电力系统基本知识介绍

电力系统基础知识介绍内容提要

第一章电力系统概述 第二章电力系统元件模型和参数计算 第三章电力系统简单潮流计算。第四章电力系统有功功率与频率调整 第五章电力系统有功功率与频率调整

第一章变电所的主要电气设备

第二章变电所的电气主接线

第三章电力系统继电保护简述第四章变配电站自动化与配电自动化概述结束

第一章电力系统概述1-1电力系统的组成～工业农业商业生活发电＋输电＋配电＋用电电网电力系统图1动力系统、电力系统和电力网示意图电力系统——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。一次/二次电路：供配电系统中担负输送和分配电力这一主要任务的电路，称为“一次电路”，也称为“主电路”。供配电系统中用来控制、指示、监测和保护一次电路及其中设备运行的电路称为“二次电路”，通称“二次回路”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。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。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1－2电力系统运行应满足的基本要求特点

电能不能大量储存暂态过程非常短促与国民经济及日常生活关系密切要求

安全优质经济

环保安全：保证可靠的供电措施电源与电网的建设（西电东送全国联网）

SCADA

设备检修（计划检修→状态检修）人员素质优质：指标

电压：≥35kV±5%

≤10kV±7%

6~10kV≤4%

380V≤5%（无功功率）

频率：±0.2（≥3000mw)~0.5Hz(≤3000MW）（有功功率）谐波：负荷（一级

二级

三级）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。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。三级负荷：所有不属于一、二级的负荷。经济EX:一台600MW火电机组，年利用小时6000h，煤耗率320g/kW.h，煤价：300元/吨。Sol： 年发电量： 600000kW×6000h＝36亿kW.h

需标煤： 36亿kW.h×320g/kW.h＝115.2万吨标煤 燃料费： 115.2万吨×300元/吨＝34560万元1%节约：燃料： 1.152万吨标煤 燃料费： 345.6万元厂用电率网损煤耗率（水耗率）环保火电厂装机＞70％

煤炭燃烧造成的污染限制污染物的排放量1－3电力系统的结线方式和电压等级无备用结线包括单回路放射式、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1、结线方式有备用结线包括双回路放射式、干线式和链式网络

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2、电力系统的额定电压等级

S=√3U2II∝（U1－U2）/Z传输功率S、电压等级U、输电距离l之间的关系S＝Const，l∝U2l＝Const，S∝U2U1IU2SZ用电设备额定线电压交流发电机线电压变压器线电压一次绕组二次绕组3610351102203305003.156.310.53及3.156及6.310及10.5351102203305003.15及3.36.3及6.610.5及1138.5121242345及363525及550电压等级及其适用范围说明：1、用电设备的容许电压偏移一般为±5%；2、沿线路的电压降落一般为10%；3、在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为5%电力网络中电压分布采取的措施：1、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；2、取线路始端电压为额定电压的105%；3、取发电机的额定电压为线路额定电压的105%；4、变压器分升压变和降压变考虑一次侧接电源，取一次侧额定电压等于用电设备额定电压；二次侧接负荷，取二次侧额定电压等于线路额定电压。如：35/121，110/38.5★接地？

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某个设备的某一特定地点通过导体与大地作良好的连接。★接地分类：工作接地：为了保证电气设备在正常或发生故障情况下可靠地工作而采取的接地。保护接地：将一切正常工作时不带电而在绝缘损坏时可能带电的金属部分接地，以保证工作人员接触时的安全。（接地保护）保护接零：在中性点直接接地的低压电力网中，把电气设备的外壳与接地中性线（也称零线）直接连接，以实现对人身安全的保护作用。防雷接地：为消除大气过电压对电气设备的威胁，而对过电压保护装置采取的接地措施。防静电接地：对生产过程中有可能积蓄电荷的设备所采取的接地。1－3电力系统中性点的运行方式

