电能系统第1章

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1、电能系统基础,徐州师范大学电气工程及自动化学院 白春艳,关于电能系统基础课程,1. 本课程特点、前修课程、后续课程 特点：专业基础课、与生产实际联系紧密 前修课程：电路理论、电机学 后续课程：电力系统分析、继电保护、电力系统自动化等 2. 学习方式、要求 学习方式：听课、课上习题、作业、实验 要求：基本概念清楚、主要内容掌握、理论联系实际 3. 考核方式： 笔试（闭卷，60），平时（10），实验（10） 作业（20%）,第一章 电能系统概论, 概述 电能系统负荷与负荷曲线 电能系统的电压等级 输电线路 发电厂、变电所电气设备 电能系统的电气连接方式 三相电能系统中性点运行方式 电能系统的运行特

2、点和基本要求 电能系统的运行监视、控制与保护 安全接地,1.1 概述,1.1.1 能和能源 能量是物质运动的量度，能量有许多形式，如机械能、热能、化学能。 不同形式的能量可相互转换。 能源则是指在自然界中可以转换成人们所需要的能量的一些资源。,1.1.1 能和能源(1),. 电能的特点： 电能可以方便地由其它电能形式转化而来，也可以简便地转化成其他形式地能量。 电能便于大规模生产、输送、分配、并且价格低廉。 电能的生产、输送、分配、控制及测量等各环节容易实现自动控制。,1.1.1 能和能源(2),2. 能源的分类： 一次能源：指以现成的形式存在于自然界的能源。 二次能源：指由一次能源直接或间接

3、转换而来的其它形式的能源或人工制造的能源。 电能属于二次能源。常用的用来发电的一次能源有：燃料化学能、水能、核能等。还可继续开发的发电能源，如潮汐发电、太阳能发电、风力发电等。,3、能源评价 （1）能量密度 （2）能源品位 （3）技术的难易程度和开发费用 （4）运输费用和损耗 （5）对环境的污染程度 我国具有丰富的能源资源。,1.1.1 能和能源(3),3. 环境保护: 火力发电厂生产的三废（废水、废气、废渣）已对环境造成相当严重的污染，使生态平衡造成破坏。 因此，对火电厂引起的环境污染，采取措施加强治理乃是当务之急。,1.1.2 电能系统与电力系统的定义(1),1 动力系统： 转化、分配和应

4、用电能及热能的全部环节称为动力系统，包括锅炉、汽轮机、发电机、核反应堆、输电线、热力管道、电力变压器、电动机、电热装置、换流装置及电动机传动机械等等。,1.1.2 电能系统与电力系统的定义(2),2 电能系统： 在动力系统中，生产、输送、转换的能量主要部分是电能的，称为电能系统。 3 电力系统： 电能系统中的电气部分称为电力系统。 （由发电机、变压器、输电线路以及用电设备，这些生产、输送、分配和消费电能的各种电器设备连接在一起而组成的整体称为电力系统） 发电厂： 生产电能 变电所： 变换和分配电能 输配电线路： 输送电能 用户： 消费电能,4 电力网： 在电力系统中通常把发电机和用电之间属于输

5、电和配电的环节称为电力网。（由变压器和不同电压等级输电线路组成的网络）,图1-1 电能系统、电力系统、电力网示意图,1.1.3 发电厂、变电所、电力网概述-发电厂（）,.发电厂 发电厂是电能系统的电源，它的作用是把不同种类的一次能源转换成电能。根据一次能源的不同，可分为火力发电厂、水力发电厂、核动力发电厂和利用其它能量发电的电厂。,1.1.3 发电厂、变电所、电力网概述-发电厂（）,火电厂： 火电厂按原动机类型不同可分为汽轮机发电厂、蒸汽机发电厂、燃气轮机发电厂等。 凝汽式汽轮机发电厂电能生产过程： 燃料化学能 锅炉 热能 汽轮机 机械能 发电机 电能,(2) 水电厂 基本能量转化过程： 水能

