电力系统进网电工PPT课件

第一章电力系统基本知识 第一节电力系统 电力网构成 第二节电力负荷 第三节电气主接线 第五节电能质量 第六节电力系统短路 第七节电力系统接地 第四节电气系统电压 第一节电力系统 电力网构成 电能的定义由发电厂将一次能源 如煤 油 水 原子能 太阳能 风能等 转换而成的二次能源 电力系统和电力网1 电力系统的组成概述 1 组成由发电厂 电力网和电能用户组成的一个发电 输电 变电 配电和用电的整体 注 新版教材只有发电 输电 配电和用电 3 动力系统指电力系统加上发电厂的 动力部分 动力部分 包括水力发电厂的水库 水轮机 热力发电厂的锅炉 汽轮机 热力网和用电设备 以及核电厂的反应堆等等 2 电力网络或电网指电力系统中除发电机和用电设备之外的部分 即电力系统中各级电压的电力线路及其联系的变配电所 输电 变电 配电三个部分 图1 1动力系统 电力系统 电力网络示意图 第一节电力系统 电力网构成 第一节电力系统 电力网构成 2 电力网包括输电网和配电网 输电网 是以高压甚至超高压将发电厂 变电所或变电所之间连接起来的送电网络 电力网的主网架 包括交流220kV以上和直流输电 配电网 直接将电能送到用户的网络 配电网分类 高压配电网 110kV及以上电压 35kV 中压配电网 20kV10kV6kV3kV电压 低压配电网 220V 380V 3 20kV中压配电网的优点 提高容量降低电压损失增大供电半径降低线损所有的电压高的系统相对电压低的系统 均有以上优势 一 大型电力系统特点 1 提高了供电可靠性2 减少了系统的备用容量3 减小系统的峰谷差 合理分配负荷4 提高了供电质量5 有效利用水力等一次动力资源二 电力生产特点1 同时性发电 用电 线损2 集中性因为特点1 电能必须统一调度3 适用性不受时间地点等条件的限制4 先行性电网建设增长速度应快于工业总产值的增长 第一节电力系统 电力网构成 第二节电力负荷 电力负荷是指用电设备或用电单位所消耗的功率 kW 容量 kVA 或电流 A 一 电力负荷组成 用电负荷 线路损失负荷 供电负荷 1 用电负荷是用户在某一时刻对电力系统所需求的功率 2 线路损失负荷电能通过线路输送过程中 所发生功率和能量的损失 简称线损 3 供电负荷用电负荷与线损之和 二 按发生时间不同负荷分类 1 高峰负荷 Pmax指电网或用户在单位时间内所发生的最大负荷值 常以小时用电量作为负荷 选择一天24h中最高的一个小时的平均负荷作为高峰负荷 2 低谷负荷 Pmin指电网中或用户在一天24h内 发生的用电量最少的电量 峰 谷负荷差越小 用电越趋近于合理 3 平均负荷指电网中或用户在某一段确定的时间阶段内平均小时用电量 第二节电力负荷 经常用到的有日平均负荷 月平均负荷和年平均负荷 受到突然中断供电所引起的影响 用电负荷又可分为 1 一类负荷 一级负荷 指突然中断供电将会造成人身伤亡或会引起对周围环境严重污染 造成经济上的巨大损失 如重要的大型设备损坏 重要产品或用重要原料生产的产品大量报废 连续生产过程被打乱 且需要很长时间才能恢复生产 以及突然中断供电将会造成社会秩序严重混乱或产生政治上的严重影响的 如重要的交通与通讯枢纽 国际社交场所等用电负荷 供电要求 需两个独立电源 特别重要的还应增加应急电源 发电机 蓄电池 2 二类负荷 二级负荷 指突然中断供电将会造成较大的经济损失 如生产的主要设备损坏 产品大量报废或减产 连续生产过程需较长时间才能恢复 以及突然中断供电将会造成社会秩序混乱或产生政治上的较大影响的 