电力系统的基本概念

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,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,*,电力系统稳态分析,主讲：陈碧云,电力系统工程学科和电力系统分析课程,电力系统工程学科的范畴,电力系统理论,输配电技术,电力系统规划,电力系统运行,电力系统保护,电力系统控制,电力系统分析课程的主要内容,稳态分析,元件的特性和数学模型,潮流计算（,Power Flow,）,系统运行调节和优化,暂态分析,波过程,电磁暂态过程,机电暂态过程,本课程流程,电力系统的运行状态,（稳态）,第三章,第四章,电力系统概念、组成,第一章,第二章,电力系统的控制,第五章,第六章,是什么,为什么,怎么做,电力系统稳态分析（章节）,第一章 电力系统基本概念,第二章 电力系统各元件的特性和等值电路,第三章 简单电力网络的计算和分析,第四章 复杂电力系统潮流的计算机算法,*,第五章 电力系统的有功功率和频率调整,第六章 电力系统的五功功率和电压调整,成绩评定,平时成绩：,40%,考勤与课堂表现：,10%,作业：,10%,（每章交一次）,综述：,20%,（,2,次）,考试成绩（闭卷）：,60%,参考书,电力系统分析复习指导与习题精解,/,杨淑英，,TM711-44/1,，中国电力出版社,电力系统分析学习指导,/,徐政，,TM711/31,，机械工业出版社,电力系统分析要点与习题,/,韦钢，,TM711-44/2,，中国电力出版社,现代电力系统分析,/,王锡凡，,TM711/28,，科学出版社,联系方式,陈碧云,E-mail,：,chenbiyu,Tel:13878838866,QQ,：,2242742,（加,Q,时请说明名字）,办公地址：电气工程学院,307,楼,第一章 电力系统的基本概念,问 题,人类为何选择使用电能？,电能是如何产生的？,电能是如何传输的？什么是电力系统？,电力系统运行的特点和要求？,电力系统分析课程的主要内容及特点？,人类为什么选择使用电能？,十八世纪，蒸汽机发明：热能机械能，划时代的工业革命,十九世纪，人类开始使用电能，进入电气化时代。,显著优点,洁净,：环保,方便,:,输送、分配、使用,节能,:,能耗小，转换效率高,人类为什么选择使用电能？,电 气 化,1830,年,法拉第发明电磁感应定律，为未来电力工业发展奠定基础。,1875,年,第一台火力发电机组（直流发电机）在法国巴黎火车站，照明。,1879,年,美国旧金山实验电厂开始发电，这是世界上最早出售电力的电厂。,1882,年,美国爱迪生纽约珍珠街电力系统，,6,台直流发电机，,110V,，照明。,1884,年,变压器发明。为三相交流及大容量、远距离输电奠定基础。,1889,年,美国,Oregon,和,Portland,建立长,21,公里的交流输电系统。,1891,年,德国世界上第一个三相交流输电系统，距离,179,英里、电压,12000,伏。,1897,年,电压为,44000KV,的输电线路在美国,Utah,州建成。,世界电力工业发展的历程,世界电力工业发展的历程,2000,2004,年全球总装机容量,1882,年,英国商人在上海创办了上海电气公司，装机容量,12KW,，,5,盏电灯。,1913,年,上海杨树浦发电厂发电，,1924,年该厂装机,12,台，总容量,121MW,，成为当时远东第一大发电厂。,1949,年,以前，仅东北有,220KV,和,154KV,的电网（日本人建造）。,80,年代,，形成了,17,个以,220KV,为骨干输电网的跨省地区电网和省际电网。,1972,年,由甘肃天水陕西关中的,534KM,的我国第一条,330KV,输电线路工程。,1981,年,由河南平顶山湖北武汉的全长,595KM,的我国第一条,500KV,输电线路。,我国电力工业的发展,1989,年,建成了我国第一条远距离,500KV,葛洲坝上海的直流输电线路。