电气基础1.doc

第 1 章 电气系统的基础知识1.1 电力工业的特点及发展方针电力工业就其使命应包括发电、输电及向用户配电的全部过程，它是一个重要的基础工业。是现代工农业生产不可缺少的动力来源，与人民日常生活有着密切的关系。它的发展对整个国民经济都有直接的影响。电力工业最大的特点是它的特殊产品电能易于控制且便于转变成其它形式的能量，诸如光能、热能、机械能、化学能等，因此，它在国民经济各部门得到广泛应用。同时还应指出：电能是难以储存、它的生产、传输和消费是一个连续过程，即在电力系统中所生产的电能时时刻刻都应与消耗的电能相平衡。电能又可以较方便地通过高压输电线路远距离传输，从而把生产电能的基地发电厂与消费电能的负荷连成一体。为发电与用电提供了有利的条件和通道。此外，由于电能是以电磁波的速度传播，因此电力系统中任何设备的投入或切除都会立刻影响其它设备的运行状态，其过渡过程非常迅速。因此电力系统一切操作、调整都必须安全、准确、迅速可靠地完成，自动化程度相对要求较高。电力工业的发展水平和自动化程度已成为衡量国家经济发展水平的一个重要标志。从世界各国经济发展的进程来看，电力工业都在国民经济中占有十分重要的地位，而且必须先行，协调一致。通常把电力年增长率与国民经济生产总值增长率，两者之比称为电力消费弹性系数，以此表明电力工业与国民经济的同步程度，反映电力是否能满足经济发展的需要。目前，我国电力工业发展的基本方针：“优化火电结构，大力发展水电，适当发展核电，因地制宜开发新能源，同步建设电网，积极减少环境污染，开发与节约并举，把节约放在首位。”使电力工业向大电网、大电厂、大机组及高电压、高参数、高度自动化方向迈进，以适应经济发展的需要。1.2 电力系统简介电力系统是由各类发电厂、变电所、输配电线路及用户，在电气上相互连接而成的整体。一般把输配电线路以及由它所联系起来的各类变电所总称为电力网络。因此，电力系统也可以看成是由各类发电厂和电力网及用户所组成。以图1.2-1所示的简单电力系统为例说明电力系统的组成及各部分的作用。交流电力系统均为三相制且为三相对称结构，为了简单、清晰和读图方便，通常用图表示电力系统时总是使用单线制，即用一根线或一相设备，代表A、B、C三相线路或三相设备，仅在局部三相不对称时，才绘制三相图。发电厂：发电厂的基本任务是把一次能源变成电能。用于发电的一次能源主要有煤炭、水能和核能。根据所使用的一次能源的不同，发电厂分为火电厂、水电厂和核电厂。此外还有太阳能发电厂、风力发电厂、潮汐发电厂、地热发电厂和抽水蓄能发电厂等。变电所：发电厂和电力负荷中心之间往往相距数十公里、数百公里乃至数千公里，电能在输送过程中，会产生电压降落、功率损耗和电能损耗。在远距离的电能输送中为提高电能质量，提高供电的经济性、必须在电源端提高电压，升压变压器即用于此目的。电能经过高电压远距离传输至负荷中心后，又必须通过降压变压器把电压降到安全经济的电压等级以供合理方便的使用电能。根据变电所所处的位置和作用可分为枢纽变电所、地区变电所、中间变电所和末端变电所等。图1.2-1 简单电力系统示意图输电线路：大多数发电厂都远离负荷中心，这就需要用电力线路作为传输电能的通道。将发电厂的电能送往负荷中心的电力线路则称为输电线路。线路中输送的三相功率S和线电压U、线电流I之间的关系为:在传输功率一定的条件下，如果所用的额定电压愈高，则线路上的电流愈小，这样线路上的功率损耗、电压损耗等也就愈小，同时可以采用较小截面的导线，以节省有色金属。但另一方面，电压等级愈高，线路的绝缘就愈要加强、杆塔的几何尺寸也相应加大，这样线路的投资和杆塔材料就要增加，而且变压器、开关电器等设备的投资也随着电压的增高而增加。显然采用过分高的额定电压也不一定恰当。根据以往的运行和设计经验，电力网的额定电压与输电距离和传输功率的大致关系如表1.1所示：目前，我国有两种输电方式即三相交流输电和超高压直流输电，而以三相交流输电为主要方式。已运行的交流输电的最高电压等级为500KV，直流输电线路为500KV。将几个区域的电力系统经联络线联系起来联合运行就组成了现代的联合电力系统，也称为互联系统。如图1.2-3所示。诸如西北系统、东北系统、华北系统、华东系统等。这样就能更好的实现电力系统之间的功率交换，提高系统的供电可靠性，合理的利用动力资源、减少系统的备用装机容量，更便于安装大机组降低电能成本，提高劳动生产率。