第一章電能系統(tǒng)概論教材

第一章電能系統(tǒng)概論信電學院2024/3/251.1概述人類為何選擇使用電能？什么是電力系統(tǒng)？如何構成？電力網絡是如何接線的？電力網為什么要采用高電壓？電力系統(tǒng)運行的基本要求和特點我國電力工業(yè)發(fā)展概況人類為何選擇使用電能？電能作為二次能源，是現代社會最重要的能源，應用十分廣泛。顯著優(yōu)點潔凈：環(huán)保

方便:

輸送、分配、使用

電氣化：機械化、自動化，提高產品質量和勞動生產力

節(jié)能:能耗小，轉換效率高

什么是電力系統(tǒng)？如何構成？完成電能生產、輸送、分配和消費的統(tǒng)一整體。通常由發(fā)電機、變壓器、電力線路和負荷等電力設備組成的三相交流系統(tǒng)。

構成：

一次系統(tǒng)（高電壓，本課程研究內容）二次系統(tǒng)（低電壓，保證一次系統(tǒng)安全、可靠、經濟運行的信息系統(tǒng)及其操作機構）一次系統(tǒng)如何構成？發(fā)電機：電能生產，將一次能源轉換成二次能源（電能）。電力網絡（輸配電系統(tǒng)）：電能的輸送和分配，包括輸電網和配電網。負荷（用戶）：電能消費，將電能轉換成其他形式的能量，電動機、照明、電爐等。

發(fā)電機（發(fā)電廠）發(fā)電機：完成電能生產，將一次能源轉換成二次能源（電能）?；鹆Πl(fā)電水力發(fā)電核能發(fā)電新能源發(fā)電火電廠生產過程示意圖火力發(fā)電燃料：煤、石油、天然氣化學能→熱能→機械能→電能目前最主要電源，比例大約70％組成：

燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、電力系統(tǒng)存在問題：安全問題：采礦和運輸中的安全問題環(huán)境問題：酸雨、溫室效應、可吸入顆粒物等效率問題：效率較低水力發(fā)電河流水勢能→水動能→機械能→電能目前最重要的電源之一，比例大于10％容量取決于水位差和流量組成：

水庫

水輪機

電力系統(tǒng)水力發(fā)電的優(yōu)缺點優(yōu)點：最干凈能源之一最廉價能源之一，無需燃料，運行維護簡單綜合水利工程：同時解決發(fā)電、防洪、灌溉和航運等多方面問題良好的啟動和調節(jié)性能：啟動到并網供電速度快（5分鐘），啟動簡單，適于遙控。可滿足電力需求的快速變化。缺點：建設問題：投資大，工期長，存在國防安全。庫區(qū)移民、淹沒耕地、破壞文物、可能破壞生態(tài)平衡、破壞自然景觀等運行問題：發(fā)電出力受氣象、水文、防洪、灌溉和航運等綜合影響，分枯水期和風水期，出力不穩(wěn)定，增加電力系統(tǒng)運行的復雜性。長江三峽水電站全景圖三峽大壩及左岸電站廠房核能發(fā)電鈾等核燃料→核裂變，核能→熱能→機械能→電能目前主要的電源之一，比例大于10％，作為一種新型的巨大能源，發(fā)展迅速。組成：

反應堆、汽水系統(tǒng)、電力系統(tǒng)秦山核電站：2×300MW大亞灣核電站：1800MW核能發(fā)電的優(yōu)缺點優(yōu)點：大量節(jié)省煤、石油等燃料，如50萬KW電廠，150萬T煤/年，20T鈾/年與火電相比，造價高，但發(fā)電成本低30-50％，因此規(guī)模越大越合算。缺點：對放射性污染的擔心，在技術能較好處理污染防護和核廢料，但事故仍有發(fā)生。發(fā)展中的新能源發(fā)電有風能、地熱、太陽能、潮汐能等等。新能源主要是潔凈的、可再生的能源，是未來的主要發(fā)展形式，是當前國際上研究和開發(fā)的熱點。這些新能源容量很小、分散性大，屬分布式電源?；ヂ摵笤谶\行安全核管理方面存在著很多特殊問題。發(fā)展中的新能源發(fā)電有風能、地熱、太陽能、潮汐能等等。新能源主要是潔凈的、可再生的能源，是未來的主要發(fā)展形式，是當前國際上研究和開發(fā)的熱點。這些新能源容量很小、分散性大，屬分布式電源。互聯后在運行安全和管理方面存在著很多特殊問題。電力網電力網:除去發(fā)電機與負荷的子系統(tǒng)，完成電能的輸送和分配主要設備：電力線路、變電所設備（變壓器、開關設備、母線等）電力網絡是由許多子電力網絡發(fā)展互聯而成，分區(qū)分層是電力網絡的一大特點。

