电力系统概述

电力系统分析课程说明电力系统分析课程说明一、本课程的基础知识：电机学、电路、电磁场、线性代数、自动控制理论。①与实践相结合。涉及内容较多；本课程是电气工程及其自动化专业的第一门专业课程，也是后续各专业课程的基础课程。本课程也是本专业的重要的一门理论分析课程。二、本课程的专业地位：三、本课程特点：②理论性较强。有大量的计算内容，计算量大；③概念多；④课程进度快。掌握专业课的学习要领，善于自学，多看参考书，记住全部的基本概念和计算公式；电力系统分析课程说明即使这样，也不一定将课程讲完，主要学时数太少，这在f方面我校特别突出；

本课程学时变迁：120学时

84学时

64学时

48学时（我校，包括8学时实验）；华中科技大学2010级教学计划是72学时；东北电力大学2010级教学计划是90学时；浙江大学2011级教学计划是64学时（4个学分）；*

4三、本课程任务及学习内容：对实际电力系统的稳态运行、暂态运行及稳定性问题进行定量分析。哈尔滨工业大学2011级教学计划是70学时（4.5个学分）；电力系统分析课程说明

实际上，其它学校新增的课程内容有一些是电力系统分析课程中分离出来的；例如：电力工程基础（40~48学时）；例如重庆大学：电力工程基础48学时；华南理工大学2008级教学计划是108学时（4.5个学分）；重庆大学2007级教学计划是56学时（无实验）；*

5电力系统分析课程说明稳态运行分析：指电力系统正常三相对称运行状态的分析。包括：潮流计算，电压、频率调整、系统最优运行等；暂态运行分析：指电力系统从一种运行状态到另一种运行状态的过程分析。学习内容：主要包括：故障状态分析、稳定性分析等；*

6第一章电力系统概述§1-1电力系统的基本概念在本章中主要引入几个常用的术语。一、名词：1.电力系统：

由产生、输送、分配和消耗电能的各种电气设备构成的统一整体。电力系统包含的电气元件：同步发电机----生产电能输电线路----输送电能电力变压器----分配电能、变压用电设备----消耗电能*

7§1-1电力系统的基本概念注意：

下面以示意图，了解以下电力系统的基本结构。注：交流三相电力系统，50Hz（A、B、C三相），三相三线。

实际系统还用包括：以上各环节的操作、控制、测量、保护等设备。*

8○○○○○○○○○○○○§1-1电力系统的基本概念150kM锅炉～abc10KV同步发电机升压变压器ABCABCabcABCABCABC220kVABCabc用电设备abc10kV用电设备abc10kV输电线路低压配电系统低压母线高压母线输电线路双回路母线汇流排汇流母线降压变电所升压变电所发电厂电力网电力系统动力系统输电网配电网汽轮机*

9220v§1-1电力系统的基本概念*

10§1-1电力系统的基本概念2.电力网：（电网、电力网络）

电力系统中除去发电机和用电设备之外的部分，即输电线路和变压器等连接起来组成的电网络。*

11电力网主要元件包括：输电线路和变压器；电力网络的划分：按照电压等级分为高压输电网和配电网络。110KV以下为配电网：35kV～110kV—高压配电网1kV～35kV—中压配电网380V/220V—低压配电网220KV以上称为高压电网：330kV～750kV—称为超高压电网1000kV以上—称为特高压电网§1-1电力系统的基本概念从发电厂到高压远距离输电线路构成的网络部分，称为输电网也称输电系统。从输电网到用户之间的网络称为配电网（也称配电系统）。*

123kV～35kV是企业供电；

有的大型企业也用110kV供电；3.动力系统：电力系统加上汽轮机、锅炉、水轮机、水库及热电厂的热力网等动力部分组成的整体。§1-1电力系统的基本概念一般：35kV～10kV是城市内部供电；*

13发电厂的种类：火力发电厂：汽轮机、锅炉------煤、石油、天然气等；水力发电厂：水轮机、水库------水能；原子能发电厂：反应堆、汽轮机------核能；4.电力系统单线图：由上可见，一个三相系统的接线图画起来是非常麻烦的，为了简化画图，引进了单线图的概念。电力系统单线图：即三相线用单线来表示。例如上系统可用单线图表示。另外，还有风力发电场、潮汐发电厂、地热发电厂、太阳能等；§1-1电力系统的基本概念*

