1.第一章 电力系统概述.doc

第一章 电力系统(网络)概述复习电力系统稳态分析的基本内容，掌握电力网络的基本组成和特点。第一节 电力系统的基本概念1、 电力系统的概念电力系统是由发电、变电、输电、配电、用电等设备和相应辅助系统按规定的技术和经济要求组成的，将一次能源转换为电能，并输送到电力用户的一个复杂的、可控的统一系统。2、 组成电力系统的设备分类电力系统中的设备分为一次设备和二次设备：一次设备：在电力系统中完成电能的生产、变换、传输、分配、使用等任务的电器设备或系统叫做一次设。一次设备是电能的载体。由一次设备组成的系统叫做一次系统。二次设备：完成对一次设备进行测量、控制、保护或对一次系统进行运行调整、事故处理的设备叫做二次设备。二次设备是信息的载体。由二次设备组成的系统叫做二次系统或装置。3、 电力网络的概念电力网络是由变压器、输电线路、电力电抗器、电力电容器等电器设备连接而成，完成电能变换、传输、分配的网络。4、 电能的形态三相交流电、单相交流电、直流电。5、 电能作为一种商品的特点（1）与国民经济和人民的生活密切相关；（2）电能不能大量存储，产销是同时进行的；（3）任何事件的发生都会非常迅速的影响整个系统；（4）电能质量影响用电设备的效率、寿命、产品的质量。电能质量包括：电压、频率、波形、三相对称度（5）电能生产和使用必须遵循“安全第一”的原则。管理、操作、使用不当，将会危及人身和设备安全。6、 对电力系统的要求（1） 保证安全可靠供电。设备安全、人员安全、供电不间断。（2） 提供合格的电能。电压（7%10%）、频率（0.2正常时0.5Hz故障时）、波形（总谐波畸变率、各次谐波含量）、三相对称度（负序分量与正序分量比值的百分数，正常时2%、短时4%）。（3） 提高系统运行的经济性。更新技术和设备、节能降耗、经济调度。（4） 符合环保要求。达标排放废气、废渣、废水；减低电磁辐射、噪音。7、 电力系统的发展趋势（1） 电力系统互联，建立统一大电网或联合电网。（2） 超、特高压输电，交、直流混合输电。（3） 灵活的交流输电技术。（4） 大机组。（5） 储能技术。（6） 新能源发电。（7） 智能电网。（8） 电力市场。（9） 互联电网的稳定性控制技术。（10） 电力系统防灾变技术。（11） 电力系统新材料、新工艺、新技术。第二节 电压等级和电网的接线方式1、 电压等级及划分三相交流是指线电压，直流指对地电压。我国最高交流电压等级是1000KV（长治-荆门线），于2008年12月30日投入运行。我国最高直流电压等级为正负500KV（葛洲坝-上海南桥线、天生桥-广州线、贵州-广东线、三峡-广东线），另有正负50KV（上海-嵊泗群岛线），100KV（宁波-舟山线），南方电网公司将建设正负800KV特高压直流输电线。35kv及以下电压等级称配电电压,(小于500V低压，大于等于1000V高压)110kv220kv电压等级称高压330kv500kv电压等级称超高压，直流500kV1000 kv及以上电压等级称特高压，直流800kV2、 我国额定电压等级额定电压是电力系统及电力设备规定的正常电压，即与电力系统及电力设备某些运行特性有关的标称电压。电力系统各点的实际运行电压允许在一定程度上偏离其额定电压，在这一允许偏离范围内，各种电力设备及电力系统本身仍能能正常运行。（1）电网的额定电压：220V/380 V（400V、0.4 kV）、3 kV 、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV，750 kV 、1000KV。（2）发电机额定电压：400V、3.15kV 、6.3kV、10.5kV、13.8kV、15.75kV、17.5kV、20kV。（3）变压器额定电压：电源侧与发电机或电网额定电压相同，负荷侧较电网额定电压高5%10%。