第一章 电力系统概述和基本概念

电力系统分析电力系统分析•电力系统分析分为电力系统稳态分析和电力系统暂态分析两部分。•以三大常规计算（潮流计算、短路计算和稳定计算）为主线贯穿于电力系统分析课程中。•目的：掌握电力系统分析计算的原理和方法•本课程内容广、概念多、综合性强、计算繁和公式推导复杂，是比较难掌握的一门重要核心基础课程。如何学好这门课程呢？1注重基本概念；2理解计算公式；3掌握计算方法；4多做习题。电力系统元件模型及参数计算电力网的电压和功率分布电力系统的电压和频率调整稳态分析故障分析稳定性分析电力系统分析理论电力系统的三相短路电力系统的不对称故障电力系统的暂态稳定电力系统的静态稳定课程内容课程特点该课程既是专业课，也是专业基础课。是学习和研究该领域的重要课程。1理论性强、工程性强既有严格的理论推导，又有必要合理的简化近似2涉及内容广、概念多，公式多，计算多有一定深度。•教材：电力系统分析（第三版）于永源杨绮雯编著中国电力出版社•参考书：电力系统分析（上、下）何仰赞等编著华中科技大学出版社第一篇电力系统稳态分析电力系统分析第一章电力系统概述和基本概念1－1电力系统概述1－2电力系统电压等级和负荷1－3电力系统中性点的接地方式电力系统——是由发电厂、变电所、输电线、配电系统及负荷组成的。是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。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。动力系统——在电力系统的基础上，把发电厂的动力部分（例如火力发电厂的锅炉、汽轮机和水力发电厂的水库、水轮机以及核动力发电厂的反应堆等）包含在内的系统。1－1电力系统概述一、电力系统的基本概念电力系统由发、输、变、配组成（生产、输送、分配、消费）升压变压器高压输电网降压变压器火电厂用户风电场水电厂图1-1联合电力系统的动力系统、电力系统和电力网络示意图动力系统：在电力系统的基础上又加上动力设备，称为动力系统。二.电力系统的发展概况1882年，英国建成第一座发电厂，原始线路输送的是低压直流电。同年，法国人德普列茨提高了直流输电电压，被认为是世界上第一个电力系统。1891年，第一条三相交流输电线路在德国运行，三相交流输电使输送功率、输电电压、输电距离日益增大。目前，大电力系统不断涌现，甚至出现全国性和国际性电力系统。我国已建成华东、东北、华中、华北、西北、华南六个跨省电力系统，独立的省属电力系统还有山东、福建、海南、四川和台湾系统。3、电力系统的基本参量和电力线路接线图1.总装机容量：指系统中所有机组额定有功功率的总和，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）单位计。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，以千瓦时（kWh）、兆瓦时（MWh）、吉瓦时（GWh）单位计。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：50Hz5.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）1MW·h=103kW·h（千度），1GW·h=103MW·h（100万度）1TW·h=103GW·h（10亿度），1kW·h=1度电力线路接线图地理接线图：按比例显示电力系统中各发电厂和变电所相对地理位置，它反映电力线路的路径和相互间的联接，但不能完全显示各电力元件间的连接情况。见P3:图1-2电气接线图：显示系统中各电力元件之间的电气联系，但不能反映发电厂和变电所的相对地理位置。四、电力系统运行的特点和要求1、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）、电能不能大量储存。3）、生产、输送、消费电能各环节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速。5）、对电能质量的要求颇为严格。根据电能生产、输送、消费的特殊性，对电力系统运行有如下三点要求。1.保证可靠地持续供电根据用户对用电可靠性的要求，将负荷分为三个等级：一级负荷二级负荷三级负荷电力系统供电的可靠性，就是要保证一级负荷在任何情况下都不停电，二级负荷尽量不停电，三级负荷可以停电。2、对电力系统运行的基本要求一级负荷---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，使生产秩序长期不能恢复，人民生活发生混乱。二级负荷---对这类负荷中断供电，将造成大量减产，将使人民生活受到影响。三级负荷---所有不属于第一、二级的负荷。2.保证良好的电能质量良好的电能质量有三个指标：电压质量、频率质量和波形质量。电压偏移：一般不超过用电设备额定电压的±5%。频率偏移：一般不超过±0.2~0.5Hz。波形畸变率：指各次谐波有效值平方和的方根与基波有效值的百分比。3.提高系统运行的经济性电力系统的经济指标一般是指火电厂的煤耗以及电厂的厂用电率和电力网的网损率等。环境保护问题也将成为对电力系统运行的基本要求。1.电力系统的电压等级电力系统电压等级的确定主要从电力系统输送电能的经济性，生产产品的系列性和经济性两个方面考虑。说明：①用电设备的容许电压偏移一般为±5%②沿线路的电压降落一般为10%③在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为5%④电力线路平均额定电压，是指电力线路首末端所接电气设额定电压的平均值，即Uav=(UN+1.1UN)/2=1.05UN电力线路额定电压1.2、电力系统的电压等级和负荷表1-1额定电压及电力线路的平均额定电压（KV）用电设备及电力线路的额定电压电力线路的平均额定电压同步发电机的额定电压变压器的额定电压一次绕组二次绕组3610152035601101542203305003.156.310.515.752137631151622303455253.156.310.515.7533.1566.31010.515.752035601101542203305003.153.36.36.610.5112238.566121169242345525用电设备的额定电压：与线路的额定电压相同。