《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(diǎn)的運(yùn)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(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是戰(zhàn)爭(zhēng)爭(zhēng)奪的主要資源。18世紀(jì)蒸汽機(jī)（熱能——機(jī)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(shí)代。電能由于轉(zhuǎn)化容易、輸送方便、清潔、高效的優(yōu)點(diǎn)，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(qǐng)思考：電能怎樣產(chǎn)生的？電能怎樣輸送的？電力機(jī)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(guó)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(jī)組（煤、石油、燃?xì)狻⒔斩?、垃圾、沼氣）核電機(jī)組水電機(jī)組風(fēng)電機(jī)組——風(fēng)電場(chǎng)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(jī)發(fā)電結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)：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(jī)組基本生產(chǎn)過程蒸汽管道汽輪機(jī)儲(chǔ)煤場(chǎng)煙囪輸煤皮帶升壓站鍋爐江河或水庫冷凝器發(fā)電機(jī)冷卻水6/12/202310水電廠外景示意圖6/12/202311水電機(jī)組發(fā)電原理6/12/202312核電廠外景圖6/12/202313核電機(jī)組發(fā)電原理（壓水堆）反應(yīng)堆6/12/202314風(fēng)電場(chǎng)外景圖——達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)6/12/202315風(fēng)電機(jī)組發(fā)電原理葉片發(fā)電機(jī)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(fèi)電能的電氣設(shè)備（發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線路及用電設(shè)備等）按一定方式連接的有機(jī)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(jī)；輸、配電設(shè)備：變壓器、輸電線路等；用電設(shè)備：電動(dòng)機(jī)、電燈等。

測(cè)量設(shè)備：電流表、電壓表；保護(hù)設(shè)備：繼電保護(hù)裝置；控制設(shè)備：遠(yuǎn)動(dòng)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)帷⒊毕龎狠旊娊祲号潆娹D(zhuǎn)換負(fù)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(duì)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(dòng)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(jī)（火電廠） 動(dòng)力部分水庫、水輪機(jī)（水電廠）核反應(yīng)堆、汽輪機(jī)（核電廠）動(dòng)力系統(tǒng) 發(fā)電機(jī) 輸電網(wǎng)

電力系統(tǒng)

電力網(wǎng)

配電網(wǎng) 負(fù)荷 6/12/2023241）保證安全可靠的供電（安全）對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行安全監(jiān)控認(rèn)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(yùn)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(jì)性（經(jīng)濟(jì)）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(duì)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(duì)火電機(jī)組，按照煤耗水平調(diào)度發(fā)電。減少?gòu)U氣（）排放量6/12/2023265、接線方式及特點(diǎn)

包括單回路放射式、干線式和鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)

簡(jiǎn)單結(jié)線

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行方便

（無備用）

缺點(diǎn)：供電可靠性差

適用范圍：二、三級(jí)負(fù)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(diǎn)：供電可靠性和電壓質(zhì)量高（有備用）

缺點(diǎn)：投資大

適用范圍：電壓等級(jí)較高或重要的負(fù)荷6/12/2023271）無備用接線：負(fù)荷點(diǎn)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(diǎn)：簡(jiǎn)單、設(shè)備費(fèi)用較少、運(yùn)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(gè)負(fù)荷至少能從兩個(gè)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(diǎn)：可靠性顯著提高；但設(shè)備費(fèi)用增加較多且運(yùn)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(fù)荷遠(yuǎn)——雙回路、多回路電廠距離負(fù)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(jí)：0.4～35kV接線方式選擇：三級(jí)負(fù)荷——無備用接線方式一二級(jí)負(fù)荷——有備用接線方式6/12/2023316、頻率和電壓等級(jí)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(jì)制造的，在此頻率和電壓下運(yùn)行電氣設(shè)備將具有最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jí)？綜合考慮導(dǎo)線載流部分截面大小和絕緣等要求，對(duì)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(jí)：

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(jī)的額定電壓

發(fā)電機(jī)往往接在線路始端，因此，發(fā)電機(jī)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(jī)相聯(lián)的變壓器一次側(cè)額定電壓應(yīng)等于發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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(guó)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(jí)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(jí)示例-原問題給定各電壓等級(jí)用電設(shè)備的額定電壓，補(bǔ)充發(fā)電機(jī)、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(jí)示例-結(jié)果10.5kV10.5kV/121kV110kV/38.5kV/10.5給定各電壓等級(jí)用電設(shè)備的額定電壓，補(bǔ)充發(fā)電機(jī)、變壓器各側(cè)的額定電壓10kV110kV35kV10.0kV6/12/202337不同電壓等級(jí)的適用范圍110kV以下的電壓級(jí)差應(yīng)超過三倍，如110、35、10kV；以上電壓級(jí)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(shì)是輸送功率越大，輸送距離越遠(yuǎn)，電壓等級(jí)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(diǎn)直接接地系統(tǒng)中與地之間不通過負(fù)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。§9.2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(jī)械損傷、大氣過電壓、操作過電壓、設(shè)計(jì)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(fù)荷電流大許多倍，有時(shí)高達(dá)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(huì)使絕緣老化或損壞；2.短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力，會(huì)使設(shè)備載流部分變形或損壞；3.短路會(huì)使系統(tǒng)電壓驟降，影響系統(tǒng)其他設(shè)備的正常運(yùn)行；4.嚴(yán)重的短路會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；5.短路還會(huì)造成停電；6.不對(duì)稱短路的短路電流會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的不平衡交變磁場(chǎng)，對(duì)通信和電子設(shè)備等產(chǎn)生電磁干擾等。

進(jìn)行電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行短路計(jì)算，其目的是正確選擇和檢驗(yàn)電氣設(shè)備及其保護(hù)裝置。三相短路電流是選擇和檢驗(yàn)電氣設(shè)備的基本依據(jù)。另外還要用到不對(duì)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(diǎn)的運(yùn)行方式（1）中性點(diǎn)定義

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

（3）接地方式的重要性

中性點(diǎn)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(hù)方式、電壓等級(jí)、

系統(tǒng)穩(wěn)定等諸多問題。

6/12/202344電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的運(yùn)行方式（接地方式）

電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式：不接地（小電流接地）中性點(diǎn)不接地（中性點(diǎn)絕緣）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地直接接地（大接地電流）：中性點(diǎn)直接接地6/12/2023451、中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)正常運(yùn)行分析：（1）線電壓與相電壓關(guān)系；（2）中性點(diǎn)電位；（3）對(duì)地電容電流與相電壓關(guān)系6/12/202346中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的結(jié)論：三相電壓對(duì)稱，三相導(dǎo)線對(duì)地電容電流也是對(duì)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(dòng)。1、中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)6/12/202347單相（C相）接地分析：（1）中性點(diǎn)對(duì)地電位；（2）非接地相對(duì)地電位；（3）對(duì)地電容電流1、中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)6/12/202348中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障的結(jié)論1

：

故障相對(duì)地電壓降為零；非故障相對(duì)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(jì)，絕緣投資所占比重加大，顯而易見，電壓等級(jí)越高絕緣投資越大。三相之間的線電壓仍然對(duì)稱，用戶的三相用電設(shè)備仍能照常運(yùn)行，但允許繼續(xù)運(yùn)行的時(shí)間不能超過2h。1、中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)6/12/202349中性點(diǎn)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(shí)，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??；間歇性電弧容易引起弧光接地過電壓，其幅值可達(dá)（2.5~3）U，將危害整個(gè)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(shí)，電弧就會(huì)自然熄滅。1、中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)6/12/202350消弧線圈？

安裝在變壓器或發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)與大地之間的具有氣隙鐵芯