第一章 电力系统的基本概念

1、二二00九年八月九年八月山东农业大学山东农业大学 电气工程教研室电气工程教研室郗忠梅郗忠梅 电力系统稳态分析 电气工程教研室电气工程教研室 第一章 电力系统的基本概念第一节第一节 电力系统运行特点和基本要求电力系统运行特点和基本要求 1电力系统的组成电力系统的组成 电力系统电力系统是由是由发电厂发电厂的发电机的发电机、升压及降升压及降压变电设备、电力网及电能用户（用电设备）压变电设备、电力网及电能用户（用电设备）组成的系统统称为电力系统。组成的系统统称为电力系统。是现代社会中最是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。重要、最庞杂的工程系统之一。 发电机发电机升压升压变压器变压器降压降压变压器

2、变压器电灯电灯电动机电动机电炉等电炉等用电设用电设备备.输电线输电线电力网络电力网络是由是由变压器、电力线路变压器、电力线路等变换、输等变换、输送、分配电能设备所组成的部分。送、分配电能设备所组成的部分。 发电机发电机升压升压变压器变压器降压降压变压器变压器电灯电灯电动机电动机电炉等电炉等用电设用电设备备.输电线输电线（1）发电厂）发电厂：生产电能。：生产电能。（2）电力网）电力网：变换电压、传送电能。：变换电压、传送电能。 由变电所和电力线路组成。由变电所和电力线路组成。（3）用电设备）用电设备：消耗电能。：消耗电能。 2 2电能的特点电能的特点 （1 1）电能不能储存）电能不能储存 电能的

3、生产、输送、分配和使用同时完成。电能的生产、输送、分配和使用同时完成。 （2 2）暂态过程非常迅速）暂态过程非常迅速 电能以电磁波的形式传播，传播速度为电能以电磁波的形式传播，传播速度为300km300kmmsms。 （3 3）和国民经济各部门间的关系密切）和国民经济各部门间的关系密切 。二对电力系统运行的基本要求二对电力系统运行的基本要求 1保证可靠地持续供电保证可靠地持续供电 供电的中断将使生产停顿、生活混乱，甚至危供电的中断将使生产停顿、生活混乱，甚至危及人身和设备安全，形成十分严重的后果。停电及人身和设备安全，形成十分严重的后果。停电给国民经济造成的损失远超过电力系统本身的损给国民经济

4、造成的损失远超过电力系统本身的损失。因此，电力系统运行首先要满足可靠、持续失。因此，电力系统运行首先要满足可靠、持续地供电的要求。地供电的要求。 虽然保证可靠供电是对电力系统运行的首要要虽然保证可靠供电是对电力系统运行的首要要求，但并非所有负荷都绝对不能停电。一般，可求，但并非所有负荷都绝对不能停电。一般，可根据经验，按对供电可靠性的要求将负荷分为三根据经验，按对供电可靠性的要求将负荷分为三级：级： 一级负荷：一级负荷： 为中断供电将造成人身伤亡者；或在政治为中断供电将造成人身伤亡者；或在政治上、经济上将造成重大损失者，如重大设上、经济上将造成重大损失者，如重大设备损坏、重大产品报废、用重要原

5、料生产备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废、国民经济中重点企业的的产品大量报废、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连续生产过程被打乱需要长时间才能恢复等。等。 二级负荷：二级负荷：为中断供电将在政治上、经济为中断供电将在政治上、经济上将造成较大损失者，如主要设备损坏、上将造成较大损失者，如主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需要大量产品报废、连续生产过程被打乱需要较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。 三级负荷：三级负荷：为一般的电力负荷，所有不属为一般的电力负荷，所有不属于上述一、二级负荷者。于上述一、二级负

6、荷者。2保证良好的电能质量保证良好的电能质量 电能质量包含电能质量包含电压质量、频率质量和波形质量电压质量、频率质量和波形质量。 良好的电能质量是指电压正常，偏移不超过给定值，良好的电能质量是指电压正常，偏移不超过给定值，例如，例如，给定的允许电压偏移为额定值的给定的允许电压偏移为额定值的5%5%， 频率正常，偏移不超过给定值，例如频率正常，偏移不超过给定值，例如给定的允许频给定的允许频率偏移为率偏移为0.20.20.5HZ0.5HZ等等, , 波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。 所谓畸变率（或正弦波形畸变率），是指各次谐波所谓畸变率（或正弦波形畸

