第二章電力系統(tǒng)概述和基本概念

1、2 電力系統(tǒng)概述和基本概念2.1 電力系統(tǒng)的基本概念2.1.1 電力系統(tǒng)的形成電能是一種十分重要的二次能源。它能夠方便而又經(jīng)濟(jì)地從蘊(yùn)藏于自然界中的一次能源中轉(zhuǎn)換而來(lái)，并且可以簡(jiǎn)便的轉(zhuǎn)換成其它能量供人們加以使用。由于電能具有轉(zhuǎn)換容易、輸送方便、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，因此，電能已廣泛應(yīng)用到社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域和社會(huì)生活的各個(gè)方面，已成為現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防科技及人民生活等各方面不可缺少的重要能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。電能是由發(fā)電廠生產(chǎn)的。在電力工業(yè)發(fā)展初期，由于人們對(duì)電能的需求量不大，發(fā)電廠都建在用戶附近，規(guī)模很小，各發(fā)電廠之間沒(méi)有任何聯(lián)系，彼此都是孤立運(yùn)行的。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和

2、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)電力的需求量日益增大，且對(duì)供電可靠性的要求也越來(lái)越高。為此，需要建設(shè)大容量的發(fā)電廠以滿足日益增長(zhǎng)的用電需求，并通過(guò)各發(fā)電廠之間的聯(lián)系，提高供電的可靠性。通過(guò)各級(jí)電壓的電力線路，將發(fā)電廠、變電所和電力用戶連接起來(lái)的一個(gè)整體，稱為電力系統(tǒng)?；蛘哒f(shuō)：由發(fā)電廠、電力網(wǎng)和電力用戶就構(gòu)成了電力系統(tǒng)。如圖1.1所示，該系統(tǒng)起著電能生產(chǎn)、輸送、分配和消費(fèi)的作用。電力系統(tǒng)示意圖如圖2.1所示。圖2.1 電力系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中，通常將輸送、交換、分配和使用電能的設(shè)備稱為電力網(wǎng)，可分為地方電力網(wǎng)、區(qū)域電力網(wǎng)及超高壓遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)三種類型。（1）地方電力網(wǎng) 電壓等級(jí)在35kV及以下、供電半徑在2050k

3、m以內(nèi)的電力網(wǎng)；（2）區(qū)域電力網(wǎng) 電壓等級(jí)在35kV以上、供電半徑超過(guò)50km的電力網(wǎng)；（3）超高壓遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng) 電壓等級(jí)為330500kV的電力網(wǎng)，一般由遠(yuǎn)距離輸電線路連接而成；通常將220kV及以上的電力線路稱為輸電線路，110kV及以下的電力線路稱為配電線路。配電線路又分為高壓配電線路、中壓配電線路和低壓配電線路。變電所是變換電能電壓和接受分配電能的場(chǎng)所。它分為區(qū)域變電所、地區(qū)變電所和終端變電所等。（1）區(qū)域變電所 電壓等級(jí)高，變壓器容量大，進(jìn)出線回路數(shù)多，由大電網(wǎng)供電，高壓側(cè)電壓為330500kV，停電后，將引起整個(gè)系統(tǒng)的解列甚至瓦解；（2）地區(qū)變電所 由發(fā)電廠或區(qū)域變電所供電，高壓側(cè)

4、電壓為110220kV，停電后，將使該地區(qū)中斷供電；（3）終端變電所 是電網(wǎng)的末端變電所，主要由地區(qū)變電所供電，其高壓側(cè)為10110kV，停電后，將使用戶中斷供電。 2.1.2 建立大型電力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1可以減少系統(tǒng)的總裝機(jī)容量。 2可以減少系統(tǒng)的備用容量3可以提高供電可靠性。4可以安裝大容量的機(jī)組。5可以合理利用動(dòng)力資源，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。2.1.3 電力系統(tǒng)的基本參量電力系統(tǒng)可以用以下基本參量描述：1. 總裝機(jī)容量 指系統(tǒng)中所有機(jī)組額定有功功率的總和，以兆瓦、吉瓦計(jì)。 2. 年發(fā)電量 指系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)組全年實(shí)際發(fā)出電能的總和，以兆瓦時(shí)、吉瓦時(shí)、太瓦時(shí)計(jì)。3. 最大負(fù)荷 指規(guī)定時(shí)間內(nèi)電力