（4）用电设备额定电压：等于电网额定电压3、 电力网络结构的基本形式电源与负荷的连接关系，电力网络接线的基本形式分为有备用和无备用两类：无备用的接线：放射式、干线式、链式。有备用接线：双回路、环形、双电源。4、 电力系统中性点接地方式星形接线的中性点与地之间的连接关系。（1）大接地（直接接地、经小电阻接地）方式单相接地短路电流大，必须切除故障部分，供电可靠性差；单相接地时，非故障相对地电压为相电压，对绝缘要求低，响应投资省。（2）不接地方式单相接地时流经故障点的为不大的对地电容电流，负荷各线电压仍为对称，可继续对负荷供电，供电可靠性高；单相接地时，非故障相对地电压升高为线电压，对绝缘要求高，响应投资大。发生单相接地时，非故障相对地电压升高为线电压，对相对地绝缘形成危险，规定和继续运行2小时。当电容电流较大，如10KV系统30A时，在接地点能形成稳定的电弧，危及电气设备的安全。当电容电流较小，将形成间歇性电弧引起过电压，其值可达2.53倍的相电压。危及整个系统的绝缘。（3）中性点经消弧线圈接地消弧线圈是一个具有铁芯的可调电抗线圈，电阻很小，电抗很大。中性点经消弧线圈接地，在故障点产生与电容电流相位相反的感性电流，从而使流经短路点的电流减小，消除了短路电弧。在我国规定：36kV电压等级，电容电流在30A以上；10kV电压等级，电容电流在20A以上；3563kV电压等级，电容电流在10A以上均可采用中性点经消弧线圈接地的方式。中性点不接地和经消弧线圈接地统成为小接地。在我国，目前35kV及一下采用不接地或经消弧线圈接地的方式；110kV及以上采用中性点直接接地方式。（图中UBE应为EBE，UCE应为ECE）第三节 电网原件的参数和等值电路这里只考虑正序等值电路。一、 标幺值电力系统常使用标幺值进行计算。即使用没有单位的阻抗、导纳、电流、电压、功率的相对值进行运算。 （1-1）通常选定三相功率和线电压的基准值和，其它各量的基准值也就确定了。三相功率的基准一般选为一个整数，如100或1000MVA，电压的基准往往取 电网中被定为基本级的额定电压或平均额定电压。当功率、电压的基准值选定后，其它基准值按电路基本关系确定： （1-2）各级电压等级元件，参数标幺值计算，两种方法：将各元件阻抗、导纳以及各电流、电压有名值归算到基本级，然后除以基本级各量的基准值。将基本级基准值归算到各电压级，然后将各级元件阻抗、导纳以及各电流、电压有名值除以归算到所在级的基准值。叫做“就地归算”。常用第二种方法。两种算法得到的结果是相同的。容量基准硅酸后是不变的。采用标幺值计算完成后，还需把标幺值换算为有名值。二、 变压器等值电路1、 双绕组变压器等值电路串联阻抗参数由短路试验数据计算： （1-3） （1-4）由（1-3）、（1-4）得等值电路串联参数： （1-5） （1-6）上两式中：额定容量的单位为VA，短路损耗的单位为W，电压的单位为V，电流的单位为A，阻抗的单位为。若额定容量的单位为MVA，短路损耗的单位为KW，电压的单位为KV，电流的单位为KA，阻抗的单位仍为，上两式变为： （1-7） （1-8）并联电导由空载数据计算： （1-9） （1-10）由（1-9）、（1-10）得等值电路并联参数： （1-11） （1-12）上两式中：额定容量的单位为VA，空载损耗的单位为W，电压的单位为V，电流的单位为A，电导的单位为S。若额定容量的单位为MVA，空载损耗的单位为KW，电压的单位为KV，电流的单位为KA，电导的单位为S，上两式变为： （1-13） （1-14）用上式变压器的参数时，若用高压侧额定电压，得到的是归算到高压测的有名值；若用低压侧额定电压，得到的是归算到低压测的有名值。