《電氣工程基礎》課件第1章

第1章緒論1.1電力系統(tǒng)概述1.2發(fā)電廠1.3變電所類型1.4發(fā)電廠和變電所電氣設備簡述思考題

本章先簡要概述電力系統(tǒng)的構成，再分別介紹各類型發(fā)電廠及變電所，最后簡述發(fā)電廠和變電所的電氣設備。希望通過本章能使學生對電力系統(tǒng)建立初步認識，掌握發(fā)電廠和變電所一次設備的原理、電氣主系統(tǒng)的設計方法及二次回路的構成和動作原理，樹立工程觀點。

1.1電力系統(tǒng)概述

1.1.1電力工業(yè)的起源19世紀上半葉電磁學的蓬勃發(fā)展為電氣技術的興起奠定了理論基礎，而電能的應用則促進了工業(yè)化國家生產(chǎn)力的飛速發(fā)展。1820年奧斯特通過實驗證實了電流的磁效應，1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應定律，這些發(fā)現(xiàn)很快促成了電動機與發(fā)電機的發(fā)明。電機制造與電力輸送技術的發(fā)展首先是從直流開始的。

為了照明的目的，原始的直流發(fā)電機連接到電力線路上采用110~220V直流電供給串聯(lián)的弧光路燈，供電距離為1~2km。1882年法國人德波里首先實現(xiàn)了較高電壓的直流輸電。德波里將密士巴赫小水電站3馬力(1馬力=735.5瓦)直流發(fā)電機的電能經(jīng)過長57km、直徑為4.5mm的鋼線敷設的架空線送至慕尼黑國際博覽會，用以驅動水泵運轉。其中，送端電壓為1300V，受端電壓約為850V，輸送功率1.5kW，效率為60%。

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，要求增大輸送功率與輸電距離，提高輸電效率，這就要求提高輸電電壓，但為了避免出現(xiàn)電暈所以發(fā)電機電壓不可能提得很高，且直流高壓輸電與用戶低壓用電之間存在著難以克服的矛盾，使得當時的直流輸電制遇到很大挑戰(zhàn)。法國工程師芳建與瑞典工程師塞雷提出的直流電機串聯(lián)制使得輸送電壓有所提高，但終因價格昂貴及運行復雜難以為繼。而交流制卻可使用變壓器，從而簡單、經(jīng)濟、可靠地解決了提高輸電電壓的問題，使得塞雷制的直流輸電系統(tǒng)(見圖1－1)逐漸被新興的三相交流輸電制所代替。圖1－1塞雷制的直流輸電系統(tǒng)

1885年匈牙利工程師吉里等研究出封閉磁路的單相變壓器，由此實現(xiàn)了單相交流輸電。但由于單相交流電動機啟動困難，不能保證增加發(fā)電廠的容量和擴大電網(wǎng)的伸展長度。

1889年俄國工程師多里沃·多勃羅沃耳斯基先后發(fā)明了三相異步電動機、三相變壓器和三相交流制。1891年德國工程師奧斯卡拉·馮·密勒主持建立了最早的三相交流輸電系統(tǒng)

(見圖1－2)，它由魯芬鎮(zhèn)輸電至法蘭克福，輸送距離是175km，輸送功率約為130kW，輸送效率為75.2%。其中，設在魯芬鎮(zhèn)的水輪發(fā)電機組轉速為150r/min，頻率為40Hz，電壓為95V，功率為230kV·A。

經(jīng)升壓變壓器將電壓升高至15200V，然后用直徑為4mm的裸銅線進行輸電。再在法蘭克福設降壓站，用兩臺變壓器將電壓降至112V，其中一臺供給白熾燈，另一臺供電給異步電動機用以驅動一臺75kW的水泵。上述工程的建成標志著歷史上輸電技術的重大突破，由此奠定了現(xiàn)代電力系統(tǒng)的輸電模式。

圖1－2密勒制三相交流輸電系統(tǒng)

1.1.2我國電力工業(yè)發(fā)展概況

電力工業(yè)是國民經(jīng)濟的關鍵部門，它為實現(xiàn)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學技術的現(xiàn)代化和提高人民的生活水平提供動力。電力工業(yè)是先行工業(yè)，它的發(fā)展必須優(yōu)先于其他工業(yè)，整個國民

經(jīng)濟才能不斷前進。世界各國經(jīng)濟發(fā)展的經(jīng)驗表明：國民經(jīng)濟每增長1%，電力工業(yè)就要求增長1.3%~1.5%。工業(yè)發(fā)達國家?guī)缀趺?~10年裝機容量就要增長一倍。

我國具有豐富的能源資源。我國水電資源蘊藏量達676GW，居世界首位。煤、石油、天然氣資源也很豐富。煤的預測量約為4500Mt，可利用的風力資源約為160GW。這些優(yōu)良的自然條件為我國電力工業(yè)的發(fā)展提供了資源基礎。但過去中國的電力工業(yè)卻非常落后，1949年全國的總裝機容量僅為1849MW，年發(fā)電量僅有4.3TW·h，分別居世界第21位和第25位。

中華人民共和國成立后，電力工業(yè)蓬勃向上。1949—1980年30年間發(fā)電設備的年平均增長速度達到12.45%。至1980年底，全國總裝機容量增至65869MW，列居世界第八位；年發(fā)電量增至300.6TW·h，列居世界第六位。從設計、制造到運行、管理已初步建成較完整的電力工業(yè)體系。

改革開放推動了我國電力工業(yè)的騰飛。自1978年以來，由于我國經(jīng)濟體制改革和對外開放政策的實踐，電力工業(yè)呈持續(xù)高速發(fā)展，發(fā)電設備裝機容量增長快速，自1987年，每年新增量超過10000MW。1991—1998年每年新增量超過15000MW。增長速度居世界首位。至1998年末，全國總裝機容量達277GW，全年發(fā)電量達到1157.7TW·h，均比1980年增長近四倍，并超過了日本和俄羅斯，僅次于美國，躍居世界第二位。2006年末，全國總裝機容量突破600GW，穩(wěn)居世界第二位。近些年，中國電力事業(yè)發(fā)展迅猛，2012年裝機容量達10.6億千瓦，居世界第二位，年發(fā)電量達4.8萬億千瓦時，居世界第一位。

截至2013年底，全國發(fā)電裝機容量達到12.47億千瓦，躍居世界第一位。其中，火電8.62億千瓦，占全部裝機容量的69.13%，35年來首次降至70%以下。同時，清潔能源占比也首次突破30%。

2016年4月，《全球新能源發(fā)展報告2016》在北京發(fā)布。報告顯示，從發(fā)電角度看，中國發(fā)電裝機容量和發(fā)電量均居全球第一。太陽能光伏累計裝機容量為世界第一。中國晶硅組件產(chǎn)能和產(chǎn)量都占到全球70%以上，在世界范圍內(nèi)仍然保持領先地位。在新能源汽車領域，2015年中國銷量33.1萬輛，同比增長3.4倍，首次超越美國成為全球最大的新能源汽車生產(chǎn)國。

并且2015年中國新能源產(chǎn)業(yè)融資額約為1105.2億美元，繼續(xù)位居全球首位。同時，在光伏新增裝機容量、風電市場、新能源汽車等領域，中國相關指標也都位居世界前列。在各類新能源應用規(guī)模方面，中國、日本和美國分別以17GW、13.5GW、8GW的光伏新增裝機容量，繼續(xù)處于全球光伏發(fā)電市場的主導地位。中國累計裝機容量達到50GW，首次超過德國，成為全球光伏累計裝機容量最大的國家。同時，中國繼續(xù)在風電市場保持增長態(tài)勢，26.2GW的新增裝機容量居全球榜首?！度蛐履茉窗l(fā)展報告2016》對未來整個

