电能系统第１章

null电 能 系 统 基 础电 能 系 统 基 础　东南大学电气工程学院 　 课程的地位、作用及任务 课程的地位、作用及任务 本课程是“电气工程及自动化”专业类的专业基础课之一，即包括原电力系统及其自动化、电机电器及其控制、电气技术、高电压工程等电力类专门方向的公共专业课程之一。它的先修课程主要是《电路》、〈电磁场〉、〈电机学〉、〈工程数学〉等. 本课程的主要任务是使电气专业类学生对发电厂、变电所、电力网及电能系统有较全面的了解，使学生掌握电能系统规划与运行管理的基本理论与基本方法，为今后进一步学习该领域的理论及从事该领域的生产实际工作奠定坚实的基础。 教学内容和基本要求 教学内容和基本要求 1、电能系统概论 学生应建立电能系统的基本概念，使学生了解电能系统的重要性和整体性。电能系统运行特点及要求，电能系统负荷，电力系统的运行方式及电压等级。 2、电力系统元件及基本参数 研究电力系统各元件的参数及等值电路、标幺制。它们是分析研究电力系统的基础。学生应掌握发电机、变压器、线路及负荷的数学模型，考试重点在标幺值计算和多电压等级网络的等值电路的建立。教学内容和基本要求教学内容和基本要求3、电力系统稳态分析 讲授了电力系统潮流分布的计算方法，培养学生的计算能力，加深学生对电力系统各元件以及各电气量之间关系的了解。考试重点是简单电力网的前推回推潮流计算，电力网潮流计算的计算机模型，导纳矩阵的形成与修改，节点阻抗矩阵与节点导纳矩阵的关系及各自的特点，电力网节点性质的分类，牛顿—拉夫逊潮流计算及快速解耦潮流算法。 教学内容和基本要求教学内容和基本要求4、电力系统故障分析 讲授三相短路电流的计算，电力系统复合序网建立以及应用对称分量法分析计算不对称故障时故障处的电压和电流，使学生对电力系统中故障情况有所了解，掌握分析和计算系统简单故障的基本方法。考试重点是故障分析的目的，三相对称短路的基本分析，冲击电流的定义，三相短路电流周期分量的实用算法，对称分量法，电力系统元件的不对称参数，简单不对称短路故障时的电流与电压的计算方法。 null5、电力系统的电气接线 本章讲授高压输电网和配电系统的电气联接方式以及发电厂变电所的电气主接线的基本形式，电气主接线的特点与选择的基本原则。考试重点在各种电力网的接线方式、特点，发电厂、变电所电气主接线的基本形式，断路器与隔离开关的操作顺序，主变压器台数与容量的确定，电能系统电气接线图的选择。null6、电能系统的规划设计 本章讲授电能系统规划设计的基本内容，其中有技术经济比较的基本方法，电网规划的数学模型与计算方法，发电厂电气部分设计的基本内容。并结合工程特点训练和指导学生运用前面所学的理论知识分析解决实际问题。考试重点在发电厂与变电所电气设计的基本内容，电气设备的选择。教学内容和基本要求教学内容和基本要求7、电能系统的运行管理 讲授电力系统有功功率与频率调整，无功功率与电压调整的关系，以及电能系统中有功功率与无功功率的经济分配。另外为了拓宽学生的知识面，介绍了电能系统运行稳定性的基本概念，能量管理系统，配电管理系统，直流输电和灵活交流输电等方面的基本知识。考试重点在有功功率与频率调整，无功功率与电压调整，有功功率与无功功率的经济分配。 书目书目教材： 《电能系统基础》 单渊达 机械工业出版社 参考书目： 《电力系统稳态分析》 陈珩 中国电力出版社 《电力系统分析》 陈怡等 中国电力出版社 《现代电力系统分析》 王锡凡 科学出版社 第一章 电能系统概论第一章 电能系统概论 １．１　　概述 １．２　　电能系统负荷与负荷曲线 １．３　　电能系统的电压等级 １．４　　输电线路 １．５　　发电厂、变电所电气设备 １．６　　电能系统的电气连接方式 １．７　　三相电能系统中性点运行方式 １．８　　电能系统的运行特点和基本要求 １．９　　电能系统的运行监视、控制与保护 １．１０　安全接地1.1 概述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。 电能是相应于电磁运动的能量形式。 不同形式的能量可相互转换。1.1.1 能和能源(1)1.1.1 能和能源(1)1. 电能的特点： ⑴电能可以方便地由其它能量形式转化而来，也可以简便地转化成其他形式的能量。 ⑵电能便于大规模生产、输送、分配、并且价格低廉。 ⑶ 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)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。 用于发电的一次能源消耗用于发电的一次能源消耗电能系统发展简史电能系统发展简史1831年电磁感应定律 1882年高压输电（法国人德普勒、水电、慕尼黑、直流、1500～2000V、57km、2kW） 1885年单相变压器－－单相交流输电 1891年三相异步电动机、三相变压器－－三相交流输电（德国人奥斯卡.冯.