电 力 工 程

课程介绍 课程性质、目的和任务 主要内容： 电力系统分析——稳态分析和暂态分析 发电厂电气部分 继电保护原理

电力系统的基本概念 正常稳态分析 各元件的特性和模型 计算（U、I、P、Q、f） 电力系统稳态分析 潮流计算 电力系统分析 调频 调压 经济运行 运行调整和优化 发电机的电磁暂态分析 电磁暂态分析（故障分析） 对称故障（三相短路） 电力系统暂态分析 不对称短路 静态稳定 稳定性分析 暂态稳定

参考资料 1、电力系统分析复习指导与习题精解 杨淑英 中国电力出版社 2、电力系统习题集 陆敏政 上海电力学院

课程要求 1、侧重基础、概念 2、掌握一些简单计算 3、欢迎讨论、提意见 4、考试内容：不超出课堂讲授的内容，作业

第一章 电力系统的基本概念 1－1 电力系统概述 1－2 电力系统运行的特点和基本要求 1－3 电力系统负荷 1－4 电力系统结线方式和电压等级

火电厂 高压输电网 降压变压器 用户 风电场 升压变压器 水电厂

1－1 电力系统概述 一、电力系统、电力网、动力系统

1－1 电力系统概述 电力系统——是由发电机（发电厂）、变压器（变电站）、电力线路及用户组成的。 电力网络——是由变压器、电力线路等变换、输送、分配电能设备所组成的部分。 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。

1－1 电力系统概述 (一) 发电厂分类 （1） 火电：锅炉－汽轮机－发电机 （3） 核电：核反应堆－汽轮机－发电机 (一) 发电厂分类 （1） 火电：锅炉－汽轮机－发电机 （2） 水电：水库－水轮机－发电机 （3） 核电：核反应堆－汽轮机－发电机 （4） 其它：如风能、地热能、太阳能、潮汐等

1－1 电力系统概述 火 电 厂 凝汽式—效率低（37~40%）、容量大，坑口电厂 热电厂—效率高（67~70%）、容量小，城市区 （1）火力发电 火电发电 燃料燃烧 水 蒸汽 机械能 发电 凝汽式—效率低（37~40%）、容量大，坑口电厂 火 电 厂 热电厂—效率高（67~70%）、容量小，城市区

1－1 电力系统概述 火力发电厂

1－1 电力系统概述 火力发电厂

1－1 电力系统概述 火力发电厂

1－1 电力系统概述 水 电 厂 堤坝式 引水式：河床坡度较大时 混合式：兼有堤坝式与引水式 抽水蓄能水电厂 （2）水力发电 水 冲击水轮机旋转 带动发电机发电 坝后式：单独筑坝，厂房在坝后（三门峡） 堤坝式 河床式：厂房与坝一起（葛州坝） 水 电 厂 引水式：河床坡度较大时 混合式：兼有堤坝式与引水式 抽水蓄能水电厂

1－1 电力系统概述 （2）水力发电

1－1 电力系统概述 三 峡 电 站

1－1 电力系统概述 核 能 裂变能：一定能量的中子撞击重金属元素的核（铀、钚） 聚变能：不同轻元素的原子核进行聚合（氘、氚） （3）核电厂 用核蒸汽发生系统代替火电厂锅炉生产蒸汽系统 裂变能：一定能量的中子撞击重金属元素的核（铀、钚） 核 能 聚变能：不同轻元素的原子核进行聚合（氘、氚） 1951年第一座100KW核电站在美国 现在全世界有441座，总装机3.5亿kw 我国秦山（30+2*60+2*70），大亚湾（2*90万KW）

1－1 电力系统概述 （3）核电厂 2004年7月前701万kw（9座），即将在浙江三门、广东阳江，江苏田湾各建200万kw，投资500亿人民币 2020年我国装机达8-8.5亿kw,其中核电3200万kw 未来17年计划修建30座100万kw核电站 核电投资大：1.1~1.65万元/kw；火电：4000元/kw 建设周期：核电70个月；火电：30个月 核电比火电寿命长30年

1－1 电力系统概述 （3）核电厂

1－1 电力系统概述 （4）新能源发电

1－1 电力系统概述 (二) 变电站分类（按电压等级和地位） (三)电网分类（按供电范围和电压等级） 枢纽变电站 终端变电站 地方电力网 <35kv 区域电力网 110~220kv 远距离输电网 >330kv

1－1 电力系统概述 （四）电力系统联网的意义 可以安装容量大机组，减少备用容量 可以合理利用动力资源 水电、火电联网 可以提高供电可靠性 单机故障对用户供电影响不大 可以提高运行的经济性 机组间合理分配负荷，减少能源消耗

