1电力系统概述

动机学院前沿讲座,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,*,*,发电厂电气设备,目 录,第一章 电力系统概述,第二章 电力系统短路及其计算,第三章 电气主接线及设计,第四章 厂用电,第五章 载流导体的发热与电动力效应,第六章 导体及电气设备的原理与选择,参考书目,电力系统概述,发电厂电气设备,电力系统概述,目 录,第一节 电力系统基本概念,第二节 电力系统接线方式与电压等级,第三节,电力系统中性点的运行方式,一、我国电力工业概况及发展趋势,我国近代电力工业的发展可以分为 19501978 年和1978年以后两个阶段。,在19501978年期间，新中国的建立为电力工业的发展创造了有利条件。,1978年后，中国开始实行改革开放政，电力工业更是以前所未有的速度向前发展。,目前，比较完备的电力工业体系已经初步建立，技术装备水平正在逐步提高。,一、我国电力工业概况及发展趋势,（1）装机容量发展,2002年5月我国安装在岭澳核电厂的100万kW级容量核电机组商业投产。,2003年7月7日，我国首台70万kW水轮机组在三峡水力发电厂顺利通过72小时试运行。世界最大的水力发电厂是三峡水力发电厂，总装机容量为1820万kW。,2004年4月20日我国首次引进的上海外高桥90万kW超临界机组投产，标志着我国单机装机容量跨入百万千瓦级的世界先进行列。,一、我国电力工业概况及发展趋势,（1）装机容量发展,2004年11月23日1时17分，华能沁北电厂1号机组顺利通过168小时试运，正式投入生产。这是我国首台60万kW国产化超临界燃煤机组投产。这标志着我国电站设备制造和电力工业装备水平从此迈上了新台阶。,2007年11月24日，以浙江华能玉环电厂4号超超临界燃煤机组顺利投产为标志，我国最大的100万kW级火力发电厂宣告建成投产。,拥有4台国产100万千瓦超超临界机组的华能玉环电厂工程是我国“863计划”中引进超超临界发电技术，实现国产化依托工程的国家重点建设项目。,一、我国电力工业概况及发展趋势,（1）装机容量发展,到年2013年底，全国发电设备装机容量达到12.3亿千瓦左右，超过美国。其中可再生能源3.6亿千瓦，火电8.6亿千瓦，核电1461万千瓦。资料显示，到2012年底我国发电装机容量为11.4亿千瓦，与美国基本持平。,这些都说明了我国电力工业已进入大机组、大电厂、大电网、超高压、高度自动化的发展时期和向跨大区联网、推进全国联网的新阶段。,一、我国电力工业概况及发展趋势,（2）电网骨架,除西北电网最高电压等级为 330 kV 外，其他跨省电网和山东电网已建成 500 kV 主网架。,全长146km的青海官亭兰州东750kV输电示范工程在2005年10月投运，这是我国首条电压等级最高、世界海拔最高的输变电工程。,我国交流1000kV晋东南南阳荆门特高压交流试验示范工程于2009年1月6日正式投产；,一、我国电力工业概况及发展趋势,（2）电网骨架,2010年6月18日，直流800kV直流输电工程云广特高压直流输电工程竣工投产。这是世界上第一条800kV直流输电工程。,全国已经形成了东北电网、华北电网、华中电网、华东电网、西北电网和南方电网 6 个跨省（自治区、直辖市）的大型区域电网，并基本形成了完整的长距离输电电网网架。国家电网主网架示意图如图 1 - 1 所示。,国家电网主网架示意图,一、我国电力工业概况及发展趋势,（3）发展趋势,今后，我国电力工业在火电、核电、水电、可再生能源发电以及电网建设等方面的发展方向如下。,1）继续优化发展火电,火电包括了煤电、气电、热电联产及分布式电源等。,由我国能源资源赋存决定，以煤为主的能源结构，将维持很长时间，在相当长时间内我们都将坚持“以电为中心，以煤为基础”这一能源发展的基本思路。,一、我国电力工业概况及发展趋势,（3）发展趋势,1）继续优化发展火电,因此调整电源结构，一方面要进一步提高电煤在总的煤炭消费中的比重，具体要根据煤炭在我国能源中的消费总量来确定；,另一方面要调整煤炭发电的技术结构，以,提高能效、降低消耗、减轻排放,。,具体包括如下几方面：,一、我国电力工业概况及发展趋势,（3）发展趋势,1）继续优化发展火电,具体包括如下几方面：,要进一步提高大容量、高参数机组的比例；,进一步提高热电联产比重，机型选择要科学；,加大大型矿区煤电联合开发，扩大大型火电基地的规模效益与煤电产业上下游联合协调的联营效益；,加大煤炭清洁发电的技术开发力度；,要尽可能提高气电的比重，但重点应放在小型分布式发电。,一、我国电力工业概况及发展趋势,（3）发展趋势,2）加快核电发展，提高核电在电源结构中的比重,面对当前日益紧迫的环境和气候问题，调整能源结构，大力发展核电，以核能替代化石燃料是重要的方向，是走向低碳，实现温室气体减排的现实出路。,同时也是在经济衰退期用于拉动经济，扩大就业其影响面和带动力都是较大的产业。,我国核电的发展差距很大。核能发电量只占全国总电量的1.9 % ，而世界核电的比重平均在1516%，发达国家在20以上，高的达7080。,一、我国电力工业概况及发展趋势,（3）发展趋势,3）继续大力开发水电,2008 年我国水电装机容量达1.6亿kW左右，开发率为技术可开发 5.4亿kW的29.6%，与发达国家都在 70左右的开发率相比，还是处于比较低的水平，水电开发的潜力还很大。,今后水电开发重点仍是黄河上游、金沙江及长江上游和澜沧江等正在开发的河段，同时要做好黄河北干流、黑山峡及怒江开发的前期准备，以及黑龙江的合作开发等。,一、我国电力工业概况及发展趋势,（3）发展趋势,3）继续大力开发水电,西藏地区“十二五”规划是要加快雅鲁藏布江中游河段干支流的藏嘎、藏木和拉萨河的巴河等中小型电站的开发，以适应西藏地区自身用电的需要。,水电开发要高度重视生态保护，实现环境友好，做好移民工作，确保社会和谐。