第一章 电力系统的基本概念

1、电力工程,电力系发电教研室郝育黔,课程性质、目的和任务主要内容：电力系统分析稳态分析和暂态分析发电厂电气部分继电保护原理,课程介绍,电力系统稳态分析,电力系统分析,正常稳态分析,计算（U、I、P、Q、f）,运行调整和优化,电力系统的基本概念,各元件的特性和模型,潮流计算,电力系统暂态分析,电磁暂态分析（故障分析）,稳定性分析,发电机的电磁暂态分析,对称故障（三相短路）,不对称短路,静态稳定,暂态稳定,参考资料,1、电力系统分析复习指导与习题精解杨淑英中国电力出版社,2、电力系统习题集陆敏政上海电力学院,课程要求,1、侧重基础、概念,2、掌握一些简单计算,3、欢迎讨论、提意见,4、考试内容：不超

2、出课堂讲授的内容，作业,第一章电力系统的基本概念,11电力系统概述12电力系统运行的特点和基本要求13电力系统负荷14电力系统结线方式和电压等级,升压变压器,火电厂,风电场,水电厂,一、电力系统、电力网、动力系统,11电力系统概述,电力系统是由发电机（发电厂）、变压器（变电站）、电力线路及用户组成的。电力网络是由变压器、电力线路等变换、输送、分配电能设备所组成的部分。动力系统在电力系统的基础上，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应堆等）包含在内的系统。,11电力系统概述,11电力系统概述,(一)发电厂分类（1）火电：锅炉汽轮机发电机（

3、2）水电：水库水轮机发电机（3）核电：核反应堆汽轮机发电机（4）其它：如风能、地热能、太阳能、潮汐等,11电力系统概述,（1）火力发电,火电发电燃料燃烧水蒸汽机械能发电,火电厂,凝汽式效率低（3740%）、容量大，坑口电厂,热电厂效率高（6770%）、容量小，城市区,11电力系统概述,火力发电厂,11电力系统概述,火力发电厂,11电力系统概述,火力发电厂,11电力系统概述,（2）水力发电,水冲击水轮机旋转带动发电机发电,水电厂,堤坝式,引水式：河床坡度较大时,坝后式：单独筑坝，厂房在坝后（三门峡）,河床式：厂房与坝一起（葛州坝）,混合式：兼有堤坝式与引水式,抽水蓄能水电厂,（2）水力发电,11

4、电力系统概述,三峡电站,11电力系统概述,（3）核电厂,核能,用核蒸汽发生系统代替火电厂锅炉生产蒸汽系统,裂变能：一定能量的中子撞击重金属元素的核（铀、钚）,聚变能：不同轻元素的原子核进行聚合（氘、氚）,11电力系统概述,1951年第一座100KW核电站在美国现在全世界有441座，总装机3.5亿kw我国秦山（30+2*60+2*70），大亚湾（2*90万KW）,2004年7月前701万kw（9座），即将在浙江三门、广东阳江，江苏田湾各建200万kw，投资500亿人民币2020年我国装机达8-8.5亿kw,其中核电3200万kw未来17年计划修建30座100万kw核电站核电投资大：1.11.65

5、万元/kw；火电：4000元/kw建设周期：核电70个月；火电：30个月核电比火电寿命长30年,（3）核电厂,11电力系统概述,11电力系统概述,（3）核电厂,（4）新能源发电,11电力系统概述,(二)变电站分类（按电压等级和地位）枢纽变电站终端变电站,(三)电网分类（按供电范围和电压等级）地方电力网330kv,11电力系统概述,（四）电力系统联网的意义可以安装容量大机组，减少备用容量可以合理利用动力资源水电、火电联网可以提高供电可靠性单机故障对用户供电影响不大可以提高运行的经济性机组间合理分配负荷，减少能源消耗,11电力系统概述,11电力系统概述,二、电力系统常用术语总装机容量指该系统中实际

6、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所有发电机组全年实际发出电能的总和，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。,11电力系统概述,额定频率按国家标准规定，我国所有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。,三、我国电力工业和电力系统简介1）发电量：1980年以来，平均年增长率9，现为世界第二位。2）装机容量：居世界第二位。,3）年人均电量：我国：1

