第一章电力系统基本概念

电力系统稳态分析主讲王帆电气工程教研室1、教材：东南大学陈珩〔第三版〕2、本课程前修课程、后续课程前修课程：电路实际、电机学后续课程：电力系统自动安装、继电维护、电力系统自动化3、考核方式： 笔试〔闭卷，120分钟、卷面100分，占60％〕，平常〔主要是上课考勤记录、课堂练习、作业，占40％〕前言重点：三大计算1、标幺值计算2、稳态计算：潮流；调频、调压3、暂态计算：缺点；稳定性第一章电力系统的根本概念1－1电力系统概述1－2对电力系统运转的根本要求1－3结线方式和电压等级1－4课程的主要内容1－1电力系统概述一、电力系统的构成和开展～工业农业商业生活发电＋输电＋配电＋用电电网电力系统1－1电力系统概述一、电力系统的构成和开展1882年，托马斯爱迪生在新纽约城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100VDC，为800盏白炽灯提供电力。1886年美国西屋电气公司成立一、电力系统的构成和开展1883年，Stanley发明了变压器1885年，特斯拉发明了交流电机，并胜利地将它同变压器衔接起来，实现了单相交流输电。1893年，特斯拉同西屋电气公司协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现了交流技术的优点交流技术的优点易于经过变压器升，降压。适宜长间隔输电，传输损耗小相应的交流开关等设备的安装简单，价钱廉价一、电力系统的构成和开展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，传输间隔175km，传输功率172kW1910年，出现了真正意义上的独立电网，传输电压110kV。1920年，高压输电线路，电压到达220kV1957年，欧洲第一条380kV高压输电线路于德国科隆和卢德维希堡之间投入运用目前输电电压以超越1000kV，传输间隔超越1000km，保送功率超越5000MW1－1电力系统概述二、电力系统的组成1、来源火电：锅炉－汽轮机－发电机水电：水库－水轮机－发电机核电：核反响堆－汽轮机－发电机其它：如风能、地热能、太阳能、潮汐等1－1电力系统概述二、电力系统的组成2、根本概念电力系统——是由发电厂、变电所、输电线、配电系统及负荷组成的。是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。电力网络——是由变压器、电力线路等变换、保送、分配电能设备所组成的部分。动力系统——在电力系统的根底上，把发电厂的动力部分〔例如火力发电厂的锅炉、汽轮机和水力发电厂的水库、水轮机以及核动力发电厂的反响堆等〕包含在内的系统。1－1电力系统概述二、电力系统的组成2、根本概念总装机容量——指该系统中实践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。年发电量——指该系统中一切发电机组全年实践发出电能的总和，以千瓦时〔KWh〕、兆瓦时〔MWh〕、吉瓦时〔GWh〕为单位计。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，以千瓦〔KW〕、兆瓦〔MW〕、吉瓦〔GW〕为单位计。1－1电力系统概述二、电力系统的组成2、根本概念额定频率——按国家规范规定，我国一切交流电力系统的额定功率为50Hz。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。地理接线图——主要显示系统中发电厂，变电所的地理位置，电力线路的途径，以及它们相互间的衔接电气接线图——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1－1电力系统概述三、近代电力系统电压、保送间隔、保送功率；电源的构成；负荷的构成；高度自动化；远间隔大容量直流输电1－1电力系统概述四、电力系统的开展趋势智能化以物理电网为根底，将现代先进的传感丈量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而构成的新型电网分布式1－1电力系统概述四、电力系统的开展趋势1－2电力系统运转应满足的根本要求特点与国民经济及日常生活关系亲密电能不能大量储存电能消费、保送、消费的整体环节不可分割，工况的改动非常迅速要求平安优质经济环保1－2电力系统运转应满足的根本要求平安：保证可靠的供电措施电源与电网的建立〔西电东送全国联网〕SCADASupervisoryControlAndDataAcquisition设备检修〔方案检修→形状检修〕人员素质1－2电力系统运转应满足的根本要求优质目的电压：≥35kV±5%6~10kV≤4%380V≤5%〔无功功率〕频率：±0.2〔≥3000mw)~0.5Hz(≤3000MW〕〔有功功率〕谐波：波形畸变率≥10kV5%≤10kV4%1－2电力系统运转应满足的根本要求负荷〔一级二级三级〕一级负荷：对这一级负荷中断供电，将呵斥人身事故，经济严重损失，人民生活发生混乱。