第二章 电力系统基本知识

第二章电力系统基本知识高压进网电工培训2023/1/141

第一节电力系统概述

由发电、输电、配电和用电组成的整体称为电力系统。电力系统中的输电、配电三个部分称为电力网。

电力网是将各电压等级的输电线路和各种类型的变电所连接而成的网络。输电网是以高压甚至超高压电压将发电厂、变电所或变电所之间连接起来的输电网络，所以又称为电力网中的主网架。交流高压输电网指220KV电网交流特高压输电网指1000以上电压电网高压直流输电指电网特高压直流输电指电网

直接将电能送到用户的网络称为配电网。配电网又分高压配电网、中压配电网、低压配电网。2023/1/142高压配电网指110kV及以上的电压。中压配电网指35kV、10kV、6kV、3kV电压。低压配电网指220V、380V电压。20KV中压配电优点1、提高中压配电系统的容量当20KV取代10KV中压配电电压，原来线路导线路径不变，升压后的配电容量可以提升一倍2、降低线路的电压损失在负荷不变的情况下，20KV的电压损失只有10KV的25%；在符合升高一倍时，电压损失只有10KV的50%3、增大了中亚配电网的供电半径当10KV升到20KV，在一定的情况下，供电半径可增加１倍4、降低线损在负荷不变的情况下，配电系统电压等级由10KV升至20KV，功率损耗降低至原来的25%，即降低了75%

图1-1电力系统示意图2023/1/144各种类型发电厂火力发电厂65.4%水利发电厂23%核能发电厂1.5%风力发电厂7%太阳能发电厂2.3%地热发电厂潮汐能发电厂2023/1/145}0.4%一、大型电力系统优点

.大型电力系统主要在技术经济上具有下列优点：

1.提高供电可靠性

2.减少系统的备用容量

3.降低系统的高峰负荷

4.提高了供电质量

5.便于利用大型动力资源特别是大型的水力资源。2023/1/146

二、电力生产特点1.电力生产特点（1）同时性电能的生产、输送、分配以及转换为其他形态能量的过程，是同时进行的。电能不能大量储存。（2）集中性电力生产是高度集中的、统一的。（3）适用性电能使用最方便，适用性最广泛。（4）先行性。电力行业和交通运输行业都是先行工业。2023/1/147一、电力负荷组成

1.用电负荷用电负荷是用户在某一时刻对电力系统所需求的功率。

2.线路损失负荷电能从发电厂到用户的输电过程中发生功率和能量的损失所对应的功率。

3.供电负荷是指用电负荷加上同一时刻的线路损失负荷，是发电厂对外供电时所承担的全部负荷，称为供电负荷。第二节电力负荷单位：（kW）、容量（kVA）或电流（A）2023/1/148二、按时间不同负荷分类一)、按负荷发生时间不同，可分为以下几类：

（1）高峰负荷高峰负荷是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。高峰负荷又分为日高峰负荷和晚高峰负荷。（2）低谷负荷低谷负荷是指电网中或某用户在一天24h内，发生的用电量最少时的负荷。（3）平均负荷指电网中或某用户在某一段确定的时间阶段内平均小时用电量。2023/1/149负荷曲线负荷曲线反映负荷随时间变化规律的曲线。曲线包含面积代表这一段时间内的用电量。“削峰填谷”，降低峰谷差，合理用电。2023/1/1410

二)、按负荷的重要性可分为一类负荷、二类负荷、三类负荷三类。（1）一类负荷也称一级负荷，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，造成巨大经济损失，重大政治影响。(兵工厂、大型钢厂、火箭发射基地、医院等)（2）二类负荷也称二级负荷，指突然中断供电将会造成较大经济损失，重要用电单位。(企业工厂、大城镇、农村等）（3）三类负荷也称三级负荷，指不属于上述一类和二类负荷的其他负荷。对一级负荷的用电设备，应按有两个以上的独立电源供电，并辅之以其他必要的非电力电源的保安措施。2023/1/1411

第三节变电所一、变电所的作用及分类

作用：升降电压分配电力

分类：根据其在系统中的位置、性质、作用及控制方式等，可分为升压变电所、降压变电所、枢纽变电所、地区变电所、终端变电所，有人值班变电所和无人值班变电所。2023/1/1412二、变电所的主要电气设备