14～双回路厂用电综合用电负荷输电线路发电厂变电所电力系统单线图表示:§1-1电力系统的基本概念*

155.电力系统负荷：本课程就是利用上单线图做电力系统的运行分析、电网设计。三相降压变压器三相升压变压器三相发电机三相输电线路三相电动机简化又例如：

通常把用户的用电设备所取用的功率统称之为负荷（或称负载）。§1-1电力系统的基本概念*

17★在实际中，负荷的表示方法大多是采用负荷曲线；二、电力系统的特点及对电力系统的基本要求：1.特点：a.电能不能储存：系统生产与消耗电能每时每刻保持平衡，即能量守恒；§1-1电力系统的基本概念2.基本要求：c.过渡过程非常短暂；b.电能与国民经济各部门及人民生活关系密切；*

18一类负荷：造成人民生活混乱，造成人身伤亡及设备损坏的事故；生产秩序长期不能恢复，产生严重政治影响的；a.保证可靠持续的供电；负荷的分类：例如：政府机构、人民大会堂，医院，钢厂，煤矿等；二类负荷：造成大量减产，人民生活受到影响；三类负荷：农村用电，小城镇供电；△

出现供电不足时，应首先保证Ⅰ、Ⅱ类负荷的供电；§1-1电力系统的基本概念*

19△

负荷的性质有时也是变化的，例如：抗旱灾、涝灾时，农电可能成为Ⅰ类负荷;§1-1电力系统的基本概念电压：UN±5%，不同的电压等级，不同的网络对电压的电压偏移不同；b.保证良好的电能质量：电力产品应同其他产品一样，也有一定的质量指标：频率：50Hz，±0.2～0.5Hz波形：畸变率*

20d.防止环境污染；c.系统运行的经济性；§1-1电力系统的基本概念*

21第一章电力系统概述§1-2电力系统额定电压等级应该了解如下几个问题：1.什么是额定电压：电力产品按指定电压设计、制造的，这一指定电压称为额定电压。2.额定电压等级：额定电压等级是由（行业）国家规定的。我国规定的额定电压等级如下：220V/380V，3KV，6KV，10KV，35KV，（60KV）,110KV，220KV，330KV，500KV，750KV，1000KV（待发展） *

23说明：◆以上电压，除220V以外，其他都为线电压（相线与相线的电压，而不是相线对地的电压）线电压abc相电压线电压◆目前我国交流电力系统的最高电压等级可达1000KV(试验网：晋东南—南阳—荆门)。§1-2电力系统额定电压等级*

24◆我国110KV及以上电力系统为中性点直接接地系统。◆不同的电压等级输电线路其输送容量不同，输送距离不同；电压等级越高，传输功率越大。§1-2电力系统额定电压等级额定电压（kV）输送容量（MVA）输送距离（kM）

100.2~26~2011010~5050~150220100~150100~3005001000~1500150~8507502000~2500500以上

*

25§1-2电力系统额定电压等级3.电力系统各元件的额定电压规定：a.输电线路的额定电压：等于电压等级的额定电压，-----称为电力网的额定电压，或网络的额定电压。例如：220KV的线路，110KV电网等。b.用电设备的额定电压：等于线路的额定电压。c.同步发电机的额定电压：*

26

比网络的额定电压高约5%。考虑线路的电压的配合：例如：3.15KV，6.3KV，10.5KV

特例：大多数发电机有自己的额定电压，并与升压变压器或降压变压器配合。例如：15.75KVd.变压器的额定电压（电力变压器）：§1-2电力系统额定电压等级了解：电压损耗=UN10%+5%-5%用电设备电压偏差：±5%UNMM～10.5kv10kv线路*

