第一章 電力系統(tǒng)的基本概念

電力系統(tǒng)分析主講:

高志剛gzg@自動化學院電力對我們有多重要？制備各種食物，加熱，烹調(diào)，切割...紡織、印染...建筑、冶金、石油化工...電燈、電視、計算機、手機、冰箱、熱水器...高鐵、磁懸浮、電氣化列車、汽車、飛機、輪船...我們需要從電力網(wǎng)絡獲取電能！一個典型的電力系統(tǒng)產(chǎn)輸配用特殊的電力系統(tǒng)船舶、飛行器等內(nèi)部供電也是一種“電力系統(tǒng)”。交通混亂疏導維持治安機場關(guān)閉露宿街頭2003年美國814大停電事故2008年初我國南方冰災春運鐵路交通全面癱瘓！2008年初我國南方冰災除冰機器人課程介紹1、教材：《電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析》東南大學陳珩（第三版）《電力系統(tǒng)分析》華中科技大學何仰贊溫增銀（第三版）2、本課程前修課程、后續(xù)課程前修課程：電路理論、電機學后續(xù)課程：電力系統(tǒng)暫態(tài)分析、電力系統(tǒng)繼電保護等3、考核方式：閉卷筆試80分（選擇40分+問答計算40分）

平時成績20分（平時作業(yè)+出勤+實驗）第一章電力系統(tǒng)的基本概念1電力系統(tǒng)概述2對電力系統(tǒng)運行的基本要求3結(jié)線方式和電壓等級4課程的主要內(nèi)容1.1電力系統(tǒng)概述發(fā)展歷史組成部分現(xiàn)狀趨勢1電力系統(tǒng)概述2對電力系統(tǒng)運行的基本要求3結(jié)線方式和電壓等級4課程的主要內(nèi)容1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律，早期的電機制造和電力輸送主要采用直流形式。電力系統(tǒng)的發(fā)展歷史電力系統(tǒng)的發(fā)展歷史B負正電流力XY直流發(fā)電機原理注意：電感電流不能突變,為什么?(能量)電力系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.突加電壓2.電流欲增加3.電流增加導致磁場增強(安培環(huán)路定理)5.所以，運行過程中電感一直吸收能量4.磁場增加導致出現(xiàn)等效電動勢阻礙電流增加6.能量存儲于電感(的磁場)中7.斷開后電流為0，磁場為0，需要電感能量消失，則只能在斷開瞬間進行釋放，導致電弧放電。1882年德波列茨使用直流1500V-2000V完成長距離直流輸電。1882年，愛迪生建造了世界上第一個公用發(fā)電系統(tǒng)。由蒸汽機驅(qū)動直流發(fā)電機，電壓為100VDC，為800盞白熾燈提供電力。1883年，變壓器出現(xiàn)。1885年，特斯拉發(fā)明了交流電機，并成功地將它同變壓器連接起來，實現(xiàn)了單相交流輸電。1886年美國西屋電氣公司成立1891年實現(xiàn)三相交流輸電。電力系統(tǒng)的發(fā)展歷史1891年，世界上第一臺水輪發(fā)電機組在德國勞芬建成并向法蘭克福送電，傳輸電壓15kV-25kV(交流)，傳輸距離175km，傳輸功率172kW。1893年，特斯拉同西屋電氣公司合作為當年在美國芝加哥舉行的世界博覽會建造了交流供電系統(tǒng)，并借世博會向世界展示了交流技術(shù)的優(yōu)點。直流技術(shù)交流技術(shù)VS電力系統(tǒng)的發(fā)展歷史交流技術(shù)的優(yōu)點易于通過變壓器升、降壓。高壓技術(shù)適合長距離輸電，傳輸損耗小。相應的交流開關(guān)等設(shè)備的安裝簡單，價格便宜結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)計算簡單。傳輸線的利用率高。電網(wǎng)各節(jié)點僅有電壓一個參數(shù)，不同電網(wǎng)容易進行并聯(lián)運行。易于使用蓄電池等設(shè)備進行存儲。直流技術(shù)的優(yōu)點目前在世界范圍內(nèi)，絕大多數(shù)場合均使用交流輸電技術(shù)，電力系統(tǒng)輸電電壓已超過1000kV，傳輸距離超過1000km，輸送功率超過5000MW而隨著交流電網(wǎng)并網(wǎng)規(guī)模的越來越大，出現(xiàn)了電網(wǎng)震蕩和同步機并列運行穩(wěn)定性問題，直流輸電技術(shù)又開始得到了重視和應用。電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)的組成～工業(yè)農(nóng)業(yè)商業(yè)生活發(fā)電＋輸電

