东南大学电能系统全

电能系统基础

东南大学电气工程学院

1.2电能系统负荷与负荷曲线1.2.1电能系统的负荷与分类1.

电能系统的负荷:电能系统的负荷指各种用电设备从电力系统中取用的功率或电能。2.负荷分类:(1)

一级负荷:指供电突然中断将造成人伤亡，或政治上造成极坏影响，经济上造成重大损失或引起社会混乱的负荷。

1.2.1电能系统的负荷与分类(2)

二级负荷:指供电突然中断将造成政治上不好影响，经济上较大损失或社会生活的正常规律被打乱的负荷。(3)

三级负荷:指有计划停电时不会造成较大影响的负荷。

1.2.2电力负荷曲线及其特性系数（１）负荷曲线：电力负荷随时间变化的图形。1.负荷曲线的用途:(1)根据预测负荷曲线，计划和分配各发电厂的发电任务。为提高经济效益，各发电厂负荷分配见下图。(2)按年最大负荷曲线确定系统装机容量，安排主要设备检修计划。

图1-8电力系统日负荷曲线的分配

1.2.2电力负荷曲线及其特性系数（２）2.负荷曲线的绘制及其特性系数1)运行日负荷曲线:指以横轴代表时间延续，以纵轴代表实测的功率变化，逐点描绘而成的曲线。该曲线下包围的面积表示一天24小时内的电能消耗。

图1-10日有功负荷曲线梯形图

1.2.2电力负荷曲线及其特性系数（３）曲线中平均功率:

负荷系数：

1.2.2电力负荷曲线及其特性系数（４）２）年负荷曲线:

运行年负荷曲线：其绘制与运行日负荷曲线相似。年最大负荷曲线：1年内逐日或逐月系统最大负荷的变化曲线。电力负荷全年持续曲线：电力系统全年负荷按其大小及其持续运行时间（小时数）的顺序排列而成。曲线中的一点反映了在一年内负荷负荷超过P1的积累持续时间

1.2.2电力负荷曲线及其特性系数（5）电力负荷全年持续曲线的绘制:

选择典型夏季日负荷曲线和典型冬季日负荷曲线，冬季取213天，夏天取152天，以全年8760h为横轴，从最大功率开始，依功率递减顺序依次绘制出功率及其该功率在全年持续的时间。

图1-11全年时间负荷曲线

1.2.2电力负荷曲线及其特性系数（6）负荷全年持续曲线下的面积代表一年消耗的电能最大负荷利用小时：年平均负荷功率：

各类用户的年最大负荷利用小时数负荷类型（h）户内照明及生活用电一班制企业用电二班制企业用电三班制企业用电农灌用电2000～30001500～22003000～45006000～70001000～1500

1.2.3

电能负荷的计算（１）计算负荷：持续半小时及以上的最大负荷，用、、表示，是按发热条件选择电气设备的等效负荷，是选择电器设备和导线的基本依据。

1.2.3

电能负荷的计算（２）1.单台用电设备的计算负荷负荷点1的单台设备计算负荷：2.用电设备组的计算负荷负荷点2处的用电设备组的计算负荷:

称为该设备组的需要系数。

1.2.3

电能负荷的计算（３）

-----用电设备组各工作设备的同时系数。-----用电设备组各工作设备的负荷系数。-----用电设备组各工作设备的平均效率。-----供电线路的效率。

1.2.3

电能负荷的计算（４）3.变压器低压母线侧的计算负荷:负荷点3处的计算负荷：

式中、为有功和无功同时系数。

1.3电能系统的电压等级:为使电力工业和电工制造业的生产标准化、系列化和统一化，世界各国都制定有关于额定电压等级的标准。我国电力系统的电压等级

西北系统：330/110/35/10KV

东北地区：

500/220/63/10KV

其它地区：500/220/110/35/10KV

低压：0.38/0.22KV

IEC对电网及设备电压的选择原则可以归纳为以下三点:1)对50Hz的标准电压，在3.3、6.6、11、22、33kV中建议采用一个。其中3.3、6.6kV不应用于配电系统。2)任一国家内，相邻两级电压之比，不应小于2倍。3)对任一地理区域内，对下列三组电压等级中只能选用每组中的一个:(245～330～363kV)，(363～420kV)，(420～525kV)。