新能源發(fā)展作出預測。從前景來看，2016—2021年，太陽能發(fā)電在整個新能源份額中將保持主力角色，其他新能源也將有不同程度增長。

20世紀80年代我國國民生產(chǎn)總值的年增長率約為9%，而我國在這一時期的年發(fā)電量的增長率約為7.5%，這說明電力供應不足，影響了工業(yè)產(chǎn)值的發(fā)展。此外，輸變電設備容量的增長率又低于發(fā)電設備容量的增長率，使有限的發(fā)電設備不能充分發(fā)揮效益。20世紀90年代上述現(xiàn)象已有所改觀。這一時期我國國民生產(chǎn)總值的年增長率為7.1%~9.0%，而年發(fā)電量的增長率為8.0%~9.6%。20世紀80年代以來我國年發(fā)電量的增長率高于一次能源消耗量的增長，發(fā)電用能源占一次能源總消耗量的比重不斷提高，在1980年、1985年、1990年和1995年的這一比重分別為18.6%、21.2%、26.5%和31.5%。

這說明我國國民經(jīng)濟電氣化的程度正在不斷提高。而相應的能源強度(能源強度指單位產(chǎn)值所消耗的能源，以每美元產(chǎn)值消耗的標準油重kg/美元為單位)隨著這一比重的提高不斷下降，分別為14.3kg標油/美元、11.0kg標油/美元、9.9kg標油/美元和7.1kg標油/美元。這說明我國的能源效率有所提高且節(jié)能潛力還很大。

隨著近年來市場經(jīng)濟的孕育，我國電力負荷的構成也在發(fā)生變化。重工業(yè)用電比重在下降，城鄉(xiāng)居民生活用電、商業(yè)、交通及建筑業(yè)用電在不斷上升。2015年，全社會用電量55500億千瓦時，同比增長0.5%。分產(chǎn)業(yè)看，第一產(chǎn)業(yè)用電量1020億千瓦時，同比增長2.5%;第二產(chǎn)業(yè)用電量40046億千瓦時，同比下降1.4%;第三產(chǎn)業(yè)用電量7158億千瓦時，同比增長7.5%;城鄉(xiāng)居民生活用電量7276億千瓦時，同比增長5.0%。

自1980年以來，電力工業(yè)已有顯著發(fā)展，但仍然不能滿足國家經(jīng)濟發(fā)展和全社會進步的需要。社會人均用電量是衡量現(xiàn)代化的粗略判據(jù)。我國全社會用電量近10年已有顯著進步，見圖1－3。

圖1－3我國2005—2014年全社會用電量及年增長率

1996年平均每個中國人擁有0.2kW的裝機容量以及具有918kW·h的電能消耗。其中94kW·h是城鄉(xiāng)住宅的份額，約為世界平均消耗定額的1/3，等值于工業(yè)國家消耗定額的1/7~1/10。進入21世紀以來，國家投入大量資金用于農(nóng)網(wǎng)改造，使得城鄉(xiāng)居民生活用電同網(wǎng)同價，大量減輕農(nóng)民電費負擔。全國實施“戶戶通電”工程，使22個省(自治區(qū)、直轄市)實現(xiàn)戶戶通電，全國除西藏、青海和新疆外，行政村通電率達到99%以上。

1.1.3電力系統(tǒng)基本概念

一、電能質量及對電力系統(tǒng)的要求

1.電能的特點

電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用具有以下特點：

(1)電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用是同時進行的。目前，電能還不能大量、廉價地儲存，電能的生產(chǎn)、分配和使用必須同時完成，因此發(fā)電廠必須根據(jù)用電需要不間斷地進行生產(chǎn)。

(2)電能的應用范圍非常廣泛。電能供應不足或供應中斷，將直接影響國民經(jīng)濟計劃的完成和人民的正常生活，對于某些工業(yè)用戶甚至會發(fā)生產(chǎn)品報廢、設備損壞以及危及人身安全等嚴重后果。

(3)自動化程度要求高。電力系統(tǒng)由于運行狀態(tài)的改變而引起的電磁、機電暫態(tài)過程是非常短暫的，人工手動難以進行控制。因此，電力系統(tǒng)運行必須采用自動化程度高且能

迅速而準確動作的自動調節(jié)、控制裝置和監(jiān)測、保護設備。

2.電能的質量

對用戶的供電除了應滿足用戶的需要并保證供電的可靠性外，還應保證良好的電能質量。通常衡量供電電能質量的指標是三相交流電的波形、頻率質量以及電漂電壓質量。為

了避免電能質量不高所造成的危害，這三項指標均應保持在一定的允許變動范圍內(nèi)。

(1)三相交流電的波形是正弦波，若波形畸變則會影響電動機的轉矩，或使測量儀表產(chǎn)生誤差等。因此，要求波形畸變系數(shù)不得大于5%。

(2)在電力系統(tǒng)正常狀況下，供電頻率的偏差為:電網(wǎng)裝機容量在3000MW及以上的，為±0.2Hz;電網(wǎng)裝機容量在3000MW以下的，為±0.5Hz。在電力系統(tǒng)非正常狀況下，供電頻率允許偏差不應超過±1.0Hz。

(3)我國目前規(guī)定的用戶處的容許電壓變動范圍(摘自《供電營業(yè)規(guī)則》)如下:在電力系統(tǒng)正常狀況下，35kV及以上電壓供電的，電壓正、負偏差的絕對值之和不超過額定值的10%；10kV及以下三相供電的，為額定值的±7%；220V單相供電的，為額定值的+7%~-10%。在電力系統(tǒng)非正常狀況下，用戶受電端的電壓最大允許偏差不應超過額定值的±10%。

3.對電力系統(tǒng)的要求

綜上所述，電力系統(tǒng)與其他工業(yè)部門相比較，有其不同的特點，主要是：電能不易儲存；電能生產(chǎn)與國民經(jīng)濟各部門以及人民生活關系密切；過渡過程非常短暫，電力系統(tǒng)的地區(qū)性特點較強。對電力系統(tǒng)的要求，正是根據(jù)電力系統(tǒng)的這些特點以及電力工業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位和作用提出來的?；疽笕缦拢?/p>

(1)保證供電的可靠性。電力系統(tǒng)停電不僅會給系統(tǒng)本身帶來損失，而且會給國民經(jīng)濟帶來更大的損失，甚至會造成人身傷亡和政治影響。為此，電力系統(tǒng)應盡可能對用戶做到可靠供電。尤其是對一、二類用戶，在任何情況下必須保證為一、二類用戶可靠地供電。

(2)保證電能的質量。所謂電能的質量，是指電力系統(tǒng)中各點的電壓和頻率的偏差應保持在一定的范圍內(nèi)。

(3)保證電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。運行的經(jīng)濟性是指生產(chǎn)、輸送和分配電能的耗費少、效率高、成本低。

綜上所述，電力系統(tǒng)的基本任務就是保證供給用戶充足、可靠、優(yōu)質而且廉價的電能。

二、電力系統(tǒng)的連接和電壓等級

1.電力系統(tǒng)的連接

電力系統(tǒng)中，發(fā)電廠和變電所之間的電氣連接方式，是由它們之間的地理位置、負荷大小及其重要程度確定的。常用的幾種連接方式如下：

(1)單回路接線。這種供電方式是單端電源供電的，如圖1－4(a)所示。當線路發(fā)生故障時，負荷將會停電，故不太可靠。這種接線適用于較不重要的負荷。

(2)雙回路接線，其供電方式如圖1－4(b)所示。雖然雙回路接線方式也只有單電源供電，但是當雙回路的某一條線路發(fā)生故障時，另一條輸電線路仍可繼續(xù)供電，故可靠性較高。同時，這兩回接線接在發(fā)電廠不同組別的母線上，當某組母線出現(xiàn)故障時，另一組母線經(jīng)另一輸電線路可保持對負荷供電，故可靠性是足夠高的。這種接線能擔負對一、二類用戶的供電。

