电气工程概论

电气工程基础2019/8/91第一章电气工程概论第一节电力系统的基本概念第二节电力系统的电压等级第三节电力系统中性点接地方式2019/8/92第一节电力系统的基本概念一、电力系统的组成二、电力系统的特点三、电力系统运行的基本要求四、建立大型电力系统的优点2019/8/93一、电力系统的组成电力系统就是由发电厂、变电所、输配电线路和电力用户连接而成的统一整体，包含着电能的生产、输送、分配和使用。电力系统加上发电厂的动力部分，如汽轮机、水轮机、锅炉、水库、反应堆等，称之为动力系统。图1-1电力网、电力系统和动力系统2019/8/94图1-1电力网、电力系统和动力系统2019/8/951.发电厂生产电能的工厂，把不同形式的一次能源转换成电能。分类：据所利用能源的种类不同，可将发电厂分为火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂、风力发电厂、地热发电厂、太阳能发电厂和潮汐发电厂等。发电厂举例2019/8/962.变电所变电所是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。根据变电所在电力系统中的地位，可分为以下几种：1．枢纽变电所2．中间变电所3．地区变电所4．终端变电所2019/8/971．枢纽变电所联系电力系统各部分的中枢，由大电网供电，电压等级较高，变压器容量大，进出线回路数多。其高压侧电压为330~550kV，全所一旦停电，将引起整个系统解列，甚至使部分系统瘫痪。2．中间变电所将发电厂、枢纽变电所及负荷中心联系起来，处于电源与负荷的中间位置。主要用以交换潮流或使长距离输电线路分段，同时降低电压给所在区域供电。电压为220~330kV。全所一旦停电，将引起区域电力系统解列。2019/8/983．地区变电所地区变电所是一个地区或城市的主要变电所，高压侧电压一般为110~220kV。全所一旦停电，将使该地区中断供电。4．终端变电所终端变电所是电网的末端变电所，一般为降压变电所，由地区变电所供电，高压侧电压为10~110kV。全所一旦停电，将使用户中断供电。2019/8/993.电力网电力系统的重要组成部分，用于输送和分配电能。分类：一般按其供电范围的大小和电压等级的高低可分为地方电力网、区域电力网和超高压远距离输电网三类。电力网的分类如表1-1所示。2019/8/910表1-1电力网的分类类型地方电力网区域电力网超高压远距离输电网络输电范围50公里以内50公里以外300公里以上典型电压等级(kV)10、35110、220330、500、750主要功能分配电能发电厂之间的互联将远区电能输送到负荷中心适用地区农村、城市、工矿区的配电网各省、各区内的互联网络跨省区、跨国家的大型电力网2019/8/911二、电力系统的特点1．电能不能大量储存2．过渡过程十分短暂3.电能生产与国计民生密切相关4.地区性特点较强2019/8/912三、电力系统运行的基本要求终极目标:给用户提供充裕、安全、优质的电能。1．保证系统安全可靠的运行1.要求系统设备的运行具有足够的可靠性，加强对设备运行状态的监视和维修。2.要完善电力系统结构，提高系统抗干扰的能力。3.提高操作人员的技术水平和责任心，防止误操作事故的发生，以及在事故发生后能够最快的缩小事故范围，防止事故扩大。2019/8/9132．保证良好的电能质量衡量电能质量的主要指标有电压、波形和频率。（1）电压电压质量一般用电压偏差、电压波动和闪变以及三相电压不平衡度三个指标来衡量。（1-1）式中：△U%为电压偏差；U电网某点的实际运行电压；UN为额定电压。我国规定的用户受电端的电压偏差见表1-2。%100%NNUUUU2019/8/914线路额定电压电压允许变化范围（%）线路额定电压电压允许变化范围（%）35kV及以上±5低压照明+5~-1010kV及以下±7农业用户+5~-10表1-2用户供电电压允许变化范围2019/8/915电压波动是指电压在系统中作快速、短时的变化，变化更为剧烈的电压波动称为闪变。