電氣工程基礎(chǔ) 課件 第1章 緒論

第一章緒論第一節(jié)電力系統(tǒng)概述第二節(jié)電力系統(tǒng)發(fā)展簡史及電力工業(yè)發(fā)展趨勢第三節(jié)電力系統(tǒng)的運(yùn)行第四節(jié)電力系統(tǒng)的接線方式和電壓等級(jí)

第一節(jié)

電力系統(tǒng)概述

一、

電氣工程與電力系統(tǒng)的關(guān)系電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，簡稱電氣工程專業(yè)或電氣專業(yè)，是高等學(xué)校開設(shè)的本科專業(yè)。電氣工程這個(gè)名稱在我國現(xiàn)行研究生教育的學(xué)科目錄中，又是一個(gè)一級(jí)學(xué)科的名稱。廣義上，電氣工程學(xué)科是以電子學(xué)、電磁學(xué)等物理學(xué)分支為基礎(chǔ)，涵蓋電子學(xué)、電子計(jì)算機(jī)、電力工程、電信、控制工程、信號(hào)處理等子領(lǐng)域的一門工程學(xué)科。

電氣工程學(xué)科與其他學(xué)科相互交叉、相互融合、相互

促進(jìn)，現(xiàn)已形成了相對(duì)獨(dú)立的電機(jī)與電器、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、高電壓與絕緣技術(shù)、電力電子與電力傳動(dòng)、電工理論與新技術(shù)等五個(gè)二級(jí)學(xué)科。

(1)電機(jī)與電器：主要研究電力設(shè)備，可細(xì)分為電機(jī)和電器兩個(gè)門類。

(2)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化：主要研究電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)度、控制和保護(hù)。

(3)高電壓與絕緣技術(shù)：主要研究高電壓下的電磁現(xiàn)象，設(shè)備的絕緣保護(hù)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和檢測等，可細(xì)分為高壓和絕緣兩個(gè)專業(yè)。高壓主要研究高壓試驗(yàn)、放電和電力系統(tǒng)的過電壓及防護(hù)；絕緣主要研究絕緣材料、絕緣測試等。

(4)電力電子與電力傳動(dòng)：主要研究電力系統(tǒng)中高電壓、大電流情況下電子技術(shù)的應(yīng)用，包括電力變換(如交流電變成直流電、直流電變成交流電、交流電改變頻率等)、電力系統(tǒng)中的諧波及其抑制、電源質(zhì)量控制等；電力傳動(dòng)與電機(jī)的關(guān)系比較緊密，主要涉及控制技術(shù)。

(5)電工理論與新技術(shù)：主要研究電路、電磁場等基礎(chǔ)理論以及熱門的新技術(shù)研究領(lǐng)域，如混沌等。

二、

電力系統(tǒng)的組成及其基本參量

通過各種不同電壓等級(jí)的電力線路，將發(fā)電廠、變電所和電力用戶聯(lián)系起來的包含著發(fā)電、輸電、變電、配電和用電的統(tǒng)一整體，稱為電力系統(tǒng)。與“電力系統(tǒng)”一詞相關(guān)的還有“電力網(wǎng)”和“動(dòng)力系統(tǒng)”，前者指電力系統(tǒng)中除去發(fā)電機(jī)和用電設(shè)備之外的部分，后者指電力系統(tǒng)和發(fā)電廠動(dòng)力部分的總和，如圖1-1所示。所以，電力網(wǎng)是電力系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，而電力系統(tǒng)又是動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。圖1-1動(dòng)力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)及電力網(wǎng)示意圖

電力網(wǎng)也稱電網(wǎng)，它由電力線路及其聯(lián)系的變配電所組成，是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將電能從發(fā)電廠輸送并分配至電力用戶。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。

電力系統(tǒng)可以用一些基本參量進(jìn)行描述，簡述如下：

(1)總裝機(jī)容量。電力系統(tǒng)的總裝機(jī)容量是指系統(tǒng)中實(shí)際安裝的發(fā)電機(jī)組額定有功功率的總和，以千瓦(kW)、兆瓦(MW)、吉瓦(GW)計(jì)。

(2)年發(fā)電量。電力系統(tǒng)的年發(fā)電量是指系統(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)(MW·h)、吉瓦時(shí)(GW·h)、太瓦時(shí)(TW·h)計(jì)。