国际大电网会议(CIGRE)与国际供电会议(CIRED)的联合工作组对电压的选择也提出了建议。认为超高压(220～500)kV以下的电压，其相邻两级电压之比应大于3倍。高压(50～150)kV以下的电压，其相邻两级电压之比应大于5倍，并建议：1)已采用220kV或275kV为主的国家，最好选用500、230kV电压系列。2)已采用330kV或345kV为主的国家，最好选用750、330、110kV电压系列。3)在一个国家内，以选用一种电压系列为宜，以免额定电压不同的电力系统互联时，需要专用的互联变压器。

各级电压送电线路的输送能力额定电压/kV送电容量/MW送电距离/km100.2~2.010~20201.0~5.015~30352.0~1520~50603.5~3030~10011010~5050~150220100~500100~300330200~800200~6005001000~1500150~8507502000~2500500以上

三相交流电网和电力设备的额定电压

三相交流电网和电力设备的额定电压额定电压是用来代表电网或电气设备运行电压特性的数值。对于1000V以下的电压等级，供电设备比受电设备额定电压高5％。1000V以上的电压等级，发电机额定电压比同等电压级的电网电压高5％。直接与发电机组相连的变压器一次绕组的额定电压与发电机相同。

三相交流电网和电力设备的额定电压变压器一次绕组与线路或母线相连时，其额定电压与相连的线路或母线电压相同。对于变压器的二次绕组，因变压器在满载时其本身内部压降约占5％，所以在计级较长的线路压降时，变压器二次侧额定电压应比线路额定电压或用电设备额定电压高10％，当线路不长时，变压器二次侧电压则只高5％。对于1000V以下的电压等级，供电(电源)与受电设备的额定电压则取得相等。

1.4输电线路电力线路按结构通常可分为架空和电缆线路。1.4.1架空线路:架空线路由导线、避雷线(架空地线)、绝缘子、金具和杆塔等主要部件组成。

1.4.1架空线路（１）１.导线和避雷线:导线可分为裸线和绝缘导线两大类。高压输电线常采用裸导线，低压线路常采用绝缘导线。导线材料主要有铝、铜、钢等。导线按结构形式不同分为单股、多股绞线和钢芯铝绞线三种。其中，钢芯铝绞线机械强度较高，较为常用。其型号有LGJQLGJ和LGJJ型。220KV以上输电线路为减小电晕损耗，常采用分裂导线。

1.4.1架空线路（２）2.杆塔：

杆塔按材料不同可分为木杆、铁塔和钢筋混凝土杆三种。杆塔通常分为直线杆、转角杆、耐张杆、终端杆、换位杆和跨越杆。3.绝缘子和金具1）绝缘子：其作用为支撑和悬挂导线，并使导线与杆塔绝缘。2）金具：连接导线和绝缘子所使用的金属部件总称为金具。

1.4.2电缆线路1.电力电缆结构：电力电缆主要由三部分组成：导线、绝缘层和保护层。2.电力电缆的敷设：

电力电缆的敷设有以下几种：直接埋入土中、电缆沟敷设及穿管敷设。

1.5发电厂变电所的主要电电器设备发电厂变电所的主要电气设备有：高压开关电器、高压保护电器、高压测量电器等。1.5.1开关电器开断电路时的电弧1.电弧的危害：１）延长电路开断的时间；２）破坏开关触头、引起电器烧毁；３）形成相间短路；

1.5.1开关电器开断电路时的电弧（１）2.电弧中的游离和去游离方式：

１）游离方式：电弧中的游离方式有：强电场发射、热电发射、碰撞游离、热游离。２）去游离方式：电弧中的去游离方式有：复合、扩散。

1.5.1开关电器开断电路时的电弧（２）3.交流电弧的灭弧条件和方法：１）灭弧条件：交流电弧自然过零后，弧隙介质强度始终大于加在触头两端的恢复电压。

1.5.1开关电器开断电路时的电弧（３）２）开关电器中常用的灭弧方法：提高触头的分离速度；利于高速气体或油吹灭电弧；采用多断口将长电弧分成多段短电弧；利用磁吹线圈使电弧不断移动与拉长来灭弧；采用介质强度高的物质作灭弧介质，如SF６、真空、压缩空气、油等。

1.5.1开关电器开断电路时的电弧（４）4.直流电弧的灭弧方法：１）在直流电流上叠加一振动电流，使弧电流过零，用交流电弧相似的方法熄灭直流电弧。２）电阻耗散能量限流法：在开断电路的过程中，逐级串入电阻，使直流弧电流不断减小直至熄灭，并保证基本不产生过电压。

1.5.2高压断路器与重合闸（１）１.高压断路器的功能正常工作时开断与闭合电路配合继电保护装置，自动开断电网中的短路故障。配合自动重合闸装置，在跳闸后能够自动重合闸。

1.5.2高压断路器与重合闸（２）２.高压断路器种类：油断路器压缩空气断路器SF６断路器真空断路器

1.5.2高压断路器与重合闸（３）3.

