能源本科生 课件.ppt

电气工程基础学员 能源学院授课 谢荣军Phonemail xierj 2008 xierj 一 关于电力系统工程基础课程 设置背景 宽口径培养 加强基础 弱化专业2 本课程特点 前修课程 后续课程特点 专业基础课 与生产实际联系紧密前修课程 电路理论 电机学后续课程 电力系统分析 继电保护 电力系统自动化等3 学习方式 要求学习方式 预习 听课 作业 复习要求 基本概念清楚 主要内容掌握 理论联系实际4 考核方式 笔试 闭卷 80 平时 20 二 教学内容及学时安排 第一章绪论 4学时 电力系统基本概念 电能质量指标 电压等级 中性点接地 电力系统发展概况及前景第二章发电系统 2学时 能源及电能 火力发电厂 一 二 核电厂 水力发电厂第三章输变电系统 2学时 概述 输变电设备 电气一次接线 配电装置 保护接地及接零 高压直流输电第四章配电系统 2学时 概述 配电网主接线 配电网开关设备第五章电力系统负荷 2学时 电力系统负荷及负荷曲线 希望了解 电力系统典型负荷 二 教学内容及学时安排 第六章电力系统各元件参数及等值电路 6学时 电力系统各元件一相等值电路的概念 架空输电线路的正序参数及等值电路 变压器的正序参数及等值电路 发电机与负荷的正序参数及等值电路 电力系统各元件的序参数 标幺制第七章电力系统的短路与潮流计算 614学时 短路故障 无限大功率电源供电网络的三相短路 网络简化与转移电抗的计算 有限容量系统供电网络三相短路电流的实用计算 各序网络的建立 不对称短路的计算 电力网的电压和功率分布计算第八章电气主接线的设计 4学时 概述 主变压器和主接线的选择 载流导体的发热和电动力 电气设备的选择 设备选择举例 二 教学内容及学时安排 第九章现代电力系统的运行 4学时 有功功率与频率的调整 无功功率与电压的调整 电力网运行的经济性 电力系统运行的稳定性 第十章电力系统继电保护 8学时 基础知识 线路的电流保护 输电线路的自动重合闸 电力变压器的保护 电动机保护 分段器与重合器的配合 第十一章发输变配电系统的二次系统 4学时 基本概念 断路器的控制和信号回路 重合器的操动机构 第十五章现代电力系统的管理 2学时 概述 电力企业计划管理 电力企业生产管理 参考书目 1 A E Guile W Paterson ElectricalPowerSystems PergamonPress 2 Kunder ElectricalPowerSystemStabilityandControl 3 何仰赞 电力系统分析 武汉 华中科技大学 4 J DuncanGlover Mulukutla S Sarma 电力系统分析与设计 第一章绪论 1 1电力工业发展概况及前景 一 电力工业发展概况电力工业发展史上的第一 火电 1882年上海杨树浦 水电 1912年云南石龙坝240kW 核电 1991年浙江秦山300MW 输电线路 1974年甘肃刘家峡水电站陕西关中地区330kV交流 1981年河南姚孟火电厂到武汉500kV交流 1000kV晋东南 南阳 荆门特高压 1988年葛州坝水电站到上海南桥变电站 500kV直流 电力系统之最 第一章绪论 1 1电力工业发展概况及前景 我国电力系统的发展 年人均电量 我国 2000kW h中等发达国家 7000kW h北欧 美国 18000kW h 1996装机与发电跃居世界第二位 第一章绪论 1 1电力工业发展概况及前景 二 电力系统发展前景做好电力规划 加强电网建设 特高压骨干网 电力工业现代化高电压 大系统大电厂 大机组 运行与管理 高度自动化 高度智能化 大力发展新能源核能 我国按水电资源已探明储量和以天然气与煤为燃料的火电最多可提供的装机容量计算 会有3200万 4000万千瓦的缺口 提出要让核电去替补这个缺口 缺口会越来越大 核电部的装机至少要占到电力总装机容量的4 核聚变能 可再生能源 3 联合电力系统 效益与支出各系统间电负荷的错峰效益提高供电可靠性 电网越大越好 减少系统备用容量有利于安装单机容量较大的机组 见表1 1 进行电网的经济调度进行水电跨流域调度调峰能力互相支援问题增加联络线和电网内部加强所需投资以及联络线的运行费用当系统间联系较弱时 有可能引起调频的复杂性和出现低频振荡增加了系统短路容量 可能导致增加或调换已有设备增加联合电网的通讯和自动化的复杂性 第一章绪论 1 1电力工业发展概况及前景 第一章绪论 1 1电力工业发展概况及前景 4 电力市场基本特征 开放性竞争性计划性协调性基本原则 公平公开公正IT技术在电力系统中的应用各类电气设备的微机化电力系统各类复杂计算的计算机自动实现研究热点 SCADA SupervisoryControlandDataAcquisition 系统EMS EnergyManagementSystem 系统DMS DistributionManagementSystem 系统就地或区域的综合监控系统MIS ManagementInformationSystem 系统 GPS系统在电力系统中的应用GPS和GLONASS民用开放的水平定位精度不一样 GPS系统民用水平定位精度为100m 1 GLONASS水平定位精度为20m 1 时间精度 GPS目前的定时精度可达50ns 1 GLONASS可达20ns 1 1 2 3 可靠度0 6925 0 9545 0 9973 1 提供精确的事件记录时标 2 整个电力网GPS行波故障定位 3 结合雷电电磁场接收系统测定雷电活动情况和雷击点定位 4 采用GPS卫星时钟就地校时 可保证电力网调度的时间精度和时间同步 5 基于GPS卫星时钟实现电网动态稳定实时监测和控制 6 对系统内各厂站的电压电流进行大范围同步采样 7 实现自适应微机数字式保护 8 电力网内异地同步试验 9 输电线路两侧保护动作时间整组现场试验 全电网同步谐波测量等 第一章绪论 1 1电力工业发展概况及前景 