,1997,年，,三峡工程建设，,26,台,700MW,，,15,回,500kV,交流及三回,500KV,直流，连接华东、华中、河南、四川、广东等电网，中国电网联网的核心。,2006,年，,甘肃官厅第一条,750kV,交流输电线路。,2009,年,1,月,6,日,，中国自主研发、设计和建设的晋东南,-,南阳,-,荆门,1000,千伏特高压交流试验示范工程正式投运，到目前一直保持稳定运行。特高压交流,1100,千伏电压电网被国际电工委员会和国际大电网组织推荐为国际标准电压。,2009,年,7,月底,，中国,220,千伏及以上输电线路达到,37.5,万公里，电网规模超过美国，跃居世界第一位。,我国电力工业的发展,电力需求旺盛、增长快,1882,年，我国开始使用电能,1987,年，全国发电装机容量突破,1,亿千瓦,1995,年,3,月，装机容量突破,2,亿千瓦,1996,年，发电装机容量居世界第,2,位。,2000,年,4,月，全国装机突破,3,亿千瓦,2004,年,5,月底，全国装机容量突破,4,亿千瓦,2005,年底，全国装机容量突破,5,亿千瓦,2009,年,4,月，全国装机容量突破,8,亿千瓦,107年,不到,8,年,5,年,4,年,1.5,年,每增加,1,亿装机,中国电网,500,kV,220,kV,330,kV,火电厂,水电厂,核电厂,新疆,西藏,东北,华北,西北,川渝,华中,华东,南方,电网覆盖率 96.4%,第一节 电力系统概述,电力系统的形成与发展,DC,以爱迪生为代表,AC,以,G.,威斯汀豪斯为代表,AC/DC,混合,现代电力系统,什么是电力系统？,所谓电力系统就是由大量的,发电机,、,变压器,、,电力线路,和,负荷,组成的旨在,生产,、,传输,、,分配,和,消费,电能的各种电气设备按一定方式连成的整体。,电力系统的组成,升压,输电,降压,配电,发电,负荷,升压,降压,输电,电力系统的组成,根据结构的不同，可分为：,一次系统：发电机、变压器、电力线路和负荷,二次系统：继电保护、通信和调度控制系统,根据功能的不同，可分为：,输电网：将发电厂发出的电能传输到负荷中心,配电网：将电能分配给用户,电力系统和电力网络示意图,电力系统和电力网络,电能是如何产生的？,大规模电能是由,同步发电机,产生,同步发电机发电原理？回顾一下电机学知识,.,电能是如何产生的？,机械能,电能,电能是如何产生的？,推动转子旋转的能源形势的形式多种多样，大家说说,.,蒸汽,水力,风力,火力、核、地热,水力发电,风力、潮汐发电,其它,汽车压力、太阳能,福建安砂水电厂宽缝重力坝,电力系统的基本参量和结线图,总装机容量：系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和。（,8.74,亿,kW,）,年发电量：系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和。（,36506,亿,kWh,）,最大负荷：规定时间内电力系统总有功功率负荷的最大值（,2009.12.23,，南宁，,2553,MW,）,2009,年全国发电量（单位：亿,kWh,）,火力发电量,29814.22,水力发电量,5544.95,核能发电量,692.63,合计,36506.23,电力系统的基本参量和结线图,额定频率：（,50Hz,）,最高电压等级：（,AC 1000,，,DC 800,）,地理接线图：反映各发电厂、变电所的相对地理位置以及电力线路的路径。,电气接线图：反映元件之间的电气联系。,电力系统的地理接线图,电力系统的地理接线图,第二节 电力系统运行应满足的基本要求,一、电能生产、输送、消费的特点,1.,重要性,如果说石油是现代国家最脆弱的血管，那么电力就是现代国家最脆弱的神经！,第二节 电力系统运行应满足的基本要求,2,.,同时性,3.,整体性,电能不能大量储存，其生产、传输、分配和消费是同时进行的。,生产、输送、消费电能各环节所组成的统一整体不可分割。