7、变率），是指各次谐波有效值平方和的方根值与基波有效值的百分比。有效值平方和的方根值与基波有效值的百分比。 对电压和频率质量的保证，我国电力工业对电压和频率质量的保证，我国电力工业部门多年来早已有要求，并已将其作为考部门多年来早已有要求，并已将其作为考核电力系统运行质量的重要内容之一。核电力系统运行质量的重要内容之一。 在当前条件下，为保证这些质量指标，在当前条件下，为保证这些质量指标， 必须做到大量必须做到大量增加系统中有功功率、无功增加系统中有功功率、无功功率的电源功率的电源，充分发挥现有电源的作用，充分发挥现有电源的作用，合理调配用电、节约用电，不断提高系统合理调配用电、节约用电，不断提高

8、系统的自动化程度等。的自动化程度等。 在我国，对波形质量的要求只是在系统中谐波污在我国，对波形质量的要求只是在系统中谐波污染日益严重的情况下才开始注意的，有关规定还染日益严重的情况下才开始注意的，有关规定还有待继续完善。有待继续完善。 所谓保证波形质量，就是指限制系统中电流、电所谓保证波形质量，就是指限制系统中电流、电压的谐波，而其关键则在于限制各种换流装置、压的谐波，而其关键则在于限制各种换流装置、电热电炉等非线性负荷向系统注入的谐波电流。电热电炉等非线性负荷向系统注入的谐波电流。至于限制这类谐波电流的方法，则有更改换流装至于限制这类谐波电流的方法，则有更改换流装置的设计、装设滤波器、限制不

9、符合要求的非线置的设计、装设滤波器、限制不符合要求的非线性负荷的接入等。性负荷的接入等。3、保证系统运行的经济性、保证系统运行的经济性 电能生产的规模很大，消耗的一次能源在电能生产的规模很大，消耗的一次能源在国民经济一次总消耗中占的比重约为国民经济一次总消耗中占的比重约为1/3,而而且电能在变换、输送、分配时的损耗绝对且电能在变换、输送、分配时的损耗绝对值也相当可观。值也相当可观。 因此，降低每生产一度电所消耗的能源和因此，降低每生产一度电所消耗的能源和降低变换、输送、分配时的损耗，有极重降低变换、输送、分配时的损耗，有极重要的意义。要的意义。 为保证系统运行的经济性，应开展系统经济运为保证系

10、统运行的经济性，应开展系统经济运行工作，使各发电厂所承担的负荷能合理分配。行工作，使各发电厂所承担的负荷能合理分配。 例如，使水力发电厂能充分利用水能，避免弃例如，使水力发电厂能充分利用水能，避免弃水；使火力发电厂中经济性能好的多发电，差水；使火力发电厂中经济性能好的多发电，差的少发电，并避免频繁开停机组；使功率在系的少发电，并避免频繁开停机组；使功率在系统中合理分布以降低电能在变换、输送、分统中合理分布以降低电能在变换、输送、分配中的损耗，等等配中的损耗，等等 应该指出，以上这些要求是互相关联的，而且应该指出，以上这些要求是互相关联的，而且往往是互相矛盾、互相制约的。因此，在考虑往往是互相矛

11、盾、互相制约的。因此，在考虑满足任何一项要求时，必须兼顾其他。满足任何一项要求时，必须兼顾其他。 根据以上基本要求，最好将单一系统联合，组成根据以上基本要求，最好将单一系统联合，组成联合电力系统。这可大大提高供电可靠性，减少联合电力系统。这可大大提高供电可靠性，减少为防止设备事故引起供电中断而设置的备用容量。为防止设备事故引起供电中断而设置的备用容量。 由于个别负荷在系统总负荷中所占比重的减少。由于个别负荷在系统总负荷中所占比重的减少。它还可更合理地利用系统中各种类型的发电厂，它还可更合理地利用系统中各种类型的发电厂，从而提高运行的经济性。从而提高运行的经济性。 联合电力系统容量很大，个别机组

