电力系统1课件

电力系统电力是现代社会最重要基础能源之一，它既为现代工业、现代农业、现代科学技术和现代国防提供必不可少的动力，又与广大人民群众的生活密切相关，在国民经济中占有十分重要的地位。本章的主要内容是介绍电力系统的基本知识，这是从事电力电缆工作的人员必须具备的。第一节电力系统概述一、电力系统的基本组成及特点

1．电力系统的基本组成电力系统是由发电厂、变电站、输配电线路直到用户等在电气上相互连接的整体。它包括了从发电、输电、配电直到用电的全过程。另外，还把由输配电线路以及由它所联系起来的各类变电站总称为电力网(简称为电网)。因此，电力系统也可以看作是由各类发电厂、电网、用户组成的相互连接的整体。2．电力系统的特点(1)电力生产密切关系着国民经济各部门和人民生活。电能是清洁的能源，具有使用灵活、易于转换，控制方便等优点，国民经济各部门广泛使用电能作为生产的动力。随着社会现代化的进展，各部门中的电气化程度越来越高，因而，电能供给的中断或不足，不仅会直接影响工业、农业生产，造成人民生活秩序紊乱，在某些情况下甚至会酿成极其严重的社会性灾难。(2)电能过渡过程非常短暂。电力系统正常运行时，负荷不断地变化，发电容量跟踪作相应变化，以适应负荷的需求。例如，用户用电设备的操作，电动机、电热设备的启停或负荷增减是很快的，变压器、输电线路的投入运行或切除都也是在瞬间内完成的。当电力系统出现异常状态(如短路故障、过电压、发电机失去稳定等过程)更是极其短暂，往往以微秒或毫秒来计量时间。因此，无论是正常运行时所进行的调整和切换等操作，还是故障时为切除故障部分或为把故障限制在一定范围内以迅速恢复供电所进行的一系列操作，仅仅依靠人工操作是不能够达到满意效果的，甚至是不可能的。因此，必须采用各种遥信装置、遥测装置、远动装置、保护装置和计算机技术来迅速而准确地完成各项调整和操作任务。

(3)电能不易大量储藏。在电力系统中，电能的生产、变换、输送、分配及使用是同时进行的。发电厂在任何时刻生产的电能必须等于该时刻用电设备所消耗的电能与变换、输送、分配环节中损耗的电能之和，即发电容量和用电容量应随时保持平衡，因此无论·’是转换能量的原动机或发电机，还是输送、分配电能的变压器或输电线路以及用电设备等，只要其中的任何一个元件发生故障，都将影响系统的工作。迄今为止，虽然人们对电能的存储方式进行了大量的研究，并在一些新的存储方式上(如超导储能、燃料电池储能等)取得了某些突破性的进展，但是仍未能实现经济的、高效率的以及大容量电能的存储。

3．对电力系统的要求(1)保证供电可靠。中断用户供电，会造成生产停顿，生活混乱，甚至危及人身和设备的安全，给国民经济带来极大的损失。停电给国民经济所造成的损失远远超过电力系统本身少售电能所造成的损失，一般认为，由于停电引起国民经济的损失平均值约为电力系统本身少售电能损失的三四十倍。电力系统运行的首要任务就是满足用户对供电可靠的要求。

(4)提高电力系统运行的经济性。提高电力系统运行经济性的措施有安装大容量发电机组、降低火力发电厂的煤耗率、充分发挥水力发电在电力系统中的作用、降低电网损耗等。1．电气设备额定电压和最高电压电气设备分供电设备和受电设备。电气设备制造厂根据所规定的电气设备工作条件而确定的电压，称为电气设备的额定电压。电气设备的最高电压是根据设备的绝缘性能和与最高电压有关的其他性能(如变压器的励磁电流及电容器的损耗等)所确定的最高允许运行电压，其数值等于所在的电力系统的最高电压值。为了保证电气设备能在偏离其额定电压允许值的范围内工作，在同一电力系统的额定电压下，电气设备的额定电压值是不同的。例如，发电机容量越大，其额定电压值越高。额定电压在10.5kV以下的发电机，其额定电压一般比相应的系统额定电压高5％。升压变压器低压绕组额定电压比电力系统额定电压高5％或l0％。这样规定电气设备的额定电压，主要是考虑到变压器约有5％的电压损耗，送电线路约有10％的电压损耗。实际上要保证所有电气设备在允许的电压变动范围内工作是非常困难的事情。因为实际电力网接线复杂，输电距离有长有短，负荷又是随时变化的，所以电压的控制与调整非常复杂。因此，确定合理的电气设备额定电压将有利于电力系统电压的控制与调整。

