第三版第1章 电力系统概述和基本概念

1、第一章 电力系统概述和基本概念,第一节 电力系统概述,第二节 电力系统的电压等级和负荷,第三节 电力系统中性点的接地方式,教学要求,1. 了解动力系统、电力系统及电力网络的概念；,返回,2. 掌握电气设备的额定电压的确定方法；,4. 熟悉电力系统中性点接地方式及其优缺点。,3.了解负荷曲线的类型及用途；,图1-1 动力系统、电力系统和电力网络示意图,第一节 电力系统概述,一 、 动力系统、电力系统及电力网,动力系统,电力系统,电力网,电力系统：是指由生产、输送、分配及使用电能的设备以 及测量、继电保护、控制装置乃至能量管理系统所组成的统一 整体。,动力系统：在电力系统的基础上又加上动力设备，统

2、称为 动力系统。,电力网络：电力系统中，各种电压等级的输配电力线路及 升降压变压器所成为的部分称为电力网络。,第一节 电力系统概述,动力系统：电力系统的+动力设备,电力网络：电力系统 （发电机+用电设备）,第一节 电力系统概述,说明： 电网（线路）的额定电压：根据需要、水平、技术、经济分 析后由国家确定； 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%； 在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为5%。,第二节 电力系统的电压等级和负荷,我国规定的电力网标准电压等级即是指线路额定电压(UN)，主要有：0.38、0.66 、3、6、10、35 、60、110、220、330、500

3、、750、1000kV。,2. 用电设备的额定电压,在电能输送时，线路等元件上会产生电压损失，使线路上各处的电压不相等，沿线的电压分布往往是始端高于末端，如图示。,一、三相交流电网和电力设备的额定电压,1. 电网（线路）的额定电压,重点,第二节 电力系统的电压等级和负荷,线路的额定电压实际就是线路的平均电压。,电力网各元件额定电压示意图,第二节 电力系统的电压等级和负荷,由于用电设备的允许电压偏移为 5% ，而沿线路的电压降落一般为10%，这样，若用电设备的额定电压取与线路的额定电压相等,则无论图中的负荷的（15）接在哪一点，都能保证其承受的电压不偏移额定电压的 5% 。,高压开关设备和控制设

4、备的额定电压可按其允许的最高工作电压标注。,第二节 电力系统的电压等级和负荷,3. 发电机的额定电压,因为发电机总是接在线路的首端，所以发电机的额定电压比线路的额定电压高5% ，用以补偿电网上的电压损失。,第二节 电力系统的电压等级和负荷,变压器具有发电机和用电设备的双重性。它的一次绕组相当于用电设备，二次绕组相当于发电机。,4. 变压器的额定电压,发电厂的 变压器,(1)变压器不与发电机相连时，一次绕组的额定电压等于电网的额定电压；,(2)变压器的一次绕组与发电机相连时，其一次绕组的额定电压等于发电机的额定电压，比电网电压高5%。,第二节 电力系统的电压等级和负荷,变压器二次绕组的额定电压是

5、指变压器空载运行时的电压。当变压器在额定负荷下运行时，其内部阻抗会造成大约5%的电压损失。,(1)变压器二次侧供电线路较长时，其二次侧额定电压比同级电网电压高10%；,(2)变压器的二次侧输电距离较短 (如低压电网或直接供电给高低压用电设备）时，则变压器二次侧的额定电压比同级电网的额定电压高5%。,4. 变压器的额定电压,第二节 电力系统的电压等级和负荷,表1-1 我国三相交流电网和电力设备的额定电压（据GB/T156-2007),教材中表1-1有误，并且不完善。,第二节 电力系统的电压等级和负荷,用电设备的额定电压：与线路的额定电压相同。,发电机的额定电压：同步发电机往往接在线路始端，因此，

6、 其额定电压比电力线路的额定电压高5%。,变压器的额定电压：一次侧相当于用电设备，其额定电压 等于线路的额定电压；二次侧相当于发电机，其额定电压 较线路额定电压高10%。,注意： 当一次侧直接和发电机相连时，其额定电压等于发电机 额定电压； 低压电网或直接与用电设备相连的变压器，其额定电压可以只比线路电压高5%。,总结,第二节 电力系统的电压等级和负荷,发电机G的额定电压：UNG=1.0510=10.5（kV） 变压器T1的额定电压： U1N=10.5（kV） U2N=1.1110=121（kV） 变压器T1的变比为：10.5/121kV 变压器T2的额定电压：U1N=110（kV） U2N=

