电力系统基础知识

电力系统基础知识第1页，课件共32页，创作于2023年2月

电力系统的功率平衡是指电力有功功率和无功功率的平衡。这种功率平衡也就是电力供需平衡，要求电力系统发送的功率与系统的负荷要随时保持平衡。单位时间内所做的功称为功率。单位时间内的电能称为电功率，电功率可分为视在功率、有功功率和无功功率三种。有功功率：指交流电瞬时功率在一个周期内的平均值，又称平均功率，以字母P表示，单位为千瓦（KW）。它在电路中指电阻部分所消耗的功率。无功功率：在具有电感（或电容）的电路里，电感（或电容）在半周期的时间里把电源的能量变成磁场（或电场）的能量储存起来，在另外半周期的时间里又把储存的磁场（或电场）能量还给电源。它们只是与电源进行能量交换，并没有真正消耗能量，把与电源交换能量的速率的振幅值称为无功功率，以字母Q表示，单位为乏（Var）。电动机、变压器等带有电感线圈的设备运行时，在进行“电”、“磁”转换或“电磁能”和“机械能”转换的过程中，在一个周波内吸收的功率和释放的功率相等，实际不消耗能量，这种功率视为感性无功功率。电容器等设备在交流电网中运行时，在一个周波内（不考虑有功损耗），上半周波的充电功率和下半周波的放电功率相等，实际没有消耗能量，这种充、放电功率称为容性无功功率。第2页，课件共32页，创作于2023年2月

感性无功功率的电流相量滞后于电压相量90度，容性无功功率的电流相量超前电压相量90度。所以常用容性无功功率补偿感性无功功率以减少电网无功负荷。这就是所谓变压器“吸收”无功电流而电容器“发”无功电流的道理。视在功率：在具有电阻、电感和电容的电路内，电压有效值与电流有效值的乘积称为视在功率，以字母S表示，单位伏安（VA）

功率因数：有功功率P与视在功率S之比一次设备是指直接生产和输、配电能的高压电气设备，电能从发电厂送到各用户。如发电机、变压器、断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、电抗器、电容器、输电线路等。二次设备指对一次设备进行监视、测量、控制、调节、保护以及为运行、维护人员提供运行情况或产生指挥信号所需的电气设备。对于交流一次回路和二次回路，一般可以用互感器作为它们的分界，也就是说，与互感器一次绕组处于同一回路中的电气回路称为一次回路，连接在互感器二次绕组端的电气回路称为二次回路。第3页，课件共32页，创作于2023年2月

电压互感器：一次设备的高电压不容易直接测量，将高电压按比例转换成较低的电压后，在连接到仪表或继电器中去，实现这种转换的设备称为电压互感器，用TV表示。电压互感器实际上就是一种降压变压器，它的两个绕组在一个闭合的铁芯上，一次绕组匝数很多，二次绕组匝数很少。一次侧并联地接在电力系统中，额定电压与所接系统的母线额定电压相同。二次侧并联接仪表、保护及自动装置的电压绕组等负荷，由于这些负荷的阻抗很大，通过的电流很小，因此，电压互感器的工作状态相当于变压器的空载情况。电流互感器：把大电流按规定比例转换为小电流的电气设备，称为电流互感器，用TA表示。电流互感有两个或多个相互绝缘的绕组，套在一个闭合的铁芯上。一次绕组匝数较少，二次绕组匝数较多。作用是将大电流按比例变为小电流提供给仪表、机电保护及自动化装置，并将二次系统与高电压隔离。电流互感器的二次侧电流为1A或5A。三相输电线与中性线间的电压称为相电压，三相输电线的每相负荷中流过的电流称为相电流。三相输电线各线间的电压称为线电压，三相输电线各线中流过的电流称为线电流。正常情况下，线电压（电流）的大小为相电压（电流）的倍。第4页，课件共32页，创作于2023年2月变压器的原理变压器是一种静止的电磁装置，是利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器。电力变压器是将电力系统中的电压升高或降低，以利于电能的合理输送、分配和使用。按相数分为三相变压器和单相变压器，按绕组形式分为自耦变压器、双绕组变压器和三绕组变压器，按冷却介质分为油浸式、干式和充气式。变压器正常运行时，由于负荷变动，或一次测电源电压的变化，二次侧电压也是经常在变动的。电网各点的实际电压一般不能恰好与额定电压相等。这种实际电压与额定电压之差称为电压偏移。这种偏移时不可避免的，但不能太大，否则就不能保证供电质量，所以对变压器进行调压时变压器正常运行中一项必要的工作。有载调压的基本原理就是在变压器的绕组中，引出若干分接头，通过有载调压分接开关，在保证不切断负荷电流的情况下，由一个分接头切换到另外一个，以达到改变绕组的有效匝数，即改变变压器变比。第5页，课件共32页，创作于2023年2月

