第一章电能系统概论教材

第一章电能系统概论信电学院2024/3/251.1概述人类为何选择使用电能？什么是电力系统？如何构成？电力网络是如何接线的？电力网为什么要采用高电压？电力系统运行的基本要求和特点我国电力工业发展概况人类为何选择使用电能？电能作为二次能源，是现代社会最重要的能源，应用十分广泛。显著优点洁净：环保

方便:

输送、分配、使用

电气化：机械化、自动化，提高产品质量和劳动生产力

节能:能耗小，转换效率高

什么是电力系统？如何构成？完成电能生产、输送、分配和消费的统一整体。通常由发电机、变压器、电力线路和负荷等电力设备组成的三相交流系统。

构成：

一次系统（高电压，本课程研究内容）二次系统（低电压，保证一次系统安全、可靠、经济运行的信息系统及其操作机构）一次系统如何构成？发电机：电能生产，将一次能源转换成二次能源（电能）。电力网络（输配电系统）：电能的输送和分配，包括输电网和配电网。负荷（用户）：电能消费，将电能转换成其他形式的能量，电动机、照明、电炉等。

发电机（发电厂）发电机：完成电能生产，将一次能源转换成二次能源（电能）。火力发电水力发电核能发电新能源发电火电厂生产过程示意图火力发电燃料：煤、石油、天然气化学能→热能→机械能→电能目前最主要电源，比例大约70％组成：

燃烧系统、汽水系统、电力系统存在问题：安全问题：采矿和运输中的安全问题环境问题：酸雨、温室效应、可吸入颗粒物等效率问题：效率较低水力发电河流水势能→水动能→机械能→电能目前最重要的电源之一，比例大于10％容量取决于水位差和流量组成：

水库

水轮机

电力系统水力发电的优缺点优点：最干净能源之一最廉价能源之一，无需燃料，运行维护简单综合水利工程：同时解决发电、防洪、灌溉和航运等多方面问题良好的启动和调节性能：启动到并网供电速度快（5分钟），启动简单，适于遥控。可满足电力需求的快速变化。缺点：建设问题：投资大，工期长，存在国防安全。库区移民、淹没耕地、破坏文物、可能破坏生态平衡、破坏自然景观等运行问题：发电出力受气象、水文、防洪、灌溉和航运等综合影响，分枯水期和风水期，出力不稳定，增加电力系统运行的复杂性。长江三峡水电站全景图三峡大坝及左岸电站厂房核能发电铀等核燃料→核裂变，核能→热能→机械能→电能目前主要的电源之一，比例大于10％，作为一种新型的巨大能源，发展迅速。组成：

反应堆、汽水系统、电力系统秦山核电站：2×300MW大亚湾核电站：1800MW核能发电的优缺点优点：大量节省煤、石油等燃料，如50万KW电厂，150万T煤/年，20T铀/年与火电相比，造价高，但发电成本低30-50％，因此规模越大越合算。缺点：对放射性污染的担心，在技术能较好处理污染防护和核废料，但事故仍有发生。发展中的新能源发电有风能、地热、太阳能、潮汐能等等。新能源主要是洁净的、可再生的能源，是未来的主要发展形式，是当前国际上研究和开发的热点。这些新能源容量很小、分散性大，属分布式电源。互联后在运行安全核管理方面存在着很多特殊问题。发展中的新能源发电有风能、地热、太阳能、潮汐能等等。新能源主要是洁净的、可再生的能源，是未来的主要发展形式，是当前国际上研究和开发的热点。这些新能源容量很小、分散性大，属分布式电源。互联后在运行安全和管理方面存在着很多特殊问题。电力网电力网:除去发电机与负荷的子系统，完成电能的输送和分配主要设备：电力线路、变电所设备（变压器、开关设备、母线等）电力网络是由许多子电力网络发展互联而成，分区分层是电力网络的一大特点。

