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)濟地從蘊藏于自然界中的一次能源中轉(zhuǎn)換而來，并且可以簡便的轉(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，因此，電能已廣泛應用到社會生產(chǎn)的各個領域和社會生活的各個方面，已成為現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、國防科技及人民生活等各方面不可缺少的重要能源，在國民經(jīng)濟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)電廠之間沒有任何聯(lián)系，彼此都是孤立運行的。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和

2、科學技術(shù)的進步，對電力的需求量日益增大，且對供電可靠性的要求也越來越高。為此，需要建設大容量的發(fā)電廠以滿足日益增長的用電需求，并通過各發(fā)電廠之間的聯(lián)系，提高供電的可靠性。通過各級電壓的電力線路，將發(fā)電廠、變電所和電力用戶連接起來的一個整體，稱為電力系統(tǒng)?；蛘哒f：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)及超高壓遠距離輸電網(wǎng)三種類型。（1）地方電力網(wǎng) 電壓等級在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) 電壓等級在35kV以上、供電半徑超過50km的電力網(wǎng)；（3）超高壓遠距離輸電網(wǎng) 電壓等級為330500kV的電力網(wǎng)，一般由遠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 電壓等級高，變壓器容量大，進出線回路數(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1可以減少系統(tǒng)的總裝機容量。 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組。5可以合理利用動力資源，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。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. 總裝機容量 指系統(tǒng)中所有機組額定有功功率的總和，以兆瓦、吉瓦計。 2. 年發(fā)電量 指系統(tǒng)中所有發(fā)電機組全年實際發(fā)出電能的總和，以兆瓦時、吉瓦時、太瓦時計。3. 最大負荷 指規(guī)定時間內(nèi)電力

5、系統(tǒng)總有功功率負荷的最大值，以兆瓦、吉瓦計。 4. 額定頻率 50Hz5. 最高電壓等級 指系統(tǒng)中最高電壓等級線路的額定電壓，以千伏計 。2.1.4 電力系統(tǒng)的特點電能與其他工業(yè)生產(chǎn)相比，具有以下明顯的特點：1電能不能大量儲存。 2電力系統(tǒng)的過渡過程十分短暫。3與國民經(jīng)濟各部門的關系密切。2.1.5 對電力系統(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)運行的經(jīng)濟性。2.2 火力發(fā)電廠的運行特性2.2.1 火力發(fā)電機組的分類我國火電廠絕大部分是采用蒸汽汽輪組，只有極少部分采用燃氣輪組，所以火電機組的分類主要是指蒸汽汽輪發(fā)電機組的分類。蒸汽汽輪發(fā)電機

6、組，按功能和用途可以分為：凝氣式汽輪發(fā)電機組、抽汽式汽輪發(fā)電機組、背壓式汽輪發(fā)電機組。凝氣式汽輪發(fā)電機組是以發(fā)電為目的，為了提高鍋爐的效率，設有凝汽器，把從鍋爐來的蒸汽膨脹到高真空，使熱能得到充分的利用。這種機組的工作特點是蒸汽主要通過汽輪機的各級葉片，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，常采用回熱式，在汽輪機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。火力發(fā)電廠利用煤炭、石油、天然氣等可燃物為原料來發(fā)電的，其能量轉(zhuǎn)

7、換過程為：燃料的化學能熱能機械能電能。我國火電廠所使用的燃料以煤炭為主?；痣姀S的原動機多為汽輪發(fā)電機，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)電存在的問題（1）安全問題：采礦和運輸中的安全性災難等 。（2）環(huán)境問題：酸雨、溫室效應、可吸入顆粒物等。（3）效率問題：凝汽式火電廠效率為40%，熱電廠為60%70%。（二）今后火電建設的重點（1）采用高參數(shù)、大容量、高效率的設備。（2）開發(fā)清潔煤燃燒發(fā)電、天然氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。（3）鼓勵熱電聯(lián)產(chǎn)。（4）加

8、強煤炭基地的礦口電廠建設。下面為凝氣式火電廠的生產(chǎn)過程，如圖2.2所示：圖2.2 凝氣式火電廠的生產(chǎn)過程示意圖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，是根據(jù)國民經(jīng)濟發(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)濟分析后，由國家制定頒布的。發(fā)電機、變壓器以及各種用電設備在額定電壓運行時，將獲得最佳技術(shù)經(jīng)濟效果。我國高壓電網(wǎng)的額定電壓等級有3kV、6 kV、10 kV、35 kV、63 kV、110 kV、220 kV、330 kV、500 kV等。（1）用電設備的額定電壓 與同級電網(wǎng)的額定電壓相同。（2）發(fā)電機的額定電壓 比同級電網(wǎng)的額定電壓高出5%

9、，用于補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：相當于是用電設備，其額定電壓應與電網(wǎng)的額定電壓相同變壓器的二次繞組：對于用電設備而言，相當于電源。 當變壓器二次側(cè)供電線路較長時：應比同級電網(wǎng)額定電壓高10%。當變壓器二次側(cè)供電線路較短時：應比同級電網(wǎng)額定電壓高5%。2.3.2 電壓等級的選擇目前我國電力系統(tǒng)中，220KV及以上電壓等級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；35KV多用于大型工業(yè)企業(yè)內(nèi)部電力網(wǎng)，也廣泛應于與農(nóng)村電力網(wǎng)；10KV是城鄉(xiāng)電網(wǎng)最常見的高壓配電電壓，當負荷中擁有較多的6KV高壓用電設備時，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)應以恒定的頻率、正弦波形和標準電壓對用戶供電。同時，在三相交流系統(tǒng)中