(3)年用電量。年用電量是指接在系統(tǒng)上所有用戶全年所用電能的總和。其單位與年發(fā)電量的單位一致。

(4)最大負(fù)荷。最大負(fù)荷一般是指規(guī)定時(shí)間，如一天、一月或一年內(nèi)電力系統(tǒng)總有功功率負(fù)荷的最大值，以千瓦(kW)、兆瓦(MW)、吉瓦(GW)計(jì)。

(5)額定頻率。按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，我國所有交流電力系統(tǒng)的額定頻率均為50Hz。國外則有額定頻率為60Hz的電力系統(tǒng)。

(6)最高電壓等級(jí)。同一電力系統(tǒng)中的電力線路往往有幾種不同的電壓等級(jí)。所謂某電力系統(tǒng)的最高電壓等級(jí)，是指該系統(tǒng)中最高電壓等級(jí)電力線路的額定電壓，以千伏(kV)計(jì)。

三、

電力系統(tǒng)中的發(fā)電廠

1.火力發(fā)電

火力發(fā)電是利用煤炭、石油、天然氣或其他燃料的化學(xué)能生產(chǎn)電能。從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)分析，其基本過程是：燃料的化學(xué)能—熱能—機(jī)械能—電能。世界上多數(shù)國家的火電廠以燃煤為主。

2.水力發(fā)電

水力發(fā)電是將水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)分析，其過程為：水能—機(jī)械能—電能。實(shí)現(xiàn)這一能量轉(zhuǎn)變的生產(chǎn)方式，一般是在河流的上游筑壩提高水位，以造成較高的水頭。建造相應(yīng)的水工設(shè)施，以便有效地獲取集中的水流。

3.核能發(fā)電

重核分裂和輕核聚合時(shí)，都會(huì)釋放出巨大的能量，這種能量統(tǒng)稱為“核能”，即通常所說的原子能。利用重核裂變釋放能量發(fā)電的核電廠，從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)分析，其基本過程是：重核裂變能—熱能—機(jī)械能—電能。由于重核裂變的強(qiáng)輻射特性，已投入運(yùn)營和在建的核電廠，毫無例外地劃分為核島部分和常規(guī)島部分，用安全防護(hù)設(shè)施嚴(yán)密分隔開的兩部分，共同構(gòu)成核電廠的動(dòng)力部分。

4.風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電的動(dòng)力系統(tǒng)主要指風(fēng)力發(fā)電機(jī)。最簡單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)由葉輪和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成，空氣流動(dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，就會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電來。

5.太陽能發(fā)電

太陽能發(fā)電的方式主要有通過熱過程的太陽能熱發(fā)電和不通過熱過程的太陽能光伏發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電及光生物發(fā)電等。目前，可進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)的主要是太陽能熱發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電兩種。

四、

電力系統(tǒng)中的變電所

變電所是聯(lián)系發(fā)電廠和電力用戶的中間環(huán)節(jié)，由電力變壓器和配電裝置組成，起著變換電壓、交換和分配電能的作用。根據(jù)功能，變電所可分為升壓變電所和降壓變電所兩類；

根據(jù)在電力系統(tǒng)中的地位，變電所可分為樞紐變電所、中間變電所、地區(qū)變電所和終端變電所等。

工業(yè)企業(yè)內(nèi)部的車間變電所，根據(jù)變壓器安裝位置的不同，可分為附設(shè)式變電所(包括內(nèi)附式和外附式)、車間內(nèi)變電所、獨(dú)立變電所、露天變電所、地下變電所和桿上變電所

等幾種形式。

五、

電能的傳輸及分配

發(fā)電廠產(chǎn)生的電能向用戶輸送，輸送的電能可以表示為

式中：W為輸送的電能(kW·h)；P為輸送的有功功率(kW)；t為時(shí)間(h)；U

為輸電網(wǎng)電壓(kV)；I為導(dǎo)線中的電流(A)；cosφ為功率因數(shù)。

我國的電能傳輸方式有兩類：一類是交流輸電方式，另一類是直流輸電方式。

1.交流輸電

以交流方式傳輸?shù)碾娏W(wǎng)主要是由輸電、變電設(shè)備構(gòu)成的，電力線路以傳輸交流電能為主體。電力變壓器的主要作用除了升高或降低電壓之外，還能將不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)相

