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1、主要内容主要内容9.1 电力系统及电力系统的额定电压9.2 电力系统短路的基本概念9.3 电力系统中性点的运行方式第九章第九章 电力系统的基本概念电力系统的基本概念电力工业发展概况电力工业发展概况 世界第一座发电厂是世界第一座发电厂是18751875年巴黎北火车站建成，直流发电年巴黎北火车站建成，直流发电机，做照明用。机，做照明用。 我国第一座火电我国第一座火电12kW188212kW1882年年7 7月月2626日下午日下午7 7时，上海外时，上海外滩至虹口的滩至虹口的6.46.4公里电线上也亮起了公里电线上也亮起了1515盏电灯，标志着中国电盏电灯，标志着中国电力工业从这里起步。（从美国引
2、进力工业从这里起步。（从美国引进1616马力蒸汽机发电）。马力蒸汽机发电）。 第一座水电第一座水电2240kW2240kW昆明滇池石龙坝（昆明滇池石龙坝（19121912年）年） （1 1）1882188219491949年：年：185185万千瓦、万千瓦、4343亿千瓦时，居亿千瓦时，居2525位、位、进口设备、集中沿海。进口设备、集中沿海。110kV110kV线路线路2 2条共条共7272万万kWkW。 （2 2）1949194919781978年：年：57125712万万kWkW、25662566亿千瓦时，分别居亿千瓦时，分别居8 8、7 7位。位。 （3 3）1978197819951
3、995年：总装机容量突破年：总装机容量突破2 2亿千瓦；亿千瓦；19961996年居年居第第2 2位；位；20002000年总装机容量突破年总装机容量突破3 3亿千瓦；亿千瓦； 2004 2004年底发电装机容量达年底发电装机容量达 4.4 4.4亿亿 kW kW，仅次于美国的，仅次于美国的8.98.9亿亿kWkW；年发电量达；年发电量达 21870 21870 亿亿 kW.h kW.h，均居世界第，均居世界第 2 2 位。位。世界发电分类构成图世界发电分类构成图9-1 9-1 电力系统及电力系统的额定电压电力系统及电力系统的额定电压一、发电厂的类型电力系统及电力网一、发电厂的类型电力系统及电
4、力网按其所取用的按其所取用的能源的形式分：能源的形式分：火力火力水力水力原子能原子能太阳能太阳能、地热地热、风力、风力、 潮汐、潮汐、 沼气沼气发电厂发电厂(heat power)(water power)(atomic energy)把其他形式的一次能源转变成二次能源的一种特殊工厂把其他形式的一次能源转变成二次能源的一种特殊工厂按供电范围和建设地点分按供电范围和建设地点分:（1）区域性电厂：无发电机电压用户。（2）地区性电厂：直接供本地区用电。（3）自备专用电厂：专为大型企业服务。类类 型型solar energyterrestrial heatwind powertidal energy
5、methane变电所的作用变电所的作用：（1）改变电压）改变电压（2）接受分配电能）接受分配电能（3）把不同电压等级的网络连接起来）把不同电压等级的网络连接起来变电所变电所：1. 系统枢纽变电所：系统枢纽变电所：位于系统的枢纽点位于系统的枢纽点，停电后将引起，停电后将引起系统解裂系统解裂。（330-500kV）2. 中间变电所：中间变电所： 起中间环节的作用起中间环节的作用。停电后将引起区域。停电后将引起区域网解裂。网解裂。（220-330kV)以对以对地区用户地区用户供电为主供电为主。（110-220kV)3. 地区变电所：地区变电所：(substation)4. 终端变电所：终端变电所：接
6、近负荷点，高压侧高电压为接近负荷点，高压侧高电压为10-110kV。5. 企业变电所企业变电所：工矿企业专用变电所，电压为工矿企业专用变电所，电压为35-220kV。汇集电源、升降电压和分配电力的场所，汇集电源、升降电压和分配电力的场所，是联系发电厂和用户的中间环节。是联系发电厂和用户的中间环节。电力系统: (Electric power system) 由发电机、配电装置、升压和降压变电所、电力线路及电能用户所组成的整体。电力网： (Power network) 电力系统中由各类升降压变电所各级电压的输配电线路和变电所组成的电能传输和分配的网络。 锅锅炉炉汽汽轮轮机机GQFQSWBFUTVT