27★电力变压器的额定电压可以有两个或者三个额定电压。★变压器的一次侧、二次侧是按照输电方向规定的：功率流出变压器的一侧称为二次侧，相应的绕组为二次绕组；

变压器一次侧的额定电压：

相当于用电设备，绕组的额定电压等于网络的额定电压；§1-2电力系统额定电压等级功率流入变压器的一侧称为一次侧，相应的绕组为一次绕组；*

28特例：直接接同步发电机的变压器，应与同步发电机的额定电压相等；

变压器二次侧的额定电压：

相当于电源：变压器二次侧的额定电压比网络的额定电压高约10%；考虑：▲变压器带负载后，内部压降5%；因为变压器的二次侧的额定电压定义的空载时电压；▲

在输电线的首端，为与线路电压配合（克服线路电压损失），比线路额定电压高5%。§1-2电力系统额定电压等级*

30第一章电力系统概述§1-3电力系统发展状况电力工业的发展，主要看如下几个方面：装机容量、年发电量、电压等级、设备制造技术以及电力系统控制技术等方面；截至2009年底，总装机容量为8.74亿千瓦；居世界第二，仅次于美国；

火电：6.51亿千瓦，约占74.49%；

水电：1.96亿kW，约占22.46％；

核电：908万kW，约占1.03％；★装机容量和发电量：*

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风电：1760万kW，约占2.01％。全年发电总量为36812亿千瓦时。★电网建设：我国已建成华东、东北、华中、华北、西北、川渝、南方七个跨省电力系统；独立的省属电力系统还有山东、福建、海南、乌鲁木齐、拉萨和台湾等系统

。华东电网：上海、江苏、浙江、安徽；东北电网：覆盖黑龙江、吉林、辽宁及部分内蒙东北部；§1-3电力系统发展状况发电量世界排名第二，仅次于美国，但是人均用电量世界排名较差；*

32西北电网：陕西、甘肃、青海、宁夏；南方电网：重庆、广东、广西、云南、贵州；§1-3电力系统发展状况★在设备和电气方面：华北电网：山西、河北、北京、天津及部分内蒙；华中电网：河南、湖南、湖北、江西；火力发电机组单机容量：我国：100万千瓦国外：120万千瓦水力发电机组单机容量：70万千瓦，世界最大；该项达到了国际水平，目前用于三峡工程；*

33§1-3电力系统发展状况其它电器和设备，目前我国基本方针是走引进技术，消化吸收的道路；

最高运行电压500kV；★电网：电网分为交流电网和直流输电网。

已发展电压：750kV；750kV超高压示范工程：2003年９月19日开工建设，从青海官亭至甘肃兰州东；线路长146km，采用六分裂导线。我国：交流电网：*

34§1-3电力系统发展状况1000kV特高压交流试验示范工程：2007年6月19日开工建设（2009年2月建成）。从晋东南-南阳-荆门，线路全长645km，采用8分裂导线。现已验收通过。

试验电压：1000kV；直流输电网：我国第一条直流输电线路：浙江宁波---舟山群岛。1987年建成，采用单极，直流电压100kV，传输50MW，传输距离54km。目的主要用于向舟山群岛供电。1989年，建立了葛洲坝到上海的±500kV直流高压输电系统。输送容量1200MW，线路全长1064kM。*

36§1-4电力系统接线图及接线方式第一章电力系统概述1.电力系统接线图：电力系统接线图分为两类：

地理接线图：反应了电力系统的地理位置；

电气接线图：反应了电力系统各元件的电气连接关系；地理接线图电气接线图*

37§1-4电力系统接线图及接线方式2.接线方式：

根据用户从系统取得电能的接线方式不同，可分为2类：无备用接线和有备用接线；

无备用接线：用户只能从一个供电回路取得电能的接线方式。①放射式:特点：可靠性相对高一些；当一条线路故障时，仅影响一个负荷点。②干线式:供电点负荷点负荷点*

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结构简单、设备费用较少、运行方便。

供电的可靠性比较低。当主干线故障，造成停电面积大；

有时难以满足供电电压的要求；（例如电压波动大）特点：一般应用于：象城市内部供电；农村供电等；③链式:特点：可靠性介于以上两种接线的中间，具有两种特点；§1-4电力系统接线图及接线方式*