5、系統(tǒng)總有功功率負(fù)荷的最大值，以兆瓦、吉瓦計(jì)。 4. 額定頻率 50Hz5. 最高電壓等級(jí) 指系統(tǒng)中最高電壓等級(jí)線路的額定電壓，以千伏計(jì) 。2.1.4 電力系統(tǒng)的特點(diǎn)電能與其他工業(yè)生產(chǎn)相比，具有以下明顯的特點(diǎn)：1電能不能大量?jī)?chǔ)存。 2電力系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程十分短暫。3與國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)的關(guān)系密切。2.1.5 對(duì)電力系統(tǒng)的基本要求1保證供電的可靠性。2保證良好的電能質(zhì)量。3為用戶提供充足的電能。4提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。2.2 火力發(fā)電廠的運(yùn)行特性2.2.1 火力發(fā)電機(jī)組的分類我國(guó)火電廠絕大部分是采用蒸汽汽輪組，只有極少部分采用燃?xì)廨喗M，所以火電機(jī)組的分類主要是指蒸汽汽輪發(fā)電機(jī)組的分類。蒸汽汽輪發(fā)電機(jī)

6、組，按功能和用途可以分為：凝氣式汽輪發(fā)電機(jī)組、抽汽式汽輪發(fā)電機(jī)組、背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組。凝氣式汽輪發(fā)電機(jī)組是以發(fā)電為目的，為了提高鍋爐的效率，設(shè)有凝汽器，把從鍋爐來(lái)的蒸汽膨脹到高真空，使熱能得到充分的利用。這種機(jī)組的工作特點(diǎn)是蒸汽主要通過(guò)汽輪機(jī)的各級(jí)葉片，做功以后排入凝汽器內(nèi)，重新凝結(jié)成水打回鍋爐。為了提高熱效率，常采用回?zé)崾?，在汽輪機(jī)的膨脹途中抽出一部分蒸汽去加熱鍋爐給水。2.2.2 火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過(guò)程發(fā)電廠是將各種自然資源轉(zhuǎn)化為電能的工廠。按照其所利用一次能源的不同，可分為火電廠、水力發(fā)電廠、核能發(fā)電廠及其他形式能源的發(fā)電廠?；鹆Πl(fā)電廠利用煤炭、石油、天然氣等可燃物為原料來(lái)發(fā)電的，其能量轉(zhuǎn)

7、換過(guò)程為：燃料的化學(xué)能熱能機(jī)械能電能。我國(guó)火電廠所使用的燃料以煤炭為主。火電廠的原動(dòng)機(jī)多為汽輪發(fā)電機(jī)，它可分為兩類：一類是單一生產(chǎn)電能的火電廠，稱為凝氣式火電廠，一般建在燃料產(chǎn)地，容量可以很大；另一類是兼供熱的火電廠，稱為熱電廠，一般情況下建在大城市及工業(yè)區(qū)附近，容量也不大。（一）火力發(fā)電存在的問(wèn)題（1）安全問(wèn)題：采礦和運(yùn)輸中的安全性災(zāi)難等 。（2）環(huán)境問(wèn)題：酸雨、溫室效應(yīng)、可吸入顆粒物等。（3）效率問(wèn)題：凝汽式火電廠效率為40%，熱電廠為60%70%。（二）今后火電建設(shè)的重點(diǎn)（1）采用高參數(shù)、大容量、高效率的設(shè)備。（2）開(kāi)發(fā)清潔煤燃燒發(fā)電、天然氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。（3）鼓勵(lì)熱電聯(lián)產(chǎn)。（4）加