表1.1-1我国的电压等级及输电范围额定电压（KV）输送容量（MW）输送距离（KM）适 用 地 区0.380.1以下0.6以下低压动力和照明30.1113高压电动机60.11.2415发电机电压 高压电动机100.22620配电线路 高压电动机352102050县级输电网 用户配电网110105050150地区级输电网 用户配电网220100500100300省区级输电网3302001000200600省区级输电网 联合系统输电网50010001500150850省区级输电网 联合系统输电网75020002500500以上联合系统输电网图1.2-2 电力系统图目前，世界上电力系统的发展趋势是规模越来越大电压越来越高，单机设备容量越来越大，已形成跨国，跨洲的大型联合电力系统。世界上最大的系统容量已超过 1 亿 KW、输电最高电压为765KV，输送距离超过 1000KM，最大的火力发电机组单机容量已达130万KW，水电机组为 7 0万 KW并正在向更高电压、更大容量发展。目前我国最大的华东联合系统总容量也超过 3500万KW。 已投入运行的发电机组中最大核电发电机单机容量为 90万KW、最大火电单机 图1.2-3 联合系统的结构示意图容量为60万KW，最大水电单机容量为55万KW。近期电力工业发展目标规划将以发展300MW和500MW火电机组为骨干，逐步发展800MW1300MW大型机组，优先发展坑口电厂，适当建设港口、路口电厂。以总装机容量18200MW的三峡水电厂建设为龙头，坚持滚动、流域、梯级、综合开发加速水电建设步伐。在沿海和燃料短缺的地区，建设一批占地面积少，节省人力和燃料，不污染环境的大型核电厂，使我们电力工业走向低能耗结构，低环境污染，高效率运营的健康发展道路。1.3 电能质量电力系统中的所有电气设备，都是在一定的电压和频率下工作的。因此电能质量就是指电力系统各点的电压和频率应保持在一定的允许变动范围之内，供电电压波形为正弦波。故而可以说，电压和频率是衡量电力系统电能质量的两个基本参数。我国电力系统额定频率规定为50赫芝。一般称为“工频”，频率偏差不得超过0.20 .5HZ。频率的调整主要依靠发电厂，通过调速系统自动控制原动机的输出功率。即自动控制火电厂或核电厂汽轮机的进汽流量和自动控制水电厂中向水轮机进水流量，从而达到调频的目的。如频率下降，调速系统收到原动机转速下降的信号，将使原动机的汽门或闸门增大，提高流量和发电机组的输出功率，于是电力系统的频率得到升高，直到频率恢复到允许范围内为止。此时由于频率而引起的电压降低也会相应得到恢复。电力系统供电电压相对额定电压的容许偏差一般取值为5%。但对各种负荷其要求也不相同，如电动机5%。照明+3%、-2.5%，农村+7.5%、-10%，若系统中发生长期电压偏移过大，对变电所可通过改变各级变压器的变比来满足系统中用电设备对电压质量的要求。而发电厂则应通过调节发电机励磁系统，使发电机向电力系统增加或减少无功功率，从而使电压恢复正常。因为系统电压下降，表明系统无功功率不足。若电力系统电压上升，则表明电力系统无功功率过剩。只有调节发电机的励磁电流来改善发电机组发出无功功率的多少，才能达到调整电压之目的。电力系统向用户提供的交流电电压波形应该是正弦的。也就是说各发电厂的发电机组应发出正弦电能。但是由于电力系统中有谐波源（如各种整流设备及非线性元件）的存在，使电压和电流中都含有一些谐波分量。这些谐波分量不仅影响电动机效率和正常运行，也会对计算机、自动化设备及电子设备等产生较大干扰。甚至使电力系统产生高次谐波共振而危及设备的安全运行。因此，把谐波分量降低到允许的范围内是保证电能质量的一项重要任务。我国对公用电网谐波电压的限值如表1.3-1所示。表1.3-1 公用电网谐波电压限值电网电压KV电压总谐波畸变率各次谐波电压含有量奇 次偶 次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.8表中电压总谐波畸变率的定义为：其中：U1基波电压的方均根值；UH谐波电压含量，即式中Un为第n次谐波电的方均根值。电力系统为了保证电能质量，提供正弦波形的电能，就必须采取一些必要的抑制谐波的措施和装置，诸如装设调谐滤波器、静止无功补偿装置等，以资吸收动态谐波电流。1.4 电力系统负荷及负荷曲线电力系统负荷是由国民经济各部门的用电负荷组成。它包括各式各样的用电设备，如电动机、电热器、整流设备和照明等。在不同行业中这些用电设备所占比重也不相同。