电力系统工程教学讲义

1、电力系统工程0701级 何雄峰武汉大学珞珈学院 电气工程与自动化 2007年9月12日 第1章 现代电力系统1.1 现代电力系统的特点1.1.1 能源能源的组成如下。1.1.2 电能的效率电能是由一次能源转换而成的，电能以其方便性、传输的快速性、无污染性使之成为无可替代的二次能源。用电能代替其他能源，可以提高能源利用率。例如，用电动机代替柴油机可节能50%；用电气机车代替蒸汽机车，效率可从8%上升到30%。美国一研究小组对20个部门的350种产品进行了统计分析，结果如下。(1) 用电比重每升高2%，单位产值的能源消费可降低18%。(2) 用电率电能占一次能源供给的比率：对84个国家的统计1.1

2、.3 电能生命周期的特异性就一般商品而言，大都在经历了如图1.1所示的引入期、成长期、成熟期和衰退期4个阶段后自行消亡，被其他的功能更多、性能更先进的新产品所替代。然而，电力却是与众不同的商品。从1885年俄国人多里沃多勃列沃列斯基在法兰克福举行的国际电工技术展览会上展出三相交流输电系统以来，电力工业经历着一代又一代的技术革命而不断焕发着青春，其生命周期似乎是无限扩展，永无止境，如图1.2所示。可以设想一下，有什么商品能够取代电力，像电力这样如此便于能量转换、输送快捷、使用方便呢？答案是没有！电力商品的这种特异性决定着人们只能不断地去进行电力技术的革命和电力管理体制的改革，以适应它的生命周期的

3、无限扩展性。 图1.1 一般产品的生命周期 图1.2 电能生命周期的特异性1.1.4 现代电力系统发展的特点1大电网大电网的优越性可概括为：利于稳定周波，利于事故支援，能够减少负荷备用，具体如下。l 有利于开发边远地区的水煤资源。l 有利于降低发电成本(可安装大机组)。l 有利于错开地区时差，实现经济调度，减少负荷备用。l 有利于改善电能的质量。例如，钢厂150200mw的冲击负荷会导致产生高次谐波，电气化铁路(两相运行)会导致产生负序电流。而电网规模越大，其容纳高次谐波和负序电流的能力就越强。2大机组可节能降耗，降低单位建设成本。3超高压(1)可提高线路输送功率随着电网规模的扩大，电力线路的

4、延长，大容量输电需要超高压。即 (1-1)式中：p线路输送的有功功率(mw)；线路额定电压(kv)；x线路电抗()；送、受电端的电压相角差。330kv750kv超高压输电线路的输送容量以大致接近于自然功率为宜。即 (1-2)式中：p线路输送的有功功率(mw)。线路输送的自然功率(mw)。所谓自然功率，是指线路阻抗为波阻抗，即“无损耗”传输时，线路所输送的有功功率。线路额定电压(kv)。线路波阻抗。对于长线路或分布参数的线路，由于，可假设线路上没有有功功率损耗。而对于这种“无损耗”线路，其特性阻抗呈纯电抗性，谓之波阻抗。= (1-3)当线路输送的有功负荷为时，由于线路的无功损耗正好等于其充电功率

5、，因此完全补偿，从而使全线路各点电压及电流大小一致，线路任一点功率因数都一样，实现无损耗传输。从式(1-1)可看出，要提高线路输送容量，可采用分裂导线降低波阻抗。电力线路的波阻抗变动幅值不大，单导线架空线路约为385415；两分裂导线约为285305；三分裂导线约为275285；四分裂导线约为255265；电缆线路则小得多，仅为3050。如果220kv线路采用单导线，波阻抗为400，则为120mw；500kv线路若采用四分裂导线，波阻抗为260，则为1 000mw。在实际运行中，输送功率p决定于线路长短、无功损耗及导线发热条件，可通过电容器或电抗器补偿作适当调整。我国：短线路 p = (35)

6、长线路 p = (11.2) 德国：l(线路长度)= 500km，p =l = 300km，p =1.5l = 150km，p =2.0l150km，p =4.0美国：354kv线路的经济输送功率为600mw500kv线路的经济输送功率为950mw765kv线路的经济输送功率为1 9003 000mw从式(1-1)可看出，要提高线路输送容量，需提高输电电压。表1.1所示为以110kv线路为基础的电压升高与输送功率的倍比关系。表1.1 我国的电力线路输送功率与电压等级的近似计算关系(电压)110kv220kv330kv500kv(功率)30mw3022=120mw3032=270mw3052=7

7、50mw(2)节约输电线路走廊例如美国765kv的输电走廊宽60m，可输送3 000mw功率，而345kv的输电走廊宽45m，只能输送600mw功率。1条765kv输电线路的输电容量相当于5条345kv输电线路的输电容量。输送相同容量时，前者的走廊占用宽度只有后者的26.7%。4高度自动化集测量、控制、信号、保护于一体，向小型化、集中化、自适应和自调节方向发展。1.1.5 现行电压等级我国现行的电压等级如表1.2所示。表1.2 我国现行电压等级单位：kv低 压高 压超 高 压0.41 6 10 35 60 110 220330 500 750 1 000(筹建中)其他部分国家的电压等级如表1.