聯(lián)系。電能傳輸是在輸電線路上進(jìn)行的。

2.直流輸電

直流輸電是將發(fā)電廠發(fā)出的交流電經(jīng)過升壓后，由換流設(shè)備(整流器)轉(zhuǎn)換成直流，通過直流線路送到受電端，再經(jīng)過換流設(shè)備(逆變器)轉(zhuǎn)換成交流，供給受電端的交流系統(tǒng)。需要改變直流輸電的輸電方向時(shí)，只需讓兩端換流器互換工作狀態(tài)即可。換流設(shè)備是直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

1)直流輸電的主要優(yōu)點(diǎn)

(1)造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用低。

(2)不需串、并聯(lián)補(bǔ)償。

(3)直流輸電不存在穩(wěn)定性問題。

(4)采用直流聯(lián)絡(luò)線可以限制互連系統(tǒng)的短路容量。

2)直流輸電的主要缺點(diǎn)

(1)換流站造價(jià)高。

(2)換流裝置在運(yùn)行中需要消耗無功功率，并且產(chǎn)生諧波。

(3)高壓斷路器制造困難。

第二節(jié)

電力系統(tǒng)發(fā)展簡史及電力工業(yè)發(fā)展趨勢

一、

電力系統(tǒng)的形成和發(fā)展

1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律。第一次高壓輸電出現(xiàn)于1882年。

1891年于法蘭克福舉行的國際電工技術(shù)展覽會(huì)上，在德國人奧斯卡·馮·密勒主持下展出的輸電系統(tǒng)，奠定了近代輸電技術(shù)的基礎(chǔ)。與19世紀(jì)時(shí)電力系統(tǒng)的雛形相比，現(xiàn)代電力系統(tǒng)在輸電電壓、輸電距離、輸電功率等方面有了千百倍的增長。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)不僅具有以大機(jī)組、大電網(wǎng)、超高壓、交直流聯(lián)合輸電為主體的結(jié)構(gòu)特征，而且可再生能源的開發(fā)和應(yīng)用將形成新型的輸、配電網(wǎng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)更為顯著的標(biāo)志是電力系統(tǒng)主體運(yùn)行安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)且實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。信息通信系統(tǒng)和電網(wǎng)監(jiān)測、控制系統(tǒng)成為電力系統(tǒng)主體安

全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要技術(shù)保障。因此，現(xiàn)代電力系統(tǒng)是由電力系統(tǒng)主體、信息通信系統(tǒng)和電網(wǎng)監(jiān)測、控制系統(tǒng)組成的統(tǒng)一整體，是一個(gè)巨大而又復(fù)雜的系統(tǒng)。現(xiàn)代電力系統(tǒng)又可稱為廣義電力系統(tǒng)。

二、

歐美電力工業(yè)的發(fā)展簡史

三、

我國電力工業(yè)的發(fā)展

從電力結(jié)構(gòu)看，目前火電在我國現(xiàn)有電力結(jié)構(gòu)中占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢，2017年火電裝機(jī)容量占全國電力裝機(jī)容量的62.24%。雖然短期內(nèi)以火電為主導(dǎo)的格局難以改變，但出于對(duì)煤炭資源未來供應(yīng)能力的擔(dān)憂，以及火電廠對(duì)環(huán)境的危害，國家今后在可再生能源方面的投入將相對(duì)較多。火電在整個(gè)電力結(jié)構(gòu)中的比例逐步下降將是必然趨勢。

四、

電力工業(yè)發(fā)展趨勢

1.節(jié)能減排、大力開發(fā)新能源、走綠色電力之路

在發(fā)電用一次能源的構(gòu)成中，以煤、石油、天然氣為主的局面在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)還難以改變。但由于這類化石燃料的短期不可再生性，且儲(chǔ)量在逐年減少，因此面臨資源枯竭的危險(xiǎn)。同時(shí)由于這些燃料(特別是煤)的低效“燃燒”使用，既浪費(fèi)了能源，又產(chǎn)生大量的二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NO2)等溫室氣體及煙塵排放到大氣中，導(dǎo)致氣候變暖、冰層融化，將會(huì)給人類帶來嚴(yán)重的災(zāi)難性后果。旨在限制全球CO2溫室氣體排放總量的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》已于2005年2月正式生效，議定書規(guī)定了具體的、具有法律約束力的溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)。

