1、二二00九年八月九年八月山東農業大學山東農業大學 電氣工程教研室電氣工程教研室郗忠梅郗忠梅 電力系統穩態分析 電氣工程教研室電氣工程教研室 第一章 電力系統的基本概念第一節第一節 電力系統運行特點和基本要求電力系統運行特點和基本要求 1電力系統的組成電力系統的組成 電力系統電力系統是由是由發電廠發電廠的發電機的發電機、升壓及降升壓及降壓變電設備、電力網及電能用戶（用電設備）壓變電設備、電力網及電能用戶（用電設備）組成的系統統稱為電力系統。組成的系統統稱為電力系統。是現代社會中最是現代社會中最重要、最龐雜的工程系統之一。重要、最龐雜的工程系統之一。 發電機發電機升壓升壓變壓器變壓器降壓降壓變壓器

2、變壓器電燈電燈電動機電動機電爐等電爐等用電設用電設備備.輸電線輸電線電力網絡電力網絡是由是由變壓器、電力線路變壓器、電力線路等變換、輸等變換、輸送、分配電能設備所組成的部分。送、分配電能設備所組成的部分。 發電機發電機升壓升壓變壓器變壓器降壓降壓變壓器變壓器電燈電燈電動機電動機電爐等電爐等用電設用電設備備.輸電線輸電線（1）發電廠）發電廠：生產電能。：生產電能。（2）電力網）電力網：變換電壓、傳送電能。：變換電壓、傳送電能。 由變電所和電力線路組成。由變電所和電力線路組成。（3）用電設備）用電設備：消耗電能。：消耗電能。 2 2電能的特點電能的特點 （1 1）電能不能儲存）電能不能儲存 電能的

3、生產、輸送、分配和使用同時完成。電能的生產、輸送、分配和使用同時完成。 （2 2）暫態過程非常迅速）暫態過程非常迅速 電能以電磁波的形式傳播，傳播速度為電能以電磁波的形式傳播，傳播速度為300km300kmmsms。 （3 3）和國民經濟各部門間的關系密切）和國民經濟各部門間的關系密切 。二對電力系統運行的基本要求二對電力系統運行的基本要求 1保證可靠地持續供電保證可靠地持續供電 供電的中斷將使生產停頓、生活混亂，甚至危供電的中斷將使生產停頓、生活混亂，甚至危及人身和設備安全，形成十分嚴重的后果。停電及人身和設備安全，形成十分嚴重的后果。停電給國民經濟造成的損失遠超過電力系統本身的損給國民經濟

4、造成的損失遠超過電力系統本身的損失。因此，電力系統運行首先要滿足可靠、持續失。因此，電力系統運行首先要滿足可靠、持續地供電的要求。地供電的要求。 雖然保證可靠供電是對電力系統運行的首要要雖然保證可靠供電是對電力系統運行的首要要求，但并非所有負荷都絕對不能停電。一般，可求，但并非所有負荷都絕對不能停電。一般，可根據經驗，按對供電可靠性的要求將負荷分為三根據經驗，按對供電可靠性的要求將負荷分為三級：級： 一級負荷：一級負荷： 為中斷供電將造成人身傷亡者；或在政治為中斷供電將造成人身傷亡者；或在政治上、經濟上將造成重大損失者，如重大設上、經濟上將造成重大損失者，如重大設備損壞、重大產品報廢、用重要原

5、料生產備損壞、重大產品報廢、用重要原料生產的產品大量報廢、國民經濟中重點企業的的產品大量報廢、國民經濟中重點企業的連續生產過程被打亂需要長時間才能恢復連續生產過程被打亂需要長時間才能恢復等。等。 二級負荷：二級負荷：為中斷供電將在政治上、經濟為中斷供電將在政治上、經濟上將造成較大損失者，如主要設備損壞、上將造成較大損失者，如主要設備損壞、大量產品報廢、連續生產過程被打亂需要大量產品報廢、連續生產過程被打亂需要較長時間才能恢復、重點企業大量減產等。較長時間才能恢復、重點企業大量減產等。 三級負荷：三級負荷：為一般的電力負荷，所有不屬為一般的電力負荷，所有不屬于上述一、二級負荷者。于上述一、二級負

