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1、第三章 电力基础知识,电力系统与电力网 电力负荷 供电系统 供电质量 用户供电电压与电源的选择 无功功率补偿,电力系统的基本组成,第一节 电力系统与电力网,要求：了解电力系统与电力网的基本概念与基本参量,一、电力系统,发电厂 电力网 电力用户,或者说：由发电厂、电力网和电力用户就构成了电力系统。,电力系统是指完成电能生产、变换、输送、分配和消费的统一整体。,电力系统设备分类：一次设备：发电、输电、变电、配电、用电等二次设备：测量、监视、控制、继电保护、自动化、通信等,二、电力网,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。,电力网络组成：各电压等级的输电线路和各种类型的
2、变电所连接而成。,地方电力网：电压等级在35kV及以下、供电半径在2050km以内的电力网;区域电力网：电压等级在35kV以上、供电半径超过50km的电力网;超高压远距离输电网：电压等级为330500kV的电力网，一般由远距离输电线路连接而成。,电力网分类：输电网以高电压甚至超高电压将发电厂、变电站或变电所之间连接起来的送电网络，又称主网架。配电网将电能送到用户的网络称为配电网。分为高压配电网、中压配电网、低压配电网。,通常将220kV及以上的电力线路称为输电线路，110kV及以下的电力线路称为配电线路。配电线路又分为高压配电线路（110kV）、中压配电线路（635kV）和低压配电线路（380
3、/220V）。,图3.1-1电力系统、电力网示意图,1.总装机容量：指系统中实际安装所有机组额定有功功率的总和，以MW、GW计。,2.年发电量：指系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和，以MWh、GWh、TWh计。,3.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MW、GW计。,4.额定频率：50Hz,5.最高电压等级：指系统中最高电压等级线路的额定电压，以kV计。,1GW=103MW（100万千瓦）1MW=103kW（1000千瓦）,1MWh=103kWh（千度），1GWh=103MWh（100万度）1TWh=103GWh（10亿度），1kWh=1度,三、电力系统的基本参量和接
4、线图,6.地理接线图：主要显示系统中发电厂、变电所的地理位置，电力线路的路径以及它们之间 的联结。,某工厂35kV总降压变电所的主接线图,7.电气接线图：主要显示电力系统中发电机、变压器、母线、断路器、电力线路等主要电机、电器、线路之间的电气接线。,四、构成大型电力系统的优点,1提高供电的可靠性及供电质量。（容量大）,2可以减少系统的备用容量。,4便于发展大型机组。（单机容量大）,3通过合理分配负荷，可降低系统的高峰负荷，提高运行 经济性。（地域大）,5便于利用大型动力资源，特别是能充分发挥水力发电厂的作用。（水电、火电）,五、电力生产的特点,1电能不能大量储存。,2电力生产是高度集中、统一的
5、。,3电能使用最方便，适用性最广泛。,4电力生产在国民经济中具有先行性。,5过渡过程相当迅速，电力系统中各元件的投入或退出是在一瞬间完成的,第二节 电力负荷,电力系统总负荷是系统中所有用电设备消耗总功率的总和。,一、电力负荷,工业、农业、邮电、交通、市政、商业、城乡居民消耗功率之和综合用电负荷综合用电负荷网络损耗的功率供电负荷（供电量）供电负荷各发电厂本身消耗的功率发电负荷（发电量）,要求：了解电力负荷的基本参量与分类,（一）设备安装容量 设备安装容量PN（亦称设备功率）是指连续工作的用电设备铭牌上的标称功率PE。,（二）负荷与负荷曲线 电力负荷是指单台用电设备或一组用电设备从电源取用的电功率
6、，包括有功功率、无功功率和视在功率。,二、基本概念,负荷曲线,1负荷曲线的分类,按性质分：有功负荷曲线和无功负荷曲线 按负荷持续时间分：日负荷曲线、月负荷曲线和年负荷曲线,2负荷曲线的绘制,日负荷曲线：逐点描绘法、梯形曲线法,年负荷曲线：,年最大负荷曲线：或称运行年负荷曲线。,图 年最大负荷曲线,在某一段时间内用电设备有功、无功负荷随时间变化的图形.,日有功负荷曲线a）折线图 b）梯形图,全年时间负荷曲线：或称年负荷持续曲线。,图2-3 全年时间负荷曲线的绘制a）夏季典型日负荷曲线 b）冬季典型日负荷曲线 c）全年时间负荷曲线,（三）与负荷曲线有关的物理量,1年最大负荷和年最大负荷利用小时数,