12、的开停，甚至联合电力系统容量很大，个别机组的开停，甚至故障，对系统的影响将减小，从而可采用大容量、故障，对系统的影响将减小，从而可采用大容量、高效率的机组。高效率的机组。 但是，为使个别系统联合，通常要增加一定的投但是，为使个别系统联合，通常要增加一定的投资。资。 第二节第二节 电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级 一一.电力系统的结线图电力系统的结线图 有两种：电力系统的有两种：电力系统的电气接线图和电力系电气接线图和电力系统的地理接线图统的地理接线图 电力系统的电气主接线方式大致分为两大电力系统的电气主接线方式大致分为两大类：类： （1）无备用电源接线）无备用电源接线

13、（2）有备用电源接线）有备用电源接线 1无备用接线（开式电力网）方式无备用接线（开式电力网）方式 无备用接线包括：无备用接线包括： （1）单回放射式）单回放射式 （2）树干式）树干式 （3）链式网络）链式网络a）放射式）放射式 b）干线式）干线式 c）链式）链式 无备用结线的主要优点在于无备用结线的主要优点在于简单、经济、简单、经济、运行方便，主要缺点是供电可靠性差。运行方便，主要缺点是供电可靠性差。 因此，这种结线不适用于一级负荷占很大因此，这种结线不适用于一级负荷占很大比重的场合。比重的场合。 2有备用接线（闭式电力网）方式有备用接线（闭式电力网）方式 有备用接线方式包括有备用接线方式包括

14、 （1）双回放射式）双回放射式 （2）树干式）树干式 （3）链式）链式 （4）环式）环式 （5）两端供电网络）两端供电网络a）放射式）放射式 b）干线式）干线式 c）链式）链式 d）环式）环式 e）两端供电网络）两端供电网络 有备用结线中，双回路的放射式、干线式和链有备用结线中，双回路的放射式、干线式和链式网络的式网络的优点在于供电可靠性和电压质量高优点在于供电可靠性和电压质量高，缺点是可能不够经济。缺点是可能不够经济。 有备用结线中的环式网络结线有与上列结线方有备用结线中的环式网络结线有与上列结线方式相同的供电可靠性，但却较它们经济，缺点式相同的供电可靠性，但却较它们经济，缺点为运行调度较复

15、杂，且故障时的电压质量差。为运行调度较复杂，且故障时的电压质量差。有备用结线中的两端供电网络最常见，但采用有备用结线中的两端供电网络最常见，但采用这种结线的先决条件是这种结线的先决条件是必须有两个或两个以上必须有两个或两个以上独立电源。独立电源。 有备用接线的双回放射式、树干式和链有备用接线的双回放射式、树干式和链式网络用于一、二级负荷。式网络用于一、二级负荷。 环式接线，供电经济、可靠，但运行调环式接线，供电经济、可靠，但运行调度复杂，线路发生故障切除后，由于功率重度复杂，线路发生故障切除后，由于功率重新分配，可能导致线路过载或电压质量降低。新分配，可能导致线路过载或电压质量降低。 两端供电

16、接线方式必须有两个独立的电两端供电接线方式必须有两个独立的电源。源。二二.不同电压等级的适用范围不同电压等级的适用范围 1、电力系统的额定电压等级、电力系统的额定电压等级 因三相功率和线电压和线电流之间的关系为因三相功率和线电压和线电流之间的关系为 输送功率一定时，输电电压愈高，电流愈小，导线输送功率一定时，输电电压愈高，电流愈小，导线等载流部分的截面积愈小，投资愈小，但电压愈高，等载流部分的截面积愈小，投资愈小，但电压愈高，对绝缘的要求愈高，杆塔、变压器、断路器等绝缘对绝缘的要求愈高，杆塔、变压器、断路器等绝缘的投资也愈大，综合考虑这些因素，对应一定的输的投资也愈大，综合考虑这些因素，对应一

