電力系統(tǒng)基礎

電力系統(tǒng)基礎第1頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二一、電力系統(tǒng)知識介紹（一）電力系統(tǒng)基本概念

1、電力系統(tǒng)組成：電能是一種十分重要的二次能源，它能方便、經(jīng)濟地從蘊藏于自然界中的一次能源（如：煤炭、石油、天然氣、水力、核燃料、風能等）轉(zhuǎn)換而來，并且可以轉(zhuǎn)換為其它能量供人們使用。電能是由發(fā)電廠生產(chǎn)的，大容量發(fā)電廠往往建在燃料，水力資源豐富的地方，而用戶往往遠離發(fā)電廠需要建設較長的輸電線路進行輸電，建設升壓和降壓變電所進行變電，通過配電線路向各類用戶配電，由發(fā)電、變電、輸電、配電和電力用戶連接成的統(tǒng)一整體，稱為電力系統(tǒng)。第2頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二

電力系統(tǒng)中輸送和分配電能的部分叫電力網(wǎng)，它包括升、降壓變壓器和各種電壓的輸電線路

第3頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二

電力網(wǎng)按電壓等級的高低和其供電范圍的大小可分為地方電力網(wǎng)，區(qū)域電力網(wǎng)及超高壓遠距離運輸網(wǎng)三種類型。（1）電壓等級在35kV及以下，供電半徑在20-50km以內(nèi)的電力網(wǎng)，稱為地方電力網(wǎng)。一般企業(yè)、工礦和農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)配電網(wǎng)屬于此類型（2）電壓等級在35kV及以上，供電半徑超過50km的電力網(wǎng)，稱為區(qū)域電力網(wǎng)

目前我國電壓為110-220kV的電力網(wǎng)就屬于這種類型。（3）電壓等級為330-500kV的電力網(wǎng)，一般由遠距離輸電線路連接而成，通常稱為超高壓遠距離輸電網(wǎng)。（包括近幾年建設的500kv和750kv直流輸電系統(tǒng)）第4頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二第5頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二

它的任務就是把遠處發(fā)電廠生產(chǎn)的電能輸送到負荷中心，同時還聯(lián)系區(qū)域電力網(wǎng)行程跨省，跨地區(qū)的大電力系統(tǒng)，如我國的東北、華北、華中、華東、西北和南方等電力網(wǎng)，就屬于這種類型。

在國外，像北歐、西歐等一些國家的電力網(wǎng)互相連接起來，形成跨國的聯(lián)合電力系統(tǒng)。

第6頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二

變電所是聯(lián)系發(fā)電廠和用戶的中間環(huán)節(jié)，由電力變壓器和配電裝置組成，起著變換電壓，交換和分配電能的作用。變電所根據(jù)在電力系統(tǒng)中的地位不同，可分為區(qū)域變電所，地區(qū)變電所和終端變電所。第7頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二第8頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二

區(qū)域變電所在電力系統(tǒng)中的地位比較重要，處于聯(lián)系電力系統(tǒng)各部分的中樞位置，又叫樞組變電所。其特點是電壓等級高，變壓器容量大，進出線回路數(shù)多，區(qū)域變電所由大電網(wǎng)供電，其高壓側(cè)電壓為330-500kV，全所一旦停電后，將引起整個系統(tǒng)解列，甚至是部分系統(tǒng)癱瘓。

第9頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二

區(qū)域變電所多由發(fā)電廠或區(qū)域變電所供電，其高壓側(cè)電壓為110-220kV，全所一旦停電后，將使該地區(qū)中斷供電。

終端變電所是電網(wǎng)的末端變電所系統(tǒng)工礦企業(yè)，居民區(qū)，商業(yè)網(wǎng)關(guān)，箱式變電所其高壓側(cè)為10-110kV，全所一旦停電后，中斷用戶供電。只用來接受和分配電能而不承擔變換電壓的場所，稱為配電所，多建于工業(yè)企業(yè)內(nèi)部。第10頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二2、電力系統(tǒng)的特點：（1）電能不能大量儲存；（2）過渡過程十分短暫；（3）與國民經(jīng)濟，各部門和人民生活關(guān)系密切。第11頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二3、對電力系統(tǒng)的基本要求：（1）保證安全可靠的供電在供電過程中，供電的突然中斷大多由事故引起，必須從各方面采取措施以防止和減少事故的發(fā)生，如嚴密監(jiān)視設備的運行狀態(tài)和認真維修設備以減少其事故，不斷提高運行人員技術(shù)水平以防止人為事故。

