第一章 电力系统的基本概念

电力系统分析主讲:

高志刚gzg@自动化学院电力对我们有多重要？制备各种食物，加热，烹调，切割...纺织、印染...建筑、冶金、石油化工...电灯、电视、计算机、手机、冰箱、热水器...高铁、磁悬浮、电气化列车、汽车、飞机、轮船...我们需要从电力网络获取电能！一个典型的电力系统产输配用特殊的电力系统船舶、飞行器等内部供电也是一种“电力系统”。交通混乱疏导维持治安机场关闭露宿街头2003年美国814大停电事故2008年初我国南方冰灾春运铁路交通全面瘫痪！2008年初我国南方冰灾除冰机器人课程介绍1、教材：《电力系统稳态分析》东南大学陈珩（第三版）《电力系统分析》华中科技大学何仰赞温增银（第三版）2、本课程前修课程、后续课程前修课程：电路理论、电机学后续课程：电力系统暂态分析、电力系统继电保护等3、考核方式：闭卷笔试80分（选择40分+问答计算40分）

平时成绩20分（平时作业+出勤+实验）第一章电力系统的基本概念1电力系统概述2对电力系统运行的基本要求3结线方式和电压等级4课程的主要内容1.1电力系统概述发展历史组成部分现状趋势1电力系统概述2对电力系统运行的基本要求3结线方式和电压等级4课程的主要内容1831年法拉第发现电磁感应定律，早期的电机制造和电力输送主要采用直流形式。电力系统的发展历史电力系统的发展历史B负正电流力XY直流发电机原理注意：电感电流不能突变,为什么?(能量)电力系统的发展历史1.突加电压2.电流欲增加3.电流增加导致磁场增强(安培环路定理)5.所以，运行过程中电感一直吸收能量4.磁场增加导致出现等效电动势阻碍电流增加6.能量存储于电感(的磁场)中7.断开后电流为0，磁场为0，需要电感能量消失，则只能在断开瞬间进行释放，导致电弧放电。1882年德波列茨使用直流1500V-2000V完成长距离直流输电。1882年，爱迪生建造了世界上第一个公用发电系统。由蒸汽机驱动直流发电机，电压为100VDC，为800盏白炽灯提供电力。1883年，变压器出现。1885年，特斯拉发明了交流电机，并成功地将它同变压器连接起来，实现了单相交流输电。1886年美国西屋电气公司成立1891年实现三相交流输电。电力系统的发展历史1891年，世界上第一台水轮发电机组在德国劳芬建成并向法兰克福送电，传输电压15kV-25kV(交流)，传输距离175km，传输功率172kW。1893年，特斯拉同西屋电气公司合作为当年在美国芝加哥举行的世界博览会建造了交流供电系统，并借世博会向世界展示了交流技术的优点。直流技术交流技术VS电力系统的发展历史交流技术的优点易于通过变压器升、降压。高压技术适合长距离输电，传输损耗小。相应的交流开关等设备的安装简单，价格便宜结构简单，系统计算简单。传输线的利用率高。电网各节点仅有电压一个参数，不同电网容易进行并联运行。易于使用蓄电池等设备进行存储。直流技术的优点目前在世界范围内，绝大多数场合均使用交流输电技术，电力系统输电电压已超过1000kV，传输距离超过1000km，输送功率超过5000MW而随着交流电网并网规模的越来越大，出现了电网震荡和同步机并列运行稳定性问题，直流输电技术又开始得到了重视和应用。电力系统电力系统的组成～工业农业商业生活发电＋输电

＋配电

＋用电五大发电集团：大唐、中电投、国电、华电、华能两大电网公司：国家电网南方电网发电厂类型：火电：锅炉－汽轮机－发电机水电：水库－水轮机－发电机核电：核反应堆－汽轮机－发电机其它：如风能、地热能、太阳能、潮汐等电力系统的组成基本概念电力系统——是由发电厂、变电所、输电线、配电系统及负荷组成的。是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。电力网络——是由变压器、电力线路等变换、输送、分配电能设备所组成的部分。动力系统——在电力系统的基础上，把发电厂的动力部分（例如火力发电厂的锅炉、汽轮机和水力发电厂的水库、水轮机以及核动力发电厂的反应堆等）包含在内的系统。电力系统的组成电力系统的组成基本概念总装机容量——指该系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。截止2013年，我国电力系统总装机容量已经超过1100GW。年发电量——指该系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和，以千瓦时（kWh）、兆瓦时（MWh）、吉瓦时（GWh）为单位计。

