现代供电技术(余建明)

现代供电技术余健明自动化与信息工程学院1绪论（1-1）电能是能源的主要组成部分，它与其它能源比较，易于转化，输配简单，便于调节测量、准确控制。因此，保证可靠、安全、经济、高质量的供电，对工农业生产与人民生活影响很大。合理用电已成为目前的当务之急。一、电力系统的基本概念1、电力系统的构成如图1-1所示，电力系统由各种不同类型的发电厂、输配电网及电力用户组成。它们分别完成电能的生产、输送、分配及使用。在目前的电力系统中，主要的发电厂为以煤、石油和天然气作为燃料的火力发电厂、利用水力发电的水力发电厂和利用核能发电的原子能发电厂。此外，利用可再生能源的风能、太阳能、地下热能和潮汐能发电也在不断发展与研究中，有的已具有一定的规模。1绪论（1-2）图1-1电力系统示意图1绪论（1-3）输电网络的作用是将各个发电厂通过高压(如220、330、500kV甚至750kV)线路相互连接，使所有同步发电机之间并列运行，并同时将发电厂发出的电能送到各个负荷中心。由于每条线路输送功率大小以及传输距离不同，在同一个输电网络中可能需要采用几种不同等级的电压，这就要求在输电网络中采用各种不同容量的升、降压变电所。电能传输的方式分为交流输电和直流输电两种形式。组成大型电力系统的优点有：1)发电量不受地方负荷的限制，可以增大单台机组容量，充分利用地方自然资源，提高发电效率，降低电能成本。2)充分利用各类发电厂的特点，合理地分配负荷，使系统能保持在最经济的条件下运行。3)在减少备用机组的情况下，能提高对用户供电的可靠性。1绪论（1-4）2、电力网的额定电压电力网的额定电压等级是根据国民经济发展的需要、技术经济的合理性以及电气设备的制造水平等因素，经全面分析论证，由国家统一制定和颁布的。我国公布的标准额定电压如表1-1所示。表1-1我国交流电力网和电气设备的额定电压电力网和用电设备额定电压发电机额定电压电力变压器额定电压一次绕组二次绕组低压（V）220／127380／220660／380230400690220／127380／220660／380230／133400／230690／400高压（kV）3610—351102203305007503.156.310.513.8,15.75,18,20------------3及3.156及6.310及10.513.8,15.75,18,20351102203305007503.15及3.36.3及6.6lO.5及1138.5121242363550--1绪论（1-5）电气设备的额定电压如下：1）用电设备的额定电压它是设备最经济合理的工作电压，它应与电网的额定电压一致。2）发电机的额定电压发电机的额定电压一般比同级电网额定电压高出5％。3）电力变压器的额定电压变压器的额定电压分为一次和二次。对于一次额定电压，当变压器接于电网末端时，性质上等同于电网上的一个负荷（如用户降压变电所的变压器），故其额定电压与电网一致；当变压器接于发电机引出端时（如发电厂升压变压器），则其额定电压应与发电机额定电压相同，即比同级电网额定电压高出5％。对于二次额定电压，是指变压器的空载电压，考虑到变压器承载时自身电压损失（通常在额定工作情况下约为5％），变压器二次侧额定电压应比电网额定电压高5％；当二次侧输电距离较长时，还应考虑到线路电压损失（约5％），此时，变压器二次侧额定电压应比电网额定电压高10％。1绪论（1-6）3、电力系统的中性点运行方式电力系统的中性点是指星形联结的变压器或发电机的中性点。其中性点运行方式可分为中性点有效接地系统和中性点非有效接地系统两大类。中性点有效接地系统即中性点直接接地系统，中性点非有效接地系统包括中性点不接地和中性点经消弧线圈(或电阻)接地，使接地电流被控制到较小数值的系统。1）中性点不接地系统在正常运行时，各相对地电压、、是对称的，其值为相电压；各相对地电容相同（设线路单位长度电容为，线路长度为），电容电流对称且超前相电压90°，其值为，故三相电容电流矢量和为零。