第一章 电力系统概述和基本概念

电力系统分析1.电力系统的稳态分析和计算；2电力系统的故障分析和计算.动力系统、电力系统与电网示意图电能与其他能源1．一次能源：煤炭、石油、天然气、水能、核能等自然能称为一次能源.2．二次能源：将自然能转变为电能的过程称为发电，电能是经过人们加工的二次能源.3．电能主要特点是：不能大规模储存，发电、输电、配电和用电在同一瞬间完成(核能-广蓄)；4．发电和用电之间必须实时保持供需平衡，如果不保持实时平衡，将危及电力生产的安全性和连续性电力线路输送1.发电厂和负荷之间往往距离很远，这就需要电力线路作为输送电能的通道.2.在线路输送功率不变的情况下，通过提高线路电压等级输送电能可以减少电流在导线中的功率损耗、电压损耗。N=IV3.电能输送至负荷中心后必须降压，用户才能使用.变电所(站)1.电压的升高和降低是通过变压器完成的.2.安装变压器、断路器等及其测量、保护与控制设备的场所，称为变电所(站).3.变电所用于改变电压和联络、汇聚、分配电能.4.用于升高电压的称为升压变电所.5.用于降低电压的称为降压变电所.电力线路1.发电厂、变电所和电力用户之间是通过电力线路来联系的2.电力线路分为输电线路和配电线路。3.输电线路:220kv;330kv;500kv;750kv;1000kv.4.配电线路:电压有110、35、10、0.4kV等.电网1.电力系统中，由不同电压等级的变电所和输配电线路构成的网络称为电网。2.输电线路将发电厂发出的电力输送到消费电能的地区(也称负荷中心)，或进行相邻电网之间的电力互送，使其形成互联电网或统一电网，保持发电和用电或两电网之间供需平衡。3.升压变电所、降压变电所及其相连的输电线路连接起来构成输电网。4.配电线路是在消费电能的地区接收输电网受端的电力，然后进行再分配，输送到城市、郊区、乡镇和农村，并进一步分配和供给工业、农业、商业、居民以及特殊需要的用电部门。所有配电变压器及其配电线路连接起来构成配电网.大电网优越性及中国电网1.电压高、输电容量大、输送距离远的联合电力系统在技术和经济上有许多明显的优越性。联合电力系统可以更合理地利用能源提高经济效益；2.可以采用大机组以降低造价和燃料消耗，加快建设速度；可以互相调剂、互相支援，减少系统总备用容量；可以利用地区时差及水火电之间的调节，取得错峰和调峰效益等南方电网：广东；广西；福建；海南岛；香港；澳门国家电网：南方电网外的地区，省，自治区。同一电网任一发电机频率和电网频率相等，电力系统和动力系统1.发电、变电、输电、配电和用电等的各种电气设备连接在一起的整体称为电力系统。它包括发电厂的电气部分、升压变压器、降压变压器、输配电线路及各类用电设备。2.电力系统加上各种类型发电厂的动力部分(如火力发电厂的热力部分、水力发电厂的水力部分、原子能反应堆部分等)以及热力用户，称为动力系统.电网可分为地方电网、区域电网和远距离输电网1.地方电网电压较低(110kV以下)，输送功率较小，线路较短，2.区域电网则一般电压较高，输送功率较大，线路较长，3.远距离输电网电压在330kV及以上，输电线路长度超过300km，按电压的高低分的电网1.电网又可分为低压网(1kV以下)；2.中压网(1～10kV)；3.高压网(35～220kV)；4.超高压网(330～750kV)；5.特高压网(1000kV及以上)；6.高压直流(HVDC)通常指的是±600kV及以下的直流电压等级;7.±600kV以上的电压称为特高压直流(UHVDC).按电网在电力系统中的作用可分为1.系统联络网与供用电网两类。2.系统联络网主要是为系统运行调度服务的;3.供用电网主要是为用户服务的。按接线方式电网还可分为一端电源供电网(又称为开式网)、两端电源供电网(包括环网)、多端电源供电网(又称复杂网)，1.一端电源供电网是指用户只能从一个方向得到电能的电网，如单回路放射式、干线式、树枝式等类型。它的特点是接线简单、经济、运行方便，但供电可靠性较差。2.两端电源供电网是指用户可以从两个方向得到电能的电网，如环形网和双回路电网。它的特点是接线较简单、运行灵活、供电可靠性较高。电力系统网架和向一级负荷或重要二级负荷供电的电网，常采用这种接线方式。3.多端电源供电网是指电网中有从三个或三个以上方向得到电能的变电所或负荷点，又称复杂网。多端电源供电网供电可靠性高，运行、检修灵活，但是接线复杂、投资大，继电保护、运行操作复杂。这类电网主要用于电力系统网架接线，以加强电力系统发电厂之间及发电厂与枢纽变电所之间的联系。供用电网络一般不采用复杂网的接线形式。中国电力系统容量的发展历程