6、荷者。2保證良好的電能質量保證良好的電能質量 電能質量包含電能質量包含電壓質量、頻率質量和波形質量電壓質量、頻率質量和波形質量。 良好的電能質量是指電壓正常，偏移不超過給定值，良好的電能質量是指電壓正常，偏移不超過給定值，例如，例如，給定的允許電壓偏移為額定值的給定的允許電壓偏移為額定值的5%5%， 頻率正常，偏移不超過給定值，例如頻率正常，偏移不超過給定值，例如給定的允許頻給定的允許頻率偏移為率偏移為0.20.20.5HZ0.5HZ等等, , 波形質量則以畸變率是否超過給定值來衡量。波形質量則以畸變率是否超過給定值來衡量。 所謂畸變率（或正弦波形畸變率），是指各次諧波所謂畸變率（或正弦波形畸

7、變率），是指各次諧波有效值平方和的方根值與基波有效值的百分比。有效值平方和的方根值與基波有效值的百分比。 對電壓和頻率質量的保證，我國電力工業對電壓和頻率質量的保證，我國電力工業部門多年來早已有要求，并已將其作為考部門多年來早已有要求，并已將其作為考核電力系統運行質量的重要內容之一。核電力系統運行質量的重要內容之一。 在當前條件下，為保證這些質量指標，在當前條件下，為保證這些質量指標， 必須做到大量必須做到大量增加系統中有功功率、無功增加系統中有功功率、無功功率的電源功率的電源，充分發揮現有電源的作用，充分發揮現有電源的作用，合理調配用電、節約用電，不斷提高系統合理調配用電、節約用電，不斷提高

8、系統的自動化程度等。的自動化程度等。 在我國，對波形質量的要求只是在系統中諧波污在我國，對波形質量的要求只是在系統中諧波污染日益嚴重的情況下才開始注意的，有關規定還染日益嚴重的情況下才開始注意的，有關規定還有待繼續完善。有待繼續完善。 所謂保證波形質量，就是指限制系統中電流、電所謂保證波形質量，就是指限制系統中電流、電壓的諧波，而其關鍵則在于限制各種換流裝置、壓的諧波，而其關鍵則在于限制各種換流裝置、電熱電爐等非線性負荷向系統注入的諧波電流。電熱電爐等非線性負荷向系統注入的諧波電流。至于限制這類諧波電流的方法，則有更改換流裝至于限制這類諧波電流的方法，則有更改換流裝置的設計、裝設濾波器、限制不

9、符合要求的非線置的設計、裝設濾波器、限制不符合要求的非線性負荷的接入等。性負荷的接入等。3、保證系統運行的經濟性、保證系統運行的經濟性 電能生產的規模很大，消耗的一次能源在電能生產的規模很大，消耗的一次能源在國民經濟一次總消耗中占的比重約為國民經濟一次總消耗中占的比重約為1/3,而而且電能在變換、輸送、分配時的損耗絕對且電能在變換、輸送、分配時的損耗絕對值也相當可觀。值也相當可觀。 因此，降低每生產一度電所消耗的能源和因此，降低每生產一度電所消耗的能源和降低變換、輸送、分配時的損耗，有極重降低變換、輸送、分配時的損耗，有極重要的意義。要的意義。 為保證系統運行的經濟性，應開展系統經濟運為保證系

10、統運行的經濟性，應開展系統經濟運行工作，使各發電廠所承擔的負荷能合理分配。行工作，使各發電廠所承擔的負荷能合理分配。 例如，使水力發電廠能充分利用水能，避免棄例如，使水力發電廠能充分利用水能，避免棄水；使火力發電廠中經濟性能好的多發電，差水；使火力發電廠中經濟性能好的多發電，差的少發電，并避免頻繁開停機組；使功率在系的少發電，并避免頻繁開停機組；使功率在系統中合理分布以降低電能在變換、輸送、分統中合理分布以降低電能在變換、輸送、分配中的損耗，等等配中的損耗，等等 應該指出，以上這些要求是互相關聯的，而且應該指出，以上這些要求是互相關聯的，而且往往是互相矛盾、互相制約的。因此，在考慮往往是互相矛

11、盾、互相制約的。因此，在考慮滿足任何一項要求時，必須兼顧其他。滿足任何一項要求時，必須兼顧其他。 根據以上基本要求，最好將單一系統聯合，組成根據以上基本要求，最好將單一系統聯合，組成聯合電力系統。這可大大提高供電可靠性，減少聯合電力系統。這可大大提高供電可靠性，減少為防止設備事故引起供電中斷而設置的備用容量。為防止設備事故引起供電中斷而設置的備用容量。 由于個別負荷在系統總負荷中所占比重的減少。由于個別負荷在系統總負荷中所占比重的減少。它還可更合理地利用系統中各種類型的發電廠，它還可更合理地利用系統中各種類型的發電廠，從而提高運行的經濟性。從而提高運行的經濟性。 聯合電力系統容量很大，個別機組