密勒、拉芬镇－法兰克福、水轮发电机230kVA电压95V、升压25kV、4毫米铜线、降压112V、负荷：白炽灯和异步电动机） 交流：最高线路电压>1000kV、最远输送距离>1000km、最大电力系统容量>20000万kW 直流：电压>±500kV、输电距离>1000km、输送功率>150万kW我国电力工业发展概况我国电力工业发展概况1.我国有丰富的煤炭、石油和水力资源，这为我国电力工业的发展提供了条件。 2.1882年上海建立第一个发电厂，容量12kW 。 3.新中国成立以来，我国电力工业取得了长足的发展。 形成了华北、东北、华东、华中、西北和南方互联等6个跨省大网 发电机装机容量和年发电量居世界第二位，但人均用电量只有世界平均水平的1/3。 nullnull我国今后电力工业发展方向我国今后电力工业发展方向在电源结构调整上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 要大力抓好大电厂、大容量、高参数、高效率大机组的建设 大力加强主电网的建设，形成坚强的电力网络结构，加快城市和农村电网的建设和技术改造。开拓电力销售市场 继续加强现有6个跨省电网，发展省一级电网并注意发展系统间的互联，逐步形成全国的联合电能系统null2006年8月19日，国家电网公司晋东南-南阳-荆门1000千伏交流特高压试验示范工程奠基仪式在山西省长治举行。晋东南—南阳—荆门交流1000千伏输电工程，线路全长653.8公里，静态投资68亿元，动态投资超过200亿元。预计将在2008年完成全部工程建设。在2年内，国家电网公司还将开工第二项特高压交流工程，淮南——皖南——浙北——上海线。 2006年12月19日，南方电网公司特高压直流输电工程---云广特直流工程的在云南楚雄举行开工仪式，预计于2010年完成。它是世界上第一个±800千伏特高压直流输电工程。null特高压电网是1000千伏交流和正负800千伏直流输电网络，具有远距离、大容量、低损耗输送电力和节约土地资源等特点。 根据有关部门对2010年～2020年的用电量预测和电源规划，以及对国家电网基本功能的要求，到2015年，我国可能形成覆盖华北、华中、华东地区的特高压交流同步电网，含蒙西、陕北、晋东南、淮南、徐州煤电基地及西南水电基地电力外送的特高压骨干电网。国家电网特高压骨干网架将由1 000 kV级交流输电网和±800 kV级直流系统构成。区域电网之间的电气联系主要是特高压联络线。按照“西电东送、南北互供”要求，规划合理的特高压网架结构，将形成坚强的网状结构，明显提高电网的稳定水平和输电能力。 1.1.2 电能系统与电力系统的定义(1)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)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。 4．电力网： 在电力系统中通常把发电机和用电之间属于输电和配电的环节称为电力网。nullnull电力系统是一个由大量各种元件组成的复杂系统，发电机、变压器、电力线路和负荷是电力系统的四大主要元件。 发电机、变压器、电力线路和负荷这四大元件构成了电力系统的躯干，称为一次系统。 此外，为了保证其安全正常运行，电力系统还装备有相当于其神经的继电保护、通讯和调度控制系统等，称为二次系统。 null为满足生产需要，发电厂中安装有各种电气设备。 通常将直接在发、输、配、用的主系统上使用的设备称为一次设备。如：开关设备、电能生产和转换装置、载流导体、接地设备等。 对一次设备的工作进行测量、控制、监视、调节、保护以及为运行维护人员提供运行工况或生产指挥信号所用的设备称为二次设备。如测量、计量仪表、继电保护及自动装置、直流设备、信号设备及控制电缆等。 一、二次设备之间的联络元件称为互感器。包括电流互感器和电压互感器，它们分别向测量仪表、继电器的电流线圈和电压线圈供电，保证这些设备能够正确反映系统的运行状况。电能系统、电力系统、电力网示意图电能系统、电力系统、电力网示意图 电能系统的运行特点与基本要求 电能系统的运行特点与基本要求1. 电能系统的运行特点 重要性（电能和国民经济各部门及人民生活密切）：电能在国民经济和人民生活中起着极其重要的作用，电能供应的中断或减少将影响国民经济的各个部门，造成巨大的损失。 快速性（暂态过程十分短暂）：由于电能的传播速度接近光速，因而它从一处传至另一处所需的时间极短，电力系统从一种运行方式转变到另一种运行方式的过渡过程非常快，电力系统中的事故从发生到引起严重后果所经历的时间常以秒，甚至毫秒计，以至人们往往来不及作出反应。 电能系统的运行特点与基本要求电能系统的运行特点与基本要求同时性（电能不易贮存）：电能的生产、传输、分配和消费实际上是同时进行的，即所有发电厂任何时刻生产的电能必须与该时刻所有负荷所需的电能与传输分配中损耗的电能之和相平衡。这代表电力系统运行时必须满足的一类等约束条件：有功功率平衡和无功功率平衡。 　电能系统的运行特点与基本要求电能系统的运行特点与基本要求2. 对电能系统的基本要求 为用户提供充足的电能 当今，电能是社会生产和人民生活活动中的主要能源之一。它的供应情况直接影响国民经济增长的速度。因此，首先应按照电能先行的原则作好电能系统发展的规划设计，认真搞好电能工业建设，以确保电能工业的建设优先于国民经济的其它部门的建设。 