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第一章 电力系统的基本概念第1页，本讲稿共42页 电气工程教研室电气工程教研室 第一章 电力系统的基本概念返回返回第2页，本讲稿共42页第一节第一节 电力系统运行特点和基本要求电力系统运行特点和基本要求 1电力系统的组成电力系统的组成电力系统电力系统是由是由发电厂发电厂的发电机的发电机、升压及降升压及降压变电设备、电力网及电能用户（用电设备）压变电设备、电力网及电能用户（用电设备）组成的系统统称为电力系统。组成的系统统称为电力系统。是现代社会中最是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。重要、最庞杂的工程系统之一。发电机发电机升压升压变压器变压器降压降压变压器变压器电灯电灯电动机电动机电炉等电炉等用电设用电设备备.输电线输电线第3页，本讲稿共42页电电力力网网络络是是由由变变压压器器、电电力力线线路路等等变变换换、输输送、分配电能设备所组成的部分。送、分配电能设备所组成的部分。发电机发电机升压升压变压器变压器降压降压变压器变压器电灯电灯电动机电动机电炉等电炉等用电设用电设备备.输电线输电线（1）发电厂）发电厂：生产电能。：生产电能。（2）电力网）电力网：变换电压、传送电能。：变换电压、传送电能。由变电所和电力线路组成。由变电所和电力线路组成。（3）用电设备）用电设备：消耗电能。：消耗电能。第4页，本讲稿共42页 2 2电能的特点电能的特点 （1 1）电能不能储存）电能不能储存 电能的生产、输送、分配和使用同时完成。电能的生产、输送、分配和使用同时完成。（2 2）暂态过程非常迅速）暂态过程非常迅速 电能以电磁波的形式传播，传播速度为电能以电磁波的形式传播，传播速度为300km300kmmsms。（3 3）和国民经济各部门间的关系密切）和国民经济各部门间的关系密切。第5页，本讲稿共42页二对电力系统运行的基本要求二对电力系统运行的基本要求 1保证可靠地持续供电保证可靠地持续供电供供电电的的中中断断将将使使生生产产停停顿顿、生生活活混混乱乱，甚甚至至危危及及人人身身和和设设备备安安全全，形形成成十十分分严严重重的的后后果果。停停电电给给国国民民经经济济造造成成的的损损失失远远超超过过电电力力系系统统本本身身的的损损失失。因因此此，电电力力系系统统运运行行首首先要满足可靠、持续地供电的要求。先要满足可靠、持续地供电的要求。虽虽然然保保证证可可靠靠供供电电是是对对电电力力系系统统运运行行的的首首要要要要求求，但但并并非非所所有有负负荷荷都都绝绝对对不不能能停停电电。一一般般，可可根根据据经经验，按对供电可靠性的要求将负荷分为三级：验，按对供电可靠性的要求将负荷分为三级：第6页，本讲稿共42页一级负荷：一级负荷：为为中中断断供供电电将将造造成成人人身身伤伤亡亡者者；或或在在政政治治上上、经经济济上上将将造造成成重重大大损损失失者者，如如重重大大设设备备损损坏坏、重重大大产产品品报报废废、用用重重要要原原料料生生产产的的产产品品大大量量报报废废、国国民民经经济济中中重重点点企企业业的的连连续续生生产产过过程程被被打打乱乱需需要要长长时时间间才才能能恢恢复复等。等。第7页，本讲稿共42页二二级级负负荷荷：为为中中断断供供电电将将在在政政治治上上、经经济济上上将将造造成成较较大大损损失失者者，如如主主要要设设备备损损坏坏、大大量量产产品品报报废废、连连续续生生产产过过程程被被打打乱乱需需要要较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。