＋配電

＋用電五大發(fā)電集團：大唐、中電投、國電、華電、華能兩大電網(wǎng)公司：國家電網(wǎng)南方電網(wǎng)發(fā)電廠類型：火電：鍋爐－汽輪機－發(fā)電機水電：水庫－水輪機－發(fā)電機核電：核反應堆－汽輪機－發(fā)電機其它：如風能、地熱能、太陽能、潮汐等電力系統(tǒng)的組成基本概念電力系統(tǒng)——是由發(fā)電廠、變電所、輸電線、配電系統(tǒng)及負荷組成的。是現(xiàn)代社會中最重要、最龐雜的工程系統(tǒng)之一。電力網(wǎng)絡——是由變壓器、電力線路等變換、輸送、分配電能設(shè)備所組成的部分。動力系統(tǒng)——在電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，把發(fā)電廠的動力部分（例如火力發(fā)電廠的鍋爐、汽輪機和水力發(fā)電廠的水庫、水輪機以及核動力發(fā)電廠的反應堆等）包含在內(nèi)的系統(tǒng)。電力系統(tǒng)的組成電力系統(tǒng)的組成基本概念總裝機容量——指該系統(tǒng)中實際安裝的發(fā)電機組額定有功功率的總和，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）為單位計。截止2013年，我國電力系統(tǒng)總裝機容量已經(jīng)超過1100GW。年發(fā)電量——指該系統(tǒng)中所有發(fā)電機組全年實際發(fā)出電能的總和，以千瓦時（kWh）、兆瓦時（MWh）、吉瓦時（GWh）為單位計。

最大負荷——指規(guī)定時間內(nèi)，電力系統(tǒng)總有功功率負荷的最大值，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）為單位計。電力系統(tǒng)的組成基本概念額定頻率——按國家標準規(guī)定，我國所有交流電力系統(tǒng)的額定功率為50Hz。最高電壓等級——是指該系統(tǒng)中最高的電壓等級電力線路的額定電壓。地理接線圖——主要顯示系統(tǒng)中發(fā)電廠，變電所的地理位置，電力線路的路徑，以及它們相互間的連接電氣接線圖——主要顯示系統(tǒng)中發(fā)電機，變壓器，母線，斷路器，電力線路等主要元器件之間的電氣接線電力系統(tǒng)的組成輸電線路的最高電壓已達1000kV(2009年1月6日22時，晉東南-荊門-南陽特高壓交流試驗示范工程投入商業(yè)運行)；輸送距離大幅延長，實現(xiàn)了跨省、跨區(qū)域輸電；電源的構(gòu)成（出現(xiàn)分布式能源）；負荷的構(gòu)成（出現(xiàn)很多非線性負載和電力電子負載）；高度自動化；遠距離大容量直流輸電，最高電壓已達±800kV(2010年7月8日，向家壩-上海特高壓直流輸電示范工程投入商業(yè)運行)電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀智能化（如智能電網(wǎng)SmartGrid)以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代先進的傳感測量技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。

電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢更高電壓更大容量更長距離交直流混合分布式(如微電網(wǎng),Micro-Grid)電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢傳統(tǒng)形式1.2電力系統(tǒng)運行應滿足的基本要求電能是一種特殊的商品：國民經(jīng)濟及日常生活關(guān)系密切電能不能大量儲存電能生產(chǎn)、輸送、消費的整體環(huán)節(jié)不可分割工況的改變十分迅速對電能質(zhì)量要求頗為嚴格。對其基本要求有哪些？1.保證可靠的持續(xù)供電一級負荷、二級負荷、三級負荷一級負荷：對這一級負荷中斷供電，將造成人身事故，經(jīng)濟嚴重損失，人民生活發(fā)生混亂。例如政府機構(gòu)、重要的交通樞紐、通訊樞紐、衛(wèi)星地面站、重要的國際活動場所、醫(yī)院、煉鋼廠、礦井、銀行證券交易中心等。方案：多路供電、備用發(fā)電機、備用電源。二級負荷：對這一級負荷中斷供電，將造成大量減產(chǎn)，人民生活受影響。例如重要的企業(yè)。三級負荷：所有不屬于一、二級的負荷。1.2電力系統(tǒng)運行應滿足的基本要求2.保證良好的電能質(zhì)量（電壓質(zhì)量、頻率質(zhì)量、波形質(zhì)量）允許的電壓偏移、允許的頻率偏移、畸變率電壓：±5%（無功功率）頻率：±(0.2-0.5Hz)（有功功率）諧波：波形畸變率4%(≤10kV),

