电力系统绪论

2015年9月校风：好学力行绪论第一章2/2/20231绪论1.1电力系统及其发展1.2发电1.3电力网1.4电力系统的负荷和负荷曲线1.5电力系统的额定电压和额定频率1.6电力系统的接线方式1.7现代电力系统运行的基本特点及要求

目录2/2/20232绪论1.1电力系统及其发展电力系统的组成世界电力工业的发展我国电力工业的发展我国电力工业概况（补充）2/2/20233绪论1.1电力系统及其发展—电力系统组成汽轮机发电机升压变输电线路降压变电动机GM锅炉发电厂（火电为例）输、配电网络用户“最小系统”

2/2/20234绪论1.1电力系统及其发展—电力系统组成汽轮机发电机升压变输电线路降压变电动机GM锅炉发电厂（火电为例）输、配电网络用户“最小系统”

将各种形式的一次能源转换为电能：火电、水电、核电、光伏、风电、潮汐能、波浪能、地热发电等等

升压变将发电机的机端电压升高到输电电压2/2/20235绪论1.1电力系统及其发展—电力系统组成汽轮机发电机升压变输电线路降压变电动机GM锅炉发电厂（火电为例）输、配电网络用户“最小系统”

将高压电能输送、（降压）分配给用户

输电方式：高压交流、直流2/2/20236绪论1.1电力系统及其发展—电力系统组成汽轮机发电机升压变输电线路降压变电动机GM锅炉发电厂（火电为例）输、配电网络用户“最小系统”

用电设备（电力系统负荷）实现电能向其他形式能源（机械能、热能和光能）的转换电力系统的服务对象2/2/20237绪论1.1电力系统及其发展—电力系统组成“最小系统”

动力系统电力系统电力网络汽轮机发电机升压变输电线路降压变电动机GM锅炉2/2/20238绪论1.1电力系统及其发展—电力系统组成发电机实际负荷交流线路直流线路双绕组变压器三绕组变压器自耦变压器等值负荷母线电力网络电力系统调相机整流器逆变器2/2/20239绪论1.1电力系统及其发展电力系统的组成世界电力工业的发展我国电力工业的发展我国电力工业概况（补充）2/2/202310绪论第一阶段：1831年法拉第发现电磁感应直流发电机和电动机，100-400V低压直流，主要用于照明第二阶段：1882年实现高压直流输电水电厂→慕尼黑（2kW、1500-2000V、57km）受到输送功率、输送距离的限制第三阶段：1891年实现三相交流输电在制成三相变压器和三相异步电动机的基础上伊尔福德→伦敦（1000kW、10kV、12km）1.1电力系统及其发展—世界电力工业发展2/2/202311绪论第四阶段：1954年高压直流输电再受重视同步发电机并联运行稳定问题和交流输电感抗固有属性问题可控硅整流器件的出现至今高压交流：输电电压>1000kV、距离>1000km、输送功率>5000MW高压直流：输电电压±800kV、距离>1000km、输送功率>3000MW大规模互联电力系统电源（火电、水电、核电等）及负荷形式多样1.1电力系统及其发展—世界电力工业发展

