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1、电气工程及其自动化专业介绍,上官璇峰,电能在生产、传送、使用中比其他能源更易于调控，因此，它是最理想的二次能源。发电在电力工业中处于中心地位，决定着电力工业的规模，也影响到电力系统中输电、变电、配电等各个环节的发展。 目前，主要发电形式是火力发电、水力发电和核能发电。火力发电受煤、石油、天然气资源以及环境污染的影响，就全世界范围而言，所占比重在降低；水力发电因工业发达国家的水资源开发已近90，故所占比重维持在20左右；核能发电的比重则呈上升趋势。核电将越来越受重视。,电气工程及其自动化专业，主要学习和研究电气系统的应用和发配电设备与机械装置的控制及通信。,一、电气工程专业的科学内涵及发展趋势,
2、电气系统：包括电源开始到所有的用电设备的一次回路，以及对一次回路进行相应的控制、测量、保护和安全自动装置等的二次回路。提供交、直流操作和重要用电设备电源的直流、交流不停电电源，和保安电源系统，保证设备安全的过电压、接地和火灾消防报警系统，照明、电缆、通信等公用设施。,电能的生产,电网的规划、建设和维护,电网的安全、经济、稳定、可靠运行,高性能电气设备（电机、电器、电力电子、控制软硬件）的制造、运行、控制,电气信息类专业设置及其沿革 1993年 1998年（基本） 1998年（引导）,电机电器及其控制,电力系统及其自动化,高电压与绝缘技术,电气技术,工业自动化,（以上为电工类）,自动控制,（以上
3、为电子与信息类）,电气工程及其自动化,自动化,通信工程,电子信息工程,电子科学与技术,计算机科学与技术,生物医学工程,电气工程及其自动化强电,信息工程弱电,电气工程及其自动化,电气工程专业是从研究电磁现象开始的。电磁理论是电气工程的理论基础。电磁理论是从物理学中的电学和磁学逐步发展而形成的。电机工程 、电气工程电气工程专业是主要研究电能的产生、传输、转换、控制、存储和利用的专业。近几十年来，有关电能的转换、控制、利用在该专业中所占的地位日益重要，这集中体现在专业名称中的“及其自动化”。,一、电气工程专业的科学内涵及发展趋势,信息科学,能源科学,电气工程,电工理论,电气装备（制造和应用）,电力系
4、统（运行）,对电气工程学科的描述：大三角形： 电气工程和相关 学科的关系小三角形： 电气工程内部 各学科的关系,从应用领域看，电气工程和能源科学密切相关。能源是人类永恒的话题。从今天和明天看，电力是传输方便、应用灵活高效的能源型式。电力是人类社会最重要的能源。可以预计人类对电力的依赖将进一步增强。寻找新的发电方式是全世界关注的课题。从学科基础看，电气工程和（电子）信息学科基础相同。电子信息学科是从电气工程脱胎而出的。通信工程、电子工程、自动化、计算机工程等都是从电类专业派生出来的弱电学科。电力系统已经发展为地球上最庞大的人造系统，无论电能的生产、传输和利用，都日益依赖于控制技术、通信技术和管理
5、信息系统的应用，可以说本学科是具有清晰行业背景的强电弱电紧密结合的交叉学科。,电气工程,信息科学,能源科学,一、电气工程专业的科学内涵及发展趋势,电工理论：电工理论与新技术、电路理论（含电网络理论）、电磁理论电气装备：电机与电器、高电压与绝缘技术、电力电子技术电力系统：电力系统及其自动化（运行）、电力传动三者相互联系、相互渗透，不能截然分开,一、电气工程专业的科学内涵及发展趋势,电力系统 （运行）,电气装备 （制造和应用）,电工理论,国外（发达国家） 保留了“电气工程系”的名称， “电气工程系”中主要是电子、通信等内容，传统“电气工程”的内容已很少。 许多著名大学已找不到真正研究“电气工程”的
6、学者。 其背景是：认为电气工程已经成熟，从而转向研究电子和通信。 发达国家的发电机装机容量、输电走廊已趋饱和，所需人才不多。所需电气工程优秀人才多来自海外。,一、电气工程专业的科学内涵及发展趋势,2003年北美8.14大停电堪称电力领域的“9.11”事件，停电29小时，损失61800MW负荷，直接经济损失300亿美元。美国电网结构远比中国电网强，为什么会频繁出现这种灾难性的大停电事故？暴露了发达国家电力系统不安全，优秀电力工程人员匮乏的情况。,一、电气工程专业的科学内涵及发展趋势,停电前,停电后,美国海岸卫星云图,停电后纽约的夜景,二、中国电力现状及发展趋势,电气工程高等教育的发展有赖于与之相