三三级级负负荷荷：为为一一般般的的电电力力负负荷荷，所所有有不不属属于上述一、二级负荷者。于上述一、二级负荷者。第8页，本讲稿共42页2保证良好的电能质量保证良好的电能质量电能质量包含电能质量包含电压质量、频率质量和波形质量电压质量、频率质量和波形质量。良良好好的的电电能能质质量量是是指指电电压压正正常常，偏偏移移不不超超过过给给定定值值，例例如如，给定的允许电压偏移为额定值的给定的允许电压偏移为额定值的5%5%，频频率率正正常常，偏偏移移不不超超过过给给定定值值，例例如如给给定定的的允允许许频频率率偏移为偏移为0.20.20.5HZ0.5HZ等等,波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。所所谓谓畸畸变变率率（或或正正弦弦波波形形畸畸变变率率），是是指指各各次次谐谐波波有有效效值值平平方和的方根值与基波有效值的百分比。方和的方根值与基波有效值的百分比。第9页，本讲稿共42页 对对电电压压和和频频率率质质量量的的保保证证，我我国国电电力力工工业业部部门门多多年年来来早早已已有有要要求求，并并已已将将其其作作为为考考核电力系统运行质量的重要内容之一。核电力系统运行质量的重要内容之一。在当前条件下，为保证这些质量指标，在当前条件下，为保证这些质量指标，必必须须做做到到大大量量增增加加系系统统中中有有功功功功率率、无无功功功功率率的的电电源源，充充分分发发挥挥现现有有电电源源的的作作用用，合合理理调调配配用用电电、节节约约用用电电，不不断断提提高高系系统统的自动化程度等。的自动化程度等。第10页，本讲稿共42页 在在我我国国，对对波波形形质质量量的的要要求求只只是是在在系系统统中中谐谐波波污污染染日日益益严重的情况下才开始注意的，有关规定还有待继续完善。严重的情况下才开始注意的，有关规定还有待继续完善。所所谓谓保保证证波波形形质质量量，就就是是指指限限制制系系统统中中电电流流、电电压压的的谐谐波波，而而其其关关键键则则在在于于限限制制各各种种换换流流装装置置、电电热热电电炉炉等等非非线线性性负负荷荷向向系系统统注注入入的的谐谐波波电电流流。至至于于限限制制这这类类谐谐波波电电流流的的方方法法，则则有有更更改改换换流流装装置置的的设设计计、装装设设滤滤波器、限制不符合要求的非线性负荷的接入等。波器、限制不符合要求的非线性负荷的接入等。第11页，本讲稿共42页3、保证系统运行的经济性、保证系统运行的经济性 电电能能生生产产的的规规模模很很大大，消消耗耗的的一一次次能能源源在在国国民民经经济济一一次次总总消消耗耗中中占占的的比比重重约约为为1/3,而而且且电电能能在在变变换换、输输送送、分分配配时时的的损损耗耗绝绝对对值也相当可观。值也相当可观。因因此此，降降低低每每生生产产一一度度电电所所消消耗耗的的能能源源和和降降低低变变换换、输输送送、分分配配时时的的损损耗耗，有有极极重重要的意义。要的意义。第12页，本讲稿共42页 为为保保证证系系统统运运行行的的经经济济性性，应应开开展展系系统统经经济济运运行工作，使各发电厂所承担的负荷能合理分配。行工作，使各发电厂所承担的负荷能合理分配。例例如如，使使水水力力发发电电厂厂能能充充分分利利用用水水能能，避避免免弃弃水水；使使火火力力发发电电厂厂中中经经济济性性能能好好的的多多发发电电，差差的的少少发发电电，并并避避免免频频繁繁开开停停机机组组；使使功功率率在在系系统统中中合合理理分分布布以以降降低低电电能能在在变变换换、输输送送、分分配中的损耗，等等配中的损耗，等等应应该该指指出出，以以上上这这些些要要求求是是互互相相关关联联的的，而而且且往往往往是是互互相相矛矛盾盾、互互相相制制约约的的。