ch1_绪论 供电技术教学课件 中国矿业大学信电学院电气工程研究所

供电技术 刘建华mail张栋mail zdlcumt 供电技术 供电技术 供电技术 课程分为七章 共计48学时 其中42学时讲课 6学时实验 实验时间和内容提前通知 供电技术课程结构 本书包括三大部分 第一部分 前5章 基础部分 以用电系统设计为主线 内容包括 电力系统负荷计算 电气设备 电气接线 电力线路短路电流计算 电气设备选择和校验继电保护保护接地和防雷对供用电系统及设备有较深入了解 能够进行初步的供用电系统设计 供电技术课程结构 第二 三部分属于专题部分 第二部分 第6章 电能质量和无功补偿第三部分 第7章 变电所综合自动化 考核方式 考试60 平时和作业20 实验20 参考书 孟祥忠 现代供电技术 清华大学出版社 2006年翁双安 供电工程 机械工业出版社 2004年刘介才 工厂供电 第4版 机械工业出版社 2004周瀛 工业企业供电 冶金工业出版社 2002王崇林等 供电技术 煤炭工业出版社 1997诸骏伟 电力系统分析 中国电力出版社 1995贺家李 电力系统继电保护原理 水利电力出版社 1994张学成 工矿企业供电 中国矿大出版社 1998 引言 电力工业历史现代电力系统的主要特点多种一次能源发电机组容量增大高电压 远距离 大规模互联电网输电电能质量问题更突出自动化水平大大提高电力工业市场化外部环境制约明显大停电事故带来灾难性后果 本章概述电力系统的基本知识和相关概念 简要说明电力系统的构成 电网的额定电压 电力系统的中性点运行方式 介绍了用户供电系统的特点和决定供电质量的主要指标 第1章绪论 第1章绪论 第一节电力系统的基本概念第二节用户供电系统的特点和决定供电质量的主要指标 第一节电力系统的基本概念 一 电力系统相关概念及构成 电力系统 是指进行生产 传输 分配 消费电能的各个环节构成的一个整体 电力网 指的是联系发电厂和用户的中间环节 由变电站 所 和各种不同电压等级的电力线路组成 变电站 所 完成电压变换和电能再分配 图1一个简单的电力系统 电力系统的主要环节 发电厂 站 发电厂 站 指将一次能源转换成电能的场所 一次能源包括 煤炭 石油 天然气 水能 原子核能 风能 太阳能 地热 潮汐能等 我国一次能源主要是 煤炭 水力和原子能 一般根据所使用的能源的不同 将电厂分为火力发电厂 水力发电站 核电站 风力发电场 太阳能发电场 地热发电厂 潮汐电站等 内蒙古准格尔电厂 西部大开发中第一个大型火电项目 长江三峡水利枢纽工程 广东大亚湾核电站 太阳能 变电站 所 变换电压 接收电能与分配电能的场所 是联系发电厂和用户的中间环节 主要由电力变压器 母线和开关控制设备等组成 若仅只有配电设备而无电力变压器则称为开闭所或开关站 凡是把交流电能变换成直流电能的变电站称为变流站 电力系统的主要环节 变电站 所 变电所按作用分有升压变电站 所 和降压变电站 所 升压变电站 所 多建在发电厂内 把电能升高后 再进行长距离输送 降压变电站 所 多设在用电区域 将高压电适当降低电压后 对某地区或用户供电 电力系统的主要环节 变电站 所 变电站 所 按地位分 枢纽变电站 所 位于电力系统的枢纽点 连接电力系统多个电压等级 汇集多个电源的变电所 称为枢纽变电站 所 中间变电站 所 起到系统交换功率的作用 或使长距离输电线路分段 同时有降压给当地用户 这样的变电所主要起中间环节的作用 所以叫中间变电站 所 地区变电站 所 高压侧电压一般为110 220kV 对地区用户供电的变电所 终端变电站 所 在输电线路的终端 接近负荷点 经降压后直接给用户供电的变电所 电力系统的主要环节 变电站 所 电力网 将输送 变换 分配电能的各种变电所和各电压等级的电力线路构成的网络称为电力网 电力系统的主要环节 电力网 根据电压等级的不同 电力网可分为 低压电网 1kV及以下高压电网 3kV 330kV超高压电网 330kV 1000kV特高压电网 1000kV以上 电力系统示意图1 电力系统示意图2 输电网互联 提高了供电可靠性远距离传输的基础实现大范围的能源优化配置和规模经济效益电力市场化的基础巨大的环保效益 