7、关的产业的发展。与电气工程专业相关的产业主要有电力工业、电气装备制造业，还有几乎所有使用电力的行业（如家电制造业）。发电机装机容量的发展最能反映一个国家电力工业及其电气装备制造业的发展趋势。在发电机装机容量迅速扩大的年代，对电力装备制造业人才的需求也很大，从事电力传输、转换、控制、利用的人才需求量必然很大。,中国经济高速增长确保存量电力需求有保障，而持续旺盛的制造业投资则奠定了强劲的潜在需求，双方动因使得中国以工业用电为主的电力需求的高速增长态势仍将持续，电力弹性系数持续1.25-1.35左右。“十五”期间，全国发电装机容量和发电量年均增长率达到10.1%和12.8%，电力弹性系数1.36。2
8、005年全国发电装机容量达5.15亿千瓦。在“十一五”期间，随着经济高速发展、电力需求进一步上升。但是，由于当前中国电力产业由早先“硬短缺-电源短缺，发电能力不足”特征向“软短缺-电网不足，电能输送受限”转变，这段时期国家对于电力产业投资将主要集中在电网建设方面，电源扩张的紧迫性大大缓解。 截至2010年年底，中国发电总装机容量将为8.18亿千瓦，到2020年，我国电力总装机容量将达11.68亿千瓦，电力需求仍将保持较高增长。中国发电总装机容量将超过美国跃居世界第一位。,二、中国电力现状及发展趋势,目前基本上进入大电网、大机组、大电厂、高电压输电、高度自动控制的新时代；全国总装机7.9亿kW（
9、2008年)，发电量为34268亿kWh （2008年）均居世界第二位；全国人均装机为0.6 kW，人均发电为2580 kWh，相当于世界人均用电量的1/2，相当于发达国家人均用电量的1/6 ；2009年至2010年，全国电力供需总体平衡，部分区域略有富余。但受气候、来水、电煤供应和电网“卡脖子”等不确定性因素影响，可能会出现局部短时电力供应紧张问题.,二、中国电力现状及发展趋势,电力需求展望：现阶段中国 人均占有装机容量0.6kW,发电量2580 kWh现阶段相当于发达国家20世纪60年代水平。2000年美国人均占有装机容量3.4kW，俄罗斯为1.1kW，日本为2.2kW要求在21世纪前20
10、年，年均新装机容量应高于30000MW,二、中国电力现状及发展趋势,电源发展建设展望： 加速开发西部水电基地； 加速核电发展； 加速发展再生能源； 煤电仍是21世纪初期我国的主要能源形式。电力系统发展展望： 以三峡电力系统为中心，推进全国电力系统的形成； 2020年将形成除新疆、西藏、台湾之外的全国统一 的大区互联电力系统； 与邻国发展跨国互联电力系统已成为发展的基本趋势，是经济全球化的一种形式。,二、中国电力现状及发展趋势,我国“西电东输”的三大通道,北线通道：联结西北、华北、山东等电网，将三西（山西、陕西、内蒙西部、青海）的煤电基地和黄河上游水电送往京津唐负荷中心。中线通道：以三峡为中心，
11、实现川渝、华中、福建电网联接，沿长江而下，把长江流域水电送往华中，华东以及广东。南线通道：联结云、贵、桂及广东、港澳。把云、贵、桂的水电（贵川火电为补充）向广东及港澳负荷中心送电。,二、中国电力现状及发展趋势,电力系统及其自动化技术,（特）超高电压直流输电和交流输电,减小损耗的最合理的途径就是提高电压，输电技术全部发展史的特征便是不断提高线路电压；直流输电也是降低损耗的方法预计到2020年，我国将建设500kVHVDC输电线路15条左右，一条500kV直流输电线路，输电容量可达300350万kW，输电距离可达1000km以上。一条500kV交流输电线路，输电容量100120万kW，输电距离50
12、0600km云南至广东800千伏直流输电工程日前已进入调试启动阶段。该工程西起云南楚雄换流站，东至广东省广州增城市穗东换流站，直流线路途经云南、广西至广东，是世界上第一个特高压直流输电工程，也是我国特高压直流输电示范工程。国家电网公司正在积极论证1000kV特高压交流输电工程。,二、中国电力现状及发展趋势,二、中国电力现状及发展趋势,2020年，我国发电机装机容量将稳居世界第一。未来20年，中国将是全球电力工业和电工制造业的最大市场。我国电气工程领域集中了一批最优秀的人才。我国将成为世界电气工程高等教育的中心。我国将成为世界电气工程科学研究和技术开发的中心。,二、中国电力现状及发展趋势,未来2