电压波动一般用电网某点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（1-2）maxmin%100%NUUUU2019/8/916理想的三相交流电力系统中，三相电压应有相同的幅值，且顺时针按U、V、W顺序互成120°，这样的系统就是三相平衡的系统。电力系统实际运行中，由于三相负荷大小不等或系统三相阻抗不对称等因素的存在，使得电力系统三相电压处于不平衡运行状态。三相电压不平衡用电压负序分量（顺时针按U、W、V互成120°）有效值与正序分量有效值的百分比来表示，称为三相电压不平衡度，即（1-3）21%100%UUU2019/8/917（2）频率电力系统运行时的频率与额定频率之差称为频率偏差，是电能质量的又一个主要指标。我国电力系统采用的额定频率为50Hz，其允许偏差如表1-3所示。表1-3系统频率允许偏差运行情况允许频率偏移值（Hz）允许标准时钟误差（s）正常运行中、小系统大系统±0.5±0.24030事故运行30min以内15min以内决不允许低于±1±1.5-42019/8/918（3）波形电力系统稳态运行时，其电压或电流波形应为正弦波，但由于系统中谐波源的存在，如变频调速等产生大量的谐波，造成了正弦波形的畸变。我国在《公用电网谐波》中规定了谐波电压的限制，如表1-4所示。电能质量主要指标的影响因素、主要危害以及可采用的解决方法见表1-5。2019/8/9193．提高电力系统运行的经济性（1）在发电环节，要综合各类发电厂的运行特点，合理安排其发电顺序，实现电源的优化组合。（2）在输送电能环节，要采取各种措施降低网络损耗，提高电能的传输效率。（3）结合本地区的区域特点，积极致力于新能源的开发和利用，减少电能的生产和输送成本。2019/8/920建立大型电力系统有以下优点：1．减少了系统中的总装机容量2．提高供电的可靠性3．可以安装大容量的发电机组4．可以合理利用一次能源，提高系统运行的经济性四、建立大型电力系统的优点2019/8/921第二节电力系统的电压等级一、电力系统的额定电压等级二、电压等级的选择2019/8/922一、电力系统的额定电压等级额定电压就是发电机、变压器和电气设备等在正常运行时具有最大经济效益时的电压。有利于：1.电器制造业的生产标准化和系列化2.电器的互相连接和更换3.设计的标准化和选型4.备件的生产和维修2019/8/9231.电气设备的额定电压选择电气设备额定电压不低于电网的额定电压。2.发电机的额定电压根据电力系统运行中电能质量标准的要求，正常情况下用户处的电压波动一般不得超过其额定电压的5%。电网中各部分的电压分布大致情况如图1-2所示2019/8/924图1-2电力网中的电压分布（a）沿线ab的电压分布；（b）连接有升压、降压变压器沿线的电压分布2019/8/9253、变压器的额定电压变压器的额定电压分为一次绕组额定电压和二次绕组额定电压。接到电力网始端与发电机相连的变压器，采用高出电力网额定电压5％的电压作为该变压器一次绕组的额定电压。接到电力网受电端的变压器，其一次绕组额定电压与电力网额定电压相等。2019/8/926变压器二次绕组的额定电压，是指变压器空载情况下的额定电压。变压器带负载运行时，其一,二次绕组均有电压降，如按变压器满载时一、二次绕组压降为5％考虑，为使满载时二次绕组端电压仍高出电力网额定电压5％，用于补偿线路的电压降,则必须选变压器二次绕组的额定电压比电力网额定电压高出10％。当变压器二次侧供电的线路很短时，其线路压降很小，也可采用高出电力网额定电压5%，作为该变压器二次绕组的额定电压。2019/8/927例1-1电力系统接线如图1-3所示，图中标明了各级电力线路的额定电压，试求发电机和变压器绕组的额定电压。