目前，發(fā)達(dá)國家清潔能源用于發(fā)電的比重已達(dá)80%。截至2019年底，我國非化石能源占總裝機(jī)容量的42%，占總發(fā)電量的32.7%。根據(jù)規(guī)劃，我國提出的目標(biāo)是2035年非化石能源發(fā)電裝機(jī)比重超過60%，發(fā)電能源占一次能源消費(fèi)比重超過57%。

2.建設(shè)以特高壓為骨干網(wǎng)架的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)

我國地域遼闊，建設(shè)以特高壓為骨干網(wǎng)架的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、遠(yuǎn)距離、大功率的電能輸送和交易，做到更大范圍的資源優(yōu)化配置，推動(dòng)能源的高效開發(fā)利用，更好地調(diào)節(jié)電力平衡，培育和發(fā)展更加廣闊的電力市場。特高壓電網(wǎng)在合理利用能源、節(jié)約裝機(jī)、降低網(wǎng)損、提高設(shè)備利用率、節(jié)約土地資源、減少建設(shè)投資、降低運(yùn)行成本、減少事故和設(shè)備檢修以及獲得錯(cuò)峰、調(diào)峰和跨區(qū)域補(bǔ)償效益等方面潛力巨大，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

3.組成聯(lián)合電力系統(tǒng)

電力負(fù)荷的不斷增長和電源建設(shè)的發(fā)展，以及負(fù)荷和能源分布的不均衡，必然需要將各個(gè)孤立電網(wǎng)與鄰近電網(wǎng)互聯(lián)，組成一個(gè)更大規(guī)模的電網(wǎng)，形成聯(lián)合電力系統(tǒng)。

全國各電力系統(tǒng)互聯(lián)，形成聯(lián)合電力系統(tǒng)，是我國電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

發(fā)展聯(lián)合電力系統(tǒng)，除實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的電力電量交換外，還能對(duì)全網(wǎng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合計(jì)劃、協(xié)調(diào)維修、事故支援，以及對(duì)發(fā)電運(yùn)行的聯(lián)合調(diào)度或統(tǒng)一調(diào)度，以保證獲取最大經(jīng)濟(jì)效益。在聯(lián)合效益上，不僅能取得電力電量效益，還能取得原有孤立系統(tǒng)所沒有的一系列新的效益。

其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)實(shí)現(xiàn)各電力系統(tǒng)間負(fù)荷的錯(cuò)峰。

(2)提高供電可靠性，減少系統(tǒng)備用容量。

(3)有利于安裝單機(jī)容量更大的發(fā)電機(jī)組。

(4)有利于進(jìn)行電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

(5)實(shí)現(xiàn)水電跨流域調(diào)度。

應(yīng)該指出，電網(wǎng)互聯(lián)在帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也不可避免地存在一些問題。如故障會(huì)波及相鄰電網(wǎng)，如果處理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致大面積停電；電網(wǎng)短路容量的增加，會(huì)造成斷路器等設(shè)備因容量不夠而需增加投資；需要進(jìn)行聯(lián)絡(luò)線功率控制等。為了限制短路容量的增大和提高運(yùn)行的可靠性及靈活性，可用直流聯(lián)絡(luò)線將巨型交流電力系統(tǒng)分割成幾個(gè)非同步運(yùn)行的部分，以避免發(fā)生災(zāi)難性的大面積停電事故。

4.加強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)

智能電網(wǎng)是將先進(jìn)的傳感量測技術(shù)、信息通信技術(shù)、分析決策技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)與能源電力技術(shù)以及電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等高度集成而形成的新型現(xiàn)代化電網(wǎng)。傳統(tǒng)電網(wǎng)是一個(gè)剛性系統(tǒng)，電源的接入與退出、電能的傳輸?shù)榷既狈椥裕闺娋W(wǎng)動(dòng)態(tài)柔性及重組性較差，垂直的多級(jí)控制機(jī)制反應(yīng)遲緩，無法構(gòu)建實(shí)時(shí)、可配置和可重組的系統(tǒng)，自愈及自恢復(fù)能力完全依賴于物理冗余；對(duì)用戶的服務(wù)簡單，信息單向；系統(tǒng)內(nèi)部存在多個(gè)信息孤島，缺乏信息共享，相互割裂和孤立的各類自動(dòng)化系統(tǒng)不能構(gòu)成實(shí)時(shí)的有機(jī)統(tǒng)一整體，整個(gè)電網(wǎng)的智能化程度較低。