1.1882年上海有了第一座发电厂(容量为150kV)，主要供附近地区的照明负荷用电需要。2.1949年以后电力工业逐年发展，1978年底，全国装机容量仅5712万kW，35kV及以上输电线路长度为23.1万km，变电设备容量为1.3亿kVA。3.2011年底，全国发电装机容量累计105576万kW，电网220kV及以上输电线路回路长度、公用变设备容量分别为48.03万km、21.99亿kVA，其中交流500kV等级线路回路长度、公用变设备容量分别为13.44万km、7.58亿kVA；750kV等级线路回路长度、公用变设备容量分别为9425km、5530万kVA。1000kV等级线路回路长度、公用变设备容量分别为641km、1800万kVA。我国电网建设1.我国华北、华中、华东、东北和南方电网形成1000／500／220／110(66)／35／10／0.38kV交流电压等级序列;2.西北电网形成750／330(220)/110/35/10/0.38kV交流电压等级序列.3.1990年之前,我国各地区主网架为220kV；4.2000年后，除西北等电网外，各省主网架基本500kV，同时交直流500kV线路成为跨省跨区输电的重要线路.5.随着1000kV输变电工程以及直流输电工程的建设，跨区联网逐步加强，特高压交直流线路将承担起更大范围、更大规模的输电任务.2009年全国跨区交易电量2009年，全国跨区交易电量2043亿kW.h。华北通过特高压交流试验示范工程与华中交换电量89亿kW·h；东北送华北70亿kW．h;华中与华东交换电量384亿kW·h;华北送华东166亿kW·h;西北送华中36亿kW．h;西北送华北150亿kW·h;三峡送南方电网150亿kW·h。电网的能源资源优化配置能力逐步得到加强，增强了电网应对严重自然灾害和突发事件的能力。电能的生产与国民经济及人民生活关系非常密切1.由于电能使用和控制方便,能够远距离输送,当今社会电能的使用越来越广泛,各类用户无处不在.2.如果电能供应不足或中断将给国民经济造成巨大损失,直接影响工农业生产,给人民生活带来诸多不便.3.电能的价格还影响产品的成本,从而影响大多数商品和服务价格.电力系统运行的过渡过程非常短暂。1.电能以电磁波的形式传播，其传输速度与光速相同。2.电力系统中各元件的投、切和电能输送过程几乎都在一瞬间进行，即电力系统从一种运行方式过渡到另一种运行方式的过渡过程非常短暂。3.在电力系统中，由于雷击或开关操作引起的过电压，其暂态过程只有微秒到毫秒数量级；4.发生故障到系统失去稳定通常也只有几秒时间,因事故而使系统全面瓦解的过程一般也只以分钟计(丹江口).5.为了使设备在故障等暂态过程中不致损坏，更为了防止电力系统失去稳定或发生崩溃，因此电力系统要求具有较高的自动化程度，需要继电保护、自动装置的投入,实施实时监控,保证电力系统安全稳定运行.对电力系统的基本要求电力系统的根本任务是：最大限度地为用户提供安全、可靠、优质、价廉的电能。1.最大限度地满足用户的需求。2.安全可靠地供电。3.提供优质的电能。4.系统运行的经济性。5.节能和环保.安全可靠地供电1.电力生产必须执行“安全第一、预防为主”的方针，没有安全，就没有生产。2.可靠的供电就是满足电能生产的连续性，电力系统供电的中断将使生活停顿，生活混乱，甚至危及人身和设备的安全，会造成十分严重的后果。3.电力系统为了保持高的可靠性，必须具有足够的电源容量(包括一定的备用容量)和合理的布局，电网结构必须合理，使得在某一(或某些)线路、电气设备因故障或检修而退出运行时，不影响或不严重影响对用户的供电.4.对电力系统可靠性威胁最大的就是系统失去稳定,必须要有保护投入和提高稳定性措施.提供优质的电能电能的优劣可用电能质量来衡量。1.一般用户主要考虑交流电的频率、电压和波形质量。2.在我国，对于频率的容许偏差、电压的容许偏差以及谐波电流电压闪变等都有相应的标准，在电力系统设计和运行中都不允许超出这些标准。3.我国电力系统频率偏移一般不超过额定频率的±(0.2～0.3)Hz，电压偏移一般不超过用电设备额定电压的±5％,频率或者电压偏移过大，无论对用户，还是对电力系统本身都会产生不良后果.4.随着计算机技术、高新技术设备在电力系统中的广泛应用，电能的波形、电压波动和闪变、三相电压不平衡度等也应予以考虑，否则将影响这些设备的正常工作。问题1.电力系统和电力网的定义是什么?p12.电力系统接线图分为哪两种?有什么区别?3.对电力系统运行的基本要求是什么?p44电能生产的基本特点是什么?p3-p45.电力系统由哪几部分组成？第一章电力系统概述和基本概念电力系统的负荷电力系统的负荷