最大负荷——指规定时间内，电力系统总有功功率负荷的最大值，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。电力系统的组成基本概念额定频率——按国家标准规定，我国所有交流电力系统的额定功率为50Hz。最高电压等级——是指该系统中最高的电压等级电力线路的额定电压。地理接线图——主要显示系统中发电厂，变电所的地理位置，电力线路的路径，以及它们相互间的连接电气接线图——主要显示系统中发电机，变压器，母线，断路器，电力线路等主要元器件之间的电气接线电力系统的组成输电线路的最高电压已达1000kV(2009年1月6日22时，晋东南-荆门-南阳特高压交流试验示范工程投入商业运行)；输送距离大幅延长，实现了跨省、跨区域输电；电源的构成（出现分布式能源）；负荷的构成（出现很多非线性负载和电力电子负载）；高度自动化；远距离大容量直流输电，最高电压已达±800kV(2010年7月8日，向家坝-上海特高压直流输电示范工程投入商业运行)电力系统的现状智能化（如智能电网SmartGrid)以物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。

电力系统的发展趋势更高电压更大容量更长距离交直流混合分布式(如微电网,Micro-Grid)电力系统的发展趋势传统形式1.2电力系统运行应满足的基本要求电能是一种特殊的商品：国民经济及日常生活关系密切电能不能大量储存电能生产、输送、消费的整体环节不可分割工况的改变十分迅速对电能质量要求颇为严格。对其基本要求有哪些？1.保证可靠的持续供电一级负荷、二级负荷、三级负荷一级负荷：对这一级负荷中断供电，将造成人身事故，经济严重损失，人民生活发生混乱。例如政府机构、重要的交通枢纽、通讯枢纽、卫星地面站、重要的国际活动场所、医院、炼钢厂、矿井、银行证券交易中心等。方案：多路供电、备用发电机、备用电源。二级负荷：对这一级负荷中断供电，将造成大量减产，人民生活受影响。例如重要的企业。三级负荷：所有不属于一、二级的负荷。1.2电力系统运行应满足的基本要求2.保证良好的电能质量（电压质量、频率质量、波形质量）允许的电压偏移、允许的频率偏移、畸变率电压：±5%（无功功率）频率：±(0.2-0.5Hz)（有功功率）谐波：波形畸变率4%(≤10kV),

5%(≥10kV)

3.保证系统运行的经济性

煤耗率（g/kWh）、线损率1.2电力系统运行应满足的基本要求重要性排序:1.可靠性2.电能质量3经济性。无备用结线包括放射式、干线式和链式网络优点：简单、经济、运行方便缺点：供电可靠性差适用范围：二级负荷一、结线方式1.3电力系统的结线方式和电压等级有备用结线包括放射式、干线式、链式、环式、两端供电网络。优点：供电可靠性和电压质量高缺点：不经济适用范围：电压等级较高或重要的负荷1.3电力系统的结线方式和电压等级二、电压等级及其适用范围三相视在功率S、线电压U、线电流I的关系为：1、电力系统的额定电压等级当输送功率一定时，电压越高，电流越小（但对绝缘的要求高，杆塔、变压器、断路器投资大）。从设备生产和利于电力行业发展的角度考虑，应对电压等级进行规定。1.3电力系统的结线方式和电压等级相电压与相电流夹角每相线路电阻1.3电力系统的结线方式和电压等级我国电力系统额定电压等级列表说明：以线路额定电压为基准进行记忆；用电设备的容许电压偏移一般为±5%；沿线路的电压降落一般为10%；在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为5%。1.3电力系统的结线方式和电压等级～发电机额定电压变压器一次侧变压器二次侧变压器一次侧变压器二次侧用电设备线路额定电压电力网络中电压分布采取的措施：取用电设备的额定电压为线路额定电压，使所有设备能在接近它们的额定电压下运行；取线路始端电压为额定电压的105%；取发电机的额定电压为线路额定电压的105%；变压器一次侧可能作为负载，也可能直接与发电机相连；变压器二次侧作为电源1.3电力系统的结线方式和电压等级变压器的电压等级升压变压器（例如35/121，10.5/242）二次侧（高压侧）接线路始端，向负荷供电，相当于发电机，应比线路的额定电压高5%，加上变压器内耗5%，所以二次侧额定电压等于用电设备的额定电压110%。一次侧（低压侧）接电源，相当于用电设备，一次侧额定电压等于用电设备的额定电压UN；直接和发电机相联的变压器一次侧额定电压等于发电机的额定电压即105％UN；1.3电力系统的结线方式和电压等级变压器的电压等级降压变压器（110/38.5，220/38.5）一次侧（高压侧）接线路末端，相当于用电设备，一次侧额定电压等于用电设备的额定电压；二次侧（低压侧）向负荷供电，相当于发电机，应比线路的额定电压高5%，加上变压器内耗5%，所以二次侧额定电压等于用电设备的额定电压110%。1.3电力系统的结线方式和电压等级不同电压等级的适用范围低于110kV的，电压等级应差3倍，110kV以上的，电压等级应差2倍左右500，330，220用于大电力系统的主干线110用于中小系统的主干线和大系统的二次网络35kV用于大城市，大工业企业的内部网络10kV最常用的配电网络1.3电力系统的结线方式和电压等级电力系统的中性点：星形连接的变压器或发电机的中性点。中性点的运行方式主要分为接地和不接地两种。

