第一章 电力系统的基本概念

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1、,,,,单击此处编辑母版标题样式,,,,*,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,*,/,20,,,,电气工程及其自动化专业,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,*,,,,,单击此处编辑母版标题样式,,,,*,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,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,

2、,,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,调频,调压,经济运行,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：不超出课堂讲授的内容，作业,,第一

3、章 电力系统的基本概念,1－1 电力系统概述,,1－2 电力系统运行的特点和基本要求,,1－3 电力系统负荷,,1－4 电力系统结线方式和电压等级,,,升压变压器,火电厂,风电场,高压输电网,降压变压器,用户,水电厂,,一、,电力系统、电力网、动力系统,1－1 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

4、的反应堆等）包含在内的系统。,1－1 电力系统概述,,1－1 电力系统概述,(,一,),发电厂分类,,（,1,） 火电：锅炉－汽轮机－发电机,,（,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,,,1－1 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（,37~40%,）、容量大，坑口电厂,热电厂,—,效率高（,67~70%,）、容量小，城市区,,1－1 电力系统概述,,火力发

5、电厂,,1－1 电力系统概述,,火力发电厂,,1－1 电力系统概述,,火力发电厂,,1－1 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,1－1 电力系统概述,,,三 峡 电 站,1－1 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

6、、钚）,聚变能,：,不同轻元素的原子核进行聚合（氘、氚）,1－1 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：,1.1,~,1.65,万元,/kw,；

7、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,1－1 电力系统概述,,,1－1 电力系统概述,（,3,）核电厂,,,（,4,）新能源发电,1－1 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,<35kv,,区域电力网,110~220kv,,远距离输电网,>330kv,1－1 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

8、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,,1－1 电力系统概述,,1－1 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。,,,1－1 电

9、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,50,Hz。,,,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： 1000,kW.h,/,人年,,中等发达国家： 7000,kW.h,/,人年,,北欧、美国： 18000,kW.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

10、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,,,,,两家电网公司是国家电网公司、中国南方电网有限责任公司；,,５家发电集团公司是中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司和中国电力投资集团公司；,,４家辅业集团公司是中国电力工程顾问集团公司、中国水电工程顾问集团公司、中国水利水电建设集团公司和中国葛洲坝集团公司。,,,,5),电力体制改革方案：,,,1(,电监会,)+2(,电网公司,)+5(,发电集团,)

11、+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,1－,2,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

12、,,与国民经济及日常生活关系密切,,1－,2,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,）,,1－,2,电力系统运行应满足的基本要求,1,、安全：,（,保证可靠的供电,）,,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,,,1－,2,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

13、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,。,,,1－,2,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：,≥35,kV ±5%,,≤10kV ±7%,,,380V ≤5%,频率,偏移,：,±0.2,~ 0.5Hz,谐波畸变率： 负荷,谐波,,1－,2,电力系统运行应满足的基本要求,3,、经济,EX:,一台600,MW,火电机组，年利用小时6000,h，,煤耗率320,g/kW.h，,煤价：300元/吨。,,Sol：,年发电量： 600000,kW×6000h＝36,亿

14、,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,厂用电率,网损,煤耗率（水耗率）,,1－,2,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

15、类）,：工业、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,k,m,,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

16、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,t,1,P,P,max,P,1,P,2,P,3,t,t,3,t,2,8760,T,max,全年耗电量,,最大负荷利用小时数,,T,max,,,,年最大负荷曲线,,A,=,P,max,T,max,,表,,各类用户的年最大负荷利用小时数,负 荷 类 型,T,max,/h,户内照明及生活用电,2000~3000,一班制企业用电,1500~2200,二班制企业用电,3000~4500,三班制企业用电,6000~7000,农 灌 用 电,1000~1500,,1－4 电力系统的结线方式和电压等级,放射式,干线式,树状,无

17、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,,1－4 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,,缺点：不经济,,适用范围：电压等级较高或重要的负荷,,1－4 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

18、对绝缘的要求愈高，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,,,1－4 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、500,KV,,,,2,、电气设备额定电压,1－4 电力系统的结线方式和电压等级,,1－4 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,

19、的额定电压,,与系统的额定电压相同,V,a,V,b,线路,的额定电压,,1－4 电力系统的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,=U,N,(1+5%),,,线路末端电压,：,Ub,＝,U,N,(1,－,5%),,U,LN,＝（,Ua,＋,Ub,）,∕,2=U,N,线路额定电压即线路的平均电压,(,Ua＋Ub)/2,。,,1－4 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,,U,GN,＝U,N,（1＋5％

20、）,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：,,U,1N,＝U,GN,＝U,N,（1＋5％）,,1－4 电力系统的结线方式和电压等级,,二次侧：,相当于电源，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,10.5

21、kV,121kV,38.5kV,110kV,11kV,35kV,1－4 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；

22、（,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60,0,。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

23、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2,h。,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30,A,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5,A~10A，,而小于30,A，,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，其幅值可达（2.5~3）,U,,，,将危害整个电网的绝缘安全。,,如果接地电流在5,A,以下，当电流经过零值时，电

24、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

25、弧线圈的补偿方式,欠补偿方式,：,按,I,L,I,C,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

26、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。,0,U,A,U,B,U,C,-,U,C,U’,A,U’,B,I,L,I,C,I,CA,I,CB,全补偿方式,：,按,I,L,=I,C,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，产生危险的高电压或过电流，影响系统安全运行。,,3,、中性点直接接地,负,,,荷,A,B,C,k,(1),I,k,(1),I,k,(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。,故障时：如发生接地故障，则构成 短路回路，接地相电流很大；

27、,,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装置。,,对地电压＝,U,N,，,电气设备的绝缘水平只需按电力网的相电压考虑，可以降低工程造价。,,我国380/220,V,系统中一般都采用中性点直接接地方式，主要是从人身安全考虑问题。,,适用范围,：,,我国110,kV（,国外220,kV）,及以上电压等级的电力系统 。,,380/220,V,低压系统。,,系统中一相接地的特点比较,,中性点不接地 中性点直接接地,,电流,,中性点电压,,非故障相,,电压,,,,线电压,,接地点的电容电流是正常运行时一相对地电容电流的,3,倍,故障相电流和流入故障点的电流很大,中

28、性点电压升高为相电压,故障相和中性点电压为零,非故障相对地电压仍为相电压,非故障相对地电压升高为线电压,与故障相相关的线电压降低为相电压,三相之间的线电压保持与正常时相同,经消弧线圈接地,:,适当选择线圈感抗,,,接地点电流可减小到很小,,,且熄灭接地电流产生的电弧。其他特点与不接地系统基本相同。,,110KV,及以上的系统,直接接地,3~6kV,电力网,(,接地电流,>30A),,,10kV,电力网,(,接地电流,> 20A),,35~60kV,电力网,(,接地电流,> 10A,),,4,、,各种接地方式的适用范围,,60KV,及以下的系统,,,1,）当容性电流超过下列值时采用,消弧线圈接地,2,）其它情况采用,中性点不接地,考虑因素：供电可靠性,、,绝缘投资、过电压等,,