二级负荷：对这一级负荷中断供电，将呵斥大量减产，人民生活受影响。三级负荷：一切不属于一、二级的负荷。1－2电力系统运转应满足的根本要求经济EX:一台600MW火电机组，年利用小时6000h，煤耗率320g/kW.h，煤价：300元/吨。Sol： 年发电量： 600000kW×6000h＝36亿kW.h 需标煤： 36亿kW.h×320g/kW.h＝115.2万吨标煤 燃料费： 115.2万吨×300元/吨＝34560万元1%节约：燃料： 1.152万吨标煤 燃料费： 345.6万元网损煤耗率〔水耗率〕1－2电力系统运转应满足的根本要求环保火电厂装机＞70％煤炭熄灭呵斥的污染限制污染物的排放量1－3电力系统的结线方式和电压等级放射式干线式树状无备用结线包括单回路放射式、干线式和链式网络优点：简单、经济、运转方便缺陷：供电可靠性差适用范围：二级负荷一、结线方式1－3电力系统的结线方式和电压等级环行网络双端供电有备用结线包括双回路放射式、干线式和链式网络优点：供电可靠性和电压质量高缺陷：不经济适用范围：电压等级较高或重要的负荷1－3电力系统的结线方式和电压等级二、电压等级及其适用范围电压等级的选择S=√3U2II∝〔U1－U2〕/Z传输功率S、电压等级U、输电间隔l之间的关系S＝Const，l∝U2l＝Const，S∝U2U1IU2SZ1、电力系统的额定电压等级1－3电力系统的结线方式和电压等级1、电力系统的额定电压等级1－3电力系统的结线方式和电压等级1、电力系统的额定电压等级阐明：用电设备的允许电压偏移普通为±5%；沿线路的电压降落普通为10%；在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为5%。1－3电力系统的结线方式和电压等级1、电力系统的额定电压等级电力网络中电压分布采取的措施：取用电设备的额定电压为线路额定电压，使一切设备能在接近它们的额定电压下运转；取线路始端电压为额定电压的105%；取发电机的额定电压为线路额定电压的105%；变压器分升压变和降压变思索一次侧接电源，取一次侧额定电压等于用电设备额定电压；二次侧接负荷，取二次侧额定电压等于线路额定电压。1－3电力系统的结线方式和电压等级1、电力系统的额定电压等级变压器的电压等级升压变压器〔例如35/121，10.5/242〕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5%，加上变压器内耗5%，所以二次侧额定电压等于用电设备的额定电压110%。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105％UN；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UN；1－3电力系统的结线方式和电压等级1、电力系统的额定电压等级变压器的电压等级降压变压器〔110/38.5，220/38.5〕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的额定电压；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5%，加上变压器内耗5%，所以二次侧额定电压等于用电设备的额定电压110%。1－3电力系统的结线方式和电压等级2、不同电压等级的适用范围低于110kV的，电压等级应差3倍，110kV以上的，电压等级应差2倍左右500，330，200用于大电力系统的主干线110用于中小系统的主干线和大系统的二次网络35kV用于大城市，大工业企业的内部网络10kV最常用的配电网络1－3电力系统的结线方式和电压等级三、电力系统中性点的运转方式接地？为了保证电力网或电气设备的正常运转和任务人员的人身平安，人为地使电力网及其某个设备的某一特定地点经过导体与大地作良好的衔接。接地分类：任务接地：为了保证电气设备在正常或发生缺点情况下可靠地任务而采取的接地。维护接地：将一切正常任务时不带电而在绝缘损坏时能够带电的金属部分接地，以保证任务人员接触时的平安。〔接地维护〕维护接零：在中性点直接接地的低压电力网中，把电气设备的外壳与接地中性线〔也称零线〕直接衔接，以实现对人身平安的维护作用。防雷接地：为消除大气过电压对电气设备的要挟，而对过电压维护安装采取的接地措施。防静电接地：对消费过程中有能够积存电荷的设备所采取的接地。1－3电力系统的结线方式和电压等级三、电力系统中性点的运转方式如何实现任务接地？电气设备〔电力变压器、电压互感器或发电机〕的中性点接地——又称为电力系统中性点接地。电力系统的中性点：星形衔接的变压器或发电机的中性点。电力系统的中性点接地方式：小电流接地：中性点不接地〔中性点绝缘〕中性点经消弧线圈接地大接地电流：中性点直接接地中性点经电阻接地如何确定电力系统中性点接地方式？