7 谐波治理采用可调的或不可调的滤波器8 绿色能源的开发与利用9 电力电子技术10 节能技术 第一章绪论 1 1电力工业发展概况及前景 GenerationTransmissionDistributionConsumption HVDCConverterstationandnetwork 图构成电力系统的要素 第一章绪论 1 1电力系统基本概念 图2 1双回路输电铁塔 500kV 地下电缆 500KVSF6气体断路器 储气室型SF6气体断路器的消弧过程 终端变电站的目标是 a 由于变电设备全是SF6气体绝缘以及全光纤通信 供电可靠性将大大提高 b 维修省力化 c 事故恢复自动化 d 结构紧凑简单 e 和环境协调一致 f 实现超越供电 变电 配电技术的协调运行等 负荷变化的控制分类 调频发电厂应具有以下的特性 输出控制能满足负荷的变化 输出变化幅度大 具有足够的调节容量 平时可以进行频率调节 通过调整发电输出使损耗最小 调频发电厂的控制方法有以下几种 恒定频率控制FFCFFC FlatFrequencycontrol 控制是指与联络线的潮流无关 只按照维持系统的频率恒定来调节发电机输出的控制方式 它用于孤立系统或互联系统中的最大系统是有效的 在互联系统中只采用这一方式的话 联络线中的潮流就处于无控制的状态 联络线定潮流控制FTC FlatTieLineControl 方式是只按照联络线潮流为最小来控制发电机输出的方式 该方式虽然可以用于与大系统相连的小系统中 频率的调整依赖于大系统 频率偏差联络线测流控TBCTBC TieLoadFrequencyBias 连续交流过电压 短时间交流过电压 暂态过电压 从波形看可以分为三类 缓峰波头过电压 陡峰波头过电压 尖峰被头过电压 从发生源看有操作过电压和雷过电压 同时存在着上述两种以上的组合过电压 组合过电压中按照峰值最高的成分来分类 变电站 断路器 InterruptslargecurrentSeveralkAShort circuitcurrentHiddencontactsControlProtectionsystemsManualremote SwedenUSA OpenClosed Source Nicklasson 隔离开关 InterruptssmallcurrentLoadcurrentVisibleinterruptionVerymanualcontrol SwedenUSA OpenClosed Open Closed Source Nicklasson 电流互感器 ReducescurrentTypically1000 2ACurrentmonitoredControlcenterProtectionequipmentP Qtransducers Source Nicklasson 电压互感器 ReducesvoltageTypicallyxkV 110VVoltagemonitoredControlcenterProtectionequipmentP QtransducersCvoltagedivider Source Nicklasson 避雷器 OvervoltagetrapAlternativetoairgapShort circuittoground Source Nicklasson 气体隔离开关装置 Air SF6 Source Lakervi 1000kV主变 特高压荆门变电站1000kV特高压交流变压器由特变电工沈阳变压器厂制造 为国内自主设计 自主制造 额定容量 1000 1000 334MVA 额定电压 1050 525 4 1 25 110kV 中性点接地方式 直接接地 油重 132吨 总重 570吨 第一章绪论 1 电力系统基本概念 一 什么是电力系统 第一章绪论 1 电力系统基本概念 电力网 由变压器和不同电压等级输电线路组成的网络 电力系统 由发电机 变压器 输电线路以及用电设备 或生产 输送 分配和消耗电能的各种电气设备 按照一定的规律连接而组成的统一整体 发电厂 生成电能变电所 变换和分配电能输配电线路 输送电能用户 负荷 消费电能动力系统 在电力系统的基础上 把发电厂的动力部分 例如火力发电厂的锅炉 汽轮机和水力发电厂的水库 水轮机以及核动力发电厂的反应堆等 包含在内的系统 电力网 按电压等级的高低 供电范围的大小的分类地方电力网 电压等级在35kV及以下 供电半径在20 50km以内区域电力网 电压等级在35kV以上 一般为110kV 220kV 供电半径超过50km 联系较多发电厂的网络超高压远距离输电网 电压等级为330kV 500kV 750kV 的网络 其主要任务是把远处发电厂生产的电能输送到负荷中心 同时还联系若干区域电力网形成跨省 跨地区的大型电力系统变电所 按其在电力系统中的地位分类枢纽变电所 高压侧 330kV 汇集多个电源 系统解裂 部分瘫痪中间变电所 220kV 330kV 2 3个电源 区域性电网解裂地区变电所 110 220kV 地区或城市供电 地区性停电终端电站所 110kV 二 电力系统的形成可靠性 经济性及供电质量等方面的要求三 电力系统的特点电能不能大量存储 电能的生产 变换 输送 分配和使用必须同时进行的 过渡过程十分短暂 要求控制操作快速 自动化程度高 与国民经济各部门和人民生活有着极为密切的关系 对社会生活 政治和国民经济影响巨大 地区性特点较强 发展各具特色 第一章绪论 1 电力系统基本概念 四 对电力系统的要求保证供电可靠提高电力系统运行经济性保证良好的电能质量为用户提供充足的电力Exa 一台600MW火电机组 年利用小时6000 煤耗率320g kW h 煤价 300元 吨 Sol 年发电量 600000kW 6000h 36亿kW h需标煤 36亿kW h 320g kW h 115 2万吨标煤燃料费 115 2万吨 300元 吨 34560万元1 节约 燃料 1 