第一章 电力系统的基本概念

1、Power System Analysis Power System Analysis 电力系统分析主讲主讲: : 高志刚高志刚自动化学院自动化学院Power System Analysis Power System Analysis 电力对我们有多重要？电力对我们有多重要？制备各种食物，加热，烹调，切割.纺织、印染.建筑、冶金、石油化工.电灯、电视、计算机、手机、冰箱、热水器.高铁、磁悬浮、电气化列车、汽车、飞机、轮船.我们需要我们需要从从电力网络获取电能！电力网络获取电能！Power System Analysis Power System Analysis 一个典型的电力系统一个典型的电

2、力系统产输配用Power System Analysis Power System Analysis 特殊的电力系统特殊的电力系统船舶、飞行器等内部供电也是一种“电力系统”。Power System Analysis Power System Analysis 交通混乱疏导维持治安机场关闭露宿街头20032003年美国年美国814814大停电事故大停电事故Power System Analysis Power System Analysis 20082008年初我国南方冰灾年初我国南方冰灾春运铁路交通春运铁路交通全面瘫痪！全面瘫痪！Power System Analysis Power Sys

3、tem Analysis 20082008年初我国南方冰灾年初我国南方冰灾除冰机器人Power System Analysis Power System Analysis 课程介绍课程介绍1 1、教材：、教材：电力系统稳态分析电力系统稳态分析东南大学东南大学 陈珩（第三版）陈珩（第三版）电力系统分析电力系统分析华中科技大学华中科技大学 何仰赞何仰赞 温增银温增银 （第三版）（第三版）2 2、本课程前修课程、后续课程、本课程前修课程、后续课程 前修课程：电路理论、电机学前修课程：电路理论、电机学 后续课程：电力系统暂态分析、电力系统继电保护后续课程：电力系统暂态分析、电力系统继电保护等等3 3、

4、 考核方式：考核方式： 闭卷笔试闭卷笔试8080分（选择分（选择4040分分+ +问答计算问答计算4040分）分） 平时成绩平时成绩2020分（平时作业分（平时作业+ +出勤出勤+ +实验）实验）Power System Analysis Power System Analysis 第一章第一章 电力系统的基本概念电力系统的基本概念1 电力系统概述2 对电力系统运行的基本要求3 结线方式和电压等级4 课程的主要内容Power System Analysis Power System Analysis 1.11.1电力系统概述电力系统概述发展历史组成部分现状趋势1 电力系统概述2 对电力系统运行

5、的基本要求3 结线方式和电压等级4 课程的主要内容Power System Analysis Power System Analysis 1831年法拉第发现电磁感应定律，早期的电机制造和电力输送主要采用直流形式。电力系统的发展历史Power System Analysis Power System Analysis Power System Analysis Power System Analysis 电力系统的发展历史B负负正正电流力XY直流发电机原理注意：电感电流不能突变,为什么?(能量)Power System Analysis Power System Analysis 电力系统的发

6、展历史1.突加电压2.电流欲增加3.电流增加导致磁场增强(安培环路定理)5.所以，运行过程中电感一直吸收能量4.磁场增加导致出现等效电动势阻碍电流增加6. 能量存储于电感(的磁场)中7.断开后电流为0，磁场为0，需要电感能量消失，则只能在断开瞬间进行释放，导致电弧放电。Power System Analysis Power System Analysis 1882年德波列茨使用直流1500V-2000V完成长距离直流输电。1882年，爱迪生建造了世界上第一个公用发电系统。由蒸汽机驱动直流发电机，电压为100V DC，为800盏白炽灯提供电力。1883年，变压器出现。1885年，特斯拉发明了交流

7、电机，并成功地将它同变压器连接起来，实现了单相交流输电。1886年美国西屋电气公司成立1891年实现三相交流输电。电力系统的发展历史Power System Analysis Power System Analysis 1891年，世界上第一台水轮发电机组在德国劳芬建成并向法兰克福送电，传输电压15kV-25kV(交流)，传输距离175km，传输功率172kW。1893年，特斯拉同西屋电气公司合作为当年在美国芝加哥举行的世界博览会建造了交流供电系统，并借世博会向世界展示了交流技术的优点。直流技术交流技术VS电力系统的发展历史Power System Analysis Power System