負荷負荷（用戶）:電能消費,將電能轉換成其他形式的能量，包括電動機、照明、電爐等。電力系統(tǒng)負荷是電力用戶所需功率的總和，也稱電力系統(tǒng)綜合用電負荷。動力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)與電力網的關系動力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)與電力網的關系動力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)與電力網的關系熱用戶~QFB1B2X電力系統(tǒng)動力系統(tǒng)

m電力網動力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)與電力網示意圖23kV水庫~反應堆~~鍋爐~23kV500kV500kV230kV230kV20kV220kV330kV500kV110kV110kV380/220V至相鄰系統(tǒng)的互聯線路區(qū)域電力系統(tǒng)供配電系統(tǒng)工業(yè)用戶工業(yè)用戶10kV小型燃汽輪機市政生活商業(yè)圖1—3電力系統(tǒng)和電力網絡示意圖電力網絡是如何接線的？電力網絡接線形式主要是指電力網絡的輸電線路、變電所與用戶之間的電氣連接關系。電力系統(tǒng)的接線形式對保證安全、優(yōu)質和經濟地向用戶供電具有非常重要的作用。通常按照供電可靠性分為無備用和有備用兩類。無備用接線方式25(a)放射式(b)干線式(c)鏈式(a)放射式(b)干線式(c)鏈式每一個負荷點只能從一電源點獲得電能。應用于對供電可靠性要求較低的網絡或負荷。

有備用接線方式26(a)放射式(b)干線式(c)鏈式(d)環(huán)網(e)兩端供電網(a)放射式(b)干線式(c)鏈式每一個負荷點能從兩個或兩個以上的電源點獲得電能。應用于對供電可靠性要求高的網絡，如輸電網等。

電力網為什么要采用高電壓？遠距離大容量輸電的壓降小、損耗低、穩(wěn)定性好。電力線路輸送的功率一定時，輸電電壓越高，線路電流越小，導線等載流部分的截面積越??；但電壓越高，對設備絕緣水平的要求越高，設備的投資越大。綜合上述考慮，對應一定的輸送功率和輸送距離有一最合理的線路電壓。為什么要確定額定電壓？避免電壓等級數量的無限制擴大，導致互聯困難，必須標準化。為取得最佳的技術經濟性能，電力設備需要在額定電壓下進行優(yōu)化設計、制造和使用。我國規(guī)定的電力網標準電壓等級為線路的額定電壓，主要有0.22/0.38、3、6、10、35(60)、110、220、330、500KV、750KV、1000KV。

電力系統(tǒng)運行的基本要求供電安全可靠性根據可靠性要求不同，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ負荷。

電能的優(yōu)質性頻率、電壓、波形

運行的經濟性一次能源的消耗、網損和線損電力系統(tǒng)運行的特點

電能不能大量儲存，要求電能的生產、輸送、分配和使用幾乎是在同一瞬間內完成。電能和社會的生產、人民的生活、國家的國民經濟緊密相關。電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程短促，因此電力系統(tǒng)的安全監(jiān)測與控制非常困難。繼電保護和自動化二次系統(tǒng)（低電壓）：保證一次系統(tǒng)安全、可靠、經濟運行的信息系統(tǒng)及其操作機構。繼電保護：（1）自動、迅速、有選擇性地降將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)遭到破壞，保證其他無故障（2）反應電氣元件的不正常運行狀態(tài)，并根據運行維護條件而動作于發(fā)出信號、減負荷或跳閘。調度自動化系統(tǒng)數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）：

