1电力系统的基本概念qq

1、电气工程基础（上册）the foundation of electrical engineering2018.10课程信息授课教师：Tel：课程；：电气工程基础（上册）【第3版】陈等编著中国电力2加入微助教（考勤、随堂测）3电力系统工程学科的范畴n 在我国，是电工学科的一个分支。n 研究领域大致分类：§§§§§§电力系统理论输配电技术电力系统电力系统运行电力系统电力系统保护4课程内容n 电气工程大专业的设课导向：主要介绍电力系统的基本概念、基本元件、数学模型、分析方法、运行、和保护原理。n 重要的专业平台课：由以前的多门专业课的基础内

2、容优化整合而成。（电力系统分析、发电厂电气部分、继电保护、高电压技术、电力系统自动装置等）5引论及基本概念（第1章）电力设备的理论及模型（第2章、第3章）网络稳态分析与运行（第4章、第5章）暂态分析与（第6章、第7章、第8章、第9章）6电气工程基础的知识体系第一篇引论及基本概念第1章电力系统概述（Introduction to Power System）7内容n 1.电气技术的发展与电力系统的形成n 2.现代电力系统（电力系统运行特点）n 3.发电厂n 4.中国电力工业结构n 5.电力设备的额定电压8§1.电气技术的发展与电力系统的形成9一、电气技术的发展n 以电磁学为基础，成果就是

3、发现“动电生磁，动磁生电”的理论依据。n 1831年，英国物理学家M.Faraday（）发现了电磁感应现象并总结出电磁感应定律。电磁感应现象：当回路磁通发生变化时在回路中产生电流的现象。10一、电气技术的发展n 1880年，竹丝电灯发明。（）n 1882年，第一个包含发电、输电和用电部分的完整的直流电力系统出现。（法国人、水电、慕尼黑、直流技术派的代表15002000V、57km、2kW）。11一、电气技术的发展n 1885年，变压器发明，单相交流输电实现。（）.n 1888年，三相感应电、三相变压器陆）续发明。（.n 1891年，第一个三相交流输电系统实现（德国人.冯.密勒、水电、镇交流技术

4、派的代表法兰克福、机端电压95V、升压15.2kV、降压112V）12一、电气技术的发展u 1954年，瑞典投入的世界第1条采用弧阀的工业性直流输电线路。线路为全长95km，100kV、功率20MW的海底电缆【近代高压直流输电（HVDC）工程商业化应用的开始】。交流交直流并存直流13一、电气技术的发展n 交流：最高线路电压>1000kV、最远输送距离>1000kmn 直流：电压>±800kV、输电距离>1000kmn 近代电力系统的特点：大机组、高电压、高度自动化、互联程度高、交直流并存。14二、电能（electrical power）的优点n 电是能量的一种

5、表现形式，是一种二次能源。n 显著优点：u 洁净（从使用的角度看）：保护环境u 方便：输送、分配、使用（能量形式转化容易）u 电气化：机械化、自动化，提高动生产率u 节能：能耗小，能量转换效率高质量和劳15二、电能（electrical power）的优点n 现代最重要能源，应用十分广泛。n 电力工业的发展水平是反映的重要标志。发达程度n 人均用电量是衡量现活水平的重要标志。“电力学”162003年8月14日美国大停电n 美国东部(EDT)时间2003年8月14日16:11开始（北京时间8月15日晨4:11），美国东北部和了大面积停电事故。东部电网发生n 停响区域美国：俄亥俄州、密歇根州、纽约

6、州、马萨诸塞州、康涅狄克州、u新泽西州、宾夕法尼亚州、佛蒙特州（8个州）：安大略省、魁北克省（2个省）u损失（美u 美损失：300亿u 安大略省损失：50亿学家估计）：/天n17停电前后拍到的美国上空08/139:21PMEDT08/149:03PMEDT进行了把停电前和停电后的对比，结论是“美国看起来明显黯淡了许多”!18§2.现代电力系统19一、什么是电力系统(power system)？为什么会形成电力系统？n 电力系统：完成电能生产、输送、分配、消费的统一整体。是由发电压器、电力线路和负荷等电力设备组成的交直流混合系统。n 在本门课程范畴，强调研究对象是三相交。20一、什么是

