1、电力系统稳态分析,主讲 周任军,电力系统稳态分析,第一章 电力系统基本概念 （电力系统、电能生产的特点与要求、联合电力系统）主讲 周任军,一、电力系统、电力网及动力系统的概念 1、电力系统 由发电机、变压器、线路、用电设备以及其测量、保护、 控制装置等按一定规律联系在一起组成的用于电能生产、输送、 分配和消费的系统称为电力系统。2、电力网电网是由变压器和各种电压等级输电线路组成的，用于电能 输送和分配的网路。其中电压等级在110kV及以上的电力网主要 用于电能的远距离输送，称为输电网；35kV及以下的电力网主 要用于向用户配送电能，称为配电网（有时110kV电压也用于配 电网）。,3、动力系统
2、 电力系统及其动力部分的总体称为动力系统。动力部分包 括火力发电厂的锅炉、汽轮发电机；水电厂的水库、水轮机 ；原子能电厂的反应堆、汽轮机等。下图为电力系统、电力网和动力系统的示意图。,电力系统示意图,二、电力系统发展简史1、电力系统形式发展过程直流单相交流三相交流交直流并存。（1）最初的直流电力系统1882年法国建立了世界上第一个电力系统，电压为直流15002000V，输电距离57km，输电功率约2KW。由于直流电压不能象交流电哪样通过变压器升高和降低电压，无法满足大容量远距离输电对高电压和用电对低电压的要求。,（2）单相交流输电1985年在制成单相变压器的基础上实现了交流输电，解决了远距离大
3、容量输电与低压用电之间的矛盾。单相交流输电的主要缺陷是经济性差；单相用电设备的瞬时功率是周期性变化的，所以无论是单相发电机和单相电动机运行时振动都比较大。（3）三相交流输电1891年在制成三相变压器的基础上，德国建立第一个三相交流输电系统。发电机电压95V、输电线路电压25000V、输电距离178Km、用电电压112V。,三相交流输电与单相交流输电相比较主要优点是经济性好，节省输电线路导线；三相发电机和三相电动机的瞬时功率为常数，有效地减小了发电机、电动机运行中的振动问题。三相交流输电存在的主要问题是同步发电机并列运行的稳定性问题和不同频率系统之间的联网问题。随着电力系统输电距离的增大，制约输
4、电容量的是不再是导体的发热问题和输电效率问题，而是并列运行的稳定性问题；此外不同频率之间的电力系统不能联网，限制了优越性更高的联合电力系统的发展，譬如跨国电力系统的发展。,（4）交直流并存的现代电力系统直流输电不存在稳定性问题，电力电子技术的发展为重新采用直流输电创造了条件。现代电力系统中发电和用电仍然采用三相交流，输电则采用三相交流和直流并用的方式。直流输电不仅解决了三相交流输电的并列运行稳定性问题，也解决了不同频率系统之间的并网运行问题。现代电力系统示意图如下图所示。,2、我国电力系统现状（1）电网建设目前我国已建成东北、华北、华中、华东、南方、西 南、和西北七个区域电网。（如图所示）并在
5、华中、南方、 西南、华东电网之间进行了联网。进一步的发展是建立全国 统一电网。（2）电压等级除西北电网外，目前采用的电压等级有：交流：1000KV（特高压）、500KV（超高压）、220KV、110KV、35KV、10KV。直流：800KV（特高压）、 500KV,三、电能生产的特点 1.连续性电能不能大量储存，电能的生产、输送和消费同时完 成，任何一个环节出现问题都会影响到其他环节。 2. 瞬时性电能是以接近光速的速度传输的，其过渡过程很短，所 以电力系统任何一点的故障将瞬间波及到整个电力系统。 3.重要性电能是国民经济各部门的主要能源，由于电能生产的连 续性和瞬时性，电能供应的中断和减少将
6、对国名经济各部门 产生重要影响。,四、对电能生产的基本要求 1、保证供电可靠性即满足负荷对电能供应的要求。不同类型的负荷对供电 可靠性的要求不同。（1）分类原则按照供电中断或减少所造成的危害大小进行划分。（2）负荷分类一类负荷（重要负荷）：指电能供应的中断或减少将造 成设备损坏、人员伤亡、生产秩序混乱，人民生活在较长时 间内得不到恢复的用户的用电设备。,二类负荷（较重要负荷）：指供电中断或减少将造成产 品产量和质量下降，人民生活正常秩序受到影响的用户的用 电设备。三类负荷（一般负荷）：除一类负荷和二类负荷之外的 用户的用电设备。（3）各类负荷对供电可靠性要求一类负荷（重要负荷）：任何情况下不允