12、的開停，甚至聯合電力系統容量很大，個別機組的開停，甚至故障，對系統的影響將減小，從而可采用大容量、故障，對系統的影響將減小，從而可采用大容量、高效率的機組。高效率的機組。 但是，為使個別系統聯合，通常要增加一定的投但是，為使個別系統聯合，通常要增加一定的投資。資。 第二節第二節 電力系統的結線方式和電壓等級電力系統的結線方式和電壓等級 一一.電力系統的結線圖電力系統的結線圖 有兩種：電力系統的有兩種：電力系統的電氣接線圖和電力系電氣接線圖和電力系統的地理接線圖統的地理接線圖 電力系統的電氣主接線方式大致分為兩大電力系統的電氣主接線方式大致分為兩大類：類： （1）無備用電源接線）無備用電源接線

13、（2）有備用電源接線）有備用電源接線 1無備用接線（開式電力網）方式無備用接線（開式電力網）方式 無備用接線包括：無備用接線包括： （1）單回放射式）單回放射式 （2）樹干式）樹干式 （3）鏈式網絡）鏈式網絡a）放射式）放射式 b）干線式）干線式 c）鏈式）鏈式 無備用結線的主要優點在于無備用結線的主要優點在于簡單、經濟、簡單、經濟、運行方便，主要缺點是供電可靠性差。運行方便，主要缺點是供電可靠性差。 因此，這種結線不適用于一級負荷占很大因此，這種結線不適用于一級負荷占很大比重的場合。比重的場合。 2有備用接線（閉式電力網）方式有備用接線（閉式電力網）方式 有備用接線方式包括有備用接線方式包括

14、 （1）雙回放射式）雙回放射式 （2）樹干式）樹干式 （3）鏈式）鏈式 （4）環式）環式 （5）兩端供電網絡）兩端供電網絡a）放射式）放射式 b）干線式）干線式 c）鏈式）鏈式 d）環式）環式 e）兩端供電網絡）兩端供電網絡 有備用結線中，雙回路的放射式、干線式和鏈有備用結線中，雙回路的放射式、干線式和鏈式網絡的式網絡的優點在于供電可靠性和電壓質量高優點在于供電可靠性和電壓質量高，缺點是可能不夠經濟。缺點是可能不夠經濟。 有備用結線中的環式網絡結線有與上列結線方有備用結線中的環式網絡結線有與上列結線方式相同的供電可靠性，但卻較它們經濟，缺點式相同的供電可靠性，但卻較它們經濟，缺點為運行調度較復

15、雜，且故障時的電壓質量差。為運行調度較復雜，且故障時的電壓質量差。有備用結線中的兩端供電網絡最常見，但采用有備用結線中的兩端供電網絡最常見，但采用這種結線的先決條件是這種結線的先決條件是必須有兩個或兩個以上必須有兩個或兩個以上獨立電源。獨立電源。 有備用接線的雙回放射式、樹干式和鏈有備用接線的雙回放射式、樹干式和鏈式網絡用于一、二級負荷。式網絡用于一、二級負荷。 環式接線，供電經濟、可靠，但運行調環式接線，供電經濟、可靠，但運行調度復雜，線路發生故障切除后，由于功率重度復雜，線路發生故障切除后，由于功率重新分配，可能導致線路過載或電壓質量降低。新分配，可能導致線路過載或電壓質量降低。 兩端供電

16、接線方式必須有兩個獨立的電兩端供電接線方式必須有兩個獨立的電源。源。二二.不同電壓等級的適用范圍不同電壓等級的適用范圍 1、電力系統的額定電壓等級、電力系統的額定電壓等級 因三相功率和線電壓和線電流之間的關系為因三相功率和線電壓和線電流之間的關系為 輸送功率一定時，輸電電壓愈高，電流愈小，導線輸送功率一定時，輸電電壓愈高，電流愈小，導線等載流部分的截面積愈小，投資愈小，但電壓愈高，等載流部分的截面積愈小，投資愈小，但電壓愈高，對絕緣的要求愈高，桿塔、變壓器、斷路器等絕緣對絕緣的要求愈高，桿塔、變壓器、斷路器等絕緣的投資也愈大，綜合考慮這些因素，對應一定的輸的投資也愈大，綜合考慮這些因素，對應一

