《電工學(xué)及電氣設(shè)備》課件-9 電力系統(tǒng)的基本概念

11:441電力系統(tǒng)的基本概念

BasicConceptsofPowerSystem第9章Chapter96/12/2023111:4429.2電力系統(tǒng)短路的基本概念9.1電力系統(tǒng)及電力系統(tǒng)的額定電壓9.3電力系統(tǒng)中性點的運行方式內(nèi)容提綱6/12/20232引言（了解）能源是人民生活和經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是戰(zhàn)爭爭奪的主要資源。18世紀(jì)蒸汽機（熱能——機械能）第一次工業(yè)革命伊朗手中握有石油牌（漫畫）OIL6/12/2023319世紀(jì)電能開始利用——邁入電氣化時代。電能由于轉(zhuǎn)化容易、輸送方便、清潔、高效的優(yōu)點，成為人類生產(chǎn)和生活不可缺少的部分。電廠···6/12/20234我們身邊的……請思考：電能怎樣產(chǎn)生的？電能怎樣輸送的？電力機車6/12/20235發(fā)電廠高壓輸電變電所城市的光明。。。6/12/20236我國的能源結(jié)構(gòu)極不合理目前電源配置情況2020年電源配置情況§9.1電力系統(tǒng)及電力系統(tǒng)的額定電壓6/12/20237火電機組（煤、石油、燃氣、秸稈、垃圾、沼氣）核電機組水電機組風(fēng)電機組——風(fēng)電場抽水蓄能電站

光伏發(fā)電

燃料電池發(fā)電潮汐、波浪、鹽差發(fā)電生產(chǎn)——發(fā)電機發(fā)電結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢：可再生化、綠色化發(fā)電形式多樣化70%以上根據(jù)一次能源不同6/12/20238火電廠外景6/12/20239火電機組基本生產(chǎn)過程蒸汽管道汽輪機儲煤場煙囪輸煤皮帶升壓站鍋爐江河或水庫冷凝器發(fā)電機冷卻水6/12/202310水電廠外景示意圖6/12/202311水電機組發(fā)電原理6/12/202312核電廠外景圖6/12/202313核電機組發(fā)電原理（壓水堆）反應(yīng)堆6/12/202314風(fēng)電場外景圖——達坂城風(fēng)電場6/12/202315風(fēng)電機組發(fā)電原理葉片發(fā)電機齒輪箱6/12/202316其他光伏發(fā)電6/12/202317波浪發(fā)電示意圖6/12/2023181、基本概念電力系統(tǒng)：是由生產(chǎn)、輸送、分配和消費電能的電氣設(shè)備（發(fā)電機、變壓器、電力線路及用電設(shè)備等）按一定方式連接的有機整體。一次系統(tǒng)電力系統(tǒng)

二次系統(tǒng)6/12/202319

發(fā)電設(shè)備：發(fā)電機；輸、配電設(shè)備：變壓器、輸電線路等；用電設(shè)備：電動機、電燈等。

測量設(shè)備：電流表、電壓表；保護設(shè)備：繼電保護裝置；控制設(shè)備：遠動操作裝置；能量管理系統(tǒng)。一次

設(shè)備

二次

設(shè)備

電力系統(tǒng)組成

2、電力系統(tǒng)組成6/12/202320

煤、油、水、風(fēng)、核、太陽能、垃圾、地?zé)?、潮汐…升壓輸電降壓配電轉(zhuǎn)換負荷電能升壓降壓輸電2、電力系統(tǒng)組成6/12/2023213、電氣接線圖——描述設(shè)備的電氣連接關(guān)系單線圖因三相對稱6/12/202322電力系統(tǒng)的基本參量（衡量規(guī)模和大?。╇娏ο到y(tǒng)的電氣接線圖6/12/202323動力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和電力網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系鍋爐、汽輪機（火電廠） 動力部分水庫、水輪機（水電廠）核反應(yīng)堆、汽輪機（核電廠）動力系統(tǒng) 發(fā)電機 輸電網(wǎng)