7、年最大负荷Pmax：指全年中消耗电能最多的半小时的平均功率，即,年最大负荷利用小时数Tmax：在此时间内，用户以年最大负荷持续运行所消耗的电能恰好等于全年实际消耗的电能，如图所示。,可见：年负荷曲线越平坦，Tmax越大；年负荷曲线越陡，Tmax越小。,图 年最大负荷与年最大负荷利用小时数,2平均负荷与负荷系数,平均负荷Pav：电力负荷在一定时间t内平均消耗的功率，即,负荷系数：平均负荷与最大负荷的比值，即,年平均负荷为:,越大，负荷曲线越平坦，负荷波动越小。,图 年平均负荷,通过负荷的统计计算求出的、用以按发热条件选择导体和电气设备的一个假想的持续负荷值，称为计算负荷，用Pc（或Qc、Sc、I
8、c）表示。,3、计算负荷的意义,通常把根据半小时平均负荷所绘制的负荷曲线上的“最大负荷”称为计算负荷，并作为按发热条件选择电气设备的依据，因此,一般中小截面导体的发热时间常数为10min以上，而导体通过电流达到稳定温升的时间大约为34，即载流导体大约经半小时（30min）后可达到稳定温升值,确定计算负荷的系数,需要系数Kd：负荷曲线中的最大有功计算负荷Pmax与全部用电设备额定功率 之比值，（针对设备组而言）即,利用系数Ku：负荷曲线中的平均计算负荷Pav与全部用电设备额定功率 之比值，（针对设备组而言）即,（一）单台用电设备的计算负荷,对长期连续工作的单台用电设备：,对需要计及效率的单台用电
9、设备（如电动机）：,（二）用电设备组的计算负荷,式中，P30、Q30、S30的单位分别为kW、kvar、kVA；Kd为需要系数，可查表。,三、负荷的计算,（三）、按逐级计算法确定企业的计算负荷,逐级计算法是指从企业的用电端开始，逐级上推，直至求出电源进线端的计算负荷为止。,一般工业企业的供电系统图如3-7所示：,图3-7 负荷计算用供电系统,1.用电设备组的计算负荷（图3-7中的1点）,2车间变压器低压母线上的计算负荷（图3-7中的2点）,注意：当变电所的低压母线上装有无功补偿用的静电电容器组，其容量为，则,为同时系数,3.车间变压器高压侧的计算负荷（图3-7中的3点）,注意：若求计算负荷时车
10、间变压器的容量和型号尚未确定，变压器的功率损耗可按近似公式进行计算，即,对SL7、S9、SC9等低损耗变压器：,对SJL1等变压器：,4.车间变电所高压母线上的计算负荷（图3-7中的4点）,5.总降压变电所出线上的计算负荷（图3-7中的5点）,由于工业企业厂区范围不大，高压线路中的功率损耗较小，在负荷计算中可以忽略不计，所以有,6.总降压变电所低压母线上的计算负荷（图3-7中的6点）,注意：如果在总降压变电所610kV二次母线侧采用高压电容器进行无功补偿，其容量为，则,7.企业总计算负荷（图3-7中的7点）,（四）单相用电设备计算负荷的确定当单相用电设备的总容量小于三相设备总容量的15时，不论
11、单相设备如何分配，均可直接按三相平衡负荷计算；若单相用电设备的总容量大于三相用电设备总容量的15时，则需将其换算成三相等效负荷后，再参与负荷计算。单相用电设备换算为三相等效设备容量的方法如下：单相设备接于相电压时，将三相线路中单相用电设备容量最大的一相乘以3作为三相等效设备容量。单相设备接于线电压时，首先应将接于线电压的单相设备容量换算为接于相电压的设备容量，然后再分相计算各相的设备容量，取最大负荷相的设备容量的3倍来作为等效的三相负荷容量。,四、电力负荷的分类,（一）按用电的部门属性来划分工业用电 农业用电交通运输用电 市政生活用电,（二）按负荷大小划分1、最大负荷2、最小负荷3、平均负荷,
12、（三）按使用电力的目的划分动力用电、照明用电、电热用电、各种电气设备仪器的操作控制用电及通讯用电。,（四）按用电用户的重要性划分,供电方式:由两个独立电源供电。,1一级负荷：中断供电将造成人身伤亡，重大设备损坏，重大产品报废，或在政治、经济上造成重大损失。,2二级负荷：中断供电将造成主要设备损坏，大量产品报废，重点企业大量减产，或在政治、经济上造成较大损失。,供电方式:由双回路供电。,3三级负荷：所有不属于一、二级负荷的电力负荷。,供电方式:对供电电源无特殊要求。,（五）按年最大负荷预测的时间长短划分1.5年以内为短期负荷；2.1015年为中期负荷；3.1530年为长期负荷。（六）按电能的生产
