电气讲课教材冯德福电力系统概述.doc

电力系统概述1目 录第一节 电力系统概述一、电力系统的组成及其优越性二、电力系统的特点及对其要求三、电力系统的结构及其电压等级四、电力系统的负荷五、电力系统中性点的接地方式六、电力系统短路的基本概念第二节 电力系统有功功率平衡和频率调整一、频率调整的必要性二、电力系统有功功率的平衡三、电力系统的频率调整四、调频厂的选择第三节 电力系统无功功率平衡和电压调整一、电压调整的必要性二、电力系统无功功率的平衡三、电力系统的调压措施第四节 电力系统运行的稳定性一、系统稳定问题的提出二、系统静态稳定三、系统暂态稳定 四、提高系统稳定的措施 第五节 电力系统事故处理一、系统频率异常的处理二、系统电压异常的处理三、系统解列事故的处理四、系统非同期振荡的事故处理五、母线电压消失的处理复习思考题9第一节 电力系统概述 一、电力系统的组成及其优越性 1电力系统的组成 电力系统：生产、输送、分配、消耗电能的发电机、变压器、电力线路、各种用电设备联系在一起组成的统一整体就叫做电力系统。动力系统：由电力系统和“动力部分”组成的整体叫做动力系统。“动力部分”包括火力发电厂的锅炉、汽轮机、热力网和用热设备，水力发电厂的水库、水轮机以及核电厂的核反应堆等等。 电力网络：由升降压变压器和各种不同电压等级的电力线路所组成的网络叫做电力网络，也称电力网或电网。主要承担输送电能任务的电网称为输电网。110220kV的输电网称为高压输电网，330kV及以上的电网称为超高压输电网。主要承担分配电能任务的电网称为配电网。配电网的电压较低，335kV的配电网称为高压配电网，380/220V的配电网称为低压配电网。 2大电力系统的优越性 （）提高供电可靠性和电能质量。 （2）可减少系统的装机容量，提高设备利用率。 （3）便于安装大机组，降低造价。在1001000万kW电力系统中，最经济的单机容量为系统总容量的6%10%。 （4）合理利用各种资源，提高运行的经济性。 二、电力系统的特点及对其要求 1. 电力系统的特点 （1）电能的生产和消费具有同时性。 （2）电磁变化过程十分迅速。电是以光速传播的。 （3）电力系统和国民经济各部门之间有密切的关系。 （4）电力系统的地区性特点较强。 2对电力系统的要求（1） 最大限度地满足用户的用电需要，为国民经济各个部门提供充足的电力。（2） 保证供电的可靠性。将负荷分为三级。 一级负荷：中断供电将造成人身伤亡或造成重大经济损失，以及中断供电将造成重大政治影响或市政秩序严重混乱者。 二级负荷：中断供电将造成较大经济损失或较大政治影响者，以及中断供电将造成公共场所秩序混乱者。 三级负荷：凡不属于一、二级负荷者均为三级负荷，该级负荷无特殊供电要求。 （3）保证良好的电能质量。所谓电能质量，是指电压、频率、波形三个技术指标。我国规定的电气设备允许电压偏移一般不超过额定电压的5%。我国规定电力系统的标准频率是50Hz，对于300万kW以上的系统，允许偏差不得超过0.2Hz；300万kW及以下的系统，允许偏差不得超过0.5Hz。电能质量标准中还要求电压波形为正弦波，要求任一高次谐波的瞬时值不得超过同相基波电压瞬时值的5%。 （4）保证电力系统运行的经济性。 三、电力系统的结构及其电压等级 1电力系统的基本结构 电力系统的基本结构形式，通常根据电源位置、负荷分布等的不同而有所不同，但大致可分为下列两类： （1）大城市型。 （2）远距离输电系统。 电力系统基本结构形态的接线大致可以分为无备用和有备用的两种类型。 2电力系统的电压等级三相功率S和线电压U、线电流I之间的关系为S=UI。电气设备标准电压 （kV） 发电机的额定电压 （V）系统的标称电压电气设备的最高电压交流发电机额定电压直流发电机额定电压33.611511567.22302301012400460(20)(24)6903540.531506670.56300110126(123)10500220252(245)138003303631550050055013800(750)(800)15500120001800020000220002400026000注：1.括号中的数值为用户有要求时使用。 2电气设备的额定电压可从表中选取，由产品标准确定。