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1、电力系统工程基础天津工程师范学院 杨耿煌2008 1n1.概论n2.电力负荷计算n3.电力网n4.短路电流及其计算n5.变电所的一次系统n6.电力系统继电保护n7.变电站的监控系统和自动装置n8.配电网自动化n9.安全接地与电气照明主要内容主要内容21、概论、概论-1.1电力系统的基本概念电力系统的基本概念发电发电发电发电用电用电用电用电输电输电输电输电变电变电变电变电配电配电配电配电RTURTURTURTURTURTU数据采集和传输数据采集和传输应用服务器应用服务器应用服务器应用服务器电电电电 网网网网 调调调调 度度度度3什么是电力系统？什么是电力系统？水库GMM电力网电力系统动力系统发电
2、厂水轮机 发电机变电所升压变压器输电线路变电所降压变压器用户用电设备4什么是电力系统？什么是电力系统？电力网：由变电所和不同电压等级输电线路组成的网络。电力系统：由发电机、变压器、输电线路以及用电设备（或发电厂、变电所、输配电线路以及用户），按照一定的规律连接而组成的统一整体。发电厂：生成电能变电所：变换和分配电能输配电线路：输送电能用户：消费电能 动力系统：在电力系统的基础上，把发电厂的动力部分（例如火力发电厂的锅炉、汽轮机和水力发电厂的水库、水轮机以及核动力发电厂的反应堆等）包含在内的系统。5电力系统示意图超高压远距离输电网地方电力网区域电力网110kV35kV35kV500kV220kV
3、110kV10 kV水力发电厂火力发电厂变电所A：枢纽变电所C：地方变电所D：终端变电所B：中间6电力系统的组成 电力网：按电压等级的高低、供电范围的大小的分类地方电力网：电压等级在35kV及以下，供电半径在2050km以内区域电力网：电压等级在35kV以上（一般为110kV220kV），供电半径超过50km，联系较多发电厂的网络超高压远距离输电网：电压等级为330kV500kV的网络，其主要任务是把远处发电厂生产的电能输送到负荷中心，同时还联系若干区域电力网形成跨省、跨地区的大型电力系统 变电所：按其在电力系统中的地位分类枢纽变电所：联系电力系统各部分的中枢位置地区变电所：发电厂或区域变电所
4、终端电站所：电网的末端变电所7电力系统运行的特点电能不能大量存储：电能的生产、变换、输送、分配和使用是同时进行的。P发 P用P 频率f Q发 Q用Q 电压V过渡过程十分短暂：控制操作自动化程度高。必须借助自动装置对电力系统进行控制：继电保护装置、远动装置、减载装置、同期装置、励磁装置、电能生产与国民经济各部门和人民生活有着极为密切的关系：社会政治经济影响巨大。负荷分类：一类负荷、二类负荷、三类负荷8电力系统的要求和基本参数供电可靠性；良好的电能质量；为用户提供充足的电能；提高电力系统运行的经济性。总装机容量：额定有功功率之和；年发电量：所有发电机组全年发出电能的总和；最大负荷：规定时间电力系统
5、总有功功率负荷的最大值；额定频率：50Hz。91.2 发电厂火力发电厂：将煤、油、天然气或其它燃料的化学能转换成电能的工厂。101.2 发电厂 核电厂：均采用原子核裂变时释放出来的能量发电。112 发电厂水电厂：利用水能发电122 发电厂风力发电厂131.3 电力系统的电压和电能质量电压质量标准：14电能的质量指标频率：额定频率：50Hz（国外：50 或 60Hz）频率偏差：0.2Hz（3000MW系统）0.5Hz（3000MW系统）国外：(0.10.2)Hz 或 0.5Hz波形：质量标准：正弦波电压和电流谐波的危害与抑制：15电力系统的电压等级16电力系统的电压等级U1I U2SZS=3U2
6、I171.4 电力系统中性点运行方式中性点：星型联结的变压器或发电机的中性点。360kV：中性点不接地；310kV单相接地时电容电流30A，或3560kV单相接地时电容电流10A，中性点接消弧线圈；110kV及以上：直接接地181.5 我国电力工业发展概况与前景跨省电力系统5个，独立省电力系统若干个191.5我国电力工业发展概况201.5我国电力工业发展概况电力工业发展史上的第一：火电：1882年上海杨树浦；水电：1912年云南石龙坝240kW；核电：1991年浙江秦山300MW；输电线路：1974年甘肃刘家峡水电站陕西关中地区330kV交流，1981年河南姚孟火电厂到武汉500kV交流，19