(3)環(huán)形網(wǎng)絡接線，其接線方式如圖1－4(c)所示。如果一條線路發(fā)生故障，發(fā)電廠還可以經(jīng)另外兩條線路向負荷供電，故這種接線的可靠性也比較高。圖1－4電力系統(tǒng)的接線方式

2.電力網(wǎng)的額定電壓

為了完成電能的輸送和分配，電力網(wǎng)一般設置多種電壓等級。所有用電設備、發(fā)電機和變壓器都規(guī)定有額定電壓，即正常運行時最經(jīng)濟的電壓。電力網(wǎng)的額定電壓是根據(jù)用電

設備的額定電壓制定的。目前，我國制定的1000V以上電壓的額定電壓標準如表1－1所示。

對表11的說明如下：

(1)發(fā)電機的額定電壓比用電設備的額定電壓高出5%，這是由于一般電網(wǎng)中電壓損耗允許值為10%，而市用電設備的電壓偏差允許值為±5%，且發(fā)電機接在電力網(wǎng)送電端，

應比額定電壓高。

(2)變壓器一次側相當于用電設備，二次側是下一級電壓線路的送端，所以一次側電壓與用電設備的額定電壓相等，而二次側比用電設備電壓高10%(包括本身電壓損耗5%)。

但在3kV、6kV、10kV電壓時，若采用短路電壓小于7.

5%的配電變壓器，則二次繞組的額定電壓只高出用電設備電壓5%。

(3)變壓器一次繞組欄內(nèi)的3.15kV、6.3kV、10.5kV、15.75kV電壓適用于發(fā)電機端直接連接的升壓變壓器；二次繞組欄內(nèi)的3.3kV、6.6kV、11.0kV電壓適用于阻抗值在7.5%以上的降壓變壓器。

(4)一般將35kV及以上的高壓線路稱為輸電線路，10kV及以下的線路稱為配電線路。其中，3~10kV線路稱為高壓配電線路，1kV以下的線路稱為低壓配電線路。

3.電壓等級的選擇

對于某一電壓等級的輸電線路而言，其輸送能力主要取決于輸送功率的大小和輸送距離的遠近。由于各輸電線路電壓等級的選擇，是關系到電力系統(tǒng)建設費用的高低、運行是

否方便、設備制造是否經(jīng)濟合理的一個綜合性問題，因此要經(jīng)過復雜的計算和技術比較才能確定。據(jù)一般的經(jīng)驗，僅將各種電壓等級的輸送距離和輸送功率的大致關系列于表1－2中。

三、電力系統(tǒng)的中性點運行方式

在三相交流電力系統(tǒng)中，三相繞組作星形連接的發(fā)電機和變壓器，其中性點有三種運行方式:中性點不接地、中性點經(jīng)消弧線圈接地、中性點直接接地。其中，中性點不接地和中性點經(jīng)消弧線圈接地稱為中性點非有效接地，或稱為小電流接地；中性點直接接地稱為中性點有效接地，或稱為大電流接地。不同的中性點運行方式，對子電力系統(tǒng)運行的可靠性、電氣設備的過電壓與絕緣配合、繼電保護裝置的配置以及對通信的干擾等，都有很大的影響。

1.中性點不接地的電力系統(tǒng)

圖1－5所示為正常運行時中性點不接地的電力系統(tǒng)示意圖。圖1－5正常運行時的中性點不接地系統(tǒng)

在三相輸電系統(tǒng)中，相與相之間及相與地之間都存在著一定的電容。為討論方便，以集中電容C來表示相與地之間的分布電容。同時認為相間無相互影響，故不予考慮。

正常運行時，三相電容電流

是對稱的，即

，沒有電容電流流入大地，每相對地的電壓，就等于其相電壓。

當系統(tǒng)發(fā)生單相接地(設W相接地)，如圖1－6所示，由相量圖可見，W相對地電壓為零，而U相對地電壓

，V相對地電壓。由此可知，W相接地時，U、V兩相對地電壓由原來的相電壓升高到線電壓，即增大到正常時的倍。

因此，在中性點不接地系統(tǒng)中，各電氣設備的絕緣應按線電壓考慮，增大了設備造價。此外，U、V相對地電壓升高為正常時的倍，其電容電流也增大為正常時的倍，而接地電流IC

是U、V兩相電容電流的相量和，為正常運行時一相電容電流的３倍。注意，接地電流的大小與電壓高低及線路長短有關，一般為幾安到幾十安。圖－6中性點不接地系統(tǒng)W相發(fā)生接地時的情況

必須指出，當電源中性點不接地的電力系統(tǒng)中發(fā)生一相接地時，三相用電設備的正常工作不會受到影響，因為線路的線電壓無論相位和量值均未發(fā)生變化，所以三相用電設備仍然照常運行。但不允許系統(tǒng)在單相接地情況下長期運行，因為當另外任何一相再發(fā)生接地時，就會形成兩相短路，造成停電。此外，單相接地電流還會產(chǎn)生電弧。所以必須設有監(jiān)視和保護裝置，以便及時發(fā)現(xiàn)單相接地故障，并盡快排除。

2.中性點經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)

在中性點不接地系統(tǒng)中，如發(fā)生單相接地故障，則當接地電流不大時，電弧可在電流過零瞬間自動熄滅；當接地電流較大時，可能產(chǎn)生間歇性電弧，引起相對地的過電壓，損壞絕緣，并導致兩相接地短路；當接地電流更大時，將會形成持續(xù)性電弧，造成設備燒壞并導致相間短路等事故。為了減小單相接地電流，使電弧易于熄滅，因此有關規(guī)程規(guī)定：在單相接地電容電流大于一定值的電力系統(tǒng)中，電源中性點必須采取經(jīng)消弧線圈接地的運行方式，如圖1－7所示。圖1－7中性點經(jīng)消弧線圈接地

消弧線圈實際上是一個帶鐵芯的電感線圈，其電阻很小，感抗很大。當系統(tǒng)發(fā)生一相接地時，流過接地點的電流是接地電容電流與流過消弧線圈的電感電流I·L之和。由于

超前90°，而滯后90°，所以I·L與

在接地點互相補償。當

與

的量值差小于發(fā)生電弧的最小電流(一般稱為最小生弧電流)時，電弧就不會發(fā)生，也就不會出現(xiàn)諧振過電壓現(xiàn)象。

中性點經(jīng)消弧線圈接地方式與中性點不接地方式一樣，允許在單相接地故障的情況下短時運行，但應及時發(fā)現(xiàn)并排除故障。實際上，高壓架空輸電線路的單相接地故障大多是

瞬時性的，在接地電弧熄滅后線路就恢復正常了。所以高壓架空輸電線路常采用中性點經(jīng)消弧線圈接地的方式連接。

電源中性點經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，在一相接地時，其他兩相對地電壓也要升高到線電壓。即升高為原對地電壓的

倍。

3.中性點直接接地系統(tǒng)

防止單相接地時產(chǎn)生間歇性電弧過電壓的另一方法是將系統(tǒng)的中性點直接接地，如圖1－8所示。

如果中性點直接接地系統(tǒng)的一相接地，就會造成單相短路。單相短路時電流很大，通過繼電保護裝置，可使線路開關自動跳閘，將短路故障部分切除，讓系統(tǒng)的其他部分恢復正常運行。圖1－8中性點直接接地系統(tǒng)

四、電力系統(tǒng)短路的基本概念

短路是電力系統(tǒng)中出現(xiàn)最多的一種故障形式。所謂短路，是指電力系統(tǒng)正常運行之外的相與相或相與地之間的“短接”。在正常運行的電力系統(tǒng)中，除中性點之外，相與相之間、相與地之間都是絕緣的。

1.短路的原因

電力系統(tǒng)發(fā)生短路的原因一般可分為以下幾種情況:

(1)載流部分的絕緣被破壞，這通常是電力系統(tǒng)發(fā)生短路的主要原因。

(2)設備缺陷未被發(fā)現(xiàn)或未及時消除。

(3)輸電線路斷線或倒桿，使導線接地或相碰。

(4)工作人員誤操作。

(5)各種動物跨接到裸露的載流導體上。

(6)大風、冰雹、地震、雷擊等自然災害。

2.短路的后果

短路對電力系統(tǒng)造成的影響主要有以下幾個方面：

(1)短路電流的熱效應。短路電流通常是正常工作電流的十幾倍到幾十倍甚至更高，這將使電氣設備過熱，從而使絕緣受到損傷，甚至可能燒毀電氣設備。

(2)短路電流的電動力效應。巨大的短路電流將在電氣設備中產(chǎn)生很大的電動力，可引起電氣設備的機械變形、扭曲，甚至損壞。

(3)短路電流的磁效應。當交流電流通過線路時，會在線路周圍的空間建立起交變電磁場，而交變電磁場將在鄰近的導體回路中產(chǎn)生感應電動勢。當系統(tǒng)正常運行時，三相電

流是對稱的，它在線路周圍空間各點所造成的磁場均彼此抵消，故在鄰近導體回路中不會產(chǎn)生感應電勢。當系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路時，不對稱電流產(chǎn)生不平衡的交變磁場，對送電線

路附近的通信線路、鐵路信號集中閉塞系統(tǒng)、可控硅觸發(fā)系統(tǒng)及其他自動控制系統(tǒng)就可能產(chǎn)生干擾。

(4)短路電流產(chǎn)生的電壓降。很大的短路電流通過線路時，會在線路上產(chǎn)生很大的壓降，使用戶處電壓突然下降，影響電動機的正常工作以及照明負荷的正常工作。

3.短路的形式

在電力系統(tǒng)中，可能發(fā)生三相短路、兩相短路、單相接地短路和兩相接地短路，如圖1－9所示。

當三相短路時，由于短路回路的三相阻抗相等，因此三相電流和電壓仍是對稱的，故稱為對稱短路。但在發(fā)生其他類型的短路時，不僅每相電路中的電流和電壓數(shù)值不相等，

而且相角也不相同，所以這些短路被稱為不對稱短路。圖1－9短路的類型

電力系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地短路的可能性最大，但三相短路的短路電流最大，造成的危害也最嚴重。為了使電力系統(tǒng)中的電氣設備在最嚴重的短路狀態(tài)下也能可靠地工作，在選擇檢驗電氣設備用的短路計算中，應以三相短路的計算為主。短路的危害是很大的，在電力系統(tǒng)的設計和運行中，正確選擇電氣設備和正確進行設計安裝，加強維修檢查和進行預防性試驗，避免誤操作，都是防止短路的有效措施。

1.1.4電力系統(tǒng)的構成

電力系統(tǒng)主要由發(fā)電廠、輸電線路、配電系統(tǒng)及負荷組成(如果將發(fā)電廠內(nèi)的原動機部分也計入其中，則稱為動力系統(tǒng))，其覆蓋地域較廣。電力系統(tǒng)的功能是將原始能源轉換為電能，經(jīng)過輸電線路送至配電系統(tǒng)，再由配電線路把電能分配給負荷(用戶)。原始能源主要是水力能源與火力能源(煤、天然氣、石油、核聚變裂變?nèi)剂系?，至于地熱、潮汐、風力、太陽能等尚處于小容量發(fā)展階段。

在火力發(fā)電廠(或核電站)中，先由鍋爐將化學能轉變?yōu)闊崮?或由核反應堆將核能轉變?yōu)闊崮?，再由汽輪機將熱能轉變?yōu)闄C械能(若由天然氣或水力發(fā)電，則直接由燃氣輪機將化學能直接轉變?yōu)闄C械能，或由水輪機將水位能轉化為機械能)，最后由發(fā)電機將機械能轉變?yōu)殡娔?。輸電線連接發(fā)電廠與配電系統(tǒng)以及與其他系統(tǒng)實行互聯(lián)。配電系統(tǒng)連接由輸電線供電的局域內(nèi)的所有單個負荷。電力負荷包括電燈、電

熱器、電動機(感應電動機、同步電動機等)、整流器、變頻器或其他裝置。在這些設備中電能又將轉變?yōu)楣饽?、熱能、機械能等。

典型的電力系統(tǒng)和電力網(wǎng)絡示意圖如圖1－10所示。發(fā)電機經(jīng)過升壓變壓器將電壓升高至輸電電壓(220~500kV)。在受端通過降壓變壓器將電壓降至配電電壓(10~110kV，

380/220V)。在降壓變電站大型用戶的配電電壓為35~110kV，而中小型用戶的配電電壓為6~10kV、380/220V。現(xiàn)分述如下。圖1－10典型的電力系統(tǒng)和電力網(wǎng)絡示意圖

1.發(fā)電廠

發(fā)電廠的作用是生產(chǎn)電能，即發(fā)電廠將其他形式的一次能深經(jīng)發(fā)電設備轉換為電能。發(fā)電廠根據(jù)利用的能源不同可分為火力發(fā)電廠、水力發(fā)電廠、原子能發(fā)電廠以及利用其他

能源(如地熱、風力、太陽能、石油、天然氣、潮汐能等)的發(fā)電廠。目前，在我國大型電力系統(tǒng)中占主要地位的發(fā)電廠主要是火力發(fā)電廠，其次是水力和原子能發(fā)電廠。

為了充分、合理地利用動力資深，縮短燃料的運輸距離，降低發(fā)電成本，火力發(fā)電廠一般建設在燃料產(chǎn)地，而水力發(fā)電廠只能建在水力資源豐富的地方。因此，發(fā)電廠往往遠離

城市和工業(yè)企業(yè)，即用電中心地區(qū)，故必須進行遠距離輸電。

2.電力網(wǎng)(輸配電系統(tǒng))

電能的輸送和分配是由輸配電系統(tǒng)完成的。輸配電系統(tǒng)又稱電力網(wǎng)，它包括電能傳輸過程中途經(jīng)的所有變電所、配電所中的電氣設備和各種不同電壓等級的電力線路。實踐證

明，輸送的電力愈大，輸電距離愈遠，選用的輸電電壓就愈高，這樣才能保證在輸送過程中的電能損耗下降。但從用電角度考慮，為了用電安全和降低用電設備的制造成本，則希望電壓低一些。因此，一般發(fā)電廠發(fā)出的電能都要先經(jīng)過升壓，然后由輸電線路送到用電區(qū)，再經(jīng)過降壓，最后分配給用戶使用，即采用高壓輸電、低壓配電的方式。變電所就是完成這種任務的場所。

在發(fā)電廠設置升壓變電所將電壓升高以利于遠距離輸送，在用電區(qū)則設置降壓變電所將電壓降低以供用戶使用。

降壓變電所內(nèi)裝設有受電、變電和配電設備，其作用是接受輸送來的高壓電能，經(jīng)過降壓后將低壓電能進行分配。而對于低壓供電的用戶，只需再設置低壓配電所即可。配電

所內(nèi)不設置變壓器，它只能接受電能和分配電能。

3.電力用戶

電力系統(tǒng)的用戶也稱為用電負荷，可分為工業(yè)用戶、農(nóng)業(yè)用戶、公共事業(yè)用戶和人民生活用戶等。根據(jù)用戶對供電可靠性的不同要求，目前我國將用電負荷分為以下三級：

(1)一級負荷：對這一級負荷中斷供電會造成人身傷亡事故或造成工業(yè)生產(chǎn)中關鍵設備難以修復的損壞，致使生產(chǎn)秩序長期不能恢復正常，造成國民經(jīng)濟的重大損失；或使市

政生活的重要部門發(fā)生混亂等。

(2)二級負荷：對這一級負荷中斷供電將引起大量減產(chǎn)，造成較大的經(jīng)濟損失；或使城市大量居民的正常生活受到影響等。

(3)三級負荷：對這一級負荷的短時供電中斷不會造成重大損失。

對于不同等級的用電負荷，應根據(jù)其具體情況采取適當?shù)募夹g措施來滿足它們對供電可靠性的要求。一級負荷要求供電系統(tǒng)必須有備用電源。當工作電源出現(xiàn)故障時，由保護

