第一章-电力系统基本概念-.ppt

第一章第一章 电力系统的基本概念电力系统的基本概念1-1 电力系统概述电力系统概述1-2 电力系统的特点和运行要求电力系统的特点和运行要求1-3 电力系统的接线方式和电压等级电力系统的接线方式和电压等级1-4 三相电力系统的中性点运行方式三相电力系统的中性点运行方式11o 电力系统的组成？电力系统的组成？2o 电力系统的特点？电力系统的特点？3o 系统电压等级？系统电压等级？4o 各设备额定电压？各设备额定电压？5o 中性点运行方式？中性点运行方式？需需掌掌握握的的问问题题第一章第一章 电力系统的基本概念电力系统的基本概念2升压变压器升压变压器 高压输电网高压输电网降压变压器降压变压器火电厂火电厂火电厂火电厂用用用用户户户户风电场风电场风电场风电场水电厂水电厂水电厂水电厂电力系统的组成电力系统的组成31-1 1-1 电力系统概述电力系统概述一、电力系统的组成4（1 1）电力系统：生产、输送、分配）电力系统：生产、输送、分配与消费电能的系统。包括：发电机、与消费电能的系统。包括：发电机、电力网和用电设备组成。电力网和用电设备组成。（2 2）电力网：电力系统中输送与）电力网：电力系统中输送与分配电能的部分。分配电能的部分。（3 3）动力系统：动力部分与电力）动力系统：动力部分与电力系统组成的整体。系统组成的整体。561 1电力系统的发展历程电力系统的发展历程 2 2中国电力系统的发展现状中国电力系统的发展现状 二、电力工业发展概况71.1.电力系统的发展历程电力系统的发展历程（1 1）电力系统的出现与发展）电力系统的出现与发展18311831年法拉第发现了年法拉第发现了电磁感应定律电磁感应定律 低压直流低压直流 18821882年在法国首先实现了电压在年在法国首先实现了电压在1kv1kv以上的以上的直流直流输电，输输电，输送功率只有送功率只有1.5kW1.5kW，但传输距离达到，但传输距离达到57km57km，形成了世界上，形成了世界上第一个完整的电力系统第一个完整的电力系统，它包含发电、输电和用电。，它包含发电、输电和用电。在在18911891年制成三相变压器和三相异步电动机的基础上，年制成三相变压器和三相异步电动机的基础上，首次在德国实现了首次在德国实现了三相三相交流输电，它由交流输电，它由95V95V、230kVA230kVA的水的水轮发电机，经变压器升压至轮发电机，经变压器升压至15 200V15 200V，将功率传送到，将功率传送到178km178km以外的法兰克福，然后用两台变压器降压至以外的法兰克福，然后用两台变压器降压至112V112V，分别供给照明负荷和一台异步电动机驱动分别供给照明负荷和一台异步电动机驱动75kW75kW的水泵，的水泵，从而形成了从而形成了现代电力系统的雏形现代电力系统的雏形。三相交流制取代了以。三相交流制取代了以前的直流系统前的直流系统 电压愈来愈高、容量和规模愈来愈大的区域性、地区性、电压愈来愈高、容量和规模愈来愈大的区域性、地区性、全国性甚至跨国性的电力系统全国性甚至跨国性的电力系统 直流？交流？直流？交流？8（2 2）特高压（）特高压（1000kV1000kV以上）输电的出现与展望以上）输电的出现与展望习惯上，习惯上，1 1100kV100kV为高压，为高压，1001001000kV1000kV为超高压，为超高压，1000kV1000kV以上为特高压。以上为特高压。2020世纪世纪6060年代国际上开始特高压输电的研究年代国际上开始特高压输电的研究19851985年苏联年苏联1228km1228km的的1150kV,1150kV,但至今运行于但至今运行于500kV500kV2020世纪世纪9090年代日本年代日本300km300km的的1000kV1000kV，但至今运行于，但至今运行于500kV500kV目前国际上实际投运的最高电压等级目前国际上实际投运的最高电压等级750kV(750kV(加、美、加、美、俄、巴西、南非等国）俄、巴西、南非等国）我国晋东南我国晋东南南阳南阳荆门特高压交流试验示范工程，荆门特高压交流试验示范工程，世界上第一条投入商业化运行的世界上第一条投入商业化运行的10001000千伏输电线路千伏输电线路 高压？高压？