因因此此，在在考考虑虑满足任何一项要求时，必须兼顾其他。满足任何一项要求时，必须兼顾其他。第13页，本讲稿共42页根据以上基本要求，最好将单一系统联合，组成根据以上基本要求，最好将单一系统联合，组成联合电力系统。这可大大提高供电可靠性，减少联合电力系统。这可大大提高供电可靠性，减少为防止设备事故引起供电中断而设置的备用容量。为防止设备事故引起供电中断而设置的备用容量。由于个别负荷在系统总负荷中所占比重的减少。由于个别负荷在系统总负荷中所占比重的减少。它还可更合理地利用系统中各种类型的发电厂，它还可更合理地利用系统中各种类型的发电厂，从而提高运行的经济性。从而提高运行的经济性。联合电力系统容量很大，个别机组的开停，甚至联合电力系统容量很大，个别机组的开停，甚至故障，对系统的影响将减小，从而可采用大容量、故障，对系统的影响将减小，从而可采用大容量、高效率的机组。高效率的机组。但是，为使个别系统联合，通常要增加一定的投但是，为使个别系统联合，通常要增加一定的投资。资。第14页，本讲稿共42页第二节第二节电力系统的结线方式和电压等级电力系统的结线方式和电压等级 一一.电力系统的结线图电力系统的结线图有有两两种种：电电力力系系统统的的电电气气接接线线图图和和电电力力系系统的地理接线图统的地理接线图第15页，本讲稿共42页电电力力系系统统的的电电气气主主接接线线方方式式大大致致分分为为两两大大类：类：（1）无备用电源接线）无备用电源接线（2）有备用电源接线）有备用电源接线第16页，本讲稿共42页 1无备用接线（开式电力网）方式无备用接线（开式电力网）方式无备用接线包括：无备用接线包括：（1）单回放射式）单回放射式（2）树干式）树干式（3）链式网络）链式网络a）放射式）放射式b）干线式）干线式c）链式）链式第17页，本讲稿共42页无备用结线的主要优点在于无备用结线的主要优点在于简单、经济、简单、经济、运行方便，主要缺点是供电可靠性差。运行方便，主要缺点是供电可靠性差。因此，这种结线不适用于一级负荷占很大因此，这种结线不适用于一级负荷占很大比重的场合。比重的场合。第18页，本讲稿共42页 2有备用接线（闭式电力网）方式有备用接线（闭式电力网）方式有备用接线方式包括有备用接线方式包括（1）双回放射式）双回放射式（2）树干式）树干式（3）链式）链式（4）环式）环式（5）两端供电网络）两端供电网络a）放射式）放射式b）干线式）干线式c）链式）链式d）环式）环式e）两端供电网络）两端供电网络第19页，本讲稿共42页有备用结线中，双回路的放射式、干线式和链式网络有备用结线中，双回路的放射式、干线式和链式网络的的优点在于供电可靠性和电压质量高优点在于供电可靠性和电压质量高，缺点是可能，缺点是可能不够经济。不够经济。有备用结线中的环式网络结线有与上列结线方式相同有备用结线中的环式网络结线有与上列结线方式相同的供电可靠性，但却较它们经济，缺点为运行调度较的供电可靠性，但却较它们经济，缺点为运行调度较复杂，且故障时的电压质量差。有备用结线中的两端复杂，且故障时的电压质量差。有备用结线中的两端供电网络最常见，但采用这种结线的先决条件是供电网络最常见，但采用这种结线的先决条件是必须必须有两个或两个以上独立电源。有两个或两个以上独立电源。第20页，本讲稿共42页 有有备备用用接接线线的的双双回回放放射射式式、树树干干式式和和链链式式网络用于一、二级负荷。网络用于一、二级负荷。环环式式接接线线，供供电电经经济济、可可靠靠，但但运运行行调调度度复复杂杂，线线路路发发生生故故障障切切除除后后，由由于于功功率率重重新新分配，可能导致线路过载或电压质量降低。分配，可能导致线路过载或电压质量降低。