如交通与通讯枢纽 城市水源 供电要求 双回路线供电 两回路尽量引自不同变压器或两段母线 一 变配电所1 变电所的任务接受电能 变换电压和分配电能 即受电 变压 配电 1 升压变电所一般建在发电厂 主要任务是将低电压变换为高电压 2 降压变电所一般建在靠近负荷中心的地点 主要任务是将高电压变换到一个合理的电压等级 降压变电所根据其在电力系统中的地位和作用不同 又分为 枢纽变电站 地区变电所 工业企业变电所2 配电所 开关站 的任务接受电能和分配电能 但不改变电压 即受电 配电 二 变电所主接线把发动机 变压器 断路器等各种电气设备通过母线 导线联结 配置避雷器 互感器等保护测量电器 构成变电所汇集和分配电能的系统接线 1 电气主接线的基本要求 1 保证必要的供电可靠性 2 具有一定的灵活性和方便性 3 具有发展和扩建的可能性 第三节变电所 1 主变压器2 高压断路器QF作为保护变压器和高压线路的保护电器 具有开断正常负荷和过载 短路故障的保护能力 3 隔离开关QS隔离电源 形成明显的断开点 不能带负荷拉合或切断短路电流 4 电压互感器PT将系统的高电压转变为低电压 供保护和计量用 5 电流互感器CT将系统中的电流或低压系统中的大电流转变为标准的小电流 供保护计量用 6 熔断器当电路发生短路或过负荷时 熔断器能自动切断故障电流 从而使电气设备得到保护7 负荷开关不频繁地接通和分断小容量的配电线路 第三节变电所 10 单母线 接线图 各电源和出线都接在同一条公共母线上 对应课本图2 6 2 8 2 11对应图2 7 2 12 11 单母线特点 特点 单母线接线对出线的要求单母线接线方式 同时适用于变电所和配电所 10kV出线一般不超过5回 35出线不超过5回 110 220出线不超过2回 出线回路数增多时 可用断路器或隔离开关将母线分段 成为单母线分段接线 根据电源的数目和功率 母线可分为2 3段 先合后断 送电时先合隔离开关 后合断路器 停电时先断开断路器 再断开隔离开关 隔离开关禁止带负荷拉合 12 单母线分段接线 特点 1 单母线分段接线的优点该接线方式由双电源供电 故供电可靠性高 同时具有接线简单 操作方便 投资少等优点 当一段母线发生故障时 分段断路器或隔离开关将故障切除 保证正常母线不间断供电 不致使重要的用户停电 提高了供电的可靠性 2 单母线分段接线的缺点当一段母线或母线隔离开关故障或检修时 必须断开接在该分段上的全部电源和出线 这样就减少了系统的发电量 并使该段单回路供电的用户停电 任一出线断路器检修时 该回路必须停止工作 13 思考 图2 6中 每回线路只有一个断路器和一个隔离开关 为什么 图2 8中 母线进线处 隔离开关和断路器的装设位置正好与图2 6相反 为什么 14 桥形接线 接线图 a b 15 桥形接线 内桥接线适用于输电线路较长 线路故障率较高 穿越功率少和变压器不需要经常改变运行方式的场合 外桥接线适用于线路较短 故障率较低 主变压器需按经济运行要求经常投切以及电力系统有较大的穿越功率通过桥臂回路的场合 桥接线属于单母线分段接线的变种 具备单母线分段接线的所有优点 同时供电可靠性比单母线分段接线高 桥接线不适用于配电所 为什么 16 用电区变电所的电气主接线 1 P50 电源进线电压在35kV及以上的用户 往往需两级降压 先经总降压变电所将电压降到10kV的高压配电电压 然后经过用电区变电所再降到低压用电设备所需的电压380 220V 图1 5两次变压的供配电系统 17 用电区变电所的电气主接线 2 P52 如果没有总降压变电所 