AUBUCUUl0ClUCI0c01绪论（1-7）但是，当发生一相接地故障时(如C相,图1-2所示)，故障相对地电压为零，非故障相对地电压将升高至原来相电压的倍，而线电压在大小和相位上都没有变化。故障相对地电容被短接，非故障相由于对地电压的升高其电容电流升至原来电容电流的倍。此时，流经故障点的电流为非故障相A、B两相电容电流的矢量和，其有效值为。33(1)C(A)(1)C(B))1(C(C)(1)kIIIIc00(1)k333IlUCI(1)kI图1-2中性点不接地系统发生单相接地故障1绪论（1-8）以上分析表明，中性点不接地系统发生单相接地故障时，线间电压不变，而非故障相对地电压升高到原来相电压的倍，故障相电容电流增大到原来的3倍。因此，对中性点不接地系统应注意：（1）电气设备对地绝缘要求必须按线电压数值来考虑。（2）若单相接地电容电流超过规定值(6～10kV线路为30A，35kV线路为10A)，会产生稳定电弧致使电网出现暂态过电压，危及电气设备安全。这时应采取中性点经消弧线圈（或电阻）接地的运行方式。1绪论（1-9）2.中性点经消弧线圈接地系统消弧线圈实际上是一个铁心可调的电感线圈，安装在变压器或发电机中性点与大地之间，如图1-3所示。当系统发生单相接地故障时，接地故障相与消弧线圈构成了另一个回路，接地电流中增加了一个感性电流，它和装设消弧线圈前的电容电流方向相反，相互补偿，减小了接地点的故障电流，使电弧易于自行熄灭，从而提高了供电可靠性。LI图1-3中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障1绪论（1-10）中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，与中性点不接地的系统一样，非故障相电压仍升高倍，三相导线之间的线电压仍然平衡，电力系统可以继续运行。电力系统经消弧线圈接地时，有三种补偿方式，即全补偿、欠补偿和过补偿。全补偿方式即，此时系统将发生串联谐振，产生危险的高电压和过电流，可能造成设备的绝缘损坏，影响系统的安全运行。因此，一般系统都不采用全补偿方式。欠补偿方式即，此时接地点有未被补偿的电容电流流过，当系统运行方式改变而切除部分线路时，整个系统的对地电容电流将减少，有可能发展成为全补偿方式，从而出现上述严重后果，所以也很少被采用。过补偿方式即，在过补偿方式下，即使系统运行方式改变而切除部分线路时，也不会发展成为全补偿方式，致使系统发生谐振。因此，实际工程中大都采用过补偿方式。消弧线圈的过补偿度一般为5％～10％。3(1)LkII(1)LkII(1)LkII1绪论（1-11）3.中性点直接接地系统当发生一相对地绝缘破坏时，即构成单相接地故障，供电中断，可靠性降低。但是由于中性点接地的钳位作用，非故障相对地电压不变，电气设备绝缘水平可按相电压考虑。此外，在380／220V低压供电系统中，采用中性点直接接地，因此可以减少中性点的电压偏差，同时可以防止一相接地时出现超过250V的危险电压。在我国电力系统中，110kV及以上高压系统，为降低设备绝缘要求，多采用中性点直接接地运行方式；6～35kV中压系统中，为提高供电可靠性，首选中性点不接地运行方式，当接地电流不满足要求时，可采用中性点经消弧线圈（或电阻）接地的运行方式；低于1kV的低压配电系统中，通常为中性点直接接地运行方式。LI1绪论（1-12）二、用户供电系统的特点和决定供电质量的主要指标1、用户供电系统的特点用户供电系统由用户内部变配电所、供电线路和用电设备等组成，其中变配电所是电力系统的终端降压变配电所。对于某些大型工业企业，在可靠性要求或技术经济比较合理时，也可建立自备发电站。用户供电系统的供电电压一般在110kV以下。2、决定供电质量的主要指标决定用户供电质量的指标为电压、频率和可靠性。1绪论（1-13）1）电压理想的供电电压应该是幅值恒为额定值的三相对称正弦电压。