,坚持在开发中保护，在保护中开发的原则。,一、我国电力工业概况及发展趋势,（3）发展趋势,4）积极发展可再生能源发电,当前除了水电以外的可再生能源，技术成熟、可以大规模开发的是风能发电、太阳能发电与生物质能发电三种，由于其资源具有分散性和能源密度较低特点，因此其利用方式宜以分布或面向终端供电为主。,一、我国电力工业概况及发展趋势,（3）发展趋势,5）进一步加强电网建设,从电力行业内部结构来看，处理好电源与电网的关系十分必要。,长期以来，电网一直是个薄弱环节。这既是受长期的重发轻供的影响，电网投资不足等所造成的，也由于能源产地越来越远离负荷中心及可再生能源等间歇电源与分布式电源的发展，信息化的发展与工业化的融合的要求等，给电网的规划建设带来新的问题。,二、动力系统及电力系统的相关基本概念,电力系统,发电机把机械能转化为电能，电能经变压器和电力线路输送并分配到用户，在那里经电动机、电炉和电灯等设备又将电能转化为机械能、热能和光能等。,这些生产、变换、输送、分配、消费电能的发电机、变压器、电力线路及各种用电设备等联系在一起组成的统一整体就是电力系统。,与电力系统一词相关的还有电力网和动力系统。,二、动力系统及电力系统的相关基本概念,电力网,电力网指电力系统中除发电机和用电设备外的部分，由变压器和电力线路组成。,电力网按其职能分为输电网和配电网。,输电网,输电网一般是由 220kV 及以上电压等级的输电线路和与之相连的变电所组成，是电力系统的主干部分。它的作用是将电能输送到距离较远的各地区配电网或直接送给大型工厂企业。,二、动力系统及电力系统的相关基本概念,配电网,配电网是由 110kV 及以下电压等级的配电线路 和配电变压器组成，其作用是将电能分配到各类用户。,110kV 和 35kV 为高压配电，10kV 为中压配电，380V / 220V 为低压配电。,二、动力系统及电力系统的相关基本概念,变压器按其功能分为升压变压器和降压变压器。,升压变压器,升压变压器将电能由一个较低的电压级升高到一个较高的电压级以利于传输。,降压变压器,降压变压器将电能由一个较高的电压级降到一个较低的电压级以利于分配或使用。,二、动力系统及电力系统的相关基本概念,电力线路按其结构分为架空线路和电缆线路。,架空线路,架空线路由杆塔、绝缘子和金具将导线、避雷线及中性线架设在地面之上；,电缆线路,电缆线路则敷设在地下。,二、动力系统及电力系统的相关基本概念,动力系统,动力系统就是电力系统和动力部分的总和。,动力部分,所谓动力部分，指火力发电厂的锅炉、汽轮机、热力网和用热设备，水力发电厂的水库和水轮机，核电厂的反应堆等。,所以电力网是电力系统的一个组成部分，而电力系统又是动力系统的一个组成部分。,二、动力系统及电力系统的相关基本概念,动力部分,然而，现在习惯上所用的术语不是很严格，动力系统这个概念基本上已不再使用，广义的动力系统是由动力部分、发电机、变压器和用电设备，以及测量、保护、控制装置乃至能量管理系统所组成的统一整体。,图 1-2 所示为动力系统、电力系统和电力网示意图。,动力系统、电力系统和电力网示意图,二、动力系统及电力系统的相关基本概念,电力系统接线图,电力系统接线图有两种：电气接线图和地理接线图。,电气接线图,电气接线图反映电力系统中各个发电机、变压器、母线及线路等元件之间的电气联系，但不能反映各发电厂和变电所的相对地理位置。虽然现代电力系统为三相交流系统，但为简明起见，电力系统的电气接线图一般用单线图表示。,图1-2 就是电气接线图，图中还包含有直流输电网络，它由三相交流变压器、整流器、逆变器及直流输电线路组成。,二、动力系统及电力系统的相关基本概念,电力系统接线图,电力系统接线图有两种：电气接线图和地理接线图。,地理接线图,地理接线图是按一定比例表示各发电厂和变电所的相对地理位置、电力线路的路径以及它们之间的相互连接关系，但它不能完全显示各电力元件之间的连接情况。,因此，两类接线图常常配合使用，互为补充。,图 1-3 是地理接线图。,地理接线图,电力系统的基本概念,2006年湖南220kV及以上电网规划地理接线图,三、电力系统运行的特点及基本要求,（1）电力系统运行的特点,与其他工业产品相比，电能的生产、输送、分配和消费有着极明显的特殊性，主要有以下几个特点。,1）电能与国民经济各个部门的关系都很密切,2）电能不能大量储存,三、电力系统运行的特点及基本要求,（1）电力系统运行的特点,3）快速性,由于电能的传播速度接近光速，所以它从一处传至另一处所需的时间极短；,电力系统从一种运行方式转变到另一种运行方式的过渡过程非常快；,电力系统中的事故从发生到引起严重后果所经历的时间常以秒甚至毫秒计；从发生故障到系统失去稳定性通常也只有几秒的时间；因事故而使系统全面瓦解的过程一般也只以分钟计。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（1）电力系统运行的特点,3）快速性,所以为了使设备不致因暂态过程的发生而招致损坏，特别是为了防止电力系统失去稳定或发生崩溃，必须在系统中采用相应的快速保护装置和各种自动控制装置。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,根据以上的特点，对电力系统的运行有以下三点基本要求。,1）保证安全可靠地持续供电,电力系统供电的中断将使生产停顿，生活混乱，甚至危及设备和人身的安全，造成十分严重的后果。,所以，电力系统首先必须满足安全可靠地持续供电。,电力系统运行的安全性和可靠性是两个不同的概念。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,1）保证安全可靠地持续供电,安全性,安全性是指要保证系统本身设备的安全，不论在正常运行情况还是在事故情况下均应如此。,可靠性,可靠性是指保证对用户的长时间不间断持续供电的概率指标。