电力系统基础

电力系统工程基础,2007. 7,研发部,培训资料（内部资料）,电力系统基本概念,故障录波器在电力系统中的应用,电力系统基本组成,录波分析的基本算法,电力系统基本算法,电力系统定义,电力系统质量指标,电力系统电压等级,发电系统,输变电系统,配电系统,电力系统负荷,电路基础知识,三相电路基本知识,继电保护基本概念,陈 述 内 容,电路网络等值参数,电力系统基本概念,由发电厂内的发电机、电力网内的变压器和输电线路以及用户的各种用电设备，按照一定的规律连接而组成的统一整体，称为电力系统。,电力系统,电力网,电力系统中输送和分配电能的部分称为电力网,动力系统,包括发电厂的动力部分在内的整个系统，称为动力系统,电力系统基本概念,电力系统基本概念,电能的质量指标,电压,频率,波形,电压变化范围在额定电压的5 10,50Hz变化范围0.10.2Hz,标准正弦波形，不应产生畸变,电压质量、频率、波形都对用户正常工作有重要影响,电力系统电压等级,电力系统基本概念,电力系统额定电压电力设备额定电压 高出或低于系统额定510,电力系统中性点接地,小电流接地,大电流接地,不接地,电力系统的中性点是指星形连接的变压器和发电机的中性点,经消弧线圈接地,中型点直接接地,经电阻接地,不接地,经消弧线圈接地,电力系统基本概念,发电系统,火力发电厂,水力发电厂,核电厂,锅炉汽轮机发电机,水轮机发电机,核反应堆汽轮机发电机,化学能转化为热能,热能转化为机械能,机械能转化为电能,输变电系统,输变电系统是电力系统的组成部分，包括变压器和输电线路,输变电设备,变换电压的设备：如变压器接通和开断电路的开关电器：如断路器、隔离开关、熔断器防御过电压，限制故障电流的电器：如避雷器、避雷针、避雷线、电抗器无功补偿设备：如电力电容器、同步调相机、静止补偿器载流导体：如母线、引线、电缆、架空线接地装置：如变压器中性点接地、设备外壳接地、防雷接地等,输变电系统,输电线路：架空线路架设在户外，由导线、避雷线、杆塔、绝缘子等组成 电缆线路安放在电缆架上，电缆管道中或直接埋设在地下的电缆沟中,开关电器：断开或接通电路的电气设备总称,负荷开关仅用于断开或闭合正常工作电流的开关电器,熔断器仅用于断开过负荷电流或短路电流的开关电器,断路器用于断开或闭合正常工作电流、短路电流的开关电器,隔离开关不要求断开或闭合电流，只用于检修时隔离电压的开关电器,用于电压电流变换，使测量仪表标准化，小型化,使二次设备与一次高压隔离,二次侧必须接地，以保证人身和设备安全,电流互感器 TA,电流互感器,TV,输变电系统,互感器,工作原理与变压器相似,将一次回路大电流转化为小电流（5A或1A）,将一次回路高电压转化为低电压,输变电网络接线,无备用接线方式 可靠性低 用于三级负荷,有备用接线方式 可靠性高 用于重要负荷 一级和二级负荷,无备用接线,有备用接线方式,电气一次接线,发电厂和变电所中的一次设备，按照一定的规律连接而成的电路称为电气主接线，也称电气一次接线或一次系统,输变电系统,电气主接线基本形式,有汇流母线接线,有汇流母线接线,单母线 单母线分段 双母线 双母线分段一台半短路器接线,无汇流母线接线,单元接线及扩大单元接线,桥形接线,角形接线,输变电系统,无汇流母线接线,单母线接线简单、清晰、设备少、但供电可靠性不高,QF断路器 QS隔离开关W母线 WL线路,送电： QS4 QF2断开 合QS2 QS3断电： 断QF2 QS3 QS2 合QS4,输变电系统,单母线分段接线供电可靠性优于单母线接线,QF断路器 QS隔离开关W母线 WL线路,当一母线分段发生故障QF断开，另一母线正常工作,输变电系统,双母线接线 