应在变压器高压侧配备足够的高压开关设备以对变压器控制和保护 该种接线方式与之前的 单母线 类接线原理上没有任何区别 但图a b所用的设备降级 接线简化 适用于电压低 直接面对用户 供电范围较小 供电可靠性要求不高的情况 一 供电的基本要求1 安全2 可靠3 优质4 经济 第四节电力系统电压 二 额定电压1 电力线路 或电网 的额定电压 见表1 1 2 用电设备的额定电压规定与同级电力线路的额定电压相同理由 但成批生产的用电设备 其额定电压不可能按使用地点的实际电压来制造 而只能按线路首端与末端的平均电压即电力线路的额定电压U来制造 3 发电机的额定电压发电机的额定电压高于同级线路额定电压的5 理由 由于电力线路允许的电压损耗为 5 因此为了维护线路首端与末端平均电压的额定值 线路首端 电源端 电压应比线路额定电压高5 而发电机是接在线路首端的 所为了补偿线路上的电压损耗 4 变压器额定电压 变压器二次绕组内约有5 的阻抗电压降 图1 8电力变压器一 二次额定电压说明图 二 额定电压的国家标准 第四节电力系统电压 第五节供电质量 电压偏移的危害 感应电动机其最大转矩与端电压的平方成正比 当电压降低时 电动机转矩显著减小 以致转差增大 从而使定子 转子电流都显著增大 引起温升增加 绝缘老化加速 甚至烧毁电动机 而且由于转矩减小 转速下降 导致生产效益降低 产量减少 产品质量下降 反之 当电压过高 激磁电流与铁损都大大增加 引起电机的过热 效率降低 电热装置其功率与电压平方成正比 电压过高将损伤设备 电压过低又达不到所需温度 第五节供电质量 1 1 1 供电电压允许偏差电压偏移又称电压偏差 是指用电设备端电压与用电设备额定电压之差对额定电压的百分数 即 白炽灯白炽灯的端电压降低10 发光效率下降30 以上 灯光明显变暗 端电压升高10 时 发光效率将提高1 3 但使用寿命将只有原来的1 3 所以电压偏移对其影响显著 电压偏移产生的原因是由于供电系统改变运行方式或电力负荷缓慢变化等因素引起的 电压偏移的特点变化相对缓慢 国家标准电压偏移的允许值 35kV及以上电压供电的为 10 10kV及以下三相供电的为 7 220V单相供电电压为 7 10 第五节供电质量 第五节供电质量 2 电压允许波动和闪变 1 电压允许波动 在某一个时段内 电压急剧变化而偏离额定值的现象 U 100 UN 额定电压UmaxUmin 某一时段内电压波动的最大值与最小值电压波动是冲击性负荷所引起的 急剧变化的负荷使电压损耗相应变动 从而使供电点的电压出现波动现象 电动机 电弧炉 扎钢机等冲击性负荷均会引起电压波动 电压波动使电动机无法正常启动 计算机和自控设备无法正常工作照明灯发生明显的闪烁 第五节供电质量 国家标准电压波动允许值为 220kV及以上为1 6 35kV 110kV及为2 110V及以下为2 5 2 电压闪变 周期性电压急剧波动引起灯光闪烁 光通量急剧波动 而造成人眼视觉不舒适的现象 第五节供电质量 调压措施 无功 电压幅值有功 频率1 正确选择变压器的变比和电压分接头2 降低系统阻抗3 使三相负荷平衡4 采用补偿无功功率措施5 合理改变供电系统运行方式 第五节供电质量 供电频率偏差 是以实际频率和额定频率之差 f与额定频率fN之比的百分数 f 表示 即 f 100 f 实际供电频率值fN 供电网额定频率 3000MW及以上的为 0 2Hz 3000MW以下的 0 5Hz 非正常状态下 可超过 1 0Hz 以前规定300MW以上不超过 0 1Hz 3 波形 公用电网谐波 1 产生原因 