高电能的传输效率。
➢ （3）结合本地区的区域特点，积极致力于新能源 的开发和利用，减少电能的生产和输送成本。
的发生，以及在事故发生后能够最快的缩小事故范围， 防止事故扩大。
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2．保证良好的电能质量 衡量电能质量的主要指标有电压、波形和频率。
（1）电压 电压质量一般用电压偏差、电压波动和闪变以及三相
电压不平衡度三个指标来衡量。
U % U U N 100 % UN
（1-1）
式中：△U% 为电压偏差；U电网某点的实际运行电压；
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1.发电厂 生产电能的工厂，把不同形式的一次能源转
换成电能。
➢ 分类：据所利用能源的种类不同，可将发电厂 分为火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂、 风力发电厂、地热发电厂、太阳能发电厂和潮 汐发电厂等。
➢ 发电厂举例
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2.变电所 变电所是联系发电厂和用户的中间环节，起
第1章电气工程概论
• 发展智能电网: 可靠、安全、经济、高效、环境 友好和使用安全的智能化电网
• 风力发电、太阳能光伏发电等可再生能源发电技 术的产业化及规模化应用
第1章电气工程概论
• 电气应用领域
• 建筑电气与智能化在建筑行业中的比重越来越大，现 代化建筑物、建筑小区，乃至乡镇和城市对电气照明、 楼字自动控制、计算机网络通信，以及防火、防盗和 停车场管理等安全防范系统的要求越来越迫切，也越 来越高；
第1章电气工程概论
•优化火电结构
• 在火电领域，中国正努力优化煤电结构，推进 大型煤电基地的建设，鼓励发展坑口电站，重点 发展大型高效环保机组和积极发展热电联产机组 ，降低供电煤耗，加快淘汰落后小火电机组的步 伐。 • 据测算，如果中国目前的火电机组全部采用超 超临界技术，供电煤耗就可以从357克标准煤/千 瓦时降至283克标准煤/千瓦时，供电效率从 34.4%提高到43.4%，相当于2007年节省标准煤 约2亿吨、减排二氧化碳5亿吨，同时还能减少运 输与环保压力。
第1章电气工程概论
教学计划(32学时 16周)
• 第1章 电气工程概论 /4
1.1 电气工程的地位和作用 1.2 电机工程 1.3 电力系统工程 1.4 电力电子技术 1.5 高电压工程 1.6 电气工程新技术
• 第2章 电器设备 /2
2.1 电弧与灭弧 2.2 高压断路器 2.3 隔离开关、高压负荷开关、高压熔断器 2.4 低压电器 2.5 互感器 2.6 电气设备的选择
筑电气工程等。
• 电气工程还可分为电机工程、电力电子技术、 电力系统工程、高电压工程。
电气工程与土木工程、机械工程、化学工程及管 理工程并称现代社会五大工程。
第1章电气工程概论
发电工程
• 风力发电、太阳能光伏发电等可再生能源发电技 术的产业化及规模化应用
第1章电气工程概论
• 电气应用领域
• 建筑电气与智能化在建筑行业中的比重越来越大，现 代化建筑物、建筑小区，乃至乡镇和城市对电气照明、 楼字自动控制、计算机网络通信，以及防火、防盗和 停车场管理等安全防范系统的要求越来越迫切，也越 来越高；
第1章电气工程概论
•优化火电结构
• 在火电领域，中国正努力优化煤电结构，推进 大型煤电基地的建设，鼓励发展坑口电站，重点 发展大型高效环保机组和积极发展热电联产机组 ，降低供电煤耗，加快淘汰落后小火电机组的步 伐。 • 据测算，如果中国目前的火电机组全部采用超 超临界技术，供电煤耗就可以从357克标准煤/千 瓦时降至283克标准煤/千瓦时，供电效率从 34.4%提高到43.4%，相当于2007年节省标准煤 约2亿吨、减排二氧化碳5亿吨，同时还能减少运 输与环保压力。
第1章电气工程概论
教学计划(32学时 16周)
• 第1章 电气工程概论 /4
1.1 电气工程的地位和作用 1.2 电机工程 1.3 电力系统工程 1.4 电力电子技术 1.5 高电压工程 1.6 电气工程新技术
• 第2章 电器设备 /2
2.1 电弧与灭弧 2.2 高压断路器 2.3 隔离开关、高压负荷开关、高压熔断器 2.4 低压电器 2.5 互感器 2.6 电气设备的选择
筑电气工程等。
• 电气工程还可分为电机工程、电力电子技术、 电力系统工程、高电压工程。
电气工程与土木工程、机械工程、化学工程及管 理工程并称现代社会五大工程。
第1章电气工程概论
发电工程
电气工程概论教学大纲
电气工程概论教学大纲第一部分：课程介绍电气工程概论是电气工程专业的基础课程，旨在为学生提供电气工程领域的基本概念、原理和实践技能。
本课程包括电气工程的历史背景、发展趋势、现代应用以及相关的基础知识。