检修一组线路，可使回路供电不中断，一组母线故障，部分进 出线会暂时停电，经母线隔离开关切换，线路供电可迅速恢复,母联QF断开，一组母线工作 一组备用母联QF断开，进出线分别接 入两组母线，两组母线分裂 运行母联QF闭合，电源以及溃线 平均分配在两组母线,输变电系统,双母线三种运行方式,双母线分段接线,QF1 QF2母联断路器 QF3分段断路器L电抗器 WL线路 G1 G2 发电机,正常工作：、段工作， 段备用L限制故障时相邻段供给短路电流,输变电系统,一台半断路器接线,输变电系统,广泛用于大型电厂和变电所的超高压配电装置具有较高可靠性及运行灵活性母线故障，只跳开与此母线相连的断路器，任何回路不停电,扩大单元接线,（a）,（b）,（a）发电机变压器扩大单元,（b）发电机分裂绕组变压器扩大单元接线,输变电系统,使用断路器数目少，结构简单,电力系统负荷是指电力系统在某一时刻各类用电设备消耗功率的总和,按供电可靠性可分为：一类负荷：中断供电会带来人身危险或造成巨大经济损失 二类负荷：中断供电会带来大量减产，或扰乱大部分居民生活 三类负荷：中断供电，造成损失不大,一类负荷一般应由两个独立电源供电,二类负荷可以采用双回路线供电,电力系统负荷曲线,电力系统负荷,概念,日负荷曲线,日平均负荷曲线,日负荷持续曲线,年负荷曲线,电压电流正弦量的表示：,正弦分量三要素,周期电流i与有效值I的关系：,有效值与最大值之间的关系：,最大值,初始相位角,角速度,电路基础知识,正弦电流电压的相量表示：,电路基础知识,利用电压电流相量求解正弦稳态电路,阻抗和导纳,阻抗定义：端口的电压相量,与电流相量,的比值,R称为电阻 X称为电抗,电路基础知识,导纳的定义：阻抗的倒数,G称为电导,B称为电纳,对于单个元件R，L，C的导纳为：,电路基础知识,电路基础知识,对于n个导纳并联而成的电路，等效电纳为：,对于n个电阻的串联形式，等效电阻为：,阻抗与导纳的串并联关系,相量图,电力系统中相量：,电压、电流、阻抗、导纳等等,有效值,正序相量,三相电力系统：,三相电源、三相负载、三相输电线路组成,电路基础知识,对称三相电路用一相等值电路进行分析,对称星形电源线电压与相电压关系：,对称星形负载线电压与相电压关系：,电路基础知识,功 率,单相功率,3相功率,复功率,视在功率,Ul线电压 Ip相电流,3相对称时,架空线路参数,电力网络等值参数,电阻,电抗,电导,电纳,l线路的长度,架空线路等值电路,变压器基本参数,电阻R,电抗X,电导G,电纳B,短路损耗 ，短路电压 ，空载损耗 ，空载电流百分值,高压侧和低压侧变比,电力网络等值参数,已知：,双绕组变压器等值电路,电力网络等值参数,发电机参数及其等值电路,电力网络等值参数,（a）发电机对称运行时,（b）无阻尼电机短路时,（c）有阻尼电机短路时,总结,各元件的等值电路分正序、负序、零序等值电路以上介绍都是元件的正序等值电路,通过电力网络元件参数等值电路建立电力网络数学模型，进行电力系统潮流计算、短路计算,电力网络等值参数,电力网络数学模型,电力网络中的发电机，线路 变压器用等值电路来表示,图中略去了变压器励磁功率 和线路电容，负荷用阻抗表示,通过节点方程得到：,电流已知量，电压是待求量,电力网络等值参数,电力系统电压调整,系统无功功率平衡影响系统电压,电力系统有功功率平衡影响系统频率,调节励磁电流改变发电 机机端电压Vg适当选择变比改变线路参数改变无功功率的分布,电力系统频率调整,一次调频,二次调频,电力网络等值参数,频率调整分为：,（通过调发电机的有功出力）,电压调整基本原理：,引言：,三相对称时，电力系统电气量可以直接用单相电压、电流相量来分析，在三相不对称时，采用对称分量法来分析。