7、许停电；二类负荷（较重要负荷）：尽可能不停电；三类负荷（一般负荷）：允许停电；,2、良好的电能质量电能质量用电压偏移、频率偏移和电压波形来衡量。（1）电压偏移电气设备的实际电压偏离额定电压的程度，百分值表 示。（2）频率偏移电力系统的实际运行频率与额定频率的差值。我国对电力系统频率偏移的基本要求是,3、电力系统运行的经济性好电力系统运行的经济性用燃料消耗率、厂用电率和网损 率衡量。（1）燃料消耗率指发电厂每发单位电能（1KWh)所消耗标准煤（g）的多少。2005年统计数据：平均煤耗：380g/KWh超临界机组平均煤耗：298g/KWh最低煤耗：281g/KWh 效益分析：1000MW电厂，煤耗
8、降低1g,年节约1000万元.,（2）厂用电率为保证发电厂主要设备运行所需的用电设备的用电称 为厂用电。厂用电率为厂用电量与同期发电厂发电量的比值的百 分值。凝汽式火力发电厂的厂用电率在（68）%。 （3）网损率指一定时间内，电网在传输电能过程中所损耗的电能 和发电厂送入电网的电能的比值的百分数。,六、联合电力系统满足电力系统基本要求的措施很多，但根本的措施是 采用联合电力系统。 1、联合电力系统将几个区域电力系统通过联络线路联系在一起所形成的 统一电力系统称为联合电力系统。 2、联合电力系统的优越性 3、联合电力系统发展现状及趋势国外：跨国电力系统；国内：全国联网,电力系统稳态分析,第二讲
9、电力系统基本概念 （电力系统的电压等级、接线方式、中性点运行方式）主讲 周任军,一、电力系统的接线方式 1、电力系统接线图 （1）电气接线图表示电力系统各元件之间电气联系的电路图，一般以 单线图表示。（如第一讲的电力系统接线示意图） （2）地理接线图按比例表示电力系统中各发电厂和变电所的相对地理位置接线图。（如第一讲的各区域电力系统接线示意图）,2、电力系统的接线方式 （1）接线方式分类 无备用接线方式用户只能从一个方向获得电能的接线 方式，包括单回路放射式、单回路干线式、单回路链式接线；无备用接线方式（a）单回路放射式 （b）单回路干线式 （c） 单回路链式,（2）有备用接线方式用户可以从两
10、个或两个以上方向获得电能的接线方式。 包括双回路放射式、干线式、链式接线；环式接线和两端供 电方式。有备用接线方式（a） 双回路放射式 （b） 双回路干线式 （c）双回路链式 （d） 环式 （e） 两端供电网络,3、各种接线方式的特点 （1）无备用接线方式 优点：接线简单、投资少、运行维护方便 缺点：供电可靠性差（2）有备用接线方式双回路放射式 优点：供电可靠性高、电压质量好 缺点：投资大、经济性差环形接线 优点：供电可靠性较高、较为经济 缺点：运行调度复杂、故障或检修切除一侧线路时，电压质量差，供电可靠性下降。,两端供电式优点：供电可靠性高、经济性好、故障或检修时电压质 量较好； 缺点：受电
11、源分布限制、运行复杂 4、各种接线方式的适用场所无备用接线方式通常用于对供电可靠性要求不高的三类 负荷的供电，在采取一定的提高供电可靠性的措施后（例如 采用组合开关电气、线路装设重合闸装置等）也可用于对二 类负荷的供电。有备用接线方式通常用于对供电可靠性较高的一类负荷 和二类负荷的供电。对于一类负荷供电时应有两个以上相互 独立的电源。,二、电力系统的额定电压 1、输电线路的理想电压 对应一定的输电距离和输送容量，输电电压等级越高，电力网的电能损耗越小，电能损耗耗费越少；但随着电压的升高，线路的投资费用越高。如下图所示，图中C1为年电能损耗费（万元/年），C2为归算到运行年的年投资费用（万元/年
12、），C为输电线路的年费用。显然对应于一定的输送距离和输送容量存在一个电压，在该电压下运行，输电线路的经济性最好，此电压就是其理想电压。,2、电力系统额定电压规定原则电压等级越多，越有利于输电线路选择接近理想电压的 额定电压；但额定电压等级越多，越不利于电气设备的规模 化生产。电力系统额定电压就是综合使用和制造两方面的要求， 经经济技术比较确定，并由国家颁布实行的。 3、电力系统额定电压国家规定的电力系统的额定电压如下表所示。,4、电力网中的电压分布与线路、发电机、变压器的额定电压（1）电力网的电压分布,（2）输电线路允许的电压损耗用电设备允许的电压偏移为 ，所以线路允许的电压 损耗为10%。（
13、3）输电线路的额定电压输电线路的额定电压取线路各点电压的平均值，即用电 设备的额定电压。（4）发电机的额定电压在有直配线的情况下，发电机接于线路首端，运行时电 压比用电设备的额定电压高5%，为使发电机在额定电压下 运行，所以发电机额定电压就取线路首端的电压，即用电设 备额定电压的1.05倍。在没有直配线的情况下，发电机的额定电压根据发电机 运行的经济性确定。,（5）变压器的额定电压原边绕组：对于降压型变压器，其原边绕组既可能接于线路首端，也 可能接于线路末端，为保证不管哪种情况下，其实际电压都在 允许的范围内，所以其额定电压取用电设备的额定电压。对于发电厂的升压变压器，由于其与发电机直接连接，