17、定的输送功率和输送距离有一最合理的线路电压。但从设送功率和输送距离有一最合理的线路电压。但从设备制造角度考虑，为保证生产的系列性，考虑到现备制造角度考虑，为保证生产的系列性，考虑到现有的实际情况和进一步的发展，有的实际情况和进一步的发展， 我国国家标准规定的标准电压（又称额定电压）。我国国家标准规定的标准电压（又称额定电压）。33SUI额定电压等级额定电压等级用电设备额定线电压用电设备额定线电压交流发电机线电压交流发电机线电压 变压器线电压变压器线电压一次绕组一次绕组二次绕组二次绕组 3 3.153及及3.153.15及及3.3 6 6.36及及6.36.3及及6.6 10 10.510及及1

18、0.510.5及及11 15.7515.75 35 3538.5 (60)(60)(66) 110110121 (154)(154)(169) 220220242 330330345及及363 500 500525及及550 （1）用电设备的额定电压）用电设备的额定电压 以以UN表示用电设备的额定电压（为表示用电设备的额定电压（为其他元件的参考电压）其他元件的参考电压）（2） 电网的额定电压电网的额定电压 输电线路的首端和末端均可接用输电线路的首端和末端均可接用电设备，而用电设备的端电压一般容电设备，而用电设备的端电压一般容许在额定电压的许在额定电压的5范围内波动。因范围内波动。因而在没有调压

19、设备的情况下，输电线而在没有调压设备的情况下，输电线路上可以容许路上可以容许10的电压损耗。的电压损耗。 NU若输电线的首端较用电设备高若输电线的首端较用电设备高5，即为，即为输电线路的末端电压较用电设备低输电线路的末端电压较用电设备低5%,即为即为 NU(1 5%)aNUU(1 5%)bNUU则输电线路首末两端电压的平均值应等于则输电线路首末两端电压的平均值应等于电网额定电压电网额定电压UN 。 （3） 发电机的额定电压发电机的额定电压 发电机作为直接配电的电源，总是接发电机作为直接配电的电源，总是接在线路首端，它的额定电压较输电线路在线路首端，它的额定电压较输电线路的额定电压高的额定电压高

20、5，则发电机的额定电，则发电机的额定电压规定比同级电网电压高压规定比同级电网电压高5，补偿电，补偿电压损失。压损失。 （4） 电力变压器的额定电压电力变压器的额定电压 变压器的额定电压即为变压器两侧的额定电变压器的额定电压即为变压器两侧的额定电压，以变比表示为压，以变比表示为电力变压器的一次绕组的额定电压根据连接情况电力变压器的一次绕组的额定电压根据连接情况不同分为两种：当变压器直接与发电机相连时，不同分为两种：当变压器直接与发电机相连时，其一次绕组的额定电压与发电机的额定电压相同，其一次绕组的额定电压与发电机的额定电压相同，即高出同级电网额定电压即高出同级电网额定电压5； 11/NNkUU

21、当变压器直接与电网相连时，其一次绕组的当变压器直接与电网相连时，其一次绕组的额定电压与电网的额定电压相同，即等于同级电额定电压与电网的额定电压相同，即等于同级电网额定电压。网额定电压。 电力变压器的二次绕组的额定电压是指一次电力变压器的二次绕组的额定电压是指一次绕组在额定电压作用下，二次绕组的空载电压。绕组在额定电压作用下，二次绕组的空载电压。 当变压器满载时，变压器的一、二次绕组的当变压器满载时，变压器的一、二次绕组的阻抗将引起变压器自身的电压降（大约相当于电阻抗将引起变压器自身的电压降（大约相当于电网额定电压的网额定电压的5 5），从而使二次绕组的端电压），从而使二次绕组的端电压小于空载电

22、压。为了弥补线路中的电压损失，变小于空载电压。为了弥补线路中的电压损失，变压器的二次绕组的额定电压应高于电网额定电压压器的二次绕组的额定电压应高于电网额定电压5 5，因此变压器二次绕组的额定电压规定比同，因此变压器二次绕组的额定电压规定比同级电网额定电压高级电网额定电压高1010； 若变压器靠近用户，供电半径较小时，由于线路若变压器靠近用户，供电半径较小时，由于线路较短，线路的电压损失可以忽略不计，这时变压较短，线路的电压损失可以忽略不计，这时变压器的二次绕组的额定电压应高于电网额定电压器的二次绕组的额定电压应高于电网额定电压5 5，用以补偿变压器自身的电压损失。，用以补偿变压器自身的电压损失