,第二节 电力系统运行应满足的基本要求,4,.,快速性,5.,严格性,电能的传播速度接近于光速。,电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。,二、电力系统运行的基本要求,保证安全可靠的供电（安全）,对系统的运行进行安全监控,认真维修设备,配备足够的有功电源和无功电源,完善的电力系统结构,二、电力系统运行的基本要求,要有合乎有的电能质量（优质）,电压,偏移一般不超过用电设备额定电压的,5%,频率偏移一般不超过,0.20.5Hz,波形畸变率不能超过给定限制,6,10kV,：,4%,0.38kV,：,5%,二、电力系统运行的基本要求,要有良好的经济性（经济）,火电厂的煤耗,电厂的厂用电率,电网的网损率,二、电力系统运行的基本要求,尽可能减小对生态环境的有害影响（环保）,优先调度清洁能源（风能、太阳能、海洋能、水能、生物质能、核能）。,对火电机组，按照煤耗水平调度发电。,减少废气（ ）排放量,第三节 电力系统的结线方式和电压等级,（,1,）无备用接线（开式）,每一个负荷点只能从一电源点获得电能。应用于对供电可靠性要求较低的网络或负荷。,(a),放射式,(b),干线式,(c),链式,（,2,）有备用接线（闭式）,每一个负荷点只能从两个或两个以上的电源点获得电能。应用于对供电可靠性要求高的网络，如输电网等。,(a),放射式,(b),干线式,(c),链式,(d),环网,(e),两端供电网,第三节 电力系统的结线方式和电压等级,包括单回路放射式、干线式和链式网络,简单结线,优点：简单、经济、运行方便,（无备用）,缺点：供电可靠性差,适用范围：二、三级负荷,包括双回路放射式、干线式和链式网络,复杂结线,优点：供电可靠性和电压质量高,（有备用）,缺点：投资大,适用范围：电压等级较高或重要的负荷,二、频率与电压等级,所有的电气设备都是按指定的频率和电压设计制造的，在此频率和电压下运行电气设备将具有最佳的技术经济指标。,额定频率：,50Hz,第三节 电力系统的结线方式和电压等级,为什么要规定电力系统的电压等级？,综合考虑导线载流部分截面大小和绝缘等要求，对应一定的输送功率和输送距离有一最合理的线路电压。,从设备制造商的角度考虑，为保证产品的系列性，规定了电力系统的电压等级：,0.38kV,、,3kV,、,6kV,、,10kV,、,35kV,、,110kV,、,220kV,、,330kV,、,500kV,、,750kV,、,800kV,、,1000kV,第三节 电力系统的结线方式和电压等级,第三节 电力系统的结线方式和电压等级,G,M,U,N,10%,U,N,U,1,=U,N,(1+5%),U,2,=U,N,(1-5%),U,GN,=U,N,(1+5%),5%,第三节 电力系统的结线方式和电压等级,用电设备,的额定电压：,U,N,线路,的额定电压：线路始端和末端的平均电压,=,U,N,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%,U,1,=,U,N,(1+5%),，,U,2,=U,N,(1-5%),发电机,的额定电压,U,GN,：,U,N,（,1+5,%,）,接在线路的首端，通常还带有一定量的地方负荷,第三节 电力系统的结线方式和电压等级,变压器,的额定电压,在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为,5%,一次侧是接受电能的，相当于用电设备,二次侧送出电能的，相当于发电机,一次侧：,U,1N,=,U,N,(,降压变压器或中间联络变压器,),U,1N,=,U,GN,=(1+5%),U,N,(,直接和发电机相连变压器）,二次侧：,U,2N,=(1+5%),U,N,(,空载,),U,2N,=(1+10%),U,N,(,负载,),我国规定的,1kV,以上的电力系统额定电压标准,用电设备,额定电压,交流发电机额定电压,交流变压器额定电压,用电设备,额定电压,交流发电机额定电压,交流变压器额定电压,一次绕组,二次绕组,一次绕组,二次绕组,3,3.15,3, 