1、电 力 系 统,教材及参考资料 陈珩，电力系统稳态分析，中国电力出版社，1995.1 华智明，电力系统稳态计算，重庆大学出版社，1995.11 何仰赞等，电力系统分析（上、下册），华中理工大学出版 社，1994.5,第一章 电力系统的基本概念 基本内容：,近代电力系统的定义、基本参量和结线图 1）电力系统2）电力网络3）配电系统 对电力系统运行的基本要求-1）优质2）可靠3）经济 各种结线方式的特点和各种电压等级的适用范围 中性点，电力元件的额定电压 电力系统工程学科和电力系统分析课程的内涵 我国电力工业和电力系统的现状与发展前景 难点：变压器的额定电压,第一节 电力系统概述 一、电力系统的形
2、成和发展1) 1831年法拉第发现了电磁感应定律。在此基础上，很快出现了原始的交流发电机、直流发电机和直流电动机。2) 1882年第一次出现了高压输电(15002000V)。3) 1885年在制成变压器的基础上，实现了单相交流输电。4) 1891年在制成三相变压器和三相异步电动机的基础上，实现了三相交流输电。,5) 1891年在法兰克福的国际电工技术展览会上，在德国人奥斯卡冯密勒主持下展出的输电系统，奠定了近代输电技术的基础。该系统包括发电机组（水轮机）、升压变压器、输电线路、降压变压器、负荷（异步电动机和白炽灯），规模为25kV、230kVA、178km。后来运用三相交流制的发电厂迅速发展，
3、而直流制不久便被淘汰。汽轮发电机组又取代了以蒸汽机为原动机的发电机组，发电厂之间出现了并列运行，输电电压、输送距离和输送功率不断增大，更大规模的电力系统不断涌现。 电力系统的发展经历了： 直流交流 单相三相 低压高压,二、近代电力系统,1) 近代电力系统现状 与100余年前电力系统的雏形相比，近代电力系统不仅在输电电压、输送距离、输送功率等方面有了千百倍的增长，而且在电源构成、负荷成分等方面也有很大的变化；同时近代电力系统在运行管理上实现了高度自动化。 当前世界上交流输电线路的输电电压已超过1000kV，输送距离已超过1000km，输送功率已超过5000MW。而个别跨国电力系统中发电设备的总容
4、量则已超过400GW。,2)电力系统的定义广义的电力系统应该是由锅炉、反应堆、汽轮机、水轮机、发电机等生产电能的设备，变压器、电力线路等变换、输送、分配电能的设备，电动机、电热电炉、电灯等各种消耗电能的设备，以及未示于图1-1中的测量、保护、控制装置乃至能量管理系统所组成 的统一整体，是一个十分庞大而复杂的研究对象。（一般的电力系统不含动力设备。） 电力系统中，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常称电力网络，即图1-1中虚线所框出的部分。,图1-1 电力系统和电力网络示意图,三、电力系统的基本参量和结线图,1）总装机容量：指该系统中实际安装的发电机额定有功功率的总和，以千
5、瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）计。 2）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，以兆瓦时（MWh）、吉瓦时（GWh）、太瓦时（TWh）计。 3）最大负荷：指规定时间，如一天、一月或一年内，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）计。 4）额定频率：国家标准规定，我国所有交流电力系统的额定频率均为50Hz。国外则有额定频率为60Hz或25Hz的电力系统。,5）最高电压等级：指该系统中最高电压等级电力线路的额定电压，以千伏（kV）计。 6）地理结线图：主要显示该系统中发电厂、变电所的地理位置，电力线路的路径，以及它们相互间的联结。地理结线图
6、可获得对该系统的宏观印象。但是由于地理结线图很难表示各主要电机、电器间的联系，对该系统的进一步了解，还需阅读电气结线图。 7）电气结线图：主要显示该系统中发电机、变压器、母线、断路器、电力线路等主要电机、电器、线路之间的电气结线。,第二节 我国电力工业和电力系统简介,一、我国电力工业概况 1882年:上海建了我国第一个电厂 1949年到目前:电力建设步伐加快，总装机容量和年发电量都有很大增长。 目前:每年增长超过10%,但仍大面积缺电， 能源强度高(单位产值消耗的能源高,能源利用率低),今后我国电力工业的发展方针有以下几个方面： 1）继续发展燃煤火电厂，并提高这类电厂的效率。(环保问题)。淘汰