152万吨标煤燃料费 345 6万元五 电力发展与环境保护 1 电能的质量指标 电能的质量指标主要包括 电压 频率 波形电压 必要性 图1 3照明负荷 白炽灯 的电压特性图1 4异步电动机的电压特性 图中的100 表示额定值 图中的100 表示额定值 电压质量标准 频率 额定频率 50Hz 国外 50或60Hz 频率偏差 0 2Hz 3000MW系统 0 5Hz 3000MW系统 国外 0 1 0 2 Hz或 0 5Hz波形 表1 3 谐波电压 表1 4 谐波电流 质量标准 正弦波电压和电流谐波的危害与抑制 ConstantVoltageMagnitudeConstantFrequencyConstantPowerFactorBalancephasesNoharmoniccontentReliable 第一章绪论 1 电力系统的电压等级 一 电力系统的电压等级包括电力系统的额定电压和最高电压以及电气设备的额定电压和最高电压 电力系统的额定电压 由国家根据技术经济条件规定的电压等级标准 又称电力网或线路的额定电压 电力系统的最高电压 电力系统正常运行时 在任何时间系统中任何一点上所出现的电压最高值 电气设备的额定电压 电气设备制造厂根据所规定的电气设备工作条件而确定的电压 与经济运行有关 电气设备的最高电压 考虑到设备的绝缘性能和与最高电压有关的其它性能 如变压器的激磁电流及电容器的损耗等 所确定的允许最高运行电压 其数值等于所在电力系统的最高电压值 与绝缘有关 第一章绪论 1 电力系统的电压等级 二 额定电压的规定1 低于3kV系统的额定电压低于3kV交流三相 单相电力系统额定电压和电气设备额定电压 注 受电设备的额定电压 电力系统的额定电压 直流系统的额定电压 100V以下的额定电压 受电设备与供电设备相同 对受电设备为110V 220V和440V的直流系统 供电设备的额定电压分别为115V 230V和460V 高5 第一章绪论 1 电力系统的电压等级 2 3kV及以上系统的额定电压 用电设备的额定电压 系统的额定电压Ue发电机的额定电压 105 Ue变压器一次绕组相当于用电设备 Ue变压器二次绕组相当于发电设备 110 Ue特例1 变压器一次绕组 105 Ue特例2 变压器二次绕组 105 Ue 第一章绪论 1 电力系统的电压等级 三 电压等级的选择 I U1 U2 Z传输功率S 电压等级U 输电距离l之间的关系S Const l U2l Const S U2 参见表1 7 表1 7额定电压与相应传输功率和传输距离的关系 第一章绪论 1 电力系统中性点接地 一 概述接地 为了保证电力网或电气设备的正常运行和人身安全 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 接地分类 工作接地 电力系统中性点接地 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 保护接地 接地保护 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 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 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 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 第一章绪论 1 电力系统中性点接地 电流额率与电击的关系 接地安全设计时取人体电阻为1500 Generally thebasicconsiderationsthathavetobeevaluatedinselectingagroundingschemeforanygivensystemareasfollows 1 Sensitivityandselectivityofthegroundrelaying 2 Limitationofthemagnitudeoftheground faultcurrent 3 Requireddegreeofsurgevoltageprotectionwitharresters 4 Limitationoftransientline to ground LG overvoltages 8 l0 16 throughsystemdesign 5 Safety 5 Thesebasicconsiderations whenproperlyevaluated canhaveasignificantinfluenceonsystemeconomics detailsofsystemdesignandphysicallayout andservicecontinuity BasicConsiderations GeneralClassesofGrounding GroundedVersusUngroundedSystems 第一章绪论 1 电力系统中性点接地 如何实现工作接地 电力系统的中性点 星形连接的变压器或发电机的中性 公共 点 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 两类四种 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 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 第一章绪论 1 电力系统中性点接地 二 中性点不接地的电力系统适用范围3kV 60kV的电力系统正常运行时 第一章绪论 1 电力系统中性点接地 单相金属性接地故障时 A相 0 第一章绪论 1 电力系统中性点接地 中性点不接地系统单相接地故障的结论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 