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1、第一章 电力系统基本知识2023年3月12日,电力系统基本知识,电力系统概述用电负荷变、配电所电能质量电力系统短路概述电力系统接地概述,第一节 电力系统概述,电力系统及其组成,电力系统：由各种电压等级输配电线路，将发电厂、变电所和用户连接成 一个整体，完成发电、输电、变电、配电、用电过程，称为电力系统。电力网：是将各个电压等级的输电线路和各种类型的变电所连接成网络，就是电力系统中的输电、变电、配电三个部分称为电力网。,动力系统 电力系统 电力网关系示意图,电力系统及电力网示意图,各种类型的发电厂,发电厂是生产电能的工厂，它将蕴藏于自然界中的一次能源转换为电能，根据其所利用的电能不同，分为：火力
2、发电厂 水力发电厂 核能发电厂 风力发电厂 地热发电厂 太阳能发电厂 潮汐发电厂,火力发电厂,利用煤炭、石油、天然气等可燃物为原料来发电的工厂，其能量转换过程为：燃料的化学能热能机械能电能,水力发电厂,利用江河所蕴藏的水力资源来发电,其能量转换过程是：水的位能机械能电能,核能发电厂,基本原理：核燃料的裂变能热能机械能电能,其他新能源发电,风力发电太阳能发电,其他新能源发电,地热发电潮汐发电,大型电力系统的技术经济优点,提高供电可靠性减少系统的备用容量减少系统的峰谷差提高供电质量有效利用水力等一次动力资源的作用,电力网分为输电网和配电网,输电网：交流：高压（220kV）超高压（330kV,500
3、kV,750kV）特高压（1000kV及以上）直流：高压（500kV及以下）特高压（800kV）,配电网,直接将电能配送到用户的网络称为配电网；高压配电网（35kV，110kV及以上）中压配电网（20kV，10kV，6kV，3kV）低压配电网（220V，400V）,20kV中低压配电系统的优点,提高了中压配电系统的容量降低了线路上的电压损失增大了中压配电网的供电半径降低线损,电力生产的特点,同时性 电能不能大量储存，发电和用电时刻保持平衡，因此电能的生产和运输、分配和转换成其他形态的能量，必须同时完成。集中性 电力生产高度集中，要求电力网所有电力生产，必须同一调度，同一质量保证，统一管理。,电
4、力生产的特点,适用性 绿色能源，清洁能源，不受时间、空间、地点、气温、天气等限制。先行性 人民生活对电力能源的依赖，工农业生产，国民经济等因素，决定装机容量、发电量和供电量的增长速度。,负荷曲线,实际的系统负荷时随时间变化的，变化的规律用负荷曲线描述，常用的负荷曲线有日负荷曲线和年负荷曲线：,负荷曲线,高峰负荷 选一天24h中最高的一小时的平均负荷作为高峰负荷。低谷负荷 低谷负荷是指电网中用户在一天24h内，发生用电量的最少的电量。平均负荷 是指电网中或某用户在某一段确定的时间段内平均小时用电量。日平均负荷 即一天的用电量除以一天的用电小时。,用电负荷,用电负荷是用户在某一时刻对电力系统所需求
5、的功率。分类 按用户的重要程度和对供电可靠性的要求，将电力负荷分为三类。,用电负荷分类,一类负荷 指突然中断供电将会造成人身伤亡或会引起对周围环境严重污染，造成经济上巨大损失；以及突然中断供电将会造成社会秩序严重混乱或政治上的严重影响的用电负荷。供电要求：一类负荷用电设备，应加两个以上的独立电源供电，并辅之以其他必要的非电力电源的保安措施。,用电负荷分类,二类负荷 指突然中断供电将会造成较大的经济损失；以及突然中断供电将会造成社会秩序混乱或政治上的较大影响的用电负荷。供电要求：采用双回路线供电，两回路线应尽量引自不同变压器或两段母线。,用电负荷分类,三类负荷 指不属于一类负荷和二类负荷的其他负