39§1-4电力系统接线图及接线方式

有备用接线：用户能从两个或两个以上的供电回路取得电能的接线方式。①双回路供电：

放射式：每个负荷点采用双回路供电；特点：ⅰ.正常运行时，每回线路仅带1/2负载，线路利用率低，电能质量好（电压损耗小）；*

40ⅱ.供电可靠性高，当一回线路故障时，另一回线路可带全部的负荷；当两回线路来自不同的变电所时，例如：电源2电源1市政府由于电源电压及相位不同，所以这种供电必须采用互为备用的运行方式，利用自投装置完成。这种供电方式的可靠性高于从同一个变电所取电；例如：人民大会堂采用12路供电方式，也是互为备用方式；§1-4电力系统接线图及接线方式*

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干线式：

链式：②环网：优点：供电可靠性高，投资少；缺点：调度复杂，保护整定困难。当线路发生故障时，可能会出现线路过负荷或者电压下降严重；§1-4电力系统接线图及接线方式*

42③两端供电：～～§1-4电力系统接线图及接线方式*

43第一章电力系统概述§1-5输电线路结构分为两种：架空输电线路和电缆线路；

架空输电线路：

电缆线路：一般用于远距离的输电，高压输电。一般用于空间拥挤的地方，短距离，跨江、跨海等。例如：城市内部供电，企业单位的内部供电，全部采用电缆。1.架空输电线路：*

45１０００kV山区酒杯型直线塔可见：架空线路主要由导线、避雷线（架空地线）、杆塔、绝缘子和金具等部件所组成。§1-5输电线路结构

导线：作用：输送电能；常用的导线有：单股线、多股线和钢芯铝绞线。*

47§1-5输电线路结构常见钢芯铝绞线：LGJ----钢芯铝绞线LGJQ---轻型钢芯铝绞线（铝面积比钢芯截面积相对要大一些）LGJJ---加强型钢芯铝绞线

扩径导线：为了减少电晕和线路电抗：220kv以上线路多采用分裂导线或者扩径导线；例如：LGJK-300效果：增大导线的等值半径，减少电抗，但导线的电纳曾加；*

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分裂导线：就是每一相导线分成2根、3根或者4根等。每根相间距离400mm。例如：2分裂：例如：山东电网500kV是4分裂；例如：8分裂导线如图；例如：6分裂导线如图；

绝缘子：a.针式绝缘子针式绝缘子针式绝缘子§1-5输电线路结构例如：3分裂：*

49b.悬式绝缘子针式绝缘子

这种绝缘子广泛用于电压为35kV以上的线路,其外形如下图所示。§1-5输电线路结构*

50图2-13悬式绝缘子的外形（a）单个悬式绝缘子；（b）悬式绝缘子链1—耳环；2—绝缘子；3—吊环；4—线夹§1-5输电线路结构*

51用于支持导线，绝缘子，金属重量，承受侧面风压。直线杆塔的数量约占全部杆数量的80%以上。c.瓷横担绝缘子

这种绝缘子是可以同时起到横担与绝缘子作用的一种绝缘子结构，其外形如图所示。

一般用在35kv以下的输电线路。瓷横担绝缘子外形§1-5输电线路结构

杆塔：直线杆塔：67-71示意图*

52结构特点：可承受较大的不平衡拉力。耐张杆塔：示意图§1-5输电线路结构实图作用：断线时，将断线故障限制在一个耐张段内。*

53500kV耐张杆塔外观

１０００kV干字型耐张转角塔实景图实景§1-5输电线路结构*

54转角杆塔：可承受较大的不平衡侧向拉力。图片500kV转角铁塔外观§1-5输电线路结构*

55换位杆塔：实现a、b、c三相导线的位置互换；目的：为使三相参数平衡；耐张换位杆塔§1-5输电线路结构*

56跨越杆塔：一般用于跨越河流、峡谷等大跨距的杆塔。由于档距较大，导线自重较重，所以跨越杆塔除高度高于普通杆塔，且正常承受较大的不平衡拉力。江阴跨长江的跨越杆塔§1-5输电线路结构*

57终端杆塔：§1-5输电线路结构线路的首、末端到负荷中心或者变电所的最后一个杆塔。结构特点：正常就承受着不平衡拉力。*

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金具：连接导线，或将导线固定在绝缘子上以及将绝缘子固定在杆塔上，也可作连接绝缘子或保护绝缘子和导线等配件。线夹：§1-5输电线路结构分悬垂线夹和耐张线夹；直线杆塔上使用的是支持线夹（悬垂线夹），分为固定线夹和释放线夹。固定线夹使导线与横担固定牢固，不能自由滑动;释放线夹用在线路正常运行时不能自由滑动,但断线时，绝缘子串中心线偏移到某一角度时，导线被线夹释放，防止杆塔受不平衡力倒杆。*

