第1章电力系统简介.ppt

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1、第1章 电力系统简介,1.1电力生产过程 1.2电力系统的基本知识 1.3技能训练：变电所识图,1.1电力生产过程,电力主要来自火力发电厂和水力发电厂，此外，还有核能、风力、太阳能、工业废热、潮汐、地热等电厂。下面将分别叙述火力发电厂和水力发电厂的生产过程。,1.火力发电厂,燃烧的化学能锅炉热能汽轮机机械能发电机电能将一次能源煤、石油等转变为二次能源（电能）的工厂称为火力发电厂。我国的火力发电厂以燃煤为主。为了提高燃煤效率，都将煤块粉碎成煤粉燃烧。煤粉在锅炉的炉膛内充分燃烧，将锅炉内的水变成高温高压的蒸汽，推动汽轮机带动发电机旋转发电。 其能量转换过程是：,燃烧的化学能,锅炉,热能,汽轮机,机

2、械能,电能,发电机,2.水力发电厂,水力发电厂简称水电厂或水电站，它利用水流的位能来生产电能。我国的水力资源相当丰富，水电机组生产效率较高，大、中型水电站的发电效率约为8090%，小水电站约60%70%。而火力发电厂的发电效率仅为40左右，水电站发电成本较低，一般约为火电厂的1/31/4，水电站不产生污染，还可以收到防洪、灌溉、航运等综合效益。因此，应尽可能多开发水电。当控制水流的闸门打开时，水流沿进水管进入水轮机蜗壳室，冲动水轮机，带动发电机发电。其能量转换过程是：,水流位能,机械能,电能,水轮机,水轮机,发电机,1.2电力系统的基本知识,1.2.1电力系统的基本概念 1.电力系统的组成 电

3、力产生的特点是：电能是发电厂的产品，和其他产品不同的是它不能储存，电能的产生（电厂）和消耗（用户）是随时平衡的，也就是电力生产、输送、分配和使用的全过程，是由发电厂，变电所，送电线路和用户紧密联系起来的一个整体在同一瞬间实现的。 电力系统是由两个以上的发电厂、变电所、输电网、配电网以及用户所组成的发、供用电的一个整体，其中输电线和相联的变电所部分称为电力网。如图1-1所示 。 动力系统：电力系统加上热能、水能及其他能源动力装置，称为,图1-1电力系统示意图 1-升压变压器 2-降压变压器 3-电力负荷,图1-1电力系统示意图 1-升压变压器 2-降压变压器 3-电力负荷,电力网,输电网,配电网

4、,输电网是由35千伏及以上的输电线路和变电所组成，是电力系统的主要网路，也是电力系统中电压最高的网络，它的作用是将电能输送到各个地区的配电网或直接送给大型工业企业用户。,配电网是由10千伏及以下的配电线路和配电变电所组成。它的作用是将电力分配到各类用户。,2.对电力系统的基本要求,（1）保证供电的可靠性 衡量供电可靠性的指标，一般以全部用户平均供电时间占全年时间（8760小时）的百分数表示。 （2）保证良好的电能质量 电压和频率是衡量电能质量的主要指标。 供电营业规则规定：在电力系统正常状况下，用户受电端的供电 电压允许偏差为：35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超 过额定电压的10

5、%；10kV及以下三相供电电压允许偏差为7%； 220V单相供电电压允许偏差为+7%、-10%。在电力系统非正常状况 下，用户受电端的电压最大允许偏差不应超过额定电压的10%。 频率的调整，主要依靠发电厂来调节发电机的转速。一般交流电力设 备的额定频率为50Hz（工频）。按电力工业部1996年发布的供电营 业规则规定：在电力系统正常情况下，工频的频率偏差一般不得超 过0.5Hz。如果电力系统容量达到3000MW或以上时，频率偏差则不 得超过0.2Hz。在电力系统非正常状况下，频率偏差不应超过1Hz。,1.2.2电力系统的负荷及负荷曲线,1.电力系统的负荷 联接在电力系统上一切用电设备所消耗的电