交直流之争2/2/202312绪论1.1电力系统及其发展—2007年前10位国家的发电量系统中所有发电机组全年实际发出电能之和。常以千瓦时(kWh)、兆瓦时(1MWh=103kWh)、吉瓦时(1GWh=103MWh)、太瓦时(1TWh=103GWh)为单位。我国工程上习惯以亿千瓦时为单位。2/2/202313绪论1.1电力系统及其发展—2007年前10位国家的发电量2/2/202314绪论1.1电力系统及其发展电力系统的组成世界电力工业的发展我国电力工业的发展我国电力工业概况（补充）2/2/202315绪论第一阶段：1882-1937年抗战前夕1882年，上海建成我国第一座发电厂（英租界照明）1937年前夕，全国共有461个发电厂，总装机容量630MW，初步形成北京、天津、上海、南京、武汉、广州等大中城市的配电系统第二阶段：1937-1949年解放前夕东北电力工业发展迅速，初步形成东北东中南、冀北电力系统1949年前夕，全国发电装机容量1848.6MW，居世界第25位注：三峡水电站32台700MW水轮发电机组（22400MW）1.1电力系统及其发展—我国电力工业的发展2/2/202316绪论第三阶段：1949年-至今1996年，总装机容量236GW，发电量1079TWh，跃居世界第二位2014年，总装机容量1360GW，发电量5523TWh，稳居世界第一位输电线路建设方面1982年，第一条500kV平顶山-武昌超高压输变电线路投产，595km1989年，第一条±500kV葛洲坝-上海超高压直流输电建成，1080km2009年，第一条1000kV晋东南-南阳-荆门特高压建路建成，640km2010年，云广±800kV和向上±800kV特高压直流输电线路投运，1373和1900km，额定容量5000MW1.1电力系统及其发展—我国电力工业的发展2/2/202317绪论我国电网已基本形成500kV和330kV骨干网架，1000kV特高压交流电网和±800kV特高压直流网架正在规划中我国电网进入了远距离、超（特）高压、跨大地区输电、大机组、高度自动化的阶段目前，我国已经形成东北、华北、西北、华中、华东和南方六个跨省电网以及新疆、海南和西藏、台湾四个独立省网，全国电网互联互通基本实现1.1电力系统及其发展—我国电力工业的现状2/2/202318绪论继续发展燃煤火电厂，大机组、高效率，淘汰小型火电厂。(环保问题)加速水力资源的勘察和水电厂建设。(生态问题)加紧建设高压输电线路和电力系统。(资金,占地问题)加快布局核电厂。(安全问题)积极开发风能、太阳能等可再生能源。(依赖技术进步，前沿研究方向)深化电力体制改革，打破垄断，引入竞争，健全电价体制，加快电力市场监管体系建设。(利益问题)1.1电力系统及其发展—我国电力工业的前景2/2/202319绪论1.1电力系统及其发展电力系统的组成世界电力工业的发展我国电力工业的发展我国电力工业概况（补充）2/2/202320绪论2002年，原国家电力公司进行了“厂网分离”在发电环节，形成五大发电集团在输配电环节，形成两大电网公司1.1电力系统及其发展—我国电力工业概况（补充）2/2/202321绪论三大核电集团2015年5月，中国电力投资集团和国家核电合并重组，成立国家电力投资集团1.1电力系统及其发展—我国电力工业概况（补充）2/2/202322绪论在电力勘探设计、施工监理等辅助环节，包括四家辅业集团公司，即：中国水利水电建设集团公司、中国水电工程顾问集团公司、中国葛洲坝集团公司和中国电力工程顾问集团公司2011年9月，中国水利水电建设集团公司、中国水电工程顾问集团公司与国家电网、南方电网所属14个省（区、市）勘测设计、施工等企业重组，组建中国电力建设集团有限公司2011年9月，中国葛洲坝集团公司、中国电力工程顾问集团公司与国家电网、南方电网所属15个省（区、市）勘测设计、施工等企业重组，组建中国能源建设集团有限公司1.1电力系统及其发展—我国电力工业概况（补充）

主辅分离2/2/202323绪论1.1电力系统及其发展—我国电力工业概况（补充）华北电网华中电网西北电网华东电网南方电网（五省份）东北电网冀北电网2/2/202324绪论东北电网覆盖辽宁、吉林、黑龙江三省和内蒙古自治区东部(赤峰市、通辽市、呼伦贝尔市和兴安盟)，电网覆盖面积126.8万平方公里，供电服务人口1.21亿。备注：内蒙古电力（集团）有限责任公司，主要经营管理蒙西电网2/2/202325绪论华北电网下属：北京电力公司、天津市电力公司、河北省电力公司、山西省电力公司、山东电力集团公司。冀北电力公司隶属国家电网2/2/202326绪论华东电网华东区域电网包括：上海、江苏、浙江、安徽、福建省电网。2/2/202327绪论包括：陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区、西藏自治区电网。西北电网2/2/202328绪论华中电网华中电网位于中国中西部地区，供电范围包括湖北、河南、湖南、江西、四川省和重庆市，土地面积129.8万平方公里，人口3.89亿,华中电网是中国目前供电人口最多的区域电网2/2/202329绪论1.1电力系统及其发展—河南电网河南电网湖北电网湖南电网江西电网四川电网重庆电网华北华东广东包括：郑州、洛阳等18个市级供电公司，河南电科院、经研院，郑州电力高专(代管)等单位。西北