两端供电接线方式必须有两个独立的电源。两端供电接线方式必须有两个独立的电源。第21页，本讲稿共42页二二.不同电压等级的适用范围不同电压等级的适用范围1、电力系统的额定电压等级、电力系统的额定电压等级因三相功率和线电压和线电流之间的关系为因三相功率和线电压和线电流之间的关系为输送功率一定时，输电电压愈高，电流愈小，导线输送功率一定时，输电电压愈高，电流愈小，导线等载流部分的截面积愈小，投资愈小，但电压愈高，等载流部分的截面积愈小，投资愈小，但电压愈高，对绝缘的要求愈高，杆塔、变压器、断路器等绝缘对绝缘的要求愈高，杆塔、变压器、断路器等绝缘的投资也愈大，综合考虑这些因素，对应一定的输的投资也愈大，综合考虑这些因素，对应一定的输送功率和输送距离有一最合理的线路电压。但从设送功率和输送距离有一最合理的线路电压。但从设备制造角度考虑，为保证生产的系列性，考虑到现备制造角度考虑，为保证生产的系列性，考虑到现有的实际情况和进一步的发展，有的实际情况和进一步的发展，我国国家标准规定的标准电压（又称额定电压）。我国国家标准规定的标准电压（又称额定电压）。第22页，本讲稿共42页额定电压等级额定电压等级用电设备额定线电压用电设备额定线电压交流发电机线电压交流发电机线电压变压器线电压变压器线电压一次绕组一次绕组二次绕组二次绕组33.153及及3.153.15及及3.366.36及及6.36.3及及6.61010.510及及10.510.5及及1115.7515.75353538.5(60)(60)(66)110110121(154)(154)(169)220220242330330345及及363500500525及及550第23页，本讲稿共42页（1）用电设备的额定电压）用电设备的额定电压以以UN表示用电设备的额定电压（为其表示用电设备的额定电压（为其他元件的参考电压）他元件的参考电压）（2）电网的额定电压电网的额定电压输电线路的首端和末端均可接用电输电线路的首端和末端均可接用电设备，而用电设备的端电压一般容许在设备，而用电设备的端电压一般容许在额定电压的额定电压的5范围内波动。因而在没范围内波动。因而在没有调压设备的情况下，输电线路上可以有调压设备的情况下，输电线路上可以容许容许10的电压损耗。的电压损耗。第24页，本讲稿共42页若输电线的首端较用电设备高若输电线的首端较用电设备高5，即为，即为输电线路的末端电压较用电设备低输电线路的末端电压较用电设备低5%,即为即为则输电线路首末两端电压的平均值应等于电则输电线路首末两端电压的平均值应等于电网额定电压网额定电压UN。第25页，本讲稿共42页（3）发电机的额定电压发电机的额定电压发电机作为直接配电的电源，总是接在发电机作为直接配电的电源，总是接在线路首端，它的额定电压较输电线路的额线路首端，它的额定电压较输电线路的额定电压高定电压高5，则发电机的额定电压规定，则发电机的额定电压规定比同级电网电压高比同级电网电压高5，补偿电压损失。，补偿电压损失。第26页，本讲稿共42页 （4）电力变压器的额定电压电力变压器的额定电压变变压压器器的的额额定定电电压压即即为为变变压压器器两两侧侧的的额额定定电电压，以变比表示为压，以变比表示为电电力力变变压压器器的的一一次次绕绕组组的的额额定定电电压压根根据据连连接接情情况况不不同同分分为为两两种种：当当变变压压器器直直接接与与发发电电机机相相连连时时，其其一一次次绕绕组组的的额额定定电电压压与与发发电电机机的的额额定定电电压压相相同同，即高出同级电网额定电压即高出同级电网额定电压5；第27页，本讲稿共42页 当当变变压压器器直直接接与与电电网网相相连连时时，其其一一次次绕绕组组的的额额定定电电压压与与电电网网的的额额定定电电压压相相同同，即即等等于于同同级级电电网额定电压。