1.系统中所有电力用户的用电设备所消耗的电功率总和就是电力系统的负荷，也称为电力系统的综合用电负荷，它是把不同地区、不同性质的所有用户的总负荷加起来而得到的。2.综合用电负荷加上网络中损耗的功率就是系统中各发电厂应供应的功率，因而称为电力系统的供电负荷。3.供电负荷再加各发电厂的厂用电,即为系统中各发电机应发的功率,也称为电力系统的发电负荷.电力负荷分为以下三级

(1)一级负荷(2)二级负荷(3)三级负荷一级负荷一级负荷是非常重要的负荷，对这类负荷的供电中断将发生下列一种或几种严重后果。1)造成人身伤亡。2)造成环境严重污染。3)造成重要设备损坏、连续生产过程长期不能恢复或大量产品的报废。4)在政治上或军事上造成重大影响。5)造成重要公共场所秩序混乱。对于一级负荷，必须由两个或两个以上的独立电源供电。所谓独立电源，就是不因其他电源停电而影响本身供电的电源。此外，除正常供电电源外还应配保安电源。二级负荷二级负荷是比较重要的负荷.对此类负荷中断供电,将造成工厂大量减产、工人窝工、城市中大量居民的正常生活受到影响等后果.对于二级负荷,可由两个电源供电或专用线路供电.三级负荷

不属于一级、二级负荷，受停电影响不大的其他负荷都属于三级负荷。如工厂的附属车间、次城镇和农村的公共负荷等。对这类负荷中断供电不会造成什么损失，所以对供电不作特殊的要求。负荷曲线

1.一般用直角坐标系的横坐标表示时间，以时、日、月等时间为单位，纵坐标表示有功功率、无功功率、视在功率或者电流。2.负荷曲线可以分为有功功率日负荷曲线、无功功率日负荷曲线、年最大负荷曲线、年持续负荷曲线等类型。一般常用的负荷曲线有日负荷曲线和年负荷曲线.日负荷曲线的特性指标