7、WB发电厂电气部分发电厂电气部分电力系统的示意图电力系统的示意图水力发电厂升压变电所升压变电所220kV地区枢纽所地区枢纽所10kV至至用用户户配配电电所所10kV10kV升压升压变电所变电所220kV220kV220kV输电线路输电线路220kV35kV35kV负荷负荷变电所变电所35kV火力发电厂10kV 为保证供电的可靠性和安全连续性，电力系统将各地区、各种类型的发电机变压器、输电线、配电和用电设备等连成一个环形整体。电力系统构成电力系统构成原动机发电机输、配电线路升、降压变压器电力用户电力系统动力系统电力网 现今我国有五个区域电网（每个覆盖一些省区）和十二个现今我国有五个区域电网（每个
8、覆盖一些省区）和十二个省网。五个区域网是东北、华北、华东、华中及西北电网。省网。五个区域网是东北、华北、华东、华中及西北电网。 图1-5从发电厂到用户的送电过程（二）电力生产的特点 电力是一种特殊商品。电力生产具有不同于一般商品的下列特点： （1）同时性（2）集中性（3）快速性（4）先行性（三）电力系统、电力网及动力系统的概念组成电力系统运行的优越性： 1. 减少系统中的总装机容量； 2. 可以装设大容量机组； 3. 充分利用能源，提高运行经济性； 4. 提高供电的可靠性； 5. 提高供电电能质量。电力系统运行的特点：1. 生产、分配、输送、再分配具有同时性； 2. 正常输电过程和故障过程都非
9、常迅速；3. 电力系统的地区性特点较强，组成情况不尽相同；4. 电能生产与国民经济、人民生活的关系密切。对电力系统的基本要求：1. 保证供电的安全可靠性 （、类负荷）；2. 保证电能的良好质量；3. 保证足够的发电功率和发电量；4. 保证电力系统运行的稳定性；5. 保证电力系统运行的经济性。二、 电力系统的额定电压额定电压：电气设备的额定电压是按长期正常工作时具有最大经济效果所规定的电压。1000V以上为高压，以下为低压。为使电气设备实现标准化和系列化生产，国家规定了标准电压系列如表9-1所示。(rated voltage)电力系统的电压等级及其适用范围 制定标准电压的依据 ：三相功率正比于线
10、电压及线电流。当输送功率一定时，输电电压愈高，则输送电流愈小，因而所用导线截面积愈小；但电压愈高对绝缘的要求愈高，杆塔、变压器、断路器的绝缘投资也愈大。因而对应于一定的输送功率与输送距离应有一最佳的输电电压。但从设备制造的经济性以及运用时便于代换，必须规格化、系列化，且等级不宜过多。 我国国家标准规定：6、10、35、（60）、110、（154）、220、330和500kV 线路额定电压即线路的平均电压 UWe=(UaUb)/2 。 各用电设备的额定电压取与线路的额定电压相等。从而使所有用电设备在额定电压的附近处运行。 用电设备容许的电压偏移一般为5%，沿线电压降落一般为10%，因而要求线路始
11、端电压为额定值的1.05倍，并使末端电压不低于额定值的0.95倍。 abUU=10%Ue1）可直配发电机（）可直配发电机（ 100MW） G.e1.05w.e （0.4、6.3、10.5）。）。2）不可直配发电机（）不可直配发电机（100MW） 13.8、15.75、18、20kV等四种。等四种。 2.发电机额定电压3. 发电机通常接于线路始端，因此发电机的额定电压为线路额定电压的1.05倍 UGe UWe（15）1. 用电设备和电力网的额定电压 我国用电设备的额定电压与电力网的额定电压是相等的。 Ue= (Ua+Ub)/2， 5% 3. 变压器额定电压 变压器具有电源和负荷的双重地位，它的一