13、和销售过程划分分为：发电负荷、供电负荷、用电负荷。（七）按国民经济行业用电划分1.农、林、牧、渔、水利业；2.工业；3.地质普查和勘探业；4.建筑业；5.交通运输业；6.商业、公共饮食业、宾馆、广告、物资供销和仓储业的用电；7.其他事业。,五、用电设备的工作制,1连续运行工作制（长期工作制）,2短时运行工作制（短时工作制）,3断续周期工作制（反复短时工作制）,暂载率（负荷持续率）：指设备工作时间与工作周期的百分比值，即,吊车：标准暂载率有15%、25%、40%和60%四种,电焊机：标准暂载率有50%、65%、75%和100%四种,第三节 供电系统,第一个字母表示电力（电源）系统对地关系。如T表
14、示是中性点直接接地；I 表示所有带电部分绝缘（不接地）。第二个字母表示用电装置外露的金属部分对地的关系。如T表示设备外壳接地，它与系统中的其他任何接地点无直接关系；N表示负载采用接零保护。第三个字母表示工作零线与保护线的组合关系。如C表示工作零线与保护线是合一的（我们称零地合一），如TN-C；S表示工作零线与保护线是严格分开的，所以PE线称为专用保护线，如TN-S。,一、供电线路符号,要求：了解供电系统的分类,工作接地：根据电力系统运行的需要，人为地将电力系统中性点或电气设备的某一部分进行接地。保护接地：为保证人身安全、防止触电事故，将电气设备的外露可导电部分与地作良好的连接。,TN系统：TN
15、系统的电源中性点直接接地，并引出有中性线（N线）、保护线（PE线）或保护中性线（PEN线），电气设备的外露可导电部分与PE线或PEN线相连。,TN-S系统：系统中的N线与PE线完全分开，所有设备的外露可导电部分均接PE线，如图b所示。TN-C-S系统：系统中前面线路采用TN-C系统，而后面线路部分或全部采用TN-S系统，所有设备的外露可导电部分接PEN线或PE线，如图c所示。,TN系统示意图a）TN-C系统 b）TN-S系统 c）TN-C-S系统,TN-C系统：系统中N线与PE线合为一根PEN线，所有设备的外露可导电部分均接PEN线，如图a所示。,TT系统：TT系统的电源电源中性点直接接地，系
16、统中电气设备的外露可导电部分均经各自的PE线分别直接接地，如图所示。IT系统：IT系统的电源系统的中性点不接地或经高阻抗（约1000）接地，系统中电气设备的外露可导电部分均经各自的PE线分别直接接地，如图所示。,TT系统示意图,IT系统示意图,第四节 供电质量,电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。,频率偏差,额定频率：50Hz,允许偏差：电网容量3000MW及以上者，0.2 Hz；,电网容量3000MW以下者，0.5 Hz。,要求：理解供电质量的具体指标及电能质量的基本参量,电压偏差的危害,白炽灯：电压低时，寿命延长，但发光效率降低，照度下降；,电压高时，发光效率增加，但使用寿
17、命大大缩短。,，电压低时，转矩将急剧减小，电流,由于,电动机：,增大，使电动机绕组绝缘过热受损，缩短使用寿命。,电压偏差的允许值,35kV及以上电压供电的用户：5%(正负偏差绝对值和不超过10%)10 kV及以下高压供电和低压电力用户：7%低压照明用户：7%10%,电压偏差,电压偏差是指用电设备的实际电压与额定电压之差，用占额定电压的百分数来表示,正确选择变压器的电压分接头；合理减少系统的阻抗；采用有载调压变压器；根据电力系统潮流分布,改变系统的运行方式；采用无功功率补偿设备等。,改善电压偏差的措施,电压波动产生的原因：是由负荷急剧变动引起的。,闪变是指人眼对因电压波动引起灯闪的一种主观感觉，
18、引起灯闪的电压称为闪变电压。,电压波动的允许值,使电动机无法正常起动，引起同步电动机转子振动；使某些电子设备无法正常工作；使照明灯发生明显的闪烁现象等。,10 kV及以下电网：2.5%35110 kV电网：2%220KV及以上电网:1.6%,电压波动的危害,电压波动与闪变,电压波动是指电网电压短时、快速的变动，用电压最大值与最小值之差对电网额定电压的百分比表示，即,对负荷变动剧烈的大型电气设备，采用专线或专用变压器供电；增大供电容量，减小系统阻抗；增加系统的短路容量或提高供电电压；改进生产工艺操作水平；对大型冲击性负荷，可装设能吸收冲击无功功率的静止型无功补偿装置（SVC）。,电压波动及闪变的
