电工学及电器设备9

主要内容,9.1电力系统及电力系统的额定电压,9.2电力系统短路的基本概念,9.3电力系统中性点的运行方式,第九章电力系统的基本概念,电力工业发展概况,世界第一座发电厂是1875年巴黎北火车站建成，直流发电机，做照明用。我国第一座火电12kW1882年7月26日下午7时，上海外滩至虹口的6.4公里电线上也亮起了15盏电灯，标志着中国电力工业从这里起步。（从美国引进16马力蒸汽机发电）。第一座水电2240kW昆明滇池石龙坝（1912年）（1）18821949年：185万千瓦、43亿千瓦时，居25位、进口设备、集中沿海。110kV线路2条共72万kW。（2）19491978年：5712万kW、2566亿千瓦时，分别居8、7位。（3）19781995年：总装机容量突破2亿千瓦；1996年居第2位；2000年总装机容量突破3亿千瓦；2004年底发电装机容量达4.4亿kW，仅次于美国的8.9亿kW；年发电量达21870亿kW.h，均居世界第2位。,世界发电分类构成图,9-1电力系统及电力系统的额定电压,一、发电厂的类型电力系统及电力网,按其所取用的能源的形式分：,火力,水力,原子能,太阳能、,地热、,风力、,潮汐、沼气,发电厂,(heatpower),(waterpower),(atomicenergy),把其他形式的一次能源转变成二次能源的一种特殊工厂,按供电范围和建设地点分:,类型,solarenergy,terrestrialheat,windpower,tidalenergy,methane,变电所的作用：,（1）改变电压,（2）接受分配电能,（3）把不同电压等级的网络连接起来,1.系统枢纽变电所：,位于系统的枢纽点，停电后将引起系统解裂。,（330-500kV）,2.中间变电所：,起中间环节的作用。停电后将引起区域网解裂。,（220-330kV),以对地区用户供电为主。,（110-220kV),3.地区变电所：,(substation),4.终端变电所：,接近负荷点，高压侧高电压为10-110kV。,5.企业变电所：,工矿企业专用变电所，电压为35-220kV。,汇集电源、升降电压和分配电力的场所，是联系发电厂和用户的中间环节。,电力系统:,(Electricpowersystem),由发电机、配电装置、升压和降压变电所、电力线路及电能用户所组成的整体。,电力网：,(Powernetwork),电力系统中由各类升降压变电所各级电压的输配电线路和变电所组成的电能传输和分配的网络。,电力系统的示意图,升压变电所,220kV,地区枢纽所,10kV,至用户,配电所,10kV,10kV,升压变电所,220kV,220kV,220kV,输电线路,220kV,10kV,为保证供电的可靠性和安全连续性，电力系统将各地区、各种类型的发电机变压器、输电线、配电和用电设备等连成一个环形整体。,电力系统构成,原动机发电机输、配电线路升、降压变压器电力用户,电力系统,动力系统,电力网,现今我国有五个区域电网（每个覆盖一些省区）和十二个省网。五个区域网是东北、华北、华东、华中及西北电网。,图1-5从发电厂到用户的送电过程（二）电力生产的特点电力是一种特殊商品。电力生产具有不同于一般商品的下列特点：（1）同时性（2）集中性（3）快速性（4）先行性（三）电力系统、电力网及动力系统的概念,组成电力系统运行的优越性：1.减少系统中的总装机容量；2.可以装设大容量机组；3.充分利用能源，提高运行经济性；4.提高供电的可靠性；5.提高供电电能质量。,电力系统运行的特点：1.生产、分配、输送、再分配具有同时性；2.正常输电过程和故障过程都非常迅速；3.电力系统的地区性特点较强，组成情况不尽相同；4.电能生产与国民经济、人民生活的关系密切。,对电力系统的基本要求：1.保证供电的安全可靠性（、类负荷）；2.保证电能的良好质量；3.保证足够的发电功率和发电量；4.保证电力系统运行的稳定性；5.保证电力系统运行的经济性。,二、电力系统的额定电压,额定电压：,电气设备的额定电压是按长期正常工作时具有最大经济效果所规定的电压。1000V以上为高压，以下为低压。为使电气设备实现标准化和系列化生产，国家规定了标准电压系列如表9-1所示。,(ratedvoltage),电力系统的电压等级及其适用范围制定标准电压的依据：三相功率正比于线电压及线电流。