8、3所示。表1.3 部分国家现行电压等级单位：kv国 名电 压 等 级美国500/230/115 765/345/133俄罗斯500/220/110 1 150/750/330/110日本500/275/154法国380/225/90150中国500/220/110(60) (750)/330/1101.2 对现代电力系统运行的基本要求1.2.1 电能的商品特性电能作为商品，既有它的一般商品属性，又有它的特殊性和公用性。作为一般商品属性，电能在市场交易中，必然与其他商品一样，要服从价值规律，按照等价交换的原则，公平、公正地进行。电能与一般商品的不同之处在于：首先，电力行业是公用性服务行业，中断供

9、电或电力供给不足会给国民经济和广大用户造成巨大损失。因此，实行电力市场化，必须以安全、可靠供电为前提，除保持电力供需平衡外，还必须留有足够的发电备用容量。其次，电力的产、供、销同时进行，瞬间完成(电能从一处输送至另一处所需的时间以s计)，这就需要信息反馈迅速，市场预测准确，电网调度统一。再者，电力是看不见、摸不着的商品，不能像其他有形商品一样，买主可以一边观察商品，一边向卖主讨价还价，现买现卖，这就要求电力的交易具有提前性，要求电力市场的情报公开，透明度高，对所有的买者和卖者真正做到公平、公正和公开。电能作为商品，它的市场供给除受电价、发电成本(含燃料费、水费、材料费、人工工资、基本折旧、修理

10、费、管理费等)影响外，还受输电服务费、投资利润t等影响，用表示电力供给，其函数关系可表示为： (1-4)电力的需求是电价、国民收入、季节气候、物价指数等的函数，用公式表示为： (1-5)世界各国的历史统计资料表明，国民收入(或国民生产总值)和电力消费之间有一定的相关关系，通常是电力消费的增长速度快于国民收入的增长速度，这种规律称为电力工业超前发展的规律。在若干年的时期内，电力消费平均年增长率与国民收入平均年增长率之比，称为电力弹性系数，用公式表示为： (1-6)式中： 电力弹性系数； 用电量年均增长率； 国民收入或国民生产总值年均增长率； 、 计算期末、期初用电量，单位为kwh； 、 计算期末

11、、期初国民收入。电能在短期内的需求价格缺乏弹性，但在长期内的需求价格是富有弹性的。在电力市场中的实时交易阶段，为调整负荷的供需平衡，可人为地将需求价格弹性地进行调整。1.2.2 对现代电力系统运行的基本要求根据电能生产、输送、消费的同时性，交易的提前性以及不能大量储存的特殊性和电网不可分割、交易调度的统一性等特点，现代电力系统的运行必须达到如下3点要求。1可靠持续的供电持续、安全、可靠地供电是国民经济稳定、快速发展与人民生活安全、幸福的保障。由于电力系统的事故难以绝对避免，电力负荷的瞬变性随时存在，要长期保证所有电力用户绝对可靠供电是相当困难的。为此，可按供电可靠性的要求将电力负荷进行分级管理

12、和调度。在我国，通常按民用建筑电力负荷与工业电力负荷而分为一级、二级和三级负荷。(1)民用建筑物电力负荷分级一级负荷：因中断供电能造成重大政治影响的建筑物和因中断供电能造成人员伤亡的建筑物，如人民大会堂、大型体育馆、重要宾馆、医院的手术室。二级负荷：因中断供电能造成经济上较大的损失的建筑物和因中断供电能造成秩序混乱的重要公共建筑物，如某些实验室、大型影剧院、大型商场。三级负荷：停电造成的影响和损失不大的一般建筑物。民用建筑中常用用电设备及部位的负荷分级见表1.4。表1.4 常用民用用电设备的负荷级别序号建筑类别建筑物名称用电设备及部位名称负荷级别1住宅建筑高层普通住宅客梯电力，楼梯照明二级2宿

13、舍建筑高层宿舍客梯电力，主要通道照明二级3旅馆建筑一、二级旅游宾馆经营管理用电子计算机及其外部设备电源，宴会厅电声、新闻摄影、录像电源，宴会厅、餐厅、娱乐厅、高级客房、厨房、主要通道照明，部分客梯电力，厨房部分电力一级其余客梯电力，一般客房照明二级高层普通建筑客梯电力，主要通道照明二级4办公建筑省、市、自治区及部级办公楼客梯主力，主要办公室、会议室、总值班室、档案室及主要通道照明一级银行主要业务用电子计算机及其外部设备电源，防盗信号电源一级客梯主力二级5教学建筑高等学校教学楼客梯主力，主要通道照明二级高等学校的主要实验室一级6科教建筑科研院所的重要实验室一级市(地区)级及以上气象台主要业务用电