13、0年，我国电力工业和电气装备制造业将持续高速度发展，受此拉动，我国电气工程高等学校也将持续高速度发展。正像我国正在成为世界制造业的中心，成为世界工厂一样，我国也必将成为世界电气工程高等教育、科学研究和技术开发的中心。电气工程是一个传统专业，又是一个充满活力的专业，它将成为我国率先达到国际领先水平的专业。,三、电力系统简介1.电力系统构成,电力系统是由发电厂、输配电系统(电力网络)及负荷组成的统一整体，通常覆盖广阔的地域。,电力系统及其自动化技术,三、电力系统简介(续),2.主要生产环节,电力工业主要生产环节,电力工业还包括以下环节：规划、勘测设计、施工建设、运行调度、维护改造、安全监察、科研开
14、发、设备制造、教育培训、法规标准、电力营销（电力市场）等等。,三、电力系统简介(续)3.电力网络,电力网络由不同电压等级的电力线路、变压器和相应的配电装置构成。电力网络的功能是输送和分配电能并进行电压变换。电力网可分为输电网和配电网，大型电力网的结构通常以电压等级进行分层；输电网将发电厂的电能通过高压输电线送到负荷中心，其额定电压通常为220750kV，它是电力系统的主干网；配电网将电能通过配电线路送到电能用户，可以分为高压、中压、和低压配电网；高压配电网的电压一般为35KV110kV或更高(220KV)；中压配电网的电压一般为10KV20kV；低压配电网的电压一般为380/220V。,三、电
15、力系统简介（续）,4.电力系统的功能与作用,电力系统是由发电、变电、输电、配电、用电等设备和相应的辅助系统，按规定的技术和经济要求组成的同一系统。一个现代电力系统是由极宽阔的地域内的大量电力设备互联在一起的。,发电、变电、输电、配电、用电等设备称为电力主设备，也称为一次设备，由主设备构成的系统称为主系统，也称为一次系统；,测量、监视、控制、继电保护、安全自动装置、通信，以及各种自动化系统等用于保证主系统安全、稳定、正常运行的设备称为二次设备，二次设备构成的系统称为辅助系统，也称为二次系统。,三、电力系统简介电力系统的功能与作用,电力系统的基本任务是安全、可靠、优质、经济地生产、输送与分配电能，
16、满足国民经济和人民生活需要。,为了发挥电力系统的功能和作用，应满足以下基本要求：,满足用户需求；安全可靠性要求；经济性要求；环保和生态要求。,5.现代电力系统的特点,电力系统技术上的发展是以“大机组、大电网、高电压、高度自动化”为特征来描述；,数字化、网络化、信息化、智能化技术日益提高电力系 统的自动化水平；,洁净煤技术、水电开发、核电的发展越来越得到重视,新 能源的开发利用，特别是可再生能源的开发利用也是现 代电力技术的发展趋势；,建立健全的电力市场机制是提高效率、降低成本，促进 电力资产的合理利用与发展的有效保证。,三、电力系统简介,结论： 电能高效洁净的生产、传输、储存、分配和使用的技术
17、将成为未来电力技术的主导发展方向,6)定质电力技术,5)分布式发电技术,三、电力系统简介,一、发电（power generation ） 发电是指利用发电动力装置将水能、石化燃料（煤、油、天然气）的热能、核能以及太阳能、风能、地热能、海洋能等转换为电能的生产过程称为发电。用以供应国民经济各部门与人民生活之需。 发电动力装置按能源的种类分为火电动力装量、水电动力装置、核电动力装置及其他能源发电动力装置。火电动力装置由电厂锅炉、汽轮机和发电机（惯称三大主机）及其辅助装置组成。水电动力装置由水轮发电机组、调速器、油压装置及其他辅助装置组成。核电动力装置由核反应堆、蒸气发生器、汽轮发电机组及其他附属设