6、荷，对此类负荷，突然中断供电所造成损失不大或不会造成直接损失。,变、配电所,变、配电所是电力网中的线路连接点，是用以变换电压、交换功率和汇集、分配电能的设施。它主要由主变压器、配电装置及测量、控制系统等构成，是电网的重要组成部分和电能传输的重要环节，对保证电网安全、经济运行具有举足轻重的作用。,变、配电所,变电所分类,根据其在系统中的位置、性质、作用及控制方式等，可分为：枢纽变电所区域变电所地区变电所用户变电所地下变电所无人值班变电所,一次电气设备,变、配电所中用来承担输送和分配电能任务的电路，称为一次电路或电气主接线。一次电路中所用的电气设备，称为一次设备。,常用的一次电气设备,主变压器 在
7、降压电所内变压器是将高电压改变为低电压电气设备。在10kV变电所内，主变压器是将10kV电压变为380220V，供给380220V的负荷。,高压断路器 高压断路器是作为保护变压器和高压线路的保护电器，它具有开断正常负荷和过载、短路故障的保护能力。,常用的一次电气设备,隔离开关隔离开关是隔离电源用的电器,电压互感器（PT）电压互感器是将系统的高电压转变为低电压，供保护和计量用。电流互感器(CT)电流互感器将高压系统中的电流或低压系统中的大电流转变为标准小电流，供保护和计量用。,常用的一次电气设备,电压互感器 电流互感器,常用的一次电气设备,熔断器 当电路发生短路或过负荷时，熔断器能自动切断故障电
8、路，从而使电器设备得到保护。负荷开关 负荷开关是用来不频繁的接通和分断小容量的配电线路和负荷，起到隔离电源的作用。,常用的一次电气设备,熔断器 负荷开关,变电所的常用电气主接线,变电所主接线是电气部分的主体，将变压器、断路器等各种电气设备通过母线、导线有机的联结起来，并配置避雷器、互感器等保护、测量电器，构成变电所汇集和分配电能的一个系统。1、电气主接线的基本要求 1）保证必要的供电可靠性和电能质量。2）具有一定的灵活性和方便性。3）具有经济性。4）具有发展和扩建的可能性。,电气主接线,500kVA及以下变电所主接线,变电所的常用电气主接线,2、变电所主接线形式 变电所的主接线形式，根据电源数
9、和引出线的数设置，考虑当负荷减少或电气设备检修，每一电源点或出线均有可能被切除。因此，必须使每一引出线能从电源点获得供电，保证供电的可靠性和灵活性。常见变电所主接线形式有以下几种：1）不分段单母线接（用于单电源）2）用断路器分段的单母线接线（双电源）3）单母线分段带旁路母线接线（双电源）4）双母线带旁路母线接线（考虑出线断路器检修，用旁路带）5）桥式接线（分段断路器在变压器侧的内桥、分段断路器在线路侧的外侨）6）单断路器双母线接线（双断路器双母线、3/2双母线接线）,电能质量,供电质量指电能质量与供电可靠性。电能质量包括电压、频率和波形的质量。电压：1.供电电压允许偏差 2.电压允许波形和闪变
10、 3.装设无功补偿装置和调压措施,电能质量：电压,（一）供电电压允许偏差（GB/T1232-2008供电电压允许偏差定义：实际运行电压对系统标称电压的偏差对应值。用百分数表示）额定电压：按长期正常工作时有最大经济效果而规定的电压。统一电力网的额定电压，能够使电气设备标准化和规范化。供电电压允许偏差 在某一时段内电压幅值缓慢变化而偏离额定值的程度，以电压实际值和电压额定值之差U与电压额定值UN之比的百分数用U%来表示：,UN 检测点电网电压额定值（V）,U 检测点上电压实际值（V）,U%,电能质量：电压,电压过高和过低的危害：1）过高会损坏设备（导致设备绝缘老化）；2）过低会 烧坏电动机；TU2
11、 T异步电动机的转矩 U起动电压（U很低，异步电动机不能启动，使异步电动机的定子、转子严重发热）3）电力网损耗增加；我国国家标准规定电压偏差的允许值为：1）35kV及以上电压供电，电压允许偏差为额定电压的5%。2）10kV及以下三相供电，电压允许偏差为额定电压的7%。3）220V单相供电，电压允许偏差为额定电压的+7%、-10%。对电压有特殊要求用户，供电电压允许偏差有供用电协议确定。,电能质量：电压,（二）电压允许波动和闪变（1）电压允许波动（原因）在某一时段内，由于负荷急剧变化，引起电压急剧变化，而偏离额定值的现象，称为电压允许波动。（危害）导致电动机无法启动；电子设备、计算机、自控设备等
