第一章 电力系统的基本概念

,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,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,第一章 电力系统的基本概念,11 电力系统概述,12 电力系统运行的特点和基本要求,13 电力系统负荷,14 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,11 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的反应堆等）包含在内的系统。,11 电力系统概述,11 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,11 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（,3740%,）、容量大，坑口电厂,热电厂,效率高（,6770%,）、容量小，城市区,11 电力系统概述,火力发电厂,11 电力系统概述,火力发电厂,11 电力系统概述,火力发电厂,11 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,11 电力系统概述,三 峡 电 站,11 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、钚）,聚变能,：,不同轻元素的原子核进行聚合（氘、氚）,11 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,；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,11 电力系统概述,11 电力系统概述,（,3,）核电厂,（,4,）新能源发电,11 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,330kv,11 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,11 电力系统概述,11 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。,11 电力系统概述,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；,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；,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,)+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,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,kW6000h36,亿,kW.h,需标煤：36亿,kW.h320g/kW.h115.2,万吨标煤,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,20003000,一班制企业用电,15002200,二班制企业用电,30004500,三班制企业用电,60007000,农 灌 用 电,10001500,14 电力系统的结线方式和电压等级,放射式,干线式,树状,无备用结线,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,14 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,14 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,14 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,14 电力系统的结线方式和电压等级,14 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,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,14 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,(,UaUb)/2,。,14 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,（15）,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,（15）,14 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,10.5kV,121kV,38.5kV,110kV,11kV,35kV,14 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；（,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,A10A，,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（2.53）,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；,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,36kV,电力网,(,接地电流,30A),10kV,电力网,(,接地电流, 20A),3560kV,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,