,三相电路中，对于任一组不对称的三相相量（电流或者电压），可以分解为三组三相对称的相量，即正序、负序、零序。,如电流以A相为基准，,三相电路分析方法,正序分量,负序分量,零序分量,对称分量示意图,电力系统不对称工况举例：,单相接地、两相短路接地、两相不接地短路,三相非全相运行：断线、不同期跳/合闸,电力系统三相参数不对称：变压器参数三相不对称、线路没有均匀换位等（线路参数不对称）,二次回路断线,Example1:,Example2:,Example3:,序量计算,Example2,Example3,负序突变量,三相对称时，相电气量等于正序电气量,一次值/二次值/标幺值,对于直流量，往往经过分压或者将直流电流变换位直流电压测量，一般没有统一的边换比例，无所谓一次/二次值；为了与交流量统一，有时候也称一次值/二次值。二次值指接到装置端子上的值，一次值指实际的直流量的值。,主要针对交流电压/电流区分一次和二次值，一次值，指电力系统PT/CT原边的值，反映电力系统实际的电压电流值；二次值，指经过PT/CT变换后的副边相对较小的电压/电流值，如相电压，额定为57.7V；电流，二次额定值为1A或者5A。,标幺值，没有单位，是指电量相对于某一基准值的值；谈到标幺值，一定存在一个基准值。,一次值/二次值/标幺值之间的切换,一次值与二次值之间的切换,电压：,电流：,阻抗：,有功功率：,无功功率：,一次值与标幺值之间的切换,标幺值基准值的选取,基本作用,在全系统范围内，按指定分区实时检测各种故障和不正常允许状态，快速及时地采取故障隔离或告警措施，以求最大限度的维持系统的稳定、保持供电的连续性、保障人身的安全、防止或减轻设备的损坏。,原理,当电力系统发生短路故障时，电气量相对于正常运行状态要发生很大变化，利用故障时电气量的变化特征，构成各种原理的继电保护。,故障时电气量的变化,电流明显增大,电压明显降低,电压和电流间相位角发生变化,测量阻抗发生变化,电气元件流入与流出电流的关系发生变化,出现负序和零序分量,过电流保护,低电压保护,方向保护,阻抗保护,电流差动保护,序分量保护,电力系统继电保护基本知识,简单不对称短路分析,发生单相短路时,对于不接地系统，单相短路电流为零非故障相电压上升为线电压,非故障相电压绝对值相等,发生两相接地短路,产生零序、正序、负序分量,发生两相短路,产生正序、负序、零序分量,产生正序、负序分量没有零序分量,两相短路电流为正序电流 倍,故障相电压为非故障相电压一半,产生负序、零序、正序分量，短路相电流增大,输电线路纵差保护,纵联保护基本原理,当输电线路内部任何地点发生故障时，线路两侧电流为正，两侧保护无延时动作跳两侧断路器，即1QF和2QF跳闸；当输电线路外部短路时，两侧电流方向相反，保护不动作,在输电线路两侧用变比相同的电流互感器取出电流当互感器一次电流从端流入，二次电流从端流出，KD为差动电流测量元件,续基本原理：,两侧电流互感器的二次电流,两侧互感器的变比,M、N两侧的互感器的激磁电流,正常运行时，,线路内部发生故障时：,输电线路距离保护,保护测量装置测量的是母线电压和流过该线路的电流,正常工作时，测量阻抗是负荷阻抗故障时，测量阻抗是故障点到母线的阻抗通过阻抗值，求故障距离,故障时，计算得到的就是故障点到测量母线的线路阻抗,l故障距离,输电线路自动重合闸,原因,电力系统发生的故障有很多属于暂时性的，保护动作后故障可立即消除，采用自动重合闸恢复供电,自动重合闸无法判断事故属于暂时性，还是永久性，无法保证自动重合闸都成功。