7、小容量机组，建设大机组。 2）加速水力资源的勘察和水电厂建设。(生态问题) 3）加紧建设高压输电线路和电力系统。(资金,占地问题) 4）及早掌握原子能发电技术，以创造条件建设更多原子能发电厂。(安全问题)(必由之路) 5）因地制宜，利用其它再生能源发电。(补充,依赖技术进步),二、我国主要电力系统,我国电网组成： 1）国家电网公司东北电网公司,华北电网公司,华东电网公司,华中电网公司,西北电网公司 2) 南方电网公司由广东、云南、广西、贵州、海南五个省级电力公司组成。,三、我国电力工业的发展前景,1) 装机容量和年发电量逐年递增，但滞后于国民经济的发展，缺电问题严重 2) 全国性联合电力系统的
8、出现。能源格局：原煤资源主要在华北地区，分布在山西、内蒙古和陕西，约占总量2/3，90%以上的水源在西部地区，电力发展策略：“西电东送，北电南送”，将建设大量的超高压输电线路和直流输电线路。 3) 三峡电厂全面建成，促成全国联网形成。26台机组，单台额定容量700MW。其规模，居世界水电厂之最。,第三节 电力系统运行应满足的基本要求,一、电能生产、输送、消费的特点1电能与国民经济各个部门之间的关系都很密切2电能不能大量储藏，必须时刻保持平衡3生产、输送、消费电能各环节所组成的统一整体不可分割4电能生产、输送、消费工况的改变十分迅，毫秒,纳秒级，要求高度自动化。5对电能质量的要求颇为严格电能质量
9、指标：电压，频率，波形（无谐波）,二、对电力系统运行的基本要求1）保证可靠地持续供电按对供电可靠性的要求将负荷分为三级： 第一级负荷。对这一级负荷中断供电，将造成人身事故、 设备损坏、将产生废品，使生成秩序长期不能恢复，人民生活发生混乱等。 第二级负荷。对这一级负荷中断供电，将造成大量减产，将使人民生活受到影响等。 第三级负荷。所有不属于第一、二级的负荷，如工厂的附属车间、小城镇等。,2）保证良好的电能质量 允许电压偏移为额定值的5%。允许频率偏移为 0.20.5Hz。波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。 畸变率（或正弦波形畸变率）:是指各次谐波有效值平方和的方根值与基波有效值的百分比。给
10、定的允许畸变率常因供电电压等级而异，例如，以380、220V供电时为5%，以10kV供电时为4%，等等。,3)保证系统运行的经济性火力发电：煤耗率=每发一度电所消耗的标准煤重水力发电：（减少用水等）输电：线损率或网损率=电力网络中损耗的电能与向电力 网络供应电能的百分比。经济性：降低上述值,三、电力系统的四个技术指标,1)发电设备利用率（或发电设备平均利用小时数）发电设备全年所发电能与发电设备容量之比。2)负荷率全年平均负荷与最大负荷的百分比。3)电压合格率系统中所有电压监视点定时测得的合格电压次数与全 部测量次数的百分比。4)频率合格率系统频率合格的时间长度与全年时间长度的百分比。提高技术指
11、标的途径：建立联合电网,四、单一电力系统的联合 将单一系统联合，组成联合电力系统的优点有：大大提高供电的可靠性，减少为防止设备事故引起供电中断而设置的备用容量；可更合理地调配用电，降低联合系统的最大负荷，提高发电设备的利用率，减少联合系统中发电设备的总容量；可更合理地利用系统中各种类型的发电厂，从而提高运行的经济性；由于个别负荷在系统总负荷中所占比重的减小，其波动对系统电能质量的影响也将减小；联合电力系统容量很大，个别机组的开停甚至故障，对系统的影响将减小从而可采用大容量、高效率的机组。,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,一、几种典型结线方式的特点电力系统的结线可分为：无备用和有备用两类
12、无备用结线包括单回路放射式、干线式和链式网络； 无备用结线的主要优点在于简单、经济、运行方便，主要缺点是供电可靠性差； 有备用结线包括双回路放射式、干线式、链式以及环式和两端供电网络。有备用结线的优点在于供电可靠性和电压质量高，缺点是可能不够经济。,图1-2 无备用结线方式,（b）,（a） 放射式 （b） 干线式 （c）链式,图1-3 有备用结线方式,（a） 放射式； （b） 干线式； （c）链式； （d）环式； （e）两端供电式,二、不同电压等级的适用范围 1）电力系统的额定电压等级近代电力系统中，各部分电压等级之所以不同，是因三相功率S和线电压U、线电流I之间的关系为 当输送功率一定时，输
13、电电压愈高，电流愈小，导线等载流部分的截面积愈小，投资愈小；但电压愈高，对绝缘的要求愈高，杆塔、变压器、断路器等绝缘的投资也愈大。综合考虑这些因素，对应于一定的输送功率和输送距离应有一最合理的线路电压。我国国家标准规定的标准电压（又称额定电压）见课本表1-6所示Page-22。选择电力线路时，只能选用国家规定的电压等级。,三、额定电压,线路的额定电压线路的额定电压UN就是线路的平均电压（Ua+Ub）/2，而各用电设备的额定电压则取与线路额定电压相等，使所有用电设备能在接近它们的额定电压下运行。由于用电设备的容许电压偏移一般为5%，而沿线路的电压降落一般为10%，这就要求线路始端电压为额定值的1