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,1）保证安全可靠地持续供电,为了提高电力系统的安全可靠性，要求系统必须有足够的电源容量和合理的布局；而且电网的结构也必须合理。,为此，在输电系统中大都采用环行网络，在配电网络中，大都采用“闭环结构开环运行”的方式，即网络本身是环形的，但在正常运行情况下，断开其中的一些线路，使它呈辐射形，而在发生故障后则通过开关操作将失去电源的负荷转移到其他线路上去。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,1）保证安全可靠地持续供电,虽然保证对用户的持续供电非常重要，但并不等于说所有的负荷都不能停电。,一般，按对供电可靠性的要求将负荷分为三级。,第一级负荷,对这些负荷的中断供电，将可能危及人身安全、设备损坏，破坏生产过程，产品报废，生产秩序长期不能恢复正常，给国民经济造成重大损失，使人民生活发生混乱等。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,1）保证安全可靠地持续供电,第二级负荷,对这一级负荷的中断供电，将造成大量减产，人民生活受到影响等。,第三级负荷,所有不属于第一、二级的负荷，如工厂的附属车间、小城镇等负荷属于第三级负荷。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,1）保证安全可靠地持续供电,对第一级负荷要保证不间断供电，对第二级负荷，如有可能，也要保证不间断供电。,此外，还有极少数特殊重要的负荷要求绝对可靠地不间断供电。,对各级负荷可根据具体情况采用适当的技术措施保障对其供电的安全可靠性，如对第一、二级负荷可以采用有备用的接线方式等。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,2）保证良好的电能质量,电能质量主要指频率质量、电压质量和电压波形。,在我国，对于频率的容许偏差、电压的容许偏差以及谐波电压和电流的容许含量都有相应的标准，在电力系统设计和运行中都不允许超出这些标准。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,2）保证良好的电能质量,频率标准,我国电力系统的额定频率规定为 50Hz 。,对大型电力系统，频率的允许范围为 50Hz0.2Hz，对中小电力系统，频率的允许范围为 50Hz0.5Hz。,欧美各国和日本的系统频率变化大体控制在0.1Hz 以内。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,2）保证良好的电能质量,频率标准,频率偏离正常允许范围时，对用户和电力系统本身都会造成很大危害。,系统频率变化将引起工业用户的电动机转速的变化，这将影响产品的质量。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,2）保证良好的电能质量,频率过低,使电动机有功功率降低，将影响所有转动机械的出力。,系统频率过低，将会影响某些电子设备的准确性。,发电厂厂用机械多使用异步电动机带动，系统频率降低使电动机出力降低，若频率降低过多，将使电动机停止运转，会引起严重后果，例加火电厂的给水泵停止运转，将迫使锅炉停炉。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,2）保证良好的电能质量,频率过低,汽轮机在低频率运行时，会缩短汽轮机叶片的寿命，严重时会使叶片断裂。,系统频率降低时，异步电动机和变压器的励磁电流将大为增加，引起系统所需无功功率的增加，其结果是引起电压的降低，增加电压调整的困难。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,2）保证良好的电能质量,频率过高,异步电动机损耗加大，效率降低；,系统频率过高，也会影响某些电子设备的准确性。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,2）保证良好的电能质量,电压标准,所有的电气设备都是按照额定电压来设计的。当它们运行于额定电压时，具有最好的运行性能、最高的效率并能达到预期的寿命。,如果实际运行电压偏离额定电压过远，则运行性能和效率将有所下降，并可能影响到使用寿命甚至使设备损坏。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,2）保证良好的电能质量,电压标准,为了避免电压偏移造成很大的影响，各国电网都规定电压偏移的容许范围。,我国在电力系统电压和无功电力技术导则 中对电压的允许偏差也做了规定。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,2）保证良好的电能质量,电压标准,1）用户受电端的电压允许偏差值。,35kV及以上用户供电电压正负偏差绝对值之和不超过额定电压的10%；,10kV用户的电压允许偏差值：7%；,380V用户的电压允许偏差值：7%；,220V用户的电压允许偏差值：+510。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,2）保证良好的电能质量,电压标准,2）发电厂和变电所的母线电压允许偏差值。,330kV和500kV母线最高不超过额定电压的110；,发电厂和500kV变电所的220kV母线，正常运行方式时： 010%，事故运行方式时：-5+10%；,发电厂和220(330)kV变电所的11035kV母线，正常运行方式时：-3+7%，事故运行方式时：10%；,发电厂和变电所的10(6)kV母线的电压则应使所供给的全部高压和低压用户的电压符合前述用户受电端的电压允许偏差值的要求。