23、。 变压器的额定电压总结为： 一次侧额定电压 二次侧额定电压11()()NNNGNUUUU降压变压器或中间联络变压器直接与发电机相连的变压器22()()NNNNUUUU（110） 线路较长（1+5） 线路较短2、不同电压等级的适用范围、不同电压等级的适用范围 500、330、220kV多半用于大电力系统的主干线；多半用于大电力系统的主干线； 110kV既用于中小电力系统的主干线，也用于大既用于中小电力系统的主干线，也用于大电力系统的二次网络；电力系统的二次网络； 35kV既用于大城市或大工业企业内部网络，也广既用于大城市或大工业企业内部网络，也广泛用于农村网络；泛用于农村网络； 10kV则是最

24、常用的更低一级配电电压；只有负荷则是最常用的更低一级配电电压；只有负荷中高压电动机的比重很大时，才考虑以中高压电动机的比重很大时，才考虑以6kV配电配电的方案。显然，这种划分不是绝对的，也不是一的方案。显然，这种划分不是绝对的，也不是一成不变的。成不变的。三、电力系统中性点的运行方式三、电力系统中性点的运行方式 星形联结变压器或发电机的中性点，即电星形联结变压器或发电机的中性点，即电力系统的中性点的运行方式，力系统的中性点的运行方式，是一个十分是一个十分复杂的问题。它关系到绝缘水平、通信干复杂的问题。它关系到绝缘水平、通信干扰、接地保护方式、电压等级、系统结线扰、接地保护方式、电压等级、系统结

25、线等很多方面。等很多方面。 在三相交流电力系统中，中性点在三相交流电力系统中，中性点的运行方式有三种运行方式：的运行方式有三种运行方式： 一种是电源中性点不接地，一种是电源中性点不接地， 一种是电源中性点经消弧线圈接一种是电源中性点经消弧线圈接地，地， 一种是电源中性点直接接地。一种是电源中性点直接接地。 前两种称为中性点非有效接地，前两种称为中性点非有效接地，或小电流接地，后一种中性点直或小电流接地，后一种中性点直接接地称为中性点有效接地，或接接地称为中性点有效接地，或大电流接地。大电流接地。1、电源中性点不接地的电力系统、电源中性点不接地的电力系统 1中性点不接地系统中性点不接地系统 系统

26、中性点不接地是指系统中性点对地绝缘。系统中性点不接地是指系统中性点对地绝缘。当系统发生单相接地故障后系统的三相对称关系当系统发生单相接地故障后系统的三相对称关系并未破坏，仅中性点及各相对地电压发生变化，并未破坏，仅中性点及各相对地电压发生变化，中性点的电压上升到相电压，非故障相对地电压中性点的电压上升到相电压，非故障相对地电压值增大为值增大为3倍相电压，故对于该中性点不接地系倍相电压，故对于该中性点不接地系统可以带故障继续运行统可以带故障继续运行2小时。故障相接地点的小时。故障相接地点的对地故障电流为正常运行时对地电容电流的对地故障电流为正常运行时对地电容电流的3倍。倍。 在我国配电网电压在在

27、我国配电网电压在101035kV35kV之间的架空线之间的架空线路多采用此接地方式。路多采用此接地方式。 由于任意两个导体隔以绝缘介质时，就形由于任意两个导体隔以绝缘介质时，就形成电容，因此三相交流电力系统中的相与成电容，因此三相交流电力系统中的相与相之间及相与地之间都存在着一定电容。相之间及相与地之间都存在着一定电容。 系统正常，相电压对称，线电压对称系统正常，相电压对称，线电压对称 单相接地，其他两相对地电压为线电压，单相接地，其他两相对地电压为线电压，而线路的线电压无论相位和量值均为发生而线路的线电压无论相位和量值均为发生变化，因此三相用电设备仍然正常运行。变化，因此三相用电设备仍然正常运行。但是这种线路不允许在一相接地的情况下但是这种线路不允许在一相接地的情况下长期运行。长期运行。2、电源中性点经消弧线圈接地、电源中性点经消弧线圈接地 消弧线