電力系統(tǒng)基礎

電力系統(tǒng)基礎第一頁，共六十九頁，2022年，8月28日一、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）轉換而來，并且可以轉換為其它能量供人們使用。電能是由發(fā)電廠生產的，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)。第二頁，共六十九頁，2022年，8月28日

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

第三頁，共六十九頁，2022年，8月28日

電力網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，區(qū)域電力網及超高壓遠距離運輸網三種類型。（1）電壓等級在35kV及以下，供電半徑在20-50km以內的電力網，稱為地方電力網。一般企業(yè)、工礦和農村鄉(xiāng)鎮(zhèn)配電網屬于此類型（2）電壓等級在35kV及以上，供電半徑超過50km的電力網，稱為區(qū)域電力網

目前我國電壓為110-220kV的電力網就屬于這種類型。（3）電壓等級為330-500kV的電力網，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。（包括近幾年建設的500kv和750kv直流輸電系統(tǒng)）第四頁，共六十九頁，2022年，8月28日第五頁，共六十九頁，2022年，8月28日

它的任務就是把遠處發(fā)電廠生產的電能輸送到負荷中心，同時還聯(lián)系區(qū)域電力網行程跨省，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，就屬于這種類型。

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

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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。第七頁，共六十九頁，2022年，8月28日第八頁，共六十九頁，2022年，8月28日

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，進出線回路數多，區(qū)域變電所由大電網供電，其高壓側電壓為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。

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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。

終端變電所是電網的末端變電所系統(tǒng)工礦企業(yè)，居民區(qū)，商業(yè)網關，箱式變電所其高壓側為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)內部。第十頁，共六十九頁，2022年，8月28日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）與國民經濟，各部門和人民生活關系密切。第十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日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水平以防止人為事故。

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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)的結構，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。

第十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日電力系統(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，生活受影響；第三級負荷短時供電中斷不會形成重大影響。第十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日（2）要有合乎要求的電能質量

電能質量是指通過公用電網供給用戶端的交流電能的品質，理想狀態(tài)的公用電網應以恒定的頻率、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%第十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日（3）為用戶提供充足的電能（4）要有良好的經濟性盡量降低發(fā)電廠煤耗率（水耗率）廠用電率和電力網的損耗率實行經濟調度。第十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日二、發(fā)電廠的生產過程發(fā)電廠是生產電能的工廠，它將蘊藏于自然界中的一次能源轉換為電能，根據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)電廠第十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日、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、內燃機發(fā)電廠

第十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日汽輪機發(fā)電廠（大容量大電廠多采用汽輪式）

1、單一生產電能的凝汽式一般建在燃料產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。第十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日（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—推動水輪機轉子旋轉，把機械能轉換為電能。第二十頁，共六十九頁，2022年，8月28日（三）核電廠利用核能發(fā)電—核電廠其轉換過程是：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。第二十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日（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電能第二十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日2、風力發(fā)電利用風的動能來生產電能其發(fā)電過程是：風力—使旋轉葉片轉子轉換—風力的動能轉變?yōu)闄C械能—再通過升速裝置驅動發(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。第二十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日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。第二十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日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。第二十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日四、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)（包括經小阻接地）第二十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日四、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。第二十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日第二十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日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設備如：斷路器，隔離開關，負荷開關；（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:變壓開關柜，低壓配電屏等。第二十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日五、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）經濟在滿足以上前提下，主接線要求簡單，經濟。第三十頁，共六十九頁，2022年，8月28日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，高壓側無母線，低壓側母線，不分段，其中任一元件發(fā)生故障或檢修，變電所都要停電。第三十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日（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。第三十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日（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。第三十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日4、單母線帶旁路母線接線特點：某一出現需停電檢修時，可由旁母代路運行，接線復雜，投資大，容易誤操作。第三十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日（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時僅使該回路停電（進線檢修）；3、工作母線發(fā)生故障時，經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、使用的隔離開關多，結構復雜，占地面積大，投資較高。第三十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日（6）橋形接線內橋——跨接橋在變壓器側，橋斷路器在線路斷路器之內，與變壓器之間為隔離開關；外橋——跨接橋靠近線路側，橋斷路器在線路斷路器之外，線路回路僅裝隔離開關，不斷斷路器。第三十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日內橋對進線的操作非常方便，但對變壓器的操作不便；適用于電源進線較長，而變壓器不需要經常切換的場所。第三十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日外橋對變壓器回路的操作非常方便，但對進線操作不便。適用于電源進線較短而變壓器需經常切換的場所。第三十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日

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。第三十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日（二）高低壓開關電器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。第四十頁，共六十九頁，2022年，8月28日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。第四十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日3、高壓斷路器的類型按滅弧介質的不同，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即作為滅弧介質也作為絕緣介質（3）真空斷路器真空斷路器即作為滅弧介質也作為絕緣介質。第四十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日SF6斷路器第四十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日真空斷路器第四十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日4、斷路器的操作機構斷路器必須配以操動機構才能使用。操動機構分為：電磁式操動機構、手動式操動機構、彈簧儲能式操動機構（應用最廣泛）第四十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日彈簧操動機構第四十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日4-1、電磁式操動機構：

直流電磁式操動機構是用電磁鐵將電能轉變成機械能來實現斷路器的分、合閘的動力機構，主要由合閘電磁鐵、跳閘電磁鐵和維持電磁鐵組成，能實現手動和遠距離跳、合閘，便于實現自動化。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。

第四十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日4-2、彈簧儲能式操動機構（應用最廣泛）彈簧儲能是在操動機構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，但結構復雜，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，還可方便的實現一次自動重合閘，因此應用越來越廣泛。第四十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日5、高壓隔離開關隔離開關又稱為刀閘，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。第四十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日（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；按調壓方式分為：有載調壓變壓器、無載調壓變壓器；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）；第五十頁，共六十九頁，2022年，8月28日U1/U2≈E1/E2=W1/W2=K第五十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日第五十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日

按國家標準，雙繞組電力變壓器采用以下三種聯(lián)結組別：（1）YNd11用于高壓側為110kV及以上大電流接地系統(tǒng)中的變壓器；（2）Yd11用于高壓側為35-110kV，低側為6-10kV，三次諧波在△中形成環(huán)流，不傳輸給用戶；（3）Yyn0用于高壓側為6-10kV，低壓側380/220V；配電變壓器，其低壓側沖出中性線，構成三相四線制供電。第五十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日（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。第五十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日電流互感器第五十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日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，匝數很少（有的直接穿過鐵心，只有一匝），導線很粗，二次繞組匝數很多，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第五十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日請看圖片BH6，+35mm。80mm，BP#〗

第五十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日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。

第五十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日（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，若二次側開路互感器稱為空載運行，此時一次側電流成了勵磁電流使鐵心中的磁通急劇增加，使二次側感應出很高的電壓，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，一次側的高壓竄入二次側，危及人身和設備的安全。第五十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日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?，其一次匝數很多，并?lián)在供電系統(tǒng)的一次電路中，而二次側繞組匝數少，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第六十頁，共六十九頁，2022年，8月28日第六十一頁，共六十九頁，2022年