6、能，称为电力系统的负荷。 有功负荷:由电能转换成其他形式的能量，是用电设备中真实消耗的功率，称为有功负荷；如机械能、光能、热能等。用字母P来表示，单位是瓦特（W）。 无功负荷:电力电路中，在电磁场间交换的那部分能量，即在能量转换中（如建立磁场）消耗掉的一部分，没有做功，称为无功负荷，用字母Q来表示，单位是乏（Var）。 发电机既发出有功功率，又发无功功率，发电机的额定电压UN和额定电流IN的乘积，定义为视在功率SN，单位是：伏安（VA），对于三相交流发电机的视在功率是:,（1-1）,按供电可靠性要求将负荷分为三级，每级负荷对供电电源的要求也不同,种类,特点及供电要求,2.负荷曲线及其用途,负荷

7、曲线是指某一时间段内负荷随时间而变化的规律。 按负荷种类，可分为有功负荷和无功负荷曲线； 按时间段长短，可分为日负荷曲线、周负荷曲线、月负荷曲线、季负荷曲线、年负荷曲线； 因负荷变化的随机性，很难确切预计负荷变化的情况，一般是通过以往的仪表的测量记录，来研究负荷变化的规律性，并用曲线来描述它。,（1）日负荷曲线的意义及用途,日负荷曲线表示负荷在024时内的变化情况，其表示方法如图1-2所示。,尖峰负荷：平均负荷PaV以上部分。 日最大负荷Pmax：最大的负荷又叫尖荷、峰值等。 最小的负荷叫做日最小负荷Pmin，又叫谷荷。 中间负荷或腰荷：平均负荷与最小负荷之间的部分。 日负荷峰谷差：电力系统每

8、日最大负荷与最小负荷之差。 电力系统日负荷率（）：电力系统一昼夜内平均负荷与最大负荷的比值，其平均负荷由日电量除以24h后得出。日负荷率越高，说明负荷在一天内的变化越小。 日最小负荷率（）：日最小负荷与同日最大负荷的比值，表示一天内负荷变化的幅度。 日负荷曲线的横坐标一般按半小时分格，以便确定“半小时最大负荷”。利用日负荷曲线可以估算用户一天消耗的电能。,（2）年最大负荷曲线及用途,年最大负荷曲线表示一年内各月最大负荷的变化状况，它是以每月（30天）中的日负荷最大值逐月作全年的最大负荷曲线。如图1-3所示。利用年最大负荷曲线可以安排整个系统的机组检修计划、决定整个系统的装机容量而有计划的兴建机

9、组。,（3）年持续负荷曲线,把全年的负荷值由大到小排队，并统计出各个负荷值累计持续运行小时数，这样绘制的曲线为年持续负荷曲线。 年持续负荷曲线可以用来估算全年消耗的电能。 年持续负荷曲线下面以08760小时所包围的面积就等于该工厂在一年时间内消耗的有功电能，如果将这面积用与其相等的矩形（Pmax-C-Tmax-0）的面积来表示，则矩形的高代表最大负荷，矩形的底就是年最大负荷利用小时数Tmax。 年最大负荷利用小时数Tmax是一个假想的时间，它的意义是：如果电力负荷按年最大负荷Pmax持续运行Tmax小时所消耗的电能，恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能。,1.2.3电力系统的电压等级,表1-1

10、我国三相交流电网和电力设备的额定电压,注：*变压器一次绕组档内3.15、6.3、10.5KV的电压适合于和发电机端直接连接的变压器。 *变压器的二次绕组档内3.3、6.6、11KV电压适用于阻抗值在7.5%及以上的降压变压器。,1.电网（线路）的额定电压,电网的额定电压等级是国家根据国民经济发展的需要和电力工业的水平，经全面的技术经济分析后确定的。它是确定各类电力设备额定电压的基本依据。,2.用电设备的额定电压,用电设备的额定电压规定与同级电网的额定电压相同 通常用线路首端与末端的算术平均值作为用电设备的额定电压，这个电压也是电网的额定电压。由于线路运行时（有电流通过时）要产生电压降，所以线路