19、抑制,谐波产生的原因：是由于电力系统中存在各种非线性元件。,波形畸变程度的几个特征量,谐波电压总含量：,谐波电流总含量：,电压总谐波畸变率：,电流总谐波畸变率：,谐波,谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解后所得到的频率为基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波。,使变压器和电动机的铁芯损耗增加，引起局部过热，同时振动和噪声增大，缩短使用寿命；使线路的功率损耗和电能损耗增加，并有可能使电力线路出现电压谐振，产生过电压，击穿电气设备的绝缘；使电容器产生过负荷而影响其使用寿命；使继电保护及自动装置产生误动作；使变压器使计算电费用的感应式电能表的计量不准；对附近的通信线路产生信号干扰，使数
20、据传输失真等。,（谐波的危害）,三相整流变压器采用Y，d或D，y接线；增加整流器的相数；在谐波源处装设专用滤波器；限制晶闸管整流设备投入电网的容量；,三相电压不平衡度,指三相系统中三相电压的不平衡程度，用电压负序分量有效值与额定电压有效值的百分比来表示，即,谐波电压限值和谐波电流允许值：见教材48页,谐波的抑制,UAB（1）、UBC（1）、UAC（1）基波三相线电压实际值，单位为伏特（V）,影响变换器及其控制系统的正常工作并改变其设计性能，产生附加的非特征谐波分量；使旋转电机的转子受到反方向的负序旋转磁场的作用，产生双倍频率的附加电流，使电机发热甚至烧毁；使继电保护装置产生误动和拒动。,产生三
21、相电压不平衡的原因：三相负荷不对称。,（三相电压不平衡的危害）,电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2，短时不得超过4。标准还规定对每个用户电压不平衡度的一般限值为1.3，短时不超过2.6%。,可靠性,供电可靠率,供电可靠性是持续供电能力的度量。,某一统计期内，实际供电时间与本统计期全部时间的比值的百分数表示，即：,，,Ty统计期实际供电时间之和，单位为小时（h）；Ts统计期全部时间，单位为小时（h）；Tt统计期内停电时间之和，单位为小时（h）；ti统计期内每次停电时间，单位为小时（h）。,用户平均停电时间：用户在统计期间内的平均停电小时数。用户平均停电次数：用户在统计期间内的平均停电次
22、数。用户平均故障停电次数：用户在统计期间内的平均故障停电次数。,线路电压损失 由于线路存在阻抗，当输送一定负荷时，线路首末端将存在电压之差；由于受导线截面的限制和线路电压损失的要求，每一标称电压下线路的输电能力是有限的。电压的选择（一）供电电压的选择一般用户的供电电压为610 kV;大中型工业企业的供电电压可为35 kV。（二）高压配电电压的选择,第五节 用户供电电压与电源的选择,高压配电电压一般采用610 kV（10 kV技术经济指标好）,（三）低压配电电压的选择,我国是380/220 V,要求：了解供电电压与电源的选择,第六节 无功功率补偿,一、功率因数低的不良影响（同无功补偿的作用、提高
23、功率因数的意义，结合并联电容器的作用）,1使供电网络中的功率损耗和电能损耗增大。,2使供电网络的电压损失增大，影响负荷端的电压质量。,3使供配电设备的容量不能得到充分利用，降低了供电能力。,4使发电机的出力下降，发电设备效率降低，发电成本提高。,因为功率因数越低，在保证输送同样的有功功率时，系统中输送的总电流越大，从而使输电线路上的功率损耗和电能损耗增加。,由于发电机、变压器都有一定的额定电压和额定电流，在正常情况下不允许超过额定值，根据，功率因数越低，输出的有功功率越小，使设备的容量不能得到充分利用，降低了供电能力。,由于有功功率P=Scos，当设备的视在功率S一定时，如果功率因数cos 提
24、高，P也随之增大，电气设备的出力也就提高了。,由于，当P、R、X 一定时，功率因数越低，Q越大，则 越大。,要求：掌握提高功率因数的意义；掌握无功功率补偿的方法与原理,二、无功功率补偿及其方法,1、基本原理：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿。,我国供电部门每月向工业用户收取电费，就是按月均功率因数的高低来调整的。并规定：高压供电的用户，其功率因数不应低于0.9，其他电力用户的功率因数不应低于0.