通过本课程的学习，学生将能够全面了解电气工程领域的重要性和广泛应用，为进一步的学习和研究奠定基础。
第二部分：课程目标1. 了解电气工程的基本概念和核心原理；2. 掌握电气工程领域的基本知识和技能；3. 培养学生的实践能力和问题解决能力；4. 培养学生的科学研究意识和创新思维。
第三部分：教学内容1. 电气工程的历史发展和应用领域；2. 电路分析与设计；3. 电磁场理论与应用；4. 电力系统与电力传输；5. 电子电气设备与控制技术；6. 电气工程中的安全与可靠性。
第四部分：教学方法1. 授课：通过讲解理论知识和实例，引导学生理解和掌握电气工程的基本概念和原理；2. 实验：组织电路实验和模拟实验，培养学生的实践动手能力和实验数据分析能力；3. 讨论：组织学生讨论并解决实际电气工程案例，锻炼学生的问题解决能力和团队合作能力；4. 研究项目：要求学生进行小型电气工程研究项目，培养学生的科学研究意识和创新能力。
第五部分：教学评价1. 平时成绩：包括课堂表现、实验报告和小组讨论等；2. 期中考试：测试学生对于电气工程基本概念和原理的理解程度；3. 期末考试：全面测试学生对于课程内容的掌握和应用能力。
第六部分：参考教材1. 《电路分析基础》；2. 《电磁场与电磁波导论》；3. 《电力系统工程》；4. 《电子电工材料与元器件》；5. 《电气工程安全与可靠性》。
第七部分：备注本教学大纲仅供参考，教师有权根据具体情况进行适当调整和修改，并会及时告知学生。
电气工程概论(全)
什么是电气工程？电气工程（Electrical Engineering简称EE）是现代科技领域中的核心学科之一，更是当今高新技术领域中不可或缺的关键学科。
例如正是电子技术的巨大进步才推动了以计算机网络为基础的信息时代的到来，并将改变人类的生活工作模式等等。
从某种意义上讲，电气工程的发达程度代表着国家的科技进步水平。
正因为此，电气工程的教育和科研一直在发达国家大学中占据十分重要的地位。
美国大学电气工程学科在机构名称上有的学校称电气工程系，有的称为电气工程与信息科学系，有的称为电气工程与计算机科学系等等。
该学科（系）在科研、教学及学术组织形式上与国内电气工程学科有较大不同。
了解国外学科状态及教学、科研方向，对调整我们的学科方向、提高教学、科研水平具有十分重要的作用。
传统的电气工程定义为用于创造产生电气与电子系统的有关学科的总和。
此定义本已经十分宽泛，但随着科学技术的飞速发展，21世纪的电气工程概念已经远远超出上述定义的范畴，斯坦福大学教授指出：今天的电气工程涵盖了几乎所有与电子、光子有关的工程行为。
本领域知识宽度的巨大增长，要求我们重新检查甚至重新构造电气工程的学科方向、课程设置及其内容，以便使电气工程学科能有效地回应学生的需求、社会的需求、科技的进步和动态的科研环境。
另外，电气自动化技术本身作为当今世界最活跃、最充满生机、最富有开发前景的综合性学科与众多高新技术的合成。
其应用范围十分广泛,几乎渗透到国民经济各个部门,是微电子技术、电力电子技术、计算机应用技术、自动控制技术和信息网络技术等各高新设计集成。
影响因素今后若干年内对电气工程发展影响最大的主要因素包括：1、信息技术的决定性影响。
信息技术广泛地定义为包括计算机、世界范围高速宽带计算机网络及通讯系统，以及用来传感、处理、存储和显示各种信息等相关支持技术的综合。
信息技术对电气工程的发展具有特别大的支配性影响。
信息技术持续以指数速度增长在很大程度上取决于电气工程中众多学科领域的持续技术创新。
电气工程概论
1998年国家(guójiā)颁布的大学本科专业目录
•电机电器(diànqì)及其 控制
•电力系统及其自动化
•高电压与绝缘技术
电气工程及其 自的工科引导性专业目录中，把电气工程及其自动化专业和自动 化专业中的部分合并为电气工程与自动化专业。
3 第四页，共38页。
1.2 电气(diànqì)科学与工程的发 展简史
7 第八页，共38页。
时间 公元前七世纪 公元前一世纪 1600年
1660年 1745年
典型事件
人物/国家
发现磁石与磁现象 中国、希腊
静电吸引
王充（叙述），中国
《论磁石》论述磁 吉尔伯特，英国 现象
发明摩擦起电机 奥托·冯·库克，德国
发明莱顿瓶
荷兰莱顿大学，克里斯特与 莫什布鲁克
目前，我国的电气(diànqì)工程及其自动 化专业不包括通信。
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第六页，共38页。
电气科学与工程的学科分类
电磁学与电路理论
电机电器学
电力(diànlì)系统
电工材料学
高电压与绝缘
电力(diànlì)电子学
脉冲功率技术
放电理论与放电等离子体
超导电工学
生物电磁学
电磁兼容
新能源与新发电技术
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第七页，共38页。