第12頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二

為提高運行的安全可靠性，必須配備足夠的有功功率電源和無功功率電源。完善電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高電力系統(tǒng)抗干擾的能力，增強電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性

利用計算機對系統(tǒng)的運行進行安全監(jiān)視和控制等。

第13頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二電力系統(tǒng)的負荷

電力系統(tǒng)中所有用電設備消耗的功率稱為電力系統(tǒng)的負荷。

可將負荷分為三級：第一級負荷中斷供電的后果極為嚴重，采用雙電源供電；第二級負荷大量減產(chǎn)，生活受影響；第三級負荷短時供電中斷不會形成重大影響。第14頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二（2）要有合乎要求的電能質(zhì)量

電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)，理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應以恒定的頻率、正玄波形和標準電壓對用戶供電。

我國采用的額定頻率是50HZ允許偏差0.2~±0.5HZ；用戶供電電壓允許偏移為額定值的±5%；

電壓波動和閃變不超過2%~2.5%第15頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二（3）為用戶提供充足的電能（4）要有良好的經(jīng)濟性盡量降低發(fā)電廠煤耗率（水耗率）廠用電率和電力網(wǎng)的損耗率實行經(jīng)濟調(diào)度。第16頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二二、發(fā)電廠的生產(chǎn)過程發(fā)電廠是生產(chǎn)電能的工廠，它將蘊藏于自然界中的一次能源轉(zhuǎn)換為電能，根據(jù)其所利用的電能不同，分為：火力發(fā)電廠水力發(fā)電廠核能發(fā)電廠風力發(fā)電廠地熱發(fā)電廠太陽能發(fā)電廠潮汐發(fā)電廠第17頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二、火力發(fā)電廠利用煤炭、石油、天然氣等可燃物為原料來發(fā)電的工廠，其能量轉(zhuǎn)換過程為：燃料的化學能→熱能→機械能→電能按原動機類型分為：

汽輪機發(fā)電廠、蒸汽機發(fā)電廠、內(nèi)燃機發(fā)電廠

第18頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二汽輪機發(fā)電廠（大容量大電廠多采用汽輪式）

1、單一生產(chǎn)電能的凝汽式一般建在燃料產(chǎn)地也稱為坑口或礦口電廠。2、兼供熱的熱電廠建在大城市及工業(yè)區(qū)附近。第19頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二（二）水力發(fā)電廠利用江河水流的位能來發(fā)電的工廠--水電廠其能量轉(zhuǎn)換過程是：水的位能—機械能—電能。水—通過壓力水管引入水輪機—推動水輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，把機械能轉(zhuǎn)換為電能。第20頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二（三）核電廠利用核能發(fā)電—核電廠其轉(zhuǎn)換過程是：核燃料的裂變能—熱能—機械能—電能核電廠由兩個主要部分組成：核系統(tǒng)部分（包括反應堆及其附屬設備）常規(guī)部分（包括汽輪機、發(fā)電機及其附屬設備）

美國1951年在加州建成世界上第一個實驗性的100kw核電廠，我們20世紀90年代興建了秦山和大亞灣核電廠。第21頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二（四）其他新能源發(fā)電太陽能發(fā)電、風力發(fā)電、地熱發(fā)電、潮汐發(fā)電等。