6、 水轮机 机械能 发电机 电能 装机容量可用如下公式表示 ：,1.1.3 发电厂、变电所、电力网概述-发电厂（）,水电厂可分为坝式水电厂、引水式电厂及混合式水电厂。,1.1.3 发电厂、变电所、电力网概述-发电厂（4）,(3) 核电厂: 基本能量转化过程: 重核裂变能 核蒸汽发生系统 热能 汽轮机 机械能 发电机 电能 利用其他能源如地热、潮汐、太阳能、风能、生物质能等也都可以建成电厂。,1.1.3 发电厂、变电所、电力网概述电力网（）,2. 电力网: 电力网由不同电压等级的电力线路和变电所组成。 按其供电范围的大小和电压等级高低可分为地方电力网、区域电力网以及超高压远距离输电网络。 (1)

7、地方电力网: 电压不超过110kV,输送距离在几十千米内的电力网，主要指一般城市、工矿区、农村配电网络 。,1.1.3 发电厂、变电所、电力网概述电力网（）,(2) 区域电力网: 电压为110220kV级的电力网，区域电力网输电线路较长，用户类型较多。 (3) 超高压远距离输电网络: 由330kV和550kV的远距离输电线路组成，担负着远距离、大容量发电厂的电能输送任务，往往同时联系几个区域电力网形成跨省、跨地区的大型联合系统。,1.1.3 发电厂、变电所、电力网概述变电所,变电所的任务是汇集电源、升降电压、分配电能。 变电所分类： 升压变电所和降压变电所; 户外变电所、户内变电所及地下变电所

8、; 枢纽变电所、中间变电所和终端变电所(按变电所容量和重要性不同)。,1.1. 我国电力工业发展概况,1.1882年4月，英国人利特尔成立上海电光公司，在南京路上创办了中国第一座发电厂。 2. 1949年，发电量仅有43亿kW.h。 3.新中国成立以来，我国电力工业取得了长足的发展。1996年，我国百万千瓦以上容量的电厂就有19座，有大亚湾和秦山两座核电站。 4.我国今后电力工业发展方向：我国电源结构要坚持优化火电结构、优先发展水电、适当发展核电、积极利用新能源的方针。,1.2 电能系统负荷与负荷曲线,1.2.1 电能系统的负荷与分类 1. 电能系统的负荷: 电能系统的负荷指从电力系统中取用功

9、率或电能的各种用电设备。 2. 负荷分类: (1) 一级负荷: 指供电突然中断将造成人伤亡，或政治上造成极坏影响，经济上造成重大损失或引起社会混乱的负荷。,1.2.1 电能系统的负荷与分类,(2) 二级负荷: 指供电突然中断将造成政治上不好影响，经济上较大损失或社会生活的正常规律被打乱的负荷。 (3) 三级负荷: 指有计划停电时不会造成较大影响的负荷。,1.2.2 电力负荷曲线及其特性系数 （）,1.负荷曲线定义： 电力负荷大小随时间变化的图形。 2.负荷曲线分类： 有功负荷曲线和无功负荷曲线（负荷种类）； 日负荷曲线、月负荷曲线，年负荷曲线（时间长短）。,1.2.2 电力负荷曲线及其特性系数

10、（）,3.负荷曲线的用途: (1)计划和分配各发电厂的发电任务（日负荷预测曲线）。各发电厂负荷分配如图18。 (2)确定系统装机容量，安排主要设备检修计划（年最大负荷曲线）。 4. 负荷曲线的绘制及其特性系数 (1) 运行日负荷曲线: 指以横轴代表时间延续，以纵轴代表实测的功率变化，逐点描绘而成的曲线。该曲线下包围的面积表示一天24小时内的电能消耗。,图1-8 电力系统日负荷曲线的分配,图1-10 日有功负荷曲线梯形图,1.2.2 电力负荷曲线及其特性系数（）,曲线中平均功率: 负荷系数 ：,1.2.2 电力负荷曲线及其特性系数（）,）年负荷曲线: 运行年负荷曲线：其绘制与运行日负荷曲线相似。

11、 电力负荷全年持续曲线：选择典型夏季日负荷曲线和典型冬季日负荷曲线，冬季取213天，夏天取152天，以全年8760h为横轴，从最大功率开始，依功率递减顺序依次绘制出功率及其该功率在全年持续的时间。,图1-11 全年时间负荷曲线,1.2.2 电力负荷曲线及其特性系数（）,负荷全年持续曲线下的面积代表一年消耗的电能: 最大负荷利用小时 ： Tmax的大小反映了设备利用的程度和用户负荷平稳的程度。 年平均负荷功率 ：,1.2.3 电能负荷的计算（）,计算负荷： 按发热条件选择电气设备的等效负荷，即计算负荷产生的热效应和实际变动负荷产生的热效应相等。一般计算负荷可认为是持续半小时及以上的最大负荷，用