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第三十七页，共38页。
第三十八页，共38页。
网络化
电力网络 信息通信网络 工业控制网络 SCADA/EMS DMS/DSM/GIS
……
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线控汽车
26
第二十七页，共38页。
全电旅游船电气设备布置(bùzhì)
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第二十八页，共38页。
多电飞机电气设备布置
电气工程概论
电气工程概论
四、电气设备诊断和在线监测
诊断过程包括： 1、通过传感器及必要的手段，检测能表征设备状态的 各种特征，得到初始模式。 2、对原始信号进行分析处理，抑制干扰，取出能敏感 而有效的反应设备运行状态的特征参数，形成待检模式。 3、将待检模式与样本模式（理论知识、运行经验、实 验研究）对照，识别故障模式。 4、根据多种特征识别的结果，综合分析，判断设备状
避雷器有管型和阀型两种
·
·
3、输电线路、发电厂、变电所的防雷保护 发电厂、变电站是多条线路的交汇点和电力
系统的枢纽，输电线路由于面积大分布面广，易
受雷电袭击。
在确定防雷措施时，应根据电压等级、负荷性质、 系统运行方式、雷电活动的强弱，并经技术和经 济方面的比较来确定。
§2.3 高电压新技术及其应用
用途：摄影、放映、晒图、照相复印、光刻 工艺、化学合成、荧光显微镜、荧光分析、 紫外探伤、杀菌消毒、医疗、生物栽培、固 体激光等。
论文1题目：
论述高电压新技术对国民经济发展的推动作用 格式要求： 题目（三号）
班级 学号 姓名 （小四号） 摘要：（100—200字，五号） 关键词（3-5个，五号） 正文：（不低于3000字，小四号），见附件 时间：一周
应用：汽车、机械、家电等。 3、静电植绒
利用静电原理生产绒毛制品的技术可用来生产纤维制品 （地毯、坐垫、人造皮毛）、塑料制品（装饰布）和金属制品 （装饰材料）。
4、静电纺纱
利用静电场对纤维的作用使纤维得到伸直、排列和凝聚， 是一种新型纺纱技术。
5、静电制版
利用静电复印原理，使具有光导电性能的纸板成静电照相 版，与传统的制版相比速度快
工序少、成本低、操作简便、节约白银。
2.3.5 在环保领域的应用 1、静电除尘
四、电气设备诊断和在线监测
诊断过程包括： 1、通过传感器及必要的手段，检测能表征设备状态的 各种特征，得到初始模式。 2、对原始信号进行分析处理，抑制干扰，取出能敏感 而有效的反应设备运行状态的特征参数，形成待检模式。 3、将待检模式与样本模式（理论知识、运行经验、实 验研究）对照，识别故障模式。 4、根据多种特征识别的结果，综合分析，判断设备状
避雷器有管型和阀型两种
·
·
3、输电线路、发电厂、变电所的防雷保护 发电厂、变电站是多条线路的交汇点和电力
系统的枢纽，输电线路由于面积大分布面广，易
受雷电袭击。
在确定防雷措施时，应根据电压等级、负荷性质、 系统运行方式、雷电活动的强弱，并经技术和经 济方面的比较来确定。
§2.3 高电压新技术及其应用
用途：摄影、放映、晒图、照相复印、光刻 工艺、化学合成、荧光显微镜、荧光分析、 紫外探伤、杀菌消毒、医疗、生物栽培、固 体激光等。
论文1题目：
论述高电压新技术对国民经济发展的推动作用 格式要求： 题目（三号）
班级 学号 姓名 （小四号） 摘要：（100—200字，五号） 关键词（3-5个，五号） 正文：（不低于3000字，小四号），见附件 时间：一周
应用：汽车、机械、家电等。 3、静电植绒
利用静电原理生产绒毛制品的技术可用来生产纤维制品 （地毯、坐垫、人造皮毛）、塑料制品（装饰布）和金属制品 （装饰材料）。
4、静电纺纱
利用静电场对纤维的作用使纤维得到伸直、排列和凝聚， 是一种新型纺纱技术。
5、静电制版
利用静电复印原理，使具有光导电性能的纸板成静电照相 版，与传统的制版相比速度快
工序少、成本低、操作简便、节约白银。
2.3.5 在环保领域的应用 1、静电除尘
电气工程概论第三章-电力电子
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
图3-2示出了各种功率半导体器件的工作范围
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
二、大功率二极管
大功率二极管属不可控器件，在不可控整流、电感性负载回路 的续流等场合均得到广泛使用。
（一）大功率二极管的结构 大功率二极管的内部结构是一个具有P型、N型半导体、一个PN 结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件，其符号表示如图33(a)所示。 从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。一般情况下， 200A以下的管芯采用螺旋式(图3-3(b) )，200A以上则采用平板 式(图3-3(c) )。