电能系统的运行特点与基本要求电能系统的运行特点与基本要求保证电能系统供电的安全和可靠性 供电中断将使生产停顿、生活混乱，甚至危及人身和设备安全，给国民经济造成的损失远超过电力系统本身的损失。因此，电能系统运行首先要满足可靠、持续供电的要求。 安全性：指电力系统承受突然发生的扰动时保持不间断供电的能力，例如突然短路或失去系统元件。在实用中常用正常供电情况下，是否能保持潮流及电压模值在允许的范围以内表示（静态安全分析）。电力系统的安全性表征电力系统短时间内在事故情况下维持持续供电的能力，属电力系统实时运行中要考虑的问题。 电能系统的运行特点与基本要求电能系统的运行特点与基本要求可靠性（充裕度）指电力系统维持连续供给用户总的电力需求和总的电能量的能力，同时考虑系统元件的停运及合理的期望非计划停运。常用向用户长时间不间断持续供电的概率指标表示，如失负荷概率（LOLP）、失负荷频率（LOLF）、系统期望输送能力（ETC）、年电量不足期望（EENS）等。可靠性属电力系统规划设计的范畴。 郭永基，电力系统可靠性分析，清华大学出版社 电能系统的运行特点与基本要求电能系统的运行特点与基本要求保证电能的质量（电压、频率和波形） 电压偏移一般不得超过额定电压的±5%。； 频率偏移不得超过±0.2Hz ； 谐波电压的畸变率（各次谐波有效值平方和的方均根值与基波有效值的百分比）的极限值：0.38kV为5%、6kV或10kV为4%、35kV或63kV为3%、110kV为1.5%。 电能系统的运行特点与基本要求电能系统的运行特点与基本要求保证电能系统运行的经济性 电能生产的规模很大，消耗的一次能源在国民经济一次能源总消耗中占的比重约为1/3，而且电能在变换、输送、分配时的损耗绝对值也相当可观。因此降低每一度电所消耗的一次能源和输送分配时的损耗都具有重要意义。为此，要首先采用高效、节能的发﹑输、配电设备；优化电源配置和电力网络；大力开展电能系统中的经济运行工作；充分利用水电资源，合理调配水、火电厂的出力等。 煤耗率：每生产1千瓦时电能所消耗的标准煤重 线损率或网损率：电力网络中损耗的电能与向电力网络供应的电能的百分比（中国6.4%、日本3.85%、德国4.8%、美国6%）电能系统的运行特点与基本要求电能系统的运行特点与基本要求加强环境保护，防止环境污染 电力工业中的火力发电厂是一个污染源。在运行过程中会产生相当数量的固体与气体废料，造成对大气与水源的严重污染，所以要控制发电厂的排放。对于核电站要控制其放射污染。在输变电设备方面要求考虑输电线对通信及周围环境的影响，如电磁场对人体及周围设备的影响，输电杆塔对绿化地带或自然景观的影响以及变压器噪声对周围环境的影响等等。 1.1.3 发电厂、变电所、电力网概述1.1.3 发电厂、变电所、电力网概述１.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。 发电厂（1）发电厂（1）(1) 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 发电厂（2）发电厂（2）(2) 水电厂 水电厂的基本能量转化过程： 水能　水轮机　机械能　发电机　电能 水电厂的装机容量可用如下公式表示 ： 　 水电厂可分为坝式水电厂、引水式电厂及混合式水电厂。 发电厂（3）发电厂（3）(3) 核电厂: 核电厂的基本能量转化过程: 重核裂变能　核蒸汽发生系统　热能　汽轮机　机械能　发电机　电能电力网(１）电力网(１）2. 电力网: 电力网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) 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 。电力网（２）电力网（２）(2) 区域电力网:　电压为110～220kV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大型联合系统。 变电所变电所变电所的任务是汇集电源、升降电压、分配电能。 变电所可分为升压变电所和降压变电所，或分为户外变电所、户内变电所及地下变电所。也可按变电所容量和重要性不同分为枢纽变电所、中间变电所和终端变电所。1.2 电能系统负荷与负荷曲线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: 电能系统的负荷指各种用电设备从电力系统中取用的功率或电能。 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 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）1.2.2 电力负荷曲线及其特性系数 （１）负荷曲线：电力负荷随时间变化的图形。 1.负荷曲线的用途: (1) 根据预测负荷曲线，计划和分配各发电厂的发电任务。为提高经济效益，各发电厂负荷分配见下图。 (2) 按年最大负荷曲线确定系统装机容量，安排主要设备检修计划。 