还可看出，如果以变压器额定容量和额定电压作为基准值，则等值电路参数的标幺值为： （1-15） （1-16） （1-17） （1-18）2、 三绕组变压器等值电路由及得： （1-19） （1-20）与双绕组变压器同样的方法得三绕组变压器等值电路串联参数： （1-21） （1-22） （1-23） （1-24） （1-25） （1-26）上六式中：额定容量的单位为VA，短路损耗的单位为W，电压的单位为V，电流的单位为A，阻抗的单位为。并联参数的计算与双绕组变压器相同。如过三绕组变压器容量比不是100/100/100，做短路试验流过绕组的电流受限与容量小的绕组，短路损耗和短路电压需折算为流过额定电流时的值。如容量比为100/100/50的绕组变压器短路试验实际的损耗和电压为、和、，应按下四式折算： （1-27） （1-28） （1-29） （1-30）3、 端部条件完全等值的变压器模型等值变压器模型以上变压器模型中总有一段（双绕组变压器）或两端（三绕组变压器）的参数（电流、电压）与实际电路不同，因而为非端部条件完全等值的模型。用这样的模型进行电路计算，必须再进行反归算才能得到参数的实际值。在多电压级的复杂电力网络中，常有环网变压器变比不匹配的问题，使按变压器变比归算的方法无法进行。（1） 等值双绕组变压器变压器模型（a）为一实际变压器，1:k为两侧绕组的电压比（匝数比）。（b）的左端为归算到1侧的形等值电路，可由空载和短路试验数据求得，（b）的右端为一理想变压器（无损耗、无漏磁、无需励磁电流）。显然，对端部参数（、）而言，（a）和（b）完全等值。在电网计算中，一般将图（b）中变压器等值并联之路看做节点的接地之路就可以了。下面推导图（b）中端口（）右侧两端口网络的形等值电路，条件是端口参数（、）对应相等。为此写出上述两端口网络的节点电压方程。由图可得 （1-31） （1-32）上两式整理得节点电压方程 （1-33）写成矩阵形式 （1-34）令 （1-35）为节点电压方程导纳矩阵的元素。为了求出两端口网络形等值电路的参数，式（1-35）中自导纳元素重写为： （1-36）由（1-35）、（1-35）和（1-36）画出（b）图右侧两端口网络的等值电路为：等值变压器模型在推导中已记及了变压器两侧电流电压的比例关系，在使用时不别再进行归算了，使用该模型计算得到的是电力网络运行参数的实际值。当变压器的电压比为非实数时，式（1-35）变为 （1-37）这时由于导纳矩阵失去对称性，将不能画出等值电路图，但仍可按（1-37）式将变压器对电网结构参数的影响计入电网的导纳矩阵中。当变压器的参数已归算到二次侧，则等值电路为其等值电路为（k为实数）（2） 等值三绕组变压器模型（3） 等值变压器模型的使用三种方式：电网计算使用有名值，直接用等值变压器模型替代网络中的变压器。电网计算使用有名值，参数用标准变比归算。以下说明：如图（a ）所示，A、B母线之间是一变比可调变压器。A侧基准电压为，B侧基准电压为，一般去各自电压等级的额定电压或平均额定电压。、是两侧电路元件的实际阻抗。图（b）将变压器等值为一个阻抗和一个理想变压器的串联，是变压器的实际变比，是变压器归算到B侧的串联阻抗，其并联支路忽略或已作为B母线接地之路考虑。图（c）将理想变压器等值为两各理想变压器的串联，其中 （1-38）称为标准变比。由得 （1-39）称为非标准变比。在图（c）中将、用标准变比进行归算得到图（d）。（d）中、是用标准变比归算后的值，保留非标准变比变压器其结果相当于将参数再按非标准变比归算一次。这里不这样处理。将图（d）中A、B间支路用等值变压器模型代替得到图（e）为最终等值电路。这种方法的优点是：标准变比取各电压等级额定电压或平均额定电压，不存在环形网络变比不匹配的问题。当变压器变比发生变化时，只需重新计算A、B之间网络的参数，工作量大大减少。电网计算使用标幺值。图（a）、（b）、（c）如前。图（d）中，、为图（c）中对应参数以各自电压等级的基准电压为基准的标幺值。