1－1 电力系统概述 二、电力系统常用术语 总装机容量——指该系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和，以千瓦（KW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。 年发电量——指该系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和，以千瓦时（KWh）、兆瓦时（MWh）、吉瓦时（GWh）为单位计。 最大负荷——指规定时间内，电力系统总有功功率负荷的最大值，以千瓦（KW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。

1－1 电力系统概述 额定频率——按国家标准规定，我国所有交流电力系统的额定功率为50Hz。 最高电压等级——是指该系统中最高的电压等级电力线路的额定电压。

三、我国电力工业和电力系统简介 1）发电量：1980年以来，平均年增长率9％，现为世 界第二位。 2）装机容量：居世界第二位。 3）年人均电量： 我国： 1000kW.h/人年 中等发达国家： 7000kW.h /人年 北欧、美国： 18000kW.h /人年

4）缺电问题与城乡电网改造 电力工业跟不上国民经济的发展速度是造成 缺电 的重要原因 我国在发电、输电、配电各方面投资比例失调是缺电的另一个方面原因。 发电、输电、配电比例 美国 1:0.43:0.7 日本 1:0.47:0.68 英国 1:0.45:0.78 我国 1:0.21:0.12

5)电力体制改革方案： 1(电监会)+2(电网公司)+5(发电集团)+4(辅业集团) 两家电网公司是国家电网公司、中国南方电网有限责任公司； ５家发电集团公司是中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司和中国电力投资集团公司； ４家辅业集团公司是中国电力工程顾问集团公司、中国水电工程顾问集团公司、中国水利水电建设集团公司和中国葛洲坝集团公司。　

6）我国主要电力系统简介

全国联网势在必行 现在： 7个跨省电网，5个独立省网 2015年全国联网： 联网方案： 以三峡电站为中心，东西南北四方向联网 现在： 7个跨省电网，5个独立省网 以三峡电站为中心，东西南北四方向联网 东西以送电和联网效益并重 南北以获得联网效益为主，兼顾送电 2015年全国联网： 首先建成三峡电网（华东、华中、四川、重庆） 中部电网：以三峡电站为中心沿长江展开 北部电网：以华北为中心，与东北、山东联网，开发 黄河上游拉西瓦等水电站，实现与西北联网 南部电网：红水河、澜沧江、乌江流域、贵州煤炭基地 联网方案：

1－2电力系统运行应满足的基本要求 一、电力系统运行特点 电能不能大量储存 暂态过程非常短促 与国民经济及日常生活关系密切

二、对电力系统的要求 1－2电力系统运行应满足的基本要求 保证安全可靠的供电（安全） 保证良好的电能质量（优质） 良好的经济性（经济） 提供充足的电能（充足） 环保问题（环保）

1－2电力系统运行应满足的基本要求 1、安全：（保证可靠的供电 ） 事故原因：人为、设备本身、自然灾害 减少事故措施 严密监视：SCADA 设备检修 提高人员素质

一类负荷：对这一级负荷中断供电，将造成人 身事故，经济严重损失，人民生活发生混乱。 1－2电力系统运行应满足的基本要求 负荷分类（按负荷对供电可靠性要求分） 一类负荷：对这一级负荷中断供电，将造成人 身事故，经济严重损失，人民生活发生混乱。 二类负荷：对这一级负荷中断供电，将造成大量减产，人民生活受影响。 三类负荷：所有不属于一、二级的负荷。

2、优质 1－2电力系统运行应满足的基本要求 衡量电能质量指标 ： 电压偏移： ≥35kV ±5% ≤10kV ±7% 380V ≤5% 频率偏移： ±0.2~ 0.5Hz 谐波畸变率： 负荷 谐波

3、经济 1－2电力系统运行应满足的基本要求 煤耗率（水耗率） EX:一台600MW火电机组，年利用小时6000h，煤耗率320g/kW.h，煤价：300元/吨。 Sol： 年发电量： 600000kW×6000h＝36亿kW.h 需标煤： 36亿kW.h×320g/kW.h＝115.2万吨标煤 燃料费： 115.2万吨×300元/吨＝34560万元 1%节约：燃料： 1.152万吨标煤 燃料费： 345.6万元 厂用电率 网损

1－2电力系统运行应满足的基本要求 4、充足 5、环保 火电厂装机＞70％ 煤炭燃烧造成的污染 限制污染物的排放量

1-3 电力系统的负荷和负荷曲线 一．电力系统的负荷 1、负荷：系统中所有电力用户的用电设备所消耗的电功率总和。也称电力系统的综合用电负荷。是所有用户的负荷总加。 2、负荷分类（按负荷性质分类）：工业、农业、交通运输业、商业、生活等。 3、电力系统的供电负荷：综合用电负荷加上电力网的功率损耗。 4、电力系统的发电负荷：供电负荷加上发电厂厂用电消耗的功率。