8、強(qiáng)煤炭基地的礦口電廠建設(shè)。下面為凝氣式火電廠的生產(chǎn)過(guò)程，如圖2.2所示：圖2.2 凝氣式火電廠的生產(chǎn)過(guò)程示意圖2.3 電力系統(tǒng)的電壓與電能質(zhì)量2.3.1 電力系統(tǒng)的額定電壓電力網(wǎng)的額定電壓等級(jí)，是根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要和電力工業(yè)的發(fā)展水平，經(jīng)全面的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析后，由國(guó)家制定頒布的。發(fā)電機(jī)、變壓器以及各種用電設(shè)備在額定電壓運(yùn)行時(shí)，將獲得最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。我國(guó)高壓電網(wǎng)的額定電壓等級(jí)有3kV、6 kV、10 kV、35 kV、63 kV、110 kV、220 kV、330 kV、500 kV等。（1）用電設(shè)備的額定電壓 與同級(jí)電網(wǎng)的額定電壓相同。（2）發(fā)電機(jī)的額定電壓 比同級(jí)電網(wǎng)的額定電壓高出5%

9、，用于補(bǔ)償線路上的電壓損失（3）變壓器的額定電壓 變壓器的一次繞組：相當(dāng)于是用電設(shè)備，其額定電壓應(yīng)與電網(wǎng)的額定電壓相同變壓器的二次繞組：對(duì)于用電設(shè)備而言，相當(dāng)于電源。 當(dāng)變壓器二次側(cè)供電線路較長(zhǎng)時(shí)：應(yīng)比同級(jí)電網(wǎng)額定電壓高10%。當(dāng)變壓器二次側(cè)供電線路較短時(shí)：應(yīng)比同級(jí)電網(wǎng)額定電壓高5%。2.3.2 電壓等級(jí)的選擇目前我國(guó)電力系統(tǒng)中，220KV及以上電壓等級(jí)多用于大型電力系統(tǒng)的主干線；110KV多用于中小型電力系統(tǒng)的主干線及大型電力系統(tǒng)的二次網(wǎng)絡(luò)；35KV多用于大型工業(yè)企業(yè)內(nèi)部電力網(wǎng)，也廣泛應(yīng)于與農(nóng)村電力網(wǎng)；10KV是城鄉(xiāng)電網(wǎng)最常見(jiàn)的高壓配電電壓，當(dāng)負(fù)荷中擁有較多的6KV高壓用電設(shè)備時(shí)，也可考慮采

10、用6KV配電方案；3KV僅限于工業(yè)企業(yè)內(nèi)部采用；380/220V多作為工業(yè)企業(yè)的低壓配電電壓。表2.1 電力網(wǎng)的額定電壓、傳輸功率和傳輸距離之間的關(guān)系線路電壓/kV傳輸功率/MW傳輸距離/km30.111360.11.2415100.22620352102050603.5303010011010505015022010050010030033020010002006005001000150025085075020002500500以上2.3.3 電能質(zhì)量電能質(zhì)量是指通過(guò)公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)。 理想狀態(tài)下的公共電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率、正弦波形和標(biāo)準(zhǔn)電壓對(duì)用戶供電。同時(shí)，在三相交流系統(tǒng)中

11、，各相電壓和電流的幅值應(yīng)大小相等、相位對(duì)稱且互差120°。衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)有頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、高次諧波、三相不平衡度及暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓等。（1）頻率偏差額定頻率：50Hz允許偏差：電網(wǎng)容量3000MW及以上者，±0.2 Hz；電網(wǎng)容量3000MW以下者，±0.5 Hz。（2）電壓偏差電壓偏差是指用電設(shè)備的實(shí)際電壓與額定電壓之差，用占額定電壓的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示：U%=U-UNUN×100%電壓偏差的危害：1）白熾燈：電壓低時(shí)，壽命延長(zhǎng)，但發(fā)光效率降低，照度下降；2）電壓高時(shí)，發(fā)光效率增加，但使用壽命大大縮短。 3）電動(dòng)機(jī)：由于UM