是用來采集電力系統(tǒng)運行實時數據的自動化系統(tǒng)。實現遙信、遙測、遙調和遙控等功能。其它高級軟件：包括狀態(tài)估計、安全分析、負荷預測、最優(yōu)潮流計算等，為電力系統(tǒng)的經濟優(yōu)質調度提供技術支持。我國電力工業(yè)發(fā)展概況1882年我國第一座發(fā)電廠創(chuàng)建于上海我國各級輸電電壓的發(fā)展電力工業(yè)發(fā)展的歷程1830年法拉第發(fā)明電磁感應定律，為未來電力工業(yè)發(fā)展奠定基礎。1875年第一臺火力發(fā)電機組（直流發(fā)電機）在法國巴黎火車站，照明。1879年美國舊金山實驗電廠開始發(fā)電，這是世界上最早出售電力的電廠。1882年美國愛迪生紐約珍珠街電力系統(tǒng)，6臺直流發(fā)電機，110V，照明。1884年變壓器發(fā)明。為三相交流及大容量、遠距離輸電奠定基礎。1889年美國Oregon和Portland建立長21公里的交流輸電系統(tǒng)。1891年德國世界上第一個三相交流輸電系統(tǒng)，距離179英里、電壓12000伏。1897年電壓為44000V的輸電線路在美國Utah州建成。電壓等級不斷升高，電網規(guī)模逐步增大截至2002年：全球發(fā)電裝機容量約為35億千瓦我國電力工業(yè)的發(fā)展1882年英國商人在上海創(chuàng)辦了上海電氣公司，裝機容量12KW，15盞電燈。1913年上海楊樹浦發(fā)電廠發(fā)電，1924年該廠裝機12臺，總容量121MW，成為當時遠東第一大發(fā)電廠。1949年以前，僅東北有220KV和154KV的電網（日本人建造）。1972年由甘肅天水－陜西關中的534KM的我國第一條330KV輸電線路工程。1981年由河南平頂山－湖北武漢的全長595KM的我國第一條500KV輸電線路。1989年建成了我國第一條遠距離±500KV葛洲壩－上海的直流輸電線路1997年三峽工程建設，26臺700MW，15回500KV交流及三回±500KV直流，連接華東、華中、河南、四川、廣東等電網，中國電網聯網的核心。

2006年甘肅官廳－第一條750KV交流輸電線路。目前，形成7個跨省區(qū)電網和山東500KV的主干網絡。1980~2002年全國發(fā)電量如圖示（億千瓦時）我國電力工業(yè)的發(fā)展38

電力需求旺盛、增長快1882年我國開始使用電能1987年全國發(fā)電裝機容量突破1億千瓦1995年3月，裝機容量突破2億千瓦到1996年，發(fā)電裝機容量居世界第2位。2000年4月，全國裝機突破3億千瓦2004年5月底，全國裝機容量突破4億千瓦2005年底我國裝機總容量將突破5億千瓦。105年不到8年5年4年1.5年每增加1億裝機2000年容量3億千瓦1995年容量2億千瓦1987年容量1億千瓦1978年容量5712萬千瓦1949年容量185萬千瓦39中國電網500kV220kV330kV火電廠水電廠核電廠新疆西藏東北華北西北川渝華中華東南方電網覆蓋率96.4%我國電力工業(yè)發(fā)展概況電能的能源結構的改變（風能和核能）超大型電廠的出現（三峽水電站）高壓直流輸電工程增加大電網互聯成為必然1.2電能系統(tǒng)負荷與負荷曲線1.2.1電能系統(tǒng)的負荷與分類認識負荷系統(tǒng)中所有用電設備消耗的功率總和就是電力系統(tǒng)的負荷。負荷構成負荷分類根據用戶對供電可靠性的不同要求，我國將負荷分為以下三級：一級負荷：對這一級負荷中斷供電的后果是極為嚴重的二級負荷：對這一級負荷中斷供電將造成大量減產，使大量居民的正常活動受到影響等三級負荷：對這一級負荷短時供電中斷不會造成重大的損失1.2.2電能系統(tǒng)負荷曲線及其特性系數負荷曲線描述負荷與時間關系的特性曲線。根據需要可分為：有功負荷曲線和無功負荷曲線日負荷曲線、月負荷曲線和年負荷曲線負荷曲線的用途指導電力系統(tǒng)的生產計劃、檢修計劃1.2.2電能系統(tǒng)負荷曲線及其特性系數日負荷曲線1.2.2電能系統(tǒng)負荷曲線及其特性系數日負荷曲線的特性系數一天24h內的電能消耗：曲線中平均負荷：負荷系數：年負荷曲線年運行最大負荷曲線又稱運行年負荷曲線。描述一年內每月或每日最大有功功率負荷變化的情況，它主要用來安排發(fā)電設備的檢修計劃，同時也為制訂發(fā)電機組或發(fā)電廠的擴建或新建計劃提供依據。年負荷曲線年持續(xù)負荷曲線按一年中負荷的數值大小及其持續(xù)小時數順序排列而繪制成，用于安排發(fā)電計劃和進行可靠性估算。參見教材的曲線繪制方法年負荷曲線年內電能消耗：最大負荷利用小時數：

