电力系统的基本概念

第一章 电力系统的基本概念,第一节 电力系统概述,第二节 电力系统的额定电压和频率,第三节 电力系统的接线方式,第四节 电力系统的负荷和负荷曲线,第五节 电力系统的中性点的运行方式,第一节 电力系统概述,一 、 电力系统的基本概念,图1-1 动力系统、电力系统、和电力网络示意图,.1.1 电力系统的组成,电力系统：是由生产、输变、分配和消耗电能的电气设备（发电机、变压器、电力线路以及各种用电设备等）联系在一起组成的统一整体。,动力系统：是电力系统加上发电厂动力部分。,电力网络：是电力系统中除去发电机和用电设备外的部分，即各种电压等级的输配电力线路及升降压变压器所成为的部分。,. 1 电力系统概述,（1）电力网分类 按供电范围、输送功率和电压等级分：分为地方电力网和区域电力网。 按电压等级分：电力网分为低压（1kV及以下）、高压（1330kV）、超高压（3301000kV）和特高压（1000kV以上）几种。其中地方网（110KV) 、远距离输电网（330KV),（2）发电厂的主要类型 发电厂主要有火力发电厂、水力发电厂、核动力发电厂和其它能源（太阳能、风力、潮汐等）发电厂。,知识扩展：,图1-1 直流输电系统示意图,由于电工技术的发展，直流输电作为一种补充的输电方式得到实际应用。在交流电力系统内或者在两个交流电力系统之间嵌入直流输电系统，便构成了现代交直流联合系统。直流输电系统由换流设备、直流线路以及相关的附属设备组成。图1-1为直流输电系统的示意图。,（3）直流输电,1.1.2 电力系统运行的特点,连续性：电能不能大量的廉价的储存，电能的生产、输送、分配和使用同时完成。 短暂性：暂态过程非常短暂，电能以电磁波的形式传播，传播速度为300kmms。 密切性：和人民生活及国民经济各部门间的关系密切。,1.1.3 电力系统运行的基本要求,1、保证供电可靠性 知识拓展:保证供电的可靠性是分级对待的。 类：供电中断，损害人生安全、巨大损失。 类：供电中断，大量减产。 类：可停电,（2）电网 六大电网：西北电网、华北电网、东北电网、华中电网、华东电网、南方电网。其中华中电网与除了东北电网外的所有电网互连，华北电网与东北电网互连，其他互不相连。 最高输电电压： 交流：西北750KV 直流：500KV 葛洲坝到上海南桥变电站,2、发展趋势 （1）特高压输电 山西长治-湖北荆门 1000KV 最高运行电压：1100KV （2）新能源发电 风电：全国可开发风能资源：10亿KW以上。 太阳能 （3）智能电网 广义上说：智能电网 可以优先使用清洁能源的智能调度系统； 可以动态定价的智能计量系统； 可以通过调整发电用电设备功率优化负荷平衡的智能技术； 5个关键特征：（P7-8）,1-2 电力系统的额定电压和额定频率,1.2.1 额定电压的概念和电网的电压等级 1、额定电压（额定频率）的概念 电气设备都是按照指定的电压和频率来进行设计制造的，这个指定的电压和频率，称为电气设备的额定电压和额定频率。当电气设备在此电压和频率下运行时，将具有最好的技术性能和经济效果。 2、电网标准电压等级 为了进行成批生产和实现设备的互换，各国都制定有标准的额定电压和额定频率。 我规定的电网标准电压等级（线路额定电压）：3、6、10、35、60、110、220、330、500、750、1000KV。,122各种主要电气设备的额定电压 1、各种主要电气设备额定电压的规定 （1）输电线路的额定电压,输电线的首端和末端均可接用电设备，而用电设备的端电压一般容许在额定电压的 范围内波动，因而没有调压设备的情况下，输电线路上可以容许10%的电压损耗。,若输电线的首端电压较用电设备高5%即为； ；输电线路的末端电压较用电设备低5%，即为 ，则输电线路的额定电压为,。