★如何实现工作接地？电气设备（电力变压器、电压互感器或发电机）的中性点接地—又称为电力系统中性点接地。电力系统的中性点：星形连接的变压器或发电机的中性点★电力系统的中性点接地方式：小电流接地：中性点不接地（中性点绝缘）中性点经消弧线圈接地大电流接地：中性点直接接地中性点经电阻接地★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。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＝UN，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（国外220kV）及以上电压等级的电力系统。380/220V低压系统。1、中性点直接接地2、中性点不接地的电力系统A负荷BCCCCICa.电路图0UAUBUCIB0IC0IA0b.矢量图正常运行时UA＋UB＋UC＝0IA＋IB＋IC＝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3kV~60kV的电力系统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)金属性接地故障负荷ABCCCCILICICCICBICAICCICBICAIPEL0UAUBUC-UCU’AU’BILICICAICB4、中性点经电阻接地的电力系统特点：降低工频过电压，抑制弧光过电压；消除铁磁谐振过电压，防止断线谐振过电压；设置零序保护动作跳闸；设置零序保护动作跳闸；避免发生高压触电事故；供电可靠性有保证。适用范围：配网系统（与中性点经消弧线圈接地、不接地比选）在我国城市配网系统中：全电缆出线变电站的单相接地故障电容电流超过30A时采用中性点经电阻接地；全架空线路出线变电站的单相接地故障电流超过10A时，采用中性点经消弧线圈接地；对电缆与架空线混合线路的单相接地故障电容电流超过10A时，可采用中性点经消弧线圈接地或采用中性点经电阻接地。2-1系统等值模型的基本概念电力系统元件:构成电力系统的各组成部件，包括各种一次设备元件、二次设备元件及各种控制元件等。电力系统分析和计算一般只需计及主要元件或对所分析问题起较大作用的元件参数及其数学模型。对电力系统稳态及暂态分析计算有关的元件，包括输电线路、电力变压器、同步发电机及负荷。元件参数:表述元件电气特征的参量，元件特征不同，其表述特征的参数亦不同，如线路参数为电阻、电抗、电纳、电导，变压器除上述参数外还有变比，发电机有时间常数等。数学模型：元件或系统物理模型(物理特性)的数学描述，根据元件特征、运行状态及求解问题不同，数学模型可分为：描述静态(或稳态)问题的代数方程和描述动态(或暂态)问题的微分方程、描述线性系统的线性方程和非线性系统的非线性方程、定常系数方程和时变系数方程、描述非确定性过程的模糊数学方程及利用人工智能和神经元技术的网络方程等。第二章电力系统元件模型和参数计算2-2输电线路的等值电路和参数计算1、架空线导线避雷线杆塔绝缘子金具

悬式绝缘子

主要用于35kV及以系统，根据等的高低组成数目不同的绝缘子链。棒式绝缘子起到绝缘和横担的作用，应用于10～35kV农网。2、输电线路的等值电路架空输电线路参数有四个：（1）电阻r0：反映线路通过电流时产生的有功功率损耗效应。（2）电感L0：反映载流导体的磁场效应。（3）电导g0：线路带电时绝缘介质中产生的泄漏电流及导体附近空气游离而产生有功功率损耗。（4）电容C0：带电导体周围的电场效应。输电线路的以上四个参数沿线路均匀分布。2、变压器的等值电路U1NRT2jXT2UrIoUx....RT1jXT1电力变压器型式选择是指确定变压器的相数、调压方式、绕组型式、绝缘及冷却方式、联结组别等，并应优先选用技术先进、高效节能、免维护的新产品。3、隐极发电机组的运行限额和数学模型决定隐极式发电机组运行极限的因素：定子绕组温升约束。取决于发电机的视在功率。以O点为圆心，以OB为半径的圆弧S。励磁绕组温升约束。取决于发电机的空载电势。以O’点为圆心，以O’B为半径的圆弧F。原动机功率约束。即发电机的额定功率。直线BC。其他约束。当发电机以超前功率因数运行的场合。综合为圆弧T。第三章电力系统简单潮流计算1、电力线路功率的计算已知条件为：首端电压，首端功率S1=P1+jQ1，以及线路参数。求解的是线路中的功率损耗和末端电压和功率。解过程：从首端向末端推导。1）首端导纳支路的功率2）阻抗支路首端功率3）阻抗支路中损耗的功率4）阻抗支路末端的功率5）末端导纳支路的功率

6）末端功率2、电力线路电压的计算求取末端电压的方法如下，令：U2的幅值和相角分别为1.电力系统频率变化的影响对用户的影响（1）异步电机转速：纺织/造纸工业（2）异步电机功率下降（3）电子设备的准确度。第四章电力系统有功功率与频率调整2频率与有功平衡的关系转矩平衡与功率平衡4转矩不平衡时,转子转速变化引起频率变化。保持频率恒定不变是十分困难的

!