國家電網(wǎng)公司將智能電網(wǎng)的主要特征概括為“堅(jiān)強(qiáng)、自愈、兼容、經(jīng)濟(jì)、集成、優(yōu)化”。

(1)堅(jiān)強(qiáng)：在電網(wǎng)發(fā)生大擾動(dòng)和故障時(shí)，仍能保持對(duì)用戶的供電能力，而不發(fā)生大面積停電事故。在自然災(zāi)害、極端氣候條件下或遭外力破壞時(shí)仍能保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，具有確保電力信息安全的能力。

(2)自愈：具有實(shí)時(shí)、在線和連續(xù)的安全評(píng)估和分析能力，強(qiáng)大的預(yù)期和預(yù)防控制能力，以及自動(dòng)故障診斷、故障隔離和系統(tǒng)自我恢復(fù)的能力。

(3)兼容：支持可再生能源的有序、合理接入，適應(yīng)分布式電源和微電網(wǎng)的接入，能夠?qū)崿F(xiàn)與用戶的交互和高效互動(dòng)，滿足用戶多樣化的電力需求，并提供對(duì)用戶的增值服務(wù)。

(4)經(jīng)濟(jì)：支持電力市場運(yùn)營和電力交易的有效開展，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，降低電網(wǎng)損耗，提高能源利用效率。

(5)集成：實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)信息的高度集成和共享，采用統(tǒng)一的平臺(tái)和模型，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和精細(xì)化管理。

(6)優(yōu)化：優(yōu)化資產(chǎn)的利用，降低投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本。

第三節(jié)

電力系統(tǒng)的運(yùn)行

一、

電力系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)

(1)電能不能大量儲(chǔ)存，電能的生產(chǎn)和使用只能同時(shí)完成。

(2)正常輸電過程和故障過程都非常迅速。

(3)具有較強(qiáng)的地區(qū)性特點(diǎn)。電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，其覆蓋的地區(qū)也越來越廣，各地區(qū)的自然資源情況存在較大差別。

(4)與國民經(jīng)濟(jì)各部門關(guān)系密切。

二、

電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求

1.保證供電的安全可靠性

保證供電的安全可靠性是對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求。這就要求從發(fā)電到輸電以及配電，每個(gè)環(huán)節(jié)都必須安全可靠，不發(fā)生故障，以保證連續(xù)不斷地為用戶提供電能。為此，電力系統(tǒng)的各個(gè)部門應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)代化管理，提高設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)質(zhì)量。

應(yīng)當(dāng)指出，要絕對(duì)防止事故的發(fā)生是不可能的，而各種用戶對(duì)供電可靠性的要求也不一樣。因此，應(yīng)根據(jù)電力用戶的重要性等級(jí)不同區(qū)別對(duì)待。通常將電力用戶分為三類：

(1)一類用戶：由于中斷供電會(huì)造成人身傷亡的用戶，如煤礦、大型醫(yī)院等；或中斷供電會(huì)在政治、經(jīng)濟(jì)上給國家造成重大損失的用戶，如大型冶煉廠、軍事基地等；或中斷供電會(huì)影響國家重要部門正常工作的用戶，如鐵路樞紐、通信樞紐、國家重要機(jī)關(guān)以及大量人員集中的公共場所、城市公用照明等。

(2)二類用戶：由于中斷供電會(huì)在政治、經(jīng)濟(jì)上造成較大損失的用戶，或中斷供電將影響重要單位正常工作的用戶，以及大型影劇院、大型商場等。對(duì)二類用戶應(yīng)設(shè)專用供電線路，條件許可時(shí)也可采用雙回路供電，并在電力供應(yīng)出現(xiàn)不足時(shí)優(yōu)先保證其電力供應(yīng)。

(3)三類用戶：短時(shí)停電不會(huì)造成嚴(yán)重后果的用戶，如小城鎮(zhèn)、小加工廠及農(nóng)村用電等。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生事故、出現(xiàn)供電不足的情況時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先切除三類用戶的用電負(fù)荷，以保證一、二類用戶的用電。

2.保證電能的良好質(zhì)量

電力系統(tǒng)不僅要滿足用戶對(duì)電能的需要，而且還要保證電能的良好質(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)。頻率、電壓和波形是電能質(zhì)量的三個(gè)基本