12、无法正常工作；还会使照明灯光闪烁，影响视觉。用电压最大值和电压最小值之差与额定电压之比的百分数U%来表示。,U%,UN 额定电压（V）,Umax、Umix 某一时段内电压波动最大值和最小值（V）。,电能质量：电压,我国国家标准规定电压波动允许值为：1）220kV及以上为1.6%；2）35kV-110kV为2%；3）10kV及以下为2.5%。（2）电压闪变（人眼对灯闪的主观感觉）周期性电压急剧波动引起灯光闪烁，光通量急剧波动，造成人的视觉不舒适现象，称为闪变。,电能质量：电压,为了保证电压质量合乎标准，往往需要装设必要的无功补偿装置和采取一定的调压措施常用的电压调整措施有：1.正确选择变压器的变
13、比和电压分接头2.降低系统阻抗3.使三相负荷平衡4.采取补偿无功功率措施5.合理改变供电系统运行方式,电能质量：频率,电网中发电机发出的正弦交流电压每一秒钟交变的次数，称为频率。我国系统标称频率为50HZ，国外有60HZ的。频率偏差是以实际频率和额定频率之差f 与额定频率fN之比的百分数f%来表示。,f%,f实际供电频率值（Hz）,f N 供电网额定频率值周/秒（Hz）,电能质量：频率,频率不合格的原因:1）发电容量不足 2）用户未使用负控装置、低频减载装置 我国电力系统的正常频率偏差允许值为0.2Hz，当系统容量较小时，频率偏差值可以放宽到0.5Hz；电网装机容量 300万千瓦 0.1Hz。
14、用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过0.2Hz，根据冲击负荷性质和大小以及系统的条件也可适当变动限值，但应保证近区电力网、发电机组稳定运行和用户的用电安全，以及正常供电。系统有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原因。,电能质量：频率,频率过高过低的危害 频率过高，电动机转速升高，增加功率损耗，对电动机转速要求严格的制造业，影响产品的产量和质量；频率过低，导致电动机功率降低，影响电动机出力，导体发热，绝缘损毁，减少其寿命。危及电力系统的稳定运行。与频率有关的电子钟、计算机、自动控制等电子设备的正确运行。,电能质量：波形,日常用的交流电是正弦交流电，正弦交流电的波形要求的严格的正弦波（包括电压
15、和电流）。当正弦波不是严格的正弦波时，它就有很多的高次谐波成分，谐波对电气设备的危害很大。典型的谐波产生源（电子开关型，铁磁饱和型，电弧型）,电能质量：波形,谐波种类偶次谐波:2nd,4th,6th,8th 奇次谐波:3rd,5th,7th,11th 正序谐波:(3n+1)4th,7th,10th负序谐波:(3n-1)2nd,5th,8th零序谐波:(3n)3rd,6th,9th电压谐波总畸变率(失真率):V(THD),电能质量：波形,谐波对电气设备的危害：a）变压器：使铁损增加，变压器过热，绝缘老化加速，影响使用寿命，噪音增大，电动机转子发生震动；b）电容器：因电容器对谐波的阻抗很小，易发生
16、过电流发热导致绝缘击穿甚至甚至造成烧坏；c）电力线路：使电力线路的电能损耗和电压损耗增加，使感应式电能表计量不准；d）电力系统：易使电力系统产生电压谐振，引起线路过电压，有可能击穿电路绝缘；还可能造成继电保护和自动装置发生误动作或拒动作等；e）通讯：对附近的通讯系统产生信号干扰。,电能质量：波形,保证交流电波形是正弦波，遵循以下要求：1.要求发电机发出符合标准的正弦波形电压2.要求在电能输送和分配过程中，不应使波形发生畸变3.还应注意消除电力系统中可能出现的其他谐波源,电能质量：波形,谐波抑制措施 在产生谐波含量较大的负荷点装设电力滤波器是抑制谐波电流流入电网而造成危害的一个重要措施。电力滤波