由于硅整流 晶闸管变流设备 微机及网络和各种非线性负荷的使用 致使大量谐波电流注入电网 造成电压正弦波波形畸变最为严重的是大型晶闸管变流设备和大型电弧炉 2 危害使电能质量大大下降 给供电设备及用电设备带来严重危害 不仅使损耗增加 还使某些用电设备不能正常运行 甚至可能引起系统谐振 从而在线路上产生过电压 击穿线路设备绝缘 还可能造成系统的继电保护和自动装置发生误动作 并对附近的通讯设备和线路产生干扰 3 解决方案发电机侧电能输送和分配过程中消除谐波源 第五节供电质量 二 可靠性衡量供配电可靠性的指标以全年平均供电时间占全年时间的百分数来表示 例如 全年时间为8760小时 用户全年平均停电时间87 6小时 即停电时间占全年的1 则供电可靠性为99 国家规定供电可靠性不低于99 96 与停电时间和停电次数有关 第五节供电质量 第六节电力系统短路 电力系统中相与相之间或相与地之间 对中性点直接接地系统而言 通过金属导体 电弧或其他较小阻抗连结而成的非正常状态成为短路 一 短路的类型 单相短路故障最多 约占全部故障90 第六节电力系统短路 二 短路的危害短路时电力系统从稳态过渡到短路的稳定状态 一般需要3 5s 启动短路后约半个周波 0 01s 时出现短路电流最大值 称为冲击电流 常用来校验电气设备的动稳定性 三相短路时 短路电流可达到几万甚至几十万安培 危害主要有 1 大电流会使导体发热 损害绝缘 电动力使导体变形甚至损坏 2 短路点电弧可能烧毁设备 3 系统电压水平下降 影响电气设备运行甚至导致损坏 4 停电造成损失 5 极端情况下会影响整个系统稳定 导致解列 6 可能对通信和弱电控制系统产生干扰信号 三 限制短路电流的方法1 选择合适的接线方式2 采用分裂绕组变压器和分段电抗器3 采用线路电抗器4 采用微机保护及综合自动化装置 第七节电力系统接地 电力系统的中性点是指发电机或变压器的中性点 保护接地正常接地工作接地 电力系统的中性点是指发电机或变压器的中性点 保护接地 为了人身安全和设备安全 将电气设备在正常运行时不带电的金属部分可靠接地 工作接地 为了保证电气设备能够正常工作而进行的接地 32 系统中性点接地有几种 直接接地110kV及以上以及380 220VTN TT系统不接地6 66kV系统故障电流非有效接地经消弧线圈接地35kV以上 10A 3 10kV大于30A经电阻接地电缆线路 考虑到电力系统运行的可靠性 安全性 经济性及人身安全等因素 电力系统的中性点常采用不接地 经消弧线圈接地 直接接地和经低电阻接地四种运行方式 33 拓展 什么是 相电压 3 发动机一相线圈两端的电压 2 相线对中性点 线 的电压 1 相线对地的电压 4 变压器一相绕组两端的电压 电压 从一点沿任意通路到另一点的电压降 2 发生单相接地时 其它两完好相的对地电压不会升高 因此 该系统中的供电设备的绝缘只需按相电压考虑 而无需按线电压考虑 所有系统中接地相的电压都为0 1 3 1中性点直接接地的电力系统 1 中性点直接接地系统的特点 如图1 12所示 1 当这种系统发生单相接地 即通过接地中性点形成单相短路 单相短路电流比线路的正常负荷电流大许多倍 因此 在系统发生单相短路时保护装置应动作于跳闸 切除短路故障 使系统的其它部分恢复正常运行 特点 故障电流大相电压不升高 1 3 2中性点不接地的电力系统 结论 当一相接地时 非接地两相对地电压均升高倍 变为线电压 一相接地的电容电流为正常运行时每相对地电容电流的3倍 特点 1 允许单相带故障运行2h 躲过瞬时性故障2 