1、太陽能發(fā)電利用太陽光能或太陽熱能來生產(chǎn)電能第22頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二2、風力發(fā)電利用風的動能來生產(chǎn)電能其發(fā)電過程是：風力—使旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)換—風力的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能—再通過升速裝置驅(qū)動發(fā)電機發(fā)出電能。風力發(fā)電是世界能源發(fā)展的一個主要方向，在大型風場大量利用大型風機發(fā)電將可以替代現(xiàn)有的大力發(fā)電系統(tǒng)，對居民分散的用戶，小型高級的風力發(fā)電系統(tǒng)更加具有普及的意義。第23頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二3、地熱發(fā)電地熱發(fā)電就是利用地表深處的地熱能來生產(chǎn)電能，與大電廠相似，只是向地熱中取代鍋爐設備，將地熱蒸汽從地熱中引出—送入汽輪機—帶動發(fā)電機發(fā)電。第24頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二4、潮汐發(fā)電

潮汐發(fā)電是利用海水漲潮，落潮中的動能、勢能來生產(chǎn)電能，需建設攔潮大壩。一般為雙向潮汐發(fā)電廠，漲潮及退潮時均可發(fā)電。

太陽能、風能、地熱能、潮汐能等新能源都屬于清潔，廉價和可再生能源，是未來的主要能源，因此，加強新能源發(fā)電的開發(fā)力度，加快新能源發(fā)電的步伐，是世界各國共同的發(fā)展趨勢。第25頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二四、電力系統(tǒng)接地方式

1、中性點不接地方式2、中性點非有效接地系統(tǒng)如：消弧線圈接地方式、大電阻接地方式等3、中性點直接接地系統(tǒng)（包括經(jīng)小阻接地）第26頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二四、變電所的一次設備電力系統(tǒng)按其作用的不同可分為一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)，其中擔負電能輸送和分配任務的系統(tǒng)稱為一次系統(tǒng)（或一次回路），一次系統(tǒng)中的所有電氣設備，稱為一次設備。對一次系統(tǒng)進行監(jiān)視，控制，測量和保護的系統(tǒng)，稱為二次系統(tǒng)（或二次回路），二次系統(tǒng)中的所有電氣設備，稱為二次設備。第27頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二第28頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二一次設備按其功能可分為以下幾類：（1）變換電壓或電流的設備如：電力變壓器、電流互感器、電壓互感器；（2）接通或開斷電路的開關(guān)設備如：斷路器，隔離開關(guān)，負荷開關(guān)；（3）防御過電壓和限制故障電流的保護設備如：熔斷器，避雷器，電抗器等；（4）無功補償設備如：電力電感器，靜止補償器；（5）成套配電裝置如:變壓開關(guān)柜，低壓配電屏等。第29頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二五、一次系統(tǒng)（一）電氣主接線

1、電氣主接線又叫一次接線，是由各開關(guān)電器、變壓器、互感器、線路、電抗器、母線等按一定順序連接而成的接受和分配電能的總電路。

2、電氣主接線的設計應滿足四性：（1）安全保證在進行任何切換操作時人身和設備的安全；（2）可靠應滿足各級電力負荷對供電可靠性的要求；（3）靈活應能適應各種運行方式下的操作，檢修和維護；（4）經(jīng)濟在滿足以上前提下，主接線要求簡單，經(jīng)濟。第30頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二3、主接線的基本形式：（主要討論中小型變電所）（1）線路-變壓器單元接線特點：接線簡單，使用設備少，高壓側(cè)無母線，低壓側(cè)母線，不分段，其中任一元件發(fā)生故障或檢修，變電所都要停電。第31頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二（2）單母線接線特點：接線簡單，使用設備少，操作方便，投資少，便于擴建，但可靠性和靈活性較差，不能滿足重要用戶。第32頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二（3）單母分段接線特點：在單母的基礎上提高了供電的可靠性，但同一條母線故障檢修時，該母線所有回路必須停電。第33頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二4、單母線帶旁路母線接線特點：某一出現(xiàn)需停電檢修時，可由旁母代路運行，接線復雜，投資大，容易誤操作。第34頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二（5）雙母線接線（加旁母）優(yōu)點：1、輪換檢修母線不斷供電；2、檢修任一回路的母線隔離開關(guān)時僅使該回路停電（進線檢修）；3、工作母線發(fā)生故障時，經(jīng)倒閘操作這一段停電后，可迅速恢復供電；4、檢修任一回路斷路器時，可用母聯(lián)代替。缺點：1、容易誤操作；2、工作母線故障會短時斷電；3、使用的隔離開關(guān)多，結(jié)構(gòu)復雜，占地面積大，投資較高。第35頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二（6）橋形接線內(nèi)橋——跨接橋在變壓器側(cè)，橋斷路器在線路斷路器之內(nèi)，與變壓器之間為隔離開關(guān)；外橋——跨接橋靠近線路側(cè)，橋斷路器在線路斷路器之外，線路回路僅裝隔離開關(guān)，不斷斷路器。第36頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二內(nèi)橋?qū)M線的操作非常方便，但對變壓器的操作不便；適用于電源進線較長，而變壓器不需要經(jīng)常切換的場所。第37頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二外橋?qū)ψ儔浩骰芈返牟僮鞣浅７奖?，但對進線操作不便。適用于電源進線較短而變壓器需經(jīng)常切換的場所。第38頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二