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,2）保证良好的电能质量,电压标准,电压产生偏移时，将对用户和电力系统本身造成不良的影响。,电压偏高,使电气设备的绝缘性能降低，并影响到使用寿命。,如果电压过高，则可能使绝缘击穿，从而使设备损坏。,另外，当电压高于额定电压时，变压器和电动机铁芯的饱和程度增大，使铁芯损耗增加；,白炽灯的寿命则因电压过高而明显降低，例如，当电压高出10时，寿命将缩短一半。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,2）保证良好的电能质量,电压偏低,对于负荷中占比重较大的感应电动机来说，其转差率将增大，从而使绕组中的电流增加，使绕组电阻中的损耗加大，引起效率降低、温升增加并使寿命缩短。,而且由于转差率的增大，其转速下降，使电动机的输出功率减少，影响产品的数量和质量。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,2）保证良好的电能质量,电压偏低,对于火力发电厂来说，由电动机所驱动的风机和给水泵等厂用机械的出力将因为转速的降低而减少，结果使锅炉和汽轮机的出力降低。,更为严重的是，电动机启动过程将大为变长，电动机可能在启动过程中因温度过高而烧毁。,对于白炽灯来说，其发光效率将降低，各种电子设备将不能正常工作，等等。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,2）保证良好的电能质量,波形标准,电压波形的要求主要指波形中谐波含量的限制，如果因谐波含量过高而使波形严重畸变，同样会影响设备的正常运行，特别是对那些精密的电子设备和仪器。,另外，谐波还可能在电力系统中产生局部谐振，以及对通信造成严重的干扰等。,波形质量以畸变率是否超过给定值来衡量。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（2）电力系统运行应满足的基本要求,2）保证良好的电能质量,正弦波形畸变率,所谓畸变率（或正弦波形畸变率），是指各次谐波有效值平方和的方根值与基波有效值的百分比。,给定的允许畸变率常因供电电压等级而异，例如，以380V、220V 供电时为5% ，以10kV供电时为4%，等等。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（3）保证系统运行的经济性,电能生产的规模很大，消耗的一次能源在国民经济一次能源总消耗中占的比重很大，而且电能在变换、输送、分配时的损耗绝对值也相当可观。,因此，降低每生产kwh电所消耗的能源和降低变换、输送、分配时的损耗，有极重要的意义。,在这一方面，又有两个考核电力系统运行经济性的重要指标，即煤耗率和线损率。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（3）保证系统运行的经济性,耗煤率,所谓耗煤率，是指生产每kwh电能所消耗的标准煤重，以g/kwh为单位。,同理，还需降低水耗率。,线损率,所谓线损率或网损率，是指电力网络中损耗的电能与电源发出的总电能的百分比。,除此之外，还应设法降低厂用电率，尽量提高用电设备的效率等。,三、电力系统运行的特点及基本要求,（3）保证系统运行的经济性,措施,为保证系统运行的经济性，应开展系统经济运行工作，充分利用各电厂的特点，使各发电厂所承担的负荷能合理分配。,例如，使水力发电厂的水能得到充分利用，避免弃水；使火力发电厂中经济性能好的多发电，差的少发电，并避免频繁开停机组，以保证全部火力发电厂消耗的燃料最少；使功率在系统中合理分布以降低电能在变换、输送、分配中的损耗等。,三、电力系统运行的特点及基本要求,环境保护问题日益为人们所关注。,在火力发电厂中产生的各种污染物质，包括飞灰、灰渣、废水、氧化硫、氧化氮等排放量的限制，也成为对电力系统运行的基本要求。,以上三个方面的要求是相互联系又相互制约的，对于具体的电力系统和负荷的具体性质，应全面衡量，统筹兼顾，在安全可靠的前提下保证质量，力求经济。,四、电力系统的稳定性,同步运行状态,同步运行状态是指所有并联运行的同步电机都有相同的电角速度，即每台发电机都以同步转速运行，这是电力系统正常运行的重要标志。,在同步运行状态下，表征运行状态的参数具有接近于不变的数值，通常称为稳定运行状态。,功率平衡,正在运行的发电机转速决定于作用在其大轴上的转矩，因此，当作用在机组大轴上的转矩变化时，转速也将相应地发生变化。,四、电力系统的稳定性,功率平衡,正常运行时，原动机的输入功率与发电机的输出功率是平衡的，从而保证了发电机以恒定的同步转速运行。,当这种平衡被打破时，发电机的转速也将发生变化。,电力系统的负荷随时都在变化，负荷功率的瞬时变化将引起发电机输出功率的相应变化，但由于机组调节系统的惯性，使得原动机输入功率的变化总是滞后于发电机输出电磁功率的瞬时变化，于是发电机转速亦发生变化。,四、电力系统的稳定性,功率平衡,例如，当发电机输出功率减小时，由于原动机的输入功率暂时还来不及减小而出现功率过剩，结果使发电机转速增加；,相反，当发电机输出功率增加时，因原动机输人功率暂时还来不及跟上输出功率的增加而出现功率缺额，结果使发电机减速。,这样，当系统由于负荷变化、操作或发生故障而平衡状态被打破后，各发电机组将因功率的不平衡而发生转速的变化。,四、电力系统的稳定性,电力系统稳定,一般情况下，由于各发电机组功率不平衡的程度不同，因此转速变化也不同，有的变化较小，有的变化较大，有的发电机增速，有的发电机减速，从而在各发电机组的转子之间产生相对运动。,如果系统各发电机组在经历了一段运动过程后，能自动恢复到原有的平衡状态，或在某一新的平衡状态下同步运行，这时系统的频率和电压虽然发生了一些变化但仍在允许的范围内，这样的系统就称之为稳定的。