17、器的另一个作用是提供部分以至全部容量的无功补偿以改善负荷的功率因数。对于无功冲击较大的负荷,往往需要安装快速动态无功补偿装置（如静止无功补偿器）和电力滤波器。无源谐波滤除装置用电抗器与电容器串联起来，组成LC 串联回路，并联于系统中。滤波的效果较差，基本能满足国家对谐波的限制标准和对无功的要求。主要是由电力电子元件组成电路，使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。效果好，制造成本较高。,电力系统短路概述,电力系统中相与相之间或相与地（对中性点直接接地系统而言）之间通过金属导体、电弧或其他较小阻抗连接而形成的非正常状态称为短路。,短路的类型,三相短路两
18、相短路单相接地短路两相接地短路其中单相接地短路故障最多，占全部故障的90%。在中性点非直接接地的电力系统中，短路故障主要是各种相间短路。,短路的类型,短路的类型,短路的原因设备长期运行，绝缘自然老化设备本身设计、安装和运行维护不良绝缘材料陈旧因绝缘强度不够而被工作电压击穿被过电压（包括雷击过电压）击穿设备受到外力损伤工作人员未遵守安全操作规程而发生误操作误将低电压设备接入较高电压的电路中电力线路发生断线和倒杆事故,短路的危害,短路的危害 1）电动力：短路点附近出现大电流，导体间产生很大的机械应力，破坏导体和支架。2）发热：短路后的大电流时设备发热严重，设备可能过热以致损坏甚至引起电气火灾。3）
19、电压下降：短路点附近电压大幅度下降，影响用户用电，特别对异步电动机（电磁转矩同端电压平方成正比）影响严重。4）影响电力系统稳定：造成失步，引起大面积停电。5）不对称短路，危害通信：不平衡电流产生的磁通影响附近的通讯线路。,短路的危害,短路计算的目的1）便于选择电气设备时进行动稳定、热稳定校验，和断路器的断流能力校验；2）便于继电保护和自动装置的整定计算；3）确定限流措施；4）对稳定性研究提供依据。,限制短路电流的方法,选择合适的接线方式采用分裂绕组变压器和分段电抗器采用线路电抗器采用微机保护及综合自动化装置,电力系统接地概述,电气接地一般可分为：工作接地和保护接地工作接地：是指配电变压器或是低
20、压发电机的中性点通过接地装置与大地相连。是为了保证在线路发生故障（绝缘损坏、相间短路等），接地短路电流经中性线构成回路，大的短路电流使保护动作，线路断开。保护接地：是指将电气设备的金属外壳、配电装置的金属构架等外露可接近导体与接地装置相连。接地保护是防止电击的基本措施。,低压系统的接地形式文字代号,第一个字母表示电力系统的接地，有“T”和“I”。“T”表示直接接地；“I”表示所有带电部分与地绝缘，或一点劲阻抗接地。第二字母表示装置的外露可接近导体的对地关系：“T”表示外露可接近导体对地直接电气连接，接地点与电力系统的接地点无直接关系；“N”表示外露可接近导体通过保护线与电力系统的接地点直接连接
21、；“S”表示中性线和保护线是分开的；“C”表示中性线和保护线是合一的。,中性点直接接地系统,指电力系统中至少有一个中性点直接或经小阻抗与接地装置相联接。（110kV及以上采用，以及低压配电系统中广泛采用）（作用）使中性点经常保持零电位。（优点）系统发生一相接地故障时，限制非故障相对电压的升高，保证单相用电设备的安全。（缺点）接地电流很大；继电保护动作，断路器跳开，造成停电；发生人身一相对地电击时，危险性较大。,中性点不接地系统,我国10kV、6kV电网，为提高供电的可靠性，一般采用中性点不接地的运行方式。当三相中任何一相发生接地故障时，系统仍能保持对称，非故障相对地电压上高可达 倍，但接地相对地电压下降，对地电容电流也发生改变，中性点电位不在为零。可以继续为用户供电2h。,中性点经消弧线圈接地,35kV电网中性点多采用消弧线圈接地，主要是当发生单相接地时形成一个与接地电流的大小接近相等的电感电流，对接地电流起补偿作用。根据消弧线圈的电感电流对接地电容电流补偿程度的不同，分为下列三种补偿方式：全补偿欠补偿过补偿,电力系统接地概述,结论1 接地相对地电压降低，最低为零结论2 未接地相对地电压升高，最高升至 倍，即等同线电压。结论3 各相间电压的大小和相位仍然不变可以继续运行2小时结论4 接地点有 电容电流流过，可有电弧形成。,