对发电厂和电力系统的影响（1）对发电厂厂用机械设备运行的影响（2）对汽轮机叶片的影响（3）对异步电机及变压器励磁的影响，增加无功消耗系统负荷可以看作由以下三种具有不同变化规律的变动负荷组成：（1）变动周期小于10s，变化幅度小:小操作、线路摇摆等调速器频率的一次调整（2）变动周期在（10s，180s），变化幅度较大：大电机、电炉启停调频器频率的二次调整（3）变动周期最大，变化幅度最大：气象、生产、生活规律根据预测负荷，在各机组间进行最优负荷分配电力系统的经济运行调度（发电计划）当频率偏离额定值不大时，负荷有功－频率静态特性用一条近似直线来表示1为转速测量元件—离心飞摆及其附件；2为放大元件—错油门(或称配压阀)；3为执行机构—油动机(或称接力器)；4为转速控制机构或称同步器(调频器)调速器的工作原理★

频率的一次调整★频率的二次调整pf0f1ABf2CEF

由于二次调频增加了发电机的出力，在同样的频率偏移下，系统能承受的负荷变化量增加了。★调频厂选择原则（1）充分利用水源。（2）降低火电机组的单位煤耗，发挥高效机组的作用。（3）尽量降低火力发电成本1、电力系统的电压电压是衡量电能质量的重要指标。电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡。系统中各种无功电源的无功出力应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定值2、无功功率电源发电机同步发电机既是有功功率电源，又是最基本的无功功率电源。电容器和调相机

并联电容器只能向系统供应感性无功功率。它所供应的感性无功功率与其端电压约平方成正比。

静止补偿器和静止凋相机静止补偿器和静止调相机是分别与电容器和调相机相对应而又同属“灵活交流输电系统”范畴的两种无功功率电源。第五章电力系统无功功率与电压调整3、电压管理电压中枢点就是那些反映系统电压水平的主要发电厂的高压母线、枢纽变电所低压母线或有大量地方负荷的发电机母线。逆调压：对于供电线路较长，负荷波动较大的网络，考虑在最大负荷时线路上的电压损耗增加，这时适当提高中枢点电压以补偿增大的电压损耗，比线路UN高5％（即1.05UN）；最小负荷时线路上电压损耗减小，降低中枢点电压为UN。顺调压：负荷变动小，供电线路不长，在允许电压偏移范围内某个值或较小的范围内，最大负荷时电压可以低一些，但≥1.025UN，小负荷时电压可以高一些，但≤1.075UN。常调压（恒调压）：负荷变动小，供电线路电压损耗也较小的网络，无论最大或最小负荷时，只要中枢点电压维持在允许电压偏移范围内某个值或较小的范围内（如1.025UN~1.05UN），就可保证各负荷点的电压质量。这种在任何负荷情况下，中枢点电压保持基本不变的调压方式。4、借改变发电机端电压调整通过自动励磁调节装置→If→Eq→UG，不需另增设备，简便可行且经济。由发电机不经升压直接供电的地方负荷，实行逆调压。发电机经多级变压向负荷供电时，仅借发电机调压往往不能满足负荷对电压质量的要求(If≤IfN），这时需借助其他措施。5、借改变变压器变比调压双绕组变压器的高压绕组和三绕组的高、中压绕组有若干分接头可供选择，如有UN±5％、UN±2×2.5％或UN±4×2％。其中对应于UN的分接头常称主接头或主抽头。合理选择变压器的分接头也可调压。6、借补偿设备调压对称分量法定义：三个不对称相量可用三组对称相量来表示正序分量零序分量负序分量合成第一章变配电所主要电气设备变换：控制：保护：调节：

电气设备的功能供电系统对电气设备的共同性要求

安全可靠的绝缘电气设备的发展趋势

高可靠高性能小型化组合化（模块化）电子化智能化按供电系统工作要求来改变电压或电流按供电系统工作要求来控制一次电路的通断用来对供电系统进行过电流和过电压等的保护用来补偿供电系统的无功功率，以提高系统的功率因数一、概述