14、子计算机及其外部设备电源，气象雷达、电报及传真收发设备、卫星云图接收机、语言广播电源，天气绘图及预报照明一级客梯电力二级计算中心主要业务用电子计算机及其外部设备电源一级客梯电力二级7文娱建筑大型剧院舞台、贵宾室、演员化妆室照明，电声、广播及电视转播、新闻摄影电源一级8博览建筑省、市、自治区级及以上博物馆、博览馆珍贵展品展室的照明，防盗信号电源一级商品展览用电二级9体育建筑省、市、自治区级及以上体育馆、体育场比赛厅(场)、主席台、贵宾室、接待室、广场照明，计时计分、电声、广播及电视传播、新闻摄影电源一级10医疗建筑县(区)级及以上医院手术室、分娩室、婴儿室、急诊室、监护病房、高压氧仓、病理切片分

15、析、区域性中心血库的电力及照明一级细菌培养、电子显微镜、电子计算机x线断层扫描装置、放射性同位素加速器电源，客梯电力二级11商业仓库建筑冷库大型冷库、有特殊要求的冷库的一台氨压缩机及其附属设备电力，电梯电力，库内照明二级 续表序号建筑类别建筑物名称用电设备及部位名称负荷级别12商业建筑省辖市及以上重点百货大楼营业厅部分照明一级自动扶梯电力二级13司法建筑监狱警卫照明一级14公用附属建筑区域采暖锅炉房二级15一类高层建筑高层建筑的消防设施消防控制室、消防水泵、消防电梯、防烟排烟设施、水灾自动报警、自动灭水装置、水灾事故照明、疏散指示标志和电梯的防火门窗、阀门等消防用电一级16二类高层建筑二级(2

16、)工业电力负荷分级一级负荷：因中断供电能造成人身伤亡和造成国民经济重大损失的电力负荷(如重大设备损坏、重大产品报废、国民经济中重点企业的连续生产过程被打乱，需要长时间才能恢复，以及破坏重要的交通枢纽、重要通信设施等)。二级负荷：因中断供电能造成国民经济较大损失的电力负荷(如主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等)。三级负荷：即为不属于一级和二级负荷者。工业建筑中常用用电设备的负荷级别参见表1.5。(3)各级电力负荷对电力的要求一级负荷：应有两个以上独立电源供电。独立电源是指在若干电源中任一电源发生故障或因检修停电时，不影响其他电源继续供电。对有特殊

17、要求的一级负荷，为保证供电绝对可靠，独立电源应来自不同地点。二级负荷：一般采用双回路供电，即采用两条线路供电。若条件不允许，可采用10kv及10kv以下的专用架空线供电。是否设置备用电源应作经济技术比较，若中断供电所造成的损失大于设置备用电源的费用，则应设置备用电源。否则允许采用一个独立电源。三级负荷：对供电无特殊要求。在不增加投资的情况下，应尽量提高供电的可靠性。表1.5 常用工业用电设备的负荷级别序号厂房或车间名称用电设备名称负荷级别备 注1热煤气站鼓风机、发生炉传动机构二级2冷煤气站鼓风机、排送机、冷却通风机、发生炉转动机构、中央仪表室计量屏、冷却塔风扇、高压整流器、双皮带系统的机械化输

18、煤系统二级3部定重点企业中总蒸汽量超过10t/h的锅炉房给水泵、软化水泵、鼓风机、引风机、二次鼓风机、炉排机构二级续表序号厂房或车间名称用电设备名称负荷级别备 注4部定重点企业中总排气量超过 的压缩空气站压缩机、独立励磁机二级5铸钢车间平炉气化冷却水泵、平炉循环冷却水泵、平炉加料起重机、平炉所用的75t及以上浇铸起重机、平炉鼓风机、平炉用其他用电设备(换向机构、炉门卷扬机构、计器屏)，5t、10t电弧炼钢炉低压用电设备(升降机构、倾炉机构)及其浇铸起重机二级6铸铁车间30t及以上的浇铸起重机、部定重点企业冲天炉鼓风炉二级7热处理车间井式炉专用淬火起重机、井式炉油槽油泵二级8300t及以下的水压

19、机车间锻造专用设备：起重机、水压机、高压水泵二级9水泵房供二级负荷用电设备的水泵二级10大型电机实验室主要机组、辅助机组二级及以上发电机的实验站11刚玉冶炼车间刚玉冶炼电炉变压器、低压用电设备(循环冷却水泵、提升机构、电炉传动机构、卷扬机构)二级12磨具成型车间隧道窑鼓风机、卷扬机构二级13油漆树酯车间反应釜及其供热锅炉二级2 500l及以上14层压制品车间压机及其供热锅炉二级15动平衡实验站动平衡实验装置的润滑油系统二级16线缆车间熔炼炉的冷却水泵、鼓风机、连铸机的冷却水泵及润滑泵压铅机、压铅机的熔化炉、高压水泵、水压机交联聚乙烯加工设备的挤压交联、冷却、收线用电设备漆包机的传动机构、鼓风机