9（3 3）直流输电、紧凑型输电和灵活交流输电）直流输电、紧凑型输电和灵活交流输电直流输电在远距离输电中具有优越性，我国已有直流输电在远距离输电中具有优越性，我国已有多条多条800kV800kV输电线路。输电线路。高自然功率的紧凑型输电线路（俄罗斯、巴西），高自然功率的紧凑型输电线路（俄罗斯、巴西），我国我国500kV500kV紧凑型输电线路北京昌平到房山。紧凑型输电线路北京昌平到房山。灵活输电又称柔性输电可以跟灵活的调节电网功灵活输电又称柔性输电可以跟灵活的调节电网功率，国外已有较广泛应用。率，国外已有较广泛应用。其他：超导输电、低温输电、多相输电。其他：超导输电、低温输电、多相输电。102.2.中国电力工业的发展现状中国电力工业的发展现状（1 1）根据国家电力公司正式公布的数据，解放后）根据国家电力公司正式公布的数据，解放后5050年来全年来全国总装机容量和年发电量的增长情况分别如图国总装机容量和年发电量的增长情况分别如图1 1和图和图2 2所示。所示。图图1.19491998年全国年全国总装机容量变化情况总装机容量变化情况图图2.19491998年全国年全国年发电量变化情况年发电量变化情况11（2 2）中国电力系统格局）中国电力系统格局电网公司电网公司 1 1）国家电网公司）国家电网公司 成立于成立于20022002年年1212月月2929日日.2006.2006年中国电力生产情年中国电力生产情况全国发电量达到况全国发电量达到2834428344亿千瓦时。亿千瓦时。华北电网（山东，北京，河北，山西，天津）华北电网（山东，北京，河北，山西，天津）华东电网（上海，江苏，浙江，安徽，福建）华东电网（上海，江苏，浙江，安徽，福建）华中电网（河南、湖北、湖南、江西、四川、重庆）华中电网（河南、湖北、湖南、江西、四川、重庆）东北电网（辽宁，吉林，黑龙江，内蒙古的赤峰和通辽）东北电网（辽宁，吉林，黑龙江，内蒙古的赤峰和通辽）西北电网（陕西，甘肃，宁夏，新疆，青海）西北电网（陕西，甘肃，宁夏，新疆，青海）2 2）南方电网公司）南方电网公司 于于20022002年年1212月月2929日成立。下设两个分公司和五个全日成立。下设两个分公司和五个全资子公司，分别是超高压输变电公司、电力财务公司，广东、云南、资子公司，分别是超高压输变电公司、电力财务公司，广东、云南、广西、贵州和海南电网公司。广西、贵州和海南电网公司。发电集团发电集团 华能、国电、大唐、华电、中电投五大国有发电集团华能、国电、大唐、华电、中电投五大国有发电集团 1213141516171 1稳态：稳态：正常的、变化相对比较缓慢以至可正常的、变化相对比较缓慢以至可以忽略的运行状态以忽略的运行状态运行变量与时间运行变量与时间t t无关，描述其特征可用代数方程无关，描述其特征可用代数方程2 2暂态：暂态：非正常的、变化较大以至引起系统非正常的、变化较大以至引起系统从一个稳定运行状态到向另一个稳定运行从一个稳定运行状态到向另一个稳定运行状态过渡的运行状态状态过渡的运行状态运行变量与时间运行变量与时间t t有关，描述其特性要用微分方程有关，描述其特性要用微分方程三、电力系统的运行状态表征运行状态的参数：电压表征运行状态的参数：电压U、电流、电流I、功率、功率P&Q、频率、频率f18一、电力系统的运行特点1-2 1-2 电力系统的特点和运行要求电力系统的特点和运行要求 与与国国民民经经济济各各个个部部门门、国国防防和和日日常常生生活之间的关系都很密切活之间的关系都很密切电能不能大量储存电能不能大量储存 电能的生产、输送、分配和使用同时进行电能的生产、输送、分配和使用同时进行电力系统的暂态过程十分迅速电力系统的暂态过程十分迅速 过电压暂态过程只有微秒到毫秒数量级过电压暂态过程只有微秒到毫秒数量级 发生故障到系统失去稳定性发生故障到系统失去稳定性 几秒几秒 事故引起系统全面瓦解事故引起系统全面瓦解 以分钟计以分钟计对电能质量的要求比较严格对电能质量的要求比较严格 频率、电压偏移、电压波形频率、电压偏移、电压波形19二、对电力系统运行的基本要求保证系统运行的安全可靠性保证系统运行的安全可靠性 系统必须有足够的电源容量和合理布局系统必须有足够的电源容量和合理布局 电网结构合理电网结构合理 必要时采取提高稳定性的措施必要时采取提高稳定性的措施 第一级负荷、第二级负荷、第三级负荷第一级负荷、第二级负荷、第三级负荷 保证良好的电能质量保证良好的电能质量保证系统运行的经济性保证系统运行的经济性环保问题环保问题201-3 1-3 电力系统的接线方式和电压等级电力系统的接线方式和电压等级一.