,四、电力系统的稳定性,电力系统稳定,相反，如果系统受到扰动后，产生自发性振荡，或者各机组间产生剧烈的相对运动，以至于系统的频率和电压大幅度变化，不能保证对负荷的正常供电，造成大量用户停电，系统就失去了稳定。,可见，电力系统稳定问题就是当系统受到扰动后能否继续保持各发电机之间同步运行的问题。,根据系统受到扰动的大小及运行参数变化特性的不同，通常将系统的稳定问题分为三大类，即静态稳定、暂态稳定和动态稳定。,四、电力系统的稳定性,静态稳定,静态稳定是指电力系统受到微小干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步，能够自动恢复到原来运行状态的能力。,分析计算静态稳定的目的是应用相应的判据，确定电力系统的稳定性和输电线的输送功率极限，检验在给定方式下的稳定储备。,对于大电源送出线，跨地区或省网间联络线，网络中的薄弱断面等需要进行静态稳定分析。,四、电力系统的稳定性,暂态稳定,暂态稳定是指电力系统在受到短时间大干扰（如短路、故障切除、重合闸等）后，忽略转速变化，认为发电机大轴上的输入机械转矩为定值，仅考虑功角变化，在第一个摇摆周期（约为1s）内，各同步发电机保持同步运行而不失步，并过渡到新的稳定运行状态的能力。,分析计算暂态稳定的目的是在规定运行方式和故障形态下，对系统稳定性进行校验，并对继电保护和自动装置以及各种措施提出相应的要求。,四、电力系统的稳定性,动态稳定,动态稳定是指电力系统在受到某些大干扰（如大型机组的启动与制动、同步发电机的异步运行、再同步、自同步及非同步合闸等）后，计及发电机转速和电势的变化，有时还应考虑负荷的动态特性和发电机异步转矩的影响，在较长时间（几秒或几十秒）中保持或恢复发电机同步运行，由衰减的同步振荡过渡到稳定运行状态的能力。,四、电力系统的稳定性,动态稳定,电力系统有下列情况时，应作长过程的动态稳定分析：,系统中有大容量水轮发电机和汽轮发电机经较弱联系并列运行；,采用快速励磁调节系统及快关气门等自动调节措施；,有大功率周期性冲击负荷；,电网经弱联系线路并列运行；,分析系统事故有必要时。,四、电力系统的稳定性,不难看出，如果系统在受到扰动后是不稳定的，那么在系统的各发电机转子间一直存在相对运行，从而引起系统的电压、电流、功率等运行参数发生剧烈的变化和振荡，致使整个系统不能继续运行，造成系统瓦解。,运行经验表明，电力系统的稳定性是影响运行可靠性的一个重要因素，特别是随着电力系统容量和规模的不断扩大，稳定性问题就显得更加突出。,国内外电力系统许多大面积停电和系统瓦解事故，大都源于系统稳定性遭到破坏。,因此，研究电力系统稳定性的内在规律，采取措施保持和提高电力系统运行的稳定性，对于电力系统安全可靠地运行，具有极其重要的意义。,电力系统概述,目 录,第一节 电力系统基本概念,第二节 电力系统接线方式与电压等级,第三节,电力系统中性点的运行方式,一、电力系统接线方式,实际的电力系统接线往往十分复杂，但都可以分解为简单接线方式。,而简单接线方式又大致可分为无备用和有备用接线两类。,无备用接线,无备用接线包括单回路放射式、干线式和链式网络，如图1-4所示。,无备用接线方式,一、电力系统接线方式,无备用接线,无备用接线的网络中，每一个负荷只能靠一条线路取得电能，这类接线的特点是简单，设备使用较少，运行方便。,缺点是供电的可靠性比较低，任一段线路发生故障或检修时，都要中断部分用户的供电。,架空线路的自动重合闸装置一定程度上能弥补上述的缺点。,在干线式和链式网络中，当线路较长时，线路末端的电压往往偏低。,一、电力系统接线方式,有备用接线,有备用接线包括双回路放射式、干线式、链式以及环式和两端供电网络，如图1-5所示。,在有备用的接线方式中，最简单的一类是在上述无备用网络的每一段单回线路都采用双回路。,这类接线同样具有简单和运行方便的特点，而且供电可靠性和电压质量都有明显的提高，其缺点是设备费用增加很多。,由一个或几个电源点和一个或几个负荷点通过线路连接而成的环式网络，是一类最常见的有备用网络。,一、电力系统接线方式,有备用接线,其优点是供电可靠性高，也比较经济。,其缺点是运行调度比较复杂，且故障时的电压质量差。,另一种常见的有备用接线方式是两端供电网络，其供电可靠性相当于有两个电源的环形网络，但采用这种接线的先决条件是必须有两个或两个以上的独立电源。,各种不同的接线方式都有各自的特点，选用何种接线方式需经技术经济比较后才能决定。,二、不同电压等级及适用范围,电力系统的额定电压等级,电力系统中各部分电压之所以不同，是因为三相功率S和线电压U、线电流I之间的关系为S= Ul。,当输送功率一定时，输电电压越高，电流越小，导线的截面积越小，投资越少；但电压越高，对绝缘要求越高，杆塔、变压器、断路器等的绝缘投资也越大。,综合这些因素，对于一定的输送功率和输送距离应有一个最合理的线路电压。但从设备制造角度考虑，为保证产品的标准化和系列化，又不能任意确定线路电压。另外，规定的标准电压等级过多也不利于电力工业的发展。我国规定的标准电压等级（又称为额定电压）如表 1-1 所示。,表1-1 我国规定的交流额定电压等级,二、不同电压等级及适用范围,电网的额定电压,电网的额定电压指电力线路以及与之相连的变电所汇流母线的额定电压。,由于电力线路通过电流后有电压降，因此电力线路首端电压,U,1,大于末端电压,U,2,。一般规定末端电压允许比首端电压下降10%。,电力线路的额定电压,U,N,=(,U,1,+,U,2,)/2,接在该电力线路上的用电设备的额定电压与该额定电压相同。,电气设备的额定电压,用电设备的额定电压规定与同级电网的额定电压相同。,用电设备在额定电压下运行时，发挥的效益最大、寿命最长。,用电设备的运行电压允许有,5%,的变化范围，与电力线路首、末端对额定电压有,5%,的变化相适应。,二、不同电压等级及适用范围,用电设备的额定电压,发电机的额定电压,发电机的额定电压：比同级电网额定电压高5%。