图（e）为标幺值等值电路。和是常用的。三、 输电线路等值电路 一字型等值电路，只包含导体的电阻和电抗，忽略了对地的电导和容纳。适用于长度不超过100KM的架空线路或距离不长的电缆。对于长度在100300KM的架空线路，或长度超过100KM的电缆线路，线路的电容效应不能忽略，需采用T型或型等值电路。图中 ，R、X、B分别为导体的电阻、电抗、电纳。以上为集中参数等值电路，对超高压长距离输电线路如需考虑其分布特性时，需采用分布参数等值电路。四、 发电机等值电路当可以认为发电机d、q轴电抗相等时，发电机可用（a）图表示，、为发电机电势和电抗，不同的情况取不同的值。制造厂家给出以发电机额定电压、电流为基准的电抗百分值。 （1-40）（b）、（c）图为发电机恒定功率，恒定电压模型，常用于潮流计算或相关分析。五、 电抗器、电容器等值电路电抗器、电容器在电路模型中用一条之路表示，一般不计及元件的电阻。厂家给出的电抗器参数为以额定参数为基准的电抗百分值。 （1-41）电力电容器厂家给出电容器的电容参数。 （1-42）六、 负荷等值电路稳态分析时，负荷有三种表示方法。（a）为负荷的恒定功率模型。（b）为恒定阻抗模型为三相复功率式中、分别为相电压和线电压。由上式得： （1-43）（b）为恒定导纳模型 （1-44）第四节 输电线路电压降和传输功率一、 输电线路上的电压降落为简单起见忽略线路的对地电容，用一字型等值电路做为线路模型。现已知线路参数，末端输出功率（单相），末端相电压。求首段电压和功率。线路中的电流 （1-45）首段电压 （1-46）将代如（1-46）得 （1-48） （1-49）式中 ； （1-50）两端电压的相量如图示图中 （1-51）为首端到末端的电压降落，和分别为电压降的纵分量和横分量。 （1-52）为输电线路的功角。一般情况下不大，和的变化范围也不大，可近视的认为 （1-53）由相量图和（1-52）及（1-53）可知，两端电压大小差主要取决于电压降的纵分量，两端电压相角差主要取决于电压降落的横分量。通常在高压电网中,由（1-50）可知，电压降的纵分量的变化主要取决于线路中传输的无功功率的变化，电压降的横分量的变化主要取决于线路中传输的有功功率的变化。二、 输电线路上传输的功率忽略线路对地电容和电导，末端输出功率 （1-54）计及，令，并将代入，上式变为： （1-55） （1-56） （1-57）由式（1-56）、（1-57）可知，在高压电力系统中，一般地，输电线路中传输的有功功率大小主要与两端电压相角差线路有关，有功功率越大电压相角差越大。有功功率由电压相位高的节点流向电压相位低的节点；输电线路中传输的无功功率大小主要与两端电压大小差有关，无功功率越大电压大小差越大。无功功率由电压值高的节点流向电压值低的节点。 第五节 电力线路的运行特性一、 空载运行特性线路末端未连接任何负载，输出功率。将型等值电路末端导纳的功率作为线路一字型等值电路末端负载，并忽略导纳中的电导，则有： （1-58）为中电纳的部分。代入（1-58）得电压将的总分量和横分量 ； （1-59）画出相量图为：当线路空载运行时，由于线路充电无功的存在，使线路末端电压高于首端电压。如果线路对地电容大（超高压长距离输电线路，电缆），当线路首端电压为额定电压时，线路末端电压会超过额定电压而出现过电压。二、 线路的有载运行特性把线路末端的充电无功并入负荷考虑，这种情况仍可用一字等值电路分析。（1）负荷为纯无功时，,线路电压降为 ； （1-60）其相量图为：当变动时，首端电压端点将沿图中直线QQ移动，为直线QQ与的夹角，即，是线路的阻抗角。当为感性负载，时，；当为容性负载，时，。（2）负荷为纯有功时，,线路电压降为 ； （1-61）其相量图为：当变动时，首端电压端点将沿图中直线PP移动，为直线PP与的垂线的夹角，。可见，直线QQ与