重合器重合器主要用在35kV及以下中压电网。重合器的功能:自动检测故障电流；在给定时间内开断故障电流；按给定次数重合电路。

1.5.3隔离开关1.主要功能：

检修时用于可靠的隔离电源。2.结构特点：

无灭弧装置；触头暴露在空气中；有明显、清晰可见的断开点。隔离开关不能拉合负荷电流和短路电流，必须与断路器配合使用，按重合闸操作规则进行操作。

1.5.4负荷开关与分断器1.负荷开关：

用于开合负载电流及过载电流的开关电器，具有一定的灭弧能力，常与熔断器配合使用。

2.分断器：

配电系统中用来隔离线路区段的自动装置。可用来开断负载电流，通常与重合器或断路器配合使用。

1.5.5熔断器1.功能：

在短路、过载或过电压时切断电路。2.结构：

熔断器由金属熔件，触头装置及外壳构成。3.灭弧方法：

纵向吹弧灭弧、利用石英砂填料冷却灭弧。4.分类：

限流式熔断器与非限流式熔断器。

1.5.6仪用互感器仪用互感器的作用：将一次侧的高电压大电流变换成二次侧的标准的低电压、小电流，使二次侧装置标准化、系列化。将二次侧与高电压隔离，保证设备和人身安全。使二次侧可以使用低压小截面控制电缆传送电压、电流信号。

电压互感器与电流互感器的连接示意图

1.5.6仪用互感器—电压互感器（１）1.电压互感器电磁式电压互感器工作原理与电力变压器相同。

电压互感器的主要特点是容量很小．最大不过数百伏安；它的另一特点是二次侧所接的测量仪表和继电器的电压线圈阻抗很大，接近于空载状态下运行。

1.5.6仪用互感器—电压互感器（2）

１）测量误差：

电压误差角误差：为与之间的夹角。

电压互感器等效电路图

电压互感器相量图

1.5.6仪用互感器—电压互感器（3）电压互感器测量误差与空载电流、二次负载等因素有关。空载误差主要决定于激磁电流的大小．采用高磁导率铁芯、缩短磁路长度、适当加大铁芯截面、减小空气隙等均可使空载误差明显降低。负载误差则主要决定于二次负载值及其功率因数，还与一次、二次绕组阻抗有关。随着二次负载的加大，电压互感器的电压误差和角误差呈直线增加，所以二次负载不应超过额定值，否则误差将超过其限值。

1.5.6仪用互感器—电压互感器（4）２）准确度级：电压互感器的准确度级用最大允许误差表示。有０.１、０.２、０.５、１、3、３P、6P等准确度级，分别用在不同的测量与保护场合。３）结构类型：电磁式（包括普通的电磁式电压互感器，及串级式电压互感器）；电容分压式；

1.5.6仪用互感器—电压互感器（5）４）运行注意事项：电压互感器工作时，二次侧有一端必须可靠接地，运行中二次侧不允许短路。电压互感器的一次侧和二次侧均应装设熔断器，用于过负载及短路保护。

1.5.6仪用互感器—电流互感器（１）２．电流互感器电磁式电流互感器工作原理与变压器相同

1.5.6仪用互感器—电流互感器（2）1）电流互感器结构特点：一次侧匝数很数少，二次侧匝数多。正常工作时，二次侧负荷阻抗很小，接近短路状态。

图1-34电流互感器原理接线图

电流互感器等效电路图

电流互感器相量图

1.5.6仪用互感器—电流互感器（２）2）电流互感器的误差：

电流误差：角误差：为与－之间的夹角。电流互感器的误差与激磁磁势（互感器铁心材料、结构）、一次侧电流、二次侧负载等因素有关。

1.5.6仪用互感器—电流互感器（３）3）确度级：电流互感器有0.2、0.5、1、3、5、D、B、P等准确度级，可供不同的测量和保护场合使用。不同准确度级的电流互感器有不同的额定二次负荷。４）运行注意事项：电流互感器运行二次侧不允许断开。否则二次侧会感应出高电压，危及人身和设备安全。电流互感器二次侧有一端应可靠接地。