电力系统的电气连接方式 图图1 无备用接线方式无备用接线方式（a）放射式）放射式 （b）干线式样）干线式样 （c）链式链式21图图2 有备用接线方式有备用接线方式（a）放射式样放射式样 （b）干线式干线式 （c）链式链式 （d）环式环式 （e）两端供电网络两端供电网络22二、电力系统的额定电压和额定电压等级1.1.电力输送中电压与输送容量的关系电力输送中电压与输送容量的关系 S S一定时，一定时，U U越高，越高，I I越小，导线等载流部分的截面积越小，导线等载流部分的截面积越小越小，投资越小，电能损耗越小；，投资越小，电能损耗越小；U U越高，对绝缘越高，对绝缘要求高，杆塔、变压器、断路器等绝缘投资大。要求高，杆塔、变压器、断路器等绝缘投资大。对应于一定的输送功率和输送距离应有一最合理的线对应于一定的输送功率和输送距离应有一最合理的线路电压。但从设备制造角度和电力工业发展，国家路电压。但从设备制造角度和电力工业发展，国家标准规定标准电压等级标准规定标准电压等级23所谓所谓额定电压额定电压，就是发电机、变压器和电气设，就是发电机、变压器和电气设备等在正常运行时具有最大经济效益时的电压。备等在正常运行时具有最大经济效益时的电压。国家规定了国家规定了标准电压等级标准电压等级系列，系列，有利于电器制造业的生产标准化和系列化有利于电器制造业的生产标准化和系列化有利于设计的标准化和选型有利于设计的标准化和选型有利于电器的互相连接和更换有利于电器的互相连接和更换有利于备件的生产和维修等有利于备件的生产和维修等应选择最合适的额定电压等级。应选择最合适的额定电压等级。24除西北地区外：除西北地区外：500kV,220kV,110kV,35kV,10kV500kV,220kV,110kV,35kV,10kV西北地区：西北地区：750kV,330kV,220kV,10kV,35kV,10kV750kV,330kV,220kV,10kV,35kV,10kV.220kV220kV及以上：大电力系统的主干线；及以上：大电力系统的主干线；110kV110kV：中小系统的主干线、大系统的二次网络；：中小系统的主干线、大系统的二次网络；35kV35kV：大城市或大工业企业内部网络、农村网络；：大城市或大工业企业内部网络、农村网络；10kV10kV：更低一级配电电压；：更低一级配电电压；3kV3kV（6kV6kV）：工业企业内部（高压电动机比重大）：工业企业内部（高压电动机比重大）各电压等级的输电能力见下表2.2.额定电压等级：额定电压等级：25各级电压架空线路的输送能力各级电压架空线路的输送能力26说明：说明：(1)(1)用电设备的容许电压偏移一般为用电设备的容许电压偏移一般为5%5%；(2)(2)沿线路的电压降落一般为沿线路的电压降落一般为10%10%；(3)(3)在额定负荷下，变压器内部的电压降落在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为约为5%5%。3.3.电力网中的电压分布及电气设备的额定电压电力网中的电压分布及电气设备的额定电压27电气设备的额定电压电气设备的额定电压1.1.用电设备的额定电压用电设备的额定电压：规定为系统额定电压，使：规定为系统额定电压，使所有设备能在接近它们的额定电压下运行；所有设备能在接近它们的额定电压下运行；2.2.线路线路：等于系统的额定电压（线路始端电压：等于系统的额定电压（线路始端电压V Va a为为额定电压的额定电压的105%105%，则末端电压，则末端电压V Vb b为额定电压的为额定电压的95%95%）。）。V VN N=（V Va a+V+Vb b）/2/23.3.发电机发电机：规定为系统额定电压的：规定为系统额定电压的105%105%28 4.4.