3.15,3.15, 3.3,110,110,121,6,6.3,6, 6.3,6.3, 6.6,(154),(154),(169),10,10.5,10, 10.5,10.5, 11,220,220,242,15.75,15.75,330,330,363,35,35,38.5,500,500,(60),(60),(66),以上所指额定电压均为线电压,第三节 电力系统的结线方式和电压等级,例,1,1,10.5kV,10.5/121kV,110/38.5kV,35/11kV,例 子,T1:10.5/242kV,T2:220/121/11kV,T3:110/38.5kV,T4:35/6.6kV,T5:10.5/0.4kV,第三节 电力系统的结线方式和电压等级,平均额定电压：,大约为电网额定电压,U,N,的,1.05,倍,;,一般在标么值计算中采用，可以使计算简单，但误差不大。,额定电压,U,N,3,6,10,35,平均额定电压,U,avN,3.15,6.3,10.5,37,额定电压,U,N,110,220,330,500,平均额定电压,U,avN,115,230,345,525,第三节 电力系统的结线方式和电压等级,不同电压等级的适用范围,1000,、,800,、,750,、,500,、,330,、,220kV,110,、,35kV,10,、,6kV,第三节 电力系统的结线方式和电压等级,采用架空线时与各额定电压等级相适应的输送容量和输送距离,线路电压,（,kV,）,输送容量,（,MVA,）,输送距离,（,km,）,线路电压,（,kV,）,输送容量,（,MVA,）,输送距离,（,km,）,3,0.1,1.0,1,3,110,10,50,50,150,6,0.1,1.2,4,15,220,100,500,100,300,10,0.2,2.0,6,20,330,200,800,200,600,35,2,10,20,50,500,1000,1500,250,850,60,3.5,30,30,100,750,2000,2500,500,以上,第三节 电力系统的结线方式和电压等级,3.,电力系统中性点的运行方式,电力系统的中性点：,发电机和星形接线变压器的中性点,电力系统中性点接地方式的形式：,大接地电流方式（直接接地）：需要断路器遮断单相接地故障电流。,小接地电流方式（不接地）：单相接地电弧能够瞬间自行熄灭。,第三节 电力系统的结线方式和电压等级,（,1,）,中性点直接接地系统,a,c,b,n,钳位作用,大接地电流方式运行特点：,当系统中发生单相接地故障时，故障点将经中性点接地支路形成回路，并有较大的故障电流流经故障回路。,由于单相接地故障时有较大的故障电流，对电力系统本身和对邻近的通信线和信号线都会造成较大的危险和干扰，所以必须迅速切除故障部分，会造成部分负荷的供电中断。,非故障相的对地电压仍为相电压，因此对线路的绝缘水平的要求相对较低。,小接地电流方式,分为中性点不接地系统和中性点谐振接地系统两种。,当系统中发生单相接地时，将只有很小的故障电流。,第三节 电力系统的结线方式和电压等级,（,2,）,中性点不接地系统,X,c,a,c,b,n,n,(a),电流分布；,(b),电势、电流的相量关系,中性点不接地系统：,所有中性点均不接地或部分经高阻抗接地。,系统中若发生单相接地故障，经线路对地电容形成回路，因而流经故障回路的电流是电容性电流,I,g,。,当网络电压等级低，规模小，,I,g,一般都很小，所以若故障点形成开放性电弧，常可自行熄灭；即使是金属性单相接地故障，由于故障并未流经短路电流，三相仍可维持平衡对称，所以系统仍可继续运行一段时间。,第三节 电力系统的结线方式和电压等级,（,3,） 中性点经消弧线圈接地系统,(a),电流分布；,(b),电势、电流的相量关系,n,a,c,b,n,中性点谐振接地系统：,当接地电容性电流增大，并且随电力系统的运行方式（包括接地和负荷水平）的改变而变化，故障点开放电弧不易自行熄灭，需要在系统中部分中性点装设消弧线圈。