变压器的结构变压器由铁心和绕组两个基本部分组成,如图2-34所示,在一个闭合的铁心上套有两个绕组,绕组与绕组之间以及绕组与铁心之间都是绝缘的。

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电力变压器的附件有油箱、油枕、分接开关、安全气道、绝缘套管等。其作用是保证变压器的安全和可靠运行。油箱：油浸式变压器的外壳，用于散热，保护器身（变压器的器身放在油箱内），箱中有用来绝缘的变压器油。外部带有扁散热管结构，也有用可拆卸的片式散热器，小容量变压器也有采用波纹油箱的。储油柜（油枕）：装在油箱上，变压器运行时产生热量，使变压器油膨胀，并流进储油柜中，使油箱内部与外界隔绝。储油柜使变压器油与空气接触面变小,减缓了变压器油的氧化和吸收空气水分的速度。从而减缓了油的变质。安全气道（防爆管）：装在油箱顶盖上，保护设备，防止出现故障时损坏油箱。当变压器发生故障而产生大量气体时，油箱内的压强增大，气体和油将冲破防爆膜向外喷出，避免油箱爆裂。也有用压力释放阀代替安全气道的。气体继电器（瓦斯继电器）：装在变压器的油箱和储油柜间的管道中，主要保护装置。内部有一个带有水银开关的浮筒和一块能带动水银开关的挡板。当变压器发生故障，产生的气体聚集在气体继电器上部，油面下降，浮筒下沉，接通水银开关而发出信号；当变压器发生严重故障，油流冲破挡板，挡板偏转时带动一套机构使另一水银开关接通，发出信号并跳闸。容量在800kVA及以上的油浸式变压器按规定应装设瓦斯继电器。第7页，课件共32页，创作于2023年2月

变压器油：变压器油是一种矿物油，具有高的介质强度和低的粘度，高的燃点和低的凝固点，不含酸、碱、灰尘和水分等杂质，具有很好的绝缘性能。变压器油起三个作用：①在变压器绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间起绝缘作用。②变压器油受热后产生对流，对变压器铁心和绕组起散热作用。③灭弧作用。测温装置：监测变压器的顶层油温。小型的油浸式变压器用水银温度计，较大的变压器用压力式温度计。变压器并列运行的条件：1.变压器的接线组别相同。2.变压比相等，其变压比最大允许相差为±0.5%。3.阻抗百分比应相等,允许相差不超过±10%。由于并列运行变压器的负荷是按其阻抗电压值成反比分配的，如果阻抗电压相差过大，可能导致阻抗电压较小的变压器发生过负荷现象。4.容量比不超过3:1。第8页，课件共32页，创作于2023年2月无功补偿系统无功损耗主要主要包括无功负荷的损耗、变压器的无功损耗及输电线路的无功损耗等。系统无功电源电源主要是发电机、同步调相机、静止电容补偿器等。在电力系统中，由于无功功率不足，会使系统电压及功率因数降低，从而损坏用电设备，严重是会造成电压崩溃，使系统瓦解，造成大面积停电。电力系统无功平衡的基本要求是系统中无功电源发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需要的无功功率和网络中的无功损耗，同时系统应该有足够的无功储备容量，已适应无功负荷的增长要求。电力电容器按接线方式的不同可分为电压补偿（串连补偿）和无功补偿（并联补偿），前者从补偿电抗的角度改善电网电压，后者从补偿无功因数的角度改善电网电压。第9页，课件共32页，创作于2023年2月继电保护电力系统在运行过程中，有可能发生各种故障和不正常工作情况。最常见的故障是短路。最常见的异常运行状态是过负荷，即电气元件的电流超过其额定值短路的危害：（1）短路电流大，燃弧，易使元件损坏；（2）电压降低，用户正常的生产、生活受到影响；（3）破坏系统稳定性,引起系统振荡,甚至系统崩溃过负荷的危害：（1）电气元件的载流部分和绝缘材料的温度过高，从而加速设备的绝缘化；（2）损坏设备，甚至发展成事故。第10页，课件共32页，创作于2023年2月继电保护的任务（1）当电力系统的被保护元件发生故障时，继电保护装置应能自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，并保证无故障部分迅速恢复正常运行。（2）当电力系统被保护元件出现异常运行状态时，继电保护应能及时反应，并根据运行维护条件，动作于发出信号、减负荷或跳闸。对继电保护的基本要求可靠性、选择性、灵敏性和速动性（1）可靠性