59耐张线夹悬垂线夹耐张线夹在线路上的具体应用情况§1-5输电线路结构保护金具：护线条防震锤悬重锤护线条*

60悬重锤§1-5输电线路结构防震锤防震锤*

62没有避雷线，采用放电间隙和避雷器实现防直接雷和感应雷。这仅仅适用于低压系统。§1-5输电线路结构在防雷要求很高的情况下，必须加避雷线；例如动车输电系统：*

63例如：2011年7·23在温州的动车追尾事故，虽然有多种因素形成的动车追尾，但是第一个引起的事故原因就是没有加避雷线。即：高铁25千伏输电线路（即高铁接触网）竟然没有安装避雷线§1-5输电线路结构*

64袭击输电线路的雷电主要有两类，一类是“直击雷”，另一类是“感应雷”。当雷云直击或感应到架空线路上时，产生大量电荷，这种大量电荷的移动瞬间产生瞬间形成几万伏；§1-5输电线路结构最后事故确认，车站信号设备缺陷，在雷击后，红灯变绿灯造成撞车；*

65§1-5输电线路结构*

66§1-5输电线路结构*

67十万伏特的高电压，形成雷电过电压。最后造成继发性故障，系统跳闸，最终使机组失去电源。地面最容易遭雷击的是：具有大量的丰富电荷（导体、水），或一定高度的物体。（某种程度说，高物体是低物体的避雷针）§1-5输电线路结构*

68有避雷线的方案我国高铁25千伏接触网实际采用的避雷措施是:普通的避雷器、避雷针等常规防雷手段;第一，避雷器只有当线路形成过电压后才起作用，如果快速反复频繁落雷，避雷器也难以§1-5输电线路结构*

69很好吸收过电压（影响因素很多，例如接地电阻的大小等）。避雷针，只能防护局部地区，难以实现全线的防雷。所以高铁的接触网防雷措施基本是错误的，是造成事故的首要因素。如图示电力系统最简单的避雷方法（实际上电力系统的避雷器总是有的）。但是接触网离用电设备太近，且对供电可靠性很高，必须有良好的防雷措施。§1-5输电线路结构*

70§1-5输电线路结构2.电缆线路：在人口密度大与负荷密度高的大城市内部供电、近郊区、工厂内部供电及其大跨距的河流、峡谷和海峡等。特点：①电缆线路的造价较之架空线路要高，而且电压等级愈高，二者的差别也愈大；②且电缆线路的检修也费事、费时。③但由于电缆线路不需要在地面上架设杆塔，占用土地面积少、美观、营造绿色的居住环境；④且极少受到各种气象因素与外力的影响，因而供电可靠性高，对人身也较安全、更符合环保要求等。*

71敷设于地下电缆廊道内的电缆敷设方式：直埋式（包括加护管）和电缆沟；一般远距离输电采用直埋式，工厂内部采用电缆沟；电缆结构：电缆的构造一般包括三部分：导体、绝缘层和包护层。电缆的导体一般采用铝或铜的单股或多股线，通常用多股线。§1-5输电线路结构*

72PVC电缆结构1—导线；2—PVC绝缘；3—PVC内护套；4—铠装层；5—填料；6—PVC外护套铝合金电缆§1-5输电线路结构集肤效应是否严重？*

73§1-6电力系统中性点运行方式第一章电力系统概述1.中性点：指发电机绕组、变压器绕组星形接线的中性点；2.中性点运行方式：a.中性点直接接地：*

75②不管发生什么故障，中性点的电压不变，各相线总承受的是相电压，从而，绝缘要求相对较低。（按照相电压设计线路绝缘）故障相非故障相—健康相名词③当发生单相接地故障时，产生的短路电流在导线的周围形成交变磁场，对附近的通信或电子设备产生电磁干扰；例如：电话线与电力输电线并行，造成过电压；§1-6电力系统中性点运行方式*