2．标准电压等级

电力系统的额定电压是根据技术经济上的合理性、电气制造工业的水平和发展趋势等各种因素而规定的。各种电气设备在额定电压下运行时，能获得最佳的经济性。我国规定的标准电压如表2--l、表2--2所示。3．电压等级选择在规划设计中，电压等级的选择是关系到电力系统的网架结构、建设费用、运行灵活性、设备制造经济合理性以及系统将来发展的一个综合问题，并且较为复杂。一般来说，传输功率越大，输送距离越远，则选择较高的电压等级就比较有利。220V及以上电力系统的额定电压与相应的传输功率和传输距离的关系如表2-3所示。

三、电力系统中性点运行方式为了保证电力网或电气设备的正常运行和工作人员的人身安全，人为地使电力网及其设备的某一特定点通过导体与大地做良好的连接，称为接地。接地包括工作接地、保护接地、保护接零、防雷接地和防静电接地等。电力系统中性点是指星形连接的变压器绕组或发电机绕组的中性点。电力系统工作接地一般都是通过电力系统中性点接地来实现的，电力系统中性点接地方式与短路电流大小、绝缘水平、供电可靠性、接地保护方式、对通信的干扰、系统接线方式等密切相关。电力系统的中性点接地方式有不接地、经电抗接地或经消弧线圈接地、直接接地、经电阻接地等。我国电力系统所采用的中性点接地方式主要是不接地、经消弧线圈接地、直接接地、经电阻接地四种。1．中性点不接地的电力系统的特点和适用范围

(2)中性点不接地的电力系统的适用范围。1)电压小于500V的装置(380／220V装置除外)；

2)3～6kV电力网，单相接地电流小于30A；

3)10kV电力网，单相接地电流小于20A；

4)35～60kV电力网，单相接地电流小于10A；

5)当发电机(或调相机)直接连在3～20kV电网，要求发电机(或调相机)带单相接地故障运行时，单相接地电流小于5A。2、中性点经消弧线圈接地的电力系统的特点和适用范围1)3～6kV电力网，单相接地电流大于30A；2)10kV电力网，单相接地电流大于20A；3)35～60kV电力网，单相接地电流大于10A；4)当发电机(或调相机)直接连在3～20kV电网，要求发电机(或调相机)带单相接地故障运行时，单相接地电流大于5A。3．中性点直接接地的电力系统的特点和适用范围(1)中性点直接接地的电力系统的特点。发生单相接地故障时，非故障相对地电压基本不变，对设备的绝缘水平要求不变；发生单相接地故障时，用电设备不能正常运行，由于此时故障相接地电流很大，必须立即切除故障设备。中性点直接接地系统发生单相接地故障时，单相短路电流在导线周围产生单相交变电磁场，将对附近的通信线路和信号设施产生电磁干扰。

4．中性点经电阻接地的电力系统的特点和适用范围

(1)中性点经电阻接地的电力系统的特点。中性点经电阻接地系统的特点与中性点直接接地系统类似，但由于安装了接地电阻，减小了单相接地电流，对周围通信线路的电磁干扰减弱。(2)中性点经电阻接地的电力系统的适用范围。中性点经电阻接地主要应用于l0kV及以下配网中。现在城市配网系统正逐步形成手拉手、环网供电的网络，越来越多的用户采用双路或多路电源供电，为了保证供电可靠性已经不必再采用中性点不接地的方式。因此，越来越多的10kV及以下配电网采用了中性点经电阻接地方式，既可保证供电可靠性，又能降低设备绝缘水平要求。第二节输电网及配电网一、输电网与配电网的划分输电网与配电网的划分主要看网络两端所连设备的性质。

1．输电网输电网是指将众多电源点与供电点连接起来的主干网及不同电网之间互送电力的联网网架。输电网是电力的主要传输工具和电力的主要交换工具，凡大型电源节点和负荷节点都直接与输电网连接。因而输电网是关系电力系统安全、经济及优质运行的基础。

2．配电网配电网是指电力系统中直接与用户相连的网络。配电网由配电变电站、高压配电线(1kV及以上电压)、配电变压器、低压配电线(1kV以下电压)以及相应的控制保护设备组成。通常将配电变电站至用户接户线之间的网络称为配电网。配电网又可分为一次配电网、二次配电网、特殊配电网。(1)一次配电网。从配电变电站到配电变压器间的电力网络称为一次配电网或高压配电网，电压为6～l0kV(有的国家如日本已经出现20kV，我国河南、江苏等地区也在试行20kV)。(2)二次配电网。由配电变压器二次引出线至低压用户入户线间的网络称为二次配电网或低压配电网。电压为380、110V或220V．(3)特殊配电网——电气化铁路交流牵引配电网。电气化铁路普遍采用单相电机车，其供电电网是由牵引变电站将从电力系统引来的三相电源变换为单相或两相交流系统，向上行及下行铁路供电。传统的输电网和配电网常常按电压等级来划分，将某一电压等级以上的网络称为输电网，该电压等级以下的网络称为配电网。国际上通常将150kV以上电网称为输电网，但是在发展中国家中132kV甚至60kV电网也可能被称为输电网。二、输电网主要结构