,原因：发电机接在电力线路的首端，按规定应比同级电网额定电压高5%。,电力变压器的额定电压,（1）电力变压器一次绕组的额定电压,当电力变压器直接与发电机相连时，一次绕组的额定电压与发电机的额定电压相同；,当电力变压器接在线路末端时，一次绕组的额定电压与该线路的额定电压相同。,（2）电力变压器二次绕组的额定电压,当电力变压器二次绕组供电给较长的高压输电线路时，二次绕组的额定电压应该比相应线路的额定电压高10%；,当电力变压器二次绕组供电较短的输电线路时，二次绕组的额定电压只比相应线路的额定电压高5% 。,原因：电力变压器的额定电压是按空载情况下确定的，带上负载后，电力变压器的绕组电压要下降5%。,二、不同电压等级及适用范围,电力线路的平均额定电压,电力线路的平均额定电压为电力线路首末端所连接电气设备额定电压的平均值，即,式中：U,N,-电力线路的额定电压。和额定电压对应的平均额定电压如表 1-2 所示。,二、不同电压等级及适用范围,变压器的实际变比和平均额定电压之比,由于电力网中各点电压是不同的，而且随着负荷及运行方式的变化，电力网各点的电压也要变化。为了保证电力网各点的电压在各种情况下均符合要求，变压器均有用以改变电压比的若干分接头的绕组（一般为高、中压绕组）。,适当地选择变压器的分接头，可调整变压器的出口电压，使用电设备的电压能够接近它的额定电压。,二、不同电压等级及适用范围,变压器的实际变比和平均额定电压之比,无载调压变压器高压（或中压 ）绕组的分接头有：U,N,5%U,N,或 U,N,2.5%U,N,。,有载调压变压器高压绕组的分接头有： U,N,32.5%U,N,、U,N,42%U,N,或U,N,81.5%U,N,等。,运行中变压器高、中压绕组使用的实际分接头电压与低压绕组的额定电压之比称为变压器的实际变比。,若为主抽头电压与低压绕组额定电压之比时，称为额定变比。,在电力系统计算中，有时采用平均额定电压进行近似计算，此时变压器的变比为两侧线路平均,额定,电压之比，称为平均额定电压之比。,二、不同电压等级及适用范围,例1-1电力系统接线图如图 1-7所示，图 中标明了各级电力线路的额定电压（kV），试求：,1 ）发电机和变压器各绕组的额定电压。,2 ）设变压器T,1,工作于5抽头，T,2,、T,5,工作于主抽头（ T,5,为发电厂的厂用变压器） , T,3,工作于-2.5抽头，T,4,工作于-5抽头，求各变压器的实际变比。,3）求各变压器的平均额定电压之比。,二、不同电压等级及适用范围,解： 1）发电机和变压器各绕组的额定电压为：,二、不同电压等级及适用范围,解： 2 ）各变压器的实际变比为：,二、不同电压等级及适用范围,解：,3）因为变压器的平均额定电压之比就是所连线路平均额定电压之比，所以各变压器的平均额定电压之比为：,二、不同电压等级及适用范围,不同电压等级的适用范围,表 1-1 所列的电压等级中：,3kV限于工业企业内部采用。,10kV是最常用的城乡配电电压。,当负荷中高压电动机占比重很大时用 6kV 作为配电电压。,110kV既用于中小电力系统的主干线，也用于大电力系统的二次网络。,220kV、330kV、500kV多用于大电力系统的主干线。,二、不同电压等级及适用范围,不同电压等级的适用范围,当然，这种划分不是绝对的，随着容量的增大，大电力系统主干线电压级的提高， 220kV 和 330kV 就可能为二次网络电压。,习惯上将 110kV 和 220kV 称为高压，330kV 、 500kV和750kV称为超高压，而1000kV以上则称为特高压。,电力线路的电压等级越高，可传输的电能容量越大，传输的距离越远。,但同一电压等级，输送容量越大，输送距离越近。表 1-3 列出了它们之间的关系。,表1-3 架空线路的额定电压与输送功率和输送距离的关系,电力系统概述,目 录,第一节 电力系统基本概念,第二节 电力系统接线方式与电压等级,第三节 电力系统中性点的运行方式,一、中性点的概念和中性点接地类型,1、电力系统的中性点,电力系统中的发电机三相绕组通常接成星形，变压器高压绕组大多也接成星形。,正常运行时，这些星形绕组的中点，其电位接近为0。,因此，这些发电机和变压器星形绕组的中点统称为中性点。,2、中性点接地问题的意义,电力系统中性点接地方式对发生故障后的系统运行，有多方面的影响。,涉及到电力系统的过电压与绝缘配合，继电保护与自动装置的配置，短路电流的大小，供电的可靠性，电力系统的运行稳定以及对通信的干扰等。,电力系统中性点接地方式是一项综合性的技术问题，必须考虑多方面的因素。,3、中性点接地的类型,按接地方式分,不接地,直接接地,经消弧线圈接地,经电阻接地,即：中性点悬空。,中性点通过接地导线直接与接地体良好连接。,中性点通过消弧线圈与接地体良好连接。,中性点通过电阻与接地体良好连接。,按接地电阻的大小又可以分为以下三类：,高电阻接地、中电阻接地、低电阻接地,按接地电流大小分,大接地电流系统,系统发生单相接地故障时，短路电流很大。,包括：直接接地、中电阻接地、低电阻接地,小接地电流系统,系统发生单相接地故障时，短路电流较小。,包括：不接地、高电阻接地、消弧线圈接地,对于110kV及以上电压等级的电网来说，按线电压绝缘要求的投资比按相电压绝缘要求的要大得多。,我国110kV及以上电压等级的电网广泛采用中性点直接接地的运行方式。,这种接地的运行方式对线路的绝缘水平按相电压的要求进行，能显著降低线路投资。,二、中性点直接接地系统,1、中性点直接接地系统的特点,正常运行时，系统中性点没有入地电流（或者只有极小的三相不平衡电流）。,一相接地时，接地相直接经过接地点和接地的中性点短路 ，如图所示。,一相接地短路电流的数值很大；,接地相对地电压为0，非接地相对地电压不变；,中性点的电位在任何工作状态下均保持为零。,2、减小接地短路电流的措施,将中性点经过电抗器接地，来限制一相接地短路电流，如图所示。