裝置自動切除故障電源，同時由自動裝置將備用電源自動投入或由值班人員手動投入，以保證對重要負荷連續(xù)供電。如果一級負荷不大，則可采用自備發(fā)電機等設備，作為備用電

源。對于二級負荷，應由雙回路供電，當采用雙回路有困難時，則允許采用專用架空線供電。對于三級負荷，通常采用一組電源供電。

電力系統(tǒng)可以用一些基本參量加以描述，茲分述如下：

①總裝機容量：系統(tǒng)中所有發(fā)電機組額定有功功率的總和，以兆瓦(MW)計。

②年發(fā)電量：系統(tǒng)中所有發(fā)電機組全年所發(fā)電能的總和，以兆瓦時(MW·h)計。

③最大負荷：指規(guī)定時間(一天、一月或一年)內(nèi)電力系統(tǒng)總有功功率負荷的最大值，以兆瓦(MW)計。

④年用電量：接在系統(tǒng)上所有用戶全年所用電能的總和，以兆瓦時(MW·h)計。

⑤額定頻率:我國規(guī)定的交流電力系統(tǒng)的額定頻率為50Hz。

⑥最高電壓等級:電力系統(tǒng)中最高電壓等級的電力線路的額定電壓，以千伏(kV)計。

圖1－10所示系統(tǒng)的最高電壓等級為500kV。

1.2發(fā)電廠

發(fā)電廠是把各種一次能源(如燃料的化學能、水能、風能等)轉換成電能的工廠。電廠所生產(chǎn)的電能，一般要由升壓變壓器升壓后經(jīng)高壓輸電線輸送，再由變電站降壓，最后才能供給各種不同用戶使用。

1.2.1火力發(fā)電廠

1.火力發(fā)電廠簡介

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。在發(fā)電設備總裝機容量中，火力發(fā)電的裝機容量約占70%以上。我國和世界各國的火電廠所使用的燃料大多以煤炭為主，其他可以使用的燃料還有天然氣、燃油(石油)以及工業(yè)和生活廢料(垃圾)等。其中燃燒垃圾的火電廠有利于環(huán)境保護，其發(fā)展極為引人關注。

火電廠在將一次能源轉換為電能的生產(chǎn)過程中要經(jīng)過三次能量轉換。首先是通過燃燒將燃料的化學能轉變?yōu)闊崮?，再?jīng)過原動機把熱能轉變?yōu)闄C械能，最后通過發(fā)電機將機械能轉變?yōu)殡娔堋?/p>

火電廠分類如下：

(1)按照燃料分類：燃煤發(fā)電廠、燃油發(fā)電廠、燃氣發(fā)電廠、余熱發(fā)電廠。

(2)按輸出能源分類：凝汽式發(fā)電廠(只向外供應電能)、熱電廠(同時向外供應電能和熱能)。

(3)按總裝機容量分類：小容量發(fā)電廠(100MW以下)、中容量發(fā)電廠(100~250MW)、大中容量發(fā)電廠(250~1000MW)、大容量發(fā)電廠(1000MW及以上)。

(4)按蒸汽壓力和溫度分類如下。

中低壓發(fā)電廠：蒸汽壓力3.92MPa，溫度450℃，單機功率小于25MW。

高壓發(fā)電廠：蒸汽壓力9.9MPa，溫度540℃，單機功率小于100MW。

超高壓發(fā)電廠：蒸汽壓力13.83MPa，溫度540℃，單機功率小于200MW。

亞臨界壓力發(fā)電廠：蒸汽壓力16.77MPa，溫度540℃，單機功率為300~1000MW。

超臨界壓力發(fā)電廠：蒸汽壓力大于22.11MPa，溫度550℃，機組功率600MW、800MW以上。

2.火電廠的電能生產(chǎn)過程

(1)凝汽式發(fā)電廠。

在這類電廠中，鍋爐產(chǎn)生蒸汽，經(jīng)管道送到汽輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電。已做過功的蒸汽，進入凝汽器內(nèi)冷卻成水，又重新送回鍋爐使用。由于在凝汽器中，大量的熱量被循環(huán)水帶走，故一般凝汽式發(fā)電廠的效率都很低，即使是現(xiàn)代的高溫高壓或超高溫高壓的輕汽式火電廠，效率也只有30%~40%。通常簡稱凝汽式發(fā)電廠為火電廠。圖1－11是凝汽式電站的生產(chǎn)過程原理。圖1－11凝汽式電站的生產(chǎn)過程原理

火電廠使用的原動機可以是凝汽式汽輪機、燃氣輪機或內(nèi)燃機，其中內(nèi)燃機一般只在農(nóng)村和施工工地上使用。我國大部分火電廠采用凝汽式汽輪發(fā)電機組，稱為凝汽式火力發(fā)

電廠。圖1－12為凝汽式火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程示意圖。圖1－12凝汽式火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程示意圖

生產(chǎn)過程中需要把燃煤用輸煤帶從煤場運至煤斗。一般大型火電廠為提高燃煤效率燃燒的是煤粉。因此，煤斗中的原煤要先送至磨煤機內(nèi)磨成煤粉，然后由熱空氣攜帶煤粉經(jīng)

排粉風機送入鍋爐的爐膛內(nèi)燃燒。煤粉燃燒后形成的熱煙氣沿鍋爐的水平煙道和尾部煙道流動，放出熱量，最后進入除塵器，將燃燒后的煤灰分離出來。潔凈的煙氣在引風機的作用下通過煙囪排入大氣。助燃用的空氣由送風機送入裝設在尾部煙道上的空氣預熱器內(nèi)，利用熱煙氣加熱空氣。這樣，一方面可以使進入鍋爐的空氣溫度提高，方便煤粉的引燃和燃燒；另一方面也可以降低排煙溫度，提高熱能的利用率。

從空氣預熱器排出的熱空氣分為兩股：一股去磨煤機干燥和輸送煤粉；另一股直接送入爐膛助燃。燃煤燃盡的灰渣落入爐膛下面的渣斗內(nèi)，與從除塵器中分離出的細灰一起用水沖至灰漿泵房內(nèi)，再由灰漿泵送至灰場。在除氧器水箱內(nèi)的水經(jīng)過給水泵升壓后通過高壓加熱器送入省煤器。在省煤器內(nèi)，

水受到熱煙氣的加熱，然后進入鍋爐頂部的汽包內(nèi)。在鍋爐爐膛四周密布著水管，稱為水冷壁。水冷壁水管的上、下兩端均通過連箱與汽包連通，汽包內(nèi)的水經(jīng)由水冷壁不斷循環(huán)，

吸收著煤燃燒過程中放出的熱量。部分水在水冷壁中被加熱沸騰后汽化成水蒸氣，這些飽和蒸汽由汽包上部流出進入過熱器中。

飽和蒸汽在過熱器中繼續(xù)吸熱，成為過熱蒸汽。過熱蒸汽具有很高的壓力和溫度，因此有很大的熱勢能。具有熱勢能的過熱蒸汽經(jīng)管道引入汽輪機后，便將熱勢能轉變成動能。高速流動的蒸汽推動汽輪機轉子轉動，形成機械能。汽輪機的轉子與發(fā)電機的轉子通過聯(lián)軸器連在一起。當汽輪機轉子轉動時便帶動發(fā)電機轉子轉動。在發(fā)電機轉子的另一端帶著一個小直流發(fā)電機，稱為勵磁機。勵磁機發(fā)出的直流電送至發(fā)電機的轉子線圈中，使轉子成為電磁鐵，周圍產(chǎn)生磁場。當發(fā)電機轉子旋轉時，磁場也是旋轉的，發(fā)電機定子內(nèi)的導線就會切割磁力線感應產(chǎn)生電流。這樣，發(fā)電機便把汽輪機的機械能轉變?yōu)殡娔堋ｋ娔芙?jīng)變壓器將電壓升壓后，由輸電線送至電用戶。