7、1.056=6.3（kV） 变压器T2的变比为：110/6.3kV,变压器T2的二次侧供电距离较短，可不考虑线路上的电压损失,例1-1 已知下图所示系统中电网的额定电压，试确定发电机和变压器的额定电压。,功率流动,变压器T1的二次侧供电距离较长，其额定电压应比线路额定电压高10%,变压器T1的一次绕组与发电机直接相连，其一次侧的额定电压应与发电机的额定电压相同,110kV,10.5kV,10.5/121kV,0.38kV,110/0.4kV,第二节 电力系统的电压等级和负荷,例1-2 已知图示系统中线路、发电机的额定电压，求变压器的额定电压。,例1-3 已知图示系统中线路的额定电压，求发电机和

8、变压器的额定电压。,功率流动,解：G: UNG=1.05UN3L=1.056=6.3kV,1T: U1N1T=UNG=6.3kV U2N1T=1.1UN1L=1.1X110=121kV 6.3/121kV,2T: U1N2T=UN1L=110kV U2N2T=1.1UN2L=1.1X35=38.5kV 110/38.5kV,功率流动,例1-4 电力系统的部分接线如图所示，各电压级的额定电压及功率输送方向在图中已标明，试求 （1）发电机及各变压器高低压绕组的额定电压， （2）各变压器的额定变比。,变压器的额定电压：,变压器的额定变比：,5. 电力线路的额定电压与平均额定电压,电力线路平均额定电压

9、，是指电力线路首末端所接电气设额定电压的平均值，即： Uav=(UN+1.1UN) / 2 = 1.05UN,线路平均额定电压 = 1.05线路额定电压,电力线路额定电压,用规程 规定值,第二节 电力系统的电压等级和负荷,1. 负荷的分类, 一级负荷：重要负荷。须由两个或两个以上的独立电源 供电，电源间能自动和手动切换。, 二级负荷：较重要负荷。可由两个独立电源或一回专用线路供电，电源间可采用手动切换。, 三级负荷：一般负荷。一般采用一个电源供电即可。,电力系统供电的可靠性，就是要保证一级负荷在任何情 况下都不停电，二级负荷尽量不停电，三级负荷可以停电。,第二节 电力系统的电压等级和负荷,二、

10、电力系统的负荷,重点,2. 电能质量,电能质量三个主要指标：电压偏移、频率和电压波形。,电压偏移：一般不超过用电设备额定电压的5%。,电压偏移：设备的实际端电压U与设备额定电压UN之差对额定电压UN的百分值，即：,第二节 电力系统的电压等级和负荷,以300万kW为分界线,频率偏移：一般不超过0.20.5Hz。,第二节 电力系统的电压等级和负荷,本表是针对架空线路，电缆线路有所不同,波形畸变率：指各次谐波有效值平方和的方根与基波有效值的百分比。,3.电力线路的额定电压与输送功率和输送距离的关系,电力线路的额定电压越高，输送功率越大，输送距离越远。,第二节 电力系统的电压等级和负荷,500、330

11、、220kV一般用于大电力系统的主干线； 110kV用于中、小电力系统的主干线及大电力系统的二次网络； 35kV用于大城市或大工企业内部的网络，并广泛用于农村网络； 10kV是最常用的低一级配电电压； 6kV用于负荷中高压电动机占很大比重的网络； 3kV仅限于工企业内部网络。,世界都在变，事物也在变!,第二节 电力系统的电压等级和负荷,4. 负荷曲线,负荷曲线： 表示电力负荷随时间变动情况的坐标图。,从负荷曲线上可以掌握负荷变动规律，获得对设计和运行有用的资料。,第二节 电力系统的电压等级和负荷,日有功负荷曲线 a) 依点连成的平滑的负荷曲线 b) 绘成梯形的负荷曲线,有功功率(无功功率)日负

12、荷曲线：表明系统有功功率或无功 功率负荷在一天24小时的变化规律。 用途：有功功率日负荷曲线是制定各发电厂发电负荷计划及 系统调度运行的依据。 注意：无功功率与有功功率最大负荷不一定同时出现。,第二节 电力系统的电压等级和负荷,电力系统的日负荷曲线 （a）有功功率负荷； （b）无功功率负荷,第二节 电力系统的电压等级和负荷,有功功率年最大负荷曲线：表示一年内每月最大有功功率负 荷变化的曲线。 用途：作为扩建发电机组，新建电厂以及安排全年发电设备 检修计划的依据。,第二节 电力系统的电压等级和负荷,设备检修 时间,第二节 电力系统的电压等级和负荷,年持续负荷曲线：由一年中系统负荷按其数值大小及持