应从供电可靠性、内过电压、对通讯线路的干扰、继电维护以及确保人身平安诸方面综合思索。1－3电力系统的结线方式和电压等级三、电力系统中性点的运转方式1、中性点直接接地负荷ABCk(1)Ik(1)Ik(1)特点：供电可靠性不如电力系统中性点不接地和经消弧线圈接地方式。缺点时：如发生接地缺点，那么构成短路回路，接地相电流很大；为提高供电可靠性，在线路上广泛安装三相或单相自动重合闸安装。对地电压＝UN，电气设备的绝缘程度只需按电力网的相电压思索，可以降低工程造价。我国380/220V系统中普通都采用中性点直接接地方式，主要是从人身平安思索问题。适用范围：我国110kV〔国外220kV〕及以上电压等级的电力系统。380/220V低压系统。1－3电力系统的结线方式和电压等级三、电力系统中性点的运转方式2、中性点不接地的电力系统负荷ABCCCCICa.电路图0UAUBUCIB0IC0IA0b.矢量图正常运转时UA＋UB＋UC＝0IA＋IB＋IC＝0结论：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为零，这阐明没有电容电流经过大地流动。适用范围3kV~60kV的电力系统1－3电力系统的结线方式和电压等级三、电力系统中性点的运转方式单相金属性接地缺点时(A相)0UBUAUC60-UAUC’UB’-UAI’CBI’CC-I’CAICAICAICBICBICCICCIPE负荷ABCCCCUA’UB’UC’1－3电力系统的结线方式和电压等级三、电力系统中性点的运转方式0UBUAUC60-UAUC’UB’-UAI’CBI’CC-I’CA中性点不接地系统单相接地缺点的结论1：缺点相对地电压降为零；非缺点相对地电压升高为线电压，且相位相差600。因此，线路及各种电气设备的绝缘要按线电压设计，绝缘投资所占比重加大，显而易见，电压等级越高绝缘投资越大。三相之间的线电压依然对称，用户的三相用电设备仍能照常运转，但允许继续运转的时间不能超越2h。1－3电力系统的结线方式和电压等级三、电力系统中性点的运转方式接地缺点电容电流IPE0UBUAUC60-UAUC’UB’-UAI’CBI’CC-I’CA1－3电力系统的结线方式和电压等级三、电力系统中性点的运转方式中性点不接地系统单相接地缺点的结论2：接地电流在缺点处能够产生稳定的或间歇性的电弧。假设接地电流大于30A时，将构成稳定电弧，成为继续性电弧接地，这将烧毁电气设备和能够引起多相相间短路。假设接地电流大于5A~10A，而小于30A，那么有能够构成间歇性电弧；间歇性电弧容易引起弧光接地过电压，其幅值可达〔2.5~3〕U，将危害整个电网的绝缘平安。假设接地电流在5A以下，当电流经过零值时，电弧就会自然熄灭。1－3电力系统的结线方式和电压等级三、电力系统中性点的运转方式3、中性点经消弧线圈接地的电力系统消弧线圈？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抗器。单相(C相)金属性接地缺点负荷ABCCCCILICICCICBICAICCICBICAIPEL0UAUBUC-UCU’AU’BILICICAICB1－3电力系统的结线方式和电压等级三、电力系统中性点的运转方式C相发生接地时，中性点电压变为-UC，在消弧线圈作用下，产生电感电流〔滞后90°〕，其数值为IL＝UC/XL＝U/XL消弧线圈的作用当发生单相接地缺点时，接地缺点相与消弧线圈构成了另一个回路，接地缺点相接地电流中添加了一个感性电流，它和装设消弧线圈前的容性电流的方向刚好相反，相互补偿，减少了接地缺点点的缺点电流，使电弧易于自行熄灭，从而防止了由此引起的各种危害，提高了供电可靠性。负荷ABCCCCILICICCICBICAICCICBICAIPEL0UAUBUC-UCU’AU’BILICICAICB消弧线圈的补偿方式欠补偿方式：按IL<IC选择消弧线圈的电感，此时接地缺点点有未被补偿的电容电流流过。采用欠补偿方式时，当电力网运转方式改动而切除部分线路时，整个电力网对地电容将减少，有能够开展成为全补偿方式，导致电力网发生谐振，危及系统平安运转；另外，欠补偿方式容易引起铁磁谐振过电压等其它问题，所以很少被采用。1－3电力系统的结线方式和电压等级三、电力系统中性点的运转方式0UAUBUC-UCU’AU’BILICICAICB全补偿方式：按IL=IC选择消弧线圈的电感，使接地缺点点电流为零，此即全补偿方式。这种补偿方式并不好，由于当感抗等于容抗时，电力网将发生谐振，产生危险的高电压或过电流，影响系统平安运转。1－3电力系统的结线方式和电压等级三、电力系统中性点的运转方式消弧线圈容量的选择有关安装消弧线圈规程过补偿方式：按IL>IC选择消弧线圈的电感，此时接地缺点点有剩余的电感电流流过。 在过补偿方式下，即使电力网运转方式改动而切除部分线路时，也不会开展成为全补偿方式，致使电力网发生谐振。同时，由于