网额定电压。第28页，本讲稿共42页 电力变压器的二次绕组的额定电压是指一次绕电力变压器的二次绕组的额定电压是指一次绕组在额定电压作用下，二次绕组的空载电压。组在额定电压作用下，二次绕组的空载电压。当变压器满载时，变压器的一、二次绕组的阻当变压器满载时，变压器的一、二次绕组的阻抗将引起变压器自身的电压降（大约相当于电网抗将引起变压器自身的电压降（大约相当于电网额定电压的额定电压的5 5），从而使二次绕组的端电压小），从而使二次绕组的端电压小于空载电压。为了弥补线路中的电压损失，变压于空载电压。为了弥补线路中的电压损失，变压器的二次绕组的额定电压应高于电网额定电压器的二次绕组的额定电压应高于电网额定电压5 5，因此变压器二次绕组的额定电压规定比同级，因此变压器二次绕组的额定电压规定比同级电网额定电压高电网额定电压高1010；第29页，本讲稿共42页若变压器靠近用户，供电半径较小时，由于线路较若变压器靠近用户，供电半径较小时，由于线路较短，线路的电压损失可以忽略不计，这时变压器短，线路的电压损失可以忽略不计，这时变压器的二次绕组的额定电压应高于电网额定电压的二次绕组的额定电压应高于电网额定电压5 5，用以补偿变压器自身的电压损失。用以补偿变压器自身的电压损失。第30页，本讲稿共42页变压器的额定电压总结为：一次侧额定电压二次侧额定电压第31页，本讲稿共42页2、不同电压等级的适用范围、不同电压等级的适用范围500、330、220kV多半用于大电力系统的主干线；多半用于大电力系统的主干线；110kV既用于中小电力系统的主干线，也用于大电力系统既用于中小电力系统的主干线，也用于大电力系统的二次网络；的二次网络；35kV既用于大城市或大工业企业内部网络，也广泛用既用于大城市或大工业企业内部网络，也广泛用于农村网络；于农村网络；10kV则是最常用的更低一级配电电压；只有负荷中高压则是最常用的更低一级配电电压；只有负荷中高压电动机的比重很大时，才考虑以电动机的比重很大时，才考虑以6kV配电的方案。显然，配电的方案。显然，这种划分不是绝对的，也不是一成不变的。这种划分不是绝对的，也不是一成不变的。第32页，本讲稿共42页三、电力系统中性点的运行方式三、电力系统中性点的运行方式星形联结变压器或发电机的中性点，即电星形联结变压器或发电机的中性点，即电力系统的中性点的运行方式，力系统的中性点的运行方式，是一个十分是一个十分复杂的问题。它关系到绝缘水平、通信干复杂的问题。它关系到绝缘水平、通信干扰、接地保护方式、电压等级、系统结线扰、接地保护方式、电压等级、系统结线等很多方面。等很多方面。第33页，本讲稿共42页在三相交流电力系统中，中性点的运在三相交流电力系统中，中性点的运行方式有三种运行方式：行方式有三种运行方式：一种是电源中性点不接地，一种是电源中性点不接地，一种是电源中性点经消弧线圈接一种是电源中性点经消弧线圈接地，地，一种是电源中性点直接接地。一种是电源中性点直接接地。前两种称为中性点非有效接地，前两种称为中性点非有效接地，或小电流接地，后一种中性点直或小电流接地，后一种中性点直接接地称为中性点有效接地，或接接地称为中性点有效接地，或大电流接地。大电流接地。第34页，本讲稿共42页1、电源中性点不接地的电力系统、电源中性点不接地的电力系统第35页，本讲稿共42页 1中性点不接地系统中性点不接地系统系系统统中中性性点点不不接接地地是是指指系系统统中中性性点点对对地地绝绝缘缘。