12、2，電壓低時(shí)，轉(zhuǎn)矩將急劇減小，電流增大，使電動(dòng)機(jī)繞組絕緣過(guò)熱受損，縮短使用壽命。電壓偏差的允許值：1）35kV及以上供電電壓的正負(fù)偏差的絕對(duì)值之和為額定電壓的10%；2）10 kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%；3）低壓照明用戶：+7%10%電壓調(diào)整的措施：1）正確選擇變壓器的電壓分接頭；2）合理減少系統(tǒng)的阻抗；3）盡量保持系統(tǒng)三相負(fù)荷平衡；4）改變系統(tǒng)的運(yùn)行方式；5）采用無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備等。（3）電壓波動(dòng)與閃變 電壓波動(dòng)是指電網(wǎng)電壓短時(shí)、快速的變動(dòng)，用電壓最大值與最小值之差對(duì)電網(wǎng)額定電壓的百分比表示，即U%=Umax-UminUN×100%閃變是指人眼對(duì)因電

13、壓波動(dòng)引起燈閃的一種主觀感覺(jué)，引起燈閃的電壓稱為閃變電壓。電壓波動(dòng)產(chǎn)生的原因：是由負(fù)荷急劇變動(dòng)引起的。 電壓波動(dòng)的危害：1）使電動(dòng)機(jī)無(wú)法正常起動(dòng)，引起同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)；2）使某些電子設(shè)備無(wú)法正常工作；3）使照明燈發(fā)生明顯的閃爍現(xiàn)象等。電壓波動(dòng)的允許值：1）10 kV及以下電網(wǎng)：2.5%2）35110 kV電網(wǎng)：2%電壓波動(dòng)的抑制：1）對(duì)負(fù)荷變動(dòng)劇烈的大型電氣設(shè)備，采用專線或?qū)Ｓ米儔浩鞴╇?；2）增大供電容量，減小系統(tǒng)阻抗 ；3）增加系統(tǒng)的短路容量或提高供電電壓；4）在電壓波動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，減少或切除引起電壓波動(dòng)的負(fù)荷 ；5）對(duì)大型沖擊性負(fù)荷，裝設(shè)能吸收沖擊無(wú)功功率的靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置。（4）諧波諧

14、波是指對(duì)周期性非工頻的正弦交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解后所得到的頻率為基波頻率整數(shù)倍的各次分量，通常稱為高次諧波。諧波產(chǎn)生的原因：是由于電力系統(tǒng)中存在各種非線性元件。諧波的危害：1）使變壓器或電動(dòng)機(jī)的鐵芯損耗增加，引起局部過(guò)熱，同時(shí)振動(dòng)和噪聲增大，縮短使用壽命；2）使線路的功率損耗和電能損耗增加，并有可能使電力線路出現(xiàn)電壓諧振，產(chǎn)生過(guò)電壓，擊穿電氣設(shè)備的絕緣；3）使電容器產(chǎn)生過(guò)負(fù)荷而影響其使用壽命；4）使繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)作；5）使變壓器使計(jì)算電費(fèi)用的感應(yīng)式電能表的計(jì)量不準(zhǔn)；6）對(duì)附近的通信線路產(chǎn)生信號(hào)干擾，使數(shù)據(jù)傳輸失真等。諧波的抑制 1）三相整流變壓器采用Y，d或D，y接線 ；2）增加

15、整流器的相數(shù) ；3）在諧波源處裝設(shè)專用濾波器 ；4）限制晶閘管整流設(shè)備投入電網(wǎng)的容量 ；5）在大型整流設(shè)備附近裝設(shè)靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置等。（5）三相不平衡三相電壓（或電流）不平衡度是指三相供電系統(tǒng)中，三相電壓（或電流）的不平衡程度，用電壓（或電流）負(fù)序分量有效值與正序分量有效值的百分比來(lái)表示，即U%=U2U1×100%三相電壓不平衡的危害：1）使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一個(gè)反向轉(zhuǎn)矩，從而降低了電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)效率降低；2）對(duì)變壓器，當(dāng)最大相電流達(dá)到變壓器額定電流時(shí)，其他兩相電流均低于額定值，從而使其容量得不到充分利用；3）使繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)和拒動(dòng) 。2.3.4 電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與控制1電能