指標(biāo)，其額定值是電氣設(shè)備設(shè)計(jì)的最佳運(yùn)行條件。

系統(tǒng)頻率主要取決于系統(tǒng)中有功功率的平衡。發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率不足，會(huì)使系統(tǒng)頻率偏低。節(jié)點(diǎn)電壓主要取決于系統(tǒng)中無功功率的平衡，無功功率不足，則電壓偏低。波形質(zhì)量是由諧波污染引起的，用總諧波畸變率來表示。正弦波的總諧波畸變率是指各次諧波有效值平方和的方根值占基波有效值的百分比。保證波形質(zhì)量就是限制系統(tǒng)中電壓、電流中的諧波成分。

電力系統(tǒng)的負(fù)荷是不斷變化的，系統(tǒng)的電壓和頻率必然會(huì)隨之變動(dòng)。這就要求調(diào)度必須時(shí)刻注視電壓、頻率變化情況和系統(tǒng)的有功和無功負(fù)荷平衡情況，隨時(shí)給發(fā)電廠及變電站下達(dá)指令，通過自動(dòng)裝置快速及時(shí)地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流或原動(dòng)力，停止或啟動(dòng)備用電源及切除部分負(fù)荷等，使電力系統(tǒng)中發(fā)出的無功和有功功率分別與負(fù)荷的無功和有功功率保持平衡，以保持系統(tǒng)額定電壓和額定頻率的穩(wěn)定，確保系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

3.保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)發(fā)生短路事故，此時(shí)系統(tǒng)的負(fù)荷將發(fā)生突變。當(dāng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，或?qū)κ鹿侍幚聿划?dāng)時(shí)，局部事故的干擾有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的全

面瓦解(即大部分發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)解列)，而且需要長時(shí)間才能恢復(fù)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成大面積、長時(shí)間停電，因此穩(wěn)定問題是影響大型電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的一個(gè)重要因素。為使電力系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行，除要求系統(tǒng)參數(shù)配置得當(dāng)，自動(dòng)裝置靈敏、可靠、準(zhǔn)確外，還應(yīng)做到調(diào)度合理，處理事故果斷、正確等。

4.保證運(yùn)行人員和電氣設(shè)備工作的安全

保證運(yùn)行人員和電氣設(shè)備工作的安全是電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本原則，為此要求不斷提高運(yùn)行人員的技術(shù)水平和保持電氣設(shè)備始終處于完好狀態(tài)。這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)一方面合理選

擇設(shè)備，使之在一定過電壓和短路電流的作用下不致?lián)p壞；另一方面應(yīng)按規(guī)程要求及時(shí)安排對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)或?qū)嵤┰诰€監(jiān)測和狀態(tài)檢修，及早發(fā)現(xiàn)隱患，及時(shí)進(jìn)行維修。在運(yùn)行和操作中要嚴(yán)格遵守有關(guān)的規(guī)章制度。

5.保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性

要使電能在生產(chǎn)、輸送和分配過程中實(shí)現(xiàn)高效率、低損耗，以期最大限度地降低電能成本，實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠和電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，就要最大限度地降低發(fā)電廠的能源消耗率。為了實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，除了進(jìn)行合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)外，還需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施最佳經(jīng)濟(jì)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)火電廠、水電廠、核電廠負(fù)荷的合理分配，積極開發(fā)新能源發(fā)電等，同時(shí)還要提高整個(gè)系統(tǒng)的管理水平。

6.減少污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境

電力系統(tǒng)要采用新技術(shù)、新方法，減少火電廠的溫室氣體排放，加大對(duì)廢氣、廢物的無害化處理力度，提高無害化處理水平，最大限度地采用可再生清潔能源發(fā)電；要保護(hù)水體，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展，倡導(dǎo)綠色電力。

三、

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的運(yùn)行方式

電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)是指星形聯(lián)結(jié)的變壓器或發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)。這些中性點(diǎn)的運(yùn)行方式涉及系統(tǒng)的電壓等級(jí)、絕緣水平、通信干擾、接地保護(hù)方式及保護(hù)整定等許多方面，是一個(gè)綜合性的復(fù)雜問題。我國電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)運(yùn)行方式主要有三種：中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和中性點(diǎn)直接接地(或經(jīng)低電阻接地)。前兩種系統(tǒng)稱為小電流接地系統(tǒng)，亦稱電源中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)；后一種系統(tǒng)稱為大電流接地系統(tǒng)，亦稱電源中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)。