8、Analysis 交流技术的优点交流技术的优点 易于通过变压器易于通过变压器升、降压升、降压。高压技术适合长距离输电，传输损耗高压技术适合长距离输电，传输损耗小。小。相应的交流开关等设备的安装简单，价格便宜相应的交流开关等设备的安装简单，价格便宜结构结构简单，系统计算简单。简单，系统计算简单。传输线的利用率高。传输线的利用率高。电网各节点仅有电压一个电网各节点仅有电压一个参数，不同参数，不同电电网容易进行并联运行。网容易进行并联运行。易于使用蓄电池等设备进行存储。易于使用蓄电池等设备进行存储。直流技术的优点直流技术的优点 Power System Analysis Power System A

9、nalysis 目前在世界范围内，绝大多数场合均使用交流输电技术，电力系统输电电压已超过1000kV1000kV，传输距离超过1000km，输送功率超过5000MW而随着交流电网并网规模的越来越大，出现了电网震荡和同步机并列运行稳定性问题，直流输电技术又开始得到了重视和应用。Power System Analysis Power System Analysis 电力系统电力系统的组成工业工业农业农业商业商业生活生活发电发电 输电输电 配电配电 用电用电五大发电集团：大唐、中电投、国电、华电、华能两大电网公司：国家电网南方电网Power System Analysis Power System

10、Analysis 发电厂类型：发电厂类型：火电火电：锅炉汽轮机发电机：锅炉汽轮机发电机水电水电：水库水轮机发电机：水库水轮机发电机核电核电：核反应堆汽轮机发电机：核反应堆汽轮机发电机其它其它：如风能、地热能、太阳能、潮汐等：如风能、地热能、太阳能、潮汐等电力系统的组成Power System Analysis Power System Analysis 基本基本概念概念n电力系统电力系统是由是由发电厂、变电所、输电线、配电发电厂、变电所、输电线、配电系统及负荷系统及负荷组成的。是现代社会中最重要、最庞杂的组成的。是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。工程系统之一。n电力网络电力网络是由是由

11、变压器、电力线路变压器、电力线路等变换、输送、等变换、输送、分配电能设备所组成的部分。分配电能设备所组成的部分。n动力系统动力系统在电力系统的基础上，把发电厂的动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。含在内的系统。电力系统的组成Power System Analysis Power System Analysis 电力系统的组成Power System Analysis Power System Anal

12、ysis 基本概念基本概念n总装机容量指该系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。截止2013年，我国电力系统总装机容量已经超过1100GW。n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，以千瓦时（kWh）、兆瓦时（MWh）、吉瓦时（GWh）为单位计。 n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，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。 电力系统的组成Power System Analysis Power System Analysis 基本基本概念概念n额定频率按国家标准规定，我国所有交流电力系统的额定

13、功率为50Hz。 n最高电压等级是指该系统中最高的电压等级电力线路的额定电压。n地理接线图主要显示系统中发电厂，变电所的地理位置，电力线路的路径，以及它们相互间的连接n电气接线图主要显示系统中发电机，变压器，母线，断路器，电力线路等主要元器件之间的电气接线电力系统的组成Power System Analysis Power System Analysis 输电线路的最高电压已达1000kV(2009年1月6日22时，晋东南-荆门-南阳 特高压交流特高压交流试验示范工程投入商业运行)；输送距离大幅延长，实现了跨省、跨区域输电；电源的构成（出现分布式能源出现分布式能源）；负荷的构成（出现很多非线性

14、负载和电力电子负载出现很多非线性负载和电力电子负载）；高度自动化；远距离大容量直流输电，最高电压已达800kV(2010年7月8日，向家坝-上海 特高压直流输电特高压直流输电示范工程投入商业运行)电力系统的现状Power System Analysis Power System Analysis 智能化（如智能电网智能化（如智能电网Smart Smart Grid)Grid)以物理电网为基础，将现代以物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、通讯先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型度集成而形成

15、的新型电网。电网。 电力系统的发展趋势更高电压更高电压更大容量更大容量更长距离更长距离交直流混合交直流混合Power System Analysis Power System Analysis 分布式分布式( (如微电网如微电网, ,Micro-GridMicro-Grid) )电力系统的发展趋势传统形式Power System Analysis Power System Analysis 1.2 1.2 电力系统运行应满足的基本要求电力系统运行应满足的基本要求电能是一种特殊的商品：国民经济及日常生活关系密切电能不能大量储存电能生产、输送、消费的整体环节不可分割工况的改变十分迅速对电能质量要求

16、颇为严格。对其基本要求有哪些？Power System Analysis Power System Analysis 1 1. .保证可靠的持续供电保证可靠的持续供电 一级一级负荷、二级负荷、三级负荷负荷、二级负荷、三级负荷n一级一级负荷：负荷：对这一级负荷中断供电，将造成人身对这一级负荷中断供电，将造成人身事故，经济严重损失，人民生活发生混乱事故，经济严重损失，人民生活发生混乱。例如。例如政府机构、重要的交通枢纽、通讯枢纽、卫星地政府机构、重要的交通枢纽、通讯枢纽、卫星地面站、重要的国际活动场所、医院、炼钢厂、矿面站、重要的国际活动场所、医院、炼钢厂、矿井、银行证券交易中心等。方案：多路供电