这时一相接地短路电流，因受到电抗器的限制而大大减小。,二、中性点直接接地系统,在实际运行时，110kV及以上电网的中性点并非全部同时接地，而是只有一部分接地（合上中性点接地刀闸），而其余的不接地（拉开中性点接地刀闸）。,某个中性点是否接地由系统调度决定，目的是使系统单相接地时短路电流有一个合适的范围，既能满足继电保护动作灵敏度的要求，又不致太大。,一般减小到不超过可能的最大三相短路电流。,3.中性点直接接地系统的优缺点,电气设备的对地绝缘可按相电压设计，可大大降低高压和超高压设备及电网的造价。,由于接地短路电流很大，易于实现有选择性的接地保护，一旦发生单相接地，迅速将故障线路切除，系统非故障部分仍可正常运行。,二、中性点直接接地系统,很大的单相接地短路电流将产生很强的磁场，附近的弱电线路（如通讯线路或铁路信号线路等）上感应出相当大的电势，轻则引起噪音，妨害通讯，重则可能引起弱电设备的损坏，并危及通讯人员安全或引起铁路信号的误动作。,一相接地时将产生很大的一相接地短路电流，任何部分发生一相接地时都必须将其切除，从而影响对用户的供电。,优点,缺点,4、提高供电可靠性的措施,运行经验表明，架空送电线路的一相接地故障，大都（约为总数的70%）具有瞬时的性质，在故障部分切除以后，接地处的绝缘可能迅速恢复，而送电线可以立即恢复工作。,在中性点直接接地的电网内，装设自动重合闸装置。在系统一相接地线路切除后，立即自动重合，再试送一次，如为瞬时故障，送电即可恢复，用户停电时间只有0.5s左右。,这样，就提高了供电可靠性，但对永久性故障还是必须把线路切除。,对于电压等级小于等于35kv的系统可采用小接地电流系统。,二、中性点直接接地系统,中性点不接地系统的特点是：,（1）发生单相接地时，三相间线电压仍保持对称和大小不变。用电设备仍然正常运行，供电可靠性较高。,（2）两非故障相对地电压升高至原来的,3倍，等于线电压值。,规程规定，中性点不接地系统发生单相接地故障后，允许继续运行2h，在这2h内应找到接地点并予以消除，以免再有另外一相也发生接地而变成两相接地短路。,在中性点不接地系统中，当接地电容电流较大时，在接地处引起的电弧很难自行熄灭。,在接地处还可能出现周期熄灭与重燃的,间隙电弧,。由于电网是一个具有电感和电容的振荡回路，间歇电弧将引起相对地的过电压，其数值可达（2.53）U,。,这种过电压会传输到与接地点有直接电连接的整个电网上，更容易引起另一相对地击穿，从而形成两相接地短路。,三、中性点不接地系统,1、中性点不接地系统的特点,因中性点未接地，当发生单相接地时，只能通过线路对地的分布电容构成单相接地回路，故障点流过很小的容性电流（电弧），大多能自行熄灭。中性点不接地系统如图所示。,电气设备的绝缘水平必须按线电压要求进行，对电压等级较低的系统投资增加不大。,（3）非故障相对地电容电流升高至原来的,3倍。,（4）故障相接地电容电流则升高至原来的3 倍。,这点对系统的影响不大。,三、中性点不接地系统,2、接地电容电流的允许值限制,（1）36kV电网单相接地电容电流不大于30A；,（2） 10kV电网单相接地电容电流不大于20A；,（3） 35kV电网单相接地电容电流不大于20A；,（4）发电机或调相机回路的单相接地电容电流限制如下表所示。,发电机额定电压(kV),发电机额定容量(MW),额定电压下一相接地电流允许值(A),6.3,50,4,10.5,50100,3,13.8、15.75,125200,2,18、20,300,1,我国3kV、6kV、10kV、 35kV系统，当单相接地时的电容电流满足以上要求时，都采用中性点不接地方式。,3、单相接地时电容电流的估算,对架空线：,I,c,=(,UL,)/350（A）,对电缆：,I,c,=(,UL,)/10（A）,式中：,U,线路额定电压，kV；,L,同一电压且互相连通的所有线路总长度，km。,除线路外，发电机、变压器、母线也有单相接地电容电流数值，在计算某一电压级的系统单相接地电流时，也应考虑进去，并应考虑510年的发展。,三、中性点不接地系统,1、消弧线圈的补偿原理,我国335kV系统，当单相接地时电容电流大于前述规定值时，应采用中性点经消弧线圈接地方式，如图所示。,因为上述情况下接地电容电流较大，会产生断续电弧，可能使电路中发生危险的电压谐振现象，出现高达相电压253倍的过电压，导致线路上绝缘薄弱处被击穿。,消弧线圈是一个铁心带有气隙的可调电感线圈，其感抗可通过其绕组抽头进行调节。,四、中性点经消弧线圈接地系统,当系统中性点经消弧线圈接地后，在发生单相接地故障时，接地点流过的是原来的电容电流I,c,与新增加的电感电流I,L,之差(因为电容电流与电感电流在相位上刚好相差180)，从而使故障点接地电流减少，使电弧容易自行熄灭。,若调节消弧线圈使电感电流刚好等于电容电流，使二者完全抵消，这称为全补偿。,由于全补偿时消弧线圈的感抗和非故障相的对地分布电容的容抗刚好构成串联谐振，非常大的谐振电流流经消弧线圈在其感抗上会引起危险的中性点过电压，所以实际运行中不允许采用全补偿方式。,四、中性点经消弧线圈接地系统,实际运行中通常采用过补偿方式，即让电感电流大于电容电流，接地点电容电流全被抵消后还流有一个很小的电感性电流。,为说明补偿的程度，提出了补偿度和脱谐度的概念：,为说明补偿程度，提出了补偿度和脱谐度的概念：,补偿度,k,=,I,L,/,I,C,脱谐度,=（,I,C,-,I,L,）/,I,C,=1-,k,过补偿时，补偿度,k,1，脱谐度,为负值，补偿度,k,=1.1左右较好。,四、中性点经消弧线圈接地系统,2、消弧线圈的选择及接线,选择消弧线圈容量，应考虑电网五年左右的发展规划，并按过补偿方式考虑，其容量按下式计算,S,=1.5,I,C,U,式中：,I,C,电网一相接地电容电流(A)；,U,电网相电压(kV)。,消弧线圈通过隔离开关接在相应电网的发电机、变压器或专用接地变压器的中性点上，其原理接线如下图所示。