主要电气设备符号 交流发电机 G 电力变压器 T 断路器 QF 隔离开关 QS 熔断器 FU 刀开关 QK 熔断器式开关 Q 跌落式熔断器 FU 主要电气设备符号 负荷开关 Q 线路 母线 W 电流互感器 TA 电压互感器 TV 电流互感器 TA 电抗器 L 阀型避雷器 F 电缆及终端 X 电容器 C 电动机 二 电力系统的额定电压 电力系统的额定电压是根据国民经济发展的需要 技术经济的合理性及电气设备的制造水平等因素 经全面分析论证 由国家统一制定和颁布的 GB156 80规定的额定电压等级 见表1 1 1kV以下的为低压 3 220kV为高压 330 750kV为超高压 1000kV以上为特高压 我国目前的最高电压等级为750kV 1000kV正在建设中 3kV及以上的高压用于发电 配电及高压用电设备 110kV及以上的高压与超高压用于远距离输电 煤矿1140V为低压 人身安全电压为交流36V 直流92V 直流电压为平均值 交流电压为有效值 且指线电压 表1 1我国交流电网和电力设备的额定电压 强电电压等级的颜色500KV 淡黄色 220KV 紫色 110KV 朱红色 35KV 鲜黄色 10KV 绛红色 6KV 深蓝色 二 电力系统的额定电压 用电设备的额定电压和电网的额定电压是一致的 发电机的额定电压高于电网额定电压5 一般正常工作时 线路电压损耗约10 用电设备允许电压偏差 5 5 UN 线路首端 线路末端 变压器的二次绕组对于用电设备而言 相当于供电设备 第一种情况比用电设备额定电压高10 第二种情况比用电设备额定电压高5 变压器变压器的一次绕组 相当于是用电设备 所以规定变压器一次绕组的额定电压与受电设备额定电压相同 注意 但当变压器一次绕组直接与发电机相连时 变压器一次绕组的额定电压与发电机额定电压相等 其中5 用于补偿变压器满载供电时 一 二次绕组上的电压损失 另外5 用于补偿线路上的电压损失 因此适用于变压器供电距离较长时的情况 当变压器供电距离较短时 可以不考虑线路上的电压损失 只需要补偿满载时变压器绕组上的电压损失即可 变压器的额定电压 一次绕组 升压变压器 比电网的额定电压高5 等于发电机的额定电压 降压变压器 与电网额定电压相同 二次绕组 指的是变压器的空载电压 升压变压器 高出电网额定电压10 降压变压器 高出电网额定电压10 或5 变压器额定电压 额定电压的国家标准 发电机G的额定电压 UN G 1 05UN L1 1 05 10 10 5 kV 变压器T1的额定电压 U1N T1 UN G 10 5 kV U2N T1 1 1UN L2 1 1 110 121 kV 变压器T1的变比为 10 5 121kV变压器T2的额定电压 U1N T2 UN L2 110 kV U2N T2 1 05UN L3 1 05 6 6 3 kV 变压器T2的变比为 110 6 3kV 变压器直接与电动机相连 供电距离较短 可以不考虑线路上的电压损失 变压器T1的一次绕组与发电机直接相连 所以其一次绕组的额定电压取发电机的额定电压 例1已知图所示系统中电网的额定电压 试确定发电机和变压器的额定电压 6 3kV 6 3 363 121kV 110 10 5kV 330 38 5kV 6 0 4kV 请根据下面系统图已知参数确定各电气元件的额定电压 电网中性点 变压器 或发电机 星形绕组的公共端 中性点的运行方式指的是中性点与大地之间的连接关系 中性点运行方式的选择主要取决于单相接地时电气设备的绝缘要求及供电可靠性 中性点运行方式的不同 直接影响到安全和经济问题 需要进行综合比较分析 三 电力系统的中性点运行方式 三相四线制供电 火线 相线 中线 零线 N 三相交流电路 星形接法 三 电力系统的中性点运行方式 线电压和相电压的关系 三相交流电路 星形接法 特点 线电压 相电压 三相交流电路 三角形接法 中性点的运行方式指的是中性点与大地之间的连接关系 中性点运行方式分为 大接地电流系统1 直接接地 又称为有效接地2 经低阻接地小接地电流系统1 不接地 又称为中性点绝缘2 经消弧线圈接地3 经高阻接地常用为三种 