如何确定电力系统中性点接地方式？应从供电可靠性、内过电压、对通信线路的干扰、继电保护以及确保人身安全诸方面综合考虑。三、电力系统中性点的运行方式

1.3电力系统的结线方式和电压等级1、中性点直接接地负荷ABCk(1)Ik(1)Ik(1)

特点：供电可靠性不如电力系统中性点不接地和经消弧线圈接地方式。故障时：如发生接地故障，则构成短路回路，接地相电流很大；为提高供电可靠性，在线路上广泛安装三相或单相自动重合闸装置。对地电压＝相电压，电气设备的绝缘水平只需按电力网的相电压考虑，可以降低工程造价。我国380/220V系统中一般都采用中性点直接接地方式，主要是从人身安全考虑问题。适用范围：我国110kV以上的中性点接地，60kV以下的中性点不接地。380/220V系统一般也进行接地。1.3电力系统的结线方式和电压等级2、中性点不接地的电力系统负荷ABCGIAGa.电路图0UAUBUCIBGICGIAGb.矢量图正常运行时UAG＋UBG＋UCG＝0IAG＋IBG＋ICG＝0结论：三相电压对称，三相导线对地电容电流也是对称的，三相电容电流相量之和为零，这说明没有电容电流经过大地流动。适用范围60kV以下的电力系统N1.3电力系统的结线方式和电压等级单相金属性接地故障时(A相)IAGICAIBGICBICGICCIPE负荷ABCNG中性点不接地系统单相接地故障的结论1：

故障相对地电压降为零；非故障相对地电压升高为线电压，且相位相差600。因此，线路及各种电气设备的绝缘要按线电压设计，绝缘投资所占比重加大，显而易见，电压等级越高绝缘投资越大。三相之间的线电压仍然对称，用户的三相用电设备仍能照常运行。1.3电力系统的结线方式和电压等级

接地故障电容电流IPE的计算IAGICAIBGICBICGICCIPE负荷ABC1.3电力系统的结线方式和电压等级而正常运行时，A相对地电容电流为可以看出，A相对地电流绝对值变为了原来对地电容电流值的3倍。1.3电力系统的结线方式和电压等级中性点不接地系统单相接地故障的结论2：接地电流在故障处可能产生稳定的或间歇性的电弧。如果接地电流大于30A时，将形成稳定电弧，成为持续性电弧接地，这将烧毁电气设备和可能引起多相相间短路。如果接地电流大于5A~10A，而小于30A，则有可能形成间歇性电弧；间歇性电弧容易引起弧光接地过电压，将危害整个电网的绝缘安全。如果接地电流在5A以下，当电流经过零值时，电弧就会自然熄灭。1.3电力系统的结线方式和电压等级负荷ABCCCCILICICCICBICAICCICBICAIPELNG通过选择L，可以完全消除IPE1.3电力系统的结线方式和电压等级为消除中性点不接地系统的接地电流3、中性点经消弧线圈接地的电力系统

消弧线圈？

安装在变压器或发电机中性点与大地之间的具有气隙铁芯的电抗器。单相(C相)金属性接地故障消弧线圈的作用当发生单相接地故障时，接地故障相与消弧线圈构成了另一个回路，接地故障相接地电流中增加了一个电流，它和装设消弧线圈前的电流的方向刚好相反，相互补偿，减少了接地故障点的故障电流，使电弧易于自行熄灭，从而避免了由此引起的各种危害，提高了供电可靠性。1.3电力系统的结线方式和电压等级负荷ABCCCCILICICCICBICAICCICBICAIPELNG负荷ABCCCCICICCICBICAICCICBICAIPENG×

消弧线圈的补偿方式欠补偿方式：按IL<IPE选择消弧线圈的电感，此时接地故障点有未被补偿的电容电流流过。采用欠补偿方式时，当电力网运行方式改变而切除部分线路时，整个电力网对地电容将减少，有可能发展成为全补偿方式，导致电力网发生谐振，危及系统安全运行；另外，欠补偿方式容易引起铁磁谐振过电压等其它问题，所以很少被采用。三、电力系统中性点的运行方式全补偿方式：按IL=IPE选择消弧线圈的电感，使接地故障点电流为零，此即全补偿方式。这种补偿方式并不好，因为当感抗等于容抗时，电力网将发生谐振，产生危险的高电压或过电流，影响系统安全运行。1.3电力系统的结线方式和电压等级三、电力系统中性点的运行方式对于3-60kV的网络，容性电流超过下列数值时，中性点应装设消弧圈。过补偿方式：按IL>IPE选择消弧线圈的电感，此