电能系统基础-第1章

电能系统基础

——第一章

济南大学自动化学院

刘益青第一章电能系统概论１．１概述１．２电能系统负荷与负荷曲线１．３电能系统的电压等级１．４输电线路１．５发电厂、变电所电气设备１．６电能系统的电气连接方式１．７三相电能系统中性点运行方式１．８电能系统的运行特点和基本要求１．９电能系统的运行监视、控制与保护１．１０安全接地

概述能源的分类：一次能源：指以现成的形式存在于自然界的能源。二次能源：指由一次能源直接或间接转换而来的其它形式的能源或人工制造的能源。电能属于二次能源。常用的用来发电的一次能源有：燃料化学能、水能、核能等。还可继续开发的发电能源，如潮汐发电、太阳能发电、风力发电等。

电能的特点：⑴电能可以方便地由其它能量形式转化而来，也可以简便地转化成其他形式的能量。⑵电能便于大规模生产、输送、分配、并且价格低廉。⑶电能的生产、输送、分配、控制及测量等各环节容易实现自动控制。

电能系统发展简史（9.18讲到此处）1831年电磁感应定律1882年高压输电（法国人德普勒、水电、慕尼黑、直流、1500～2000V、57km、2kW）1885年单相变压器－－单相交流输电1891年三相异步电动机、三相变压器－－三相交流输电（德国人奥斯卡.冯.密勒、拉芬镇－法兰克福、水轮发电机230kVA电压95V、升压25kV、4毫米铜线、降压112V、负荷：白炽灯和异步电动机）交流：最高线路电压>1000kV、最远输送距离>1000km、最大电力系统容量>20000万kW直流：电压>±500kV、输电距离>1000km、输送功率>150万kW

我国电力工业发展概况1.我国有丰富的煤炭、石油和水力资源，这为我国电力工业的发展提供了条件。2.1882年上海建立第一个发电厂，容量12kW。3.新中国成立以来，我国电力工业取得了长足的发展。形成了华北、东北、华东、华中、西北和南方互联等6个跨省大网发电机装机容量和年发电量位居世界第1位（2011年底达到10.6亿千瓦），但人均用电量只有世界平均水平的1/3。

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资源等特点。1、1000千伏晋东南—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日通过国家验收。2、2010年6月18日世界上第一个±800千伏直流输电工程——云广特高压直流输电工程竣工投产。3、2010年7月8日，向家坝—上海±800千伏特高压直流输电示范工程投入运行。

2020年特高压电网规划图按照“西电东送、南北互供”的规划，2020年，国家电网将建成以“三华”特高压同步电网为中心，东北特高压电网、西北750千伏电网为送端，各级电网协调发展的坚强智能电网。

电能系统与电力系统的定义1．

动力系统：转化、分配和应用电能及热能的全部环节称为动力系统，包括锅炉、汽轮机、发电机、输电线、变压器、电动机等。2．电能系统：在动力系统中，生产、输送、转换的能量主要部分是电能的，称为电能系统。3．电力系统：电能系统中的电气部分称为电力系统。4．电力网：在电力系统中把发电机和用电之间属于输电和配电的环节称为电力网。

电能系统、电力系统、电力网示意图

电力系统是一个由大量各种元件组成的复杂系统，发电机、变压器、电力线路和负荷是电力系统的四大主要元件。发电机、变压器、电力线路和负荷这四大元件构成了电力系统的躯干，称为一次系统。此外，为了保证其安全正常运行，电力系统还装备有相当于其神经的继电保护、通讯和调度控制系统等，称为二次系统。

为满足生产需要，发电厂中安装有各种电气设备。通常将直接在发、输、配、用的主系统上使用的设备称为一次设备。如：开关设备、电能生产和转换装置、载流导体、接地设备等。对一次设备的工作进行测量、控制、监视、调节、保护以及为运行维护人员提供运行工况或生产指挥信号所用的设备称为二次设备。如测量、计量仪表、继电保护及自动装置、直流设备、信号设备及控制电缆等。