11、上各点的电压都略有不同，如图1-5中所示。 所以用电设备的额定电压只能取首端与末端的平均电压。,3.发电机的额定电压,由于电力线路允许的电压偏差一般为5%，即整个线路允许有10%的电压损耗，因此为了维持线路的平均电压为额定值，线路首端（电源端）的电压应较线路额定电压高5%，而线路末端则可较线路额定电压低5，如图1-5所示。 所以发电机额定电压规定应高于同级电网（线路）额定电压5%。,4.电力变压器的额定电压,（1）电力变压器一次绕组的额定电压分两种情况：当变压器直接与发电机相联时，如图1-6中的变压器Tl，其一次绕组额定电压应与发电机额定电压相同，即高于同级电网额定电压5%。 当变压器不与发电

12、机相联而是连接在线路上时，如图1-6中的变压器T2，则可看作是线路的用电设备，因此其一次绕组额定电压应与电网额定电压相同。,（2）电力变压器二次绕组的额定电压亦分两种情况： 如图1-6中的变压器T1，变压器二次侧供电线路较长，其二次绕组额定电压应比相联电网额定电压高10%，其中有5%是用于补偿变压器满负荷运行时绕组内部的约5%的电压降，另外变压器满负荷时输出的二次电压相当于发电机，还要高于电网额定电压5%，以补偿线路上的电压损耗。 变压器二次侧供电线路不长，如为低压（1000V以下）电网或直接供电给高低压用电设备时，如图1-6中的变压器T2，其二次绕组额定电压只需高于所联电网额定电压5%，仅考

13、虑补偿变压器满负荷运行时绕组内部5%的电压降。,1.2.4电力系统中性点运行方式,电力系统中性点即是发电机和变压器的中性点。 在我国，110KV及以上的系统，一般都采用中性点直接接地的大电流接地方式。 对于电压为610千伏中，单相接地电流I030A，20KV及以上系统，I010A时才采用中性点不接地方式。 在3560KV的高压电网多采用中性点经消弧线圈接地方式。 对于低压用电系统，为了获得380/220V两种供电电压，习惯上采用中性点直接接地，构成三相四线制供电方式。,1.中性点不接地系统,（1）正常运行 各相对地电压 是对称的，三相对地电容也是对称的，三个相的对地电容电流也是平衡的，如图1-

14、7所示，因此三个相的电容电流的相量和为零，地中没有电流流过。各相的对地电压，就是各相的相电压。,（2）系统发生单相接地故障,假设是C相接地，如图所示，这时C相对地电压为零，中性点对地的电压 的大小等于 ，方向与C相正常时的相电压相反，即： 。而A相对地电压和B相对地电压升高 倍变为线电压。当C相接地时，系统的接地电流（电容电流）应为A，B两相对地电容电流之和，即 ，由相量图可知，在相位上超前 90，而在量值上，由于 ，而 因此，即单相接地电容电流为正常运行时一相对地电容电流的3倍。,中性点不接地系统中的单相接地电流通常采用下列经验公式计算：,Ic为系统的单相接地电容电流（单位为A）；UN为系统

15、额定电压（kV）； loh为同一电压UN的具有电联系的架空线路总长度（km）； lcab为同一电压UN的具有电联系的电缆线路总长度（km）。,小结,对于中性点不接地系统的单相接地故障，一般继电保护不动作于跳闸。如果接地故障不是瞬间发生后立即消失，则在故障点处会产生电弧。有稳定的电弧是比较危险的，电弧可能烧坏设备，或者从单相接地电弧扩大为两相或三相弧光短路。 单相接地可能形成周期性熄灭和重燃的间歇性电弧。间歇性电弧可能引起相对地谐振过压，其值可达到2.53倍以上相电压。这种过电压会危及到与接地点有直接电气连接的整个电网上，可能在某一绝缘较为薄弱的部位引起另一相对地击穿，造成两相短路。 综上所述，