2012年河南售电量2747.75亿千瓦时。

2012年苏州售电量1027.6亿千瓦时。2/2/202330绪论电气工程领域国家重点实验室清华大学（电力系统及大型发电设备安全控制仿真国家重点实验室）西安交通大学（电力设备电气绝缘国家重点实验室）重庆大学（输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室）华北电力大学（新能源电力系统国家重点实验室）华中科技大学（强电磁工程与新技术国家重点实验室）电气工程国家一级重点学科清华大学、西安交通大学、华中科技大学、浙江大学、重庆大学1.1电力系统及其发展—高校及相关科研院所2/2/202331绪论电气工程国家二级重点学科电机：哈尔滨工业大学、河北工业大学、沈阳工业大学（院士1人）电力系统：华北电力大学、天津大学、西南交通大学、海军工程大学高电压：哈尔滨理工大学（院士1人、电机与控制学报-EI）电力电子：合肥工大、中国矿大、南航（培育）、西南交通（培育）电工理论与新技术：湖南大学（培育）其它：上海交通大学、武汉大学、东南大学、山东大学、华南理工大学、四川大学、河海大学、北京交通大学、东北电力大学等河南高校：电气工程省一级重点学科（郑州大学、河南理工大学）1.1电力系统及其发展—高校及相关科研院所2/2/202332绪论科研院所中国电力科学研究院（院士3人、博士硕士研究生培养单位、中国电机工程学报-EI、高电压技术-EI、电网技术-EI）国网电力科学研究院（院士2人、硕士研究生培养单位、电力系统自动化-EI）中科院电工研究所（院士2人、博士硕士研究生培养单位）知名企业许继电气、平高电气、国电南瑞、中国西电、ABB、施耐德、西门子、株洲南车、合肥阳光电源、艾默生、上海通用电气、四川东方电气、德力西、富士电机、江苏南自通等等1.1电力系统及其发展—高校及相关科研院所2/2/202333绪论电力系统：发电、输配电（电力网）、负荷（用电设备）1.2发电2/2/202334绪论1.2发电大规模电能是由同步发电机产生的同步发电机发电原理？机械能电能2/2/202335绪论推动转子旋转的能源形式多种多样热能（蒸汽）→（火力发电、核能发电、地热发电）水能→（水力发电）风能→（风力发电、潮汐发电）太阳能→（光伏发电、光热发电）1.2发电2/2/202336绪论火力发电厂汽轮机技术最小负荷为额定负荷的10%-15%从停机到开机并满负荷运行时间较长不适宜承担急剧变动的负荷建设周期短、投资少、厂用电率高、运行费用高、污染大1.2发电2/2/202337绪论2/2/202338绪论2/2/202339绪论核（原子能）电厂汽轮机技术最小负荷为额定负荷的10%-15%不易承担急剧变动的负荷一次建设投资大、运行费用小，130t天然铀→1000MW安全问题1.2发电2/2/202340绪论2/2/202341绪论2011年日本福岛核泄漏2/2/202342绪论2/2/202343绪论水力发电厂从静止到带满负荷运行