不误动，不拒动在规定的保护区发生故障时，它不应该拒绝动作而在正常运行或保护区外发生故障时则不应该误动作。（2）选择性保护装置动作时仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证电力系统中的无故障部分仍能继续安全运行。第11页，课件共32页，创作于2023年2月（3）速动性快速切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在电压降低情况下的工作时间，限制故障元件的损坏程度，缩小故障的影响范围以及提高自动重合闸装置和备用电源自动投入装置的动作成功率等。（4）灵敏性灵敏性是指保护装置对其保护区内发生故障或异常运行状态的反应能力的高低。满足灵敏性要求的保护装置应该是在规定的保护区内短路时，不论短路点的位置、短路形式及系统的运行方式如何，都能灵敏反应。主保护：反应严重故障，快速动作于跳闸。后备保护：考虑主保护和断路器拒动时备用。远后备：相邻元件的后备保护，在上一级变电所实现近后备：主保护拒动时，本元件的另外一套保护作为后备保护，在本变电所实现；复杂高压电网中实现远后备在技术上有困难时采用。第12页，课件共32页，创作于2023年2月继电保护的基本原理和保护装置的组成继电保护的基本原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。基本电气参数量利用短路时电流、电压、线路测量阻抗、电压电流间相位、负序和零序分量的出现等的变化。比较两侧的电流相位（或功率方向）反映序分量或突变量是否出现电力系统在对称运行时，不存在负序、零序分量；当发生不对称短路时，将出现负序、零序分量；反映非电量保护第13页，课件共32页，创作于2023年2月继电保护装置的构成

测量部分，逻辑部分和执行部分测量部分输入信号逻辑部分执行部分输出信号整定值图1－继电保护装置的原理方框图第14页，课件共32页，创作于2023年2月线路电流、电压保护电流保护短路特征：电流突然增大，电压降低。分为III段：I段：瞬时电流速断保护、II段：限时电流速断保护、III段：定时限过电流保护第15页，课件共32页，创作于2023年2月瞬时电流速断保护（过流I段）将保护装置的动作电流整定为Iop1,最大运行方式下，保护范围Lm，在该处之前发生短路，短路电流大于动作电流，保护动作；而在该处以后发生短路，短路电流小于动作电流，保护不动作。最小运行方式下，保护范围Ln比Lm小。如果将Iop1减小，则电流速断的保护范围增大。