7、电力系统(power system)？n 发电机主要采用三相同步发电机；n 发电和输电设施采用三相装置；n 工业负荷总是三相；单相家用和间尽量等量分配。负荷在各正常运行情况下，电力系统可看做是三相对称交。21二、电力系统的n 电力系统：发电机、电力网、负荷。22二、电力系统的电能的生产过程n 发电机：电能生产，一次能源转换成电能，火/水/核/风/太阳能/地热等n 电力网（输配电系统）：电能输送和分配，包括输电网（输电系统）和配电网（配电系统）。n 负荷（电能消耗 Load）：将电能转换成其他形式能量的用户用电设备，电/照明/电炉等23怎样理解电力系统“负荷”？n 从系统建模分析的角度理解：忽略

8、各种损耗，负荷通常意指电力系统用户用电设备及其消耗的有功和无功功率。n 负荷不是恒定值，是随时间变化的变量。n 本课程主要研究高压输电网，配电网看成负荷的一部分。24二、电力系统的n 电力网是由变压器、电力线路等变换、输送、分配电能设备所组成的整体。25为什么采用高电压进行远距离输电？n 减少远距离大容量输电的有功功率损耗：P2rlDP = 3I Rl=U 2 cos2 jsP =3UI cosj2n 考虑绝缘，发电机机端电压10-30kV。变压器升压到110-1000kV；n 高压线远距离输电，变压器降压供给负荷n 大负荷6-10kV，民用负荷220/380V26变电站（所）：改变电压的场所

9、。由电力变压器（主变）、l母线、断路器、开关、互感器、避雷器继电保护、信号监测和计量设备等组成。主要作用：变换电压、传递和分配电能。变电站（所）的电压等级指的是主变高压侧的电压。ll27n 动力系统电力系统与发电厂的动力系统整体。的u 发电厂动力部分：锅炉、汽轮机、水库、水轮机、核反应堆、热力网等28三、电力系统如何描述？（常用专业术语）§ 一次设备：直接用于生产和使用电能的高压电气设备（包括发电电设备）。压器、输电线路和用§ 一次系统：由一次设备相互连接，发电(power generation)、输电(power transmission)、配电(power distri

10、bution)或直接用于生产的电气主回路，又称为一次回路或一次接线系统。2930专业术语§ 二次设备：对一次设备进行监察、测量、保护和调节的辅助设备，称为二次设备。不直接和电能产生。§ 二次系统：由二次设备相互连接，对一次设备进行监测、调节和保护的电气回路称为二次回路或二次接线系统。31三、电力系统如何描述？（常用专业术语）n 一次系统 (primary system )（高电压、大电流）n 二次系统 (secondary system)（低电压、小电流）：保证一次系统安全/可靠/运行的信息系统及其操作机构。32三、电力系统如何描述？（常用专业术语）总装机容量指该系统中实际

11、安装的发电机组额§定有功功率的总和，以kW为计。年发电量指该系统中所有发电机组全年实际发§出电能的总和，以kWh为计。最大负荷指规定时间内，电力系统总有功功率§负荷的最大值，以MW为计。33三、电力系统如何描述？（常用专业术语）§ 年用电量系统中所用用户全年所用电量的总和，以kWh为计。§ 额定频率 电力系统频率的额定值，Hz。§ 最高电压等级电力系统中最高电压等级的电力线路的额定电压，以kV为计。34专业术语稳态：某一时，电力系统运行参数只§在某一恒定的平均值附近发生微小变化的状态。正常稳态是指正常三相对称运行状态。暂态：