17、定的輸送功率和輸送距離有一最合理的線路電壓。但從設送功率和輸送距離有一最合理的線路電壓。但從設備制造角度考慮，為保證生產的系列性，考慮到現備制造角度考慮，為保證生產的系列性，考慮到現有的實際情況和進一步的發展，有的實際情況和進一步的發展， 我國國家標準規定的標準電壓（又稱額定電壓）。我國國家標準規定的標準電壓（又稱額定電壓）。33SUI額定電壓等級額定電壓等級用電設備額定線電壓用電設備額定線電壓交流發電機線電壓交流發電機線電壓 變壓器線電壓變壓器線電壓一次繞組一次繞組二次繞組二次繞組 3 3.153及及3.153.15及及3.3 6 6.36及及6.36.3及及6.6 10 10.510及及1

18、0.510.5及及11 15.7515.75 35 3538.5 (60)(60)(66) 110110121 (154)(154)(169) 220220242 330330345及及363 500 500525及及550 （1）用電設備的額定電壓）用電設備的額定電壓 以以UN表示用電設備的額定電壓（為表示用電設備的額定電壓（為其他元件的參考電壓）其他元件的參考電壓）（2） 電網的額定電壓電網的額定電壓 輸電線路的首端和末端均可接用輸電線路的首端和末端均可接用電設備，而用電設備的端電壓一般容電設備，而用電設備的端電壓一般容許在額定電壓的許在額定電壓的5范圍內波動。因范圍內波動。因而在沒有調壓

19、設備的情況下，輸電線而在沒有調壓設備的情況下，輸電線路上可以容許路上可以容許10的電壓損耗。的電壓損耗。 NU若輸電線的首端較用電設備高若輸電線的首端較用電設備高5，即為，即為輸電線路的末端電壓較用電設備低輸電線路的末端電壓較用電設備低5%,即為即為 NU(1 5%)aNUU(1 5%)bNUU則輸電線路首末兩端電壓的平均值應等于則輸電線路首末兩端電壓的平均值應等于電網額定電壓電網額定電壓UN 。 （3） 發電機的額定電壓發電機的額定電壓 發電機作為直接配電的電源，總是接發電機作為直接配電的電源，總是接在線路首端，它的額定電壓較輸電線路在線路首端，它的額定電壓較輸電線路的額定電壓高的額定電壓高

20、5，則發電機的額定電，則發電機的額定電壓規定比同級電網電壓高壓規定比同級電網電壓高5，補償電，補償電壓損失。壓損失。 （4） 電力變壓器的額定電壓電力變壓器的額定電壓 變壓器的額定電壓即為變壓器兩側的額定電變壓器的額定電壓即為變壓器兩側的額定電壓，以變比表示為壓，以變比表示為電力變壓器的一次繞組的額定電壓根據連接情況電力變壓器的一次繞組的額定電壓根據連接情況不同分為兩種：當變壓器直接與發電機相連時，不同分為兩種：當變壓器直接與發電機相連時，其一次繞組的額定電壓與發電機的額定電壓相同，其一次繞組的額定電壓與發電機的額定電壓相同，即高出同級電網額定電壓即高出同級電網額定電壓5； 11/NNkUU

21、當變壓器直接與電網相連時，其一次繞組的當變壓器直接與電網相連時，其一次繞組的額定電壓與電網的額定電壓相同，即等于同級電額定電壓與電網的額定電壓相同，即等于同級電網額定電壓。網額定電壓。 電力變壓器的二次繞組的額定電壓是指一次電力變壓器的二次繞組的額定電壓是指一次繞組在額定電壓作用下，二次繞組的空載電壓。繞組在額定電壓作用下，二次繞組的空載電壓。 當變壓器滿載時，變壓器的一、二次繞組的當變壓器滿載時，變壓器的一、二次繞組的阻抗將引起變壓器自身的電壓降（大約相當于電阻抗將引起變壓器自身的電壓降（大約相當于電網額定電壓的網額定電壓的5 5），從而使二次繞組的端電壓），從而使二次繞組的端電壓小于空載電

22、壓。為了彌補線路中的電壓損失，變小于空載電壓。為了彌補線路中的電壓損失，變壓器的二次繞組的額定電壓應高于電網額定電壓壓器的二次繞組的額定電壓應高于電網額定電壓5 5，因此變壓器二次繞組的額定電壓規定比同，因此變壓器二次繞組的額定電壓規定比同級電網額定電壓高級電網額定電壓高1010； 若變壓器靠近用戶，供電半徑較小時，由于線路若變壓器靠近用戶，供電半徑較小時，由于線路較短，線路的電壓損失可以忽略不計，這時變壓較短，線路的電壓損失可以忽略不計，這時變壓器的二次繞組的額定電壓應高于電網額定電壓器的二次繞組的額定電壓應高于電網額定電壓5 5，用以補償變壓器自身的電壓損失。，用以補償變壓器自身的電壓損失