当当系系统统发发生生单单相相接接地地故故障障后后系系统统的的三三相相对对称称关关系系并并未未破破坏坏，仅仅中中性性点点及及各各相相对对地地电电压压发发生生变变化化，中中性性点点的的电电压压上上升升到到相相电电压压，非非故故障障相相对对地地电电压压值值增增大大为为3倍倍相相电电压压，故故对对于于该该中中性性点点不不接接地地系系统统可可以以带带故故障障继继续续运运行行2小小时时。故故障障相相接接地地点点的的对地故障电流为正常运行时对地电容电流的对地故障电流为正常运行时对地电容电流的3倍。倍。在我国配电网电压在在我国配电网电压在101035kV35kV之间的架空线路之间的架空线路多采用此接地方式。多采用此接地方式。第36页，本讲稿共42页由于任意两个导体隔以绝缘介质时，就形由于任意两个导体隔以绝缘介质时，就形成电容，因此三相交流电力系统中的相与成电容，因此三相交流电力系统中的相与相之间及相与地之间都存在着一定电容。相之间及相与地之间都存在着一定电容。系统正常，相电压对称，线电压对称系统正常，相电压对称，线电压对称单相接地，其他两相对地电压为线电压，单相接地，其他两相对地电压为线电压，而线路的线电压无论相位和量值均为发生而线路的线电压无论相位和量值均为发生变化，因此三相用电设备仍然正常运行。变化，因此三相用电设备仍然正常运行。但是这种线路不允许在一相接地的情况下但是这种线路不允许在一相接地的情况下长期运行。长期运行。第37页，本讲稿共42页2、电源中性点经消弧线圈接地、电源中性点经消弧线圈接地消弧线圈实际上就是铁心线圈，其电阻很消弧线圈实际上就是铁心线圈，其电阻很小，感抗很大。小，感抗很大。当系统发生一相接地时，流过接地点的电当系统发生一相接地时，流过接地点的电流是接地电容电流与流过消弧线圈的电感流是接地电容电流与流过消弧线圈的电感电流之和。电流之和。在一相接地时，其他两相对地电压也要升在一相接地时，其他两相对地电压也要升高到线电压。高到线电压。第38页，本讲稿共42页3、电源中性点直接接地、电源中性点直接接地这种系统的一相接地，就造成单相短路。这种系统的一相接地，就造成单相短路。单相短路电流比线路的正常负荷电流大的单相短路电流比线路的正常负荷电流大的多。通常要使线路熔断器或开关自动跳闸，多。通常要使线路熔断器或开关自动跳闸，将短路故障部分切除，使系统的其他部分将短路故障部分切除，使系统的其他部分恢复正常运行。恢复正常运行。一相接地时，其他两相电压对地电压不会一相接地时，其他两相电压对地电压不会升高，这与中性点不接地或经消弧线圈接升高，这与中性点不接地或经消弧线圈接地的系统不同。地的系统不同。第39页，本讲稿共42页在我国，在我国，110kV及以上的系统中性点直接接及以上的系统中性点直接接地，地，60kV及以下的系统中性点不接地。及以下的系统中性点不接地。第40页，本讲稿共42页第三节第三节电力系统工程学科和电力系统分析课程电力系统工程学科和电力系统分析课程一、电力系统工程学科的范畴一、电力系统工程学科的范畴在我国，电力系统工程学科是电工学科的在我国，电力系统工程学科是电工学科的一个分支，它所涉及的范围不涉及锅炉、一个分支，它所涉及的范围不涉及锅炉、反应堆、汽轮机、水轮机等动力元件所组反应堆、汽轮机、水轮机等动力元件所组成的动力部分，但与不少其他学科保持着成的动力部分，但与不少其他学科保持着互相渗透、互相补充的关系互相渗透、互相补充的关系第41页，本讲稿共42页二、电力系统分析课程的内容二、电力系统分析课程的内容电力系统的稳态电力系统的稳态，系指电力系统正常的，系指电力系统正常的，相对静止的运行状态相对静止的运行状态电力系统的暂态电力系统的暂态，则指电力系统从一种运，则指电力系统从一种运行状态向另一种运行状态过渡的过程。行状态向另一种运行状态过渡的过程。第42页，本讲稿共42页