,（2）用电设备的额定电压 用电设备的额定电压=电力网的额定电压（即相应电压等级电网的额定电压）,（3）发电机的额定电压 发电机作为直接配电的电源，总是接在线路首端，它的额定电压应较同级电网电压高5（补偿电压损失）即：,（4）变压器的额定电压 知识回顾: 变压器的额定电压即为变压器两侧的额定电压，以变比表示为,当变压器与发电机直接相连时：,，变压器的一次侧接电源，相当于用电设备，二次侧向负荷供电，相当于电源。 变压器的额定电压规定： 变压器一次侧： 当变压器直接与电网相连时：,变压器二次侧： 知识回顾: 电力变压器的二次绕组的额定电压是指一次绕组在额定电压作用下，二次绕组的空载电压。当变压器满载时，变压器的一、二次绕组的阻抗将引起变压器自身的电压降（大约相当于电网额定电压的5），从而使二次绕组的端电压小于空载电压。 （1）升压变压器：,升压变压器二次绕组的额定电压规定比同级电网额定电压高10即： （其中5%为变压器内部阻抗上的压降，另为线路首端高出5%）。,（2）降压变压器： 10kv及以下，阻抗电压小于7%的小容量变压器或变压器直接与用户联接或靠近用户，供电半径较小时，线路的电压损失可以忽略不计，这时变压器的二次绕组的额定电压应高于电网额定电压5，用以补偿变压器自身的电压损失。即：,。,长线路时，需要考虑线路的电压损失，规定变压器的二次绕组的额定电压应高于电网额定电压10即：,。,知识拓展: （1）为适应电力系统运行调节的需要，变压器的高压绕组及中压绕组，一般都有多个分接头，且分接头一般用百分数表示，即分接头电压与主抽头电压的差值为主抽头电压的百分之几。 （2）对同一电压级的变压器，升压变压器和降压变压器，即使分接头百分值相同，分接头的额定电压也不相同。图1-2所示为线电压表示的220kV电压级具有抽头 的变压器的抽头额定电压。对于+5%抽头，升压变压器为,，降压变压器的则为,。,（a）升压变压器 （b）降压变压器 图1-2 用线电压表示的抽头额定电压,2、设备与系统的额定电压 我国制定的三相交流3kV及以上设备与系统的额定电压的数值列于表1-1中。,表1-1 3kV以上的额定电压及电力线路的平均额定电压（KV）,123 额定频率 我国电力系统的额定频率为50HZ，简称工频。 知识拓展:我国规定电力系统正常运行时，允许的频率偏移应不超过：0.20.5HZ。 一般： (1)电网容量在300万KW及以上者不超过0.2HZ。 (2)电网容量在300万KW及以下者不超过0.5HZ。 (3)实际运行中，跨省电力系统保持在0.1HZ的范围内。,1-3 电力系统的接线方式 1.3.1电力系统的电气接线方式,接线图 接线方式,接线图如下：,图1-4 无备用网络 （a）放射式网络；（b）干线式网络；（c）树状网络,图1-5 几种常用的有备用网络 （a）单电源环形网络；（b）环形网络；（c）两端供电网络,1、无备用接线方式：负荷只能从一个电源获得电能开式接线，主要优点在于简单、经济、运行方便，主要缺点是供电可靠性差。 2、有备用接线方式：负荷可以从两个或两个以上电源获得电能闭式接线。有两端供电、环式、链式等。优点在于供电可靠性和电压质量高，缺点式可能不够经济。 132 容量与输送距离（P11）,表1-2 电力线路的额定电压与输送功率和输送距离的关系,1-4 电力系统的的负荷和负荷曲线 1.4.1 电力系统的负荷(P12) 电力系统的负荷：就是系统中所有用电设备消耗功率的总和，也称电力系统综合用电负荷。 知识拓展: （1）用电设备：包括异步电动机、同步电动机、电热炉、整流设备、照明设备等。 （2）负荷有哪些类型（根据用户的性质分类）,负荷,工业负荷（72%）,农业负荷（16%）,交通运输业负荷（2%）,市政生活用电负荷（10%）,其它负荷,1.4.2 电力系统的负荷曲线 一、负荷曲线的概念(P12) 负荷曲线：就是以曲线描述某一时间段内负荷随时间变化的规律，负荷曲线可分为有功功率和无功功率负荷曲线。 二、几种主要的负荷曲线 1、日负荷曲线（P13） 日负荷曲线:就是描述一天24小时负荷的变化情况，曲线的最大值称为最大负荷(简称峰荷)，最小值称为最小负荷(简称谷荷)。,说明: (1)虚线表示无功功率日负荷曲线。由于一天之内负荷的功率因数是变化的，因此无功负荷曲线同有功负荷曲线不完全相似，两种曲线中相应的极值不一定同时出现。 (2)为了便于计算，常把连续变化的曲线绘制成阶梯形，如图(b)所示。 知识拓展: 1、日负荷曲线的用途 （1）安排日发电计划 （2）确定系统运行方式,2、根据日负荷曲线计算的几个量 （1）总耗电量,（2）日平均负荷,（3）负荷率,和最小负荷系数,说明：负荷率,和最小负荷系数,这两个系数不仅用于日负荷曲线，也可用于其他时间段的负荷曲线。 2、有功年负荷曲线（年最大负荷曲线）（P14） 年最大负荷曲线：就是描述一年内每月(或每日)最大有功负荷变化的情况。,是说明负荷曲线的起伏特性的。,年最大负荷曲线 年持续负荷曲线,知识拓展:年最大负荷曲线的用途 （1）安排发电设备的检修计划 （2）制订发电机组或发电厂的扩建或新建计划 3、年持续负荷曲线（P13-14） 年持续负荷曲线：按一年中系统负荷的数值大小及其持续小时数为序排列绘制而成。 知识拓展: 年持续负荷曲线的用途 （1）计算全年耗电量（P14） （2）计算最大负荷利用小时（P14） 三、各类用户的年最大负荷利用小时（P14表1-4）,1-5 电力系统中线点的运行方式,1.5.1电力系统中线点及其接地方式 一、电力系统的中性点 电力系统的中性点：星形连接的变压器或发电机的中性点。 知识拓展: 电气设备（电力变压器、电压互感器或发电机）的中性点接地又称为电力系统中性点接地。,1、为什么接地？ 为了保证电力网或电气设备的正常运行和工作人员的人身安全，人为地使电力网及其某个设备的某一特定地点通过导体与大地作良好的连接。 2、接地有哪些类型,二、电力系统中性点接地方式,（1）工作接地：为了保证电气设备在正常或发生故障情况下可靠地工作而采取的接地。 （2）保护接地：将一切正常工作时不带电而在绝缘损坏时可能带电的金属部分接地，以保证工作人员接触时的安全。（接地保护）,（3）保护接零：在中性点直接接地的低压电力网中，把电气设备的外壳与接地中性线（也称零线）直接连接，以实现对人 身安全的保护作用。 （4）防雷接地：为消除大气过电压对电气设备的威胁，而对过电压保护装置采取的接地措施。 （5）防静电接地：对生产过程中有可能积蓄电荷的设备所采取的接地。,3、电力系统的中性点接地方式： 小电流接地： 中性点不接地（中性点绝缘） 中性点经消弧线圈接地 大接地电流： 中性点直接接地 中性点经电阻接地 4、如何确定电力系统中性点接地方式？ 应从供电可靠性、内过电压、对通信线路的干扰、继电保护以及确保人身安全诸方面综合考虑。,1.5.2电力系统中线点不同接地方式的特点 一、中性点不接地 1、中性点不接地方式运行分析 （1）正常运行时 UAUBUC0 IAIBIC0,结论： 三相电压对称，三相导线对地电容电流也是对称的，三相电容电流相量之和为零，这说明没有电容电流经过大地流动。 （2）单相金属性接地故障时(A相),结论：故障相对地电压降为零；非故障相对地电压升高为线电压，且相位相差600。 2、中性点不接地方式的特点 （1）故障相对地电压降为零；非故障相对地电压升高为线电压，且相位相差600。