12、次侧是接受电能的，相当于用电设备；二次侧是送出电能的，相当于电源。变压器一次侧额定电压取等同于用电设备额定电压，对于直接和发电机相联的变压器，其一次侧额定电压等于发电机的额定电压。 二次侧电压应比线路额定电压高5% ，因变压器二次侧额定电压规定为空载时的电压，而额定负荷下变压器内部电压降落约为5%。为使正常时变压器二次侧电压较线路额定电压高5%，变压器二次侧额定电压取比线路额定电压高10%。 1）一次绕组）一次绕组 不与发电机直接相连（降压变）不与发电机直接相连（降压变） T1.ew.e 与发电机直接相连（升压变、厂用变）与发电机直接相连（升压变、厂用变） T1.eG.e1.05w.e 2）二
13、次绕组）二次绕组 (指空载值指空载值) d7.5 或高压侧为或高压侧为35kV及以上及以上 T2.e1.10w.e d7.5 或高压侧为或高压侧为35kV以下或短线路以下或短线路 T2.e1.05w.e 表9-1 我国交流电力网和电气设备的额定电压（线间电压，单位kV）用电设备额定用电设备额定电压与电力网电压与电力网额定电压额定电压 发电机发电机额定电压额定电压 变压器额定电压变压器额定电压 原边绕组原边绕组 副边绕组副边绕组接电力网接电力网 接发电机接发电机 0.220.230.220.230.230.380.400.380.400.4033.1533.153.15、3.366.366.36
14、.3、6.6 1010.51010.510.5、11 353538.5 606066110110121220220242330330363 500500550750750825 电力系统的额定电压电力系统的额定电压GT110KVT4T2T3D1220KV110KV6KV35KV3KV10.5KV10.5KV/242KV10.5KV/3.15KV220KV/121KV/38.5KV35KV/6.6KV 图中给出的为电力网的额定电压，试确定图中变压器的图中给出的为电力网的额定电压，试确定图中变压器的额定电压额定电压短短路路的的基基本本类类型型有有三三相相短短路路(a)(a)、两两相相短短路路(b)
15、(b)、单单相相短短路路(c,d)(c,d)和两相接地短路和两相接地短路(e,f)(e,f)。 一、短路的概念及短一、短路的概念及短路的基本类型路的基本类型 短路指相线与相线以及在中性点直接接地系统中与地之间不通过负荷，发生了直接连接的故障。是指供电系统中不同电位的导电部分（各相导体、地线等）之间发生的低阻性短接。 9.2 9.2 电力系统短路的基本概念电力系统短路的基本概念 占短路故障占短路故障5%占短路故障占短路故障10%-15%三相短路三相短路两相短路两相短路(c,d)(c,d)单相短路占短路故障单相短路占短路故障65%-70%65%-70%(e,f)(e,f)两相接地短路占短路故障两相
16、接地短路占短路故障10%-20%10%-20%二、短路及其原因、后果二、短路及其原因、后果 原因：原因： 1.造成短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏 绝缘损坏的原因：绝缘老化 机械损伤 大气过电压 操作过电压 设计安装不合理 设备质量差 2.输电线路断线、倒杆、人员误操作、鸟兽跨越裸导体。 后果：后果： 1. 电流增大 在供电系统中发生短路故障后，短路电流往往要比正常负荷电流大许多倍，有时高达几万到几十万安培。 2.电压降低 危害危害：1.短路电流很大，产生的热量很大，使过流设备温度急剧上升，会使绝缘老化或损坏；2.短路电流产生的电动力，会使设备载流部分变形或损坏；3.短路会使系统电压
17、骤降，影响系统其他设备的正常运行；4.严重的短路会影响系统的稳定性；5.短路还会造成停电；6.不对称短路的短路电流会产生较强的不平衡交变磁场，对通信和电子设备等产生电磁干扰等。 进行电力系统设计时需 进行短路计算，其目的是正确选择和检验电气设备及其保护装置。三相短路电流是选择和检验电气设备的基本依据。另外还要用到不对称短路的短路电流、短路冲击电流、稳态短路电流等。目前主要采用的有三种：目前主要采用的有三种：1. 中性点不接地中性点不接地2. 中性点经消弧线圈接地中性点经消弧线圈接地3. 中性点直接接地中性点直接接地 （1、2 统称为中性点非直接接地， 亦称小接地电流系统） （大接地电流系统）9