13、续时 间顺序由大到小排列面成的曲线。 用途：可靠性估算和电网规划与运行的能量损耗计算。,Pmax,5. 负荷曲线、负荷计算所用的物理量,（2）年最大负荷利用小时（Tmax）,（1）负荷全年消耗电量（Wa）,全年实际 消耗的电能量,根据年持续负荷曲线，计算系统负荷全年实际消耗电量Wa。,其中Pmax为最大负荷,第二节 电力系统的电压等级和负荷,（3）平均负荷,（4）负荷系数（负荷率）,电力负荷在一定时间t内平均消耗的功率。,负荷系数表征负荷曲线不平坦的程度，即表征 负荷起伏变动的程度。,越趋近1 越好,第二节 电力系统的电压等级和负荷,第三节 电力系统中性点的接地方式,中性点接地方式：不接地或经

14、高阻接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地及直接接地。,电力系统中性点接地方式是个极其复杂的问题，涉及到电力系统安全（包括设备安全和人身安全）、供电可靠性、经济性、继电保护、通信干扰等多方面。,电力系统中性点是指：指星形连接的变压器或发电机的中性点。,难点,一、中性点不接地,正常运行：电压、电流对称；线路对地电压为相电压；中性点对地电压基本为零。,第三节 电力系统中性点的接地方式,对地电压 = 相电压,基本为 零电位,正常时，电路对称,第三节 电力系统中性点的接地方式,变为 相电压,对地电压 线电压,金属性接地时，对地电压为0,第三节 电力系统中性点的接地方式,对地电压 线电压,单相接地：另两相对

15、地电压升高为原来的 倍。单相接地电容 电流为正常运行时相线对地电容电流的3倍。,第三节 电力系统中性点的接地方式,单相接地电流经验公式：,系统的额定电压,同一UN下架空线路总长度,同一UN下电缆线路总长度,第三节 电力系统中性点的接地方式,系统的相间电压的大小及相位均没有发生变化,电流 小,第三节 电力系统中性点的接地方式,断路器 不跳闸,可继续运行 2小时之内,特点： 供电的可靠性高、绝缘费用高、多重接地故障可 能性大、故障定位麻烦、不正常电压的危险性大、人身和设备安全性差、Ic较大时线路发生电压谐振的可能性大。,第三节 电力系统中性点的接地方式,第三节 电力系统中性点的接地方式,定位麻烦,

16、第三节 电力系统中性点的接地方式,中性点不接地方式的使用场合：360kV单相接地电流较小的系统中。 具体：额定电压为36kV，单相接地电流不大于30A；额定电压为10kV，单相接地电流不大于20A；额定电压为35 60kV，单相接地电流不大于10A的高压电网。,360kV架空线路的特点及要求: (1)线路应用广，且架设时离地距离低，易发生单相接地故障，但大部分是瞬时性的，不希望一发生故障就跳闸；(2)按线电压考虑绝缘，设备造价提高得不多。,第三节 电力系统中性点的接地方式,中性点不接地系统，若单相接地电流IC较大时，将在故障点形成电弧。,对于线路的单相接地： (1)当出现稳定电弧时可能烧坏电气

17、设备，或引起两相或三相短路。 (2)当出现不稳定电弧时，线路易发生电压谐振。,第三节 电力系统中性点的接地方式,对于发电机：当发电机绕组发生单相接地故障时，接地点 流过的电流是发电机本身及其引出回路连接元件(主母线、厂 用分支、主变压器低压绕组等)的对地电容电流。当该电流超 过允许值时，将烧伤定子铁芯，进而损坏定子绕组绝缘，引起 匝间或相间短路。,发电机接地电流允许值,第二节 电力系统的电压等级和负荷,二、中性点经消弧线圈接地,正常运行：与不接地系统一样。电压、电流对称；线路对地电压为相电压。,基本为 零电位,第三节 电力系统中性点的接地方式,没有电流流过消弧线圈,离线分级调匝式消弧线圈内部结