電力系統(tǒng)

電力網(wǎng)

配電網(wǎng) 負荷 6/12/2023241）保證安全可靠的供電（安全）對系統(tǒng)的運行進行安全監(jiān)控認真維修設(shè)備配備足夠的有功電源和無功電源完善的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4、電力系統(tǒng)運行的基本要求2）要有合乎需要的電能質(zhì)量（優(yōu)質(zhì)）電壓偏移一般不超過用電設(shè)備額定電壓的±5%頻率偏移一般不超過±0.2~0.5Hz波形畸變率不能超過給定限制6~10kV：4%0.38kV：5%6/12/2023253）要有良好的經(jīng)濟性（經(jīng)濟）火電廠的煤耗電廠的廠用電率電網(wǎng)的網(wǎng)損率4）盡可能減小對生態(tài)環(huán)境的有害影響（環(huán)保）優(yōu)先調(diào)度清潔能源（風(fēng)能、太陽能、海洋能、水能、生物質(zhì)能、核能）。對火電機組，按照煤耗水平調(diào)度發(fā)電。減少廢氣（）排放量6/12/2023265、接線方式及特點

包括單回路放射式、干線式和鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)

簡單結(jié)線

優(yōu)點：簡單、經(jīng)濟、運行方便

（無備用）

缺點：供電可靠性差

適用范圍：二、三級負荷

包括雙回路放射式、干線式和鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)

復(fù)雜結(jié)線

優(yōu)點：供電可靠性和電壓質(zhì)量高（有備用）

缺點：投資大

適用范圍：電壓等級較高或重要的負荷6/12/2023271）無備用接線：負荷點只能沿唯一的路徑取得電能包括：放射式、干線式、樹狀網(wǎng)絡(luò)特點：簡單、設(shè)備費用較少、運行方便。但是供電的可靠性比較低。（a）放射式網(wǎng)絡(luò)（b）干線式網(wǎng)絡(luò)（c）樹狀網(wǎng)絡(luò)

無備用網(wǎng)絡(luò)6/12/2023282）有備用接線：每個負荷至少能從兩個不同供電回路取得電能的網(wǎng)絡(luò)。包括：雙回路供電網(wǎng)絡(luò)、雙端供電網(wǎng)絡(luò)和環(huán)網(wǎng)。特點：可靠性顯著提高；但設(shè)備費用增加較多且運行調(diào)度復(fù)雜。（a）雙回路放射式（b）環(huán)形網(wǎng)絡(luò)

有備用網(wǎng)絡(luò)（c）兩端供電網(wǎng)絡(luò)2a136/12/2023293）接線方式的選擇輸電網(wǎng)絡(luò)接線方式的選擇：電廠距離負荷遠——雙回路、多回路電廠距離負荷較近——環(huán)形網(wǎng)絡(luò)6/12/202330配電網(wǎng)絡(luò)地區(qū)變電所用戶地區(qū)變電所電壓等級：0.4～35kV接線方式選擇：三級負荷——無備用接線方式一二級負荷——有備用接線方式6/12/2023316、頻率和電壓等級額定頻率：所有的電氣設(shè)備都是按指定的頻率和電壓設(shè)計制造的，在此頻率和電壓下運行電氣設(shè)備將具有最佳的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。額定頻率：50Hz為什么要規(guī)定電力系統(tǒng)的電壓等級？綜合考慮導(dǎo)線載流部分截面大小和絕緣等要求，對應(yīng)一定的輸送功率和輸送距離有一最合理的線路電壓。從設(shè)備制造商的角度考慮，為保證產(chǎn)品的系列性，規(guī)定了電力系統(tǒng)的電壓等級：

0.38kV、3kV、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV6/12/202332用電設(shè)備和線路的額定電壓