釋放出熱勢能的蒸汽從汽輪機下部的排汽口排出，稱為乏汽。乏汽在凝汽器內(nèi)被循環(huán)水泵送入凝汽器的冷卻水冷卻，重新凝結成水，此水稱為凝結水。凝結水由凝結水泵送入低壓加熱器并最終回到除氧器內(nèi)，完成一個循環(huán)。在循環(huán)過程中難免有汽水的泄漏，即汽水損失，因此要適量地向循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)補給一些水，以保證循環(huán)的正常進行。高、低壓加熱器

是為提高循環(huán)的熱效率所采用的裝置，而除氧器則是為了除去水中含有的氧氣以減少設備及管道腐蝕所采用的裝置。

以上分析雖然較為繁雜，但從能量轉換的角度看卻很簡單。即燃料的化學能→蒸汽的熱能→機械能→電能。在鍋爐中，燃料的化學能轉變?yōu)檎羝臒崮?；在汽輪機中，蒸汽的熱能轉變?yōu)檩喿有D的機械能；在發(fā)電機中機械能轉變?yōu)殡娔?。爐、機、電是火電廠中的主要設備，亦稱三大主機。輔助三大主機工作的設備稱為輔助設備或輔機。主機與輔機及其相連的管道、線路等稱為系統(tǒng)?；痣姀S的主要系統(tǒng)有燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等。除了上述的主要系統(tǒng)外，火電廠還有其他一些輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，如燃煤的輸送系統(tǒng)、水的化學處理系統(tǒng)、灰漿的排放系統(tǒng)等。

這些系統(tǒng)與主系統(tǒng)協(xié)調工作，它們相互配合完成電能的生產(chǎn)

任務。大型火電廠為保證這些設備的正常運轉，安裝有大量的儀表，用來監(jiān)視這些設備的運行狀況。同時還設置有自動控制裝置，以便及時地對主、輔設備進行調節(jié)。現(xiàn)代化的火電廠，已采用了先進的計算機分散控制系統(tǒng)。計算機分散控制系統(tǒng)可以對整個生產(chǎn)過程進行控制和自動調節(jié)，并能根據(jù)不同情況協(xié)調各設備的工作狀況。這些控制系統(tǒng)使整個火電廠的自動化水平達到了新的高度。目前，自動控制裝置及系統(tǒng)已成為火電廠中不可缺少的部分。

(2)供熱式發(fā)電廠(熱電廠)。

供熱式發(fā)電廠與凝汽式火電廠不同之處主要在于，供熱式發(fā)電廠的汽輪機中一部分做過功的蒸汽會在中間段被抽出來供給熱用戶使用，或經(jīng)熱交換器將水加熱后，供給用戶熱水。熱電廠通常都建在熱用戶附近，它除發(fā)電外，還向用戶供熱，這樣可以減少被循環(huán)水帶走的熱量損失，提高總效率。現(xiàn)代熱電廠的總效率可高達60%~70%。

另外，重要的大型廠礦企業(yè)往往建設專用電廠作為自備電源，這類電廠的原動機一般為小型汽輪機或柴油機。單獨來看，這種發(fā)電廠的生產(chǎn)往往不經(jīng)濟，但它可起到后備保障

作用，若能和其他能源供應結合起來綜合利用，其經(jīng)濟效益將有所提高。

1.2.2水力發(fā)電廠

水力發(fā)電廠是利用河流所蘊藏的水能資源來生產(chǎn)電能的工廠，簡稱水電廠或水電站。水力發(fā)電的能量轉換過程只需兩次，即通過原動機(水輪機)將水的位能轉變?yōu)闄C械能，再通過發(fā)電機將機械能轉變?yōu)殡娔?，故在能量轉換過程中損耗較小，發(fā)電的效率較高。

水電廠的發(fā)電容量取決于水流的水位落差和水流的流量，即

式中，P為水電廠的發(fā)電容量，單位為kW；Q為通過水輪機的水的流量，單位為m3/s；H為作用于水電廠的水位落差，也稱水頭，單位為m；η為水輪發(fā)電機組的效率，一般為0.80~0.85。

由式(1－1)可見，在流量一定的條件下，水流落差愈大，水電廠出力就愈大。為了充分利用水力資源，應盡量抬高水位。因此水電廠往往需要修建攔河大壩等水工建筑物，以形成集中的水位落差，并依靠大壩形成具有一定容積的水庫以調節(jié)水的流量。

根據(jù)水力樞紐布置的不同，水電廠可分為堤壩式和引水式等，其中以堤壩式水電廠應用最為普遍。

1.堤壩式水電廠

堤壩式水電廠利用修筑攔河堤壩來抬高上游水位，形成發(fā)電水頭。根據(jù)廠房位置的不同，堤壩式水電廠又可分為壩后式和河床式兩種。

(1)壩后式水電廠。

壩后式水電廠的廠房建在壩后，全部水壓由壩體承受，其廠房本身不承受水的壓力。

圖1－13為壩后式水電廠。圖中，攔河壩將上游水位提高，形成水庫，水庫中的水在高落差的作用下經(jīng)壓力水管高速進入螺旋形蝸殼推動水輪機轉子旋轉；將水能轉換為機械

能。水輪機的轉子帶動同軸相連的發(fā)電機旋轉，將機械能轉換成電能。水流對水輪機做功后經(jīng)尾水管排往下游。發(fā)電機發(fā)出的電能經(jīng)變壓器升壓后，送入高壓電力網(wǎng)。

我國長江三峽、劉家峽、丹江口等水電廠均屬壩后式水電廠。圖1－13壩后式水電廠

(2)河床式水電廠。

河床式水電廠建在河道平緩區(qū)段，水頭一般在20~30m。堤壩和廠房建在一起，廠房成為擋水建筑物的一部分，庫水直接由廠房進水口引入水輪機，如圖1－14所示。我國的葛

洲壩水電廠即屬此類型。圖1－14河床式水電廠

2.引水式水電廠

引水式水電廠一般建于河流上游坡度較大的區(qū)段，采用修隧道或渠道的方法形成水流落差來發(fā)電，如圖1－15所示。山區(qū)小水電常采用此種形式。圖1－15引水式水電廠

除此之外，還有近年來發(fā)展較快的抽水蓄能電站。它是在水電廠的下游建一蓄水庫，當夜間電力系統(tǒng)的負荷很低時，將蓄水庫中的水抽回到上游水庫中變成水的位能，以備白

天負荷高峰時發(fā)電，這種水電站也因此而得名。

為了充分利用水能，在一條河流上可以根據(jù)地形建一系列水電廠，進行梯級開發(fā)，使上游的水流發(fā)電后放入下游，再供下游的發(fā)電廠發(fā)電，這種形式的電廠稱為梯級電站，例如湖北省清江上的水布埡電站、隔河巖電站和高壩洲電站即屬梯級水電站。

與火電廠相比，水電廠的生產(chǎn)過程相對簡單，水能屬潔凈、廉價的能源，無環(huán)境污染，生產(chǎn)效率高，其發(fā)電成本僅為火力發(fā)電的25%~35%。水電廠也容易實現(xiàn)自動化控制和管理，并能適應負荷的急劇變化，調峰能力強。同時，隨著水電廠的興建往往還可以同時解決防洪、灌溉、航運等多方面的問題，從而實現(xiàn)江河的綜合利用。因此，大力開發(fā)和優(yōu)先開發(fā)水電是我國電力建設的基本方針。然而水電建設也存在投資大、建設工期長、受季節(jié)水量變化影響較大等缺點。另外，在建設水電的過程中還會涉及淹沒農(nóng)田、移民、破壞自然和人文景觀以及生態(tài)平衡等一系列問題，這些都需要統(tǒng)籌考慮，合理解決。