图1-8　电力系统日负荷曲线的分配图1-8　电力系统日负荷曲线的分配1.2.2 电力负荷曲线及其特性系数（２）1.2.2 电力负荷曲线及其特性系数（２）　2. 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1-10　日有功负荷曲线梯形图图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（３）1.2.2 电力负荷曲线及其特性系数（３）　　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（４）1.2.2 电力负荷曲线及其特性系数（４）　２）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。 年最大负荷曲线：1年内逐日或逐月系统最大负荷的变化曲线。 电力负荷全年持续曲线：电力系统全年负荷按其大小及其持续运行时间（小时数）的顺序排列而成。曲线中的一点反映了在一年内负荷负荷超过P1的积累持续时间1.2.2 电力负荷曲线及其特性系数（5）1.2.2 电力负荷曲线及其特性系数（5）　电力负荷全年持续曲线的绘制: 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（6）1.2.2 电力负荷曲线及其特性系数（6）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 ： 年平均负荷功率 ：null各类用户的年最大负荷利用小时数 1.2.3 电能负荷的计算（１）1.2.3 电能负荷的计算（１） 计算负荷：持续半小时及以上的最大负荷，用　 、　　、　　表示，是按发热条件选择电气设备的等效负荷，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（２）1.2.3 电能负荷的计算（２）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 。 1.2.3 电能负荷的计算（３）1.2.3 电能负荷的计算（３） 　　----- 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（４）1.2.3 电能负荷的计算（４）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 、　　为有功和无功同时系数 。 1.3 电能系统的电压等级:1.3 电能系统的电压等级: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。 我国电力系统的电压等级 西北系统：330/110/35/10KV 东北地区： 500/220/63/10KV 其它地区：500/220/110/35/10KV 低压：0.38/0.22KV nullIEC对电网及设备电压的选择原则可以归纳为以下三点: 1)对50Hz的标准电压，在3.3、6.6、11、22、33kV中建议采用一个。其中3.3、6.6kV不应用于配电系统。 2)任一国家内，相邻两级电压之比，不应小于2倍。 3)对任一地理区域内，对下列三组电压等级中只能选用每组中的一个:(245～330～363kV)，(363～420kV)，(420～525kV)。null 国际大电网会议(CIGRE)与国际供电会议(CIRED)的联合工作组对电压的选择也提出了建议。认为超高压(220～500)kV以下的电压，其相邻两级电压之比应大于3倍。高压(50～150)kV以下的电压，其相邻两级电压之比应大于5倍，并建议： 1)已采用220kV或275kV为主的国家，最好选用500、230kV电压系列。 2)已采用330kV或345kV为主的国家，最好选用750、330、110kV电压系列。 3)在一个国家内，以选用一种电压系列为宜，以免额定电压不同的电力系统互联时，需要专用的互联变压器。各级电压送电线路的输送能力 各级电压送电线路的输送能力 三相交流电网和电力设备的额定电压 三相交流电网和电力设备的额定电压 三相交流电网和电力设备的额定电压 三相交流电网和电力设备的额定电压 额定电压是用来代表电网或电气设备运行电压特性的数值。 对于1000V以下的电压等级，供电设备比受电设备额定电压高5％。 1000V以上的电压等级，发电机额定电压比同等电压级的电网电压高5％。 直接与发电机组相连的变压器一次绕组的额定电压与发电机相同。 三相交流电网和电力设备的额定电压 三相交流电网和电力设备的额定电压 变压器一次绕组与线路或母线相连时，其额定电压与相连的线路或母线电压相同。 对于变压器的二次绕组，因变压器在满载时其本身内部压降约占5％，所以在计级较长的线路压降时，变压器二次侧额定电压应比线路额定电压或用电设备额定电压高10％，当线路不长时，变压器二次侧电压则只高5％。 对于1000V以下的电压等级，供电(电源)与受电设备的额定电压则取得相等。 null1.4 输电线路1.4 输电线路电力线路按结构通常可分为架空和电缆线路。 