线路及各种电气设备的绝缘要按线电压设计，绝缘投资所占比重加大，显而易见，电压等级越高绝缘投资越大。 （2）三相之间的线电压仍然对称，用户的三相用电设备仍能照常运行，但允许继续运行的时间不能超过2h。 （3）接地电流在故障处可能产生稳定的或间歇性的电弧。 （4）如果接地电流大于30A时，将形成稳定电弧，成为持续性电弧接地，这将烧毁电气设备和可能引起多相相间短路。,（5）如果接地电流大于5A-10A，而小于30A，则有可能形成间歇性电弧；间歇性电弧容易引起弧光接地过电压，其幅值可达（2.5-3）U，将危害整个电网的绝缘安全。 （6）如果接地电流在5A以下，当电流经过零值时，电弧就会自然熄灭。,3、中性点不接地方式的适用范围 3kV-60kV的电力系统 二、中性点经消弧线圈接地 1、消弧线圈是什么？ 安装在变压器或发电机中性点与大地之间的具有气隙铁芯的电抗器。 2、中性点经消弧线圈接地方式的特点 当发生单相接地故障时，接地故障相与消弧线圈构成了另一个回路，接地故障相接地电流中增加了一个感性电流，它和装设消弧线圈前的容性电流的方向刚好相反，相互补偿，减少了接地故障点的故障电流，使电弧易于自行熄灭，从而避免了由此引起的各种危害，提高了供电可靠性 。,3、中性点不接地方式的适用范围 3kV-60kV的电力系统 二、中性点经消弧线圈接地 1、消弧线圈是什么？ 安装在变压器或发电机中性点与大地之间的具有气隙铁芯的电抗器。 2、中性点经消弧线圈接地方式的特点 当发生单相接地故障时，接地故障相与消弧线圈构成了另一个回路，接地故障相接地电流中增加了一个感性电流，它和装设消弧线圈前的容性电流的方向刚好相反，相互补偿，减少了接地故障点的故障电流，使电弧易于自行熄灭，从而避免了由此引起的各种危害，提高了供电可靠性,3、消弧线圈的补偿方式 全补偿：按IL=IC选择消弧线圈的电感，使接地故障点电流为零，此即全补偿方式。 欠补偿：按ILIC选择消弧线圈的电感，此时接地故障点有剩余的电感电流流过。 一般采用：过补偿 知识拓展:什么情况下需要采用中性点经消弧线圈接地 中性点不接地系统单相电流大，电弧不能熄灭时，中性点需要经消弧线圈接地。,三、中性点直接接地 1、中性点直接接地方式的特点： （1）供电可靠性不如电力系统中性点不接地和经消弧线圈接地方式。故障时：如发生接地故障，则构成短路回路，接地相电流很大；为提高供电可靠性，在线路上广泛安装三相或单相自动重合闸装置。,（2）对地电压UN，电气设备的绝缘水平只需按电力网的相电压考虑，可以降低工程造价。 2、适用范围： （1）我国110kV（国外220kV）及以上电压等级的电力系统 。 （2）380/220V低压系统（我国380/220V系统中一般都采用中性点直接接地方式，主要是从人身安全考虑问题）。 三、中性点经电阻接地 1、中性点经电阻接地的特点： （1）降低工频过电压，抑制弧光过电压； （2）消除铁磁谐振过电压，防止断线谐振过电压； （3）设置零序保护动作跳闸； （4）避免发生高压触电事故； （5）供电可靠性有保证。,2、适用范围：配网系统 知识拓展:在我国城市配网系统中 （1）全电缆出线变电站的单相接地故障电容电流超过30A时采用中性点经电阻接地； （2）全架空线路出线变电站的单相接地故障电流超过10A时，采用中性点经消弧线圈接地； （3）对电缆与架空线混合线路的单相接地故障电容电流超过10A时，可采用中性点经消弧线圈接地或采用中性点经电阻接地。,第二章 电力系统各元件的参数及等值电路,2.1 架空输电线路的参数及等值电路,知识拓展: 电力线路的构成,输电线路,架空线（将裸导线架设在杆塔上）,电缆线（将电缆敷设在地下或水底）,（一）架空线路 架空线路是用绝缘子以及相应金具将导线及架空地线悬空架设在杆塔上，连接发电厂和变电站，以实现输送电能为目的的电力设施。 