76abc电话线故障后，三相电流不平衡，合成磁场不为零。§1-6电力系统中性点运行方式★对周围居民造成影响（电磁污染）。★我国110KV以上系统采用中性点接地运行方式。注：这并不意味着系统的所有星形接线的中性点都接地。b.中性点不接地:(我国60kV以下)～D例如：等值电路如图：1*

77UaUbUcU01U02abc特点：①正常运行时，三相系统对称，中性点对地电压为零。三相分布电容也对称，地中没有电流通过；②当发生一相接地时，造成接地故障，但由于故障电流小（基本容性电流），且系统仍然是三相对称的，所以系统仍可带故障运行1～2个小时；-------可见，供电可靠性高。§1-6电力系统中性点运行方式*

78③单相接地故障，中性点位移成相电压，健康相升为线电压，所以系统的绝缘电压需按照线电压设计；投资较高，特别是110KV以上不划算；④从向量图看：Ua●Uc●Ub●假想地系统正常：单相接地故障：Ua●Uc●Ub●Uac●Ubc●§1-6电力系统中性点运行方式*

81★

当故障电流较大时，造成持续性电弧接地故障点电压越高，健康相电压大大高于线电压。形成所谓的弧光接地过电压。有可能进一步造成相接短路。注：ⅰ如果故障点发生在电机或变压器的内部绕组，电弧很容易造成绝缘击穿。ⅱ由于接地故障产生的电流很小，故称为接地故障，而不能称为短路。当一相火线接地时，产生大电流，称为短路故障；当一相火线接地时，不产生大电流，称为接地故障；§1-6电力系统中性点运行方式*

82中性点接地系统发生单相故障，称为单相接地短路；当中性点不接地系统发生单相故障，称为单相接地故障；★故障点持续性电弧产生的高温，会造成绝缘过热而损害,也会进一步造成相接短路。所以故障运行期间，故障点的电流不能太大。c.中性点经消弧线圈接地方式：当中性点不接地系统发生单相接地故障时，如果故障点的电流过大，则引起系统的继发性故障。如果不限制这个电流，是非常危险的。通过消弧线圈可以减少故障电流。§1-6电力系统中性点运行方式§1-6电力系统中性点运行方式*

84∴Ig=IL-IC

分析：

◆若IL>IC

，称为过补偿；◆若IL=IC

，称为全补偿-----形成振荡过电压，不允许；◆若IL<IC

，称为欠补偿；若采用欠补偿：当电网运行方式改变或切除部分线路时，整个电网的对地电容减少，有可能接近于完全补偿；所以，在实际应用中，一般采用过补偿。令：K—称为补偿度；§1-6电力系统中性点运行方式*

85说明：a.我国规定：3～6KV，IC>30A10KV，IC>20A35～60KV，IC>10A应加装消弧线圈；b.容性电流（IC）计算：其中，Ua0、Ub0----为线电压，UP—相电压；§1-6电力系统中性点运行方式Ua0●Ub0●Ua﹒Ib0﹒Ic﹒Ia0﹒Ib0﹒Un0﹒IL﹒*

87§1-7负荷曲线第一章电力系统概述负荷大小表示的方法一般有三种，用数值表示，表格表示和曲线表示。在工程中，大多以曲线表示，下面重点讲一下负荷曲线。1.负荷曲线的分类：按照负荷种类分：有功功率负荷曲线无功功率负荷曲线按照时间长短分：日负荷曲线月负荷曲线年负荷曲线大多情况下指有功负荷曲线;*

88§1-7负荷曲线2.常用负荷曲线：a.日负荷曲线：作用：电网调度部门制定各发电厂发电计划的依据。日负载曲线有三个具有代表性特征的数值，即：PminPmaxPav

日最大负荷Pmax：又称高峰负荷。昼夜中出现的最大负荷值。

日最小负荷Pmin：又称低谷负荷。昼夜中出现的最小负荷值。

日平均负荷Pav：即：P=f（t）*

89§1-7负荷曲线注：当需要电压调整时，也需要无功功率负荷曲线。

负荷系数KL：

负荷系数KL又称负荷率，是指平均负荷与最大负荷的比值。负荷系数是表征负荷曲线的不平坦程度，也就是负荷变动的程度。即:b.年最大负荷曲