電力系統(tǒng)基本知識

表1-12020（2010）年我國電力裝機預測（萬kW）年份總計煤電常規(guī)水電抽水蓄能氣電核電新能源20209500059200220002500550036002200100%62.323.2%2.6%5.8%3.8%2.32010584504000013500150018001250400100%68.4%23.1%2.6%3.1%2.10.7%二、電力系統(tǒng)的組成為了提高供電的可靠性和經(jīng)濟性，通常將發(fā)電廠和用戶之間通過升、降壓變電所、輸配電線路聯(lián)系起來，如圖1-1所示。由發(fā)電廠中的電氣部分、各類變電所及輸電、配電線路及各種類型的用電設備組成的統(tǒng)一整體稱為電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)中各種類型的變電所及輸配電線路組成的統(tǒng)一體，稱為電力網(wǎng)。如果將各種類型發(fā)電廠的原動力部分，如水電廠的水庫和水輪機、火力發(fā)電廠的鍋爐和汽輪機、核電廠的核島（反應堆）及汽輪機等考慮進去，它們與電力系統(tǒng)所組成的統(tǒng)一整體，稱為動力系統(tǒng)。三、電力系統(tǒng)的特點在電力系統(tǒng)短短的一百多年發(fā)展歷史中，電力系統(tǒng)從早期的直流到后來的交流，再到現(xiàn)代的交直流并存，電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，輸電距離也越來越遠，已經(jīng)出現(xiàn)了大型的跨國、跨區(qū)域聯(lián)合電力系統(tǒng)。將小系統(tǒng)聯(lián)合成大系統(tǒng)具有下列幾方面明顯的優(yōu)點：（1）提高了供電可靠性；（2）提高了供電的電能質(zhì)量；（3）可以減少系統(tǒng)的備用容量，提高設備利用率；（4）便于安裝大機組，且機組容量越大，技術(shù)經(jīng)濟效益越好；（5）可以合理利用動力資源，提高了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。雖然聯(lián)合電力系統(tǒng)具有上述優(yōu)點，但是隨著系統(tǒng)容量的不斷擴大，故障影響和波及的范圍也在擴大，系統(tǒng)的短路容量也在增大，對電氣設備開斷短路電流的能力也提出了更高的要求，這也正是聯(lián)合電力系統(tǒng)需要解決的問題。電力系統(tǒng)運行的特點，概括起來有以下幾個方面：1.發(fā)供用電的連續(xù)性現(xiàn)階段電能尚不能大量地、廉價地儲存，發(fā)、變、輸、配以及用電幾乎同時完成，其中任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，必將影響電力系統(tǒng)的運行。因此，必須努力提高各環(huán)節(jié)的可靠性，以保證電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟、連續(xù)、可靠運行和對用戶的不間斷供電。2.與國民經(jīng)濟各部門關(guān)系密切電力工業(yè)與國民經(jīng)濟及人民生活息息相關(guān)，是國民經(jīng)濟發(fā)展的動力和基礎，是人們生活的必需品，電力供應的中斷或不足，將直接影響到社會生產(chǎn)、人民生活和國民經(jīng)濟的方方面面。3.過渡過程的短暫性電力系統(tǒng)中發(fā)電機、變壓器、線路等元件的投入和切除要求非常迅速，由此而引起的系統(tǒng)電磁、機電暫態(tài)過程是非常短暫的。因此，正常和故障情況所進行的調(diào)整和切換操作非常迅速，必須依賴自動化程度高和動作可靠的繼電保護設備及自動裝置來完成。同時還需要大量的、高素質(zhì)的專門人才來加以控制。四、對電力系統(tǒng)的基本要求根據(jù)電力系統(tǒng)運行的特點，對電力系統(tǒng)的基本要求主要有以下幾個方面。1.保證連續(xù)可靠的供電2.保證良好的電能質(zhì)量電能質(zhì)量指標是指電壓、頻率和波形三者的變化不能超過允許的波動范圍。電壓的允許波動范圍：35kV及以上為±5%，10kV及以下為±7%；頻率的允許偏移為50±（0.2~0.5）Hz（小系統(tǒng)為±0.5Hz，大系統(tǒng)為±0.2Hz）；波形應為標準正弦波且諧波應不超過標準。電能質(zhì)量合格，用電設備正常工作時具有最佳的技術(shù)經(jīng)濟效果；相反，電能質(zhì)量不合格，不僅對用電設備運行產(chǎn)生影響，對電力系統(tǒng)本身也有危害。3.保證電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性電力系統(tǒng)運行時，要盡可能的降低發(fā)電、變電和輸配電過程中的損耗，最大限度的降低電能成本。這不僅意味著大量的節(jié)約了能量資源，而且也降低了各用電部門的生產(chǎn)成本，使國民經(jīng)濟整體受益。