橋線接線投資小，接線簡單，供電的可靠性和靈活性較高。適用于向一、二類負荷供電。第39頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二（二）高低壓開關(guān)電器1、高壓斷路器的用途高壓斷路器的功能是通斷正常負荷電流，并通斷一定的短路電流，并能在保護裝置的作用下，自動跳閘，切除短路故障。第40頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二2、對高壓斷路器的基本要求（1）絕緣應安全可靠，承受工作電壓長期作用及過電流短時作用；（2）有足夠的動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，能承受短時電流的力效應和熱效應而不致?lián)p壞；（3）有足夠的開斷能力，能可靠的斷開短時電流；（4）動作速度快，熄弧時間短，盡量減輕短路電流造成的損害，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第41頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二3、高壓斷路器的類型按滅弧介質(zhì)的不同，分為：油斷路器、SF6斷路器、真空斷路器。（1）油斷路器又分為多油和少油斷路器（2）SF6斷路器SF6即作為滅弧介質(zhì)也作為絕緣介質(zhì)（3）真空斷路器真空斷路器即作為滅弧介質(zhì)也作為絕緣介質(zhì)。第42頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二SF6斷路器第43頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二真空斷路器第44頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二4、斷路器的操作機構(gòu)斷路器必須配以操動機構(gòu)才能使用。操動機構(gòu)分為：電磁式操動機構(gòu)、手動式操動機構(gòu)、彈簧儲能式操動機構(gòu)（應用最廣泛）第45頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二彈簧操動機構(gòu)第46頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二4-1、電磁式操動機構(gòu)：

直流電磁式操動機構(gòu)是用電磁鐵將電能轉(zhuǎn)變成機械能來實現(xiàn)斷路器的分、合閘的動力機構(gòu)，主要由合閘電磁鐵、跳閘電磁鐵和維持電磁鐵組成，能實現(xiàn)手動和遠距離跳、合閘，便于實現(xiàn)自動化。但由于電磁鐵需要直流操作電源，且合閘功率大，主要用于110kV以下電壓等級，尤其35kV以下，常用的是CD10型電磁操動機構(gòu)。