负荷负荷（用户）:电能消费,将电能转换成其他形式的能量，包括电动机、照明、电炉等。电力系统负荷是电力用户所需功率的总和，也称电力系统综合用电负荷。动力系统、电力系统与电力网的关系动力系统、电力系统与电力网的关系动力系统、电力系统与电力网的关系热用户~QFB1B2X电力系统动力系统

m电力网动力系统、电力系统与电力网示意图23kV水库~反应堆~~锅炉~23kV500kV500kV230kV230kV20kV220kV330kV500kV110kV110kV380/220V至相邻系统的互联线路区域电力系统供配电系统工业用户工业用户10kV小型燃汽轮机市政生活商业图1—3电力系统和电力网络示意图电力网络是如何接线的？电力网络接线形式主要是指电力网络的输电线路、变电所与用户之间的电气连接关系。电力系统的接线形式对保证安全、优质和经济地向用户供电具有非常重要的作用。通常按照供电可靠性分为无备用和有备用两类。无备用接线方式25(a)放射式(b)干线式(c)链式(a)放射式(b)干线式(c)链式每一个负荷点只能从一电源点获得电能。应用于对供电可靠性要求较低的网络或负荷。

有备用接线方式26(a)放射式(b)干线式(c)链式(d)环网(e)两端供电网(a)放射式(b)干线式(c)链式每一个负荷点能从两个或两个以上的电源点获得电能。应用于对供电可靠性要求高的网络，如输电网等。

电力网为什么要采用高电压？远距离大容量输电的压降小、损耗低、稳定性好。电力线路输送的功率一定时，输电电压越高，线路电流越小，导线等载流部分的截面积越小；但电压越高，对设备绝缘水平的要求越高，设备的投资越大。综合上述考虑，对应一定的输送功率和输送距离有一最合理的线路电压。为什么要确定额定电压？避免电压等级数量的无限制扩大，导致互联困难，必须标准化。为取得最佳的技术经济性能，电力设备需要在额定电压下进行优化设计、制造和使用。我国规定的电力网标准电压等级为线路的额定电压，主要有0.22/0.38、3、6、10、35(60)、110、220、330、500KV、750KV、1000KV。

电力系统运行的基本要求供电安全可靠性根据可靠性要求不同，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ负荷。

电能的优质性频率、电压、波形

运行的经济性一次能源的消耗、网损和线损电力系统运行的特点

电能不能大量储存，要求电能的生产、输送、分配和使用几乎是在同一瞬间内完成。电能和社会的生产、人民的生活、国家的国民经济紧密相关。电力系统的暂态过程短促，因此电力系统的安全监测与控制非常困难。继电保护和自动化二次系统（低电压）：保证一次系统安全、可靠、经济运行的信息系统及其操作机构。继电保护：（1）自动、迅速、有选择性地降将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障（2）反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护条件而动作于发出信号、减负荷或跳闸。调度自动化系统数据采集与监控系统（SCADA）：

是用来采集电力系统运行实时数据的自动化系统。实现遥信、遥测、遥调和遥控等功能。其它高级软件：包括状态估计、安全分析、负荷预测、最优潮流计算等，为电力系统的经济优质调度提供技术支持。我国电力工业发展概况1882年我国第一座发电厂创建于上海我国各级输电电压的发展电力工业发展的历程1830年法拉第发明电磁感应定律，为未来电力工业发展奠定基础。1875年第一台火力发电机组（直流发电机）在法国巴黎火车站，照明。1879年美国旧金山实验电厂开始发电，这是世界上最早出售电力的电厂。1882年美国爱迪生纽约珍珠街电力系统，6台直流发电机，110V，照明。1884年变压器发明。为三相交流及大容量、远距离输电奠定基础。1889年美国Oregon和Portland建立长21公里的交流输电系统。1891年德国世界上第一个三相交流输电系统，距离179英里、电压12000伏。1897年电压为44000V的输电线路在美国Utah州建成。电压等级不断升高，电网规模逐步增大截至2002年：全球发电装机容量约为35亿千瓦我国电力工业的发展1882年英国商人在上海创办了上海电气公司，装机容量12KW，15盏电灯。1913年上海杨树浦发电厂发电，1924年该厂装机12台，总容量121MW，成为当时远东第一大发电厂。1949年以前，仅东北有220KV和154KV的电网（日本人建造）。1972年由甘肃天水－陕西关中的534KM的我国第一条330KV输电线路工程。1981年由河南平顶山－湖北武汉的全长595KM的我国第一条500KV输电线路。1989年建成了我国第一条远距离±500KV葛洲坝－上海的直流输电线路1997年三峡工程建设，26台700MW，15回500KV交流及三回±500KV直流，连接华东、华中、河南、四川、广东等电网，中国电网联网的核心。

2006年甘肃官厅－第一条750KV交流输电线路。目前，形成7个跨省区电网和山东500KV的主干网络。1980~2002年全国发电量如图示（亿千瓦时）我国电力工业的发展38