1.4.1 架空线路: 　 架空线路由导线、避雷线(架空地线)、绝缘子、金具和杆塔等主要部件组成。 1.4.1 架空线路（１） 1.4.1 架空线路（１） １. 导线和避雷线: 　导线可分为裸线和绝缘导线两大类。高压输电线常采用裸导线，低压线路常采用绝缘导线。 　 导线材料主要有铝、铜、钢等。导线按结构形式不同分为单股、多股绞线和钢芯铝绞线三种。其中，钢芯铝绞线机械强度较高，较为常用。其型号有LGJQ LGJ 和LGJJ型。 220KV以上输电线路为减小电晕损耗，常采用分裂导线。 1.4.1 架空线路（２）1.4.1 架空线路（２）2. 杆塔： 杆塔按材料不同可分为木杆、铁塔和钢筋混凝土杆三种。 杆塔通常分为直线杆、转角杆、耐张杆、终端杆、换位杆和跨越杆。 3. 绝缘子和金具 1）绝缘子：其作用为支撑和悬挂导线，并使导线与杆塔绝缘。 　2）金具： 连接导线和绝缘子所使用的金属部件总称为金具。 1.4.2　电缆线路1.4.2　电缆线路1.电力电缆结构： 　电力电缆主要由三部分组成：导线、绝缘层和保护层。 2.电力电缆的敷设： 　电力电缆的敷设有以下几种：直接埋入土中、电缆沟敷设及穿管敷设。1.5 发电厂变电所的主要电电器设备1.5 发电厂变电所的主要电电器设备　 发电厂变电所的主要电气设备有：高压开关电器、高压保护电器、高压测量电器等。 1.5.1 开关电器开断电路时的电弧 1. 电弧的危害： １）延长电路开断的时间； 　２）破坏开关触头、引起电器烧毁； 　３）形成相间短路； 1.5.1 开关电器开断电路时的电弧（１）1.5.1 开关电器开断电路时的电弧（１）2. 电弧中的游离和去游离方式： 　　 　１）游离方式： 　　电弧中的游离方式有：强电场发射、热电发射、碰撞游离、热游离。 　２）去游离方式： 　　电弧中的去游离方式有：复合、扩散。1.5.1 开关电器开断电路时的电弧（２）1.5.1 开关电器开断电路时的电弧（２）3. 交流电弧的灭弧条件和方法： 　１）灭弧条件：交流电弧自然过零后，弧隙介质强度始终大于加在触头两端的恢复电压。 　1.5.1 开关电器开断电路时的电弧（３）1.5.1 开关电器开断电路时的电弧（３）２）开关电器中常用的灭弧方法： 提高触头的分离速度； 利于高速气体或油吹灭电弧； 采用多断口将长电弧分成多段短电弧； 利用磁吹线圈使电弧不断移动与拉长来灭弧； 采用介质强度高的物质作灭弧介质，如SF６、真空、压缩空气、油等。 1.5.1 开关电器开断电路时的电弧（４）1.5.1 开关电器开断电路时的电弧（４）4. 直流电弧的灭弧方法： 　１）在直流电流上叠加一振动电流，使弧电流过零，用交流电弧相似的方法熄灭直流电弧。 　２）电阻耗散能量限流法：在开断电路的过程中，逐级串入电阻，使直流弧电流不断减小直至熄灭，并保证基本不产生过电压。 1.5.2 高压断路器与重合闸 （１）1.5.2 高压断路器与重合闸 （１）１. 高压断路器的功能 正常工作时开断与闭合电路 配合继电保护装置，自动开断电网中的短路故障。 配合自动重合闸装置，在跳闸后能够自动重合闸。 1.5.2 高压断路器与重合闸（２）1.5.2 高压断路器与重合闸（２）２. 高压断路器种类： 　油断路器 　压缩空气断路器 　SF６断路器 　真空断路器1.5.2 高压断路器与重合闸（３）1.5.2 高压断路器与重合闸（３）3. 重合器 重合器主要用在35kV及以下中压电网。 重合器的功能: 　自动检测故障电流； 　在给定时间内开断故障电流； 　按给定次数重合电路。 1.5.3 隔离开关1.5.3 隔离开关1. 主要功能： 检修时用于可靠的隔离电源。 2. 结构特点： 无灭弧装置；触头暴露在空气中；有明显、清晰可见的断开点。 　 隔离开关不能拉合负荷电流和短路电流，必须与断路器配合使用，按重合闸操作规则进行操作。 1.5.4 负荷开关与分断器1.5.4 负荷开关与分断器1. 负荷开关： 用于开合负载电流及过载电流的开关电器，具有一定的灭弧能力，常与熔断器配合使用。 2. 分断器： 配电系统中用来隔离线路区段的自动装置。可用来开断负载电流，通常与重合器或断路器配合使用。1.5.5 熔断器 1.5.5 熔断器 1. 功能： 在短路、过载或过电压时切断电路。 2. 结构： 熔断器由金属熔件，触头装置及外壳构成。 3. 灭弧方法： 纵向吹弧灭弧、利用石英砂填料冷却灭弧。 4. 分类： 限流式熔断器与非限流式熔断器。1.5.6 仪用互感器1.5.6 仪用互感器仪用互感器的作用： 　 将一次侧的高电压大电流变换成二次侧的标准 的低电压、小电流，使二次侧装置标准化、系列化。 　 将二次侧与高电压隔离，保证设备和人身安全。 　 使二次侧可以使用低压小截面控制电缆传送电压、电流信号。null电压互感器与电流互感器的连接示意图1.5.6 仪用互感器—电压互感器（１）1.5.6 仪用互感器—电压互感器（１）1. 电压互感器 电磁式电压互感器工作原理与电力变压器相同。 电压互感器的主要特点是容量很小．最大不过数百伏安；它的另一特点是二次侧所接的测量仪表和继电器的电压线圈阻抗很大，接近于空载状态下运行。