線路的額定電壓就是線路的平均電壓，等于與其相聯(lián)的用電設(shè)備額定電壓。用電設(shè)備的容許電壓偏移一般為±5%，而沿線路的電壓降落一般為10%，這就要求線路始端電壓為額定值的105%，以使其末端電壓不低于額定值的95%。發(fā)電機的額定電壓

發(fā)電機往往接在線路始端，因此，發(fā)電機的額定電壓為線路額定電壓的105%。變壓器額定電壓

變壓器一次側(cè)額定電壓應(yīng)等于用電設(shè)備額定電壓（直接和發(fā)電機相聯(lián)的變壓器一次側(cè)額定電壓應(yīng)等于發(fā)電機額定電壓），二次側(cè)電壓應(yīng)較線路額定電壓高5%。6/12/202333用電設(shè)備額定電壓交流發(fā)電機額定電壓交流變壓器額定電壓用電設(shè)備額定電壓交流發(fā)電機額定電壓交流變壓器額定電壓一次繞組二次繞組一次繞組二次繞組33.153,3.153.15,3.3110－11012166.36,6.36.3,6.6(154)(154)(169)1010.510,10.510.5,11220－220242－15.7515.75－330－33036335－3538.5500－500－(60)(60)(66)我國規(guī)定的1kV以上的電力系統(tǒng)額定電壓標(biāo)準(zhǔn)以上所指額定電壓均為線電壓6/12/202334電壓等級GMUN10%UNU1=UN(1+5%)U2=UN(1-5%)UGN=UN(1+5%)5%6/12/202335——電力系統(tǒng)的額定電壓等級示例-原問題給定各電壓等級用電設(shè)備的額定電壓，補充發(fā)電機、變壓器各側(cè)的額定電壓10kV110kV35kV10.kV6/12/202336

——電力系統(tǒng)的額定電壓等級示例-結(jié)果10.5kV10.5kV/121kV110kV/38.5kV/10.5給定各電壓等級用電設(shè)備的額定電壓，補充發(fā)電機、變壓器各側(cè)的額定電壓10kV110kV35kV10.0kV6/12/202337不同電壓等級的適用范圍110kV以下的電壓級差應(yīng)超過三倍，如110、35、10kV；以上電壓級差兩倍左右，如110，220，500kV。輸電網(wǎng)：（1000、750）500、330、220kV配電網(wǎng)：

高壓配電網(wǎng)：(220)110、35kV（地調(diào)與縣調(diào)主網(wǎng)）

中壓配電網(wǎng)：10（20、6）kV

低壓配電網(wǎng)：380/220V。2)額定電壓與輸送功率、輸送距離的關(guān)系。

總趨勢是輸送功率越大，輸送距離越遠，電壓等級越高。詳見書P197表9-26/12/2023382、短路的基本類型三相短路(a)、兩相短路(b)、單相短路(c,d)、兩相接地短路(e,f)。

1、短路的概念及短路的基本類型短路—指相線與相線以及在中性點直接接地系統(tǒng)中與地之間不通過負荷，發(fā)生了直接連接的故障。是指供電系統(tǒng)中不同電位的導(dǎo)電部分（各相導(dǎo)體、地線等）之間發(fā)生的低阻性短接?！?.2電力系統(tǒng)短路的基本概念

6/12/202339占短路故障5%占短路故障10%-15%三相短路兩相短路6/12/202340(c,d)單相短路占短路故障65%-70%(e,f)兩相接地短路占短路故障10%-20%6/12/2023413、短路及其原因、后果

原因：

1.造成短路的主要原因是電氣設(shè)備載流部分的絕緣損壞絕緣損壞的原因：絕緣老化、機械損傷、大氣過電壓、操作過電壓、設(shè)計安裝不合理、設(shè)備質(zhì)量差等。