只需4-5min往往承担急剧变动的负荷（调频调峰）建设周期长、一次投资大、厂用电率低、发电效率高受气候条件影响较大1.2发电2/2/202344绪论2/2/202345绪论2/2/202346绪论风力发电场目前发电成本较高受气候影响较大、间歇性电源新能源、前景良好技术不成熟、国家政策影响1.2发电2/2/202347绪论2/2/202348绪论2/2/202349绪论太阳能光伏发电发电成本高受气候影响较大、间歇性电源新能源、前景良好技术不成熟、国家政策影响1.2发电2/2/202350绪论2/2/202351绪论2/2/202352绪论1.3电力网组成：变电站（所）、输电网络变电站(所)：变压器、断路器、避雷针等输电线路：输电线、杆塔、绝缘子等2/2/202353绪论1.3电力网2/2/202354绪论1.3电力网变电站（所）主要承担电能的电压等级变换以及能量分配的任务。分类：发电厂内升压变电站、一次变电站（输电变电站）、二次变电站（配电变电站）、用户变电所等。变压器：双绕组/三绕组变压器、自耦变压器2/2/202355绪论2/2/202356绪论220kV交流变电站全景2/2/202357绪论1.3电力网输电线路按结构分为：架空线路和电缆线路按传输形式分为：直流输电线路和交流输电线路2/2/202358绪论1.3电力网—架空线路2/2/202359绪论1.3电力网—架空线路导线和避雷线材料：铝、钢、铜（价格昂贵），一般采用钢芯铝LGJ绞线（L-铝、G-钢、J-多股绞线）按强度：普通型（LGJ）、轻型（LGJQ）、加强型（LGJJ）2/2/202360绪论1.3电力网—架空线路导线和避雷线分裂导线数：超高压(2、3、4)、特高压(6、8、10或12)2/2/202361绪论1.3电力网—架空线路杆塔作用：支撑导线和避雷线，并使之保持一定的安全距离按用途：直线杆塔、耐张杆塔、终端杆塔、特种杆塔等按材料：木杆、钢筋混泥土杆和铁塔2/2/202362绪论1.3电力网—架空线路绝缘子和金具绝缘子：用于支持和悬挂导线，并使导线与杆塔绝缘金具：连接导线和绝缘子、固定、防震2/2/202363绪论1.3电力网—电缆线路组成：导体、绝缘层和保护层特点：不受外界条件影响、供电质量高、一次投资大、故障难寻找2/2/202364绪论1.3电力网—直流输电直流输电系统示意图优点：运行费用低、不需要同步运行等缺点：换流站造价高、需要安装无功补偿和滤波装置2/2/202365绪论1.4负荷和负荷曲线负荷定义电力系统所有用电设备消耗功率的总和(综合用电负荷)负荷按等级分类：一级负荷、二级负荷和三级负荷2/2/202366绪论1.4负荷和负荷曲线负荷按消耗功率分类综合用电负荷：指工业、农业、生活等消耗的功率之和。供电负荷：综合用电负荷加上网损，即发电厂供电负荷。发电负荷：供电负荷再加上发电厂厂用电就是发电机应发出的功率，称为发电负荷。2/2/202367绪论1.4负荷和负荷曲线几个工业部门用电设备比重统计