7、88年葛州坝水电站到上海南桥变电站500kV直流。电力系统之最：211.5 我国电力工业发展概况年人均电量：我国：1000kW.h中等发达国家：7000kW.h北欧、美国：18000kW.h2002年底全国发电装机容量达到3.56亿千瓦，发电量达到16542亿千瓦时，2004年底，全国发电装机442亿千瓦；2005年突破5亿千瓦，年发电量预计2.4万亿千瓦时。自1996年以来装机容量和发电量均居世界第二位。22第二章 电力负荷计算n电力负荷与负荷曲线n计算负荷及有关系数n确定计算负荷的方法n尖峰电流的计算方法n功率损耗与电能损耗的确定n无功补偿 232.1 电力负荷与负荷曲线n电力系统的总负荷
8、就是系统中千万个用电设备消费功率的总和。它们大致分为异步电动机、同步电动机、电热电炉、整流设备、照明设备等几大类。n不同行业中，这些用电设备占的比重也不同。表1所示是几种工业部门用电设备比重的统计。n将各工业部门消费的功率与农业、交通运输和市政生活消费的功率相加就可得到电力系统的综合用电负荷。综合用电负荷加网络中损耗的功率为系统中各发电厂应供出的功率，因而称作电力系统的供电负荷。供电负荷再加各发电厂本身消费的功率厂用电，为系统中各发电机应发出的功率，称作电力系统的发电负荷。24电力负荷分级n一级：人身、重大设备或政治、经济重大损失，2个独立电源；n二级：设备局部破坏、生产影响且不容易恢复，政治
9、、经济较大损失，2回线或者专用供电线路；n三级：非一级和二级，可单回线路供电。25用电设备工作制n连续运行工作制S1 在恒定负载（如额定功率）下连续运行相当长时间，可以使设备达到热平衡的工作条件。这类工作制的用电设备长期连续运行，负荷比较稳定，如通风机、水泵、空气压缩机、电炉和照明等。n短时运行工作制：设备在额定工作电流恒定的一个工作周期内不会达到允许温升，而在两个工作周期之间的间歇又很长，能使设备冷却到环境温度值。如金属切削机床用的辅助机械（横梁升降、刀架快速移动装置等）、水闸用电机等，这类设备的数量很少。26用电设备工作制 断续周期工作制：暂载率（负荷持续率）这类工作制的用电设备周期性的工
10、作、停歇，反复运行，而且工作和停歇的时间都很短，周期一般不超过10min，使设备既不能在一个工作时间内升温到额定值，也不能在一个停歇时间内冷却到环境温度，如电焊机和电梯电动机等设备。断续周期工作制的用电设备可用“负荷持续率”（又称暂载率）来表征其工作性质。负荷持续率为一个工作周期内工作时间与工作周期的百分比值，用 表示式中 T工作周期；tg工作周期内的工作时间；t0工作周期内的停歇时间。27负荷曲线n负荷曲线是指在某一时间段内描绘负荷随时间的推移而变化的曲线。n按负荷性质可绘制有功和无功的负荷曲线；按负荷持续时间可绘制日、月和年的负荷曲线；按负荷在电力系统内的地点可绘制个别用户、电力线路、变电
11、所、发电厂乃至整个地区、整个系统的负荷曲线。将这几方面负荷曲线综合在一起就可表明负荷曲线发与供的全部特性。n有的负荷曲线是按一定时间为间隔绘制出来的。但是逐点描绘的负荷曲线为依次连续的折线，不适于实际应用。为了计算简单起见，往往将逐点描绘的负荷曲线用等效的阶梯曲线来代替。28负荷曲线n有功功率负荷曲线对电力系统的运行十分有用，电力系统的设计生产主要是建立在预测的有功负荷曲线的基础之上的。以下介绍几种典型的负荷曲线。n（一）日负荷曲线n日负荷曲线表示一天24h内负荷变化的情况，如图61所示，此曲线可用于决定系统的日发电量。29负荷曲线30负荷曲线n（二）年最大负荷曲线n可根据典型日负荷曲线间接制
12、成，表示从年初到年终的整个1年内的逐月（或逐日）综合最大负荷的变化情形，如图2所示。n（三）年负荷持续曲线n年负荷持续曲线是不分日月先后的界限，只按全年的负荷变化，根据各个不同的负荷值在一年中的累计持续时间而重新排列组成的，即反映了工厂全年负荷变动与负荷持续时间的关系,如图3所示。31负荷曲线32负荷曲线n负荷曲线的特征指标分析负荷曲线的特征指标分析n分析负荷曲线可以了解负荷变动的规律。从工厂来说，可以合理地、有计划地安排车间、班次或大容量设备的用电时间，从而降低负荷高峰，填补负荷低谷，这种“削峰填谷”的办法可使负荷曲线比较平坦，调整负荷既提高了供电能力，也是节电的措施之一。n从负荷曲线上还可