5%(≥10kV)

3.保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性

煤耗率（g/kWh）、線損率1.2電力系統(tǒng)運行應滿足的基本要求重要性排序:1.可靠性2.電能質(zhì)量3經(jīng)濟性。無備用結(jié)線包括放射式、干線式和鏈式網(wǎng)絡優(yōu)點：簡單、經(jīng)濟、運行方便缺點：供電可靠性差適用范圍：二級負荷一、結(jié)線方式1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級有備用結(jié)線包括放射式、干線式、鏈式、環(huán)式、兩端供電網(wǎng)絡。優(yōu)點：供電可靠性和電壓質(zhì)量高缺點：不經(jīng)濟適用范圍：電壓等級較高或重要的負荷1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級二、電壓等級及其適用范圍三相視在功率S、線電壓U、線電流I的關(guān)系為：1、電力系統(tǒng)的額定電壓等級當輸送功率一定時，電壓越高，電流越?。ǖ珜^緣的要求高，桿塔、變壓器、斷路器投資大）。從設(shè)備生產(chǎn)和利于電力行業(yè)發(fā)展的角度考慮，應對電壓等級進行規(guī)定。1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級相電壓與相電流夾角每相線路電阻1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級我國電力系統(tǒng)額定電壓等級列表說明：以線路額定電壓為基準進行記憶；用電設(shè)備的容許電壓偏移一般為±5%；沿線路的電壓降落一般為10%；在額定負荷下，變壓器內(nèi)部的電壓降落約為5%。1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級～發(fā)電機額定電壓變壓器一次側(cè)變壓器二次側(cè)變壓器一次側(cè)變壓器二次側(cè)用電設(shè)備線路額定電壓電力網(wǎng)絡中電壓分布采取的措施：取用電設(shè)備的額定電壓為線路額定電壓，使所有設(shè)備能在接近它們的額定電壓下運行；取線路始端電壓為額定電壓的105%；取發(fā)電機的額定電壓為線路額定電壓的105%；變壓器一次側(cè)可能作為負載，也可能直接與發(fā)電機相連；變壓器二次側(cè)作為電源1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級變壓器的電壓等級升壓變壓器（例如35/121，10.5/242）二次側(cè)（高壓側(cè)）接線路始端，向負荷供電，相當于發(fā)電機，應比線路的額定電壓高5%，加上變壓器內(nèi)耗5%，所以二次側(cè)額定電壓等于用電設(shè)備的額定電壓110%。一次側(cè)（低壓側(cè)）接電源，相當于用電設(shè)備，一次側(cè)額定電壓等于用電設(shè)備的額定電壓UN；直接和發(fā)電機相聯(lián)的變壓器一次側(cè)額定電壓等于發(fā)電機的額定電壓即105％UN；1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級變壓器的電壓等級降壓變壓器（110/38.5，220/38.5）一次側(cè)（高壓側(cè)）接線路末端，相當于用電設(shè)備，一次側(cè)額定電壓等于用電設(shè)備的額定電壓；二次側(cè)（低壓側(cè)）向負荷供電，相當于發(fā)電機，應比線路的額定電壓高5%，加上變壓器內(nèi)耗5%，所以二次側(cè)額定電壓等于用電設(shè)備的額定電壓110%。1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級不同電壓等級的適用范圍低于110kV的，電壓等級應差3倍，110kV以上的，電壓等級應差2倍左右500，330，220用于大電力系統(tǒng)的主干線110用于中小系統(tǒng)的主干線和大系統(tǒng)的二次網(wǎng)絡35kV用于大城市，大工業(yè)企業(yè)的內(nèi)部網(wǎng)絡10kV最常用的配電網(wǎng)絡1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級電力系統(tǒng)的中性點：星形連接的變壓器或發(fā)電機的中性點。中性點的運行方式主要分為接地和不接地兩種。

如何確定電力系統(tǒng)中性點接地方式？應從供電可靠性、內(nèi)過電壓、對通信線路的干擾、繼電保護以及確保人身安全諸方面綜合考慮。三、電力系統(tǒng)中性點的運行方式

1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級1、中性點直接接地負荷ABCk(1)Ik(1)Ik(1)