1.5.7避雷器

（１）1.功能：用来限制过电压的一种主要保护电器，是发电厂变电所防雷保护的基本保护措施之一。2.工作原理：

避雷器与被保护设备并联，当线路上有雷电侵入时，首先击穿避雷器对地放电，从而保护设备绝缘。3.结构类型：放电间隙；阀形避雷器；管形避雷器；压敏避雷器；

1.6电能系统的电气连接方式

（１）1.电能系统的接线图

电气接线图（如图１－１）电气结线图反映电力系统各元件之间的电气联系。为简明起见，电力系统的电气结线图多画成单线形式，称为单线图。地理接线图（如下图）电力系统的地理结线图反映各发电厂、变电所的相对地理位置以及电力线路的路径。地理结线图不反映各元件之间的电气联系，因此，两类结线图常常配合使用，互为补充。

图1-38电力系统的地理接线图

1.6电能系统的电气连接方式

（２）２.电能系统的接线方式1）无备用电源接线无备用接线包括：单回放射式、树干式、链式网络。优点：线路结构简单、经济和运行方便。缺点：供电可靠性差。

1.6电能系统的电气连接方式（３）2）有备用电源接线有备用接线方式包括：双回放射式、干线式、链式、环式及两端供电网络。

1.6电能系统的电气连接方式（4）双回放射式、干线式、链式网络优点：供电可靠、电压质量比较高缺点：设备投资成倍增加环式网络优点：供电经济、可靠缺点：运行调度复杂，线路发生故障切除后，由于功率重新分配，可能导致线路过载或电压质量降低。

1.6电能系统的电气连接方式（5）开式网络：每个负荷只能从一个方向取得电能的电气接线方式，如放射式、干线式和链式网络。闭式网络：每一个负荷可以从两个方向取得电能的电气接线方式，如环形和两端供电网络。

1.7三相电能系统中性点运行方式（1）电力系统的中性点指发电机和星形联结变压器的中性点。三相电力系统的中性点运行方式的影响：对地绝缘内部过电压继电保护发电机并列运行的稳定性对线路附近通信线路的干扰电压等级、系统结线等

1.7三相电能系统中性点运行方式（2）发电机中性点运行方式：不接地经避雷器接地变压器中性点运行方式有：中性点不接地（10～35kV系统）中性点经消弧线圈接地（10～63kV系统）中性点直接接地（110kV以上系统、380/220V三相四线低压系统）

1.7三相电能系统中性点运行方式（3）有效接地系统（大电流接地系统）：中性点接地中性点经小电阻接地非有效接地系统（小电流接地系统）：中性点不接地中性点经高阻抗接地中性点经消弧线圈接地区分标准：若X0/X1≤3，且r0/X1≤1,则为有效接地系统

1.7.1中性点不接地电力系统（图）

1.7.1中性点不接地电力系统（１）１.中性点不接地电力系统正常工作情况三相对地电压对称并等于相电压；三相对地电容电流对称；中性点与地同电位；

1.7.1中性点不接地电力系统（２）2.若发生一相接地（例C相接地）

1.7.1中性点不接地电力系统（3）

由c相接地时的相量图可见:中性点对地电压升高为相电压，如图OO’相量。接地相对地电压为０。未接地两相对地电压升高为线电压。三相间电压不变。

1.7.1中性点不接地电力系统（４）接地点电容电流是正常运行时一相对地电容电流的三倍。

因此，这种情况下应发出预告信号，允许继续运行２小时。

1.7.1中性点不接地电力系统（5）单相接地电容电流Ic可近似由下列经验公式来计算。对于架空线

对于电缆线式中U—线电压kV。

l—这一电压级线路总长度kM。Ic―接地电容电流A。

1.7.1中性点不接地电力系统（6）接地点处如果产生接地电弧，可能引起电器设备损坏，甚至造成相间短路。接地点处如果产生断续电弧，可能引起电网的谐振过电压。

1.7.2中性点经消弧线圈接地系统

当10KV电网接地电流大于30A时，35KV电网接地电流大于10A电源中性点应采用经消弧线圈接地的方式。消弧线圈实际上就是带气隙铁芯的线性电感线圈，其电阻很小，感抗很大。

1.7.2中性点经消弧线圈接地系统（图）

1.7.2中性点经消弧线圈接地系统由图可见，当发生单相接地时，流过接地点的电流是接地的电容电流Ic与流过消弧线圈的电感电流IL之和。从图1-43b可见，Ic越前UC90°，而IL滞后UC90°，所以Ic与IL相差180°，在接地点相互补偿。当Ic与IL的量值差小于发生电弧的最小电流（最小起弧电流）时，电弧就不会发生，也就不会出现谐振过电压现象了。在中性点经消弧线圈接地的三相系统与中性点不接地的系统一样，在发生单相接地时，非接地相的对地电压要升高倍，即成为线电压，应发预告信号，允许继续运行2h。