20、、漆泵干燥浸油缸的连续电加热、真空泵、液压泵二级17焙烧车间隧道窑鼓风机、排风机、窖车推进机、窖门关闭机构油加热器、油泵及其供热锅炉二级对这三级负荷，可通过电价作杠杆和需求作管理来进行科学管理和合理调度。供电可靠性高的负荷电价高，供电可靠性低的负荷电价低。第三级负荷可在用电高峰时让电给一、二级负荷而获得一定的停电补偿费用。2良好的电能质量电能质量包含频率质量、波形质量和电压质量。(1)频率质量我国的频率为工频50hz。美国等一些国家的频率为60hz。我国规定允许频率偏移为0.5)hz。(2)波形质量在我国，波形质量是以正弦波畸变率是否超过给定值来衡量的。所谓正弦波畸变率是指各次谐波有效值平方和

21、的方根值与正弦波有效值的百分比。为保证波形质量，必须限制或消除各种非线性谐波源，如限制或滤除电气化线路、换流装置、电热电炉等非线性负荷向系统注入的谐波电流。(3)电压质量能使电力设备正常工作的电压叫额定电压()。各种电力设备在额定电压下运行时，其技术经济性能指标能够达到最优。我国规定的电网额定电压如表1.2所示，部分国家的现行额定电压等级见表1.3。由于用电设备的允许电压偏移为，电力网的电压损失不得大于10%，这就要求线路始端电压为额定值的105%，以使其末端电压不低于额定值的95%。发电机往往接于线路始端，因此，发电机的额定电压为线路末端电压的105%。变压器的一次侧接电源，相当于用电设备，

22、二次侧向负荷供电，又相当于发电机。因此，变压器一次侧额定电压应等于用电设备额定电压，二次侧额定电压应较线路额定电压高5%。因变压器二次侧电压规定为空载时的电压，而额定负载下变压器内部的电压降落约为5%，为使正常运行时变压器二次侧额定电压较线路额定电压高5%，变压器二次侧额定电压应较线路额定电压高10%。送电线路的电压分布如图1.3所示。带载调压变压器的高压绕组上具有改变变压比的分接头，可根据电网电压损失的大小及用户实际电压的要求而进行电压调整。图1.3 输电线路电压分布图3经济灵活的运营电力系统经济运营的目标是在保证安全优质供电的条件下，尽量降低供电能耗与供电成本。这主要通过合理的优化功率通量

23、计算、改善运行方式等以降低线损，通过竞价交易与经济调度以实现全网购电费用最省，以充分利用水能、减少弃水，使效率高的机组多发电、效率低的机组少发电，达到全网资源优化配置的目的。1.3 现代电力系统的构成如图1.4所示的由生产、输送、分配、消费电能的发电机、变压器、电力线路及各种用电设备组成的统一整体，称为电力系统。图1.4 包含发电、输电、配电、用户的电力系统示意电力系统的网络接线如图1.5所示。图1.5 电力系统的网络接线1.3.1 电力系统的构成1电力系统的要素电厂(power station)、输电线路 (transmission line)、变电站 (substation)、开关站 (s

24、witching station)、配电网络(distribution network)、发电机(generator)、变压器 (transformer)、开关(switcher)、断路器(circuit breaker)、架空线(overhead transmission line)、电缆(cable)、测量仪器(measuring device)、保护设备(protective device)、控制系统(control system)。2大城市与周边的电力系统大城市与周边的电力系统如图1.6所示。图1.6 大城市与周边的电力系统3电力系统的结线方式电力系统的地理接线图如图1.7所示。图1.

25、7 电力系统的地理接线 无备用接线方式如图1.8所示。图1.8 无备用接线方式有备用接线方式如图1.9所示。图1.9 有备用接线方式4城市中压电网接线模式10kv配电网常用接线模式如图1.10所示。图1.10 城市中压电网接线模式1.3.2 发电厂1按能源分类(1)火力发电厂 l 凝汽式电厂：能源利用效率()为30%40%。若装机50万千瓦，烧发热值为25120.8kj/kg的煤，需建单线铁路运煤。烧发热值为12560.4kj/kg的煤，需建复线铁路运煤。l 热电厂：能源利用效率()为60%70%，可发电兼供热，将汽轮机中一部分做过功的蒸汽从中间抽出来供给用户，所以效率比凝汽式电厂高。 (2)