可分为一次设备和二次设备。

1.一次设备一次设备直接与电力线路相连接。主要有：

1）主变压器用于升降电压。

2）高压断路器是变压器和高压线路的开关电器，具有断合正常符合电流和切断短路电流的功能，具有完善的灭弧装置。

3）隔离开关用于隔离电源，没有灭弧装置

4）电压互感器将系统的高电压转变为低电压，供保护和计量用。

5）电流互感器将高、低压系统的大电流按一定的比例转换为标的小电流。

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路，从而使电气设备的到保护。

7)负荷开关用来不频繁地接通和分断小容量的配电线路和负荷，起到隔离电源的作用，只有简单的灭弧装置。

2.二次设备

二次设备用于控制、保护一次设备，以及对一次电量参数进行测量的设备。2023/1/14132023/1/1414主变压器2023/1/1415高压断路器2023/1/1416隔离开关2023/1/1417

熔断器2023/1/1418负荷开关电气主接线图的基本元素2023/1/1419电气主接线图的基本元素2023/1/1420电气主接线图的基本元素2023/1/1421三、变、配电所常用的电气主接线对主接线的基本要求：满足用电要求；接线简单；运行经济、可靠；操作方便、运行灵活；设备选择合理；便于维护检修；故障处理能保证安全；2023/1/1422（一）高压配电所常用的电气主接线⑴单电源、单母线接线：特点：接线简单；操作方便；投资节省。2023/1/1423（2）双电源、单母线接线：特点：一路电源工作，一路备用；也可以两路电源同时工作；“先合后断”原则：接通电路时先合隔离开关后合断路器，断开电路时先断开断路器后断隔离开关。2023/1/1424供电容量大；用于供电回路多的站；供电可靠性高；运行灵活性大；投资高；操作步骤复杂；占地面积大适用于：110KV以上的变电站（3）单电源、双母线接线：2023/1/1425双母线接线：解决了母线检修问题（4）双电源、双母线接线：2023/1/1426（二）总降压变电所电气主接线电源进线35KV及以上用户，往往需要两级降压，先经总降压变电所将电压降低到10KV的高压配电电压，然后再用电区变电所再降压到380/220V低压。1.单台变压器35KV电源进线结构简单，可靠性差2023/1/1427桥式接线形式内桥式接线外桥式接线桥跨条2.双电源两台变压器外桥式：变压器故障或检修不影响线路运行，而线路影响变压器内桥式：线路不影响变压器，变压器故障或检修影响线路2023/1/1428（三）用电区（小型用户）变电所的电气主接线1.有用户总降压变电所2023/1/1429（三）用电区（小型用户）变电所的电气主接线2.无用户总降压变电所变压器高压侧必须配置足够的高压开关设备对变压器进行保护和控制（1）高压侧隔离开关+熔断器（跌落式熔断器）；低压侧低压断路器（自动空气开关）（2）高压侧负荷开关+熔断器（3）高压侧隔离开关+断路器

投资高，但可靠性高（4）双台变压器，高低压均有断路器2023/1/14302023/1/1431第四节供电质量

供电质量指电能质量与供电可靠性。电能质量包括电压、频率和波形的质量。供电可靠性是以供电企业对用户停电的时间次数来衡量的。2023/1/1432电能质量

电能质量是指供给用电单位受电端电能的优劣程度。电能质量主要包括电压、频率和波形质量三部分。电压质量又分为电压允许偏差、电压允许波动与闪变、公用电网谐波、三相电压允许不平衡度。2023/1/14331.供电电压允许偏差

在某一时段内，电压幅值缓慢变化而偏离额定值的程度，以电压实际值和电压额定值之差ΔU与电压额定值UN之比的百分比ΔU%来表示，即

（1-1）式中：U--------检测点上电压实际值(V);

UN-------检测点电网电压的额定值（V）。我国国家标准规定电压偏差的允许值为：

1）35kV及以上供电电压正负偏差之绝对值和不超过额定电压的10%；

2）10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%；

3）220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%、-10%。一、电压2023/1/14342023/1/1435电压质量对各类电气设备（包括用电设备）的安全、经济运行有直接的影响照明设备当电压降低时，白炽灯的发光率和光通量都急剧下降；当电压上升时，白炽灯的寿命将大为缩短；电压比额定值降低10%，则通光量减少30%；电压额定值高10%，则寿命缩减一半（50%）电动机影响电压过低，停转或不能启动；定子、转子电流增大，温度上升，烧毁电机。电压过高，绝缘老化，缩短寿命发热装置影响电压过低，达不到温度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，称为电压波动。电压变化的速率大于1%的，即为电压急剧变化。