18、构示意图,外观很像 变压器,第三节 电力系统中性点的接地方式,第三节 电力系统中性点的接地方式,两个电流 方向相反,单相接地 电流变小,消弧线圈的作用,为相电压,第三节 电力系统中性点的接地方式,消弧线圈的作用,消弧线圈的接入可减小单相接地电流。,第三节 电力系统中性点的接地方式,对地电压 线电压,单相接地：另两相对地电压仍然升高为原来的 倍。,第三节 电力系统中性点的接地方式,系统的相间电压的大小及相位均没有发生变化,电流 更小,第三节 电力系统中性点的接地方式,断路器 不跳闸,可继续运行 2小时之内,第三节 电力系统中性点的接地方式,特点：供电的可靠性高、绝缘费用高、多重接地故障可能性大、

19、故障定位麻烦、不正常电压的危险性大、人身和设备安全性差、单相接地时线路发生电压谐振的可能性减小。,第三节 电力系统中性点的接地方式,中性点经消弧线圈接地方式的使用场合：360kV单相接地电流较大的系统中。 具体：额定电压为36kV，单相接地电流大于30A；额定电压为10kV，单相接地电流大于20A；额定电压为35 60kV，单相接地电流大于10A的高压电网。,发电机中性点经消弧线圈接地方式适用于单相接地电流超过允许值的中小机组或要求能带单相接地故障运行的200MW及以上大机组。,消弧线圈的补偿方式,(1)全补偿：接地点电流被补偿达到零值，IL=Ic； (2)欠补偿：电感电流小于接地电容电流，I

20、LIc； (3)过补偿：电感电流大于接地电容电流，ILIc。,电路会 发生 串联谐振,一般 采用,第三节 电力系统中性点的接地方式,三、中性点直接接地或低阻接地,第三节 电力系统中性点的接地方式,电位 不变,短路 电流大,跳闸,基本 不变,跳闸后自动重合闸弥补,单相接地：另外两相对地电压不变，单相接地后即通过接地中性点形成单相短路。单相短路电流比线路的正常负荷电流大得多，因此在此系统发生单相短路时保护装置应动作于跳闸，切除短路故障。,第三节 电力系统中性点的接地方式,特点：供电的可靠性差、绝缘费用低、多重接地故障可能性小、故障定位容易、不正常电压的危险性小、人身和设备安全性较好、单相接地时线路

21、发生电压谐振的可能性没有。,第三节 电力系统中性点的接地方式,第三节 电力系统中性点的接地方式,故障容易定位,使用场合：110kV及以上、低压220/380V系统中。,第三节 电力系统中性点的接地方式,110kV及以上系统，架空线路架设得比较高，发生单相接地故障的几率较小；中性点直接接地大大地降低了设备的造价！,但并不是每台变压器的中性点都要接地！,四、中性点经电阻接地,(一) 10kV配电网的特点,特点: (1) 大量使用电缆，电缆的电容电流大，消弧线圈补偿难度大；(2)电缆接地故障一般为永久性故障，需及时跳闸；(3)接地电弧为封闭性电弧，难自行熄灭，需及时跳闸。(4)城网一般为环网，单相接

22、地跳闸供电可靠性影响小。,10kV城网中性点 经小电阻接地 得到应用,第三节 电力系统中性点的接地方式,第三节 电力系统中性点的接地方式,中性点经电阻接地,(二) 10kV配电网中性点经电阻接地类型,经高值电阻接地,经中值电阻接地,经低值电阻接地,单相接地电流控制在10A以下。,单相接地电流控制在10A100A。,单相接地电流控制在1002000A。,第三节 电力系统中性点的接地方式,经高值电阻接地的特点: (1) 限制单相接地电流在10A以下，地电位升高小；(2)抑制阻尼谐振过电压和间歇性电弧接地过电压；(3)单相接地故障可不立即清除；(4)使用范围受到限制，仅用于某些610kV配电网。,经

23、中值电阻接地的特点: (1) 限制单相接地电流在10A100A，地电位升高不大 ；(2)抑制阻尼谐振过电压和间歇性电弧接地过电压；(3)单相接地故障线路立即被切除，造成间断供电。,第三节 电力系统中性点的接地方式,经低值电阻接地的特点: (1)谐振过电压和间歇性电弧接地过电压小；(2)单相接地电流大，故障定位容易；(3)地电位升高大 ；(4)单相接地故障线路立即被切除，造成间断供电。,据报道：广东地区多采用1015欧的电阻，在大多数情况下，可保证接地故障电流在100400A之间。,中性点经小电阻接地方式在10kA配电网中性点接地方式中得到应用。,第三节 电力系统中性点的接地方式,用于大型发电机、大型电厂的高压厂用电系统。,(三)大