23、。 變壓器的額定電壓總結為： 一次側額定電壓 二次側額定電壓11()()NNNGNUUUU降壓變壓器或中間聯絡變壓器直接與發電機相連的變壓器22()()NNNNUUUU（110） 線路較長（1+5） 線路較短2、不同電壓等級的適用范圍、不同電壓等級的適用范圍 500、330、220kV多半用于大電力系統的主干線；多半用于大電力系統的主干線； 110kV既用于中小電力系統的主干線，也用于大既用于中小電力系統的主干線，也用于大電力系統的二次網絡；電力系統的二次網絡； 35kV既用于大城市或大工業企業內部網絡，也廣既用于大城市或大工業企業內部網絡，也廣泛用于農村網絡；泛用于農村網絡； 10kV則是最

24、常用的更低一級配電電壓；只有負荷則是最常用的更低一級配電電壓；只有負荷中高壓電動機的比重很大時，才考慮以中高壓電動機的比重很大時，才考慮以6kV配電配電的方案。顯然，這種劃分不是絕對的，也不是一的方案。顯然，這種劃分不是絕對的，也不是一成不變的。成不變的。三、電力系統中性點的運行方式三、電力系統中性點的運行方式 星形聯結變壓器或發電機的中性點，即電星形聯結變壓器或發電機的中性點，即電力系統的中性點的運行方式，力系統的中性點的運行方式，是一個十分是一個十分復雜的問題。它關系到絕緣水平、通信干復雜的問題。它關系到絕緣水平、通信干擾、接地保護方式、電壓等級、系統結線擾、接地保護方式、電壓等級、系統結

25、線等很多方面。等很多方面。 在三相交流電力系統中，中性點在三相交流電力系統中，中性點的運行方式有三種運行方式：的運行方式有三種運行方式： 一種是電源中性點不接地，一種是電源中性點不接地， 一種是電源中性點經消弧線圈接一種是電源中性點經消弧線圈接地，地， 一種是電源中性點直接接地。一種是電源中性點直接接地。 前兩種稱為中性點非有效接地，前兩種稱為中性點非有效接地，或小電流接地，后一種中性點直或小電流接地，后一種中性點直接接地稱為中性點有效接地，或接接地稱為中性點有效接地，或大電流接地。大電流接地。1、電源中性點不接地的電力系統、電源中性點不接地的電力系統 1中性點不接地系統中性點不接地系統 系統

26、中性點不接地是指系統中性點對地絕緣。系統中性點不接地是指系統中性點對地絕緣。當系統發生單相接地故障后系統的三相對稱關系當系統發生單相接地故障后系統的三相對稱關系并未破壞，僅中性點及各相對地電壓發生變化，并未破壞，僅中性點及各相對地電壓發生變化，中性點的電壓上升到相電壓，非故障相對地電壓中性點的電壓上升到相電壓，非故障相對地電壓值增大為值增大為3倍相電壓，故對于該中性點不接地系倍相電壓，故對于該中性點不接地系統可以帶故障繼續運行統可以帶故障繼續運行2小時。故障相接地點的小時。故障相接地點的對地故障電流為正常運行時對地電容電流的對地故障電流為正常運行時對地電容電流的3倍。倍。 在我國配電網電壓在在

27、我國配電網電壓在101035kV35kV之間的架空線之間的架空線路多采用此接地方式。路多采用此接地方式。 由于任意兩個導體隔以絕緣介質時，就形由于任意兩個導體隔以絕緣介質時，就形成電容，因此三相交流電力系統中的相與成電容，因此三相交流電力系統中的相與相之間及相與地之間都存在著一定電容。相之間及相與地之間都存在著一定電容。 系統正常，相電壓對稱，線電壓對稱系統正常，相電壓對稱，線電壓對稱 單相接地，其他兩相對地電壓為線電壓，單相接地，其他兩相對地電壓為線電壓，而線路的線電壓無論相位和量值均為發生而線路的線電壓無論相位和量值均為發生變化，因此三相用電設備仍然正常運行。變化，因此三相用電設備仍然正常運行。但是這種線路不允許在一相接地的情況下但是這種線路不允許在一相接地的情況下長期運行。長期運行。2、電源中性點經消弧線圈接地、電源中性點經消弧線圈接地 消弧線