变压器变压器一次侧：一次侧：相当于用电设备，其额定电压与相当于用电设备，其额定电压与系统系统相相同；与发电机直接相连时，则与同；与发电机直接相连时，则与发电机发电机相同相同二次侧（空载电压）：二次侧（空载电压）：相当于电源，其额定电压相当于电源，其额定电压应比系统高应比系统高5%5%，考虑变压器，考虑变压器额定负载运行额定负载运行时内时内部的电压损耗（部的电压损耗（5%5%），实际应定为比线路高），实际应定为比线路高10%10%。只有漏抗很小的、二次侧直接与用电设。只有漏抗很小的、二次侧直接与用电设备相联的和电压特别高的变压器，其二次侧额备相联的和电压特别高的变压器，其二次侧额定电压才可能较线路额定电压仅高定电压才可能较线路额定电压仅高5%5%2930GUaUNUNUbabT 1T2UNUN95%UN95%UN105%UNcd电压沿功率流动方向在电网的分布示意电压沿功率流动方向在电网的分布示意31高高(中中)压绕组若干分接头，额定电压？变比计算？压绕组若干分接头，额定电压？变比计算？220kV升压变压器升压变压器降压变压器降压变压器高高(中中)压绕组若干分接头，额定电压为主分接头的空载压绕组若干分接头，额定电压为主分接头的空载电压；实际变比则按实际接头计算电压；实际变比则按实际接头计算32典型例题典型例题 :(1)1)确定各设备额定电压确定各设备额定电压;(2);(2)若若T1T1工作于工作于+2.5%+2.5%抽头抽头,T2,T2工作于主抽头工作于主抽头,T3,T3工作于工作于-5%-5%抽头抽头,求各变压器变比求各变压器变比.10.5kV10.5kV121kV38.5kV110kV11kV35kV33作业：作业：如下图所示，如下图所示，（1 1）确定发电机）确定发电机G G、变压器、变压器T1T1T4T4、线路、线路L1L1L3L3、电动、电动机机M M等元件的额定电压。等元件的额定电压。（2 2）当变压器）当变压器T1T1在在+2.5%+2.5%抽头处工作、抽头处工作、T3T3在在2.5%2.5%抽头抽头处工作时，试求这两个变压器的实际变比。处工作时，试求这两个变压器的实际变比。341-4 1-4 三相电力系统中性点运行方式三相电力系统中性点运行方式 发电机定子绕组发电机定子绕组Y Y联结的中性点联结的中性点：一种是不接地另一种是为了防护定子绕组过电压而采用经过避雷器接地。避雷器内部有气隙，所以正常运行和不接地一样。变压器变压器Y Y接法线圈的中性点接法线圈的中性点：不接地，1035kV系统多属这类情况。经过一个线性电抗线圈，即消弧线圈接地，1063kV系统有这种方式。直接接地，110kV及以上电压系统351.1.中性点不接地系统中性点不接地系统 正常运行正常运行分析：分析：（1）线电压与相电压关系；（线电压与相电压关系；（2）中性点）中性点 电位；（电位；（3）对地电容电流与相电压关系）对地电容电流与相电压关系36在正常运行时，各相对地电压在正常运行时，各相对地电压 、是对称是对称的，其值为相电压的，其值为相电压 中性点电压为零中性点电压为零各相对地电容相同（设线路单位长度电容为各相对地电容相同（设线路单位长度电容为 ，线路长度为线路长度为 l ），电容电流对称且超前相电压），电容电流对称且超前相电压9090，其值为，其值为 ，故三相电容电流，故三相电容电流矢量和为零。矢量和为零。37单相（单相（C C相）接地相）接地分析：分析：（1）中性点对地电位；（）中性点对地电位；（2）非接地相对地电）非接地相对地电 位；（位；（3）对地电容电流）对地电容电流38当发生一相接地故障时，故障相对地电压为零当发生一相接地故障时，故障相对地电压为零中性点电位为中性点电位为C C相电压的负值相电压的负值非故障相对地电压将升高至原来相电压的非故障相对地电压将升高至原来相电压的 倍倍线电压在大小和相位上都没有变化线电压在大小和相位上都没有变化故障相对地电容被短接，非故障相由于对地电压的故障相对地电容被短接，非故障相由于对地电压的升高其电容电流升至原来电容电流的升高其电容电流升至原来电容电流的 倍。此时，倍。