16、中性点不接地系统发生单相接地时，三相线电压的数值和相位关系并未改变，除了发电机和高压电动机等特殊设备外，一般可以继续带故障运行。 为了防止单相接地扩大为两相或三相弧光短路，规定单相接地后带故障运行时间最多不超过2小时，这就要求在发生单相接地后，必须尽快查清故障部位，迅速将故障消除。为此，在中性点不接地电网中，应装设监视单相接地的绝缘监察装置。,2.中性点经消弧线圈接地,（1）消弧线圈的结构。 消弧线圈是一个具有铁芯的电感线圈，其线圈的电阻很小，电抗很大，起有效的消弧作用。国产消弧线圈的铁芯和线圈浸在油箱里，铁芯柱有很多间隙，间隙中填着绝缘纸板，目的是为了避免铁芯磁饱和，可以得到一个稳定的电抗值

17、，使补偿电流IL与中性点对地电压成线性关系，使线圈保持有效的消弧作用。,（2）消弧线圈的工作原理。如图1-9所示，为中性点经消弧线圈接地系统的接线和相量图。,在正常工作时，三相系统是对称的，其中性点对地电位为零，所以没有电流通过消弧线圈，线圈上也没有电压。当C相接地时，地对中性点电压为UC，加在消弧线圈上，此时并有一电感电流IL，通过消弧线圈和接地点，滞后UC90。其值为：IL=UC/XL。接地点通过的电流是对地总电容电流IC，并超前UC90，由此可见IL与IC在相位上相反，实现了对单相接地时电容电流的补偿。随着接地电流的减小，电弧自行熄灭，故障消失。,（3）补偿方式,根据消弧线圈中电感电流对

18、电容电流的补偿程度不同，可以分为全补偿，欠补偿和过补偿三种补偿方式。 当感抗等于容抗（IL=IC）时，接地点电流为零时称全补偿。因为在正常运行时，各相对地电压不完全对称，在未发生故障时，中性点对地之间出现一定电压（称中性点位移电压）。此电压将引起串联谐振过电压，危及电网的绝缘，因此，实际上不采用此种补偿方式。 当感抗大于容抗（ILIC）时，接地点尚有未补偿的电容电流时称欠补偿，这种方式也很少采用。因为在欠补偿运行时，如果切除部分线路（对地电容减少），或系统频率降低，或线路发生一相断线（送电端一相断线，该相电容为零）等，均可能使系统造成全补偿，出现串联谐振过电压。,当感抗小于容抗（ILIC）时，

19、即接地处具有多余的电感性电流称为过补偿。 这种补偿方式可以避免上述出现的过电压，因此得到广泛的应用。因为当ILIC时，消弧线圈留有一定的裕度，将来电网发展，对地电容增加后，原来的消弧线圈还可以使用。 但应指出过补偿方式下，接地点将流过某一数值的电流，这种电流不能超过某一规定值，否则故障点的电弧不能自动熄灭。一般采用过补偿方式时，补偿后的残余电流不超过510安培。运行经验表明，各种电压等级的电网，只要残余电流不超过表1-2规定的允许值，接地电弧就会自动熄灭。,表1-2 过补偿或欠补偿时残余电流允许值,3.中性点直接接地方式或经低阻抗接地,为了防止单相接地时产生间歇电弧过电压，可以采用中性点直接接

20、地，如图1-10所示。,图1-10中性点直接接地的系统,在中性点直接接地的电网中，当发生单相接地时，故障相直接经过大地形成单相短路，继电器保护立即动作，开关跳闸，因此不会产生间歇性电弧。 此外，由于中性点直接接地后，中性点电位为接地体所固定，不会产生中性点位移。因此发生单相接地时，其他两相也不会出现对地电压升高，因此中性点直接接地的系统中的供用电设备绝缘只需按相电压考虑，而无需按线电压考虑。这对110kV及以上的超高压系统是很有经济技术价值的。,直接接地的运行方式有以下特点： （1）发生单相接地时，形成单相对地短路，开关跳闸，中断供电、影响供电的可靠性； （2）为了弥补上述不足，广泛采用自动重