电流速断保护是根据短路时通过保护装置的电流来选择动作电流的，以动作电流的大小来控制保护装置的保护范围。优点：简单可靠,动作迅速缺点：不能保护本线路全长受运行方式的影响比较大第16页，课件共32页，创作于2023年2月限时电流速断保护（过流II段）由于瞬时电流速断保护不能保护线路全长，因此必须增加一段带时限的电流速断保护（II段电流保护）。限时电流速断保护应能保护线路全长。优点：灵敏度好，能保护线路全长。缺点：带0.3～0.6秒延时，速动性较差；不能做下一段线路的远后备第17页，课件共32页，创作于2023年2月定时限过电流保护（过流III段）为了满足可靠性的要求，作为主保护的后备保护，要求作为本线路主保护的后备以及相邻线路的远后备。定时限过电流保护正常运行是不动作，发生短路时动作，并以时间来保证动作的选择性。这种保护不仅能保护本线路全长，而且也能保护相邻线路的全长，可以起到远后备的作用。第18页，课件共32页，创作于2023年2月距离保护距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离（或阻抗）、并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。距离保护原理就是根据电压和电流测得短路阻抗，动作时间采用三段的阶梯型。第19页，课件共32页，创作于2023年2月在一般情况下，距离保护的第Ⅰ段只能保护本线路全长的80％－85％，其动作时间为保护装置的固有动作时间。第II段的保护范围为本线全长并延伸至下一段线路的一部分，它是第I段保护的后备段，一般为被保护线路全长及下一段线路全长的30％－40％，其动作实现要与下一线路距离保护第I段的动作时限相配合，一般为0.5S左右。第III段为I、II段保护的后备段，它能保护本线路和下一段线路全长并延伸至再下一段线路的一部分，其动作时限按阶梯原则整定。第20页，课件共32页，创作于2023年2月自动重合闸装置是将因故跳开后的断路器按需要自动投入的一种装置。电力系统运行经验表明，架空线路绝大多数的故障都是瞬时性的，永久性故障一般不到10％。因此，在继电保护动作切除短路故障后，电弧将自动熄灭，绝大多数情况下短路处的绝缘可以自动恢复。所以，架空线路要采用自动重合闸装置。重合闸前加速是重合闸与继电保护之间的一种配合方式，是指在重合闸动作前，保护将无选择性地瞬时切除故障；在重合闸动作后，保护将有选择性地延时切除故障。可见保护在重合闸前得到了加速。重合闸后加速是指当线路发生故障后，保护将有选择性地跳开断路器，然后进行重合闸，若是瞬时性故障，在线路断路器跳开后故障随即消失，重合闸成功，线路将恢复供电；若是永久性故障，重合闸后，保护装置的时间元件将被退出，保护将无选择性地瞬时跳开断路器切除故障。第21页，课件共32页，创作于2023年2月输电线路的纵联差动保护是指用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向联结起来，将各端的电气量传送到对端，将两端的电气量比较，以判断故障在本线路范围内还是范围外，从而决定是否切断被保护线路。电流继电器：反应电流变化量而动作的保护装置电压继电器：反应电压变化量而动作的保护装置中间继电器：起辅助作用的继电器第22页，课件共32页，创作于2023年2月主变保护变压器上的各种故障和不正常运行方式有：绕组内部和其引出线上的相间短路绕组内部的匝间短路在中性点直接接地系统中的单相接地短路外部短路引起的过电流过负荷引起的过电流大容量变压器的过励磁油面过低第23页，课件共32页，创作于2023年2月变压器的主保护瓦斯保护 反映气流和油流的速度而动作。重瓦斯保护主要作为变压器的主保护，能灵敏的反应油箱内部的各种故障，特别是铁心过热烧伤，绕组发生少数线匝的匝间短路等故障，变压器的差动保护无法反应，但瓦斯保护却能灵敏的反映这些故障。重瓦斯保护动作于跳闸，轻瓦斯保护反映油面的降低，作用于信号。

纵差动保护反映变压器引出线和油箱内部的电气短路故障，动作于跳闸。第24页，课件共32页，创作于2023年2月变压器的后备保护外部相间故障主要故障：外部短路引起的过电流以及变压器本身故障类型：（电压启动的）过电流保护；一般用于降压变压器复合电压启动的过电流保护；用于升压变压器和过电流保护灵敏度不够的降压变压器阻抗保护；用于大容量的变压器配置原则：双绕组变压器，通常装设在主电源侧多绕组变压器，一般各侧均装设。第25页，课件共32页，创作于2023年2月外部接地短路中性点直接接地时装设零序电流保护过负荷保护一般装设在电源侧过励磁保护非电量保护油箱内温度、压力升高、冷却系统故障变压器励磁涌流：当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，可能出现很大的励磁电流（数值可达额定电流的6～8倍）,造成的不平衡电流很大。保护可能误动。第26页，课件共32页，创作于2023年2月直流系统在变电站中，发生直流系统一极接地不会引起任何危害。但一极接地长期运行是不允许的，因为在同一极的另一地点再发生接地时，就有可