第47頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二4-2、彈簧儲能式操動機構(gòu)（應用最廣泛）彈簧儲能是在操動機構(gòu)合閘前利用交直流兩用電動機或手動拉伸合閘彈簧儲能，然后利用彈簧所儲能量使斷路器合閘，它也能實現(xiàn)手動和遠距離跳、合閘。它的成套性強，不需要配備附加設備，但結(jié)構(gòu)復雜，加工工藝及材料性能要求較高，因此價格較貴，但它可交流操作，還可方便的實現(xiàn)一次自動重合閘，因此應用越來越廣泛。第48頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二5、高壓隔離開關(guān)隔離開關(guān)又稱為刀閘，與斷路器配合使用，它沒有專門的滅弧裝置，斷流能力差，所以不能帶負荷操作。其用途如下：（1）隔離電壓—明顯短開點，建立可靠的絕緣間隙，保證人員設備安全；（2）倒閘操作；（3）分、合小電流，如：PT、空載母線避雷器的接通和斷開。分為手動、電動、電氣操作機構(gòu)。第49頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二（三）電力變壓器其功能是將電力自動化系統(tǒng)中的電壓升高或降低，以利于電能的合理輸送，分配和使用。按用途分為：升壓變壓器、降壓變壓器；按相數(shù)分為：單項變壓器、三相變壓器；按繞組分為：雙繞組變壓器、三繞組變壓器、自耦變壓器；按調(diào)壓方式分為：有載調(diào)壓變壓器、無載調(diào)壓變壓器；按繞組絕緣和冷卻方式分為：油浸式、干式（雙氧樹脂澆注絕緣）、充氣式（SF6氣體）；第50頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二U1/U2≈E1/E2=W1/W2=K第51頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二第52頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二

按國家標準，雙繞組電力變壓器采用以下三種聯(lián)結(jié)組別：（1）YNd11用于高壓側(cè)為110kV及以上大電流接地系統(tǒng)中的變壓器；（2）Yd11用于高壓側(cè)為35-110kV，低側(cè)為6-10kV，三次諧波在△中形成環(huán)流，不傳輸給用戶；（3）Yyn0用于高壓側(cè)為6-10kV，低壓側(cè)380/220V；配電變壓器，其低壓側(cè)沖出中性線，構(gòu)成三相四線制供電。第53頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二（四）互感器互感器是一次回路與二次回路的聯(lián)絡元件，在電力系統(tǒng)中專為測量和保護服務。其作用是：（1）使測量儀表、繼電器保護裝置等二次設備與主電路隔離；（2）使測量儀表、繼電器保護裝置標準化，TV為57.7V，TA為1A；（3）使測量儀表、繼電器保護裝置的使用范圍大。第54頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二電流互感器第55頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二1、電流互感器（TA）（1）工作原理：電流互感器是用來把大電流變?yōu)樾‰娏鞯淖兞髌鳌?/p>

其一次繞組串聯(lián)在供電回路的一次電路中，匝數(shù)很少（有的直接穿過鐵心，只有一匝），導線很粗，二次繞組匝數(shù)很多，導線較細，與測量儀表，繼保裝置的電流回路串聯(lián)成閉合回路。一次電流I1≈（N2/N1）*I2≈KiI2

Ki為電流互感器的變流比，一般為Ki=IN1/IN2第56頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二請看圖片BH6，+35mm。80mm，BP#〗

第57頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二電流互感器接線方式：

(a)三相星形接線；(b)兩相星形接線；(c)兩相電流差接線；(d)三角形接線。

第58頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二（2）極性電流互感器均采用“減極性”原則確定同名端，一次電流從極性端流入時，則二次電流應從同極性端流出。（3）注意事項電流互感器在工作時二次側(cè)絕對不允許開路，電流互感器正常工作時接近于短路，若二次側(cè)開路互感器稱為空載運行，此時一次側(cè)電流成了勵磁電流使鐵心中的磁通急劇增加，使二次側(cè)感應出很高的電壓，危及人身及設備，同時鐵耗大大增加，鐵心過熱，影響TA性能，甚至燒毀互感器。電流互感器的二次側(cè)必須有一端接地，這主要是防止一、二次繞組絕緣損壞后，一次側(cè)的高壓竄入二次側(cè)，危及人身和設備的安全。第59頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二2、電壓互感器（TV）（1）工作原理:TV是將大電壓變?yōu)樾‰妷旱淖儔浩?，其一次匝?shù)很多，并聯(lián)在供電系統(tǒng)的一次電路中，而二次側(cè)繞組匝數(shù)少，與電壓表，繼電保護裝置并聯(lián)，二次繞組接近于空載。

U1≈（N2/N1)*U2≈KuU2

Ku為電壓互感器的變壓比，Ku=UN1/UN2第60頁，共69頁，2023年，2月20日，星期二第61頁，共69頁，2023年，2月