16、質(zhì)量的測(cè)量方式 定期巡檢 用于需要掌握電能質(zhì)量但不需要連續(xù)檢測(cè)或不具備連續(xù)在線監(jiān)測(cè)條件的場(chǎng)合。專項(xiàng)檢測(cè) 用于負(fù)荷容量變化大或有干擾源設(shè)備接人電網(wǎng)的場(chǎng)合。 在線監(jiān)測(cè) 用于重要變電站、無(wú)人值班變電站的公共配電點(diǎn)和重要電力用戶的配電點(diǎn) 。2電能質(zhì)量的控制與治理措施 提高發(fā)電、供電和配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和可靠性。提高電力用戶終端設(shè)備的抗干擾能力 。 傳統(tǒng)的控制和改善電能質(zhì)量措施 利用有載調(diào)壓變壓器調(diào)整電壓 可保證電壓質(zhì)量，但不能改變系統(tǒng)無(wú)功需求平衡 利用并聯(lián)電容器補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功功率可提高系統(tǒng)電壓，但不能解決輕載時(shí)系統(tǒng)電壓偏高的問(wèn)題。利用無(wú)源濾波器抑制諧波電流 只能抑制固定頻率的諧波，還有可能引起系統(tǒng)諧振

17、。現(xiàn)代電能質(zhì)量的控制與治理措施 利用基于電力電子技術(shù)的柔性交流輸電技術(shù)（FACTS）和柔性配電技術(shù)（DFACTS），將電力電子、計(jì)算機(jī)和控制等高新技術(shù)運(yùn)用于中低壓配用電系統(tǒng)，形成一系列電能質(zhì)量補(bǔ)償控制設(shè)備，能夠有效地解決諧波影響、電壓波動(dòng)與閃變、三相電壓不對(duì)稱等問(wèn)題，從而可大大提高電能質(zhì)量。3控制和治理電能質(zhì)量的手段 1）實(shí)施電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、無(wú)功優(yōu)化、負(fù)荷控制及許多新型調(diào)頻、調(diào)壓裝置的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，減少頻率和電壓的偏差。2）加強(qiáng)城鄉(xiāng)電網(wǎng)的建設(shè)和改造，提高電壓質(zhì)量。3）利用無(wú)源濾波器、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置等，抑制諧波干擾、降低電壓波動(dòng)和閃變等。4）利用柔性交流輸電技術(shù)，提高系統(tǒng)輸電容量和提高暫態(tài)穩(wěn)定性

18、，對(duì)線路電壓、阻抗、相位進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)控制潮流、阻尼振蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。5）利用柔性配電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償諧波、抑制電壓下跌等。2.4 電力負(fù)荷的分級(jí)電力負(fù)荷按對(duì)供電可靠性的要求可以分為以下三級(jí)：1.一級(jí)負(fù)荷中斷供電將造成人身傷亡，或重大設(shè)備損壞且難以修復(fù)，或在政治、經(jīng)濟(jì)上造成重大損失者，均屬于一級(jí)負(fù)荷。一級(jí)負(fù)荷應(yīng)由兩個(gè)獨(dú)立電源供電。對(duì)特別重要的一級(jí)負(fù)荷，兩個(gè)獨(dú)立電源應(yīng)來(lái)自不同的地點(diǎn)。獨(dú)立電源指若干電源中任一電源發(fā)生故障或停止供電時(shí)，不影響其他電源繼續(xù)供電。同時(shí)具備以下兩個(gè)條件的發(fā)電廠或變電所的不同母線段，均屬獨(dú)立電源。1）每段母線的電源來(lái)自不同的發(fā)電機(jī)。2）母線段之間沒(méi)有聯(lián)系，或雖有聯(lián)系但在其中一段發(fā)生故障時(shí)，能自動(dòng)將其聯(lián)系斷開(kāi)，不影響另一段母線繼續(xù)供電。2.二級(jí)負(fù)荷中斷供電將造成設(shè)備局部破壞，或生產(chǎn)流程紊亂且較長(zhǎng)時(shí)間才能夠恢復(fù)，或大量產(chǎn)品報(bào)廢、重點(diǎn)企業(yè)大量減產(chǎn)，或在政治、經(jīng)濟(jì)上造成較大損失的，均屬于二級(jí)負(fù)荷。二