1.7.2中性点经消弧线圈接地系统如感性电流等于容性电流，称为全补偿；如感性电流<容性电流，称为欠补偿；如感性电流>容性电流，称为过补偿。实用中一般采用过补偿以考虑系统的进一步发展和避免谐振的发生。

1.7.3中性点直接接地系统（１）中性点直接接地系统发生单相接地短路时：中性点对地电压不变；非接地相对地电压不变；单相短路的短路电流较大，易造成供电中断；

1.7.3中性点直接接地系统（２）

我国380/220低压配电系统，也广泛采用中性点直接接地的三相四线制。

1.7三相电能系统中性点运行方式直接接地系统供电可靠性低，因在这种系统中发生单相接地故障时，接地点和中性点会形成回路，从而接地相的短路电流很大。此时为了防止损坏电气设备必须迅速切除接地相。不接地系统单相接地时接地电流较小，三相间电压不变，电网仍可运行2h，从而供电可靠性提高，但非接地相的电压将升高至原相电压的倍，从而对电气设备的绝缘水平要求较高。

1.9.1发电厂变电所的运行监视与控制电能系统的运行是通过发电厂和变电所的控制和操作来完成，发电厂和变电所在其相应调度范围的指挥下完成以下主要工作：1)发电厂有功、无功出力的增减，频率和电压的调整。2)系统之间、发电厂与系统之间的并列与解列。3)输电线路和变压器的投入与停送电。4)网络的合环与解环。5)母线接线方式的改变。

6)中性点接地方式的改变和消弧线圈补偿的调整。7)继电保护和自动装置使用状态的改变。8)线路检修工作开工前，线路所有电源端接地的连接及完工后的拆除等。另外，发电厂和变电所还要随时监视其设备正常运行或不正常运行的状态、开关的投切、保护的动作与否、自动化装置的运行情况等。

1.9.1发电厂变电所的运行监视与控制

发电厂和变电所利用各种监视仪表和信号装置随时监视系统和设备的运行状态。发电厂和变电所的信号装置可分为断路器位置信号、预告信号和事故信号。也可分为瞬时动作信号和延时动作信号。发电厂和变电所的控制对象主要是高压断路器，其控制方式多采用控制室内的集中控制方式。

电力系统的特点：重要性、快速性、同时性37.8MW-37.8MW50.0Hz49.850.2发电用电

美加大停电

近年来国际大停电事故1、美加大停电：2003年8月，美国、加拿大多个城市均发生停电事故，这次美国历史上最大的停电事故所造成的经济损失每天可能多达300亿美元。2、莫斯科大停电：2005年5月，莫斯科突发停电事故，莫斯科最主要的股票交易所MICEX被迫中断交易两小时，地铁系统全线瘫痪，交通信号灯也全部停止工作。3、印尼大停电2005年8月，印尼发生大停电，全国近半人口受影响。4、洛杉矶大停电2005年9月，美国洛杉矶全市大停电，该市一半人口受影响。

近年来国际大停电事故5、东京大停电2006年8月，日本东京发生大面积停电，至少上百万家庭用电被中断。6、西欧大停电2006年11月，西欧多国发生严重停电事故，约1000万人受影响，德国、法国、意大利三国受影响最大。

电力系统五级调度模式国家电调中心

跨省区电力系统独立省级电力系统主干发电厂省级电力系统市级电力系统省级发电厂输电网供/配电网

1.9.2电能系统的运行监视与控制

现代电能系统的监控系统是一个复杂的计算机网络系统，包括信息收集、信息传输、信息管理、显示打印、遥远控制、遥远调节等各种环节联合组成。它的范围从变电所、发电厂到各级调度所并涉及到电能系统的所有单元。能量管理系统EMS（EnergyManagementSystem）配电管理系统DMS（DistributionManagementSystem）(1)数据采集与监控系统SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）(2)高级应用软件（安全分析、经济调度、安全控制等）

人机系统电厂计算机系统能量管理系统配电管理系统共同点SCADA用户界面信息管理通讯网络能量管理系统电能应用网络应用配电管理系统停电呼叫开关操作故障隔离/恢复供电GIS界面馈线重构

能量管理系统（EMS）的结构对象（电力系统）SCADA/EMS（计算机系统）人机界面通信控制运行人员——管理

配网管理系统配调中心工作站组配变FTU用户集抄光纤载波RS485DA集中器配变FTU配变FTU其它变电站变电站配调中心前置机光端机光纤HUB

1.9.3电力系统的故障与