17、、备井、银行证券交易中心等。方案：多路供电、备用发电机、备用电源。用发电机、备用电源。n二级负荷：二级负荷：对这一级负荷中断供电，将造成大量对这一级负荷中断供电，将造成大量减产，人民生活受影响减产，人民生活受影响。例如重要的企业。例如重要的企业。n三级负荷：三级负荷：所有不属于一、二级的负荷所有不属于一、二级的负荷。1.2 1.2 电力系统运行应满足的基本要求电力系统运行应满足的基本要求Power System Analysis Power System Analysis 2. 2.保证良好的电能质量（电压质量、频率质量、保证良好的电能质量（电压质量、频率质量、波形质量）波形质量）允许的电压偏

18、移、允许的频率偏移、畸变率允许的电压偏移、允许的频率偏移、畸变率电压：电压： 5%5%（无功功率）无功功率）频率：频率： ( (0.20.2- 0.5Hz) - 0.5Hz) （有功功率）（有功功率）谐波：波形畸变率谐波：波形畸变率 4%4%( (10kV 10kV ) ), , 5%(5%(10kV)10kV) 3. 3.保证系统运行的经济性保证系统运行的经济性 煤耗率（煤耗率（g/kWhg/kWh）、线损率）、线损率1.2 1.2 电力系统运行应满足的基本要求电力系统运行应满足的基本要求重要性排序重要性排序: 1.: 1.可靠性可靠性 2. 2.电能质量电能质量 3 3经济性。经济性。Po

19、wer System Analysis Power System Analysis 无无备备用用结结线线包括放射包括放射式、干线式和链式网络式、干线式和链式网络优点：简单、经济、运行方便优点：简单、经济、运行方便缺点：供电可靠性差缺点：供电可靠性差 适用范围：二级负荷适用范围：二级负荷一、结线方式一、结线方式1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级Power System Analysis Power System Analysis 有有备备用用结结线线包括放射包括放射式、干线式、干线式、链式、环式、两端供电网络。式、链式、环式、两端供电网络。优点：供电可靠性和

20、电压质量高优点：供电可靠性和电压质量高缺点：不经济缺点：不经济 适用范围：电压等级较高或重要的负荷适用范围：电压等级较高或重要的负荷1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级Power System Analysis Power System Analysis 二、电压等级及其适用范围二、电压等级及其适用范围三相视在功率S、线电压U、线电流I的关系为：1、电力系统的额定电压等级UIS3当输送功率一定时，电压越高，电流越小（但对绝缘的要求高，杆塔、变压器、断路器投资大）。从设备生产和利于电力行业发展的角度考虑，应对电压等级进行规定。1.3 1.3 电力系统的结线方式

21、和电压等级电力系统的结线方式和电压等级)cos(SP )sin(SQ 相电压与相电流夹角2223URSRIPheat每相线路电阻Power System Analysis Power System Analysis 1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级我国电力系统额定电压等级列表Power System Analysis Power System Analysis 说明：说明：1. 1.以线路额定电压为基准进行记忆；以线路额定电压为基准进行记忆；2. 2.用电设备的容许电压偏移一般为用电设备的容许电压偏移一般为5%5%；3. 3.沿线路的电压降落一般为沿线路

22、的电压降落一般为10%10%；4. 4.在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为5%5%。1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级发电机额定电压变压器一次侧变压器二次侧变压器一次侧变压器二次侧用电设备线路额定电压Power System Analysis Power System Analysis 电力电力网络中电压分布采取的措施：网络中电压分布采取的措施：1. 1. 取用电设备的额定电压为线路额定电压，使所取用电设备的额定电压为线路额定电压，使所有设备能在接近它们的额定电压下运行；有设备能在接近它们的额定电压下运行；2. 2

23、. 取线路始端电压为额定电压的取线路始端电压为额定电压的105%105%；3. 3. 取发电机的额定电压为线路额定电压的取发电机的额定电压为线路额定电压的105%105%；4. 4. 变压器一次变压器一次侧可能侧可能作为负载，也可能直接与发作为负载，也可能直接与发电机相连；电机相连；5. 5. 变压器二次侧作为电源变压器二次侧作为电源1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级Power System Analysis Power System Analysis 变压器的电压等级变压器的电压等级n升压变压器（例如升压变压器（例如35/12135/121，10.5/2