架空线路的构成：主要由导线、避雷线（架空地线）、杆塔（基础、接地装置）、绝缘子及金具等元件组成。,1导线：其功能主要是输送电能。线路导线应具有良好的导电性能，足够的机械强度，耐振动疲劳和抵抗空气中化学杂质腐蚀的能力。线路导线目前常采用钢芯铝绞线或钢芯铝合金绞线。,分裂导线： （1）概念：在高压及超高压远距离输电线路中，往往一相导线由多根（有2根、3根、4根）组成型式，称为分裂导线。它相当于加粗了导线的“等效直径”，改善导线附近的电场强度，减少电晕损失。 （2）作用：对于高压及超高压远距离输电线路，为减小线路的电晕损耗及线路电抗，以提高线路的输送能力，降低对无线电通信的干扰。,电晕现象：在带电的高压导线周围会产生电场，如果电场强度超过了空气击穿强度时，就使导线周围的空气电离而呈现局部放电现象，这种现象叫电晕现象。,2避雷线（架空地线）：主要作用是防雷。由于架空地线对导线的屏蔽，及导线、架空地线间的藕合作用，从而可以减少雷电直接击于导线的机会。当雷击杆塔时，雷电流可以通过架空地线分流一部分，从而降低塔顶电位，提高耐雷水平。架空地线常采用镀锌钢绞线。目前常采用钢芯铝绞线，铝包钢绞线等良导体，可以降低不对称短路时的工频过电压，减少潜供电流。兼有通信功能的采用光缆复合架空地线。 3绝缘子：是将导线绝缘地固定和悬吊在杆塔上的物件。送电线路常用绝缘子有：盘形瓷质绝缘子、盘形玻璃绝缘子、棒形悬式复合绝缘子。 4金具 送电线路金具，按其主要性能和用途可分为：线夹类、连接金具类、接续金具类、防护金具类、拉线金具类。,5杆塔（P19） 杆塔是支承架空线路导线和架空地线，并使导线与导线之间，导线和架空地线之间，导线与杆塔之间，以及导线对大地和交叉跨越物之间有足够的安全距离。 导线换位： （1）概念：送电线路的导线排列方式，除正三角形排列外，三根导线的线间距离是不相等。而导线的电抗取决于线间距离及导线半径，因此，导线如不进行换位，三相阻抗是不平衡的，线路愈长，这种不平衡愈严重。因而，会产生不平衡电压和电流，对发电机的运行及无线电通信产生不良的影响。送电线路设计规程规定“在中性点直接接地的电力网中，长度超过100km的送电线路均应换位”。一般在换位塔进行导线换位。 （2）作用：减小三相参数不平衡,2. 电力系统的发展概况,1882年，英国建成第一座发电厂，原始线路输送的是低压直 流电。,同年，法国人德普列茨提高了直流输电电压，被认为是世界 上第一个电力系统。,1891年，第一条三相交流输电线路在德国运行，三相交流输 电使输送功率、输电电压、输电距离日益增大。,目前，大电力系统不断涌现，甚至出现全国性和国际性电力 系统。,我国已建成华东、东北、华中、华北、西北、华南六个跨省 电力系统，独立的省属电力系统还有山东、福建、海南、四 川和台湾系统。,3. 电力线路接线图,地理接线图：按比例显示电力系统中各发电厂和变电所 相对地理位置，它反映电力线路的路径和相互间的联接，但不 能完全显示各电力元件间的连接情况。,电气接线图：显示系统中各电力元件之间的电气联系， 但不能反映发电厂和变电所的相对地理位置。,2. 保证良好的电能质量,良好的电能质量有三个指标：电压质量、频率质量和波形 质量。,电压偏移：一般不超过用电设备额定电压的5%。,频率偏移：一般不超过0.2 0.5Hz。,波形畸变率：指各次谐波有效值平方和的方根与基波有效值的百分比。,3. 提高系统运行的经济性,电力系统的经济指标一般是指火电厂的煤耗以及电厂的厂 用电率和电力网的网损率等。,环境保护问题也将成为对电力系统运行的基本要求。,联合电力系统是由若干单一系统互联组成，它容易满足对 电力系统运行的基本要求，但同时又必须在技术上采取措施， 以满足电力系统稳定性的要求。