直接接地 不接地 经消弧线圈接地 以6KV的中压电网为例 中性点接地阻值在1 10欧姆的属于低阻接地 10 100欧姆的属于中阻接地 数百 数千的为高阻接地 三 电力系统的中性点运行方式 中性点运行方式的种类 1 中性点不接地方式 主要特点 单相接地电流小 适用范围 3 35kV的电网 单相接地电流小于30A 35kV及以上电网小于10A 因为在这类电网中 发生单相接地故障的比例很大 采用中性点不接地方式可以减少单相接地电流 从而减轻其危害 正常运行时三相对称 没有电流在地中流过 中性点对地电位为0 各相对地电压等于相电压 其中C为电网对地电容 高压电网忽略电网对地绝缘电阻R 图1 2中性点非有效接地系统发生单相接地故障 中性点不接地方式 单相接地 中性点不接地方式 单相接地电流 中性点不接地方式 单相接地故障的情况 当发生金属性接地时 接地故障相对地电压为零 中性点对地的电压上升到相电压 且与接地相的电源电压相位相反 非故障相对地电压由相电压升高为线电压 三相的线电压仍保持对称且大小不变 对电力用户接于线电压的设备的工作并无影响 无须立即中断对用户供电 单相接地电流 等于正常运行时一相对地电容电流的三倍 为容性电流 过大的单相接地电容电流会产生稳定的电弧致使电网出现暂态过电压 危及电气设备安全运行 2 中性点经消弧线圈接地 原理 单相接地电流主要是电容电流 如果能够在发生单相接地时部分或全部抵消掉电容电流 则单相接地电流将大减小 方法就是在中性点处加入消弧线圈 消弧线圈的工作原理 消弧线圈是一个具有铁芯的可调电感线圈 线圈的电阻很小 消耗功率小 电抗很大 保证对地绝缘水平 电抗值可用改变线圈的匝数来调节 中性点经消弧线圈接地情况 发生单相接地故障时 通过消弧线圈使接地处流过一个与容性接地电流相反的感性电流 从而减小 甚至抵消接地电流 消除接地电弧引发的问题 提高供电可靠性 图1 3中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障 中性点经消弧线圈接地时电流 接地电流流过消弧线圈的电流完全补偿的条件即有 消弧线圈的补偿方式 完全补偿消弧线圈提供的电感电流等于接地电容电流 接地处电流为0 易满足谐振条件 形成串联谐振 产生过电压 欠补偿电感电流小于接地电容电流 单相接地时接地电流为容性 因线路停电或系统频率降低等原因使接地电流减少 可能出现完全补偿 故一般也不采用 过补偿电感电流大于接地电流 单相接地电流为感性 过补偿方式在电网中得到广泛使用 但过补偿程度要合适 以前的原则 中性点非有效接地系统的优缺点 优点 发生单相接地时 不必立即停电 供电可靠性高 缺点 设备和线路对地绝缘需按线电压设计 发生一相接地故障时 非故障相对地电压升高到原来相电压的1 732倍 故障相电容电流增大到原来的3倍 电气设备的绝缘要按线电压来选择 3 中性点直接接地 正常运行时 三相系统对称 中性点对地电压为零 发生单相接地 就变成单相短路 继电保护装置应立即动作 使断路器断开 迅速切除故障部分 从而造成停电 单相短路时 故障相对地电压为零 非故障相对地电压基本不变 仍接近于相电压 中性点直接接地系统的优缺点 设备和线路对地绝缘可以按相电压设计 从而降低了造价 电压等级愈高 因绝缘降低的造价愈显著 由于中性点直接接地系统在单相短路时须断开故障线路 中断用户供电 影响供电可靠性 单相短路时短路电流很大 开关和保护装置必须完善 由于较大的单相短路电流只在一相内通过 在三相导线周围将形成较强的单相磁场 对附近通信线路产生电磁干扰 中性点直接接地系统的适用范围 目前我国电压等级为110kV及以上 380 220V三相四线制的系统 广泛采用中性点直接接地的运行方式 110kV及以上主要从绝缘角度考虑 节省投资 380 220V三相四线制主要为了生成单相电压 电网中性点运行方式的比较 各种中性点运行方式比较 几点补充 中性点不接地方式是过渡方式大接地电流系统和小电流接地系统之争各国应用情况美国 低阻日本 低阻 消弧线圈德国 消弧线圈法国 低阻 消弧线圈 几个关于接地的名词 工作接地保护接地保护接零 