24、4210.5/242）l二次侧（高压侧）接线路始端，向负荷供电，相当于二次侧（高压侧）接线路始端，向负荷供电，相当于发电机，应比线路的额定电压高发电机，应比线路的额定电压高5%5%，加上变压器内耗，加上变压器内耗5%5%，所以二次侧额定电压等于用电设备的额定电压，所以二次侧额定电压等于用电设备的额定电压110%110%。u一次侧（低压侧）接电源，相当于用电设备，一次侧一次侧（低压侧）接电源，相当于用电设备，一次侧额定电压等于用电设备的额定电压额定电压等于用电设备的额定电压U UN N；u直接和发电机相联的变压器一次侧额定电压等于发电直接和发电机相联的变压器一次侧额定电压等于发电机的额定电压即机

25、的额定电压即105105U UN N；1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级Power System Analysis Power System Analysis 变压器的电压等级变压器的电压等级n降压变压器（降压变压器（110/38.5，220/38.5）u一次侧（高压侧）接线路末端，相当于一次侧（高压侧）接线路末端，相当于用电设备，一次侧额定电压等于用电设备用电设备，一次侧额定电压等于用电设备的额定电压；的额定电压；l二次侧（低压侧）向负荷供电，相当于发电机，二次侧（低压侧）向负荷供电，相当于发电机，应比线路的额定电压高应比线路的额定电压高5%5%，加上变

26、压器内耗，加上变压器内耗5%5%，所以二次侧额定电压等于用电设备的额定电压所以二次侧额定电压等于用电设备的额定电压110%110%。1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级Power System Analysis Power System Analysis 不同电压等级的适用范围低于低于110kV的，电压等级应差的，电压等级应差3倍，倍，110kV以上的，电压等级应差以上的，电压等级应差2倍左右倍左右500500，330330，220220用于大电力系统的主干线用于大电力系统的主干线110110用于中小系统的主干线和大系统的二次网络用于中小系统的主干线和大系统

27、的二次网络35kV35kV用于大城市，大工业企业的内部网络用于大城市，大工业企业的内部网络10kV10kV最常用的配电网络最常用的配电网络1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级Power System Analysis Power System Analysis 电力系统的中性点：星形连接的变压器或电力系统的中性点：星形连接的变压器或发电机的中性点。发电机的中性点。 中性点的运行方式主要分为中性点的运行方式主要分为接地接地和和不接地不接地两种。两种。 如何确定如何确定电力系统中性点接地方式电力系统中性点接地方式 ？应从应从供电可靠性、内过电压、对通信线路供电可

28、靠性、内过电压、对通信线路的干扰、继电保护的干扰、继电保护以及以及确保人身安全确保人身安全诸方诸方面综合考虑。面综合考虑。三、电力三、电力系统中性点的运行方式系统中性点的运行方式 1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级Power System Analysis Power System Analysis 1 1、中性点中性点直接接地直接接地负负荷荷A AB BC Ck k(1)(1)I Ik k(1)(1)I Ik k(1)(1) 特点特点： 供电可靠性供电可靠性不如不如电力系统中性点不接电力系统中性点不接地和经消弧线圈接地方式。故障时：地和经消弧线圈接地方式

29、。故障时：如发生接地故障，则构成短路回路，如发生接地故障，则构成短路回路，接地相电流很大；接地相电流很大；为为提高供电可靠性，在线路上广泛安提高供电可靠性，在线路上广泛安装三相或单相自动重合闸装置。装三相或单相自动重合闸装置。对地电压对地电压相电压相电压，电气设备的绝缘电气设备的绝缘水平只需按电力网的水平只需按电力网的相电压相电压考虑，可考虑，可以降低工程造价。以降低工程造价。我国我国380/220380/220V V系统中一般都采用中性系统中一般都采用中性点直接接地方式，主要是从人身安全点直接接地方式，主要是从人身安全考虑问题。考虑问题。适用范围适用范围：我国我国110110kVkV以上的中

30、性点接地，以上的中性点接地，60kV60kV以下的中性点不接地以下的中性点不接地。380/220V380/220V系统一般也进行接地。系统一般也进行接地。1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级Power System Analysis Power System Analysis 2 2、中性点中性点不接地的电力系统不接地的电力系统负负荷荷A AB BC CG GI IAGAGa. a. 电路图电路图0 0U UA AU UB BU UC CI IBGBGI ICGCGI IAGAGb. b. 矢量图矢量图正常运行时正常运行时U UAGAGU UBGBGU UC