13、以求得一些有用的参数。33负荷曲线n（1）年最大负荷Pmax，负荷曲线上的最高点，见图。n（2）年最小负荷Pmin，负荷曲线上的最低点，见图。n（3）全年消耗的电量AY为 全日消耗的电量AD为34负荷曲线（4）年最大负荷利用小时数Tmax n（5）平均负荷Pav（6）负荷率，平均负荷与最大负荷的比值有功负荷率无功负荷率352.2 负荷计算的方法负荷计算的方法n所谓计算负荷，就是在已知用电设备性质、容量等条件的情况下，按照一定的方法和规律，通过计算确定的电力负荷。它包括有功计算负荷、无功计算负荷、视在计算负荷和计算电流、尖峰电流等内容。n求计算负荷的这项工作称作为负荷计算。362.3 负荷计算的
14、方法负荷计算的方法n根据长期观察所测得的负荷曲线可以发现：对于同一类型的用电设备组、同一类型车间或同一类企业，其负荷曲线具有相似的形状。因此，典型负荷曲线就可作为负荷计算时各种必要系数的基本依据。利用这种系数，根据工厂所提供的用电设备容量、将其变换成电力设备所需要的假想负荷计算负荷。n用此计算负荷选择供电系统中的导线和电缆截面积，确定变压器容量，为选择电气设备参数、整定保护装置动作值以及制定提高功率因素措施等提供了依据。37计算负荷的意义计算负荷的意义n“计算负荷计算负荷”是按发热条件选择电气设是按发热条件选择电气设备的一个假定负荷。备的一个假定负荷。计算负荷产生的热计算负荷产生的热效应需和实
15、际变动负荷产生的最大热效效应需和实际变动负荷产生的最大热效应相等应相等。所以根据计算负荷来选择导线。所以根据计算负荷来选择导线及设备，在实际运行中它们的最高温升及设备，在实际运行中它们的最高温升就不会超过容许值。就不会超过容许值。n通常我们把根据半小时（通常我们把根据半小时（30min）的平）的平均负荷所绘制的负荷曲线上的均负荷所绘制的负荷曲线上的“最大负最大负荷荷”称为称为“计算负荷计算负荷”，并作为按发热，并作为按发热条件选择电气设备的依据。条件选择电气设备的依据。38确定计算负荷的系数确定计算负荷的系数n比较、分析大量的负荷曲线，又可以发现同一类型的工业企业（或同一类型车间、设备）的负荷
16、曲线，均有大致相似的形状。从中可发现数值较相近的系数。n1、需要系数Kdn在设备额定功率PN已知的条件下，只要实测统计出用电设备组（车间、全厂）的计算负荷Pca，即在典型的用电设备组负荷曲线上出现30min的最大负荷Pmax，就可以求出需要系数Kd，定义如下：39确定计算负荷的系数确定计算负荷的系数n2、利用系数Ku，利用系数可定义为：3、同时系数有功同时系数：无功同时系数：402.4 尖峰电流的计算尖峰电流的计算n持续12秒的短时最大负荷电流n单台用电设备的尖峰电流；n多台用电设备的尖峰电流；n用电设备同时起动的尖峰电流。412.5 功率损耗和电能损耗计算功率损耗和电能损耗计算n功率损耗：n
17、线路变压器（分别包括有功功率和无功功率）；n电能损耗：n线路变压器（简单统计方法）；n线损率的计算。422.6 企业计算负荷的确定企业计算负荷的确定n逐级计算法：企业的用电端开始，逐级上推，直至求出电源进线端的计算负荷；用电设备组的计算负荷车间变压器低压母线车间变压器高压母线车间变电所高压母线总降压变电所出线总降压变电所低压母线企业总计算负荷。n需求系数法；n按年产量估算企业的计算负荷。432.7 无功补偿无功补偿n无功功率传输的问题；线损增加；压降增加；浪费设备容量，降低供电能力；发电机输出能力下降，发电效率下降。n节能、改善变配电设备运行、提高电能质量无功补偿，功率因数的提高程度（高压供电
18、：0.9）44功率因素计算n瞬时功率因数，直接通过功率表、电压和电流表计；n均权功率因数：一定时间内功率因数的平均值；n最大负荷时的功率因数：计算功率。45提高功率因数的方法n提高自然功率：减少无功功率的需求量；n人工补偿：电容器；同步电机；同步调相机。n电容器补偿：n低压：三角形；高压：星形。n高压集中，低压分散，个别就地。n补偿容量的计算。46无功补偿的效益分析n线损下降的百分值；n变压器铜耗下降的百分值；n减少变压器容量值。47静态电容器的控制方法n昼夜时间划分：无功负荷的变化曲线，适用与负荷比较稳定，较有规律的场合；n母线电压的高低：起动元件低电压或高电压继电器，这还涉及变压器的调压措施；n无功功率大小：起动元件无功功率检测器；n功率因数的大小：起动元件相位监测器。48