,消弧线圈是一个有很多抽头的线性电感。,当系统中发生单相接地时，故障点原来的电容性电流被消弧线圈中电感性电流所补偿。当消弧线圈正确调谐时，数值接近时，故障点电流降至较低的数值，使电弧容易熄灭；在电弧熄灭以后，由于消弧线圈的存在，故障点弧道两端的电压上升缓慢，使电弧不易重燃，因而起到“消弧”作用。,电力系统中性点接地方式的优缺点,1),大接地电流方式：,快速切除故障。当发生单相短路，其接地电流很大，使断路器跳闸快速切除故障，可不装设绝缘监察装置。,经济性好。产生的内过电压最低，而过电压是电网绝缘配合的基础，电网选用的绝缘水平高低，反映的是风险率不同，绝缘配合归根到底是个经济问题。,电力系统中性点接地方式的优缺点,干扰大。产生的接地电流大，故对通讯系统的干扰影响也大。当电力线路与通讯线路平行走向时，由于耦合产生感应电压，对通讯造成干扰。,若发生单相接地故障时，其接地点还会产生较大的跨步电压与接触电压。,110kV,以上系统,电力系统中性点接地方式的优缺点,2),小接地,电流方式：,这种系统中的单相接地故障能瞬时自动消除，或在系统继续运行一段时间后，在有准备的情况下,(,如负荷转移后,),切除，因而减少了停电次数，提高了供电可靠性。,电力系统中性点接地方式的优缺点,非接地相对地电压为,倍相电压，绝缘费用高。,发生单相接地故障时，故障电流分布在全网内，查找故障点很麻烦，是继电保护专业的一个传统难题。,35kV,以下系统。,1),大接地电流方式：,由于短路电流和跨步电压很大，须安全教育和正确配置继电保护及严格的安全措施。其办法是：,尽量使电杆接地电阻降至最小,对电杆的拉线或附装在电杆上的接地引下线的裸露部分加护套,倒闸操作人员应严格执行电业安全工作规程。,中性点接地方式对继电保护的影响,2),小接地电流方式：,绝缘要求高。由于对地电容中的能量不能释放，造成电压升高，从而产生弧光接地过电压或谐振过电压，其值可达很高的倍数，对设备绝缘造成威胁。,容易引发线性谐振或铁磁谐振。这时馈线较短的电网会激发高频谐振，产生较高谐振过电压，导致电压互感器击穿。,中性点接地方式对继电保护的影响,中性点经消弧线圈接地，因电网发生单相接地的故障是随机的，造成单相接地保护装置动作情况复杂，寻找发现故障点比较难。消弧线圈采用无载分接开关，靠人工凭经验操作比较难实现过补偿。消弧线圈本身是感性元件，与对地电容构成谐振回路，在一定条件下能发生谐振过电压。消弧线圈能使单相接地电流得到补偿而变小，这对实现继电保护比较困难。,中性点接地方式对继电保护的影响,电力系统的运行状态,稳态：电力系统正常的、变化相对较慢较小以至可以忽略的运行状态；（代数方程）,暂态：电力系统非正常的、变化较大的以至引起系统从一个稳定运行状态向另一个稳定运行状态过渡的变化过程。（微分方程）,高参数：高温、高压、超临界、单机容量,大容量远距离高压输电、大系统互联,高度自动化,智能电网,电力市场化,分布式发电,风力、太阳能、潮汐、地热等,电力系统发展的主要趋势,电力系统研究的工具,数学模拟,各种计算软件：,PSASP,，,EMTP,，,PSCAD,，,PSS,，,BPA,matlab,物理模拟,RTDS,仿真,动模仿真,思考题,电能的生产、输送和消费有何特点？对电力系统的运行有何要求？,我国电力系统的中性点运行方式主要有哪些？各有什么特点？,各种中性点运行方式的适用情况如何？,电能质量的三个主要指标是什么？各有怎样的要求？,电力系统的接线方式有几种？有备用接线方式和无备用接线方式有何区别？,思考题,何谓电力系统稳态？何谓电力系统暂态？二者之间有何的主要区别何在？,我国的主要高压电压等级有哪些？适用范围如何？,三绕组变压器有几个额定电压？如何确定这些额定电压？,作 业,综述一：节能调度,要求：,3000,字以上，第,9,周周一（,11,月,1,日）前交。,文件名标注学号、姓名和题目，格式为：,“,0526210111,李小明,XXXXXXXX”,发至以下邮箱：,chenbiyu,