31、GCG0 0I IAGAGI IBGBGI ICGCG0 0结论结论： 三相电压对称，三相导线对地电容电三相电压对称，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为零，这说明没有电容电流经过大地流动。动。适用范围适用范围60kV60kV以下的电力系统以下的电力系统N N1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级Power System Analysis Power System Analysis 单相金属性接地故障时单相金属性接地故障时( (A A相相) )CAAGCACGBAAGBABG

32、AGUUUUUUUUU0IAGI ICACAI IBGBGI ICBCBI ICGCGI ICCCCIPE负负荷荷A AB BC CN NG G中性点不接地系统单相接中性点不接地系统单相接地故障的地故障的结论结论1 1 ： 故障相对地电压故障相对地电压降为零降为零；非故障相对地电压非故障相对地电压升高为升高为线电压线电压，且相位相差，且相位相差60600 0。因此，线路及各种电气设因此，线路及各种电气设备的绝缘要按线电压设计，备的绝缘要按线电压设计，绝缘投资所占比重加大，绝缘投资所占比重加大，显而易见，电压等级越高显而易见，电压等级越高绝缘投资越大。绝缘投资越大。 三相之间的线电压仍然对三相之

33、间的线电压仍然对称，用户的三相用电设备称，用户的三相用电设备仍能照常仍能照常运行运行。1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级Power System Analysis Power System Analysis 接地故障电容电流接地故障电容电流I IPEPE的计算的计算0AGIBABGBGUCjjCUI1CABGCGUCjjCUI1IAGICAIBGICBICGICCIPE负负荷荷ABC0CGBGAGPEIIII1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级Power System Analysis Power System Anal

34、ysis ANANCNANBNCABACGBGPEUCjUUUUCjUUCjIII3)()()(ANAGAGAGUCjUCjjCUI1而正常运行时，A相对地电容电流为可以看出，A相对地电流绝对值变为了原来对地电容电流值的3倍。1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级Power System Analysis Power System Analysis 中性点不接地系统单相接地故障的中性点不接地系统单相接地故障的结论结论2 2 ： 接地电流在接地电流在故障处故障处可能产生可能产生稳定稳定的或的或间歇性间歇性的的电弧电弧。如果接地电流如果接地电流大于大于3030A

35、A时，将形成时，将形成稳定电弧稳定电弧，成为，成为持续性电弧接地，这将烧毁电气设备和可能引起多相持续性电弧接地，这将烧毁电气设备和可能引起多相相间短路。相间短路。如果接地如果接地电流电流大于大于5 5A10AA10A，而而小于小于3030A A，则有可能则有可能形成形成间歇性电弧间歇性电弧；间歇性电弧容易引起弧光接地过电；间歇性电弧容易引起弧光接地过电压，将危害整个电网的绝缘安全。压，将危害整个电网的绝缘安全。如果接地电流在如果接地电流在5 5A A以下以下，当电流经过零值时，电弧，当电流经过零值时，电弧就会自然熄灭。就会自然熄灭。1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式

36、和电压等级Power System Analysis Power System Analysis 负负荷荷A AB BC CC CC CC CI IL LI IC CI ICCCCI ICBCBI ICACAI ICCCCI ICBCBI ICACAI IPEPEL LN NG G通过选择L，可以完全消除IPE1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级为消除中性点不接地系统的接地电流3 3、中性点经消弧线圈接地的电力系统、中性点经消弧线圈接地的电力系统 消弧线圈？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安装在变压器或发电机中性点与大地之间

37、的具有气隙铁芯的电抗器。抗器。单相单相( (C C相相) )金属性接地故障金属性接地故障CNPEUCjI3CNNGLUjLLjUI1Power System Analysis Power System Analysis 消弧线圈的作用消弧线圈的作用 当发生单相接地故障时，当发生单相接地故障时，接地接地故障相故障相与与消弧线圈消弧线圈构构成了另一个成了另一个回路回路，接地故，接地故障相接地电流中增加了一障相接地电流中增加了一个电流个电流，它和装设消弧线，它和装设消弧线圈前圈前的电流的电流的方向刚好相的方向刚好相反，相互补偿，反，相互补偿，减少了减少了接接地故障点的地故障点的故障电流故障电流，使，使电弧易于自行熄灭，从而电弧易于自行熄灭，从而避免了由此引起的各种危避免了由此引起的各种危害，提高了供电可靠性。害，提高了供电可靠性。1.3 1.3 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级负负荷荷A AB BC CC CC CC CI IL LI IC CI ICCCCI ICBCBI ICACAI ICCCCI ICBCBI ICACAI IPEPEL LN NG