1.5.6 仪用互感器—电压互感器（2）1.5.6 仪用互感器—电压互感器（2） １）测量误差： 电压误差 角误差： 　为　　与　　　之间的夹角。电压互感器等效电路图电压互感器等效电路图电压互感器相量图电压互感器相量图1.5.6 仪用互感器—电压互感器（3）1.5.6 仪用互感器—电压互感器（3）电压互感器测量误差与空载电流、二次负载等因素有关。 空载误差主要决定于激磁电流的大小．采用高磁导率铁芯、缩短磁路长度、适当加大铁芯截面、减小空气隙等均可使空载误差明显降低。 负载误差则主要决定于二次负载值及其功率因数，还与一次、二次绕组阻抗有关。随着二次负载的加大， 电压互感器的电压误差和角误差呈直线增加，所以二次负载不应超过额定值，否则误差将超过其限值。 1.5.6 仪用互感器—电压互感器（4）1.5.6 仪用互感器—电压互感器（4）２） 准确度级： 　 电压互感器的准确度级用最大允许误差表示。 有０.１、０.２、０.５、１、3、３P、6P等准确度 级，分别用在不同的测量与保护场合。 ３）结构类型： 电磁式（包括普通的电磁式电压互感器，及串级式电压互感器）； 电容分压式； 1.5.6 仪用互感器—电压互感器（5）1.5.6 仪用互感器—电压互感器（5）４）运行： 　 电压互感器工作时，二次侧有一端必须可靠接地，运行中二次侧不允许短路。 电压互感器的一次侧和二次侧均应装设熔断器，用于过负载及短路保护。1.5.6 仪用互感器—电流互感器（１） 1.5.6 仪用互感器—电流互感器（１） ２．电流互感器 　电磁式电流互感器工作原理与变压器相同 1.5.6 仪用互感器—电流互感器（2）1.5.6 仪用互感器—电流互感器（2）1）电流互感器结构特点： 　一次侧匝数很数少，二次侧匝数多。 　正常工作时，二次侧负荷阻抗很小，接近短路状态。 图1-34 电流互感器原理接线图图1-34 电流互感器原理接线图电流互感器等效电路图电流互感器等效电路图电流互感器相量图电流互感器相量图1.5.6 仪用互感器—电流互感器（２） 1.5.6 仪用互感器—电流互感器（２） 2）电流互感器的误差： 　电流误差 ： 角误差 ：　为　　与－　　之间的夹角。 电流互感器的误差与激磁磁势（互感器铁心材料、结构）、一次侧电流、二次侧负载等因素有关。 1.5.6 仪用互感器—电流互感器（３） 1.5.6 仪用互感器—电流互感器（３） 3）确度级 ： 电流互感器有0.2、0.5、1、3、5、D、B、P等准确度级，可供不同的测量和保护场合使用。 不同准确度级的电流互感器有不同的额定二次负荷。 ４）运行注意事项： 　电流互感器运行二次侧不允许断开。否则二次侧会感应出高电压，危及人身和设备安全。 　电流互感器二次侧有一端应可靠接地。 1.5.7 避雷器 （１）1.5.7 避雷器 （１）1. 功能： 　用来限制过电压的一种主要保护电器，是发电厂变电所防雷保护的基本保护之一。 2. 工作原理： 　避雷器与被保护设备并联，当线路上有雷电侵入时，首先击穿避雷器对地放电，从而保护设备绝缘。 3. 结构类型： 放电间隙；阀形避雷器；管形避雷器；压敏避雷器 ； 1.6 电能系统的电气连接方式 （１）1.6 电能系统的电气连接方式 （１）1. 电能系统的接线图 　电气接线图（如图１－１） 电气结线图反映电力系统各元件之间的电气联系。为简明起见，电力系统的电气结线图多画成单线形式，称为单线图。 　地理接线图 （如下图） 电力系统的地理结线图反映各发电厂、变电所的相对地理位置以及电力线路的路径。 地理结线图不反映各元件之间的电气联系，因此，两类结线图常常配合使用，互为补充。 图1-38 电力系统的地理接线图图1-38 电力系统的地理接线图1.6 电能系统的电气连接方式 （２）1.6 电能系统的电气连接方式 （２）２. 电能系统的接线方式 1）无备用电源接线 无备用接线包括：单回放射式、树干式、链式网络。优点：线路结构简单、经济和运行方便。缺点：供电可靠性差。 1.6 电能系统的电气连接方式（３）1.6 电能系统的电气连接方式（３）2）有备用电源接线 　有备用接线方式包括：双回放射式、干线式、链式 、环式及两端供电网络。1.6 电能系统的电气连接方式（4）1.6 电能系统的电气连接方式（4）双回放射式、干线式、链式 网络 优点：供电可靠、电压质量比较高 缺点：设备投资成倍增加 环式网络 优点：供电经济、可靠 缺点：运行调度复杂，线路发生故障切除后，由于功率重新分配，可能导致线路过载或电压质量降低。1.6 电能系统的电气连接方式（5）1.6 电能系统的电气连接方式（5）开式网络：每个负荷只能从一个方向取得电能的电气接线方式 ，如放射式、干线式和链式网络。 闭式网络：每一个负荷可以从两个方向取得电能的电气接线方式 ，如环形和两端供电网络。 1.7　三相电能系统中性点运行方式（1）1.7　三相电能系统中性点运行方式（1）电力系统的中性点指发电机和星形联结变压器的中性点。 