第二節(jié)發(fā)電廠和變電所的類型及設備一、發(fā)電廠的類型1.火力發(fā)電廠利用固體、液體、氣體燃料的化學能來生產(chǎn)電能的工廠稱為火力發(fā)電廠，簡稱火電廠。迄今為止，火電廠仍是世界上電能生產(chǎn)的主要方式，約占發(fā)電設備總裝機容量的70%以上。我國和世界各國的火電廠使用的燃料大多以煤炭為主，其他還有燃油、天然氣以及生活和工業(yè)垃圾等為燃料的火電廠?；痣姀S按照其生產(chǎn)方式不同又可以分為下列類型：（1）凝汽式火電廠。（2）熱電廠。圖1-2火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程示意圖2.水力發(fā)電廠（1）堤壩式水電廠。（2）引水式水電廠。

3.核能發(fā)電廠4.其他能源發(fā)電攔污柵廠房蝴蝶閥發(fā)電機尾水管下游壩體尾水閘門升壓站蝸殼圖1-3水力發(fā)電廠生產(chǎn)過程示意圖上游水庫溢流壩段攔河壩高壓輸電線路進水閘門二、變電所的類型1.樞紐變電所

樞紐變電所是大供電區(qū)域內(nèi)的核心變電所，起著匯集多個大型發(fā)電廠電能和再分配的重要任務。2.中間變電所

中間變電所的特點是以交換潮流為主，一般匯集2~3個電源，作為長距離輸電線路的分段，低壓側(cè)可以帶部分當?shù)刎摵桑谙到y(tǒng)中起著“承上啟下”的重要作用。3.地區(qū)變電所

地區(qū)變電所一般作為地區(qū)或城市配電網(wǎng)的主要變電所。4.終端變電所終端變電所作為電網(wǎng)的末端變電所，一般位于輸電線路終端。三、電氣設備及其作用

一次設備（1）電能生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換類設備。（2）控制和保護類電氣設備。（3）限流和限制過電壓類設備。（4）載流導體類。二次設備（1）互感器類。（2）測量表計類。（3）繼電保護和自動裝置類。（4）直流設備。第三節(jié)電力系統(tǒng)的額定電壓一、額定電壓等級為了使電力設備的生產(chǎn)實現(xiàn)標準化、系列化，為了各元件能夠合理配套，電力系統(tǒng)中發(fā)電機、變壓器、線路及各種電氣設備等，都是按照規(guī)定的額定電壓進行設計制造的。電力設備在額定電壓下運行時，其技術(shù)和經(jīng)濟性能最佳。國家所規(guī)定的標準電壓等級稱為額定電壓。通常將100V以下的電壓稱為第一類額定電壓；將100~1000V的電壓稱為第二類額定電壓；電壓1000V以上的稱為第三類額定電壓。表1-3

3kV及以上額定電壓（kV）用電設備平均額定電壓交流發(fā)電機變壓器一次變壓器二次361035（60）110（154）22033050075010003.156.310.53763115（162）23034552578710503.156.310.513.8，15.75，18，20，243及3.156及6.310及10.513.8，15.75，18，20，2435（60）110（154）22033050075010003.15及3.36.3及6.310.5及1138.5（66）121（169）2423635508251100二、用電設備額定電壓二、各級電壓的經(jīng)濟輸送容量根據(jù)經(jīng)驗：在110kV以下時，額定電壓的級差以3倍左右為宜；110kV以上時以2倍左右為宜。表1-4架空輸電線路的額定電壓與輸送功率和輸送距離的關(guān)系

線路電壓（kV）輸送功率（MW）輸送距離（km）線路電壓（kV）輸送功率（MW）輸送距離（km）0.383610350.1以下0.1~1.00.1~1.20.2~2.02.0~100.6以下1~34~156~2020~50

110220330500750

10~50100~500200~8001000~15002000~250050~150100~300200~600250~850500以上

第四節(jié)電力線路的結(jié)構(gòu)

一、架空線路的導線電力線路按結(jié)構(gòu)可分為架空線路和電纜線路兩大類。對架空導線的要求是：具有良好的導電性能、必要的機械強度和抗腐蝕性能，且制造工藝簡單、質(zhì)輕、價廉。導線的材料主要是銅、鋁、鋼等。目前導線多采用鋁材料；為了提高鋁導線的強度，鋁中加少量的鎂、硅等元素，可制成強度較高的鋁合金絞線。導線及避雷線的截面如圖1-18所示。架空線路導線的型號用漢語拼音字母表示，舉例如下：

LJ-70為鋁絞線，額定截面積為70mm2；TJ-35為銅絞線，額定截面積為35mm2；GJ-25為鋼絞線，額定截面積為25mm2；LGJ-240為鋼芯鋁絞線，鋁線部分額定截面積為240mm2。