18、备组成。,火力发电一般是指利用石油、煤炭和天然气等燃料燃烧时产生的热能来加热水，使水变成高温、高压水蒸气，然后再由水蒸气推动发电机来发电的方式的总称。以煤、石油或天然气作为燃料的发电厂统称为火电厂。,火电厂,水力发电水力发电的基本原理是利用水位落差 ，配合水轮发电机产生电力，也就是利用水的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。科学家们以此水位落差的天然条件，有效的利用流力工程及机械物理等，精心搭配以达到最高的发电量，供人们使用廉价又无污染的电力。,长江三峡水电站,葛洲坝水电站,洪家渡水电站,岩滩水电站,白水峪水电站,混流式水轮机,金属蜗壳水轮机,核能发电核能发电的核心装置是核
19、反应堆。利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。,田湾核电站,大亚湾核电站,福岛核电站（日本）,切尔贝诺利（前苏联）,风力发电把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。,输电 （transmission of electricity，power transmissi
20、on ）,指从电源向用电地区输送电能 。电能的传输。是电力系统整体功能的重要组成环节。发电厂与电力负荷中心通常都位于不同地区。在水力、煤炭等一次能源资源条件适宜的地点建立发电厂，通过输电可以将电能输送到远离发电厂的负荷中心，使电能的开发和利用超越地域的限制。与其他能源输送方式相比较，输电具有损耗小、效益高、灵活方便、易于调节控制、减少环境污染等优点。,电能的传输。它和变电、配电、输电、用电一起，构成电力系统的整体功能。通过输电，把相距甚远的（可达数千千米）发电厂和负荷中心联系起来，使电能的开发和利用超越地域的限制。 输电是用变压器将发电机发出的电能升压后，再经断路器等控制设备接入输电线路来实现
21、。,输电线路,配电 （distribution of electricity ）,在一个用电区域内向用户供电 ，是电力系统中直接与用户相连并向用户分配电能的环节。配电系统由配电变电所（通常是将电网的输电电压降为配电电压）、高压配电线路（即1千伏以上电压）、配电变压器、低压配电线路（1千伏以下电压）以及相应的控制保护设备组成。配电电压通常有3560千伏和310千伏等。,组合式配电箱,组合式配电箱,组合式配电箱,组合式配电箱,高电压及绝缘技术,本研究方向为：脉冲功率及应用技术、电磁脉冲防护技术、高频高压电源技术、特殊条件下电介质结构与材料绝缘特性、放电等离子体及其应用。高电压技术是以试验研究为基础
22、的应用技术，主要研究在高电压作用下各种绝缘介质的性能和不同类型的放电现象，高电压设备的绝缘结构设计，高电压试验和测试的设备及方法，电力系统的过电压，高电压或大电流产生的强电场、强磁场或电磁波对环境的影响和防护措施，以及高电压、大电流的应用等。,雷电过电压,工频耐压实验,高压放到实验,意大利1000kV工程雷击冲击试验,电力电子与电力传动,电力电子与电力传动是一个与电能的变换、控制、传送、存储密切相关的应用型基础学科，它综合了电能变换、电磁学、电机学、自动控制、微电子技术及电子信息、计算机等学科的新成就而迅速发展起来的交叉学科。,电力电子与电力传动是电能工业与用电工业间的接口，对电能进行有效控制
23、。,电力电子与电力传动是信息、计算机控制与用电工业间的接口，对电能进行高质量的控制。,电力电子与电力传动系统的基本结构,电机与电器,电机及其控制 电机理论，电机调速，电机内电磁场和分析和计算，特殊电机及其控制，电机在线监测及故障诊断，电力电子装置在电机中的应用及对电机性能的影响。变压器理论与应用。电器及其控制 开关电器电弧和电接触理论，开关电器内电场、磁场的分析和计算，智能电器，开关电器控制电路。,大型三相同步电动机,电力变压器,葛洲坝水电站,高压断路器,隔离开关,电抗器,电抗器,电流互感器,穿芯式电流互感器,三相式电流互感器,SW2-110型少油断路器 每相单柱双断口,SW2-63型少油断路器,DW8-35型多油断路器,SW2-220型少油断路器每相双柱四断口,电工理论与新技术 本学科主要研究方向为：应用超导技术、可再生能源新技术、新型储能技术、电磁推进技术、新型发电技术、新型电工材料与器件、机电系统的综合物理场理论与应用、强磁场材料科学等。,