注：与发电机出线端配套的电气设备额定电压，可采用发电机的额定电压，在产品标准中具体规定。 变压器一次绕组的额定电压有以下几种情况： 对于升压变压器，与发电机额定电压相同，即3.15、6.3、10.5、13.8、15.5、18、20、22、24、26kV。 对于降压变压器，一次绕组的额定电压与相连线路的标称电压相同，即3、6、10、35、66、110、220、330、500kV。但是，对于发电厂厂用高压变压器，一次绕组的额定电压与发电机的额定电压相同。 关于变压器二次绕组的额定电压，首先看确定变压器二次绕组额定电压的理由。在额定运行时，变压器二次侧电压应较线路高5%，但又因变压器二次侧电压规定为空载时的电压，而在额定电流负载下，变压器内部的电压降约5%，为使正常运行时变压器二次侧电压较线路标称电压高5%，故规定一般大中容量变压器二次侧额定电压应较相连线路标称电压高10%，只有漏抗压降较小（Ud7%）的小容量变压器，或二次侧直接与用电设备相连的变压器（如厂用变压器），其二次侧额定电压才较线路标称电压高5%。 各种电压等级目前在我国的使用情况如下： 3、6kV用于发电厂厂用电和配电网电压，10KV广泛用于配电网电压。 35、66kV为大城市、大工业企业内部的配电网和农村输电网电压。 110kV用于电力系统主干输电线电压。 220、330kV用于大电力系统主网网架电压。 500kV用于系统之间联络线及大电网主网架电压。各级电压电力网的输电能力标称电压（kV）经济输送容量（MW）输送距离（km）0.380.1以下0.6以下30.11.01360.11.245100.22.0620352.010205011010505015022010050010030033020010002006005001000150015085075020002500500以上 四、电力系统的负荷 1电力系统的负荷分类 电力系统的负荷是指电力系统中所有用电设备消耗功率的总和，它们又分为动力负荷（异步电动机）、电热电炉、整流设备及照明负荷等。 电力系统的综合用电负荷是指工业、农业、交通运输、市政生活等各方面消耗功率之和。 电力系统的供电负荷是指电力系统的综合用电负荷加上网损后的负荷。 电力系统的发电负荷是指供电负荷再加上发电厂厂用电负荷，即发电机应发出的功率。 2负荷曲线 负荷曲线是指某一段时间内负荷随时间变化的曲线。 （1）按负荷种类分为有功负荷曲线和无功负荷曲线。 （2）按时间段分为日负荷曲线和年负荷曲线。 （3）按计量地点分为个别用户、电力线路、变电所、发电厂及整个电力系统的负荷曲线。 特定的负荷曲线： （1）日负荷曲线。Pmax表示一天内的最大负荷，Pmin表示一天内的最小负荷。把一天内各小时的负荷加起来再除以24，则可得日平均负荷，记作Ppj。在电力系统的负荷曲线上，平均负荷以上的负荷称为尖峰负荷或峰荷；最小负荷以下的负荷称为基本负荷或基荷；基荷与峰荷之间的部分称为腰荷。日负荷率d：d（日负荷率）= 日负荷率愈高，电能成本愈低，应努力提高日负荷率。我国日负荷率约为85%90%。 （2）年最大负荷曲线。 （3）年持续负荷曲线。 五、电力系统中性点的接地方式 电力系统中性点是指星形连接的变压器或发电机的中性点。中性点的接地方式关系到绝缘水平、通信干扰、接地保护方式、电压等级、系统接线和系统稳定等很多方面的问题，最后经合理的技术经济比较而确定电力系统中性点的接地方式。 电力系统中性点接地方式可分为三种：即中性点不接地、中性点经消弧线圈或电阻接地、中性点直接接地。前两种称为中性点非有效接地，或称为小电流接地；后一种称为中性点有效接地，或称大电流接地。 1中性点不接地系统 2中性点经消弧线圈接地系统所谓消弧线圈，就是在变压器或发电机的中性点与大地之间接入一个电抗线圈。 由于IL对Id的抵消作用，使接地电流Ijd减少，以利于消弧，这就是消弧线圈的工作原理。 当IL = Id时，Ijd = 0，称为全补偿，但系统易产生谐振过电压，故不采用。 当ILId时，Ijd为纯电感性电流，称为过补偿，这是在电力系统中经常采用的补偿方式，可以避免或减少谐振过电压的产生。 当ILId时，Ijd为纯电容性，称为欠补偿。当切除部分线路或系统频率下降时，会因Id减少可能出现全补偿引起谐振过电压，故在电力系统中一般不采用。