当输送功率一定时，输电电压愈高，则输送电流愈小，因而所用导线截面积愈小；但电压愈高对绝缘的要求愈高，杆塔、变压器、断路器的绝缘投资也愈大。因而对应于一定的输送功率与输送距离应有一最佳的输电电压。但从设备制造的经济性以及运用时便于代换，必须规格化、系列化，且等级不宜过多。,我国国家标准规定：6、10、35、（60）、110、（154）、220、330和500kV,线路额定电压即线路的平均电压UWe=(UaUb)/2。各用电设备的额定电压取与线路的额定电压相等。从而使所有用电设备在额定电压的附近处运行。,用电设备容许的电压偏移一般为5%，沿线电压降落一般为10%，因而要求线路始端电压为额定值的1.05倍，并使末端电压不低于额定值的0.95倍。,1）可直配发电机（100MW）G.e1.05w.e（0.4、6.3、10.5）。2）不可直配发电机（100MW）13.8、15.75、18、20kV等四种。,发电机额定电压发电机通常接于线路始端，因此发电机的额定电压为线路额定电压的1.05倍UGeUWe（15）,1.用电设备和电力网的额定电压我国用电设备的额定电压与电力网的额定电压是相等的。Ue=(Ua+Ub)/2，5%,3.变压器额定电压变压器具有电源和负荷的双重地位，它的一次侧是接受电能的，相当于用电设备；二次侧是送出电能的，相当于电源。变压器一次侧额定电压取等同于用电设备额定电压，对于直接和发电机相联的变压器，其一次侧额定电压等于发电机的额定电压。二次侧电压应比线路额定电压高5%，因变压器二次侧额定电压规定为空载时的电压，而额定负荷下变压器内部电压降落约为5%。为使正常时变压器二次侧电压较线路额定电压高5%，变压器二次侧额定电压取比线路额定电压高10%。1）一次绕组不与发电机直接相连（降压变）T1.ew.e与发电机直接相连（升压变、厂用变）T1.eG.e1.05w.e2）二次绕组(指空载值)d7.5或高压侧为35kV及以上T2.e1.10w.ed7.5或高压侧为35kV以下或短线路T2.e1.05w.e,表9-1我国交流电力网和电气设备的额定电压（线间电压，单位kV）,电力系统的额定电压,G,T,1,10KV,T,4,T,2,T,3,D,1,220KV,110KV,6KV,35KV,3KV,10.5KV,10.5KV/242KV,10.5KV/3.15KV,220KV/121KV/38.5KV,35KV/6.6KV,图中给出的为电力网的额定电压，试确定图中变压器的额定电压,短路的基本类型有三相短路(a)、两相短路(b)、单相短路(c,d)和两相接地短路(e,f)。,一、短路的概念及短路的基本类型短路指相线与相线以及在中性点直接接地系统中与地之间不通过负荷，发生了直接连接的故障。是指供电系统中不同电位的导电部分（各相导体、地线等）之间发生的低阻性短接。,9.2电力系统短路的基本概念,占短路故障5%,占短路故障10%-15%,三相短路,两相短路,(c,d)单相短路占短路故障65%-70%,(e,f)两相接地短路占短路故障10%-20%,二、短路及其原因、后果,原因：1.造成短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏绝缘损坏的原因：绝缘老化机械损伤大气过电压操作过电压设计安装不合理设备质量差2.输电线路断线、倒杆、人员误操作、鸟兽跨越裸导体。,后果：1.电流增大在供电系统中发生短路故障后，短路电流往往要比正常负荷电流大许多倍，有时高达几万到几十万安培。2.电压降低,危害：,1.短路电流很大，产生的热量很大，使过流设备温度急剧上升，会使绝缘老化或损坏；2.短路电流产生的电动力，会使设备载流部分变形或损坏；3.短路会使系统电压骤降，影响系统其他设备的正常运行；4.严重的短路会影响系统的稳定性；5.短路还会造成停电；6.不对称短路的短路电流会产生较强的不平衡交变磁场，对通信和电子设备等产生电磁干扰等。,进行电力系统设计时需进行短路计算，其目的是正确选择和检验电气设备及其保护装置。三相短路电流是选择和检验电气设备的基本依据。另外还要用到不对称短路的短路电流、短路冲击电流、稳态短路电流等。,目前主要采用的有三种：,1.中性点不接地,2.中性点经消弧线圈接地,3.中性点直接接地,（1、2统称为中性点非直接接地，亦称小接地电流系统）,（大接地电流系统）,9.3电力系统中性点的运行方式,一、电力系统中性点及其运行方式的概念,电力系统的中性点：泛指系统中星形连接的发电机和变压器的中性点。