26、水力发电厂我国水力资源储量是6.8亿千瓦(680gw)，可供开发的为3.7亿千瓦(370gw)。水电厂的出力与水的流量与落差的乘积成正比。根据取水方式，可分为：l 坝后式(利用落差发电)。电厂建在坝的后面(例如湖南柘溪电厂，坝高78m；长江三峡电厂，坝高176m)。l 河床式(或称泾流式，厂房和挡水坝连成一体，坝较低)。利用水的流量和流速发电，例如湖北省葛洲坝电厂。l 引水式。由引水渠道造成水头，利用地形提高落差。l 抽水蓄能式(例如北京十三陵抽水蓄能电厂)。利用用电负荷低谷时的剩余电力，使水轮机以水泵方式工作，将下游的水抽到高水位蓄水池内，再在用电高峰时从蓄水池往下游放水发电。作负荷高峰用。

27、(3)核电利用核裂变或核聚变所产生的巨大热能，再按火电厂的方式发电。核电子的“锅炉”是原子核反应堆。l 核裂变：1kg铀235 2 700t ce(吨标煤)；l 核聚变(氘、氚聚变转化成氦)：1kl氘= 20 000t ce(吨标煤)。(4)其他电厂：利用风力、太阳能、潮汐、地热等发电。2按在系统中的地位和作用分类按在系统中的地位可分为主力、地区和企业自备电厂。l 主力电厂：100万千瓦以上电厂，接入330kv以上电网。l 地区电厂：中小型电厂，接入110220kv电网。l 企业自备电厂：例如湖南省冷江钢厂，装机3000kw2(利用焦炉废气发电)，资江氮肥厂，装机2000kw6(利用余热发电)

28、。按在系统中的作用可分为基荷、腰荷和峰荷电厂，如图1.11所示。图1.11 基荷、腰荷和峰荷电厂一年中，无调节水电厂承担基荷发电；年调节水电厂丰水期承担基荷，枯水期承担峰荷发电；热电厂冬季承担基荷发电；凝汽式电厂承担基荷或腰荷发电；核电厂承担基荷发电。1.3.3 变电所变电所是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。按在电力系统中的地位和作用，可分为：枢纽变电所、中间变电所(可包含开闭所)、地区变电所和终端变电所，如图1.5所示。l 枢纽变电所：处于系统的枢纽点，连结电力系统超高压和高压的几个部分，枢纽变电所一旦停电，将引起系统解列，甚至瘫痪。l 开闭所：开闭所是为提高系统稳定性

29、要求而设置的，其主要作用是将长距离输电线路分段，以降低工频过电压，减少线路故障影响面和提高系统运行的稳定度，并可设置串联补偿装置，以提高供电能力和送电质量。开闭所的设置地点：长距离干线的中段、1/3或2/3处。若与中间变电所合并，可节约投资。l 中间变电所(区域变电所)：中间变电所通常汇集23个电源，高压母线主要供系统交换功率，同时又降压供给当地用电。一般从超高压主要环状线路或次要干线上t接引入，所址靠近线路t接处。中间变电所若停电，将引起区域电网解列。l 地区变电所：对地区供电，是一个地区的主要变电所。l 终端变电所：所址接近负荷点，降压后直接向用户供电。1.3.4 电力输送设备1输电铁塔输

30、电铁塔如图1.12所示。图1.12 输电铁塔的构成2绝缘子支持导线的绝缘物可由陶瓷、玻璃、硅橡胶等材料制成绝缘子。一片标准的绝缘子，可承受410kv的电压，电压等级越高，绝缘子串的绝缘子片数越多，如图1.13所示。图1.13 悬垂绝缘子串的使用3电力线 利用电流的集肤效应通过分裂导线降低波阻抗，可将220kv以上导线做成2分裂、4分裂、8分裂、16分裂等，电压越高，载流量越大，分裂股数越多，如图1.14所示。图1.14 电力线的构成为增加耐拉力，电力线通常采用钢芯多股线结构，如钢芯铝绞线acsr(alminium conductor steel reinforced)。4架空地线光纤复合架空地

31、线，例如opgw(composite fiber-opic ground wire)，外部的钢芯铝线作为避雷线，内部的铝管通过光缆作信息电缆使用。5变压器(t)(1)双绕组变压器(见图1.15)图1.15 变压器原理图双绕组变压器计算公式如下： (1-7)式中：一次侧电压(v或kv)； 一次侧电压(v或kv)； 二次侧绕组匝数； 二次侧绕组匝数。 (1-8) (1-9)式中：视在功率(va、kva或mva)；有功功率(w、kw或mw)；无功功率(var、kvar或mvar)；线电流(a或ka)；线电压(v或kv)；阻抗角，又称功率因数角。(2)三绕组变压器三绕组变压器的结构如图1.16所示。每