不同工作性質的用戶，Tmax差別很大；反映了設備的利用程度和用戶負荷平穩(wěn)程度。1.2.3電能負荷的計算負荷計算的意義 決定電氣設備選擇是否合理并確保安全運行。計算負荷的定義 是按發(fā)熱條件選擇電氣設備的等效負荷，

用表示。負荷計算方法 需要系數法、二項式系數法等。需要系數法圖1-12典型工廠、企業(yè)供電示意圖需要系數法1.單臺設備的計算負荷公式

（Pe為PN在某一工作制下的折算設備容量。）2.用電設備組的計算負荷 公式3.變壓器低壓測的計算負荷 公式1.3電能系統(tǒng)電壓等級電壓等級與電能系統(tǒng)的規(guī)模密切關聯。額定電壓：能使各種電氣設備、電器等正常工作的電壓,此時其技術性能和經濟效果最好。2.額定電壓等級：

由國家規(guī)定的各種標準額定電壓。

作用：便于各種電力設備生產制造標準化和系列化。1.3電能系統(tǒng)電壓等級的額定電壓我國現行的電壓系列西北系統(tǒng)330/110/35/10KV其它系統(tǒng)500/220/110/35/10KV新增20KV期待統(tǒng)一1.3電能系統(tǒng)電壓等級煤礦常用電壓等級及應用范圍：36V及以下：井下電氣設備控制及局部照明127V：井下照明及手持式電鉆220V：礦井地面照明250V(DC)：電機車380V：小型礦井井下使用500V(DC)：井下電機車1.3電能系統(tǒng)電壓等級電氣設備額定電壓的確定我國國家標準規(guī)定，一般供電設備的額定電壓應高出系統(tǒng)和用電設備的額定電壓的5％或10%，用以補償正常負荷時線路上的電壓損失，使設備獲得近似額定的電壓．受電設備的額定電壓與系統(tǒng)額定電壓相對應．1.3電能系統(tǒng)電壓等級電氣設備額定電壓的確定(1)

確定電氣設備額定電壓的一般規(guī)律：

A.發(fā)電機：

額定電壓VGN=1.05×系統(tǒng)額定電壓

B.變壓器：

受電側額定電壓VTN1

①

與發(fā)電機相連時，VTN1=VGN

②

與線路（系統(tǒng)）相連時，VTN1=VN電氣設備額定電壓的確定(2)

B.變壓器

輸出側額定電壓VTN2

①與35kV及以上線路相連

VTN2=1.1×VN②與35kV以下線路相連，但變壓器的

VS%>7.5%，或連接長線路時

VTN2=1.1×VN③其他情況VTN2=1.05×VN電氣設備額定電壓的確定(3)