电压最大值和最小值之差与额定电压之比的百分数ΔU%来表示，即：

（1-2）

式中：UN-------额定电压（V）；

Umax

、Umin-------某一时段内电压波动的最大值与最小值（V）。电压波动是由于负荷急剧变化的冲击性负荷说引起的。

我国国家标准对电压波动允许值规定为:1）220kV及以上电压波动允许值为1.6%；

2）35～110kV电压波动允许值为2%；

3）10kV及以下电压波动允许值为2.5%。（2）电压闪变周期电压急剧波动一起灯光闪烁，光通量急剧波动，而造成人视觉不舒适的现象，称为闪变。2023/1/14363.调压措施正确选择变压器的变比和电压分接头降低系统阻抗

原因：电压损耗与各元件阻抗成正比

方法：减少变压级数，增加线路导线截面3.使三相负荷平衡4.采取无功功率补偿措施

原因分析：功率因数低，过多的无功功率传输导致无功损耗大，电压损耗大

提高功率因数：并联电容器5.合理改变供电系统运行方式2023/1/1437

二

频率

电网中发电机发出的正弦交流电每秒钟交变的次数，成为频率（我国规定为50Hz)

△f=f测量-50GB：对于3000MW以上的电网，△f<士0.2HZ49.8-----50.2HZ对于3000MW以下的电网，△f<士0.5HZ对于非正常状态，△f<士1HZ起因：系统有功不足，频率降低方法：增加发电机输出有功，拉路限电，维持整个电力系统有功平衡频率偏差：变化着的频率偏离额定值的程度2023/1/1438交流电波形是严格的正弦波，电网谐波的产生，主要在于电力系统中存在各种非线性元件。(荧光灯、高压泵灯、等气体放电灯、异步电动机、电焊机、变压器感应电炉、大型晶闸管变流设备和大型电弧炉等都产生谐波电流或电压。）起因：电网中有非线性的负荷，如整流型、电弧型、磁滞型等措施：用大容量电网供电；

对大功率静止整流设备：多重整流、滤波器；装静止无功补偿器

二波形谐波畸变率：反映电力谐波的一个量Un-----------第n次谐波电压有效值V；U1------------基波电压有效值V。2023/1/1439第五节电力系统短路一、短路的原因、类型与后果（1）短路：一切不正常的相与相之间或相与地之间发生通路的情况。（2）短路的原因：①元件损坏；②气象条件恶化；③违规操作；④其他。（3）短路类型：三相短路：对称短路，危害最严重的短路。5%两相短路:10%两相接地:20%不对称短路单相接地：发生概率最多的。65%2023/1/14402023/1/1441二、短路的危害

1）电动力：短路点附近出现大电流，导体间产生很大的机械应力，破坏导体和支架。

2）发热：短路后的大电流时设备发热严重，设备可能过热以致损坏甚至引起电气火灾。

3）电压下降：短路点附近电压大幅度下降，影响用户用电，特别对异步电动机（电磁转矩同端电压平方成正比）影响严重。

4）影响电力系统稳定：造成失步，引起大面积停电。

5）不对称短路，危害通信：不平衡电流产生的磁通影响附近的通讯线路。2023/1/1442短路计算的目的1）便于选择电气设备时进行动稳定、热稳定校验，和断路器的断流能力校验；2）便于继电保护和自动装置的整定计算；3）确定限流措施；4）对稳定性研究提供依据。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（主要用于发电厂向电缆电网供电的6~10kV配电网）

（4）采用微机保护及综合自动化装置2023/1/1443第六节电力系统接地电力系统接地分为两类：工作接地和保护接地

工作接地：为了保证电气设备在系统正常运行能正常工作而进行的接地

保护接地：为了保证人身安全和设备安全，将电气设备在正常工作运行中不带电的金属部分可靠接地接地配电变压器或低压发电机中性点通过接地装置与大地相连，称为工作接地。工作接地分为直接接地与非直接接地（包括不接地或经消弧线圈、电阻接地）两类。