特點：供電可靠性不如電力系統(tǒng)中性點不接地和經(jīng)消弧線圈接地方式。故障時：如發(fā)生接地故障，則構(gòu)成短路回路，接地相電流很大；為提高供電可靠性，在線路上廣泛安裝三相或單相自動重合閘裝置。對地電壓＝相電壓，電氣設(shè)備的絕緣水平只需按電力網(wǎng)的相電壓考慮，可以降低工程造價。我國380/220V系統(tǒng)中一般都采用中性點直接接地方式，主要是從人身安全考慮問題。適用范圍：我國110kV以上的中性點接地，60kV以下的中性點不接地。380/220V系統(tǒng)一般也進行接地。1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級2、中性點不接地的電力系統(tǒng)負荷ABCGIAGa.電路圖0UAUBUCIBGICGIAGb.矢量圖正常運行時UAG＋UBG＋UCG＝0IAG＋IBG＋ICG＝0結(jié)論：三相電壓對稱，三相導線對地電容電流也是對稱的，三相電容電流相量之和為零，這說明沒有電容電流經(jīng)過大地流動。適用范圍60kV以下的電力系統(tǒng)N1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級單相金屬性接地故障時(A相)IAGICAIBGICBICGICCIPE負荷ABCNG中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障的結(jié)論1：

故障相對地電壓降為零；非故障相對地電壓升高為線電壓，且相位相差600。因此，線路及各種電氣設(shè)備的絕緣要按線電壓設(shè)計，絕緣投資所占比重加大，顯而易見，電壓等級越高絕緣投資越大。三相之間的線電壓仍然對稱，用戶的三相用電設(shè)備仍能照常運行。1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級

接地故障電容電流IPE的計算IAGICAIBGICBICGICCIPE負荷ABC1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級而正常運行時，A相對地電容電流為可以看出，A相對地電流絕對值變?yōu)榱嗽瓉韺Φ仉娙蓦娏髦档?倍。1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障的結(jié)論2：接地電流在故障處可能產(chǎn)生穩(wěn)定的或間歇性的電弧。如果接地電流大于30A時，將形成穩(wěn)定電弧，成為持續(xù)性電弧接地，這將燒毀電氣設(shè)備和可能引起多相相間短路。如果接地電流大于5A~10A，而小于30A，則有可能形成間歇性電??；間歇性電弧容易引起弧光接地過電壓，將危害整個電網(wǎng)的絕緣安全。如果接地電流在5A以下，當電流經(jīng)過零值時，電弧就會自然熄滅。1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級負荷ABCCCCILICICCICBICAICCICBICAIPELNG通過選擇L，可以完全消除IPE1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級為消除中性點不接地系統(tǒng)的接地電流3、中性點經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)

消弧線圈？

安裝在變壓器或發(fā)電機中性點與大地之間的具有氣隙鐵芯的電抗器。單相(C相)金屬性接地故障消弧線圈的作用當發(fā)生單相接地故障時，接地故障相與消弧線圈構(gòu)成了另一個回路，接地故障相接地電流中增加了一個電流，它和裝設(shè)消弧線圈前的電流的方向剛好相反，相互補償，減少了接地故障點的故障電流，使電弧易于自行熄滅，從而避免了由此引起的各種危害，提高了供電可靠性。1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級負荷ABCCCCILICICCICBICAICCICBICAIPELNG負荷ABCCCCICICCICBICAICCICBICAIPENG×

消弧線圈的補償方式欠補償方式：按IL<IPE選擇消弧線圈的電感，此時接地故障點有未被補償?shù)碾娙蓦娏髁鬟^。采用欠補償方式時，當電力網(wǎng)運行方式改變而切除部分線路時，整個電力網(wǎng)對地電容將減少，有可能發(fā)展成為全補償方式，導致電力網(wǎng)發(fā)生諧振，危及系統(tǒng)安全運行；另外，欠補償方式容易引起鐵磁諧振過電壓等其它問題，所以很少被采用。三、電力系統(tǒng)中性點的運行方式全補償方式：按IL=IPE選擇消弧線圈的電感，使接地故障點電流為零，此即全補償方式。這種補償方式并不好，因為當感抗等于容抗時，電力網(wǎng)將發(fā)生諧振，產(chǎn)生危險的高電壓或過電流，影響系統(tǒng)安全運行。1.3電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級三、電力系統(tǒng)中性點的運行方式對于3-60kV的網(wǎng)絡，容性電流超過下列數(shù)值時，中性點應裝設(shè)消弧圈。過補償方式：按IL>IPE選擇消弧線圈的電感，此