32、相有三个线圈，其中的两个线圈具有调压作用的带负载分接头切换装置。容器内充满了油，风扇在外部给予冷却。油枕是绝缘油和气体接触的部分，里面充满了大于外面大气压力的氮气。图1.16 三绕组变压器结构三绕组变压器的接线如图1.17所示。图1.17 三绕组变压器接线示意图(3)两台变压器并列运行的条件l 变压比偏差0.5% (即要求两台变压器的一、二次电压均相等)。l 额定短路电压(u%)相差不得大于10%。l 极性相同，相位相同，接线组别相同。变压器的过载能力达额定容量的1.4倍时，限连续运行6小时。(4)自耦变压器(图1.18)图1.18 自耦变压器接线6开关设备(1)隔离开关(qs)用途：隔离电压

33、，形成明显断开点，确保检修安全；配合断路器进行倒闸操作；相对于断路器而言先通后断，等电位下操作。分、合小电流，分、合避雷器、电压互感器和空载母线。(2)断路器(qf)用途：接通或切断电力线路。类型：空气断路器、油断路器、真空断路器、断路器等。500kvsf6气体断路器如图1.19所示。 (3)接地刀闸(qg)用途：取代安全接地线，确保检修线路的人身和设备安全，如图1.20所示。 图1.19 500kvsf6气体断路器 图1.20 各种高压开关安装位置示意7母线(w)用途：用于变电站、发电厂的输电、变电与交换电能(见图1.21)。图1.21 母线示意8电流与电压互感器(1)电流互感器(ta)电流

34、互感器的作用如下。l 将一次回路的高电压和大电流变为二次回路标准的低电压(100v)和小电流(5a)。l 使二次设备与高压部分隔离，且ta的二次侧均接地，从而保证了设备和人身的安全。结构原理，如图1.22和图1.23所示。图1.22 电流互感器原理图1.23 电流互感器的电路图电流互感器接线如图1.24所示。图1.24 电流互感器接线图安全使用要点是电流互感器的二次侧不能开路。发展前景是光电式电流互感器。(2)电压互感器(tv)电压互感器的作用如下。l 将一次回路的高电压变成二次回路的低电压。l 作测量、控制、保护的电压信号。电磁式电压互感器的原理如图1.25所示。图1.25 电磁式电压互感器

35、的原理图电容式电压互感器如图1.26所示。图1.26 电容式电压互感器图1.26中的的两端电压为，利用电容器反比分压原理得到： (1-10)但因、有内阻压降，将出现误差。采用等效发电机原理，从a、b两点看进去(将电源短接)。为减小，减小误差，在a、b回路中加入一补偿电感l，则：当，(产生串联电压谐振)。放电间隙的作用：防止tv二次侧短路时，大电流引起的共振过电压击穿绝缘。接线方式和安装位置如图1.27所示。图1.27 电压互感器接线方式安全使用的要点是电压互感器的二次侧不能短路。9电抗器(符号为l或dk)普通电抗器分为线路电抗器(xdk)、母线电抗器(wdk)和分裂电抗器。(1)线路电抗器(x

36、dk)线路电抗器如图1.28所示。 图1.28 电抗器的安装位置示意作用：减少出线xl和母线(w)的k(3)(三相短路)等故障时的短路电流，保护设备安全运行，延长使用寿命。型号：xkgk1015006 正常：5%故障60%70%(残压)(2)母线电抗器(wdk) wdk的%=8%12%。安装时应优先考虑安装wdk，计算效果不够时，再装xdk。(3)分裂电抗器分裂电抗器如图1.29所示。图1.29 分裂电抗器的接线示意型号为fkl-10-21000-10。图1.30中，自感电抗，互感电抗 。图1.30 分裂电抗器的电路原理图正常运行时的等值电抗，为一个支臂自感电抗值的一半，因此，电压损耗小。注意

37、：图1.30所示的接线中，当1、2端无电源，1端或2端短路时，；当3端无电源，1端或2端有电源，1端或2端短路时，。线路出现短路故障时，等值电抗为一个支臂电抗值的13倍，从而可减小短路电流。10电容器与用电无功补偿装置电容器是容性设备，主要用来补偿系统中感性负载所消耗的无功，提高系统的功率因数。常见的有并联电容补偿、电力电容器成套补偿装置和静止补偿装置。(1)电容器对被绝缘隔开的两个导体之间施加电压时，接在高电位的导体能容纳正电荷，接在低电位的导体能容纳负电荷，这个装置就称为电容器。电容器能容纳的电荷量为： (1-11)式中： 电荷量(库仑)； 电压(v或kv)； 电容(f、f或pf)。1f=

38、f=pfn个电容器并联的总电容c为各并联电容之和。 (1-12)n个电容器串联时，总电容的倒数等于各参与串联的分电容倒数之和。 (1-13)(2)电容器补偿容量的确定电容器补偿容量的大小取决于电力负荷的大小，补偿前的功率因数及补偿后要求达到的功率因数。补偿容量的选择可以采用以下方法确定。 计算法。一般按下列公式计算： (1-14) 式中： 所需的补偿容量(kvar)； 最大负荷月的平均有功负荷(kw)； 补偿前的功率因数的正切值； 补偿后要求达到的功率因数的正切值； 补偿前最大负荷月的平均功率因数； 要求补偿后达到的功率因数。 查诺模图法。查诺模图如图1.31所示。根据补偿前后的功率因数和，从