必要的载流能力较高的通断能力良好的机械性能必要的电寿命完善的保护性能功能：不仅能通断正常负荷电流，而且能接通和承受一定时间的短路电流，并能在保护装置作用下自动跳闸，切除故障。二、高压电气设备弹簧操动机构

电磁操动机构永磁操动机构

操动机构：(按合闸所需能量分)

类型(按灭弧介质分)油断路器SF6断路器真空断路器（一）高压断路器QF图形符号结构：触头装置、灭弧室、基座框架、传动机构（配操动机构）以油作为灭弧介质已逐步淘汰以SF6气体作绝缘介质和灭弧介质，可频繁操作利用“真空”作绝缘和灭弧介质，可频繁操作交流或直流操作电源，合闸所需能量小直流操作电源，合闸所需能量大直流操作电源，合闸所需能量小续上页真空断路器实物图片

绝缘套筒内有真空灭弧室及触头上接线端子下接线端子手车式框架二次接线插头功能：主要对高压线路及电气设备进行短路保护，有的也具有过负荷保护功能。续上页（二）高压熔断器FU图形符号原理：当所在电路电流超过规定值并经一定时间后，熔体熔化→汽化生弧→灭弧(电路分断)保护特性：也称时间——电流特性结构：金属熔体、熔体支持件、熔管及灭弧材料限流特性：在短路电流尚未达到冲击值之前就切断电路熔断器时间电流特性具有反时限特点续上页高压限流熔断器实物图片

接线端子绝缘子安装卡座金属管帽瓷熔管内有金属熔体与石英沙熔断器底座石英沙熔断撞针金属熔体缠绕在内瓷管上瓷熔管剖面图类型：户内、户外高压限流熔断器功能：主要用来隔离高压电源以保证其他设备的安全检修。它没有专门的灭弧装置，因此不允许带负荷操作。但它可以用来通断一定的小电流电路等。续上页（三）高压隔离开关高压户内隔离开关实物图片

QS图形符号结构：触头装置、绝缘瓷瓶、底座及传动机构等高压隔离开关一般采用手力操动机构类型：户内、户外功能：能通断一定的负荷电流和过负荷电流，但不能断开短路电流，因此它一般与高压熔断器串联使用，借助熔断器来切除短路故障。续上页QL图形符号QFS图形符号（四）高压负荷开关（五）高压负荷开关－限流熔断器组合电器功能：兼有负荷开关与限流熔断器的双重功能结构：主要有产气式、压气式、真空式和SF6式等结构类型操动机构有手动和电动储能弹簧机构等形式。结构：高压负荷开关与限流熔断器串连组合续上页高压负荷开关－限流熔断器组合电器实物图片

限流熔断器真空负荷开关上接线端子下接线端子传动机构弹簧脱扣机构开关柜是金属封闭开关设备的俗称，是按一定的电路方案将有关电气设备组装在一个封闭的金属外壳内的成套配电装置。续上页（六）高压开关柜落地式中置式中压断路器的置放绝缘类型空气绝缘金属封闭开关柜

SF6气体绝缘金属封闭开关设备(充气柜)用户变配电所采用高压开关柜组合成高压配电系统。结构类型铠装式

间隔式箱式各室间用金属板隔离且接地，如KYN型和KGN型各室间是用一个或多个非金属板隔离，如JYN型具有金属外壳，但间隔数目少于铠装式或间隔式，如XGN型断路器手车本身落地，推入柜内；手车装于开关柜中部，手车的装卸需要装载车。续上页10kV中置式真空断路器手车柜实物图片（多台组合）10kV负荷开关柜实物图片（一台）功能：它既能带负荷通断电路，又能在失压、短路和过负荷时自动跳闸，其功能类似于高压断路器。三、低压电气设备（一）低压断路器结构触头系统（主触头及辅助触点）灭弧装置脱扣器自由脱扣机构及操作机构（手柄操作、电磁铁操作、电动机操作）热—电磁式