三相电力系统的中性点运行方式的影响： 对地绝缘 内部过电压 继电保护 发电机并列运行的稳定性 对线路附近通信线路的干扰 电压等级、系统结线等 1.7　三相电能系统中性点运行方式（2）1.7　三相电能系统中性点运行方式（2）发电机中性点运行方式： 不接地 经避雷器接地 变压器中性点运行方式有： 中性点不接地（10～35kV系统） 中性点经消弧线圈接地（10～63kV系统） 中性点直接接地 （110kV以上系统、 380/220V三相四线低压系统）1.7　三相电能系统中性点运行方式（3）1.7　三相电能系统中性点运行方式（3）有效接地系统（大电流接地系统）： 中性点接地 中性点经小电阻接地 非有效接地系统（小电流接地系统）： 中性点不接地 中性点经高阻抗接地 中性点经消弧线圈接地 区分标准： 若X0/X1≤3，且r0/X1≤1,则为有效接地系统 1.7.1 中性点不接地电力系统（图）1.7.1 中性点不接地电力系统（图）1.7.1 中性点不接地电力系统（１）1.7.1 中性点不接地电力系统（１） １. 中性点不接地电力系统正常工作情况 　三相对地电压对称并等于相电压； 　三相对地电容电流对称； 　中性点与地同电位 ；1.7.1 中性点不接地电力系统（２）1.7.1 中性点不接地电力系统（２）2. 若发生一相接地（例C相接地） 1.7.1 中性点不接地电力系统（3）1.7.1 中性点不接地电力系统（3）　由c相接地时的相量图可见: 　中性点对地电压升高为相电压，如图OO’相量。 　接地相对地电压为０。 　未接地两相对地电压升高为线电压 。 三相间电压不变。 1.7.1 中性点不接地电力系统（４）1.7.1 中性点不接地电力系统（４）　接地点电容电流是正常运行时一相对地电容电流的三倍 。 　　因此，这种情况下应发出预告信号，允许继续运行２小时。 　　1.7.1 中性点不接地电力系统（5）1.7.1 中性点不接地电力系统（5）单相接地电容电流Ic可近似由下列经验公式来计算。对于架空线 对于电缆线式中 U—线电压kV。 l—这一电压级线路总长度kM。 Ic―接地电容电流A。1.7.1 中性点不接地电力系统（6）1.7.1 中性点不接地电力系统（6）　　接地点处如果产生接地电弧，可能引起电器设备损坏，甚至造成相间短路。　 　　接地点处如果产生断续电弧，可能引起电网的谐振过电压 。1.7.2 中性点经消弧线圈接地系统1.7.2 中性点经消弧线圈接地系统 　当10KV电网接地电流大于30A时，35KV电网接地电流大于10A电源中性点应采用经消弧线圈接地的方式。 消弧线圈实际上就是带气隙铁芯的线性电感线圈，其电阻很小，感抗很大。 1.7.2 中性点经消弧线圈接地系统（图）1.7.2 中性点经消弧线圈接地系统（图）1.7.2 中性点经消弧线圈接地系统1.7.2 中性点经消弧线圈接地系统由图可见，当发生单相接地时，流过接地点的电流是接地的电容电流Ic与流过消弧线圈的电感电流IL之和。从图1-43b可见，Ic越前UC 90°，而IL滞后UC 90°，所以Ic与IL相差180°，在接地点相互补偿。当Ic与IL的量值差小于发生电弧的最小电流（最小起弧电流）时，电弧就不会发生，也就不会出现谐振过电压现象了。 在中性点经消弧线圈接地的三相系统与中性点不接地的系统一样，在发生单相接地时，非接地相的对地电压要升高 倍，即成为线电压，应发预告信号，允许继续运行2h。 1.7.2 中性点经消弧线圈接地系统1.7.2 中性点经消弧线圈接地系统如感性电流等于容性电流，称为全补偿； 如感性电流<容性电流，称为欠补偿； 如感性电流>容性电流，称为过补偿。 实用中一般采用过补偿以考虑系统的进一步发展和避免谐振的发生。 1.7.3　中性点直接接地系统（１）1.7.3　中性点直接接地系统（１）中性点直接接地系统发生单相接地短路时： 中性点对地电压不变； 非接地相对地电压不变； 单相短路的短路电流较大，易造成供电中断；1.7.3　中性点直接接地系统（２）1.7.3　中性点直接接地系统（２） 我国380/220低压配电系统，也广泛采用中性点直接接地的三相四线制。 1.7　三相电能系统中性点运行方式1.7　三相电能系统中性点运行方式直接接地系统供电可靠性低，因在这种系统中发生单相接地故障时，接地点和中性点会形成回路，从而接地相的短路电流很大。此时为了防止损坏电气设备必须迅速切除接地相。 不接地系统单相接地时接地电流较小，三相间电压不变，电网仍可运行2h，从而供电可靠性提高，但非接地相的电压将升高至原相电压的 倍，从而对电气设备的绝缘水平要求较高。 1.9.1 发电厂变电所的运行监视与控制1.9.1 发电厂变电所的运行监视与控制电能系统的运行是通过发电厂和变电所的控制和操作来完成，发电厂和变电所在其相应调度范围的指挥下完成以下主要工作： 1)发电厂有功、无功出力的增减，频率和电压的调整。 2)系统之间、发电厂与系统之间的并列与解列。 3)输电线路和变压器的投入与停送电。 4)网络的合环与解环。 5)母线接线方式的改变。null6)中性点接地方式的改变和消弧线圈补偿的调整。 7)继电保护和自动装置使用状态的改变。 8)线路检修工作开工前，线路所有电源端接地的连接及完工后的拆除等。 另外，发电厂和变电所还要随时监视其设备正常运行或不正常运行的状态、开关的投切、保护的动作与否、自动化装置的运行情况等。 