电能系统的运行特点与基本要求1.电能系统的运行特点（1）重要性（电能和国民经济各部门及人民生活密切）： 电能在国民经济和人民生活中起着极其重要的作用，电能供应的中断或减少将影响国民经济的各个部门，造成巨大的损失。（2）快速性（暂态过程十分短暂）：由于电能的传播速度接近光速，因而它从一处传至另一处所需的时间极短，电力系统从一种运行方式转变到另一种运行方式的过渡过程非常快，电力系统中的事故从发生到引起严重后果所经历的时间常以秒，甚至毫秒计。

电能系统的运行特点与基本要求（3）同时性（电能不易贮存）： 电能的生产、传输、分配和消费实际上是同时进行的，即所有发电厂任何时刻生产的电能必须与该时刻所有负荷所需的电能与传输分配中损耗的电能之和相平衡。这代表电力系统运行时必须满足的一类等约束条件：有功功率平衡和无功功率平衡。

电能系统的运行特点与基本要求2.对电能系统的基本要求（1）为用户提供充足的电能

当今，电能是社会生产和人民生活活动中的主要能源之一。它的供应情况直接影响国民经济增长的速度。因此，首先应按照电能先行的原则作好电能系统发展的规划设计，认真搞好电能工业建设，以确保电能工业的建设优先于国民经济的其它部门的建设。

电能系统的运行特点与基本要求（2）保证电能系统供电的安全和可靠性

安全性指电力系统承受突然发生的扰动时保持不间断供电的能力，例如突然短路或失去系统元件。在实用中常用正常供电情况下，是否能保持潮流及电压在允许的范围以内表示（静态安全分析）。电力系统的安全性属电力系统实时运行中要考虑的问题。可靠性指电力系统维持连续供给用户总的电力需求和总的电能量的能力。常用向用户长时间不间断持续供电的概率指标表示，如失负荷概率、失负荷频率、系统期望输送能力等。可靠性属电力系统规划设计的范畴

电能系统的运行特点与基本要求（3）保证电能的质量（电压、频率和波形）电压偏移一般不得超过额定电压的±5%；频率偏移不得超过±0.2Hz；谐波电压的畸变率（各次谐波有效值平方和的方均根值与基波有效值的百分比）的极限值：0.38kV为5%、6kV或10kV为4%、35kV或63kV为3%、110kV为1.5%。 GB24337-2009

电能系统的运行特点与基本要求（4）保证电能系统运行的经济性 电能生产消耗的一次能源占一次能源总消耗的1/3，而且电能在变换、输送、分配时的损耗绝对值也相当可观。 手段：采用高效、节能的发﹑输、配电设备；优化电源配置和电力网络，经济调度和运行；充分利用水电资源，合理调配水、火电厂的出力等。煤耗率：每生产1千瓦时电能所消耗的标准煤克数线损率（网损率）：电力网络中损耗的电能与向电力网络供应的电能的百分比（中国6.4%、日本3.85%、德国4.8%、美国6%）

发电厂、变电所、电力网概述１.发电厂 发电厂是电能系统的电源，它的作用是把不同种类的一次能源转换成电能。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。火电：汽轮机-发电机组单机容量达到100万kW（1000MW）水电：水轮机-发电机组单机容量达到70万kW核电：100万kW机组新能源发电：风力发电、太阳光伏发电、潮汐发电、地热发电

1000MW级超超临界火电机

23最大直径10.6米、高5.06米

三峡水电站发电机组70万kW*26台=1820万kW

24

反应堆安全壳控制棒反应堆压力容器汽轮机给水泵循环水泵压水堆核电站

25风力发电技术

太阳能光伏发电技术

2.电力网电力网按其供电范围的大小和电压等级高低可分为地方电力网、区域电力网以及超高压远距离输电网络。(1)地方电力网:电压不超过110kV,输送距离在几十千米内的电力网，主要指一般城市、工矿区、农村配电网络。

(2)区域电力网:电压为110～220kV级的电力网，区域电力网输电线路较长，用户类型较多。

(3)超高压远距离输电网络:由330kV和550kV的远距离输电线路组成，担负着远距离、大容量发电厂的电能输送任务，往往同时联系几个区域电力网形成大型联合系统。(4)特高压交、直流输电网络

高压交流输电——传输、分配电能

高压直流输电（HVDC）

3、变电站 变电站的任务是汇集电源、升降电压、分配电能。 变电站可分为升压变电站和降压变电站，或分为户外变电站、户内变电站及地下变电站。也可按变电站容量和重要性不同分为枢纽变电站、中间变电站和终端变电站。