2.輸電線路斷線、倒稈、人員誤操作、鳥獸跨越裸導(dǎo)體。

后果：

1.電流增大 在供電系統(tǒng)中發(fā)生短路故障后，短路電流往往要比正 常負荷電流大許多倍，有時高達幾萬到幾十萬安培。

2.電壓降低

6/12/202342危害：1.短路電流很大，產(chǎn)生的熱量很大，使過流設(shè)備溫度急劇上升，會使絕緣老化或損壞；2.短路電流產(chǎn)生的電動力，會使設(shè)備載流部分變形或損壞；3.短路會使系統(tǒng)電壓驟降，影響系統(tǒng)其他設(shè)備的正常運行；4.嚴(yán)重的短路會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；5.短路還會造成停電；6.不對稱短路的短路電流會產(chǎn)生較強的不平衡交變磁場，對通信和電子設(shè)備等產(chǎn)生電磁干擾等。

進行電力系統(tǒng)設(shè)計時需進行短路計算，其目的是正確選擇和檢驗電氣設(shè)備及其保護裝置。三相短路電流是選擇和檢驗電氣設(shè)備的基本依據(jù)。另外還要用到不對稱短路的短路電流、短路沖擊電流、穩(wěn)態(tài)短路電流等。6/12/202343§9.3電力系統(tǒng)中性點的運行方式（1）中性點定義

指星形接線的變壓器或發(fā)電機的中性點。（2）中性點接地方式中性點與大地之間的電氣連接方式。

（3）接地方式的重要性

中性點接地方式關(guān)系到絕緣水平，供電可靠

性，通信干擾，接地保護方式、電壓等級、

系統(tǒng)穩(wěn)定等諸多問題。

6/12/202344電力系統(tǒng)中性點的運行方式（接地方式）

電力系統(tǒng)的中性點接地方式：不接地（小電流接地）中性點不接地（中性點絕緣）中性點經(jīng)消弧線圈接地直接接地（大接地電流）：中性點直接接地6/12/2023451、中性點不接地系統(tǒng)正常運行分析：（1）線電壓與相電壓關(guān)系；（2）中性點電位；（3）對地電容電流與相電壓關(guān)系6/12/202346中性點不接地系統(tǒng)正常運行時的結(jié)論：三相電壓對稱，三相導(dǎo)線對地電容電流也是對稱的，三相電容電流相量之和為零，這說明沒有電容電流經(jīng)過大地流動。1、中性點不接地系統(tǒng)6/12/202347單相（C相）接地分析：（1）中性點對地電位；（2）非接地相對地電位；（3）對地電容電流1、中性點不接地系統(tǒng)6/12/202348中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障的結(jié)論1

：

故障相對地電壓降為零；非故障相對地電壓升高為線電壓，且相位相差600。因此，線路及各種電氣設(shè)備的絕緣要按線電壓設(shè)計，絕緣投資所占比重加大，顯而易見，電壓等級越高絕緣投資越大。三相之間的線電壓仍然對稱，用戶的三相用電設(shè)備仍能照常運行，但允許繼續(xù)運行的時間不能超過2h。1、中性點不接地系統(tǒng)6/12/202349中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障的結(jié)論2

：

接地電流在故障處可能產(chǎn)生穩(wěn)定的或間歇性的電弧。如果接地電流大于30A時，將形成穩(wěn)定電弧，成為持續(xù)性電弧接地，這將燒毀電氣設(shè)備和可能引起多相相間短路。如果接地電流大于5A~10A，而小于30A，則有可能形成間歇性電?。婚g歇性電弧容易引起弧光接地過電壓，其幅值可達（2.5~3）U，將危害整個電網(wǎng)的絕緣安全。如果接地電流在5A以下，當(dāng)電流經(jīng)過零值時，電弧就會自然熄滅。1、中性點不接地系統(tǒng)6/12/202350消弧線圈？

安裝在變壓器或發(fā)電機中性點與大地之間的具有氣隙鐵芯