电力系统分析(完整版)

电力系统与电气自动化部门：生产管理撰写人：郭华伟2020/2/25生产管理2课程简介•什么是电力系统？由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。•什么是电气自动化？简单来说由电设备、气动设备组合实现自动运行的组合。2020/2/253课程内容•电力系统的基本概念•电容补偿的目的•设备设计的基本概念•控制部分及移动部分生产管理2020/2/254目录•第一章电力系统的基本概念•第二章电网等值•第三章电力系统潮流计算•第四章电力系统运行方式的调整和控制•第五章电力系统故障分析•第六章电力系统稳定性分析生产管理2020/2/255第一章电力系统的基本概念•1.1电力系统概述•1.2我国的电力系统•小结生产管理2020/2/2561.1.1电力系统的形成和发展•电磁感应定律法拉第，1831•世界上第一个完整的电力系统1882，法国•三相变压器和三相异步电动机1891•直流电力系统和交流电力系统爱迪生和西屋生产管理2020/2/2571.1.2电力系统的组成•电力系统发电厂、输电和配电网络、用户•电网、电力系统和动力系统•一次设备和二次设备生产管理1.1.2电力系统的组成2020/2/258生产管理2020/2/2591.1.3电力系统的特点和运行的基本要求•电力系统的特点1电能与国民经济各部门、国防和日常生活之间的关系都很密切2对电能质量的要求比较严格3电能不能大量储存4电力系统中的暂态过程十分迅速•运行的基本要求1可靠性可以满足用户的用电需求：不断电，频率、电压、波形质量符合要求负荷按供电可靠性要求分为三类2安全性保证系统本身设备的安全。要求电源容量充足，电网结构合理3经济性%%4减小对环境的不利影响生产管理2020/2/25101.1.4电力系统的基本参量、接线图•衡量电力系统规模的基本参量总装机容量——额定有功功率之和年发电量最大负荷最高电压等级•接线图地理接线图、电气接线图生产管理2020/2/25111.1.5电力系统的接线方式和中性点接地方式•接线方式无备用接线特点：简单、经济、运行方便灵活。供电可靠性差，电能质量差有备用接线特点：供电可靠，电能质量高运行操作和继电保护复杂，经济性差•中性点接地方式（小接地方式和大接地方式）不接地供电可靠性高，绝缘成本高。35kv电网经消弧线圈接地减小接地电流。采用过补偿方式直接接地供电可靠性低，绝缘成本低。110kv电网生产管理2020/2/25南京理工大学121.2我国的电力系统（1）•4个发展阶段195x：城市电网196x：省网1970~1990：区域电网1990~：区域电网互联•电力系统的规模2004400GW2010535GW2020790GW2020/2/25南京理工大学131.2我国的电力系统（2）•电压等级（KV）发电机3.15,6.3,10.5,15.75,23.0用电设备3,6,10,35,110,220,330,500,750(60,154已不再发展）3企业内部6、10配电电压（6用于高压电机负荷）110、220:高压。110：区域网，中小电力系统主干线220：大电力系统主干线330、500、750:超高压750:特高压提高输电电压的利弊：减小载流截面和线路电抗，利于提高线路功率极限和稳定性，增加绝缘成本2020/2/25南京理工大学141.2我国的电力系统（3）电力系统的电压与输电容量和输电距离线路电压(kv)输送容量(MV)输送距离(km)60.1~0.24~15100.2~2.06~20352~1020~5011010~5050~150220100~500100~300330200~800200~6005001000~1500250~8502020/2/25南京理工大学151.2我国的电力系统（4）•额定电压：发电机、变压器、用电设备等正常运行时最经济的电压•在同一电压等级中，电力系统的各个环节（发电机、变压器、电力线路、用电设备）的额定电压各不相同。某一级的额定电压是以用电设备为中心而定的。用电设备的额定电压是其他元件的参考电压。用电设备端压允许在额定电压UN的5%内波动输电线路的额定电压为线路的平均电压[UN(1+5%)+UN(1-5%)]/2=UN2020/2/25南京理工大学161.2我国的电力系统（5）发电机的额定电压UN(1+5%)变压器的额定电压为变压器两侧的额定电压，以变比表示为k=U1N/U2N一次侧直接与发电机相连：U1N=UN(1+5%)35kv联络（相当于用电设备）：U1N=UN二次侧相当于发电机空载U2N=UN(1+5%)带负载U2N=UN(1+10%)（内部压降约5%）Us%7.5或直接连负载时U2N=UN(1+5%)2020/2/25南京理工大学17例题•确定图中电力系统各元件的额定电压GMT1T2T3T410kv110kv35kv10kv6kv380vX•G:10.5kv•T1:10.5/121kvT2:110/38.5/11kvT3:35/6.3kvT4:10kv/400v•M:6kvL:380v2020/2/25南京理工大学181.2我国的电力系统（6）•我国电力工业发展的指导思想继续续发展煤电厂，提高能源效率，减小环境污染加速水力资源的开发利用和水电厂的建设发展核电技术并适度发展核电厂开发风力和潮汐等可再生能源加速建设输、配、变电工程，西电东送，促进区域电网互联，并最终形成全国电力系统2020/2/25南京理工大学19第一章小结•电力系统由发电机、电网和用户组成，是动力系统的一部分。由于电能不能大量储存、暂态过程迅速，为保证可靠性、安全性和经济性要求，需要合理地对电力系统进行规划、设计、运行调度和故障恢复。