18、.3 9.3 电力系统中性点的运行方式电力系统中性点的运行方式一、电力系统中性点及其运行方式的概念电力系统的中性点： 泛指系统中星形连接的发电机和变压器的中性点。电力系统中性点的运行方式有： 不接地、经电阻接地、经消弧线圈接地、经电抗接地、直接接地 中性点运行方式的是个比较复杂的技术经济问题（可靠性、中性点运行方式的是个比较复杂的技术经济问题（可靠性、过电压、绝缘配合、装置动作、弱电干扰及系统稳定）。过电压、绝缘配合、装置动作、弱电干扰及系统稳定）。二、中性点不接地系统（中性点绝缘）二、中性点不接地系统（中性点绝缘）1.1.正常运行情况正常运行情况 （1 1）简化等值电路如图）简化等值电路如图
19、a a，假定条件：假定条件：系统对称；对地电容用集中电容表示，对系统对称；对地电容用集中电容表示，对称分布；忽略不计相间电容。称分布；忽略不计相间电容。（2）电压及电流关系分析 节点电压定律N0，相量图：上图b （3）结论 电源中性点与地同电位，各相的相电压等于各相的对地电压（不大的中性点位移电压略）；各相对地电容电流的大小相等， Ic0xc，它们的相量和为零，地中没有电容电流通过。2. 2. 单相接地故障单相接地故障 （1 1）简化等值电路）简化等值电路 假定假定C C相完全接地（金属性接地），如下图。相完全接地（金属性接地），如下图。（2 2）电压及电流关系分析）电压及电流关系分析N负荷A
20、BC单相接地后，中性点N对地电压变为则A相对地电压则B相对地电压B、C相间电压为即：大小为三倍的相电压接地电流为由相量图看：三相的 线电压 保持对称 且大小 不变A、B相间电压为此时，A、C相间电压为综上，该运行方式在发生单相接地故障时：综上，该运行方式在发生单相接地故障时： （假设（假设C相接地，接地电阻为零）相接地，接地电阻为零）（1）中性点对地电压为故障相电压：中性点对地电压为故障相电压： ，线电压保持不变线电压保持不变（3）接地电流为容性，等于正常时一相对地电容电的接地电流为容性，等于正常时一相对地电容电的3 3倍倍（2）A A、B B两相对地电压升高了两相对地电压升高了 倍；倍；即即
21、Ic IcAIc的计算：的计算： 架空线路：架空线路：Ic350 （A） 电缆线路：电缆线路：Ic / 10 (A) 式中，式中， U电网的线电压，电网的线电压，kV； L有电的直接联系的线路长度，有电的直接联系的线路长度，km说明：说明： 接地电流产生的弧光接地：接地电流产生的弧光接地： Ic A：为瞬时性电弧：为瞬时性电弧自然熄灭；自然熄灭； Ic 30A：稳定燃烧电弧：稳定燃烧电弧烧毁设备烧毁设备多相短路；多相短路； Ic =10A：间歇性电弧：间歇性电弧串联谐振过电压，串联谐振过电压， 高达高达 2.53.5 Ul 。 可以继续工作（不超过二小时），但应采取必要措可以继续工作（不超过二
22、小时），但应采取必要措 施。用户施。用户承受的线电压正常；系统按线电压绝缘（造价高）；一次绕承受的线电压正常；系统按线电压绝缘（造价高）；一次绕组为额定相电压的电压互感器饱和，超过组为额定相电压的电压互感器饱和，超过 二小时易烧毁。二小时易烧毁。 措施：措施：通过监察装置发现、寻找、排除接地故障。通过监察装置发现、寻找、排除接地故障。 不完全接地不完全接地 均比完全接地略有变化均比完全接地略有变化 （2）3-10kV系统当接地电流 30A时；3. 3. 适用范围适用范围： （1）电压在500V以下的三相三线制系统； （3）20-60kV系统当接地电流10A时； （4）与发电机有直接电气联系的3
23、-20kV系统，如要求发电机带 内部单相接地故障运行，当接地电流 5A时。三、中性点经消弧线圈接地系统三、中性点经消弧线圈接地系统1.1.消弧线圈的工作原理消弧线圈的工作原理 消弧线圈是具有可调节电抗的接地电抗器，是带铁芯的电感线圈，一端接至变压器或接地变压器中性点，另一端接地，当三相线路发生单相接地故障时，产生电感电流，补偿因线路对地电容产生的电容电流，使故障处不发生持续电弧，不致扩大故障范围，提高供电系统的安全性和可靠性。 消弧线圈的电抗或电流由无载或有载分接开关来调节。单相油浸式，带分段气隙铁芯，单相油浸式，带分段气隙铁芯， 分接头有档，分接头有档， 型号型号XDJ(L)-35。 N负荷