12、指电力系统从一种运行状态到另一种运行状态的过渡过程。暂态过程中，所有运行参数都发生明显变化。§35三、电力系统如何描述？（常用专业术语）n 电气主接线图：电力设备间电气连接关系。n 地理接线图：发电厂、变电所间相对地理位置及其连接路径。36电气主接线图37电力网络的地理接线图38为什么要形成电力系统？“共享，互为备用”n 减少总装机容量（错峰效应）；n 减少备用容量（同时故障和检修概率小）n 提高供电可靠性、电能质量（故障和异常时相互支援）；n 合理利用动力，提高生产效率，实现运行（大机组、多种能源、需求侧等）39四、电力系统运行特点与要求n 电能不能大量；n 正常输电过程和故障过程

13、都非常迅速，过渡过程十分短暂；n 与和生活紧密；n 地区性特点较强。40四、电力系统运行特点与要求n 要求：u 可靠性高（第1、2、3级负荷）u 质量高（频率、电压、波形）n 特点：u 密切性u 短促性u 同时性性好，公司效益uu 对环境的有害影响小41四、电力系统运行特点与要求频率电能质量指标电压波形 我国的额定频率为50Hz，大容量系统频率偏差±0.2Hz，中小容量系统频率偏差±0.5Hz。50.0Hz50.249.8发电用电42专业术语一级负荷：对这一级负荷中断供电，将§造成人身事故，严重损失，生活发生。负荷：对这一级负荷中断供电，将§造成大量减产

14、，生活受影响。三级负荷：所有不属于一、的负荷。§43§3.发电厂：电能生产44一、电能如何生产？n 发电厂的作用就是把不同种类的一次能源转换成电能。n 根据一次能源的不同，可分为火力发电厂、水 力发电厂、核动力发电厂和利用其它能量发电的电厂。45一、发电厂的类型煤炭、石油、天然气火力发电厂水力发电厂水能核能核电厂新能源(风能、太阳能、潮汐、地热、)新能源电厂46二、 火力发电厂锅炉原发电机机械能化学能热能电能原：凝汽式汽轮机燃气轮机内燃机我国大部分火电厂为凝汽式火力发电厂晾水塔47汽轮机发电机变压器锅炉凝汽器8电气系统输电线路汽燃烧系统火电厂外景49锅炉外观全景50送风机及

15、静电除尘装置51汽轮机及发电机外观52主变压器侧面53主变压器正面54二、 水力发电厂水轮机发电机机械能电能势能水的流量水位落差（水头） 水电厂的类型§堤坝式：坝后式、河床式引水式抽水蓄能电站55P = 9.8hQH上游大坝水库变压器发电机下游坝后式水力发电厂示意图56溢流坝厂房进水口河床式水力发电厂示意图57引水渠水管厂房堰引水式水力发电厂58水坝蓄水池抽水蓄能电站（发电模式）59抽水蓄能电站（蓄能模式）60三、核电厂n 铀等核n 组成：核裂变核能热能机械能电能u 反应堆（“原子锅炉”）u 汽u 电气系统：发电压器、输电线路等。61三、核电厂在反应器中，使中子和铀或钚原子碰撞，产生

16、原子核的裂变反应，大量的热能，将水加热变成蒸汽，驱动汽轮机带动发电机发电。n 分类沸水堆轻水堆压水堆重水堆石墨冷气堆62反应堆（原子锅炉）混凝土防护壳汽轮机发电机凝结器凝结水泵沸水堆型核电厂示意图63四、新能源发电n 能源形式：太阳能、风能、地热、潮汐能、电池、生物质能、核聚变等n 洁净、可再生，未来主要能源形式，当前国际上研究开发的热点。n 有些新能源，如太阳能和风力发电，分散性大， 属于分布式电源，互联后在运行和管理方面存在不少特殊问题，是目前电力系统互联领域的研究热点。642010年装机容量统计（总装机容量9.66亿kW）能源形式所占比例67.79%煤电22.36%水电（含抽水蓄能）核电