25、85。若达不到以上要求，应进行人工补偿，否则要加收电费。,2提高功率因数的补偿法,采用异步电动机同步化,采用同步电动机,采用同步调相机,静电电容器具有重量轻、安装方便、投资小、故障范围小、有功功率损耗小、易于维护等优点，是目前工业企业中应用最广泛的无功补偿装置。,调节同步电动机的励磁电流，使其在超前功率因数下运行，就能向电网输送无功功率，因而能提高企业的功率因数。,同步调相机实质上是空载运行的同步电动机，专门向电网输送无功功率，大容量的同步调相机主要装设在电力系统的区域性变电所，作为该地区的无功补偿电源，用于提高该地区的功率因数和电压质量。,采用移相电容器（即静电电容器）,这种方法有一定的效果
26、，但自身损耗大，一般不采用。,三、并联电容器补偿无功功率,（一）原理 在工业企业中，绝大部分电气设备的等值电路可视为电阻R和电感L的串联电路，其功率因数可表示为：,当在R、L电路中并联接入电容器C后，如图所示，回路电流为：,电容器无功补偿原理图,可见，并联电容器后 与 之间的夹角变小了，因此，供电回路的功率因数提高了。,欠补偿：补偿后电流 落后电压。,过补偿：补偿后电流 超前电压。,（二）电容器的接线方式与装设位置,一般都不采用过补偿，因为这将引起变压器二次侧电压的升高，会增大电容器本身的损耗，使温升增大，电容器寿命降低，同时还会使线路上的电能损耗增加。,1电容器的接线方式,低压电容器一般接成
27、三角形。高压电容器组宜接成星形，但容量较小（450kvar及以下）时可接成三角形。,由于，而，因此电容器接成三角形时的容量为采用星形接线时的3倍。但是，电容器采用三角形接线时，任一电容器击穿将造成两相短路，有可能发生电容器爆炸；而采用星形接线时，若一相电容器击穿，短路电流数值相对较小。因此星形接线较之三角形接线安全多了。,2电容器的装设位置（补偿方式）,高压集中补偿：将高压电容器组集中安装在企业或地方总降压变电所610kV母线上。（易过补偿)低压分组补偿：将低压电容器组分散安装在各车间变电所低压母线上。(与部分负荷同时投入或切除，效果较好）个别补偿：将电容器组直接安装在需要进行无功补偿的各个用
28、电设备附近。（与设备同时投入或切除，效果最好）,必须指出：电容器从电网上切除后有残余电压，其最高可达电网电压的峰值。所以电容器组应装设放电装置，且其放电回路中不得装设熔断器或开关设备，以免放电回路断开，危及人身安全。,对高压电容器，通常利用母线上电压互感器的一次绕组来放电；对分散补偿的低压电容器组，通常采用白炽灯的灯丝电阻来放电；对就地补偿的低压电容器组，通常利用用电设备本身的绕组来放电。,六、补偿容量的计算,电容器的补偿容量可用下式确定（图3-9）:,式中，P30为最大有功计算负荷（kW）；和 分别为补偿前、后的功率因数角的正切值；称为补偿率或比补偿功率（kvar/kW）。,图3-9 功率因数与无功功率和视在功率的关系,例题：已知：f=50 Hz,U=220 V,P=10 kW,cos=0.6，要使功率因数提高到0.9,求并联电容C，并联前后电路的总电流各为多大？解：,未并电容时：,并联电容后：,