C.系統(tǒng)額定電壓與設備額定電壓

系統(tǒng)VN=用電設備VN

系統(tǒng)額定電壓和設備額定電壓值根據

GB規(guī)定（結合IEC推薦）確定．

用電設備（線路、電網）kV發(fā)電機（kV）變壓器（kV）一次二次66.36及6.36.3及6.61010.510及10.510.5及11353538.5110110121220220242330330363500500550750750825電力網和電力設備的額定電壓請根據下面系統(tǒng)圖已知參數確定各電氣元件的額定電壓.6.3kV6.3/363/121kV110/10.5kV330/38.5kV6/0.4kV1.7三相電能系統(tǒng)中性點運行方式什么是中性點發(fā)電機或變壓器的中性點。~/Y中性點ABCabc三相電能系統(tǒng)中性點運行方式分類中性點運行方式分兩大類有效接地系統(tǒng)（大電流接地系統(tǒng)）直接接地小電阻接地非有效接地系統(tǒng)（小電流接地系統(tǒng)）不接地經消弧線圈接地高阻接地三相電能系統(tǒng)中性點運行方式分類國內目前主要的中性點接地方案：發(fā)電機的中性點不接地經避雷器接地變壓器的中性點不接地經消弧線圈接地直接接地1.7.1中性點不接地系統(tǒng)當發(fā)生金屬性接地時，接地故障相對地電壓為零。中性點對地的電壓上升到相電壓，且與接地相的電源電壓相位相反。非故障相對地電壓由相電壓升高為線電壓。三相的線電壓仍保持對稱且大小不變，對電力用戶接于線電壓的設備的工作并無影響，無須立即中斷對用戶供電。單相接地電流，等于正常運行時一相對地電容電流的三倍，為容性電流。1.7.2中性點經消弧線圈接地發(fā)生單相接地故障時，通過消弧線圈使接地處流過一個與容性接地電流相反的感性電流，從而減小、甚至抵消接地電流，消除接地電弧引發(fā)的問題，提高供電可靠性。電容接地電流消弧線圈流過的電流完全補償的條件即有：中性點經消弧線圈接地時電流消弧線圈的補償方式完全補償消弧線圈提供的電感電流等于接地電容電流，接地處電流為0。易滿足諧振條件，形成串聯諧振，產生過電壓。欠補償電感電流小于接地電容電流，單相接地時接地電流為容性。因線路停電或系統(tǒng)頻率降低等原因使接地電流減少，可能出現

完全補償。故一般也不采用。過補償電感電流大于接地電流，單相接地電流為感性。過補償方式在電網中得到廣泛使用。但過補償程度要合適.自動跟蹤補償：單片機或微機控制中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)與不接地系統(tǒng)同樣有著在發(fā)生單相接地故障時，可繼續(xù)供電2小時，提高供電可靠性。電氣設備和線路的對地絕緣應按線電壓考慮。中性點經消弧線圈接地后，能有效地減少單相接地故障時接地處的電流，迅速熄滅接地處電弧，防止間歇性電弧接地時所產生的過電壓。1.7.3中性點直接接地

圖中性點直接接地的電力系統(tǒng)ABC

圖中性點接地的三相四線制電力系統(tǒng)BCN單相設備三相設備1.7.4電力系統(tǒng)中性點運行方式110kV及以上：直接接地380V/220V：直接接地10kV～66kV：不接地經消弧線圈接地經低阻接地等1.7.4中性點接地方式綜述中壓配電網較復雜趨勢：世界各國部分電網正在從小電流接地改為大電流接地方式。世界各國部分電網正在從大電流接地改為小電流接地方式。1.10安全接地電流對人體的危害保護接地的基本概念保護接地的技術要求1.10.1電流對人體的危害安全接地（或稱保護接地）的目的是為了保護人身安全、防止觸電事故的發(fā)生。電流對人體的傷害程度與通過人體的電流強度、持續(xù)時間、頻率、路徑及人體健康狀況等因素有關。一般情況下通過人體的工頻電流超過50mA時，心臟就會停止跳動，發(fā)生昏迷，并出現致命的電灼傷。工頻100mA電流通過人體時，很快使人致命。1.10.1電流對人體的危害0.10.20.5125102050100200500100020005000100005000200010005002001005020101234接觸時間/ms安全曲線圖IEC提出的人體觸電時間和通過人體電流（50Hz交流）對人身肌體反應的曲線1—人體無反應