7、000kW.h/人年中等发达国家：7000kW.h/人年北欧、美国：18000kW.h/人年,4）缺电问题与城乡电网改造电力工业跟不上国民经济的发展速度是造成缺电的重要原因我国在发电、输电、配电各方面投资比例失调是缺电的另一个方面原因。发电、输电、配电比例美国1:0.43:0.7日本1:0.47:0.68英国1:0.45:0.78我国1:0.21:0.12,5)电力体制改革方案：1(电监会)+2(电网公司)+5(发电集团)+4(辅业集团),6）我国主要电力系统简介,全国联网势在必行,现在：7个跨省电网，5个独立省网,2015年全国联网：,以三峡电站为中心，东西南北四方向联网东西以送电和联网效益

8、并重南北以获得联网效益为主，兼顾送电,联网方案：,首先建成三峡电网（华东、华中、四川、重庆）中部电网：以三峡电站为中心沿长江展开北部电网：以华北为中心，与东北、山东联网，开发黄河上游拉西瓦等水电站，实现与西北联网南部电网：红水河、澜沧江、乌江流域、贵州煤炭基地,12电力系统运行应满足的基本要求,一、电力系统运行特点电能不能大量储存暂态过程非常短促与国民经济及日常生活关系密切,12电力系统运行应满足的基本要求,二、对电力系统的要求保证安全可靠的供电（安全）保证良好的电能质量（优质）良好的经济性（经济）提供充足的电能（充足）环保问题（环保）,12电力系统运行应满足的基本要求,1、安全：（保证可靠的

9、供电）事故原因：人为、设备本身、自然灾害减少事故措施严密监视：SCADA设备检修提高人员素质,12电力系统运行应满足的基本要求,负荷分类（按负荷对供电可靠性要求分）一类负荷：对这一级负荷中断供电，将造成人身事故，经济严重损失，人民生活发生混乱。二类负荷：对这一级负荷中断供电，将造成大量减产，人民生活受影响。三类负荷：所有不属于一、二级的负荷。,12电力系统运行应满足的基本要求,2、优质衡量电能质量指标：,电压偏移：35kV5%10kV7%380V5%,频率偏移：0.20.5Hz,谐波畸变率：负荷谐波,12电力系统运行应满足的基本要求,3、经济,EX:一台600MW火电机组，年利用小时6000h

10、，煤耗率320g/kW.h，煤价：300元/吨。Sol：年发电量：600000kW6000h36亿kW.h需标煤：36亿kW.h320g/kW.h115.2万吨标煤燃料费：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,厂用电率,网损,煤耗率（水耗率）,12电力系统运行应满足的基本要求,4、充足5、环保火电厂装机70煤炭燃烧造成的污染限制污染物的排放量,1-3电力系统的负荷和负荷曲线,一电力系统的负荷1、负荷：系统中所有电力用户的用电设备所消耗的电功率总和。也称电力系统的综合用电负荷。是所有用户的负荷总加。2、负荷分类（按负荷性质分类）：工业、

11、农业、交通运输业、商业、生活等。3、电力系统的供电负荷：综合用电负荷加上电力网的功率损耗。4、电力系统的发电负荷：供电负荷加上发电厂厂用电消耗的功率。,1-3电力系统的负荷和负荷曲线,二负荷曲线：用曲线描述某一时间段内负荷随时间变化的规律1.日负荷曲线一天的总耗电量日平均负荷,负荷率km最小负荷系数,(a）钢铁工业负荷；(b)食品工业负荷；(c)农村加工负荷；(d)市政生活负荷,2.年最大负荷曲线：描述一年内每月（或每日）最大有功功率负荷变化的情况3.年持续负荷曲线：按一年中系统负荷的数值大小及其持续小时数顺序排列绘制而成,全年耗电量,最大负荷利用小时数Tmax,年最大负荷曲线,A=PmaxT

12、max,表各类用户的年最大负荷利用小时数,14电力系统的结线方式和电压等级,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、运行方便缺点：供电可靠性差适用范围：二级负荷,一、结线方式,14电力系统的结线方式和电压等级,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点：不经济适用范围：电压等级较高或重要的负荷,14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1、电力系统的额定电压等级,制定电压等级的原因：,三相功率正比于线电压及线电流（S=UI）。经济性：当输送功率一定时，输电电压愈高，则输送电流愈小，因而所用导线截面积愈小；但电压愈高对绝