12、、 、 表示。 计算负荷是选择电器设备和导线的基本依据。,1.2.3 电能负荷的计算（）,1. 单台用电设备的计算负荷 负荷点 1 的单台设备计算负荷 ： 2. 用电设备组的计算负荷 负荷点 2 处的用电设备组的计算负荷: 称为该设备组的需要系数，指用电设备组在最大负荷时需要的有功功率与其总设备负荷容量的比值。,1.2.3 电能负荷的计算（）,- 用电设备组各工作设备的同时系数。 - 用电设备组各工作设备的负荷系数。 - 用电设备组各工作设备的平均效率。 - 供电线路的效率。,1.2.3 电能负荷的计算（）,3. 变压器低压母线侧的计算负荷: 负荷点3处的计算负荷： 式中 ， 、 为有功和无功

13、同时系数 。,1.3 电能系统的电压等级:,1、综合经济技术比较，对应一定的输送功率和输送距离有一最合适的线路电压。,2、设备只有在额定电压和额定频率下时，其技术经济性能才能最好。 为使电力工业和电工制造业的生产标准化、系列化和统一化，世界各国都制定有关于额定电压等级的标准。 3、额定电压是用来代表电力网或电气设备运行电压特性的数值。 设备的最高电压是指保证设备正常运行的电压限值。,包括电力系统的额定电压和最高电压以及电气设备的额定电压和最高电压。 电力系统的额定电压：由国家根据技术经济条件规定的电压等级标准，又称电力网的额定电压或线路的额定电压。 电力系统的最高电压：电力系统正常运行时，在任

14、何时间系统中任何一点上所出现的电压最高值。 电气设备的额定电压：电气设备制造厂根据所规定的电气设备工作条件而确定的电压。 电气设备的最高电压：考虑到设备的绝缘性能和与最高电压有关的其它性能（如变压器的激磁电流及电容器的损耗等）所确定的允许最高运行电压，其数值等于所在电力系统的最高电压值。 注意：电气设备分为供电设备和受电设备，同一电压等级下，两者的额定电压是不同的。,电力系统的电压等级,4、我国规定的额定电压（交流为线电压有效值，直流为平均值） 1）. 低于3kV系统的额定电压 低于3kV三相/单相交流系统额定电压和电气设备额定电压,注：受电设备的额定电压电力系统的额定电压。 低于3kV直流系

15、统的额定电压： 100V以下的额定电压，受电设备与供电设备相同。 对受电设备为110V、220V和440V的直流系统，供电设备的额定电压分别为115V、230V和460V。,2. 3kV及以上系统的额定电压,额定电压：发电机、变压器、用电设备等正常运行时最经济的电压 在同一电压等级中，电力系统的各个环节（发电机、变压器、电力线路、用电设备）的额定电压各不相同。某一级的额定电压是以用电设备为中心而定的。 用电设备的额定电压是其他元件的参考电压。 用电设备端压允许在额定电压UN的5%内波动 输电线路的额定电压为线路的平均电压 UN(1+5%)+UN(1-5%)/2=UN 1000V以下：供电设备比

16、受电设备额定电压高5% 1000V以上：发电机额定电压比同等电压级的电力网电压高5%,发电机的额定电压 UN(1+5%) 变压器的额定电压为变压器两侧的额定电压，以变比表示为 k= U1N / U2N 一次侧 直接与发电机相连： U1N = UN(1+5%)35kv 联络（相当于用电设备）与相连的线路或母线电压相同： U1N = UN 二次侧相当于发电机（本身有5%的压降） 空载 U2N = UN(1+5%) 带负载 U2N = UN(1+10%)（内部压降约5%） Us%7.5或直接连负载时U2N = UN(1+5%) 额定电压指主接头的空载电压,.关于额定电压要注意以下几点： （1）对于交流系统指的是线电压有效值； （2）输电线路的额定电压取系统的额定电压，因为输电线路 沿线各点的电压是不相等的； （3）变压器约有5的电压损耗，输电线路约有10的电压