21、合闸装置。实践经验表明，在高压架空电网中，大多数的一相接地故障都具有瞬时的性质。在故障部分开断后，接地处的绝缘可能迅速恢复，开关跳闸后自动重合，系统就恢复正常运行，从而确保供电的可靠性。 （3）中性点直接接地系统，单相接地时，短路电流很大，因此开关设备容量要选择大些，同时由于单相短路电流较大，引起电压降低，影响系统的稳定性。另外强大的短路电流在导体中流过时，周围形成强大磁场，干扰附近通讯线路。针对上述缺点，在大容量的电力系统中，为减小接地电流常采用中性点经电抗器接地方式。,1.2.5变电所电气设备简介,1.变电所的分类及作用 变电所的主要作用，即变压，接受和分配电能。 变电所由电力变压器和室内

22、外配电装置以及继电保护、自动装置及监控系统构成。如果仅有配电装置用以接受和分配电能，无需变压器改变电压时，则称为配电所。 变电所的规模一般用电压等级，变压器容量和各级电压的出线回路数表示,变电所,升压 变电所,升压变电所通常与大型发电厂结合在一起，在发电厂电气部分中装有升压变压器，把发电厂的电压升高，通过高压输电网将电能送向远方。,降压 变电所,降压变电所设在用电中心，将高压的电能适当降压后，向该地区用户供电。,变电所,一次变电所（枢纽变电所）,从220kV及以上的输电网受电，将电压降到35KV110kV，供给一个大的区域的用户。一次变通常采用双绕组变压器，也有些装设三绕组变压器，将高压降为两

23、种不同的电压，与相应电压级的网络联系起来。一次变的供电范围较大，是系统与发电厂联系的枢纽，故有时称之为枢纽变电所。,二次变电所,二次变电所大多由35110kV网络一次变受电，有些也由地方发电厂直接受电。将35110kV电压降为610KV，向较小的范围（一般约为数公里）进行供电。,工厂企业的变电所,总降压变电所,对工厂企业供电的枢纽，故又称为中央变电所，它与二次变电所的情况基本相同，也是从一次变单独引出的35KV110kV网络直接受电，经电力变压器降压至610kV，对工厂企业内部供电。一个大型企业，可能要建设多个总降压变电所，分别对各分厂和车间供电，对于小型企业，可一个或几个企业共设一个总降压变

24、电所。,车间 变电所,车间变电所从总降压变电所引出的610KV厂区高压配电线路受电，将电压降至低压380/220 V对各用电设备直接供电。,2.变电所电气系统的主要内容,变电所的电气系统，按其作用的不同分为一次系统和二次系统。 一次系统是直接生产、输送和分配电能的设备（如电力变压器、电力母线、高压输电线路、高压断路器等）及其相互间的连接电路； 对一次系统的设备起控制、保护，调节、测量等作用的设备称为二次设备，如控制与信号器具、继电保护及安全自动装置，电气测量仪表、操作电源等。二次设备及其相互间的连接电路称为二次系统或二次回路。二次系统是电力系统安全、经济、稳定运行的重要保障，是发电厂及变电所电

25、气系统的重要组成部分。 二次回路设备通常为低压设备，二次系统是通过电压互感器与电流互感器与一次系统相联系的。,（1）变电所中主要的一次设备及作用。,变压器：文字符号为T（或TM），其作用是将电压升高或降低，以利于电能的合理输送、分配和使用。,双绕组变压器,三绕组变压器,高压断路器：文字符号为QF，其作用是使电压在1000V以上的高压线路在正常的负荷下，接通和断开正常的负荷电流；在线路发生故障时，通过继电保护装置的作用将故障线路自动断开。,断路器,手车式断路器,高压负荷开关：文字符号为QL，其作用是接通和断开正常的负荷电流和过负荷电流，但不能断开短路电流。实际上高压负荷开关往往和高压熔断器串联使