但对于城市配电及厂用电配电系统，因多采用电缆供电，故发生单相接地故障时，Id值较大，也常采用欠补偿方式，并在消弧线圈中串接电阻，以防止引起谐振过电压。 通常可通过改变消弧线圈的分接头来调节补偿电流，但调整分接头不允许带负荷进行。 为了提高供电可靠性，使单相接地电弧易于熄灭，当单相接地电容电流超过下列数值且又要继续运行时，中性点应采用消弧线圈接地方式： 310kV钢筋混凝土或金属杆塔架空线构成的系统和所有35、66kV系统，电容电流超过10A时； 310kV非钢筋混凝土和金属杆塔架空线路构成的系统，当电压为3kV或6kV,电容电流超过30A时；当电压为10kV,电容电流超过20A时； 310kV电缆线路构成的系统，电容电流超过30A时。 3中性点直接接地系统 防止单相接地时产生间歇性电弧过电压的另一方法是将系统的中性点直接接地。这种系统的一相接地，就造成单相短路。单相短路电流很大，通常继电保护装置会将短路故障部分自动切除，使系统的其它部分恢复正常运行。 中性点直接接地系统的主要优点是在发生单相接地时，非故障相对地电压不会升高，使电气设备对地绝缘水平要求降低（按相电压考虑），因而设备造价低。其主要缺点是：单相接地故障时线路跳闸，造成用户供电中断，巨大的接地短路电流产生较强的单相磁场，对附近的通信线路产生干扰。为了提高其供电可靠性，需增加自动重合闸装置。 目前在我国，110kV及以上电力系统采用中性点直接接地方式，对于66kV及以下系统，一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式。对于低压用电系统，为了获得380V/220V两种供电电压，习惯上采用中性点直接接地，构成三相四线制供电方式。 六、电力系统短路的基本概念 1短路的概念和类型 电力系统的短路是指相与相或相与地（对中性点直接接地系统）之间通过如电弧等较小阻抗的非正常连接。三相短路d(3)、两相短路d(2)、单相短路d(1)和两相接地短路d(1,1)。 2短路的原因 电力系统发生短路的主要原因是载流部分的绝缘破坏所致，一般可分为下列几种情况： （1）载流部分过热使绝缘破坏、绝缘材料陈旧老化、污秽、机械损伤等。 （2）设备缺陷未发现或未及时消除。 （3）输电线路断线或倒杆，使导线接地或相碰。 （4）工作人员误操作。 （5）系统遭受某种过电压的冲击，致使某些性能变劣的绝缘部件击穿。 （6）动物跨接到裸露导体上，或大风、冰雹、地震、雷击等自然灾害。 3短路时产生的电动力载流导体之间电动力大小，取决于短路电流的方向与幅值，导体的尺寸、形状和相互之间的位置以及周围介质的特性。电动力大小：F=式中 i1、i2为两导体中电流，A； a两导体中心距离，m； L两导体的长度，m； K修正系数， 其作用力的方向是：当电流同向时，互相吸引；反向时，互相排斥。作用力实际上沿长度L均匀分布。 如果发生两相短路时，以短路冲击电流通过两相导体的电动力为最大三相短路时，短路冲击电流对中间相导体的电动力最大 短路时电动力稳定的校验条件为： 式中 imax为制造厂提供的电器允许通过的动稳定电流峰值。 4短路时产生的热效应 在线路发生短路时，极大的短路电流将使其导体温度迅速升高。由于短路后线路的保护装置很快动作，切除短路故障，所以短路电流通过导体的时间不长，通常不会超过23s。因此在短路过程中，可不考虑导体向周围介质的散热，即近似地认为导体在短路时间内是与周围介质绝热的，短路电流在导体中产生的热量，全部用来使导体的温度升高。导体在正常和短路时最高允许温度及热稳定系数导体种类和材料最高允许温度（）热稳定系数C正常时短路时1母线：铜 铜（接触面有锡覆盖层时） 铝 钢（不与电器直接连接时） 钢（与电器直接连接时）2油浸纸绝缘电缆：铜芯13kV 6kV 10kV 铝芯13kV 6kV 10kV708570707080656080656030020020040030025025025020020020017116595148145148849092 5短路的危害 短路对电力系统会造成诸多危害，主要有以下几方面： （1）导体严重发热、电动力使导体变形或损坏。短路电流很大，可能达到该回路额定电流的几倍到几十倍，某些场合短路电流值可达几万甚至几十万安培。当巨大的短路电流经过导体时，将使导体严重发热，造成导体熔化和绝缘损坏，同时巨大的短路电流还将产生很大的电动力作用于导体，可能。 （2）短路时往往有电弧产生，高温电弧不仅可能烧坏故障元件本身，也可能烧坏周围的设备。 （3）电网电压降低。由于短路电流基本是感性电流，它将产生较强的去磁性电磁反应，使发电机端电压下降，同时短路电流流过线路、电感器等元件时还会增大它们的电压损失，因此短路所造成的另一个后果就是使，愈靠近短路点处电压降低愈多。当供电地区的电压降低到额定电压的60%左右而又不能立即切除故障时，就可能引起电压崩溃，造成大面积停电。 （4）同步发电机组之间稳定性破坏。短路时由于系统中功率分布的突然变化和电网电压的降低，可能导致并列运行的同步发电机组之间稳定性破坏。 （5）通信网络，信号系统、晶闸管触发系统及控制系统产生干扰。巨大的短路电流将在周围空间产生很强的电磁场，尤其是不对称短路所产生的不平衡交变磁场，会对周围的通信网络，信号系统、晶闸管触发系统及控制系统产生干扰。 6减少短路危害的措施（1） 防止短路的发生。（2）限制短路电流。例如在发电厂内采用分裂电抗器或分裂绕组变压器（在短路时可增加回路电抗）；在短路电流较大的母线引出线上采用限流电抗器；对大容量的机组采用单元制的发电机一变压器组接线方式；在发电厂内将并列运行的母线解列；在电力网中采用开环运行方式以及电网间用直流联络线等。可将短路电流限制在允许范围内。（2） 正确选择电气设备和继电保护装置。第二节 电力系统有功功率平衡和频率调整 一、频率调整的必要性 1频率变化对用户的影响 （1）大多数工业用户都使用异步电动机。 （2）系统频率降低，将使电动机的出力下降，造成工厂减产、经济效益降低。 （3）现代工来和国防等部门广泛使用计算机等电子设备，系统频率不稳定，将会影响电子设备的精确性。 2频率变化对电力系统本身的影响 （1）发电厂的厂电机械（水泵、风机等）是由异步电动机拖动的，系统频率降低，使厂用机械出力减少，从而危及发电设备的正常运行，严重时会造成系统“频率崩溃”。 （2）系统在低频运行时，容易引起汽轮机叶片的共振，缩短汽轮机叶片的寿命，严重时会使叶片断裂。 （3）系统频率降低时，异步电动机和变压器的励磁电流增大，引起系统无功不足，电压下降，给电压调整增加困难。 二、电力系统有功功率的平衡 1有功功率负荷的变动分类 2有功功率的平衡和备用容量要实现电力系统的功率平衡必须具备以下条件：（1）充足的供电能力，并留有一定的备用容量；（2）充足的发电调节能力，能够增加或减少发电机的出力，适应负荷峰值和低谷的变化；（3）充分的电力传输能力，保证所发电力能可靠地送到各处；（4）合理的配电网布局，保证每个用户都能得到充足和质量合格的电能；（5）完善的自动频率调整、自动低频减载等监控手段。 三、电力系统的频率调整 1系统的频率调整分类 在正常情况下，电力系统的频率是一个全系统一致的运行参数。对系统中每一台发电机而言，其频率与转速都有如下的关系式：（Hz）（121）式中 p发电机的极对数； n发电机组转速（r/min）。 电力系统的频率调整分为一次、二次、三次调整三种。频率的一次调整（或称一次调频）指由发电机组的调速器实现的，对第一种负荷变动引起的频率偏移所进行的调整；频率的二次调整（或称二次调频）指由发电机的调频器（也称同步器）实现的，对第二种负荷变动引起的频率偏移所进行的调整；频率的三次调整（或称三次调频）指由调度中心对第三种负荷变化的预测，并按照最优化原则，向各发电厂下达的发电计划。 2系统频率的静态特性 当系统频率在较小范围内变动时，发电机组的有功功率频率静态特性曲线为一倾斜的直线，直线的斜率为：（MW/Hz） KG为发电机组的单位调节功率。即当系统频率变化时，原动机的调速系统动作，自动增加或减少原动机的进汽（水）量，使发电机的输出有功功率相应地增大或减小。这种依据发电机组的有功功率频率静态特性实现的自动调整，就是电力系统频率的一次、二次调整。 3.系统频率的一次调整 4系统频率的二次调整 四、频率电厂的选择 对系统中主调频电厂必须有如下要求：（1）应拥有足够的调频容量和范围；（2）调频机组应具有与负荷变化相适应的调整速度；（3）有功功率的调整应符合安全及经济运行的原则。另外，还要考虑由于调频引起有功功率较大变化时，相关的联络线不会过载或失去稳定等。