13、缘的要求愈高，杆塔、变压器、断路器的绝缘投资也愈大。因而对应于一定的输送功率与输送距离应有一最佳的输电电压。标准化：从设备制造的经济性以及运用时便于代换，必须规格化、系列化，且等级不宜过多,14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,我国规定的电力系统额定电压等级（KV）：3、6、10、35、（60）、110、（154）、220、330、500KV,2、电气设备额定电压,14电力系统的结线方式和电压等级,14电力系统的结线方式和电压等级,由上表看出在同一系统额定电压下电气设备的额定电压是不同的，如何确定？,用电设备的额定电压与系统的额定电压相同,线路的额定电压,14电力系统的

14、结线方式和电压等级,线路两端都可以接用电设备,而用电设备的容许电压偏移一般为5%；沿线路的电压降落一般为10%；线路首端电压：Ua=UN(1+5%)线路末端电压：UbUN(15%)ULN（UaUb）2=UN,线路额定电压即线路的平均电压(UaUb)/2。,14电力系统的结线方式和电压等级,发电机的额定电压发电机通常接于线路始端，因此发电机的额定电压为线路额定电压的1.05倍UGNUN（15）,变压器的额定电压变压器一次侧：额定电压取等同于用电设备额定电压，对于直接和发电机相联的变压器，其一次侧额定电压等于发电机的额定电压即：U1NUGNUN（15）,14电力系统的结线方式和电压等级,二次侧：相

15、当于电源，额定电压取比线路额定电压高5%。因变压器二次侧额定电压规定为空载时的电压，而额定负荷下变压器内部电压降落约为5%。为使正常时变压器二次侧电压较线路额定电压高5%，变压器二次侧额定电压取比线路额定电压高10%。,3、各级电压等级架空线路的输送能力,典型例题:(1)确定各设备额定电压,10.5kV,10.5kV,121kV,38.5kV,110kV,11kV,35kV,14电力系统的结线方式和电压等级,三、电力系统中性点的运行方式（接地方式）,电力系统的中性点：星形连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：不接地（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直

16、接接地（大接地电流）：中性点直接接地如何确定电力系统中性点接地方式？应从供电可靠性、绝缘投资、对通信线路的干扰、继电保护以及确保人身安全诸方面综合考虑。,1.中性点不接地系统,正常运行,分析：（1）线电压与相电压关系；（2）中性点电位；（3）对地电容电流与相电压关系,中性点不接地系统正常运行时的结论：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，这说明没有电容电流经过大地流动。,1.中性点不接地系统,1.中性点不接地系统,单相（C相）接地,分析：（1）中性点对地电位；（2）非接地相对地电位；（3）对地电容电流,对地电容电流分析,1.中性点不接地系统,中性点不接地系统单

17、相接地故障的结论1：故障相对地电压降为零；非故障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。三相之间的线电压仍然对称，用户的三相用电设备仍能照常运行，但允许继续运行的时间不能超过2h。,1.中性点不接地系统,中性点不接地系统单相接地故障的结论2：接地电流在故障处可能产生稳定的或间歇性的电弧。如果接地电流大于30A时，将形成稳定电弧，成为持续性电弧接地，这将烧毁电气设备和可能引起多相相间短路。如果接地电流大于5A10A，而小于30A，则有可能形成间歇性电弧；间歇性电弧容易引起弧光接地过电压，其幅

18、值可达（2.53）U，将危害整个电网的绝缘安全。如果接地电流在5A以下，当电流经过零值时，电弧就会自然熄灭。,1.中性点不接地系统,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。,2、中性点经消弧线圈接地,2、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)金属性接地故障,消弧线圈的作用当发生单相接地故障时，接地故障相与消弧线圈构成了另一个回路，接地故障相接地电流中增加了一个感性电流，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，减少了接地故障点的故障电流，使电弧易于自行熄灭，从而避免了由此引起的各种危害，提高了供电可靠性。,消弧线圈的补偿方式,欠补偿方式：按ILIC选择消弧线圈的电感，此时接地故障点有剩余的电感电流流过。在过补偿方式下，即使电力网运行方式改变而切除部分线路时，也不会发展成为全补偿方式，致使电力网发生谐振。同时，由于消弧线圈有一定的裕度，今后电力网发展，线路增多、对地电容增加后，原有消弧线圈还可继续使用。因此，实际上大多采用过补偿方式。,全补偿方式：按IL=IC选择消弧线圈的电感，使接地故障点电流为零，此即全补偿方式。这种补偿方式并不好，因为当感抗等于容抗时，电力网将发生谐振，产生