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(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(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负荷曲线：电力负荷随时间变化的图形。

1.2.2电力负荷曲线及其特性系数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2.负荷曲线的绘制及其特性系数

1.2.2电力负荷曲线及其特性系数

２）运行年负荷曲线:

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超过P1的积累持续时间

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最大负荷利用小时

1.2.2电力负荷曲线及其特性系数

1.2.3

电能负荷的计算计算负荷：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

-----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: 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。 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

低压系统：0.38/0.22KV

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

国际电工委员会(IEC)、国际大电网会议(CIGRE)与国际供电会议(CIRED)对电网及设备电压等级的选择的几点建议：1)在一个国家或地区，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2)相邻两级电压之比，不应小于2倍。超高压(220～500kV)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。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)。电压等级的选择:

电力设备额定电压的选择（1）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％。（2）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％。（3）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。（4）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。（5）变压器在满载时其本身内部压降约占5％，所以在计及较长的线路压降时，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％。

电力设备额定电压的选择

1.4输电线路电力线路按结构通常可分为架空线路和电缆线路。1、架空线路:架空线路由导线、架空地线(避雷线)、绝缘子、金具和杆塔等主要部件组成。(1)导线: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LGJQ/LGJ/LGJJ型。220KV以上输电线路为减小电晕损耗，常采用分裂导线。

(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)绝缘子和金具绝缘子：其作用为支撑和悬挂导线，并使导线与杆塔绝缘。金具：连接导线和绝缘子所使用的金属部件总称为金具。

2、电力电缆：电力电缆主要由三部分组成：导线、绝缘层和保护层。电力电缆的敷设：

有以下几种方式：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分为：高压开关电器、高压保护电器、高压测量电器等。具体的讲，有断路器、重合器、隔离开关、负荷开关、分断器、熔断器、仪用互感器和避雷器等。1、断路器 （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。

（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。

2、重合器（1）重合器主要用在35kV及以下中压电网（2）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发电厂变电所的主要电电器设备

3、隔离开关（1）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发电厂变电所的主要电电器设备

4、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。

5、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发电厂变电所的主要电电器设备

6、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发电厂变电所的主要电电器设备

7、避雷器（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1.5发电厂变电所的主要电电器设备

7、仪用互感器（1）功能：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。（2）分类：

电压互感器电流互感器1.5发电厂变电所的主要电电器设备

（3）电压互感器、电流互感器的连接示意图1.5发电厂变电所的主要电电器设备

（4）互感器的结构型式：电压互感器的结构型式：电磁式电容分压式电流互感器的结构型式：电磁式电子式光学式1.5发电厂变电所的主要电电器设备

（5）互感器的准确等级：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等准确等级，分别用在测量与保护场合。电流互感器有0.2、0.5、1、3、5、D、B、P、TP、TPY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。1.5发电厂变电所的主要电电器设备

（6）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。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发电厂变电所的主要电电器设备

1.6电力系统的电气连接方式1.电力系统的接线图（1）电气接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，也称为主接线图。

（2）电力系统的地理接线图反映各发电厂、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。

1.6电力系统的电气连接方式

1.6电力系统的电气连接方式２.电力系统的接线方式（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电力系统的电气连接方式（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。优点：供电可靠、电压质量比较高缺点：设备投资成倍增加运行调度复杂

1.6电力系统的电气连接方式两个重要概念：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会影响：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、系统接线等

1.7三相电能系统中性点运行方式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以上系统以及0.4kV三相四线低压系统）

1.7三相电能系统中性点运行方式非有效接地系统（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有效接地系统（大电流接地系统）：

中性点直接接地中性点经小电阻接地区分标准：若X0/X1≤3，且r0/X1≤1,则为有效接地系统

1.7.1中性点不接地系统

1.7.1中性点不接地系统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中性点不接地系统2、若发生一相接地（例C相接地）

1.7.1中性点不接地系统

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中性点不接地系统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。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，易造成供电中断中性点直接接地系统发生单相接地短路时：

1.7.3中性点直接接地系统

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总结（1）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。（2）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。

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电能系统的运行监视、控制与保护

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。

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

2003年8月14日美加大停电

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、远方控制、远方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）即数据采集与监视控