2/2/202368绪论1.4负荷和负荷曲线负荷曲线以曲线描述某一时间段内电力系统的负荷随时间变化的规律。负荷曲线分类按负荷性质：有功功率和无功功率负荷曲线。按时间长短：日负荷曲线和年负荷曲线。2/2/202369绪论1.4负荷和负荷曲线—有功日负荷曲线有功日负荷曲线

阶梯形有功日负荷曲线

是安排日发电计划，确定各发电厂任务,确定系统运行方式等的重要依据。

2/2/202370绪论1.4负荷和负荷曲线—有功日负荷曲线日负荷曲线的最大值称为峰荷，最小值称为谷荷。总耗电量：日平均负荷：负荷率和最小负荷系数：负荷率小表明负荷曲线起伏大，发电机的利用率较差。2/2/202371绪论1.4负荷和负荷曲线—年最大负荷曲线把一年内每月（或每日）的最大负荷抽取出来绘成曲线，称为年最大负荷曲线。曲线作用：1、安排发电设备的检修计划；2、为制订发电机组或发电厂的扩建计划提供依据。年最大负荷曲线

2/2/202372绪论1.4负荷和负荷曲线—年最大负荷曲线年持续负荷曲线：按一年中系统负荷的数值大小及其持续小时数顺序绘制而成。负荷全年耗电量：最大负荷利用小时数：年持续负荷曲线

2/2/202373绪论1.4负荷和负荷曲线—年最大负荷曲线不同性质的用户,Tmax值不同，根据电力系统的运行经验，各类负荷的Tmax数值有一个大致的范围。各类用户的最大负荷利用小时数估算全年耗电量：W=PmaxTmax

2/2/202374绪论1.5额定电压和额定频率额定频率工频50Hz，中国台湾、美国、日本、韩国等为60Hz。额定电压100V以下：蓄电池和安全照明用具等电气设备，如？。500V以下：一般工业和民用电气设备，如？。1000V以上：高压电气设备，如3kV、10kV、110kV等。2/2/202375绪论1.5额定电压和额定频率1000V以上的额定电压各电气设备的额定电压有一个相互配合的问题。2/2/202376绪论1.5额定电压和额定频率用电设备的额定电压UTN用电设备的额定电压等于电力线路的额定电压UN2/2/202377绪论1.5额定电压和额定频率发电机的额定电压UGN发电机的额定电压比电力线路的额定电压UN高5%2/2/202378绪论1.5额定电压和额定频率升压变压器的额定电压一次绕组U1N等于发电机的额定电压，二次绕组U2N比电力线路的额定电压UN高10%2/2/202379绪论1.5额定电压和额定频率降压变压器额定电压一次绕组U1N等于UN左，二次绕组U2N比UN右高10%或5%2/2/202380绪论1.5额定电压和额定频率小结：额定电压的规定2/2/202381绪论1.5额定电压和额定频率如图所示，图中标明的电压为电力线路额定电压，试确定发电机和变压器的额定电压。10.5kV/121kV10.5kV110kV/11kV同一电压等级的升压变和降压变的额定电压不同。2/2/202382绪论1.5额定电压和额定频率如图所示，图中标明的电压为电力线路额定电压，试确定发电机和变压器的额定电压。10.5kV/242kV10.5kV110kV/11kV220kV/121kV35kV/3.15kV220kV/121kV/38.5kV2/2/202383绪论1.5额定电压和额定频率变压器高（中）压侧通常设计有多个分接头，与额定电压对应分接头称为主分接头（主抽头）分接头电压用百分数表示额定变比和工作变比（实际变比）主抽头，242kV+2.5%，248kV+5%，254kV-5%，230kV-2.5%，236kV

主抽头，220kV+2.5%，225.5kV+5%，231kV-5%，209kV-2.5%，214.5kV10.5kV11kV升压变降压变242±2×2.5%/10.5kV220±2×2.5%/11kV2/2/202384绪论1.5额定电压和额定频率—额定电压选择110kV以下电压级差一般应超过3倍，如110、35、10kV；110kV以上电压级差以2倍左右为宜。额定电压的选择取决于输送功率和输电距离2/2/202385绪论1.5额定电压和额定频率—额定电压选择额定电压越高越好？优点：导线截面小，节省有色金属缺点：绝缘要求高，网络投资增加2/2/202386绪论1.5额定电压和额定频率—额定电压选择各级电压架空线路的合理输送能力

总趋势是输送功率越大，输送距离越远，电压等级越高2/2/202387绪论1.6电力系统的接线方式电力系统接线图电气接线图、地理接线图电力系统的接线方式

无备用接线、有备用接线电力系统中性点的运行方式

中性点不接地、经消弧线圈接地和直接接地2/2/202388绪论发电机实际负荷交流线路直流线路双绕组变压器三绕组变压器自偶变压器等值负荷母线电力网络电力系统调相机整流器逆变器1.6.1