在工业部门用电设备中异步电动机所占比例最大。在国民经济各部门用电比例其统计概率大致为：工业占78%、生活8%、农业占7%、交通占1.5%、市政及商业5.5%。所有用户消耗的功率之和称为电力系统综合用电负荷。电力负荷的重要程度是决定电力系统和发电厂电气接线重要依据之一。一般按对供电可靠性要求将负荷可分为三类，通常用罗马字、示之。类负荷：突然中断对该类负荷供电，将造成人身事故或重大设备损坏且难以修复或给国民经济带来重大损失。如钢铁厂、煤矿、航天航空、发电厂的厂用电等。对类负荷无论在正常运行或事故情况下，都必须保证对其供电的连续性。从而要求接线可靠且应有两路以上供电电源。类负荷：突然中断对该类负荷供电，将造成大量减产和废品，以致损坏生产设备在经济上造成重大损失。诸如机械加工、纺织业等。我国工业部门绝大多数都属类负荷，因此，对其供电亦必须可靠。类负荷：类负荷是指较长时间停电不会直接影响生产，仅给生产、生活造成不方便。诸如农副业加工用电、工厂附属车间，人民生活，照明等。在发电厂里，对厂用电负荷亦按此原则定义。除此还特增加事故保安负荷及不停电负荷。这对大容量机组的发电厂尤为重要。事故保安负荷是指发生全厂停电时，为保证机组安全停运、事故过后能很快的重新启动，或者为了防止危及人身安全等原因，需要在全厂停电时继续供电的负荷。诸如汽轮机润滑油泵，事故照明，核反应堆控制系统、盘车等。不停电负荷，是指机组启动、运行到停机全过程中以及停机后的一段时间内，需要进行连续供电的负荷。诸如实时控制用计算机、调度通信和远动通讯设备等负荷。电力系统各用户的负荷功率总是在不断的变化，影响变化的因素很多，诸如作息时间（每日一班制或三班制）、生产工艺要求，气候变化，季节影响等。电力负荷随时间变化的关系一般用负荷曲线来描述。根据持续的时间，负荷曲线可以分为日负荷曲线、周负荷曲线和年负荷曲线等；根据负荷的特性一般有：有功功率负荷曲线、无功功率负荷曲线以及视在功率负荷曲线等；若按所涉及的范围，负荷曲线又可分为用户的负荷曲线、变电所负荷曲线，发电厂负荷曲线以及电力系统负荷曲线等。将这几方面的负荷曲线综合在一起就可表明负荷曲线发与供的全部特性。在电力系统中经常用到的负荷曲线有以下几种：1、 日负荷曲线日负荷曲线反映负荷在一天24h内随时间变化的规律。典型的日负荷曲线如图1.4-1所示。不同地区，不同负荷，其负荷曲线是不相同的。一 天 之内最大的负荷称为日最大负荷Pmax ，也称为尖峰负荷；最小负荷称为日最小负荷 Pmin , 也称为低谷负荷；最小负荷以下的部分称为基本负荷，简称基荷。显然，基荷是不随时间变化的。日负荷曲线除了表示负荷随时间变化的规 律外还可以表示用户消耗电能的大小。由于在 图1.4-1 日负荷曲线某一时间 t 内用户所消耗的电能 A 等于 该用户的有功功率P乘以t。因此，在一天内用户所消耗的总电能为很明显，这是有功日负荷曲线包含的面积。如有功功率P的单位是KW，时间t的单位是h，则电能A的单位是KWh （千瓦小时）。全天的日平均负荷为为了反映负荷曲线的起伏情况，系统中常用到负荷率Kp的概念Kp值大则表示日负荷曲线平坦，即每天的负荷变化小，这是系统运行所需要的，可以避免频繁的开停机，提高系统运行的经济性。Kp值小则表示负荷曲线起伏大，发电机的利用率较差。日负荷曲线是安排日发电计划，确定各发电厂发电任务以及确定系统运行方式等的重要依据。2. 年最大负荷曲线在电力系统的运行和设计中，不仅要知道一天24h负荷的变化规律，而且要知道一 年之内负荷的变化情况，经常用到的是年最 图1.4-2 年最大负荷曲线大负荷曲线。把每天的最大负荷抽取出来按年绘制成曲线，称为年最大负荷曲线 ,见图1.4-2中斜线部分为系统检修机组时间，显然，检修机组应按排在负荷最小的时间；而且随负荷的增加应当不断装设新的发电设备。 3. 年持续负荷曲线在电力系统的分析和计算中，还经常用到年持续负荷曲线，如图1.4-3所示。它是以电力系统全年内每个小时的负荷按其大小及其累计持续运行时间的顺序排列而成的。例如，曲线中的A点反映了在一年内负荷数值超过P1的累计持续时间共有t1h，根据年持续负荷曲线可以计算全年中负荷所消耗的电能A。它等于年持续负荷曲线下面包含的面积。将负荷全年所取用的电能与一年内最大负荷相比，得到的时间 Tmax 称为年最大负荷利用小时数。即 图1.4-3 年持续负荷曲线 Tmax的物理意义是，如果用户始终保持最大负荷Pmax运行，则经过Tmax时