39、图1.31左右两坐标轴上取其相应的两点，然后将两点连线，与系数k的坐标轴相交于第三点，此点即为系数k的数值。由于，所以补偿容量可由式算出。 查表法。如表1.6所示。表中数值为每千瓦有功负荷所需要的补偿容量(kvar/kw)，可由补偿前的功率因数和补偿后的功率因数查出相应的数值，然后乘以有功功率的千瓦数，即得所需的补偿容量。(3)电动机补偿容量的确定个别补偿的电动机的补偿容量按下式确定： (1-15)图1.31 计算电容补偿设备的查诺模图式中： 电动机的电压(kv)； 电动机的空载电流(a)； 所需的补偿容量(kvar)。表1.6 每千瓦有功功率所需的电容器容量单位：kvar0.800.810.

40、820.830.840.850.860.870.880.890.900.910.920.930.940.950.960.500.9811.0081.0351.0601.0861.1121.1381.1661.1921.2191.2461.2761.3051.3381.3681.4041.4420.510.9390.9660.9931.0181.0441.0701.1061.1341.1601.1871.2141.2441.2731.3061.3361.3721.4100.520.8900.9170.9450.9690.9951.0211.0471.0751.1011.1281.1551.185

41、1.2171.2471.2771.3131.351(4)并联电容补偿成套设备并联电容补偿成套设备由电力电容器、开关电器、放电装置、保护装置和自动控制器等器件组成。 电力电容器。按额定电压的不同可分高压和低压两类。按相数的不同可分单相和三相两种。普通高压电容器做成单相，低压电容器做成三相或单相。按使用场所分户内和户外两种。工矿企业常用户内型。 开关电器。采用隔离开关和断路器，用于接通和开断补偿装置。 放电装置。为保证运行和检修人员在停电后电容器上工作时的安全，根据电容器容量的大小应并联适当的放电装置。放电装置必须满足两个条件：第一，不论电容器的额定电压高低，装置应保证在电容器切断30s后其端电压

42、不超过65v；第二，放电装置的有功损耗小，一般不超过1w/kvar。低压电容器组的放电装置通常采用220v白炽灯泡串联后接成星形或三角形，再与电容器组相连，如图1.32所示；用于个别补偿的低压电容器断电后，通过长期与电容器并联的电动机绕组自行放电；高压电容器组常用电压互感器作为放电装置进行放电。(a) 灯泡三角形接法 (b) 灯泡星形接法图1.32 低压电容器放电用灯泡的接法 自动控制器。无功功率补偿装置的投切分手动和自动两种方式。对于负荷比较稳定、功率因数变化不大的用户，一般用手动方式。控制方法有时间程序控制投切法、检测电压变化自动投切法、检测无功功率自动投切法、检测功率因数自动投切法和检测

43、电流变化自动投切法等多种方式。 保护装置。无功补偿装置的保护根据电压等级和容量大小可采用单台熔断器保护、多台熔断器保护和继电保护。 补偿方式。用并联电容器进行无功补偿的方式有高压侧补偿、低压侧补偿和高压低压混合补偿。高压侧补偿。高压侧多采用集中补偿，将补偿装置接于变电所310kv的母线上，如图1.33所示。其特点是电容器的利用率高，能减少供电系统及线路中输送的无功功率，但不能减少通过变压器和低压供电网中的无功功率。图1.33 高压集中补偿c电容器组；tv放电用电压互感器；t变压器；qf断路器；qa低压断路器；m电动机低压侧补偿。低压侧补偿分为个别补偿、分散补偿和集中补偿。第一，个别补偿。按照单

44、台用电设备的要求，将电容器直接与用电设备连接，并公用一组开关，同时投入和退出运行，如图1.34所示。特点是所需无功功率可就地补偿，减少工厂内部配电线路和变压器的无功功率，但利用率低。第二，分散补偿。将电容器组接于车间配电网的母线上进行补偿，如图1.35所示。特点是利用率高，对低压配电线路较长的车间，可提高末端电压。第三，集中补偿。在变电所低压母线上集中装设电容器组进行补偿，如图1.36所示。它适用于负荷比较集中，低压线路较短，供电半径不大的用户，能减少变压器的无功功率损耗。 图1.34 低压个别补偿 图1.35 低压分散补偿m电动机；qa低压断路器；fu熔断器qa低压断路器；c电容器组图1.3