,四、中性点经消弧线圈接地系统,TV,TA,XH,消弧线圈；,TV,电压互感器；,TA,电流互感器,消弧线圈的原理接线,3、中性点经消弧线圈接地系统的特点,（1）供电可靠性高,一相接地时和中性点不接地系统一样，三相线电压仍保持对称和大小不变，所以也允许暂时运行，但不得超过2小时。,消弧线圈的作用对于瞬时性接地故障尤为重要，因为它使接地处的电流大大减小，电弧可能自动熄灭。接地电流小，还可减轻对附近弱电线路的干扰。,中性点经消弧线圈接地系统的故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高至,3,倍，各相对地绝缘和中性点不接地系统一样，必须按线电压设计。,四、中性点经消弧线圈接地系统,（2）运行方式变化频繁的系统容易产生谐振,这种接地方式对于运行方式变化较为频繁的系统，由于电容量的不断变化，中性点经消弧线圈接地可能会造成欠补偿从而引发谐振过电压。,因此必须根据电容电流大小的变化调整消弧线圈的电感值。但目前在线实时检测电网单相接地电容电流的设备很少，因此消弧线圈在运行中不能根据电容电流的变化及时地进行调节，不能很好地起到补偿作用。,五、中性点运行方式的选择,从前面分析可知，小接地电流系统的特点是供电可靠性高，但绝缘水平要求也高，不经济；而大接地电流系统的特点是比较经济，但供电可靠性不高。,对于不同的电压等级中性点采用何种运行方式牵涉的问题很多，必须综合考虑各种因素，才能获得合理的结果。世界各国处理中性点接地问题，各有特点，很难一致。,一般来说，电压等级较高时 （110kV及以上），主要考虑经济性，采用大接地电流系统，可靠性通过网络结构和安全自动装置弥补；电压等级较低时（110kV以下），主要考虑可靠性，采用小接地电流系统。,五、中性点运行方式的选择,发电机中性点运行方式,根据发电机的电压等级，其中性点应该采取小接地电流系统。,具体来说，发电机中性点不接地多用在中小型机组上，现在世界各国的大型机组中性点接地方式多采用经高阻接地和经消弧线圈接地。,其中，高阻接地方式包括两种形式，其一是直接经高电阻接地，再者是经单相或三相配电变压器（其低压侧接电阻）接地；而消弧线圈接地方式也有两种形式，分别是经可调电感接地和经固定电感（经配电变压器加电抗器）接地。,五、中性点运行方式的选择,发电机中性点运行方式,我国早年学习苏联，大型水轮发电机中性点绝大多数是经消弧线圈接地，并积累了丰富的运行经验，而美国、加拿大及法国等国家多采用经高阻接地方式。,我国现有的 50MW 以上的水轮发电机，中性点经消弧线圈接地的运行经验已有 50 多年；20世纪 70 年代初丹江口水电站的150MW 的水轮发电机均采用经消弧线圈接地方式；20世纪80年代葛洲坝水电站的125MW和 170MW的水轮发电机也都采用经消弧线圈接地方式。,五、中性点运行方式的选择,发电机中性点运行方式,但是，在这之后，我们又逐渐向美国等西方国家学习，大型机组以及引进国外的大型机组改为经配电变压器高阻接地方式。,但不管采用何种接地方式，发电机定子绕组单相接地故障电流都有允许值。,GB/T 14285-2006继电保护和安全自动装置技术规程规定，发电机定子绕组单相接地故障电流允许值按制造厂的规定值，无规定值时，可参照表 1-1中所列数据。,表 1-4 发电机定子绕组单相接地故障电流允许值,五、中性点运行方式的选择,变压器中性点运行方式,（1）110kV及以上系统,主要考虑降低设备绝缘水平，简化继电保护装置，一般均采用中性点直接接地的方式，并采用送电线路全线架设避雷线和装设自动重合闸装置等措施，以提高供电可靠性。,对于有多台变压器并联运行的情况，通常有一台变压器的中性点不接地，这样是为了使一台变压器因故退出运行时，电网的零序阻抗不改变，以满足继电保护的要求。,五、中性点运行方式的选择,变压器中性点运行方式,（1）110kV及以上系统,所以一般变压器中性点的设备有隔离开关和避雷器等，隔离开关的作用是为满足变压器中性点接地或不接地，避雷器的作用是当变压器不接地而发生单相接地时保护中性点。,但是，由于自耦变压器的高中压绕组之间不仅有磁的联系，而且有电的联系，所以，自,耦变压器的中性点必须直接接地（或经过小电抗接地），否则，当高压电网中发生单相接地时，自藕变压器的中压侧绕组会出现过电压。,五、中性点运行方式的选择,变压器中性点运行方式,（2）60kV及以下系统,60kV、35kV和610kV电压等级不是很高，由于设备绝缘水平按线电压考虑对于备造价影响不大，为了提高供电可靠性，一般均采用中性点不接地、经消弧线圈接地或电阻接地的方式。,但是，近年来，对于10kV的系统，随着城市配网的迅速发展，网络结构发生了很大变化，电缆所占的比重越来越大，使系统对地电容电流急剧增加，从而导致配网中性点接地方式存在下列问题：,五、中性点运行方式的选择,变压器中性点运行方式,（2）60kV及以下系统,1）电缆一旦击穿即为永久性故障，不可能自行恢复，若不及时跳闸，则产生的电弧热量使电缆绝缘迅速烧损，直至发展成相间短路而跳闸，从而扩大事故；,2）这种接地方式的内过电压倍数比较高，单相接地故障时，若在升高的稳态电压下运行2h，则会加速设备及电缆绝缘的老化，从而缩短使用寿命；,3）对于单相接地电容电流很大的系统，消弧线圈的容量必须很大。,五、中性点运行方式的选择,变压器中性点运行方式,（2）60kV及以下系统,鉴于以上原因，有些地方采用了10kV中性点经低电阻接地方式阻接地方式。,10kV 网架采用N-1的形式，即任何一段10kV 线路均考虑可通过分段开关的操作实现对非故障线路的送电，并形成环网供电，开环运行，供电的可靠性将大大提高；,另外，随着配网自动化系统的建成，基本实现了自动隔离故障并将非故障段自动恢复供电功能，其供电可靠率就不再是依靠允许系统带单相接地故障运行2h来保证，而是靠电网结构及配网自动化来保证。,五、中性点运行方式的选择,变压器中性