电子式智能式用途：配电用、电动机保护用、照明用、漏电保护用。QF图形符号配电用断路器类型：塑壳式断路器和框架式（万能式）断路器

9/21/202351洁明过滤系统万能式断路器实物图片万能式断路器万能式断路器（又称框架式断路器）一般有一个有绝缘衬垫的钢制框架，所有部件均安装在这个框架底座内。续上页智能控制器手动储能手柄分闸按钮合闸按钮抽屉框架二次接线端子分合闸指示储能指示万能式断路器主要安装在低压配电柜中作为进线开关、母联开关和大电流出线开关，用于控制和保护低压配电网络。塑壳式断路器塑料外壳式低压断路器（原称装置式断路器）的主要特征是有一个采用聚酯绝缘材料模压而成的外壳，所有部件都装在这个封闭外壳中，仅在壳盖中央露出操作手柄。续上页塑壳式断路器实物图片手动操作手柄上接线端子分励脱扣按钮下接线端子塑壳式断路器通常装设在低压配电装置之中，作为配电线路或电动机回路的控制与保护开关

模数化微型断路器

tI0Ir熔断器时间电流特性原理：当所在电路电流超过规定值并经一定时间后，熔体熔化→汽化生弧→灭弧(电路分断)。续上页（二）低压熔断器类型刀形触头熔断器，如NT、RT16、RT17系列螺栓连接式熔断器，如RT12、RT15系列螺旋式熔断器，如RL6、RL7系列圆筒帽式熔断器，如RT14、RT30系列等FU图形符号功能：主要对低压线路及电气设备进行短路保护，有的也具有过负荷保护功能。结构：金属熔体、熔体支持件、熔管及灭弧材料。保护特性：具有反时限特点。续上页低压熔断器实物图片

刀型触头熔断体

瓷熔管内有金属熔体与石英沙熔断器底座

接线端子安装卡座圆筒帽式熔断体

螺旋式熔断器功能：主要用来隔离低压电源。续上页QS低压隔离开关实物图片

（三）低压隔离开关结构：触头装置、绝缘子、底座及传动机构等。低压隔离开关一般采用手力操动机构。续上页低压熔断器组合电器实物图片

QFS（四）低压熔断器组合电器熔断器组合电器包括：开关熔断器组（俗称负荷开关）隔离器熔断器组熔断器式开关（俗称刀熔开关）熔断器式隔离器功能：用于供电系统的主电源与备用电源的自动转换或两台负载设备的自动转换。续上页断路器转换型ATS图片

电动操作机构

低压断路器

控制单元

负荷开关转换型ATS图片

全密封转换型负荷开关

电动控制单元

手动操作手柄

类型负荷开关转换型ATS断路器转换型ATS（五）自动转换开关电器ATS由一个或多个低压开关设备和相应的控制、测量、信号、保护、调节等电气元件或设备，以及所有内部的电气、机械的相互连接和结构部件组装成的一种组合体，称为低压成套开关设备

。续上页

结构类型（按开关安装方式分）固定式

结构简单、价格便宜抽屉式

操作安全、易于检修及维护、更换故障开关容易插拔式

仅主要元件（断路器）采用抽出式或插入式安装组合式小开关用抽屉式、大开关用插拔式1、抽出式低压开关柜主要有GCL(K)、GCS、MNS型等可用作动力中心(PC)和电动机控制中心(MCC)。2、固定分隔式开关柜有GLL(K)型等。3、固定式开关柜有GGD、JK型等。用户变配电所采用低压开关柜组合成低压配电系统。（六）低压开关柜续上页

GGD型固定式开关柜实物图片

进线柜出线柜固定柜柜体出线柜MCCGCS型抽出式开关柜实物图片

进线柜出线柜PC抽屉柜柜体四、电流互感器与电压互感器结构原理：一次绕组串联在主电路中或直接利用一次母线；二次绕组所接仪表、继电器均串联。用来使仪表、继电器等二次设备与主电路绝缘用来扩大仪表、继电器等二次设备的应用范围功能I2N=5A或1A（一）电流互感器(CT)TATA图形符号电流互感器的基本结构和接线1-铁心2-一次绕组3-二次绕组

在工作时其二次侧不得开路二次侧有一端必须接地连接时要注意其端子的极性使用注意事项续上页单匝式（包括母线式、心柱式、套管式）多匝式（包括线圈式、线环式、串级式）

类型

准确度级：测量用有0.1、0.2、0.5、1、3、5等级，保护用有5P和10P两级。高压电流互感器一般制成两个铁心和两个二次绕组，其中准确度级高的