1.2.3核能發(fā)電廠

核電廠(也稱核電站)是利用核能發(fā)電的工廠。核能又稱原子能，因此核電廠也稱原子能發(fā)電廠。

核能的利用是現(xiàn)代科學技術的一項重大成就。從20世紀40年代原子彈的出現(xiàn)開始，核能就逐漸被人們所掌握，并陸續(xù)用于工業(yè)、交通等許多部門，為人類提供了一種新的能源。核能分為核裂變能和核聚變能兩類。由于核聚變能受控難度較大，目前用于發(fā)電的核能主要是核裂變能。

核能發(fā)電過程與火力發(fā)電過程相似，只是核能發(fā)電的熱能是利用置于核反應堆中的核燃料在發(fā)生核裂變時釋放出的能量而得到的。根據(jù)核反應堆型式的不同，核電廠可分為輕

水堆型、重水堆型及石墨氣冷堆型等。目前世界上的核電廠大多采用輕水堆型。輕水堆又有壓水堆和沸水堆之分。圖1－16為壓水堆型核電廠和沸水堆型核電廠的生產(chǎn)過程示意圖。圖1－16核能發(fā)電廠生產(chǎn)過程示意圖

由圖1－16(b)可以看出，在沸水堆型核能發(fā)電系統(tǒng)中，水直接被加熱至沸騰而變成蒸汽，然后引入汽輪機做功，帶動發(fā)電機發(fā)電。沸水堆型的系統(tǒng)結構比較簡單，但由于水是在沸水堆內(nèi)被加熱的，其堆芯體積較大，并有可能使放射性物質隨蒸汽進入汽輪機，對設備造成放射性污染，使其運行、維護和檢修變得復雜和困難。為了避免這個缺點，目前世界上60%以上的核電廠采用如圖1－16(a)所示的壓水堆型核能發(fā)電系統(tǒng)。與沸水堆系統(tǒng)不同，壓水堆系統(tǒng)中增設了一個蒸汽發(fā)生器，從核反應堆中引出的高溫水蒸氣，進入蒸汽發(fā)生器內(nèi)，將熱量傳給另一個獨立系統(tǒng)的水，使之加熱成高溫蒸汽以推動汽輪發(fā)電機組旋轉。由于在蒸汽發(fā)生器內(nèi)兩個水系統(tǒng)是完全隔離的，所以不會對汽輪機等設備造成放射性污染。我國的核電站即以壓水堆型為主。

核電廠的主要優(yōu)點是可以大量節(jié)省煤、石油等燃料。例如:1kg鈾裂變所產(chǎn)生的熱量相當于2.7×103t標準煤燃燒產(chǎn)生的熱量。一座容量為500MW的火電廠每年要燒1.5×106t煤，而相同容量的核電廠每年只需消耗600kg的鈾燃料，從而避免了大量的燃料運輸。雖然核電廠的造價比火電廠高，但其長期的燃料費、維護費則比火電廠低，且核電廠的規(guī)模愈大則生產(chǎn)每度電的投資費用下降愈多。日本大地震前，世界最大的核電站是日本福島核電站，容量為9096MW。目前世界上最大單機容量的核電站是1750MW的廣東臺山核電站。2016年，我國核電累計發(fā)電量為2105.19億千瓦·時，約占全國累計發(fā)電量的3.56%。

1.2.4新能源發(fā)電

目前，除了利用燃料的化學能、水的位能和核能作為生產(chǎn)電能的主要方式外，利用風能、地熱、潮汐、太陽能等可再生能源生產(chǎn)電能的開發(fā)研究在世界各國也引起了廣泛重視。

1.風力發(fā)電

風力發(fā)電是利用風的動能來生產(chǎn)電能的。風力發(fā)電的過程是利用風力使風機的轉子旋轉，將風的動能轉換成機械能，再通過變速和超速控制裝置帶動發(fā)電機發(fā)出電能。我國內(nèi)

蒙古、甘肅、青藏高原地區(qū)風力資源豐富，目前已建造了一些風力發(fā)電場(簡稱風電場)，有效地解決了地處偏遠、居住分散的牧民們的生產(chǎn)和生活用電。至2016年底我國風電的總裝機容量為16873萬千瓦。風能是清潔能源和可再生能源，風力發(fā)電必將會得到更大的發(fā)展。

2.地熱發(fā)電

地熱發(fā)電是利用地表深處的地熱能來生產(chǎn)電能的。地熱發(fā)電廠的生產(chǎn)過程與火電廠相似，只是以地熱井取代鍋爐設備，將地熱蒸汽從地熱井引出，濾除其中的固體雜質后推動

汽輪機旋轉，將地熱能轉換為機械能，帶動發(fā)電機發(fā)出電能。

地球內(nèi)部蘊藏著巨大的熱能，據(jù)估計全世界可供開采利用的地熱能相當于幾萬億噸煤，因此，開發(fā)利用地熱資源發(fā)電具有廣闊的發(fā)展前景。目前我國西藏地熱電站總裝機容量為28.78MW。其中羊八井地熱電廠的裝機容量為25.18MW，其地下水溫約150℃，是一種低溫熱能發(fā)電方式。

3.潮汐發(fā)電

潮汐發(fā)電是利用海水漲潮、落潮中的動能和勢能來發(fā)電的。潮汐發(fā)電廠一般建在海岸邊或河口地區(qū)，與水電廠建立攔河壩一樣，潮汐發(fā)電廠也需要在一定的地形條件下建立攔

潮堤壩，以形成足夠的潮汐潮差及較大的容水區(qū)。潮汐發(fā)電廠在漲潮和退潮時均可發(fā)電，即漲潮時將水通過閘門引入廠內(nèi)發(fā)電并儲水，退潮時打開另一閘門放水發(fā)電。

我國的海岸線長，沿海的潮汐能量約有2×108kW。

1985年建成的江廈潮汐電站總容量為3.2MW，是國內(nèi)最大的潮汐發(fā)電廠，為大規(guī)模開發(fā)沿海潮汐資源積累了寶貴經(jīng)驗。

4.太陽能發(fā)電

利用太陽的光能或熱能來生產(chǎn)電能的均稱為太陽能發(fā)電。如將太陽的光能直接轉換成電能的光電池已廣泛應用于航天裝置、人造地球衛(wèi)星以及野外通信設備上，作為這些裝備

的工作電源。

利用太陽的熱能發(fā)電，有直接熱電轉換和間接熱電轉換兩種方式。溫差發(fā)電、熱離子和磁流體發(fā)電等，屬于直接轉換方式。將太陽能聚集起來，通過熱交換器將水變?yōu)檎羝麃?/p>

驅動汽輪發(fā)電機組發(fā)電則屬于間接轉換方式。

因為太陽能取之不盡、用之不竭，成本低且無污染，所以備受人們青睞。目前我國的太陽能發(fā)電量居世界第一。2016年我國太陽能發(fā)電達591億千瓦·時，占中國全年總發(fā)電量的1%。由此可見太陽能發(fā)電還有相當大的發(fā)展空間。

1.3變電所類型

變電所是聯(lián)系發(fā)電廠和用戶的中間環(huán)節(jié)，起著電能變換和分配的作用，是電力網(wǎng)的主要組成部分。

按功能劃分，電力系統(tǒng)的變電站可分為兩大類：

①發(fā)電廠的變電站，稱為發(fā)電廠的升壓變電站，其作用是將發(fā)電廠發(fā)出的有功功率及無功功率送入電力網(wǎng)，因此其使用的變壓器是升壓型，其中低壓為發(fā)電機額定電壓，高、中壓主分接頭電壓為電網(wǎng)額定電壓的110%；