因此 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 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 第一章绪论 1 电力系统中性点接地 接地故障电容电流IPE 第一章绪论 1 电力系统中性点接地 中性点不接地系统单相接地故障的结论2 接地电流在故障处可能产生稳定的或间歇性的电弧 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 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 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 接地电流的经验计算公式 第一章绪论 1 电力系统中性点接地 三 中性点经消弧线圈接地的电力系统消弧线圈 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 单相 C相 金属性接地故障 第一章绪论 1 电力系统中性点接地 C相发生接地时 中性点电压变为 UC 在消弧线圈作用下 产生电感电流 滞后90 其数值为IL UC XL U XL 消弧线圈的作用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 第一章绪论 1 电力系统中性点接地 消弧线圈的补偿方式全补偿方式 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 缺点 当感抗等于容抗时 电力网将发生谐振 产生危险的高电压或过电流 影响系统安全运行 欠补偿方式 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 在过补偿方式下 即使电力网切除部分线路时 也不会发展成为全补偿方式 致使电力网发生谐振 同时 由于消弧线圈有一定的裕度 今后电力网发展 线路增多 对地电容增加后 原有消弧线圈还可继续使用 因此 大多采用过补偿方式 第一章绪论 1 电力系统中性点接地 消弧线圈容量的选择 有关安装消弧线圈规程 第一章绪论 1 电力系统中性点接地 四 中性点直接接地的电力系统 特点 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 为提高供电可靠性 安装三相或单相自动重合闸装置 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 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 适用范围 我国110kV 国外220kV 及以上电压等级的电力系统 380 220V低压系统 第一章绪论 1 电力系统中性点接地 五 中性点经电阻接地的电力系统 适用范围 配网系统 与中性点经消弧线圈接地 不接地比选 在我国城市配网系统中 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 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 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 特点 降低工频过电压 抑制弧光过电压 消除铁磁谐振过电压 防止断线谐振过电压 设置零序保护动作跳闸 减少对通讯的干扰 避免发生高压触电事故 供电可靠性有保证 NOTECgisthetotalsystemcapacitancetogroundandisobtainedbyconnectingallthreephasestogetherandmeasuringthecapacitancewiththeneutralgroundingbranchopen circuited Cg 3isthegrounded wyepartial orzero sequence capacitanceofthesystem Csistheungroundedwyeequivalentoftheinterphasepartialcapacitancesofthesystem obtainedbysubtractingthezero sequencecapacitanceCg 3fromthepositivesequencecapacitanceC1 fisfrequencyinhertz Vfistheprefaultline to groundvoltageatthefault theenergizationvoltage showninFigure2 Figure1 Idealizedsystem whereVfistheThevenincircuitprefaultvoltageVaistheline to neutralsourceofFigure13I0isthefaultcurrentthroughclosedswitchSofFigure1 indicatestheresultwhencapacitanceisnegligible Figure2 Sequencediagramforline to groundfault throughclosedswitchSofFigure1 NOTES1 Valuesofthecoefficientofgrounding COG correspondingtovariouscombinationsoftheseratiosareshowninthefiguresinAnnexA COGaffectstheselectionofsurgearresterratings seeIEEE