1-3 电力系统的负荷和负荷曲线 二．负荷曲线：用曲线描述某一时间段内负荷随时间变化的规律 1. 日负荷曲线 一天的总耗电量 日平均负荷

负荷率km 最小负荷系数

(a） 钢铁工业负荷； (b) 食品工业负荷； (c) 农村加工负荷； (d) 市政生活负荷

2. 年最大负荷曲线：描述一年内每月（或每日）最大有功功率负荷变化的情况 3. 年持续负荷曲线：按一年中系统负荷的数值大小及其持续小时数顺序排列绘制而成 全年耗电量 t1 P Pmax P1 P2 P3 t t3 t2 8760 最大负荷利用小时数 Tmax Tmax

年最大负荷曲线

A=PmaxTmax 表 各类用户的年最大负荷利用小时数 负 荷 类 型 Tmax/h 户内照明及生活用电 2000~3000 表 各类用户的年最大负荷利用小时数 负 荷 类 型 Tmax/h 户内照明及生活用电 2000~3000 一班制企业用电 1500~2200 二班制企业用电 3000~4500 三班制企业用电 6000~7000 农 灌 用 电 1000~1500 A=PmaxTmax

无备用结线 1－4 电力系统的结线方式和电压等级 一、结线方式 放射式 干线式 树状 包括单回路放射式、干线式和链式网络 优点：简单、经济、运行方便 缺点：供电可靠性差 适用范围：二级负荷

有备用结线 1－4 电力系统的结线方式和电压等级 环行网络 双端供电 包括双回路放射式、干线式和链式网络 优点：供电可靠性和电压质量高 缺点：不经济 适用范围：电压等级较高或重要的负荷

1－4 电力系统的结线方式和电压等级 二、电压等级及其适用范围 1、电力系统的额定电压等级 制定电压等级的原因： 三相功率正比于线电压及线电流（S= UI）。 经济性 ： 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。 标准化：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

1－4 电力系统的结线方式和电压等级 1、电力系统的额定电压等级 我国规定的电力系统额定电压等级（KV）：

1－4 电力系统的结线方式和电压等级 2、电气设备额定电压

1－4 电力系统的结线方式和电压等级 由上表看出在同一系统额定电压下电气设备的额定电压是不同的，如何确定？ 用电设备的额定电压 与系统的额定电压相同 线路的额定电压 Va Vb

1－4 电力系统的结线方式和电压等级 线路额定电压即线路的平均电压(Ua＋Ub)/2 。 线路两端都可以接用电设备,而用电设备的容许电压偏移一般为±5%；沿线路的电压降落一般为10%； 线路首端电压：Ua=UN(1+5%) 线路末端电压：Ub＝UN (1－5%) ULN＝（Ua＋Ub）∕2=UN

1－4 电力系统的结线方式和电压等级 发电机的额定电压 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 UGN ＝UN（1＋5％） 变压器的额定电压 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即： U1N＝UGN ＝UN（1＋5％）

二次侧：相当于电源，额定电压取比线路额定电压高5% 。 1－4 电力系统的结线方式和电压等级 二次侧：相当于电源，额定电压取比线路额定电压高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%。

3、各级电压等级架空线路的输送能力

典型例题 : ( 1)确定各设备额定电压 10.5kV 10.5kV 121kV 110kV 38.5kV 35kV 11kV

三、电力系统中性点的运行方式（接地方式） 1－4 电力系统的结线方式和电压等级 三、电力系统中性点的运行方式（接地方式） 电力系统的中性点： 星形连接的变压器或发电机的中性点。 电力系统的中性点接地方式： 不接地（小电流接地） 中性点不接地（中性点绝缘） 中性点经消弧线圈接地 直接接地（大接地电流）： 中性点直接接地 如何确定电力系统中性点接地方式 ？ 应从供电可靠性、绝缘投资、对通信线路的干扰、继电保护以及确保人身安全诸方面综合考虑。

分析： （1）线电压与相电压关系；（2）中性点 1.中性点不接地系统 正常运行 分析： （1）线电压与相电压关系；（2）中性点 电位；（3）对地电容电流与相电压关系

1.中性点不接地系统 中性点不接地系统正常运行时的结论 ： 三相电压对称，三相导线对地电容电流也是对称的，三相电容电流相量之和为零，这说明没有电容电流经过大地流动。 。