,自动重合闸的作用：,线路发生暂时性故障，迅速恢复供电，提高供电可靠性对于双侧高压电源线路，可以提高系统并列运行稳定性可以纠正由于断路器机构不良，或断路器误动作引起的误跳闸装设自动重合闸装置，可暂缓架设双回路线路以节约投资,自动重合闸的特点,动作迅速不允许任意多次重合动作后应能自动复归手动跳闸时不应重合手动合闸于故障线路时自动重合闸不重合用不对应原则启动能与继电保护动作配合,自动重合闸类型,三相重合闸,单相重合闸,综合重合闸,突变量,电压/电流变化前后的差值，如果是由故障引起的电压电流突变，也称故障分量；,突变量计算：,或者：,两者持续的时间不一样,N：一周波数据点数,利用突变量或者故障分量分析或者启动可以减小负荷电流的影响；,录波中，为了减小振荡对突变启动的影响，实际采用如下算式计算瞬时值突变量,录波器 启动判据原理常规启动,录波器 启动判据原理常规启动,越限启动,高越限启动：电气量超过一定定值启动录波；,ZH-3系列录波器高越限启动种类：,相电压高越限；,正序电压高越限；,相电流高越限；,零序电压高越限；,自产零序电压高越限；,负序电压高越限；,零序电流高越限；,负序电流高越限；,自产零序电流高越限；,自产零序电压电流：利用三相电压电流计算的得到的零序量；,频率高越限；,3次谐波电压高越限；,直流通道高越限；,零序电流端子接法,CT二次侧,低越限启动：电气量低于一定定值启动录波；,ZH-3系列录波器低越限启动种类：,录波器 启动判据原理常规启动,越限启动,相电压低越限；,频率低越限；,直流通道低越限；,相电气量、直流通道越限按通道设定；序量越限按组设定。,越限设定：,返回系数：（录波）启动元件返回量与动作量之比。,返回系数目的：避免电气量在启动定值附近时启动元件频繁启动。,高越限返回系数示意图,高越限返回系数示意图,高越限返回系数：,低越限返回系数：,越限启动相关问题：,录波器启动判据原理常规启动,突变量启动,电气量突变量超过一定定值启动录波；,ZH-3B/2B嵌入式发变组突变量配置：,相电压突变；,零序电压突变；,相电流突变；,自产零序电压突变；,自产零序电流突变；,零序电流突变；,直流通道突变；,电气量突变量启动方式：,瞬时值突变启动，确定故障点精度高；,稳态量突变启动，精度高；,故障录波器在电力系统中的应用,在电网发生故障后除进行事故处理所需要的事故性质、范畴的界定外很重要的一个环节就是根据故障录波器记录的事故过程中的电网电流、电压的波形，保护装置在故障时的动作行为，保护装置的整定制，保护装置的动作原理、逻辑设置，以及保护装置各种元件在故障时的响应因素等原因，系统地判断、分析、评价保护装置的动作行为和性能。这就需要将断路器、保护装置的动作信息与故障录波器的信息进行有效关联，由于故障录波器记录的信息可以实现IEEE标准电力系统暂态数据交换通用格式格式的输出，因此，有时对于复杂故障可以利用故障录波器的数据文件进行故障回放，以验证保护对电网故障时间的响应行为。这种分析将有利于合理评估保护装置在电网故障时的行为，并根据系统性评价结果，及时调整保护装置的设定指，从而更好地适应系统安全的需要。,作为电网故障或异常情况记录的“黑匣子”，故障录波器必须完整的记录电网扰动的整个过程，并作为评价保护装置动作性能的主要手段。,录波器的主要任务是记录电力系统扰动如短路故障系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等发生后的有关系统电参量变化情况、保护装置动作、断路器跳闸情况的分析，评判保护或短路器等设备的动作行为是否符合设计和电网运行的要求。,故障录波器记录故障后会形成一个故障文件，信息输出分两个环节：其一是简要信息输出，