发电机的额定电压：同步发电机往往接在线路始端，因此，其额定电压比电力线路的额定电压高5%。变压器的额定电压：一次侧相当于用电设备，其额定电压等于线路的额定电压；二次侧相当于发电机，其额定电压较线路额定电压高10%。注意：①当一次侧直接和发电机相连时，其额定电压等于发电机额定电压；②当变压器漏抗较小，或二次侧直接与用电设备相连的厂用变压器，其额定电压可以只比线路电压高5%。表1-2电力线路的额定电压与输送功率和输送距离的关系额定电压(kV)输送功率(kW)输送距离(km)额定电压(kV)输送功率(kW)输送距离(km)3100~10001~3603500~3000030~1006100~12004~1511010000~5000050~15010200~20006~20220100000~50000100~300352000~1000020~50500、330、220KV一般用于大电力系统的主干线；110KV用于中、小电力系统的主干线及大电力系统的二次网络；35KV用于大城市或大工企业内部的网络，并广泛用于农村网络；10KV是最常用的低一级配电电压；6KV用于负荷中高压电动机占很大比重的网络；3KV仅限于工企业内部网络。发电机G的额定电压：UN·G=1.05×10=10.5（kV）变压器T1的额定电压：U1N=10.5（kV）U2N=1.1×110=121（kV）变压器T1的变比为：10.5/121kV变压器T2的额定电压：U1N=110（kV）U2N=1.05×6=6.3（kV）变压器T2的变比为：110/6.3kV例已知下图所示系统中电网的额定电压，试确定发电机和变压器的额定电压。~T1GT2110kV10kV6kV变压器T1的一次绕组与发电机直接相连，其一次侧的额定电压应与发电机的额定电压相同变压器T1的二次侧供电距离较长，其额定电压应比线路额定电压高10%变压器T2的二次侧供电距离较短，可不考虑线路上的电压损失2.电力系统的负荷电力系统的总负荷：指系统中各个用电设备消耗功率的总和。它们可分为动力负荷和照明负荷。综合用电负荷：指工业、农业、交通运输、市政生活等各方面消耗的功率之和。供电负荷：指电力系统的综合用电负荷加上电力网的功率损耗，即发电厂供出的负荷。发电负荷：指供电负荷再加上发电厂厂用电，即发电机发出的功率。电力负荷曲线：指某一段时间内负荷随时间变化的规律的曲线。有功功率(无功功率)日负荷曲线：表明系统有功功率或无功功率负荷在一天24小时的变化规律。用途：制定各发电厂发电负荷计划及系统调度运行的依据。注意：无功功率与有功功率最大负荷不一定同时出现。有功功率年最大负荷曲线：表示一年内每月最大有功功率负荷变化的曲线。用途：作为扩建发电机组，新建电厂以及安排全年发电设备检修计划的依据。年持续负荷曲线：由一年中系统负荷按其数值大小及持续时间顺序由大到小排列面成的曲线。用途：可靠性估算和电网规划与运行的能量损耗计算。图1-4电力系统的日负荷曲线（a）有功功率负荷；（b）无功功率负荷10203040506070809010004812162024t(h)P%（a）24t(h)102030405060708090100048121620Q%（b）根据年持续负荷曲线，计算系统负荷全年消耗电量W87600PdtWmaxmaxmax87600PPdtPWT最大负荷小时数Tmax其中Pmax为最大负荷12t(月)246810年初（冬季）年中（夏季）年末（冬季）P0图1-5有功功率年最大负荷曲线Pt(h)8760Tmaxt1t2t3P1P2P3abcdefgi图1-6年持续负荷曲线我国电力系统中性点有三种运行方式：中性点不接地中性点经消弧线圈接地中性点直接接地小电流接地系统大电流接地系统1-3电力系统中性点的接地方式电力系统中性点接地方式是一个涉及到供电的可靠性、过电压与绝缘配合、继电保护、通信干扰、系统稳定诸多方面的综合技术问题电力系统中性点不同接地方式的优缺点⑴大接地电流方式的电力系统优点：快速切除故障，安全性好；经济性好缺点：供电可靠性差(2)小接地电流方式的电力系统优点：供电可靠性高；安全性好缺点：经济性差；易出现谐振电压目前，在我国电力系统中，中性点接地方式：330KV和500KV系统——中性点全接地方式；10KV和220KV系统——中性点有效接地方式；60KV以下系统——中性点小电流接地方式；其中35~60KV系统——经消弧线圈接地方式3~10KV系统——中性点不接地方式一般认为3~60KV系统，当单相接地时电容电流超过10A，则中性点应装消弧线圈。AUBUCU二、消弧线圈的工作原理正常运行情况：IC0IA0IB0N0NU00CUcI.Id.Ibd.Icd.Ucd.Ubd0.Uad.Ua.Ub.Uc.UNNABCCBANCaCbCc.Ia.Ib.Ic.Id.Ua.Ub.Uc.Ibd.Icdd中性点不接地系统的单相接地0.Uad...UUUbNbd...UUUcNcd03IId..UUaNCBANCaCbCc.Ia.Ib.Ic.Id.Ua.Ub.Uc.Ibd.IcdL.IL.IL.Id.Icd.Ucd.Ubd.Ua.Ub.Uc.UNNC.IL中性点经消弧线圈接地时的单相接地消弧线圈的工作原理，称为IL对Id的补偿作用。全补偿：当IL=Id时，Ijd=0。产生谐振过电压；过补偿：当ILId时，Ijd为纯电感性。可以避免或减少谐振过电压的产生，系统运行常采用这种方式；欠补偿：当ILId时，Ijd为纯电容性。可能出现谐振过电压现象。