工作接地的接地电阻一般不超过4Ω。2023/1/14442.电力系统中性线接地

（1）中性点直接接地指电力系统中至少有一个中性点直接或经小阻抗与接地装置相连接。这种接地方式是通过系统中全部或部分变压器中性点直接接地来实现的。（2）中性点非直接接地（不直接接地或经消弧线圈接地）指电力系统中性点不接地或经消弧线圈、电压互感器、高压互感器、高电阻与接地装置相接。随着城市配电网中电缆线路的发展，在城市中配电网的接地方式应用情况为：

500kv、330kv、220kV、110kV--------直接接地方式；

35kV-------经消弧线圈接地；

10kV-------经消弧线圈接地方式或经小电阻接地方式（以电缆线路为主的配电网）；

220V/380V------直接接地方式。2023/1/1445

单相接地故障时的中性点直接接地的电力系统1、电压情况（C相）接地相电压降低→为0非接地相电压不变→为相电压中性点对地电压不变→为02、电流情况形成短路→危害大→装设继电保护→跳闸切除故障（供电可靠性降低），避免接地点的电弧持续。

优点：

1、不外加设备即可消弧

2、降低电网对地绝缘，节省造价缺点：

1、供电可靠性降低

2、电流很大且单相磁场对弱电干扰3、不产生过电压，设备绝缘水平低20％，造价低。

220kV、110kV--------直接接地方式中性点直接接地2023/1/1446

单相接地故障时的中性点不接地的电力系统接地故障相对地电压降低为零；非接地故障相电压升高为线电压（倍）且相位改变相对中性点电压和线电压仍不变→三相系统仍然对称，可以继续运行2h（供电可靠性提高）接地点流过的电容电流是正常每相对地电容电流的３倍，即Ｉc＝３Ｉco→故在接地点有电弧10kV,6kV一般采用，为提高可靠性中性点不接地2023/1/1447中性点经消弧线圈接地为什么要采用中性点经消弧线圈接地系统？中性点不接地电力网发生接地时，仍可继续运行2h，但若接地电流值过大，会产生持续性电弧，危胁设备，甚至产生三相或二相短路。2023/1/144849消弧线圈的工作原理1、正常运行时：中性点对地电位为零：UN=0消弧线圈中无电流：IL=0流过地中的电容电流为零：IC=02、单相接地时：中性点电位升高为相电压：消弧线圈中出现感性电流：与相差1800流过接地点电流：+（相互抵消）消弧线圈不起作用→实现补偿2023/1/1450补偿方式及选用1、全补偿:ＩL＝ＩC

即１／ωＬ＝３ωＣ接地点电流为零缺点：XL=Xc，网络容易因不对称形成串联谐振过电压危及绝缘2、欠补偿:ＩL＜ＩC

即１／ωＬ＜３ωＣ接地点为容性电流缺点：易发展成为全补偿方式,切除线路或频率下降可能谐振。3、过补偿:ＩL＞ＩC

即１／ωＬ＞３ωＣ接地点为为感性电流注意：电感电流数值不能过大≯10A可避免谐振过电压的产生不采用少采用采用2023/1/1451中性点经消弧线圈接地系统

电压变化特点:故障相对地电压变为零非故障相对地电压升高倍系统各相对地的绝缘水平也按线电压考虑

适用范围：广泛应用在不适合采用中性点不接地的以架空线路为主体的3-60kV系统；个别雷害严重的地区110kV系统不得已采用。2023/1/1452中性点经小电阻/大电阻接地

小电阻接地：发生单相短路时，获得较大阻性电流，直接跳开开关，切除故障。大电阻接地：发生单相短路时，限制故障电流，抑制弧光接地和谐振过电压。2023/1/14531、供电可靠性经消弧线圈接地>不接地>直接接地2、过电压与绝缘水平大接地→相电压小接地→线电压3、继电保护

大接地→灵敏、可靠小接地→不灵敏4、对通信的干扰

大接地→电流大、干扰大小接地→电流小，干扰小5、系统稳定性中性点不同接地方式的比较小接地系统优先小接地系统优先小接地系统优先大接地系统优先大接地系统优先2023/1/1454110kv及以上——直接接地20~60kvI<10A——中性点不接地

I>10A——中性点经消弧线圈接地10kvI<20A—