1. 电压参数
（1）断态重复峰值电压UDRM 取断态不重复峰值电压UDSM的90％定义为断态重复峰值电压UDRM， “重复”表示这个电压可以以每秒50次，每次持续时间不大于 10ms的重复方式施加于元件上。
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
（2）反向重复峰值电压URRM
取反向不重复峰值电压URSM的90％为定义为反向重复峰值电压 URRM，这个电压允许重复施加。
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
三、晶闸管(SCR)
晶闸管是硅晶体闸流管的简称，其价格低廉、工作可靠，尽管 开关频率较低，但在大功率、低频的电力电子装置中仍占主导 地位。 （一）晶闸管的结构 晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管 芯及散热器两大部分，分别如图3-7及图3-8所示。
晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路，有时也在高频电力电子电路中 得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开 关特性，即开通特性和关断特性。
（1）开通特性 晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图3-11给出了
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超高压远距离输电 区域电力网
网络 50公里以外 300公里以上
110、220 330、500、750
发电厂之间的 将远区电能输送到
互联
负荷中心
适用地区
农村、城市、工 各省、各区内 跨省区、跨国家 矿区的配电网 的 互联网络 的大型电力网
表1-1 电力网的分类
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11
二、电力系统的特点
4
图1-1 电力网、电力系统和动力系统
2020/2/24
5
? 1.发电厂 生产电能的工厂，把不同形式的一次能源转
换成电能。
? 分类：据所利用能源的种类不同，可将发电厂 分为火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂、 风力发电厂、地热发电厂、太阳能发电厂和潮 汐发电厂等。
? 发电厂举例
2020/2/24
V互成120°）有效值与正序分量有效值的百分比来
表示，称为 三相电压不平衡度 ，即
?U % ? U 2 ? 100%
U1
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（1-3）
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? （2）频率 电力系统运行时的频率与额定频率之差称为频率偏差，
是电能质量的又一个主要指标。
? 我国电力系统采用的额定频率为50Hz，其允许偏差如表 1-3所示。
16
? 理想的三相交流电力系统中，三相电压应有相同的 幅值，且顺时针按 U、V、W顺序互成 120°，这样 的系统就是 三相平衡的系统 。
? 电力系统实际运行中，由于三相负荷大小不等或系 统三相阻抗不对称等因素的存在，使得电力系统三 相电压处于 不平衡运行状态 。
? 三相电压不平衡用电压负序分量（顺时针按 U、W、
运行情况
允许频率偏移 值（Hz）
正常运行
中、小系统 大系统
±0.5 ±0.2
事故运行
30min以内 15min以内 决不允许低于
±1 ±1.5 -4
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表1-3 系统频率允许偏差
允许标准时钟误差 （s） 40 30
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? （3）波形 电力系统稳态运行时，其电压或电流波形应
为正弦波，但由于系统中谐波源的存在，如变 频调速等产生大量的谐波，造成了正弦波形的 畸变。
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? 3．地区变电所 地区变电所是一个地区或城市的主要变电所，高压侧
电压一般为110~220kV。 全所一旦停电，将使该地区中断供电。
? 4．终端变电所 终端变电所是电网的末端变电所，一般为降压变电所，
由地区变电所供电，高压侧电压为10~110kV。 全所一旦停电，将使用户中断供电。