1.日最大负荷Pmax:日负荷曲线中的最大值,又称峰荷;2.日最小负荷Pmin:日负荷曲线中的最小值,又称为谷荷;3.日平均负荷Pav:把一日内各小时的负荷加起来取平均值4.日负荷系数(负荷率)：表示负荷平复程度，其值越高，说明负荷在一天内的变化越小。其表达式为:负荷率=Pav(日平均负荷)/Pmax(日最大负荷)5.日基本负荷系数=Pmin(日最小负荷)/Pav(日平均负荷)6.日最小负荷系数:表明一天内负荷变化的幅度,其值越高,说明负荷在一天内大小的变化越小.其表达式为:日最小负荷系数=Pmin(日最小负荷)/Pmax(日最大负荷)年最大负荷曲线1.在电力系统的运行和设计中，不仅要知道一天之内负荷的变化规律，而且还要知道一年之中负荷的变化规律。2.最常用的是系统年最大负荷曲线，年最大负荷曲线是描述一年内从年初元月一日起至年终，电力系统每月(或每日)最大有功功率负荷变化的情况。3.年最大负荷曲线主要用来安排发电设备的检修计划，同时也可为制订发电机组和发电厂的扩建或新建计划提供依据.4.春秋季最大负荷比较小些;夏季负荷随着空调等防暑措施的利用,负荷值会增加.年持续负荷曲线在电力系统的分析计算中，还常常用到年持续负荷曲线，它是根据全年的负荷变化，按照一年(8760h)中系统负荷的数值大小及其累计时间数的顺序排列而绘制成的。最大负荷利用小时数用户全年所取用的电能与一年内的最大负荷相比所得的时间称为用户年最大负荷利用小时数，时间的变化比较小，则最大负荷利用小时数的值较大；如果负荷变化剧烈，则最大负荷利用小时数的值较小。负荷特性1.负荷取用的功率一般是要随系统的运行参数(主要是电压和频率)的变化而变化，反映这种变化规律的曲线或数学表达式称为负荷特性。2.当频率维持额定值不变时，负荷功率与电压的关系称为负荷的电压静态特性；当负荷端电压维持额定值不变时，负荷功率与频率的关系称为负荷的频率静态特性。所谓“静态”，是指这些关系是在系统处于静态下确定的.问题1.电力系统负荷曲线有哪些?p72.什么是年持续负荷曲线和最大负荷利用小时数?它们有何用处?3.某一负荷的年持续负荷曲线如图1-9,求最大负荷利用小时数Tmax?第一章电力系统概述和基本概念电力系统的额定电压电力系统的额定电压

1.额定电压，是国家有关部门根据国情、技术条件综合比较确定的标准电压，用UN表示。2.电力系统中的发电机、变压器、线路、用电设备等都规定有额定电压，它们在额定电压下运行时，其技术性与经济性为最佳.3.GB156-2007《标准电压》中规定电力系统电压有220V、380V、3kV、6kV、l0kV、35kV、60kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV、1000kV等,其中220V为单相交流电,其余均为三相交流电.其中,60kV电压等级只在东北电力系统采用;330kV电压等级只在西北电力系统采用.;1000kV电压等级输电线路于2006年开始投建,2009年1月投运.额定电压的分类

目前，国家根据电压的高低和使用范围，把多种电力设备的额定电压分为三类。(1)第一类额定电压是指100V以下的额定电压，主要用于安全、照明、蓄电池及开关设备的直流操作电源等。其中，交流36V电压只作为潮湿环境的局部照明及其他特殊电力负荷使用。(2)第二类额定电压是100～1000V之间的额定电压，这类电压应用最广、数量最多，如低压电动机、工业、民用、照明、普通电器、动力及控制设备等都采用此类电压，(3)第三类额定电压是高于1000V的额定电压，这类电压主要用于发电机、变压器、输配电线路及受电设备.线路的额定电压1.输配电线路的额定电压与受电设备的额定电压规定的相同,但是线路运行时有电压损耗,一般线路首端电压高于末端电压.2.负荷变化时,线路中的电压损耗变化,所以线路运行时各处的电压不同.一般情况下,受电设备的允许电压偏移为±5％,沿线路的电压损耗为10％.如果线路首端电压为额定电压1.05倍,末端电压就不会低于额定电压的0.95倍，各受电设备就能在允许电压范围内运行。线路的额定电压,一般就是受电设备的额定电压.3.在一些计算中一般采用的线路的平均额定电压.这是为了使线路末端受电设备得到额定电压,可将线路首端电压提高10％,这样线路的平均额定电压就是受电设备电压的1.05倍.发电机的额定电压1.发电机是输出电能的设备,接在线路的首端,额定电压要比线路的高.发电机出口一般接母线或直接接变压器,线路较短,因此,发电机额定电压比线路额定电压高5％,即