图1-3电力系统接线图2019/8/928解：发电机G的额定电压为10.5kV；变压器T1：低压侧绕组额定电压为10.5kV，高压侧绕组的额定电压为242kV；变压器T2：高压侧绕组额定电压为220kV，中压侧绕组的额定电压为121kV，低压侧绕组的额定电压为11kV或10.5kV；2019/8/929变压器T3：高压侧绕组额定电压为110kV，低压侧绕组的额定电压为38.5kV；变压器T4：高压侧绕组额定电压为35kV，低压侧绕组的额定电压为6.6kV或6.3kV；变压器T5：高压侧绕组额定电压为10.5kV，低压侧绕组的额定电压为400V。2019/8/930二、电压等级的选择在相同的输送功率和输送距离下，所选用的电压等级越高，线路中的电能损耗越小，但同时电气设备的造价也会随之升高。我国的电力网的额定电压、传输功率和传输距离之间的关系如表1-7所示。2019/8/931第三节电力系统中性点接地方式一、中性点不接地二、中性点经消弧线圈接地三、中性点直接接地四、中性点经低电阻接地2019/8/932一、中性点不接地1．中性点不接地系统的正常运行图1-4为中性点不接地系统正常运行的示意图。设三相电源电压、、对称。每相导线的对地电容分别用集中电容、、表示，并忽略导线间的分布电容。UUVUWUUCVCWC图1-4中性点不接地系统正常运行2019/8/933系统正常运行时，由，三相电压、、对称，所以三相导线的对地电容电流、、也是对称的，三相电容电流之和等于零，即（1-4）每相导线对地电容电流的值相等，即（1-5）式中：为电源相电压。UVWCCCCUUVUWUCWICUICVI0CUCVCWIIICUCVCWphIIICUPhU2019/8/9342．中性点不接地系统单相接地故障当系统发生单相接地故障时，如图1-5（a）所.设U相单相接地，故障点U相的对地电压变为零.0UU图1-5中性点不接地系统U相金属性接地（a）原理接线图；（b）相量图2019/8/935中性点的电压，于是，V、W相的对地电压为（1-6）式中：a为复数算子，。0UUU215002150033jVVUUUjWWUUUUUUaUUUeUUUaUUUe12021201313,2222jjaejaej2019/8/936由于U相接地，其对地电容CU被短接，所以U相对地电容电流变为零。V、W相对地电容电流分别为（1-7）(1-8）非故障相电流、流进地中后，经过U相接地点流回电网，该电容电流（即接地电流）为（1-9）其大小为（1-10）1506033jjVCVUUVUIjCUeCUejX15012033jjWCWUUWUIjCUeCUejX601200333jjCCVCWUUIIICUeejCUjCU3CphICU2019/8/937当中性点不接地系统发生单相金属性接地时，有以下特点：（1）中性点对地电压与接地相正常时的电压大小相等，方向相反.（2）故障相的对地电压降为零.（3）两健全的电容电流增大为正常时相对地电容电流的倍.0U2019/8/938由于线路对地电容电流很难准确计算，所以单相接地电流（电容电流）通常可按下列经验公式计算（1-11）式中：IC为接地点流过的电容电流（A）；UN为电网的额定线电压（kV）；L1为同级电网具有电的直接联系的架空线路总长度（km）；L2为同级电网具有电的直接联系的电缆线路总长度(km)。12NN1N2c(35)35035010llUUlUlI2019/8/939中性点不接地系统发生单相接地时，线电压的大小和方向均不改变。中性点不接地系统发生单相接地时，当接地电流较大时，接地电流在故障处可产生稳定或间歇性的电弧。当单相接地电流大于规定值时，就要采用中性点经消弧线圈接地。2019/8/940二、中性点经消弧线圈接地消弧线圈是一个具有铁芯的可调电感线圈。如图1-6（a）所示。图1-6中性点经