电力系统中性点的运行方式有：不接地、经电阻接地、经消弧线圈接地、经电抗接地、直接接地,中性点运行方式的是个比较复杂的技术经济问题（可靠性、过电压、绝缘配合、装置动作、弱电干扰及系统稳定）。,二、中性点不接地系统（中性点绝缘）,1.正常运行情况（1）简化等值电路如图a，假定条件：系统对称；对地电容用集中电容表示，对称分布；忽略不计相间电容。（2）电压及电流关系分析节点电压定律N0，相量图：上图b（3）结论电源中性点与地同电位，各相的相电压等于各相的对地电压（不大的中性点位移电压略）；各相对地电容电流的大小相等，Ic0xc，它们的相量和为零，地中没有电容电流通过。,2.单相接地故障（1）简化等值电路假定C相完全接地（金属性接地），如下图。（2）电压及电流关系分析,单相接地后，中性点N对地电压变为,则A相对地电压,则B相对地电压,B、C相间电压为,即：,大小为三倍的相电压,接地电流为,由相量图看：,三相的,线电压,保持,对称,且大小,不变,A、B相间电压为,此时，A、C相间电压为,综上，该运行方式在发生单相接地故障时：（假设C相接地，接地电阻为零）,（1）中性点对地电压为故障相电压：，,线电压保持不变,（3）接地电流为容性，等于正常时一相对地电容电的3倍,（2）A、B两相对地电压升高了倍；,即IcIcA,Ic的计算：架空线路：Ic350（A）电缆线路：Ic/10(A)式中，U电网的线电压，kV；L有电的直接联系的线路长度，km,说明：接地电流产生的弧光接地：IcA：为瞬时性电弧自然熄灭；Ic30A：稳定燃烧电弧烧毁设备多相短路；Ic=10A：间歇性电弧串联谐振过电压，高达2.53.5Ul。可以继续工作（不超过二小时），但应采取必要措施。用户承受的线电压正常；系统按线电压绝缘（造价高）；一次绕组为额定相电压的电压互感器饱和，超过二小时易烧毁。措施：通过监察装置发现、寻找、排除接地故障。不完全接地均比完全接地略有变化,（2）3-10kV系统当接地电流30A时；,3.适用范围：,（1）电压在500V以下的三相三线制系统；,（3）20-60kV系统当接地电流10A时；,（4）与发电机有直接电气联系的3-20kV系统，如要求发电机带内部单相接地故障运行，当接地电流5A时。,三、中性点经消弧线圈接地系统,1.消弧线圈的工作原理消弧线圈是具有可调节电抗的接地电抗器，是带铁芯的电感线圈，一端接至变压器或接地变压器中性点，另一端接地，当三相线路发生单相接地故障时，产生电感电流，补偿因线路对地电容产生的电容电流，使故障处不发生持续电弧，不致扩大故障范围，提高供电系统的安全性和可靠性。消弧线圈的电抗或电流由无载或有载分接开关来调节。,单相油浸式，带分段气隙铁芯，分接头有档，型号XDJ(L)-35。,2.电压及电流关系分析(1)正常工作情况：中性点电压为0，消弧线圈上没有电流。(2)单相接地故障(如C相完全接地)电压关系与不接地系统相同；此时消弧线圈中有电感电流IL流过，在接地处与接地电容电流IC相抵消而实现补偿。,2.适用范围35kV及以下接地电流凡不满足中性点绝缘系统规定值时采用；个别雷害严重的地区110kV系统不得已采用。3.补偿方式(1)完全补偿ILIC；易形成串联谐振过电压危及设备绝缘，一般不采用。(2)欠补偿ILIC；切除部分线路或系统频率下降可能变成完全补偿，形成串联谐振，在电网中一般不采用。(3)过补偿ILIC10A；一般装在电网中变压器中性点的消弧线圈以及具有直配线的发电机中性点的消弧线圈均采用此方式。4.消弧线圈的安装地点发电厂的发电机或厂用变的中性点；变电所主变的中性点。,发电厂主变压器的中性点消弧线圈,四、中性点直接接地系统,1.中性点的电位始终为地的零电位。,3.单相接地时形成短路，接地电流很大（短路电流），巨大的短路电流使继电保护动作，断路器迅速切除接地故障部分，避免接地点的电弧持续燃烧。,2.单相接地时，接地相对地电压为零，未接地相对地电压基本不变，仍近似于相电压。,4.特点供电可靠性差，通过来纠正；Id(1)可能大于Id(3)且单相磁场对弱电干扰；不产生过电压，设备绝缘水平低20，造价低。,5.适用范围：,大部分110kV系统，220kV及以上系统，三相四线制系统。,五、中性点不同接地方式的比较和应用范围,（一）中性点不同接地方式的比较1.供电可靠性中性点不