第二节用户供电系统特点和决定供电质量的主要指标 一 用户供电系统特点 电力用户供电系统由用户内部变配电所 供电线路和用电设备等组成 其中变配电所是电力系统的一个终端降压变配电所 电力用户供电系统的供电电压一般在110KV及以下 大多为国家电网供电 也可建立自备发电站 1 电压 二 决定供电质量的主要指标 决定用户供电质量的主要指标为电压 频率和可靠性 理想的供电电压应该是幅值恒为额定值的三相对称正弦电压 由于供电系统存在阻抗 用电负荷的变化和用电负荷的性质 如冲击性负荷 非线性负荷 等因素 实际供电电压无论是在幅值上 波形上还是三相对称性上都可能与理想电压之间存在着偏差 1 电压 1 电压偏差电压偏差是指电网实际电压与额定电压之差 35kV及以上 电压正负偏差绝对值之和为10 10kV及以上 7 220V单相电压 7 10 2 电压波动和闪变电网电压幅值 或半周波方均根值 的连续快速变化称为电压波动 由电压波动引起的灯光闪烁对人眼脑产生的刺激效应称为电压闪变 3 电压波形畸变电网电压波形发生非正弦畸变时 电压中出现高次谐波 4 三相不对称三相电压不对称指三个相电压在幅值和相位关系上存在偏差 一个交流电力系统只能有一个频率 我国规定的电力系统标称频率 工频 为50Hz 国际上标称频率有50Hz和60Hz两种 2 频率 当电能供需不平衡时 系统频率便会偏离其标称值 频率偏差不仅影响用电设备的工作状态 产品的产量和质量 而且影响电力系统的稳定运行 大多数国家频率规定偏差为 0 1Hz 0 3Hz 我国 300kW以上电力系统频率规定偏差为 0 2Hz 300kW以下电力系统频率规定偏差为 0 5Hz 频率与转速的关系n 60f Pn是转速度 f是频率 P是发动机的磁极对数在频率变化时 电动机的转速和输出功率也随之变化 因而严重影响到所生产出的产品的质量 现代工业 国防和科学研究领域广泛应用各种电子技术设备 如果系统频率不稳定 将会影响这些设备的精确性 频率的变化对电力系统的正常运行也是十分有害的 汽轮发电机组在额定频率下运行时效率最佳 频率偏高和偏低对叶片都有不良的影响 电厂中所用的许多机械 如 给水泵 循环水泵 风机等 在频率降低时都要减小出力 降低效率 因而影响发电设备的正常工作 使整个发电厂的有功输出减小 从而导致系统的 频率崩溃 同时频率降低时 异步电动机和变压器的励磁电流会增大 导致无功损耗增大 系统频率的变化也将影响系统电压的变化 当系统频率下降时 发电机发出的无功功率将减小 因为发电机的电势依励磁接线的方式不同与频率的平方或三次方成正比变化 变压器和异步电动机励磁所需的无功功率增加 绕组漏抗的无功功率损耗将要减少 线路电容充电功率和电抗的无功损耗都要减少 总之 频率下降时 系统的无功需求略有增加 如果系统的无功电源不足 则在频率下降时 将很难维持电压的正常水平 从而使电压降低 最终导致电压崩溃 对系统及用户产生严重的不良影响 当系统频率增加时 发电机电势增高 系统的无功需求略有减少 因此系统的电压要上升 将威胁着系统本身机电设备及用户设备的安全运行 频率崩溃frequencyco11apse由于频率恶性下降造成的电力系统严重事故 电力系统正常运行时 包括负荷和各环节损耗在内的功率消耗与发电机的功率输出相平衡 频率保持恒定 当发电功率和功率消耗之间发生很大的功率缺额时 频率就要降低 当发电厂的备用容量已全部动用出来 按频率降低切除部分用户的措施不及时 火电厂厂用电辅助机组因频率下降而出力不足 造成锅炉供水 给煤量和送风量减少 锅炉蒸汽压力下降 汽轮机的出力降低使频率再降低 达到临界频率 在工频为50赫的系统中 约为38 45赫 后 锅炉给水中断 切除机组 此时电力系统更缺少有功功率 导致恶性循环 频率急剧下降 造成电力系统的全部瓦解 并使大部分用户 甚至全部用户停电 即为频率崩溃 频率降低还可能使负荷节点的无功功率需求增加和发电机无功功率出力降低 从而导致电力系统电压崩溃 为了防止频率崩溃 可采取以下损失最小的措施 尽可能动用电力系统中的热备用容量 合理配置自动低频减载装置 使频率降低时有足够的速度和切除量 水电站由于调节系统惯性大 在频率降低时可以采用