电力需求旺盛、增长快1882年我国开始使用电能1987年全国发电装机容量突破1亿千瓦1995年3月，装机容量突破2亿千瓦到1996年，发电装机容量居世界第2位。2000年4月，全国装机突破3亿千瓦2004年5月底，全国装机容量突破4亿千瓦2005年底我国装机总容量将突破5亿千瓦。105年不到8年5年4年1.5年每增加1亿装机2000年容量3亿千瓦1995年容量2亿千瓦1987年容量1亿千瓦1978年容量5712万千瓦1949年容量185万千瓦39中国电网500kV220kV330kV火电厂水电厂核电厂新疆西藏东北华北西北川渝华中华东南方电网覆盖率96.4%我国电力工业发展概况电能的能源结构的改变（风能和核能）超大型电厂的出现（三峡水电站）高压直流输电工程增加大电网互联成为必然1.2电能系统负荷与负荷曲线1.2.1电能系统的负荷与分类认识负荷系统中所有用电设备消耗的功率总和就是电力系统的负荷。负荷构成负荷分类根据用户对供电可靠性的不同要求，我国将负荷分为以下三级：一级负荷：对这一级负荷中断供电的后果是极为严重的二级负荷：对这一级负荷中断供电将造成大量减产，使大量居民的正常活动受到影响等三级负荷：对这一级负荷短时供电中断不会造成重大的损失1.2.2电能系统负荷曲线及其特性系数负荷曲线描述负荷与时间关系的特性曲线。根据需要可分为：有功负荷曲线和无功负荷曲线日负荷曲线、月负荷曲线和年负荷曲线负荷曲线的用途指导电力系统的生产计划、检修计划1.2.2电能系统负荷曲线及其特性系数日负荷曲线1.2.2电能系统负荷曲线及其特性系数日负荷曲线的特性系数一天24h内的电能消耗：曲线中平均负荷：负荷系数：年负荷曲线年运行最大负荷曲线又称运行年负荷曲线。描述一年内每月或每日最大有功功率负荷变化的情况，它主要用来安排发电设备的检修计划，同时也为制订发电机组或发电厂的扩建或新建计划提供依据。年负荷曲线年持续负荷曲线按一年中负荷的数值大小及其持续小时数顺序排列而绘制成，用于安排发电计划和进行可靠性估算。参见教材的曲线绘制方法年负荷曲线年内电能消耗：最大负荷利用小时数：

不同工作性质的用户，Tmax差别很大；反映了设备的利用程度和用户负荷平稳程度。1.2.3电能负荷的计算负荷计算的意义 决定电气设备选择是否合理并确保安全运行。计算负荷的定义 是按发热条件选择电气设备的等效负荷，

用表示。负荷计算方法 需要系数法、二项式系数法等。需要系数法图1-12典型工厂、企业供电示意图需要系数法1.单台设备的计算负荷公式

（Pe为PN在某一工作制下的折算设备容量。）2.用电设备组的计算负荷 公式3.变压器低压测的计算负荷 公式1.3电能系统电压等级电压等级与电能系统的规模密切关联。额定电压：能使各种电气设备、电器等正常工作的电压,此时其技术性能和经济效果最好。2.额定电压等级：

由国家规定的各种标准额定电压。

作用：便于各种电力设备生产制造标准化和系列化。1.3电能系统电压等级的额定电压我国现行的电压系列西北系统330/110/35/10KV其它系统500/220/110/35/10KV新增20KV期待统一1.3电能系统电压等级煤矿常用电压等级及应用范围：36V及以下：井下电气设备控制及局部照明127V：井下照明及手持式电钻220V：矿井地面照明250V(DC)：电机车380V：小型矿井井下使用500V(DC)：井下电机车1.3电能系统电压等级电气设备额定电压的确定我国国家标准规定，一般供电设备的额定电压应高出系统和用电设备的额定电压的5％或10%，用以补偿正常负荷时线路上的电压损失，使设备获得近似额定的电压．受电设备的额定电压与系统额定电压相对应．1.3电能系统电压等级电气设备额定电压的确定(1)

确定电气设备额定电压的一般规律：

A.发电机：

额定电压VGN=1.05×系统额定电压

B.变压器：

受电侧额定电压VTN1

①

与发电机相连时，VTN1=VGN

②

与线路（系统）相连时，VTN1=VN电气设备额定电压的确定(2)