•在同一电压等级中，电力系统的各个环节的额定电压各不相同。某一级的额定电压是以用电设备为中心而定的。•电力系统分析的任务是建立电力系统的等值模型，计算稳态潮流，并确定故障和扰动对系统的影响。2020/2/25南京理工大学20第二章电网等值•2.1概述•2.2输电线路的等值电路•2.3变压器和电抗器的等值电路•2.4电力网的等值电路•2.5标么制•小结2020/2/25南京理工大学212.1概述•问题：怎样将电力系统用一个电网络来表示？•本章计算电力线路和变压器的等值电路•假定系统的三相结构和三相负荷都完全对称，即讨论三相电流和电压的正序分量。2020/2/25南京理工大学222.2输电线路的等值电路•2.2.1输电线路的种类架空线路由导线、避雷线、杆塔、绝缘子、金具组成电力电缆包括三部分：导体、绝缘层、保护层•2.2.2架空线路的等值电路分布参数与集中参数单回线路分裂导线2020/2/25南京理工大学23单回线路的等值电路（1）有效电阻交流电阻，一般大于直流电阻。原因：集肤效应和临近效应电力网计算中常采用较大的电阻率。原因：绞线长度比导线长度大2~3%，实际截面小于额定截面，交流电阻略大于直流电阻。0/rS0/rS0/(/)rSkm•电阻（20℃）10[1(20)](/)rrtkm铜0.00382/℃铝0.0036/℃2020/2/25南京理工大学24单回线路的等值电路（2）•电抗导线流过交流电流时，由于导线的内部和外部交变磁场的作用而产生电抗。循环换位的三相输电线路每相导线单位长度的电抗为402(4.6lg0.5)10(/)eqrDxfkmr2020/2/25南京理工大学25单回线路的等值电路（3）Deq为三相导线间的互几何间距r为导线的计算半径μr为导线材料的相对导磁系数，有色金属的相对导磁系数为1第一项为外电抗，第二项为内电抗3123eqDDDD00.1445lg0.0157(/)eqrDxkmr2020/2/25南京理工大学26单回线路的等值电路（4）导线电抗与r成对数关系。对不同截面的导线，当Deq为常数时，电抗变化不大，工程上常取x0=0.4Ω/km。00.1445lg(/)eqsDxkmDDs为导线的自几何均距非铁磁材料单股线Ds=0.779r非铁磁材料多股线Ds=0.724~0.771r钢芯铝线Ds=0.77~0.9r,计算中常取0.81r2020/2/25南京理工大学27单回线路的等值电路（5）•电纳由导线间的电容和导线与大地间的电容决定。电容电纳电缆线路的电纳比架空线路大得多600.02410(/)lg/eqcFkmDr607.5810(/)lg/eqbSkmDr2020/2/25南京理工大学28单回线路的等值电路（6）•电导反映由电晕现象和绝缘子泄露引起的有功功率损耗电晕：导线周围的电场强度超过2.1kv/cm时，导线周围会发生空气电离现象，产生光环，发出放电声。危害：消耗电能、干扰通信、表面腐蚀电晕产生的有功功率损耗称为电晕损耗。110kv以上线路与电压有关的有功功率损耗主要由电晕损耗引起。2020/2/25南京理工大学29单回线路的等值电路（7）•架空线路产生电晕的临界线电压，m1:导线表面光滑系数。单股线=1，对绞线=0.83~0.87m2：气象系数。干燥晴朗=1，恶劣天气=0.8δ：空气相对密度b：大气压力（Pa）(一个大气压为101325帕)θ：空气温度（℃）1249.3lgeqcrDUmmrr3.92b=1333.22(273+)2020/2/25南京理工大学30单回线路的等值电路（8）•关于电晕损耗的测量和计算是《高电压技术》讨论的内容。•输电线路电晕损耗（包括泄漏损耗）对应的电导为20(/)gPgSkmU2020/2/25南京理工大学31单回线路的等值电路（8）•线路方程及等值电路线路每相的等值参数是沿线路均匀分布的。1U2UlxdxxIxU1zdx1ydxxxIdIxxUdU111zrjx111ygjb2020/2/25南京理工大学32单回线路的等值电路（9）•距离线路末端x处，压降和电流增量为11xxxxdIUydxdUIzdx11//xxxxdIdxUydUdxIz22112211//xxxxdIdxzyIdUdxzyU2222sinhcoshcoshsinhxxcUIxIxZcUUxIZx2020/2/25南京理工大学33单回线路的等值电路（10）•线路的传播系数实部反映行波振幅的衰减特性，虚部反映行波相位的变化特性•线路的特征阻抗（也称波阻抗）11/()cZzy11jzy2020/2/25南京理工大学34单回线路的等值电路（11）•无损线路的自然功率自然功率用来衡量线路的输电能力，一般20kv以上线路的输电能力大致接近自然功率•行波波长¼波长时（1500km），两端相位差90°22ecUPZ11112216000kmLCfLC2020/2/25南京理工大学35单回线路的等值电路（12）•线路的Π型等值电路x=l时，1U2U'z1212coshsinh1sinhcoshclZlUUllIIZc'2Y'2Y1U2U'2Y'2Y2020/2/25南京理工大学36单回线路的等值电路（13）•Z=Z1l，Y=Y1lsinh'tanh2'2lZZllYYl2020/2/25南京理工大学37单回线路的等值电路（14）•等值电路短线路（35kv,100km的架空线路、短电缆线路）中等长度线路（110~330kv,100~300km架空线路、100km电缆线路）1U2Uz1U2U1U2U'2Y'2Y1U2U2Y2Yz2020/2/25南京理工大学38单回线路的等值电路（15）长线路（330kv,300km架空线路、100km电缆线路）1U2U1U2U2bBjKrxK