由于供电系统存在阻抗、用电负荷的变化和用电负荷的性质(如冲击性负荷、非线性负荷)等因素，实际供电电压无论是在幅值上、波形上还是三相对称性上都可能与理想电压之间存在着偏差。(1)电压偏差电压偏差是指电网实际电压与额定电压之差。实际电压偏高或偏低对用电设备的良好运行都有影响。我国对用电单位的供电额定电压及容许偏差规定：35kV及以上供电电压：电压正、负偏差绝对值之和为10％；10kV及以下三相供电电压：±7％；220V单相供电电压：＋7％，－10％。1绪论（1-14）(2)电压波动和闪变电网电压幅值（或半周波方均根值）的连续快速变化称为电压波动。由电压波动引起的灯光闪烁对人眼脑产生的刺激效应称为电压闪变。(3)高次谐波电网电压波形发生非正弦畸变时，电压中出现高次谐波。高次谐波的产生，除电力系统自身背景谐波外，在用户方面主要由大功率变流设备、电弧炉等非线性用电设备所引起。高次谐波的存在将导致供电系统能耗增大、电气设备尤其是静电电容器过流及绝缘老化加快，并会干扰自动化装置和通信设施的正常工作。(4)三相不对称三相电压不对称指三个相电压在幅值和相位关系上存在偏差。三相不对称主要由系统运行参数不对称、三相用电负荷不对称等因素引起。供电系统的不对称运行，对用电设备及供配电系统都有危害，低压系统的不对称运行还会导致中性点偏移，从而危及人身和设备安全。1绪论（1-15）2）频率一个交流电力系统只能有一个频率。我国规定的电力系统标称频率(俗称工频)为50Hz。国际上标称频率有50Hz和60Hz两种。当电能供需不平衡时，系统频率便会偏离其标称值。频率偏差不仅影响用电设备的工作状态、产品的产量和质量，更重要地影响到电力系统的稳定运行。大多数国家规定频率偏差在(±0.1～±0.3)Hz之间。在我国，300万kW以上的电力系统频率偏差规定为±0.2Hz；而300万kW以下的小容量电力系统，其频率偏差规定为±0.5Hz。1绪论（1-16）3）可靠性供电可靠性指供电系统持续供电的能力，应根据负荷等级来保证供电系统的可靠性。衡量供电系统供电可靠性的主要指标有：(1)供电可靠率在统计期间内，对用户有效供电时间总小时数与统计期间小时数的比值。即（1-1）(2)用户平均停电时间用户在统计期间内的平均停电小时数。即（1-2）(3)用户平均停电次数用户在统计期间内的平均停电次数。（1-3）(4)用户平均故障停电次数用户在统计期间内的平均故障停电次数。即（1-4）％统计期间时间用户平均停电时间－供电可靠率＝1001每次停电持续时间每次停电用户数用户平均停电时间＝总供电户数每次停电用户数用户平均停电次数＝总用户数每次故障停电用户数用户平均故障停电时间＝总用户数2用户供电系统（2-1）用户供电系统的基本设计目标是为各电力用户的生产活动和人民生活提供一个安全、可靠、合理、优质的供电环境。近年来，工业生产过程和设备与日俱新，自动化水平日益提高，商业用电和人民生活用电更是日益丰富，这些都对供电系统提出了更高的要求，也使得供电系统更加复杂。尽管不同用户的供电系统会因具体情况不同而异，但是电气设计的基本要素是相同的，它们包括：电力负荷及其计算；供电电压的选择与调整；电源（包括备用电源和应急电源）的选择；配电系统（包括变电所和配电网）的设计；供电系统的电能节约与电能质量控制；掌握上述要素，再考虑到不同用户的具体情况加以灵活运用，则可以设计出满足用户要求的用户供电系统。2用户供电系统（2-2）一、电力负荷与负荷计算1、关于负荷的基本概念1）设备安装容量设备安装容量（亦称设备功率）是指连续工作的用电设备铭牌上的标称功率。但是，用电设备往往因工作性质不同而具有不同的运行工作制，这时，从供电安全和经济性两方面来考虑，应按设备铭牌功率予以折算。用电设备工作制分为：(1)连续运行工作制此类用电设备的连续运行时间较长，通常不小于10min。此类设备的铭牌容量就作为设备安装容量。(2)短时运行工作制此类用电设备的连续工作时间很短、但停歇时间相对很长。这类设备的数量很少。在计算包含短时工作制设备在内的一组