14、所 以取发电机的额定电压。副边绕组：副边绕组接于线路首端，运行时其电压比用电设备的额定 电压高5%，但变压器副边绕组的额定电压是指原边绕组加额定 电压，副边绕组开路时的端电压，注意到变压器正常运行时变 压器的内部电压损耗约为5%，所以变压器副边绕组的额定电压 应取用电设备额定电压的1.1倍。,只有当与变压器副边绕组相连接的线路路很短（或直接 与用电设备相连接），线路压降很小时；或变压器本身的短 路电压较小（小于7.5%）时，允许变压器副边额定电压取 用电设备额定电压的1.05倍。用线电压表示的抽头额定电压,220kV,升压变压器,降压变压器,5、不同电压等级的适用范围3KV：工企业内部使用（如
15、3KV电动机）；1000、500、330、220kV：用于大电力系统的主干线；110KV：小电力系统的主干线、大电力系统的二次网络；35KV：大城市或大工业企业内部配电网络；农村电力网络；10kV：配电网络。各级电压架空线路的输送能力,三、电力系统中性点运行方式 1、电力系统中性点 电力系统中星形接线的发电机或变压器的中性点称为电 力系统的中性点。 2、电力系统中性点的运行方式,3、各种中性点运行方式的特点 （1）直接接地运行方式优点:正常或单相接地情况下非故障线路对地电压为相 电压；缺点:单相短路电流大，需要切除故障线路.,（2）不接地运行方式,优点:正常或单相接地情况下三个线电压保持对称，
16、单 相接地情况下接地点流过很小的电流 ， 只要该电流小于规定的数值，接地点不会出现电弧，所以不 影响用电设备的正常运行。缺点:中性点电压升高为相电压，非故障相电压升高为 线电压，对电气设备的对地绝缘要求较高，增大电气设备造 价。,（3）经消弧线圈接地运行方式 经消弧线圈接地运行方式的目的在中性点不接地系统中，当线路较长，线路对地电容较 大，或电源电压较高时，单相接地时流过接地点的电流可能 较大，当电流超过规定值时（一般认为3560KV超过10A； 10KV超过20A；36KV超过30A），就会在接地点产生电 弧，从而引起弧光过电压。采用经消弧线圈接地的目的就是 在发生单相接地时，用电感电流补偿
17、电容电流，使接地点电 流小于规定值，避免电弧产生。 工作原理：由图可以看到，单相接地时，由于中性点电感电流与接 地电容电流相位相反，流过接地点的总电流为二者数值之差， 适当选择电感值就可以使流过接地点的电流小于规定值，,从而使故障处不会出现电弧，避免了电弧引起的弧光过 电压对电气设备和线路绝缘的威胁，所以该电感称为消弧线 圈。, 补偿方式欠补偿：接地点电流为容性；过补偿： 接地点电流为感性；全补偿：接地点电流为零。, 补偿方式选择全补偿谐振情况分析由于全补偿时 ，即 ；当电力系统 在正常运行情况下出现零序电压时，就会发生串联谐振，引起谐振过电 压。所以电力系统经消弧线圈接地时，不应采用全补偿方
18、式；而欠补偿方 式在系统运行方式变化时，可能转变为全补偿，所以通常采用的补偿方式 应为过补偿。,无自然中性点的三相系统中性点的获取方法对于10KV电力系统变压器绕组通常采用三角形接线， 系统无自然中性点，为获取中性点可以在母线上装设接地变 压器。接地变压器绕组采用“Z”形接线，目的是获得大的正序 和负序电抗，很小的零序电抗。,正序电流流过时：零序电流流过时：,中性点不接地 中性点直接接地 电流 中性点电压 非故障相点 电压线电压经消弧线圈接地:适当选择线圈感抗,接地点电流可减小到很 小,熄灭接地电流产生的电弧。其他特点与不接地系统基本相 同。,接地点的电容电流是正常运行时一相对地电容电流的3倍
19、,故障相电流和流入故障点的电流很大,中性点电压升高为相电压,故障相和中性点电压为零,非故障相对地电压升高为线电压,非故障相对地电压仍为相电压,三相之间的线电压保持与正常时相同,与故障相相关的线电压降低为相电压,4、各种中性点运行方式的应用110kV及以上电力系统采用中性点直接接地运行方式，以 减低输电线路和电气设备的对地绝缘要求，降低造价。但110kV及以上输电线路传输功率大，单相接地短路时跳 闸，将造成大面积停电，所以必须采取其他措施提高供电可 靠性，常用的措施有线路装设重合闸，沿线路全线假设避雷 线等。35kV及以下电力系统，在单相接地电容电流未超过规定 值时，采用中性点不接地运行方式；超过规定值时，采用经 消弧线圈接地的运行方式。这是因为电压等级较低，即使按 承受线电压设计输电线路和电气设备的绝缘也不会过多增加 造价，但却可提高供电可靠性。,