,1. 电力系统的电压等级,电力系统电压等级的确定主要从电力系统输送电能的经济 性，生产产品的系列性和经济性两个方面考虑。,说明： 用电设备的容许电压偏移一般为5% 沿线路的电压降落一般为10% 在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为5% 电力线路平均额定电压，是指电力线路首末端所接电气设 额定电压的平均值，即 Uav=(UN+1.1UN) / 2 = 1.05UN,电力线路额定电压,三、电力系统的电压等级和负荷,表1-1 额定电压及电力线路的平均额定电压（KV）,用电设备的额定电压：与线路的额定电压相同。,发电机的额定电压：同步发电机往往接在线路始端，因此， 其额定电压比电力线路的额定电压高5%。,变压器的额定电压：一次侧相当于用电设备，其额定电压 等于线路的额定电压；二次侧相当于发电机，其额定电压 较线路额定电压高10%。,注意：当一次侧直接和发电机相连时，其额定电压等于 发电机额定电压； 当变压器漏抗较小，或二次侧直接与用电设备相 连的厂用变压器，其额定电压可以只比线路电压高5%。,表1-2 电力线路的额定电压与输送功率和输送距离的关系,500、330、220KV一般用于大电力系统的主干线； 110KV用于中、小电力系统的主干线及大电力系统的二次网络； 35KV用于大城市或大工企业内部的网络，并广泛用于农村网络； 10KV是最常用的低一级配电电压； 6KV用于负荷中高压电动机占很大比重的网络； 3KV仅限于工企业内部网络。,2.电力系统的负荷,电力系统的总负荷：指系统中各个用电设备消耗功率的总和。 它们可分为动力负荷和照明负荷。,综合用电负荷：指工业、农业、交通运输、市政生活等各方 面消耗的功率之和。,供电负荷：指电力系统的综合用电负荷加上电力网的功率损 耗，即发电厂供出的负荷。,发电负荷：指发电负荷再加上发电厂厂用电，即发电机发出 的功率。,电力负荷曲线：指某一段时间内负荷随时间变化的规律的曲 线。,有功功率(无功功率)日负荷曲线：表明系统有功功率或无功 功率负荷在一天24小时的变化规律。 用途：制定各发电厂发电负荷计划及系统调度运行的依据。 注意：无功功率与有功功率最大负荷不一定同时出现。,有功功率年最大负荷曲线：表示一年内每月最大有功功率负 荷变化的曲线。 用途：作为扩建发电机组，新建电厂以及安排全年发电设备 检修计划的依据。,年持续负荷曲线：由一年中系统负荷按其数值大小及持续时 间顺序由大到小排列面成的曲线。 用途：可靠性估算和电网规划与运行的能量损耗计算。,图1-2 电力系统的日负荷曲线 （a）有功功率负荷； （b）无功功率负荷,根据年持续负荷曲线，计算系统负荷全年消耗电量W,最大负荷小时数 Tmax,其中Pmax为最大负荷,中性点经低电抗、中低电阻接地方式,中性点有效接地方式,中性点全接地方式,中性点不接地方式,中性点经消弧线圈接地方式,中性点经高阻抗接地方式,第二节 电力系统中性点的接地方式,指星形连接的变压器或发电机的中性点,（需要断路器遮断单 相接地故障电流的）,（单相接地电弧能够 瞬间熄灭的）,2.电力系统中性点不同接地方式的优缺点, 大接地电流方式的电力系统 优点：快速切除故障，安全性好；经济性好 缺点：供电可靠性差,(2)小接地电流方式的电力系统 优点：供电可靠性高；安全性好 缺点：经济性差；易出现谐振电压,目前，在我国电力系统中，中性点接地方式： 330KV和500KV系统中性点全接地方式； 10KV和220KV系统中性点有效接地方式； 60KV以下系统中性点小电流接地方式； 其中3560KV系统经消弧线圈接地方式 3