此外，還有輕型鋼芯鋁絞線（LGJQ）和加強型鋼芯鋁絞線（LGJJ）等。

二、架空線路的桿塔桿塔按照使用材料不同，可以分為木桿、水泥桿和鐵塔三種；按用途又可以分為終端桿塔、轉(zhuǎn)角桿塔、跨越桿塔、直線桿塔、耐張桿塔和換位桿塔等。（a）（b）圖1-20直線水泥桿塔（a）單桿；（b）門型桿耐張桿直線桿直線桿直線桿耐張桿耐張段引流線檔距檔距檔距檔距導線方向?qū)Ь€方向合力方向轉(zhuǎn)角桿塔轉(zhuǎn)角α（a）（b）圖1-22直線、耐張、轉(zhuǎn)角桿塔示意圖（a）線路轉(zhuǎn)角；（b）一個耐張段示意圖圖1-21直線鐵塔雙分裂三分裂四分裂圖1-19分裂導線AABBCCl1l2l3（a）AABBCCl1l2l3（b）（c）AABBCC圖1-17換位桿塔（a）單柱直線換位桿；（b）門型直線換位桿；（c）耐張換位桿導線的換位及換位桿塔L/3L/3L/3LABCBCACAB圖1-16換位循環(huán)示意圖三、絕緣子架空線路的絕緣子分針式、懸式、棒式及瓷橫擔絕緣子等幾種。四、金具1.線夾2.連接金具3.保護金具12101000401003025圖1-26棒式絕緣子（a）（b）圖1-25針式和懸式絕緣子（a）針式絕緣子；（b）懸式絕緣子第五節(jié)超高壓輸電的幾個特殊問題一、電暈問題1.電暈產(chǎn)生的機理當導線上所加的電壓達到一定值時，使導線表面的電場強度達到一定值，從而使導線周圍的介質(zhì)（空氣）發(fā)生電離，電荷在導線周圍的快速運動，發(fā)出沙沙聲，同時伴隨有談藍色光，此即為電暈。2.易產(chǎn)生電暈原因和地方（1）電壓等級高。110kV以下無電暈。（2）導線截面小，易使電荷集中而產(chǎn)生電暈。（3）導線表面不光滑或有毛刺，易產(chǎn)生尖端放電（4）各種連接點處，如連接端頭、懸掛點、金具等。3.電暈的危害（1）電暈損耗。經(jīng)測算500kV線路，晴天損耗約為12kW/km；750kV線路約為20~30kW/km。而在大霧天，損耗可達300kW/km。（2）電暈噪聲。變電站中噪聲可達70~80dB。（3）無線電干擾。（4）電暈腐蝕。4.防止電暈措施（1）采用分裂導線。可以增大導線的等值半徑。330kV——2分裂；500kV——4分裂；750kV——6分裂；1000kV——8分裂。330kV雙分裂500kV四分裂750kV六分裂（2）采用擴徑或空心導線。（3）采用優(yōu)良導線材料。如LGJ-630/100防腐防振導線，鋁包鋼芯鋁絞線ACSR/AS-720/50等。（4）各種連接點處采用均壓環(huán)均壓。如導線懸掛點、設備連接點等等。二、導線的振動導線振動分為微風震動和舞動。主要是指導線在風力作用下左右或上下運動。導線振動的危害：導線在懸掛點發(fā)生金屬疲勞而導致斷股或斷線故障。防震措施：（1）安裝防振錘。一般安裝在風振動波長的1/4處。（2）大跨越檔距也可安裝阻尼線。（3）利用間隔棒防止導線鞭擊。三、超高壓輸電線路的工頻過電壓1.過電壓產(chǎn)生的原理輸電線路帶電后，三相導線與導線之間以及導線與地之間存在有分布電容，在電壓作用下，將有容性位移電流流過，對應的功率即為線路的充電功率。正常運行時，這一容性功率對線路電感上消耗的感性功率起補償作用。330kV——41Mvar/100km；500kV——105Mvar/100km；750kV——250Mvar/km。當線路空載或輕載時，這一容性電流將反向在線路電抗上產(chǎn)生較高的過電壓——即工頻過電壓。其值為：當線路長度達到1500km時，過電壓幅值將達到無限大，——擊穿沿線所有設備的絕緣。不同線路沿線電壓的分布情況如下圖。圖14-4一端電源線路的電壓、電流分布圖（a）相量圖；（b）電壓、電流分布圖U2=1.1547oI0.577I500U1.0l(km)U(b)Im=0U2=1.0I1I2圖14-6兩端電源線路電壓電流分布圖IUmUlU1=1.0l2.線路的自然功率線路傳輸自然功率的表達式為：

線路傳輸自然