26、用，借助熔断器进行短路保护。,高压负荷开关,熔断器式负荷开关,高压隔离开关：文字符号为QS，主要是用来隔离高压电源。其断开后有明显的断口，使要检修的设备和电网可靠地隔离，以保证设备和线路的安全检修。 隔离开关没有专门的灭弧装置，不允许带负荷操作隔离开关。 但是可以用来通断一定的小电流，如分、合电压互感器和避雷器及系统无接地的消弧线圈；接通或断开电容电流不超过5A的空载线路；可接通或断开110KV及以下，空载电流不超过2A的空载变压器。,高压熔断器：文字符号为FU，主要用来对电路及其设备进行短路及过载保护，是一种当通过的电流超过规定值并经过一定的时间后，使其熔体熔断而分断电流、断开电路的一种保护

27、电器。,避雷器：文字符号F，用来保护变电所的电气设备免受大气过电压及操作过电压危害的保护设备。,母线：文字符号W或WB，又称汇流排，是用来汇集和分配电能的导体。高压配电所的母线，通常采用单母线制。如果是两路或以上电源进线时，则采用高压隔离开关或高压断路器（其两侧装隔离开关）分段的单母线制。 并联电容器：文字符号C，主要用于产生无功功率，进行无功补偿，提高电力网的功率因数。,互感器：包括电流互感器（文字符号TA）和电压互感器（文字符号TV），其作用是使仪表、继电器等二次设备与主电路的一次设备绝缘，这既可避免主电路的高电压直接引入仪表、继电器等二次设备，又可防止仪表、继电器等二次设备的故障影响主电

28、路，提高一、二次电路的安全性和可靠性，并有利于人身安全。同时，互感器可以将大电流变成小电流，高电压变成低电压，供给测量仪表、继电器等二次设备。,电流互感器,三个电压互感器 接成Y0/Y0形,两个单相电压 互感器接成V/V形,三相五柱式电压互感器接成Y0/Y0/开口三角形,成套设备：成套设备它是按一次电路接线方案的要求，将有关一次设备及控制、指示、监测和保护一次设备的二次设备组合为一体的电气装置，例如高压开关柜、低压配电屏等。,（2）变电所的二次系统,控制系统。控制系统由各种控制开关和控制对象（断路器、隔离开关）的操动机构组成，其主要作用是对发电厂、变电站的开关设备进行远方跳、合闸操作，以满足改

29、变一次系统运行方式及处理故障的要求。 信号系统。信号系统由信号发送机构、接收显示元件及其网络构成，其作用是准确、及时地显示出相应一次设备的工作状态，为运行人员提供操作、调节和处理故障的可靠依据。 测量与监测系统。测量与监测系统由各种电气测量仪表、监测装置、切换开关及其网络构成，其作用是指示或记录主要电气设备和输电线路的运行状态和参数，作为生产调度和值班人员掌握主系统的运行情况、进行经济核算和故障处理的主要依据。 继电保护与自动装置系统。继电保护与自动装置系统由互感器、变换器，各种继电保护及自动装置、选择开关及其网络构成，其作用是监视一次系统的运行状况，一旦出现故障或异常便自动进行处理，并发出信

30、号。 调节系统。调节系统由测量机构、传送设备、执行元件及其网络构成，其作用是调节某些主设备的工作参数，以保证主设备和电力系统的安全、经济、稳定运行。 操作电源系统。操作电源系统由直流电源设备和供电网络构成，其作用是供给上述各二次系统的工作电源。,综合自动化系统。变电站综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次系统（包括控制、测量、信号、故障录波、继电保护、自动装置及远动系统等）的功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。通过变电站综合自动化系统内各设备间相互交换信息，数据共享，完成变电站运行监视和控制任务。变电站综合自动化替代了变电站常规二次系统，简化了变电站二次接线。变电站综合自动化是提高变电站安全稳定运行水平、降低运行维护成本、提高经济效益、向用户提供高质量电能的一项重要技术措施。,