②電力網(wǎng)的變電站，一般選用降壓型變壓器，即作為功率受端的高壓主分接頭電壓為電網(wǎng)額定電壓，功率送端中、低壓主分接頭電壓為電網(wǎng)額定電壓的110%。具體選擇應根據(jù)電力網(wǎng)電壓調節(jié)計算來確定。變電站在電力系統(tǒng)中位置示意如圖－17所示，所有發(fā)電廠發(fā)出的電力均需經(jīng)過升壓變電所連接到高壓、超高壓輸電線路上，以便將電能送出。然后經(jīng)過降壓變電所降壓后將電能分配至各個地區(qū)及用戶中。

圖1－17變電站在電力系統(tǒng)中位置示意圖

按照在電力系統(tǒng)中的位置，變電所也可分為以下幾類。

1.樞紐變電所

樞紐變電所的主要作用是聯(lián)絡本電力系統(tǒng)中的各大電廠與大區(qū)域或大容量的重要用戶，并實施與遠方其他電力系統(tǒng)的聯(lián)絡，是實現(xiàn)聯(lián)合發(fā)、輸、配電的樞紐，因此其電壓最

高，容量最大，是電力系統(tǒng)的最上層變電站。其連接電力系統(tǒng)中高壓和中壓的幾個電壓級，匯集多個電源，高壓側電壓為330~500kV的變電所，全所停電后將引起系統(tǒng)解列甚至

瓦解。

2.中間變電所

中間變電所的主要作用是對一個大區(qū)域供電，因此其高壓進線來自樞紐變電所(站)或附近的大型發(fā)電廠，其中、低壓對多個小區(qū)域負荷供電，并可能接入一些中、小型電廠，是電力系統(tǒng)的中層變電站。其高壓側起轉換功率的作用，通常匯集兩三個電源，電壓為220~330kV，同時降壓供給地區(qū)用電，全所停電后將引起電網(wǎng)解列。

3.地區(qū)變電所

地區(qū)變電所的主要作用是對一個小區(qū)域或較大容量的工廠供電，高壓側電壓為110~220kV，以向地區(qū)用戶供電為主。全所停電后，該地區(qū)將中斷對用戶的供電。

4.終端變電所

終端變電所是電力系統(tǒng)最下層的變電站。其低壓出線分布于用戶中，并在沿途接入小容量變壓器，降壓供給小容量的生產(chǎn)和生活用電，個別工廠內(nèi)會下設車間變電站對各車間

供電;其高壓側電壓為110kV，處于輸電線路終端，接近負荷點。全所停電后，有關用戶將被中斷供電。

注意：有些重要的工廠可能會設立自備電廠，該自備電廠接入配電變電站的低壓母線中。正常運行時自備電廠除供給本廠負荷外還可能有剩余功率對外輸出，這時該變電站實

際上為自備電廠的升壓變電站;當自備電廠停運時，外部電力系統(tǒng)經(jīng)該變電站將功率送入，這時該變電站為降壓變電站，因此常稱此種變電站為工廠與電力系統(tǒng)的聯(lián)絡變電站。考慮

功率的雙向傳送，其變壓器可按需要選用有載調壓變壓器。

1.4發(fā)電廠和變電所電氣設備簡述

為了滿足電能的生產(chǎn)、轉換、輸送和分配的需要，發(fā)電廠和變電所中安裝有各種電氣設備。

1.4.1電氣一次設備

一次設備主要包括：生產(chǎn)和轉換電能的設備，如發(fā)電機、變壓器等；接通或斷開電路的開關電器，如斷路器、隔離開關、自動空氣開關、接觸器、熔斷器、刀閘開關等，它們的作用是在正常運行或發(fā)生事故時，將電路閉合或斷開，以滿足生產(chǎn)運行和操作的要求;限制故障電流和防御過電壓的電器，如限制短路電流的電抗器和防御過電壓的避雷器等；接地裝置，無論是電力系統(tǒng)中性點的工作接地還是各種安全保護接地，在發(fā)電廠和變電站中均采用金屬接地體埋入地中或連接成接地網(wǎng)組成接地裝置；載流導體，如母線、電力電纜等。通常人們按設計要求，將有關電氣設備連接起來。

1.生產(chǎn)和轉換電能的設備

生產(chǎn)和轉換電能的設備有同步發(fā)電機、變壓器及電動機，它們都是按電磁感應原理工作的。

(1)同步發(fā)電機。同步發(fā)電機的作用是將機械能轉換成電能。

(2)變壓器。變壓器的作用是將電壓升高或降低，以滿足輸配電需要。

(3)電動機。電動機的作用是將電能轉換成機械能，用于拖動各種機械。發(fā)電廠、變電所使用的電動機，絕大多數(shù)是異步電動機，或稱感應電動機。

2.開關電器

開關電器的作用是接通或斷開電路。高壓開關電器主要有以下幾種：

(1)斷路器(俗稱開關)。斷路器可用來接通或斷開電路的正常工作電流、過負荷電流或短路電流，有滅弧裝置，是電力系統(tǒng)中最重要的控制和保護電器。

(2)隔離開關(俗稱刀閘)。在檢修設備時隔離開關用來隔離電壓，進行電路的切換操作及接通或斷開小電流電路。它沒有滅弧裝置，一般只有在電路斷開的情況下才能操作。

在各種電氣設備中，隔離開關的使用量是最多的。

(3)熔斷器(俗稱保險)。熔斷器用來斷開電路的過負荷電流或短路電流，保護電氣設備免受過載和短路電流的危害。熔斷器不能用來接通或斷開正常工作電流，必須與其他電

器配合使用。

3.限流電器

限流電器包括串聯(lián)在電路中的普通電抗器和分裂電抗器，其作用是限制短路電流，使發(fā)電廠或變電所能選擇輕型電器。

4.載流導體

(1)母線。母線主要用來匯集和分配電能，并能起到連接發(fā)電機、變壓器與配電裝置的作用，通常有敞露母線和封閉母線之分。

(2)架空線和電纜線。架空線和電纜線主要用于傳輸電能。

5.補償設備

(1)調相機。調相機是一種不帶機械負荷運行的同步電動機，主要用來向系統(tǒng)輸出感性無功功率，以調節(jié)電壓控制點或地區(qū)的電壓。

(2)電力電容器。電力電容器補償有并聯(lián)和串聯(lián)補償兩類。并聯(lián)補償是將電容器與用電設備并聯(lián)，它能發(fā)出無功功率，以供本地區(qū)需求，可避免長距離輸送無功，減少線路電能損耗和電壓損耗，提高系統(tǒng)供電能力;串聯(lián)補償是將電容器與線路串聯(lián)，抵消系統(tǒng)的部分感抗，提高系統(tǒng)的電壓水平，同時相應地減少系統(tǒng)的功率損失。

(3)消弧線圈。消弧線圈可用來補償小接地電流系統(tǒng)的單相接地電容電流，以利于熄滅電弧。

(4)并聯(lián)電抗器。并聯(lián)電抗器一般裝設在330kV及以上超高壓配電裝置的某些線路側。其作用主要是吸收過剩的無功功率，改善沿線電壓分布和無功分布，降低有功損耗，提

高送電效率。

6.儀用互感器

儀用互感器分為電流互感器和電壓互感器兩大類。其中，電流互感器的作用是將交流大電流變成小電流(5A或1A)，供給測量儀表和繼電保護裝置的電流線圈使用；電壓互感器的作用是將交流高電壓變成低電壓(100V或100/3V)，供給測量儀表和繼電保護裝置的電壓線圈使用。儀用互感器可使測量儀表和保護裝置標準化和小型化，使測量儀表和保護裝置等二次設備與高壓部分隔離，且互感器二次側均接地，從而保證設備和人身安全。因為儀用互感器是一次電路(主電路)和二次電路(測量、保護及監(jiān)控電路)之間的聯(lián)絡設備，故其既屬于一次設備也屬于二次設備。

7.防御過電壓設備

(1)避雷線(架空地線)。避雷線可將雷電流引入大地，保護輸電線路免受雷擊。

(2)避雷器。避雷器可防止雷電過電壓及內(nèi)過電壓對電氣設備造成損害。

(3)避雷針。