三、配电网主要结构第三节用户设备对系统影响一、用户设备主要类型用户设备根据不同的分类方法可以分为很多种类型，本书按照用户设备的用电特性进行分类，可以将用户设备分为一般用电设备和特殊用电设备。一般用电设备包括照明设备、家用电器、小型电动机、计算机设备等。特殊用电设备包括电气化铁道牵引设备、轧钢设备、电子加速器等。特殊用电设备对电力系统有特殊的影响。例如电气化铁道牵引设备会引起所供电系统产生负序和谐波问题；轧钢设备会引起系统电压剧烈波动及发电机组产生功率振荡问题。二、用户设备对系统的影响

1．用户设备产生的谐波对系统的影响

(1)电力系统中的主要谐波源。电力系统的主要谐波源包括多相脉冲和单相脉冲换流装置、电弧炉、感应炉、变压器及饱和电抗器等非线性铁磁元件、利用晶闸管控制的电动机节能器和充电器、彩电等家用电器。

(2)谐波的危害。谐波对电力系统和用户会产生多方面的不利影响，有时还会造成设备损坏和系统事故，谐波的危害主要体现在下列几个方面：

1)对电力电缆的危害。由于电缆的分布电容对谐波有放大作用，在低谷负荷电网电压上升时谐波电压也随之升高，引起电缆绝缘局部放电以及温升增大，从而损坏电缆。

2)对电气设备的危害。在谐波作用下，变压器和旋转设备(如电动机)的铁芯损耗增加；影响旋转设备机械加工的产品质量；使电容器发热、发响，出现电击穿和外壳膨胀，缩短使用寿命。

3)对继电保护和自动装置的危害。在谐波和负序共同作用下，电力系统中以负序滤波器为启动元件的许多继电保护及自动装置会发生误动作。

4)对通信的干扰。谐波通过电磁和静电感应干扰通信，通常200～5000Hz的谐波会引起通信噪声，而千赫以上的谐波会导致电话回路信号的误动。

5)对电能计量的影响。常用的感应式电能表由于对高次谐波有负的频率误差，当电路中谐波含量过大时将不能正确计量电能。6)对电网损耗的影响。谐波在电力系统和用户电气设备上会造成附加损耗，谐波功率基本上都是损耗，从而增大了电网损耗。2．冲击型用电设备对系统的影响当电力系统受到冲击型用电设备扰动时，将由原来的平衡状态过渡到新的平衡状态，这一动态过程可分为三个阶段，由于系统中各台机组在三个阶段供出的功率各不相同，从初始状态依次向三个阶段过渡时，各机组输出功率、转速等发生变化，将在电力系统中造成频率和功率振荡，并且由于冲击设备引起的无功变化，使电网电压频繁波动。

3电气化铁道牵引设备对系统的影响铁路运输采用电力牵引具有较高的经济效益和社会效益，是铁路运输现代化的主要方向。我国电气化铁道采用单相工频制，单相工频制与其他的牵引供电系统相比具有投资少、节约有色金属、运行维护方便等优点。然而从电力系统本身安全稳定运行角度来看，电气化铁道牵引设备使电力系统中出现了较大的负序分量和谐波分量，给电力系统的正常运行带来了不利影响，它对电力系统的危害已在谐波的危害中介绍。第四节10kV环网穿越功率一、环网、电磁环网、穿越功率的基本概念

1.环网的基本概念自一个供电点或母线开始，接入许多负荷点后返回至同一供电点或母线的线路，或返回至不同电源点或母线的线路，这两种线路构成的网络统称为环式网络或简称环网。2．电磁环网的基本概念电磁环网是指不同电压等级运行的线路，通过变压器电磁回路的连接而构成的环路。

3．穿越功率的基本概念穿越功率一般是指经过变电站母线或变压器向下一个变电站输送的功率。二、10kV环网的穿越功率1．10kV环网的主要结构

10kV环网包括架空线和电缆两种，架空线环网主要用于城市郊区或农村，将两条放射形线路用分段器连接在一起，并在中间适当增加分段，架空线环网的分段器可采用杆上负荷开关，若配置自动化装置时，须选用真空断路器或SF6柱上断路器。电缆环网接线方式与架空线环网相同，唯一的区别是用专用的环网开关代替架空线环网的分段器，环网开关一般为真空负荷开关