11、，各相電壓和電流的幅值應大小相等、相位對稱且互差120°。衡量電能質(zhì)量的主要指標有頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、高次諧波、三相不平衡度及暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓等。（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備的實際電壓與額定電壓之差，用占額定電壓的百分數(shù)來表示：U%=U-UNUN×100%電壓偏差的危害：1）白熾燈：電壓低時，壽命延長，但發(fā)光效率降低，照度下降；2）電壓高時，發(fā)光效率增加，但使用壽命大大縮短。 3）電動機：由于UM

12、2，電壓低時，轉(zhuǎn)矩將急劇減小，電流增大，使電動機繞組絕緣過熱受損，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偏差的絕對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)三相負荷平衡；4）改變系統(tǒng)的運行方式；5）采用無功功率補償設備等。（3）電壓波動與閃變 電壓波動是指電網(wǎng)電壓短時、快速的變動，用電壓最大值與最小值之差對電網(wǎng)額定電壓的百分比表示，即U%=Umax-UminUN×100%閃變是指人眼對因電

13、壓波動引起燈閃的一種主觀感覺，引起燈閃的電壓稱為閃變電壓。電壓波動產(chǎn)生的原因：是由負荷急劇變動引起的。 電壓波動的危害：1）使電動機無法正常起動，引起同步電動機轉(zhuǎn)子振動；2）使某些電子設備無法正常工作；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%電壓波動的抑制：1）對負荷變動劇烈的大型電氣設備，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）在電壓波動嚴重時，減少或切除引起電壓波動的負荷 ；5）對大型沖擊性負荷，裝設能吸收沖擊無功功率的靜止型無功補償裝置。（4）諧波諧

14、波是指對周期性非工頻的正弦交流量進行傅里葉級數(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）使變壓器或電動機的鐵芯損耗增加，引起局部過熱，同時振動和噪聲增大，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)生過電壓，擊穿電氣設備的絕緣；3）使電容器產(chǎn)生過負荷而影響其使用壽命；4）使繼電保護及自動裝置產(chǎn)生誤動作；5）使變壓器使計算電費用的感應式電能表的計量不準；6）對附近的通信線路產(chǎn)生信號干擾，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）在諧波源處裝設專用濾波器 ；4）限制晶閘管整流設備投入電網(wǎng)的容量 ；5）在大型整流設備附近裝設靜止型無功補償裝置等。（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）負序分量有效值與正序分量有效值的百分比來表示，即U%=U2U1×100%三相電壓不平衡的危害：1）使電動機產(chǎn)生一個反向轉(zhuǎn)矩，從而降低了電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，使電機效率降低；2）對變壓器，當最大相電流達到變壓器額定電流時，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）使繼電保護裝置產(chǎn)生誤動和拒動 。2.3.4 電能質(zhì)量的監(jiān)測與控制1電能

16、質(zhì)量的測量方式 定期巡檢 用于需要掌握電能質(zhì)量但不需要連續(xù)檢測或不具備連續(xù)在線監(jiān)測條件的場合。專項檢測 用于負荷容量變化大或有干擾源設備接人電網(wǎng)的場合。 在線監(jiān)測 用于重要變電站、無人值班變電站的公共配電點和重要電力用戶的配電點 。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)無功需求平衡 利用并聯(lián)電容器補償系統(tǒng)無功功率可提高系統(tǒng)電壓，但不能解決輕載時系統(tǒng)電壓偏高的問題。利用無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、?，F(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、計算機和控制等高新技術(shù)運用于中低壓配用電系統(tǒng)，形成一系列電能質(zhì)量補償控制設備，能夠有效地解決諧波影響、電壓波動與閃變、三相電壓不對稱等問題，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）實施電網(wǎng)調(diào)度自動化、無功優(yōu)化、負荷控制及許多新型調(diào)頻、調(diào)壓裝置的開發(fā)和應用，減少頻率和電壓的偏差。2）加強城鄉(xiāng)電網(wǎng)的建設和改造，提高電壓質(zhì)量。3）利用無源濾波器、靜止無功補償裝置等，抑制諧波干擾、降低電壓波動和閃變等。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、，對線路電壓、阻抗、相位進行控制，實現(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)，實現(xiàn)補償諧波、抑制電壓下跌等。2.4 電力負荷的分級電力負荷按對供電可靠性的要求可以分為以下三級：1.一級負荷中斷供電將造成人身傷亡，或重大設備損壞且難以修復，或在政治、經(jīng)濟上造成重大損失者，均屬于一級負荷。一級負荷應由兩個獨立電源供電。對特別重要的一級負荷，兩個獨立電源應來自不同的地點。獨立電源指若干電源中任一電源發(fā)生故障或停止供電時，不影響其他電源繼續(xù)供電。同時具備以下兩個條件的發(fā)電廠或變電所的不同母線段，均屬獨立電源。1）每段母線的電源來自不同的發(fā)電機。2）母線段之間沒有聯(lián)系，或雖有聯(lián)系但在其中一段發(fā)生故障時，能自動將其聯(lián)系斷開，不影響另一段母線繼續(xù)供電。2.二級負荷中斷供電將造成設備局部破壞，或生產(chǎn)流程紊亂且較長時間才能夠恢復，或大量產(chǎn)品報廢、重點企業(yè)大量減產(chǎn)，或在政治、經(jīng)濟上造成較大損失的，均屬于二級負荷。二