UN=1.05USN式中UN-发电机的额定电压；USN-线路的额定电压.2.对于没有直配负荷的大容量发电机，其额定电压按技术经济条件来确定，不受线路额定电压的限制，例如国产125、200、300、600MW的汽轮发电机，其额定电压分别为13.8、15.75、18、20kV.变压器的额定电压

1.变压器每个绕组都有其额定电压。若为降压变压器，一次绕组相当于受电设备，其额定电压等于所连线路的额定电压；若为升压变压器，变压器直接和发电机相连，其额定电压等于发电机额定电压。2.变压器二次绕组输出电能，相当于发电机。因变压器二次侧额定电压规定为空载变压器一次侧加额定电压时的二次侧电压，而额定负荷下变压器内部的电压降落约为5％，为使正常运行时变压器二次绕组的实际输出电压比线路额定电压高5％左右，变压器二次侧额定电压应比线路额定电压高5％～10％。一般变压器二次侧额定电压比线路额定电压高10％；3.只有漏抗小的变压器(高压侧电压不大于35kV且短路电压百分值不大于7.5％)或二次绕组所连线路较短以及三绕组变压器连接同步调相机的绕组时，二次侧额定电压才比线路额定电压高5％.现在新建的工程有时不论漏抗大小，二次侧额定电压都比线路额定电压高5％.P5表1-1P6表1-2复习1发电机的额定电压比线路额定电压高5％，即UN=1.05USN式中UN-发电机的额定电压；USN-线路的额定电压。2在一些计算中一般采用的线路的平均额定电压。这是为了使线路末端受电设备得到额定电压，可将线路首端电压提高10％，【例1-l】如图1-9所示电力系统，线路额定电压已知，试求发电机、变压器的额定电压。解(1)发电机G的额定电压为10.5kV。(2)升压变压器T1一次侧与发电机直接相连，二次侧分别与110、220kV线路相连，则T1的各侧额定电压为242／121／10.5kV。(3)降压变压器T2一次侧与110kV线路相连，二次侧别与35kV线路和10kV调相机相连，则T2的各侧额定电压为110／38.5／10.5kV。(4)降压变压器T3一次侧与220kV线路相连，二次侧与35kV线路相连，则T3的各侧额定电压为220／38.5kV。(5)降压变压器T4一次侧与35kV线路相连，二次侧与0.38kV线路相连，又因T4的U(％)≤7.5，则它的各侧额定电压为35／0.4kV。问题1.电力系统的额定电压是如何确定的?系统各元件的额定电压是多少?什么叫电力线路的平均额定电压?p52.系统不同电压等级的适用范围?p6第一章电力系统概述和基本概念第三节电力系统中性点的接地方式电力系统的中性点及其接地方式1.电力系统中性点是指星形接线的变压器或发电机的中性点；2.中性点的接地方式是一个复杂问题，它关系到系统的绝缘水平、供电可靠性、继电保护、通信干扰、接地保护方式、电压等级、系统接线和系统稳定等很多方面的问题，须经合理的技术经济比较后确定电力系统中性点的接地方式.电力系统中性点接地方式分为1.大接地电流方式:凡是需要断路器遮断单相接地故障电流者,属于大接地电流方式。2.小接地电流方式:凡是单相接地电弧能够瞬间自行熄灭者,属于小接地电流方式.大接地电流方式1中性点有效接地方式；2中性点全接地方式,即非常有效接地方式；3中性点经低电抗、中电阻和低电阻接地方式。中性点有效接地方式对于高压电力系统(110-220kV),当电力系统发生单相接地故障时,在一个电力系统中不论变压器中性点是直接接地,还是不接地,或者是经低电阻或低电抗接地,只要在指定部分各点满足:x0(中性点电抗)/x1(单相接地电抗)≤3和r0(中性点电阻)/x1(单相接地电抗)≤1，该系统便属于有效接地方式.中性点全接地方式定义对于500kv及以上超高压电力系统，广泛使用自耦变