B.变压器

输出侧额定电压VTN2

①与35kV及以上线路相连

VTN2=1.1×VN②与35kV以下线路相连，但变压器的

VS%>7.5%，或连接长线路时

VTN2=1.1×VN③其他情况VTN2=1.05×VN电气设备额定电压的确定(3)

C.系统额定电压与设备额定电压

系统VN=用电设备VN

系统额定电压和设备额定电压值根据

GB规定（结合IEC推荐）确定．

用电设备（线路、电网）kV发电机（kV）变压器（kV）一次二次66.36及6.36.3及6.61010.510及10.510.5及11353538.5110110121220220242330330363500500550750750825电力网和电力设备的额定电压请根据下面系统图已知参数确定各电气元件的额定电压.6.3kV6.3/363/121kV110/10.5kV330/38.5kV6/0.4kV1.7三相电能系统中性点运行方式什么是中性点发电机或变压器的中性点。~/Y中性点ABCabc三相电能系统中性点运行方式分类中性点运行方式分两大类有效接地系统（大电流接地系统）直接接地小电阻接地非有效接地系统（小电流接地系统）不接地经消弧线圈接地高阻接地三相电能系统中性点运行方式分类国内目前主要的中性点接地方案：发电机的中性点不接地经避雷器接地变压器的中性点不接地经消弧线圈接地直接接地1.7.1中性点不接地系统当发生金属性接地时，接地故障相对地电压为零。中性点对地的电压上升到相电压，且与接地相的电源电压相位相反。非故障相对地电压由相电压升高为线电压。三相的线电压仍保持对称且大小不变，对电力用户接于线电压的设备的工作并无影响，无须立即中断对用户供电。单相接地电流，等于正常运行时一相对地电容电流的三倍，为容性电流。1.7.2中性点经消弧线圈接地发生单相接地故障时，通过消弧线圈使接地处流过一个与容性接地电流相反的感性电流，从而减小、甚至抵消接地电流，消除接地电弧引发的问题，提高供电可靠性。电容接地电流消弧线圈流过的电流完全补偿的条件即有：中性点经消弧线圈接地时电流消弧线圈的补偿方式完全补偿消弧线圈提供的电感电流等于接地电容电流，接地处电流为0。易满足谐振条件，形成串联谐振，产生过电压。欠补偿电感电流小于接地电容电流，单相接地时接地电流为容性。因线路停电或系统频率降低等原因使接地电流减少，可能出现

完全补偿。故一般也不采用。过补偿电感电流大于接地电流，单相接地电流为感性。过补偿方式在电网中得到广泛使用。但过补偿程度要合适.自动跟踪补偿：单片机或微机控制中性点经消弧线圈接地系统与不接地系统同样有着在发生单相接地故障时，可继续供电2小时，提高供电可靠性。电气设备和线路的对地绝缘应按线电压考虑。中性点经消弧线圈接地后，能有效地减少单相接地故障时接地处的电流，迅速熄灭接地处电弧，防止间歇性电弧接地时所产生的过电压。1.7.3中性点直接接地

图中性点直接接地的电力系统ABC

图中性点接地的三相四线制电力系统BCN单相设备三相设备1.7.4电力系统中性点运行方式110kV及以上：直接接地380V/220V：直接接地10kV～66kV：不接地经消弧线圈接地经低阻接地等1.7.4中性点接地方式综述中压配电网较复杂趋势：世界各国部分电网正在从小电流接地改为大电流接地方式。世界各国部分电网正在从大电流接地改为小电流接地方式。1.10安全接地电流对人体的危害保护接地的基本概念保护接地的技术要求1.10.1电流对人体的危害安全接地（或称保护接地）的目的是为了保护人身安全、防止触电事故的发生。电流对人体的伤害程度与通过人体的电流强度、持续时间、频率、路径及人体健康状况等因素有关。一般情况下通过人体的工频电流超过50mA时，心脏就会停止跳动，发生昏迷，并出现致命的电灼伤。工频100mA电流通过人体时，很快使人致命。1.10.1电流对人体的危害0.10.20.5125102050100200500100020005000100005000200010005002001005020101234接触时间/ms安全曲线图IEC提出的人体触电时间和通过人体电流（50Hz交流）对人身肌体反应的曲线1—人体无反应