1.9.1 发电厂变电所的运行监视与控制1.9.1 发电厂变电所的运行监视与控制　 　　发电厂和变电所利用各种监视仪表和信号装置随时监视系统和设备的运行状态。 　　发电厂和变电所的信号装置可分为断路器位置信号、预告信号和事故信号。也可分为瞬时动作信号和延时动作信号。 　　发电厂和变电所的控制对象主要是高压断路器，其控制方式多采用控制室内的集中控制方式。 1.9.2 电能系统的运行监视与控制 1.9.2 电能系统的运行监视与控制 现代电能系统的监控系统是一个复杂的计算机网络系统，包括信息收集、信息传输、信息管理、显示打印、遥远控制、遥远调节等各种环节联合组成。它的范围从变电所、发电厂到各级调度所并涉及到电能系统的所有单元。 能量管理系统EMS（Energy Management System） 配电管理系统DMS（Distribution Management System） (1)数据采集与监控系统SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition） (2)高级应用软件（安全分析、经济调度、安全控制等） 1.9.3 电力系统的故障与继电保护(1)1.9.3 电力系统的故障与继电保护(1)1．继电保护的作用： 当被保护元件发生故障时，能自动、迅速、有选择地将故障元件从运行地电能系统中切除分离出来，避免故障元件继续遭受损坏。同时保证无故障部分能迅速恢复正常。 当元件出现异常运行情况时，发出信号，以便采取措施恢复正常运行情况。1.9.3 电力系统的故障与继电保护(2)1.9.3 电力系统的故障与继电保护(2)2．继电保护的分类 　 1）线路保护 过电流保护、接地保护、功率方向保护、距离保护、高频保护、线路纵差保护、高频保护 。 1.9.3 电力系统的故障与继电保护(3)1.9.3 电力系统的故障与继电保护(3)2）元件保护 a） 变压器保护 瓦斯保护、差动保护、 过负荷保护、变压器后备保护 b） 发电机保护 差动保护、定子接地保护、转子接地保护、失磁保护、负序保护及后备保护。 c）母线保护 1.9.3 电力系统的故障与继电保护(3)1.9.3 电力系统的故障与继电保护(3)3. 对继电保护装置的基本要求 　选择性 　速动性 　灵敏性 　可靠性 1.10 安全接地 1.10 安全接地 1.10.1  电流对人体的危害 1.电伤： 电流流过人体时，造成人体外部组织局部伤害的现象。 2.电击： 电流流过人体时，造成人体内部组织的破坏属于电击。 我国规定的1秒钟安全电流为30mA(50HZ). 1.10.2　保护接地的基本概念(图）1.10.2　保护接地的基本概念(图）1.10.2　保护接地的基本概念1.10.2　保护接地的基本概念　接地体 　接地线 　接地装置 　接触电压 　跨步电压 1.10.3 保护接地的技术要求1.10.3 保护接地的技术要求1.  保护接地的两种形式： 　保护接地 　保护接零 2.　大接地电流系统的保护接地要求 3.　小接地电流系统的保护接地要求 4.  低压电网的保护接地要求 电力系统学科的范畴电力系统学科的范畴电力系统工程学科是衍生于电路、电磁场、电机学，并随着电力系统的发展而发展形成的一门工程学科。它的研究领域大致包括： （1）电力系统理论：电力系统理论是以电路、电磁场和电机理论为基础，吸收大量新兴学科的有关内容，并结合电力系统的特点而形成的面向近代电力系统的理论，是其它各个领域的理论基础。 （2）输配电技术:输配电技术主要涉及超高压输电线路、远距离交直流输电系统、以及提高输电线路输送能力等方面的问题。电力系统学科的范畴电力系统学科的范畴（3）电力系统规划：电力系统规划主要涉及远景符合预测、电源规划、网络规划、可靠性分析、环境保护、生态平衡等方面的问题。 （4）电力系统运行：电力系统运行主要涉及稳态运行分析、暂态过程分析、安全性分析、电能质量管理、运行方式优化等方面的内容。 （5）电力系统保护：电力系统保护主要涉及故障分析、元件保护、线路保护、系统性故障保护和过电压及其防护等方面的问题。 （6）电力系统控制：主要涉及数据采集、个别变量的调节、电能质量控制、运行优化控制、安全性控制、能量管理系统等方面的问题。null电力系统稳态：指系统正常的、相对静止的运行状态。 电力系统暂态：指电力系统从一种运行状态向另一种状态过渡的过程。特指电力系统非正常的、变化较大以至引起系统从一个稳定运行状态向另一个稳定运行状态过渡的变化过程。 二者的本质差别在于：电力系统稳态中的运行变量与时间无关，描述其特性的是代数方程；电力系统暂态中的运行变量与时间有关，描述其特性的是微分方程。 null电力系统暂态过程可分为： （1）波过程：主要与运行操作或雷击时的过电压有关，涉及电流、电压波的传播，这类过程最短暂（10-6～10-2s）。《高电压技术》 （2）电磁暂态过程：主要与短路和自励磁有关，涉及电流、电压、功率角随时间的变化,分析过程中假设旋转电机的转速不变。《电力系统暂态分析》 （3）机电暂态过程：主要与系统振荡、稳定性的破坏、异步运行等有关，涉及功率、功率角、旋转电机的转速等随时间的变化。《电力系统暂态分析》