24、ABC2.2.电压及电流关系分析电压及电流关系分析(1)正常工作情况： 中性点电压为0，消弧线圈上没有电流。(2)单相接地故障 (如C相完全接地) 电压关系与不接地系统相同； 此时消弧线圈中有电感电流IL流过， 在接地处与接地电容电流IC相抵消 而实现补偿。2.2.适用范围适用范围 35kV及以下接地电流凡不满足中性点绝缘系统规定值时采用； 个别雷害严重的地区110kV系统不得已采用。3.3.补偿方式补偿方式(1) 完全补偿 ILIC； 易形成串联谐振过电压危及设备绝缘，一般不采用。 (2) 欠补偿 ILIC； 切除部分线路或系统频率下降可能变成完全补偿，形成串联谐振，在电网中一般不采用。(3
25、) 过补偿 ILIC10A； 一般装在电网中变压器中性点的消弧线圈以及具有直配线的发电机中性点的消弧线圈均采用此方式。4.4.消弧线圈的安装地点消弧线圈的安装地点 发电厂的发电机或厂用变的中性点；变电所主变的中性点。 发电厂主变压器的中性点消弧线圈 四、中性点直接接地系统四、中性点直接接地系统1.1. 中性点的电位始终为地的零电位。3. 单相接地时形成短路，接地电流很大（短路电流短路电流），），巨大的短路电流使继电保护动作，断路器迅速切除接地故障部分，避免接地点的电弧持续燃烧。2. 单相接地时， 接地相对地电压为零，未接地相对地电压基本不变，仍近似于相电压。 N负荷ABC4. 4. 特点特点
26、供电可靠性差，通过来纠正； Id(1)可能大于Id(3)且单相磁场对弱电干扰； 不产生过电压，设备绝缘水平低20，造价低。5. 5. 适用范围适用范围： 大部分110kV系统，220kV及以上系统，三相四线制系统。五、五、 中性点不同接地方式的比较和应用范围中性点不同接地方式的比较和应用范围（一）中性点不同接地方式的比较（一）中性点不同接地方式的比较 1. 1. 供电可靠性供电可靠性 中性点不接地和经消弧线圈接地方式具有较高的供电可靠性。中性点不接地和经消弧线圈接地方式具有较高的供电可靠性。 2. 2. 过电压与绝缘水平过电压与绝缘水平 直接接地系统在发生单线接地故障时不产生过电压，系统地绝缘
27、水直接接地系统在发生单线接地故障时不产生过电压，系统地绝缘水平按相电压考虑。平按相电压考虑。（二）中性点运行方式的应用范围（二）中性点运行方式的应用范围 1. 1. 直接接地系统：直接接地系统： 380 380220V220V三相四线制系统；三相四线制系统； 110kV 110kV及以上的系统。及以上的系统。 2. 2. 不接地系统：不接地系统： 380V 380V三相三线制系统；三相三线制系统； 接地电流不超过规定值的接地电流不超过规定值的60kV60kV及以下高压系统：及以下高压系统： 10kV10kV系统，系统，Ic30Ac30A，否则采用经消弧线圈接地；，否则采用经消弧线圈接地； 20
28、 2060kV60kV系统，系统，Ic10Ac10A，否则采用经消弧线圈接地；，否则采用经消弧线圈接地； 发电机电压侧系统发电机电压侧系统IccA A，否则采用经消弧线圈接地，否则采用经消弧线圈接地检验学习结果检验学习结果检验学习结果检验学习结果中性点不接地系统发中性点不接地系统发生单相接地时电压和生单相接地时电压和电流的大小电流的大小 ？常用的电力系统中常用的电力系统中性点运行方式有哪性点运行方式有哪些些?各适用于什么各适用于什么场合？场合？何谓电力系统？电力网何谓电力系统？电力网？动力系统？组成电力？动力系统？组成电力系统运行有何优越性？系统运行有何优越性？电力系统短路的种类、电力系统短路的种类、短路的危害、后果及短路的危害、后果及原因？原因？认真复习认真复习并做如下并做如下作业作业：电力系统额定电压是电力系统额定电压是如何规定的？为什么如何规定的？为什么？直接接地系统直接接地系统有何特点？有何特点？思考题与习题九：思考题与习题九： 1，2，3，4，5