1.中性点不接地系统 单相（C相）接地 分析：（1）中性点对地电位；（2）非接地相对地电 位；（3）对地电容电流

1.中性点不接地系统 对地电容电流分析

1.中性点不接地系统 中性点不接地系统单相接地故障的结论1 ： 故障相对地电压降为零；非故障相对地电压升高为线电压，且相位相差600。因此，线路及各种电气设备的绝缘要按线电压设计，绝缘投资所占比重加大，显而易见，电压等级越高绝缘投资越大。 三相之间的线电压仍然对称，用户的三相用电设备仍能照常运行，但允许继续运行的时间不能超过2h。

1.中性点不接地系统 中性点不接地系统单相接地故障的结论2 ： 接地电流在故障处可能产生稳定的或间歇性的电弧。 如果接地电流大于30A时，将形成稳定电弧，成为持续性电弧接地，这将烧毁电气设备和可能引起多相相间短路。 如果接地电流大于5A~10A，而小于30A，则有可能形成间歇性电弧；间歇性电弧容易引起弧光接地过电压，其幅值可达（2.5~3）U，将危害整个电网的绝缘安全。 如果接地电流在5A以下，当电流经过零值时，电弧就会自然熄灭。

2、中性点经消弧线圈接地 消弧线圈？ 安装在变压器或发电机中性点与大地之间的具有气隙铁芯的电抗器。

2、中性点经消弧线圈接地的电力系统 消弧线圈？ 安装在变压器或发电机中性点与大地之间的具有气隙铁芯的电抗器。 单相(C相)金属性接地故障

消弧线圈的作用 当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，接地故障相接地电流中增加了一个感性电流，它和装设消弧线圈前的容性电流的方向刚好相反，相互补偿，减少了接地故障点的故障电流，使电弧易于自行熄灭，从而避免了由此引起的各种危害，提高了供电可靠性。

消弧线圈的补偿方式 全补偿方式：按IL=IC选择消弧线圈的电感，使接地故障点电流为零，此即全补偿方式。 UA UB UC -UC U’A U’B IL IC ICA ICB 消弧线圈的补偿方式 全补偿方式：按IL=IC选择消弧线圈的电感，使接地故障点电流为零，此即全补偿方式。 这种补偿方式并不好，因为当感抗等于容抗时，电力网将发生谐振，产生危险的高电压或过电流，影响系统安全运行。 欠补偿方式：按IL<IC选择消弧线圈的电感，此时接地故障点有未被补偿的电容电流流过。 采用欠补偿方式时，当电力网运行方式改变而切除部分线路时，整个电力网对地电容将减少，有可能发展成为全补偿方式，导致电力网发生谐振，危及系统安全运行；另外，欠补偿方式容易引起铁磁谐振过电压等其它问题，所以很少被采用。 过补偿方式：按IL>IC选择消弧线圈的电感，此时接地故障点有剩余的电感电流流过。 在过补偿方式下，即使电力网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，致使电力网发生谐振。同时，由于消弧线圈有一定的裕度，今后电力网发展，线路增多、对地电容增加后，原有消弧线圈还可继续使用。因此，实际上大多采用过补偿方式。

3、中性点直接接地 负 荷 A B C k(1) Ik(1) 特点： 供电可靠性不如电力系统中性点不接地和经消弧线圈接地方式。故障时：如发生接地故障，则构成 短路回路，接地相电流很大； 为提高供电可靠性，在线路上广泛安装三相或单相自动重合闸装置。 对地电压＝UN，电气设备的绝缘水平只需按电力网的相电压考虑，可以降低工程造价。 我国380/220V系统中一般都采用中性点直接接地方式，主要是从人身安全考虑问题。 适用范围： 我国110kV（国外220kV）及以上电压等级的电力系统 。 380/220V低压系统。

系统中一相接地的特点比较 接地点的电容电流是正常运行时一相对地电容电流的3倍 故障相电流和流入故障点的电流很大 中性点电压升高为相电压 中性点不接地 中性点直接接地 电流 中性点电压 非故障相 电压 线电压 接地点的电容电流是正常运行时一相对地电容电流的3倍 故障相电流和流入故障点的电流很大 中性点电压升高为相电压 故障相和中性点电压为零 非故障相对地电压升高为线电压 非故障相对地电压仍为相电压 三相之间的线电压保持与正常时相同 与故障相相关的线电压降低为相电压 经消弧线圈接地:适当选择线圈感抗,接地点电流可减小到很小,且熄灭接地电流产生的电弧。其他特点与不接地系统基本相同。

1）当容性电流超过下列值时采用消弧线圈接地 4、各种接地方式的适用范围 考虑因素：供电可靠性、绝缘投资、过电压等 110KV及以上的系统 直接接地 60KV及以下的系统 1）当容性电流超过下列值时采用消弧线圈接地 3~6kV 电力网 (接地电流 >30A) 10kV 电力网 (接地电流 > 20A) 35~60kV 电力网 (接地电流 > 10A) 2）其它情况采用中性点不接地