14、05%，以使其末端电压不低于额定值的95%。 2) 发电机的额定电压发电机往往接在线路始端，因此，发电机的额定电压为线路额定电压的 105%。,3) 变压器额定电压变压器一次侧接电源，相当于用电设备，二次侧向负荷供电，又相当于发电机。因此变压器一次侧额定电压应等于用电设备额定电压（直接和发电机相联的变压器一次侧额定电压应等于发电机额定电压），二次侧电压应较线路额定电压高5%。但又因变压器二次侧电压规定为空载时的电压，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侧电压较线路额定电压高5%，变压器二次侧额定电压应较线路额定电压高10%。只有漏抗很小的、二次侧直接与用电设备相联
15、的和电压特别高的变压器，其二次侧额定电压才可能较线路额 定电压仅高5%。,四、不同电压等级的适用范围1) 110kV以下的电压级差应超过三倍，如110、35、10kV；110 kV以上的电压级差则以两倍左右为宜，如110，220，500 kV。500、330、220 kV多半用于大电力系统的主干线；110 kV既用于中小电力系统的主干线，也用于大电力系统的二次网络；35 kV既用于大城市或大工业企业内部网络，也广泛用于农村网络；10 kV则是最常用的更低一级配电电压；只有负荷中高压电动机的比重很大时，才考虑以6 kV配电的方案。显然，这种划分不是绝对的，也不是一成不变的。 2) 额定电压与输送
16、功率，输送距离的关系。总趋势是输送功率越大，输送距离越远，电压等级越高。,五、电力系统中性点的运行方式,中性点：采用星形连接时，三相的直接连接点。电力系统的中性点：星形联结变压器或发电机的中性点。中性点的运行方式主要分两类，即直接接地和不直接接地。 1) 直接接地系统供电可靠性低因这种系统中一相接地时，出现了除中性点外的另一个 接地点，构成了短路回路，接地相电流很大，为了防止损坏设备，必须迅速切除接地相甚至三相。,2)不接地系统供电可靠性高，但对绝缘水平的要求也高因这种系统中一相接地时，不构成短路回路，接地相电流不大，不必切除接地相，但这时非接地相的对地电压却升高为相电压的 倍。在电压等级较高
17、的系统中，绝缘费用在设备总价格中占相当大比重，降低绝缘水平带来的经济效益很显著，所以一般采用中性点直接接地方式，而以其它措施提高供电可靠性。反之，在电压等级较低的系统中，一般采用中性点不接地方式以提高供电可靠性。在我国，110kV及以上的系统中性点直接接地，60kV及以下的系统中性点不接地。在国外，由于通常都采用有备用结线方式，供电可靠性有保障，60kV及以下的系统中性点往往也直接接地。,3)中性点不接地方式隶属于中性点不接地方式的还有中性点经消弧线圈接地。 此外，目前正在研究的中性点经非线性电阻接地的方案，也可能是一个有前途的方案。不接地系统的电容电流：,装设消弧线圈的条件：一般认为，对36
18、0kV网络，容性电流超过如下值时，中心点应装设消弧线圈。36kV网络 30A10kV网络 20A3560kV网络 10A 补偿方式：中心点经消弧线圈接地时，有过补偿和欠补偿之分。过补偿：如下页图所示， 的补偿方式；欠补偿：如下页图所示， 的补偿方式。其中：实践中，一般采用过补偿方式。,第五节 电力系统方向和电力系统分析课程,一、电力学科包括的主要内容 （1）电力系统理论：电力学科的基础， （2）输配电技术：超高压输电线路、直流输电系统等的设计、安装问题 （3）电力系统规划：负荷规划（预测）、电源规划、网络规划、可靠性分析等 （4）电力系统运行：稳态和暂态及安全性分析，电能质量管理，运行方式优化
19、等 （5）电力系统保护：故障分析、元件保护、线路保护、系统性故障保护和过电压及其防护等 （6）电力系统控制：数据采集、电能质量控制、运行优化控制、安全性控制、能量管理系统等问题,电力学科除与电工学科的一些分支（电路、电磁场和电机学）密切相关外，还与自动化、计算机和电子学等密切相关。,二、电力系统分析课程的主要内容 它是“电力系统及其自动化专业”主干专业课程，是电力工程学科的基础。包括电力系统稳态分析和电力系统暂态分析。 电力系统稳态分析：电力系统的基本知识、电力系统中各元件的特性和数学模型、电力系统正常运行工况的分析和计算、电力系统的运行调节和优化。 电力系统暂态过程：波过程、电磁暂态过程、机电暂态过程。其中，波过程主要与运行操作或雷击时的过电压有关，涉及电流、电压波的传播，过程最短，主要在高电压课程中讨论。 电磁暂态过程主要涉及短路时的电流、电压随时间的变化过程，时间比波过程长。机电暂态过程主要与系统振荡、稳定性的破坏、异步运行等有关，涉及功率、功率角、旋转电机的转速等随时间的变化，这个过程持续时间比前面两个过程都长。 电力系统暂态分析的主要内容：电磁暂态过程和机电暂态过程。,