45、6 低压集中补偿qa低压断路器；c电容器组；m电动机；t变压器；qf断路器(5)静止无功补偿装置该装置由电抗器、电力电容器、控制装置(交流电子开关)等组成。在饱和电抗器的饱和电压以上，通过所吸收电流的不断变化，来适应负荷和潮流的不同要求，达到补偿动态无功和稳定电压的目的。该装置能消除高次谐波的危害，防止系统电压的闪变，改善电力系统的稳定性，调节无功功率，改善功率因数。静止无功补偿装置分为饱和电抗器型(包括自饱和电抗器型和可控饱和电抗器型)，晶闸管相控电抗器(tcr型)(该型又分相控电抗器型和相控高阻抗变压器型)，晶闸管投切电容器型(tsc型)，tcr和tsc混合型。各类静止补偿装置原理接线如图

46、1.37所示。图1.37 静止无功补偿原理接线图1.4 电能的传输 1.4.1 单相交流电单相交流电，公式如下，如图1.38所示。 (1-16)式中： 电压幅值； 初相位角； 角频率()； 频率，每秒钟变化的周波数，其中我国通用的交流电频率为50hz，美国为60hz。 (1-17)图1.38 瞬时交流电与相位 (1-18) (1-19)式(1-18)和式(1-19)中： 视在功率(kva或mva)； 有功功率(kw或mw)； 无功功率(kvar或mvar)； 功率因数角，电压与电流之间的夹角。1.4.2 三相交流电1瞬时值(见图1.39)图1.39 三相瞬时交流电与相位瞬时值的计算公式： (1

47、-20)2三相交流电回路(见图1.40) 图1.40 三相交流电接线方式三相交流电回路的计算公式： (1-21)3电阻、电感与电容电阻为负载耗能元件，电感为磁场储能元件，电容为电场储能元件。电阻、电感、电容构成了交流输电的阻抗。 (1-22)式中： 阻抗()； 电阻()； 电抗()； 感抗()； 容抗()。(1)电阻(r)设 0 (1-23)(2)电感(l) (1-24)(3)电容(c) (1-25)(4)电阻、电感、电容混联 滞后角 超前角功率因数角，又称为阻抗角。4功率 (1-26)式中：线电压(kv或mv)；线电流(ka或ma)；相电压(kv或mv)；相电流(ka或ma)。 (1-27)

48、 (1-28)1.4.3 高压直流输电由于直流电的频率等于零，直流电变形如图1.41所示。电压没有交替变化，感抗为零而容抗为无穷大，使得直流输电具有如下的优越性。图1.41 直流电波形l 电压没有正负交替，无充电电流。l 不存在稳定性问题。l 不存在同期问题。l 长距离输电，输电建设成本较低。高压直流输电适应于：l 长距离大容量输电，例如从葛洲坝输电给上海。l 海底电缆。l 非同期系统。l 不同频率的两系统联系，例如日本的佐治间、新信浓等50/60hz转换站。1.4.4 各种输电方式和输电功率的比较各种输电方式和输电功率的比较，如表1.7所示。表1.7 各种输电方式下的输电效率比较输电方式接

49、线 图输电功率每条母线的输送功率效率/%直流两线式100单相两线式100两相三线式94三相三线式115续表输电方式接 线 图输电功率每条母线的输送功率效率/%四相四线式1001.5 例 题【例1】 为了长距离大容量输送电能，为什么要提高输电电压？ 分析：导线的输送容量与导线的容许电流、容许损耗和稳定性有关。一般表达式为： 由此可见，交流输电容量与电压的平方成正比，式中x是线路电抗，是送受电端电压相角差的正弦。因此，要提高输电容量p就要提高线路电压或减少线路电抗。 【例2】 为什么要规定额定电压等级？电力系统各元件的额定电压又是如何确定的？分析：(1)电气设备都是按照指定的电压和频率来进行设计制

50、造的，这个指定的电压和频率，称为电气设备的额定电压()和额定频率()。当电气设备在此电压和频率下运行时，将具有最好的技术性能和经济效果。为了进行成批生产和实现设备的互换，各国都制定有标准的额定电压和额定频率。(2)电力线路的额定电压和系统的额定电压相等，有时把它们称为网络的额定电压，如网络等。发电机的额定电压与系统的额定电压为同一等级时，发电机的额定电压规定比系统的额定电压高5%。变压器额定电压的规定略为复杂。根据变压器在电力系统中传输功率的方向，我们规定变压器接受功率一侧的绕组为一次绕组，输出功率一侧的绕组为二次绕组。一次绕组的作用相当于受电设备，其额定电压与系统的额定电压相等，但直接与发电机连接时，其额定电压则与发电机的额定电压相等。二次绕组的作用相当于供电设备，考虑其内部电压损耗，额定电压规定比系统的额定电压高10%，如果变压器的短路电压()小于7%或直接(包括通过短距离线路)与用户连接时，则规定比系统的额定电压高5%。【例3】 三个负载并联接在220v单相交流输电系统中，各负载取用的功率和电流分别为