绝缘要求水平高 应用范围 1 3 10KV系统中 接地电流大于30A 2 35KV及以上系统中 接地电流大于10A 采用经消弧线圈接地的措施来减小接地电流 熄灭电弧 避免过电压的产生 1 3 3中性点经消弧线圈接地的电力系统 图1 11一相接地时的中性点经消弧线圈接地系统a 电路图b 相量图 1 3 3中性点经消弧线圈接地的电力系统 图1 11一相接地时的中性点经消弧线圈接地系统a 电路图b 相量图 1 中性点经消弧线圈接地系统的电路分析 与中性点不接地系统一样 当发生单相接地故障时 接地相电压为零 三个线电压不变 其它两相电压也将升高倍 2 注意事项 与中性点不接地系统一样 发生单相接地故障时的运行时间不允许超过2小时 3 消弧线圈接地的作用分析 1 3 3中性点经消弧线圈接地的电力系统 在正常情况下 三相系统是对称的 中性点电流为零 消弧线圈中没有电流通过 当系统发生单相接地时 流过接地点的电流是接地电容电流与流过消弧线圈的电感电流之和 由于超前90 而滞后90 所以与在接地点互相补偿 使接地电流减到小于发生电弧的最小生弧电流时 电弧就不会发生 从而也不会产生过电压 全补偿电感电流等于电容电流消弧线圈接地欠补偿电感电流小于电容电流过补偿电感电流大于电容电流 1 3 4中性点经低电阻接地的电力系统 1 中性点经低电阻接地系统产生的背景近几年来 随着10kV配电系统的应用不断扩大 特别是现代化大 中型城市在电网改造中大量采用电缆线路 致使接地电容电流增大 因此 即使采用中心点经消弧线圈接地的方式也无法完全在发生接地故障时熄灭电弧 而间歇性电弧及谐振引起的过电压会损坏供配电设备和线路 从而导致供电的中断 2 中性点经低电阻接地系统的作用介绍它接近于中性点直接接地的运行方式 在系统发生单相接地时 保护装置会迅速动作 切除故障线路 通过备用电源的自动投入 使系统的其他部分恢复正常运行 我国一些大城市的10kV系统采用了中性点经低电阻接地的方式 例如 北京市四环路以内地区的变电站 10kV系统中性点均采用经低电阻接地方式 总结 电力系统的中性点运行方式 对于供电可靠性 过电压 绝缘配合 短路电流 继电保护 系统稳定性以及对弱电系统的干扰等诸方面都有不同程度的影响 特别是在系统发生单相接地故障时 有明显的影响 因此 电力系统的中性点运行方式 应依据国家的有关规定 并根据实际情况而确定 1 3 4中性点经低电阻接地的电力系统 380 220V低压配电系统我国380 220V低压配电系统也采用中性点直接接地方式 而且引出中性线 N线 保护线 PE线 或保护中性线 PEN线 这样的系统 称为TN系统 1 TN系统 1 中性线 N线 的作用 用来接相电压为220V的单相用电设备 用来传导三相系统中的不平衡电流和单相电流 减少负载中性点的电压偏移 2 保护线 PE线 的作用保障人身安全 防止触电事故发生 3 TN系统类型 根据TN系统中N线和PE线的不同形式 分为TN C系统 TN S系统和TN C S系统 如图1 13所示 图1 13低压配电TN系统TN C系统TN S系统TN C S系统系统的使用在安全要求较高的场所和要求抗电磁干扰的场所均不允许采用该系统 2 TN S系统这种系统的N线和PE线是分开的 所有设备的外露可导电部分均与公共PE线相连 如图1 13b所示 3 TN C S系统这种系统前一部分为TN C系统 后一部分为TN S系统 或部分为TN S系统 如图1 13c所示 小结 1 供电系统概述电力系统是由发电厂 电力网和电能用户组成的一个发电 输电 变电 配电