17、1.12%3.06%风电2.58%太阳能2.73%气电0.36%其他生物质发电65§4.中国电力工业结构66一、我国电力工业发展概况u 我国有丰富的煤炭、石油和水力工业的发展提供了条件。，为我国电力u 1882年上海建立了第一个发电厂，容量12kW。u 随着的发展，我国电力工业发展迅速。形成了华北、东北、华东、华中、西北和互联电网。等跨省u 发电装机容量和年发电量位居世界第1位，但人均用电量只有世界平均水平的1/3.67专业术语n 互联电力系统：几个地域的电力系统起来运行，组成更大规模的电网。n 联络线：互联电力系统中联接各个电力系统的输电线路。68电网结构69华中电网华东电网华北电

18、网西北电网东北电网如何对电力大系统运行进行n 调度自动化n 我国做法：？u 集中管理（系统的安全、性）电网公司为例）u 分层（五级调度，以国调、网调、省调、市调、县调70互联带来了什么问题？n 超高压互联设备的投资大；n 系统规模大而复杂，运行难度大，局部故障可能危及整个互统，安全风险大。n 电网并联回路增多，故障电流大。n 运行风险的多米诺骨牌效应n 随着现代、技术应用，自动化水平的提高，缺点正在逐步克服。71中国电网将成为世界上最复杂的交直流互72电网，如何保障其安全运行是非常有性的课题！§5.电力设备的额定电压73一、电力系统额定电压的定义§ 额定电压：能保证电气设备

19、正常运行，且具有最佳技术指标和指标的电压。§ 额定电压(Rated Voltage)和标称电压(Nominal Voltage)§ 电力系统额定电压的定义：u 电力系统的额定电压即电力线路的额定电压，也称为电力网的额定电压，如220kV、 500kV网络等。u 电力线路的额定电压为线电压。74二、为何确定系统额定电压？如何确定？§ 制作和运行的标准化：避免电压等级数量的扩大，导致设备制造和互联§ 系统额定电压选择的影响因素u 输送功率u 输送距离u 电气设备绝缘制造水平。u 电气设备制造性和维护方便性§ 同系统中电压等级不宜过多或，级差不宜过大

20、7576高压、超高压、特高压的定义u 高压（HV）：High voltage，在电网中，35kV220kV称为高压。u 超高压（EHV）： Extra High voltage，330750kV。u 特高压（UHV）：Ultra High voltage，AC 1000kV及以上；大于DC ±800kV。77特高压电网建设n 特高压电网是1000千伏交流和正负800千伏直流输电网络，具有远距离、大容量、低损耗输送电力和节约土地等特点。n 1000千伏晋东南（长治）南阳荆门特高压交流输电工程于2009年1月6日投入商业运行。2010年8月12日通过验收。n 2010年6月18日世界上第

21、一个±800千伏直流输电工程云南-特高压直流输电工程竣工投产。78电网公司、公司n 特高压电力网中国特高压骨干网架由1000kV级交流输电网和±800kV级直。超高压输变电公司、华中电网公司电力网的类型n 超高压电力网电压等级在330750kV，输电距离在3001000km。主要任务是把远处发电厂生产的电能输送到负荷中心。电力公司n 区域电力网电压等级在110220kV ，输电距离在50300km。供电公司n 地方电力网电压等级在35110kV，输电距离在50km以内。79升压变电站功能降压变电站变电站的类型n 枢纽变电站n 中间变电站电网中的地位n 地区变电站n 终端变电

22、站80n 枢纽变电站高压侧电压等级在330kV及以上，连接电力系统高压和中压的几个部分，汇集多个电源。n 中间变电站高压侧电压等级在220330kV ，以交换潮流或使长距离输电线路分段为主，同时降低电压给所在区域负荷供 电。n 地区变电站高压侧电压等级在110220kV ，以向地区或城市用户供电为主，是一个城市或地区的主要变电站。n 终端变电站在输电线路的终端，连接负荷点，直接向用户供电。81n 枢纽变电站n 中间变电站n 地区变电站n 终端变电站82三、电力设备额定电压如何确定？§ 需要确定额定电压的电力设备：u 电力线路u 用电设备u 发电机u 变压器83电力线路、用电设备的额定电压§ 电力线路的额定电压=系统的额定电压。§ 用电设备额定电压= 线路的额定电压= 系统的额