1.中性點(diǎn)不接地的電力系統(tǒng)

我國3~60kV的電力系統(tǒng)通常采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式。中性點(diǎn)不接地的電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電路圖和相量圖如圖1-2所示。圖1-2中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電路圖和相量圖

圖1-3中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生A相接地故障時(shí)的電路圖和相量圖

必須指出，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地電流將在接地點(diǎn)產(chǎn)生穩(wěn)定的或間歇性的電弧。若接地點(diǎn)的電流不大，在電流過零值時(shí)電弧將自行熄滅；當(dāng)接地電流大于30A時(shí)，將形成穩(wěn)定電弧，成為持續(xù)性電弧接地，這將燒毀電氣設(shè)備并可引起多相相間短路；當(dāng)接地電流大于10A而小于30A時(shí)，則有可能形成間歇性電弧，這是由于電網(wǎng)中電感和電容形成了諧振回路所致，間歇性電弧容易引起弧光接地過電壓，其幅值可達(dá)(2.5~3)Uφ，將危及整個(gè)電網(wǎng)的絕緣安全。

2.中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)具有發(fā)生單相接地故障時(shí)仍可在短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)供電的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)接地電流較大時(shí)，將產(chǎn)生間歇性電弧而引起弧光接地過電壓，甚至發(fā)展成多相短路，造成嚴(yán)重事故。為了克服這一缺點(diǎn)，可采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地(也稱中性點(diǎn)諧振接地)的方式。消弧線圈實(shí)際上是一個(gè)鐵芯可調(diào)的電感線圈，安裝在變壓器或發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)與大地之間，如圖1-4所示。圖1-4中性點(diǎn)經(jīng)消弧圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的電路圖和相量圖

選擇消弧線圈時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮電力網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，通常按式(1-7)進(jìn)行估算：

式中，Sar為消弧線圈的容量(kV·A)；IC

為電網(wǎng)的接地電容電流(A)；UN為電網(wǎng)的額定電壓(kV)。

3.中性點(diǎn)直接接地(或經(jīng)低電阻接地)的電力系統(tǒng)

中性點(diǎn)直接接地的電力系統(tǒng)示意圖如圖1-5所示。圖1-5中性點(diǎn)直接接地的電力系統(tǒng)示意圖

第四節(jié)

電力系統(tǒng)的接線方式和電壓等級(jí)

一、

接線方式電力系統(tǒng)接線圖是電力系統(tǒng)整體性質(zhì)的圖形表示，分為地理接線圖和電氣接線圖。

(1)地理接線圖。電力系統(tǒng)的地理接線圖主要顯示該系統(tǒng)中發(fā)電廠、變電站的地理位置，電力線路的路徑，以及它們相互間的連接。因此，由地理接線圖可獲得對(duì)該系統(tǒng)的宏觀印象。但由于地理接線圖上難以表示各主要電機(jī)、電器間的聯(lián)系，對(duì)該系統(tǒng)的進(jìn)一步了解，還需閱讀其電氣接線圖。

(2)電氣接線圖。電力系統(tǒng)的電氣接線圖主要顯示該系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、斷路器、電力線路等主要電機(jī)、電器、線路之間的電氣接線。因此，由電氣接線圖可獲得對(duì)該系統(tǒng)更細(xì)致的了解。但由于電氣接線圖上難以反映各發(fā)電廠、變電站、電力線路的相對(duì)位置，閱讀電氣接線圖時(shí)，又常需參閱地理接線圖。圖1-1中，表示發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、電力線路相互連接的部分實(shí)際上就是一種簡化的電氣接線圖。

現(xiàn)實(shí)生活中的電力系統(tǒng)接線往往十分復(fù)雜，但仔細(xì)分析又可發(fā)現(xiàn)，盡管電力系統(tǒng)十分復(fù)雜，但基本可以看作是若干簡單系統(tǒng)的復(fù)合。尤其是電力系統(tǒng)中的500kV或330kV網(wǎng)絡(luò)，由于它們本身接線簡潔，更易于分解。分解所得的簡單系統(tǒng)，大致可分為無備用接線或有備用接線兩類。無備用接線方式包括單回路放射式、干線式和鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)，如圖1-6所示。有備用接線方式包括雙回路放射式、干線式、鏈?zhǔn)健h(huán)式和兩端供電網(wǎng)