的发生，以及在事故发生后能够最快的缩小事故范围， 防止事故扩大。
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? 2．保证良好的电能质量 衡量电能质量的主要指标有电压、波形和频率。
? （1）电压 电压质量一般用电压偏差、电压波动和闪变以及三相
电压不平衡度三个指标来衡量。
? U % ? U ? U N ? 100% UN
（1-1）
电气工程基础
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1
第一章 电气工程概论
? 第一节 电力系统的基本概念 ? 第二节 电力系统的电压等级 ? 第三节 电力系统中性点接地方式
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2
第一节 电力系统的基本概念
? 一、电力系统的组成 ? 二、电力系统的特点 ? 三、电力系统运行的基本要求 ? 四、建立大型电力系统的优点
级较高，变压器容量大，进出线回路数多。 其高压侧电压为330~550kV，全所一旦停电，将引
起整个系统解列，甚至使部分系统瘫痪。
? 2．中间变电所 将发电厂、枢纽变电所及负荷中心联系起来，处于电
源与负荷的中间位置。主要用以交换潮流或使长距离输 电线路分段，同时降低电压给所在区域供电。
电压为220~330kV。全所一旦停电，将引起区域电 力系统解列。
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一、电力系统的组成
? 电力系统就是由发电厂、变电所、输配电线路 和电力用户连接而成的统一整体，包含着电能 的生产、输送、分配和使用。
? 电力系统加上发电厂的动力部分，如汽轮机、 水轮机、锅炉、水库、反应堆等，称之为动力 系统。
图1-1 电力网、电力系统和动力系统
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? 1．电能不能大量储存 ? 2．过渡过程十分短暂 ? 3.电能生产与国计民生密切相关 ? 4.地区性特点较强
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三、电力系统运行的基本要求
终极目标:给用户提供充裕、安全、优质的电能。 ? 1．保证系统安全可靠的运行 1. 要求系统设备的运行具有足够的可靠性，加强对设备
运行状态的监视和维修。 2. 要完善电力系统结构，提高系统抗干扰的能力。 3. 提高操作人员的技术水平和责任心，防止误操作事故
式中：△U% 为电压偏差；U电网某点的实际运行电压； UN 为额定电压。
? 我国规定的用户受电端的电压偏差见表1-2。
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线路额 电压允许变化 线路额定 电压允许变
定电压 范围（%）
电压 化范围（ %）
35kV及
以上
±5
低压照明 +5~-10
10kV及
以下
±7
农业用户 +5~-10
? 我国在《公用电网谐波》中规定了谐波电压的 限制，如表1-4 所示。
? 电能质量主要指标的影响因素、主要危害以及 可采用的解决方法见表1-5。
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? 3.电力网 电力系统的重要组成部分，用于输送和分配
电能。 ? 分类：一般按其供电范围的大小和电压等级的
高低可分为地方电力网、区域电力网和超高压 远距离输电网三类。 24
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类型
地方电力网
输电范围 典型电压等
级(kV)
主要功能
50公里以内 10、35 分配电能
表1-2 用户供电电压允许变化范围
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? 电压波动是指电压在系统中作快速、短时的变 化，变化更为剧烈的电压波动称为闪变。
电压波动一般用电网某点电压最大值与最小 值之差对电网额定电压的百分比表示，即
?U % ? Umax ? U min ? 100%
UN
（1-2）
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? 2.变电所 变电所是联系发电厂和用户的中间环节，起
着变换和分配电能的作用。 ? 根据变电所在电力系统中的地位，可分为以下
几种：
? 1．枢纽变电所 ? 2．中间变电所 ? 3．地区变电所 ? 4．终端变电所
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? 1．枢纽变电所 联系电力系统各部分的中枢，由大电网供电，电压等