此时，流经故障点的电流流经故障点的电流 为非故障相为非故障相A A、B B两相电容电两相电容电流的矢量和流的矢量和 ，其有效值，其有效值为为 39 以上分析表明，中性点不接地系统发生单相接地以上分析表明，中性点不接地系统发生单相接地故障时：故障时：故障相电压为零，非故障相对地电压升高到故障相电压为零，非故障相对地电压升高到原来相电压的原来相电压的 倍，线间电压不变，流过故障点的电流倍，线间电压不变，流过故障点的电流为正常情况下每一相对地电容电流的为正常情况下每一相对地电容电流的3 3倍。倍。因为线电压不变，所以单相故障时允许继续运行因为线电压不变，所以单相故障时允许继续运行2-32-3小时小时 采用中性点不接地系统运行方式时：采用中性点不接地系统运行方式时：1 1）电气设备对地绝缘要求必须按）电气设备对地绝缘要求必须按线电压线电压数值来考虑。数值来考虑。2 2）若单相接地电容电流超过规定值，会产生稳定电弧致使）若单相接地电容电流超过规定值，会产生稳定电弧致使电网出现暂态过电压，危及电气设备安全。这时应采取电网出现暂态过电压，危及电气设备安全。这时应采取中性点经消弧线圈（或电阻）接地的运行方式。中性点经消弧线圈（或电阻）接地的运行方式。402.2.中性点经消弧线圈接地中性点经消弧线圈接地41消弧线圈实际上是一个铁心可调的消弧线圈实际上是一个铁心可调的电感电感线圈，安装在变压线圈，安装在变压器或发电机中性点与大地之间。器或发电机中性点与大地之间。系统发生单相接地故障时，接地故障相与消弧线圈构成了系统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，接地电流中增加了一个感性电流另一个回路，接地电流中增加了一个感性电流I IL L，它和装，它和装设消弧线圈前的电容电流方向相反，相互补偿，设消弧线圈前的电容电流方向相反，相互补偿，减小了接减小了接地点的故障电流地点的故障电流，使电弧易于自行熄灭，提高了供电可靠，使电弧易于自行熄灭，提高了供电可靠性。性。中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，与中性中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，与中性点不接地的系统一样，非故障相电压仍升高点不接地的系统一样，非故障相电压仍升高 倍，三相导倍，三相导线之间的线电压仍然平衡，电力系统可以继续运行。线之间的线电压仍然平衡，电力系统可以继续运行。42中性点经消弧线圈接地的应用：中性点经消弧线圈接地的应用：对对3-60kV3-60kV网络，容性电流超过下列数值时，中性点网络，容性电流超过下列数值时，中性点应装设消弧线圈。应装设消弧线圈。3 3 6kV 6kV 电力网电力网 (接地电流接地电流 30A)30A)10kV 10kV 电力网电力网 (接地电流接地电流 20A)20A)3535 60kV 60kV 电力网电力网 (接地电流接地电流 10A)10A)433.3.中性点直接接地系统中性点直接接地系统缺点缺点:供电可靠性低。当供电可靠性低。当发生一相对地绝缘破坏发生一相对地绝缘破坏时，除中性点外出现另时，除中性点外出现另一个接地点，构成短路一个接地点，构成短路回路，接地相电流很大，回路，接地相电流很大，必须迅速切除接地相甚必须迅速切除接地相甚至三相。至三相。优点：优点：非故障相对地电压非故障相对地电压不变，电气设备绝缘水不变，电气设备绝缘水平可按相电压考虑。平可按相电压考虑。44系统中发生一相接地的特点比较系统中发生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。45110kV110kV及以上高压系统，为降低及以上高压系统，为降低设备绝设备绝缘要求缘要求，多采用中性点直接接地运行，多采用中性点直接接地运行方式；方式；6 635kV35kV中压系统中，为中压系统中，为提高供电可靠提高供电可靠性性，首选中性点不接地运行方式，当，首选中性点不接地运行方式，当接地电流不满足要求时，可采用中性接地电流不满足要求时，可采用中性点经消弧线圈接地的运行方式点经消弧线圈接地的运行方式46 电力系统的概念、组成、特点电力系统的概念、组成、特点 电力系统的结线方式电力系统的结线方式 系统电压等级（系统电压等级（）各电气设备额定电压的确定（各电气设备额定电压的确定（）中性点运行方式（中性点运行方式（）本章小结：本章小结：47