第三节 电力系统无功功率平衡和电压调整 一、电压调整的必要性 各种用电设备都是按照额定电压来设计制造的，这些设备在额定电压下运行能取得最佳效果。异步电动机的电磁转矩与其端电压的平方成正比，当电压降低10%时，转矩大约要降低19%。如果电动机拖动的机械负载不变，电压降低时，电动机转速下降，定子电流增大，绕组温度增加，加速绝缘老化，缩短使用寿命，甚至停转烧毁，影响正常生产。 对电力系统而言，电压降低会使电网的电能损耗加大，电压过低时还可能危及电力系统运行的稳定性；而电压过高又威胁电气设备的绝缘。我国规定，各类用户的允许电压偏移如下： （1）35kV及以上电压供电的负荷允许电压偏移10%； （2）610kV电压供电的负荷允许电压偏移7%； （3）低压照明负荷允许电压偏移+5%、10%； （4）其它低压气设备允许电压偏移5%。 二、电力系统无功功率的平衡 1电力系统的无功电源 （1）同步发电机。同步发电机在额定运行情况下，PN、QN、SN以及之间的关系如下： PN= SNQN=SNSN=（3） 同步调相机。 （3）并联电力电容器。 式中 并联电容器的容抗。缺点：当系统发生故障或其它原因使电压下降时，其输出的无功功率反而减少，结果将导致电力系统电压的继续下降，这是并联电容器的。优点：但并联电容器的装设容量可大可小，既可集中使用，又可分散装设就地供给无功功率，以减少从电网输送的无功功率。从而降低系统的功率损耗和电压损耗；电容器每单位容量的投资费用较少，且与总容量的大小无关，运行时功率损耗也较小，约为额定容量的0.3%0.5%，维护也方便；电容器可连接成若干组，根据负荷的变化，用真空断路器分组自动投、切。因此，电力电容器作为一种使用灵活的无功电源，在电力系统中得到了广泛使用。（4）静止补偿器。可控电容器与可控电抗器并联使用，其特点是利用可控硅开关来分别控制并联电容器组与电抗器的投切，这样它的性能完全可以做到既可吸收无功，又可发出无功。 2电力系统的无功负荷和无功损耗（1） 电力系统的无功负荷。（2） 电力系统的无功损耗。电力系统的无功损耗主要是输电线路和变压器的无功功率损耗。输电线路的无功损耗是线路电抗产生的，与线路电流的平方成正比，这种无功损耗在数量上较有功损耗要大，越是大截面导线，无功损耗的比重越大。另外，输电线路上还有分布电容，分布电容中的容性无功功率又称为线路的充电功率，其大小与线路电压的平方成正比。因此，电力线路作为电力系统的一个元件，究竟消耗容性或感性无功功率，要视线路电压等级和线路长度而不同。对于线路长度不超过100kM，电压等级为220kV及以下的线路，线路将消耗感性无功功率；对于线路长度大于330kM，电压等级为220kV及以上的线路，线路将消耗容性无功功率，且有时还会发生“长线电容效应”引起的工频电压升高现象，为了削弱这种工频电压升高，常在线路的中途或末端装设并联电抗器，来补偿线路上的容性充电功率，以达到降低工频电压升高的目的。变压器的无功损耗包括两部分：一部分为励磁损耗，另一部分为绕组中的无功损耗。 3无功功率的平衡 三、电力系统的调压措施 电力系统各点电压的变化和相应的无功功率平衡密切相关，因此为保证电能质量所进行的电压调整，势必关系到无功电源的配置及其运行方式。 1依靠改变发电机的端电压调压 2依靠改变变压器变比调压从本质上看，这种方式并不增减系统的无功功率，而是通过改变系统的无功分布来实现调压的。改变变压器分接头的方式有两种：一种是在停电情况下改换分接头，称为无励磁调压；另一种是在带电运行情况下改换分接头，称为有载调压。3依靠调相机、电容器组等无功补偿装置调压 4依靠改变输电线路的参数调压计算电压损耗的公式： 第四节 电力系统运行的稳定性 一、系统稳定问题的概念电力系统的稳定问题就是当系统在某一正常运行状态下受到某种干扰后，能否经过一定的时间回到原来的运行状态或者过渡过一个新的稳定运行状态的问题。电力系统稳定性破坏，将使整个电力系统瓦解，造成大量用户供电中断，给国民经济造成巨大损失。为防止这种严重破坏性事故发生，系统应装设各种快速保护、快速断路器、新型励磁调整装置。 二、系统静态稳定电力系统静态稳定是指发电机在遭受微小干扰后能否自动恢复到原来运行状态的能力。 1按功角特性分析静态稳定 上式中的E0和U均是相电压，P为发电机一相输送的有功功率。 2静态稳定的确定 三、暂态稳定概述 电力系统暂态