电力系统基础 - 图文

第1章 电力系统概述

本章将介绍电力系统的一些基本概念和电力系统的基本特点。

1.1 电力系统的基本组成和特点

1.1.1 电力系统的组成

众所周知，电能是现代社会不可缺少的能源，人们在生产和生活中大量使用着各种各样利用电能工作的设备。由于电能在传输、控制、转换等方面的便捷性，使得电能的应用越来越广泛。通常人们是把电能的生产输送、分配和使用的各个功能环节或部门统称为电力系统。

图1—1所示为一个简单电力系统的电力生产和使用过程示意图。首先是在发电厂内，由汽轮机、发电机将其他形式的能源转化为电能，然后通过升压变压器将电压升高，经过高压输电线路将电能输送到用电地区或城市的变电所，由其中的降压变压器使电压下降，再通过电压较低的配电线路分配给各个用户来进行用电。

通过图1—1，我们得到以下几个重要的概念：

(1)电力系统。除锅炉、汽轮机或水轮机等动力部分以外的这样一个由发电机、变压器、输配电线路和用户电器等各种电气设备连接在一起而形成的生产、输送分配和消耗电能的整体称为电力系统。

(2)动力系统。如果将上述的电力系统加上各种类型发电厂中的动力部分，如热力部分(锅炉汽机)、水力部分、原子能反应堆部分等就统称为动力系统。

(3)电力网。一般所说的电力网是指在上述电力系统中去掉发电厂的发电机部分和末端的用电设备后所剩余的部分。换而言之，。就是由各种电压等级的变压器和输、配电线路所构成的用于变换和输送、分配电能的部分称为电力网。

现代的电力系统，者喔由许许多多的发电厂、变电站和输电线路相互连接着一起来构成联合运行的系统，很少有孤立运行的电力系统。如图1—2所示为有多个电源的电力系统示意图。

联合运行的电力系统在技术和经济上比孤立运行的电力系统有许多明显的优势，如：可以更充分合理地利用能源提高经济效益；能够采用大型机组以降低造价和燃料消耗，加快建设速度；

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各部分之间可以互相调剂支援电量，从而减少系统总备用容量；还可以利用地区时差及水火电之间的调节，取得错峰和调峰效益等。

目前我国正在建设以三峡电厂为中心的全国联网的电力系统。 1.1.2 电力系统运行生产的特点

(1)电力系统的电能生产、输送、分配和使用过程是同时进行，缺一不可的。由于目前尚不能大量地、廉价地储存电能，所以发电厂生产出的电能等于用户所消耗的电能与输送分配过程中的电能损耗之和。简而言之，用户及网络消耗多少电能，电厂就只能生产多少电能，反之亦然。 (2)电力系统的运行生产与国民经济及人民生活关系密切，影响重大。作为当今社会的主要能源，电能的使用无处不在。如果电能供应不足或中断将直接影响工业农业生产，给人民生活带来诸多不便。例如，国内外发生的几次大面积停电事故都造成了十分巨大的经济损失。

(3)电力系统运行中发生变化的速度很快，即过渡过程非常短促。电力系统中各元件的投、切和电能输送过程几乎都在瞬间进行，即电力系统从一种运行状态过渡到另一种运行状态的过程非常短促。例如用户端出现负荷增加或减少以及发生短路事故等变化时，在电源端马上就有相应的反映。

1.1.3 对电力系统的基本要求

(1)保证安全可靠地供电。安全可靠地供电是电力系统首先要满足的要求，因为一旦供电中断将使工农业生产停顿，社会生活混乱，甚至会危及人身和设备的安全，造成十分严重的后果。 (2)保证合格的电能质量。电气设备对电能也有质量指标的要求，如果电能质量不合格，用电器将不能正常使用。电能质量主要由交流电的频率、电压和波形等指标来衡量，供给用户的电能必须保证在规定的额定值允许变化范围内。

(3)力求系统运行的经济性。电力系统的运行生产与其他生产企业一样也要考虑经济效益。电力系统应在保证可靠性和良好质量的同时，力争降低生产成本。电力系统运行的经济性可从合理分配各发电厂间的负荷，降低燃料消耗率和厂用电率，降低电力网的电能损耗等多个方面来考虑。

总之，对电力系统的基本要求可简单概括为安全、优质、经济。

1.2电气设备和电力网的额定电压

1.2.1额定电压的概念

电气设备所使用的电压都有规定，一般称为额定电压。额定电压是国家有关部门根据技术经济比较而规定的标准电压，规定额定电压也是为了使电力设备能标准化、系列化制造，便于设备的运行、维护、管理等。电力系统中的发电机、变压器、线路、用电设备等都有明确的额定电压值，当它们在额定电压下运行时，其技术与经济性能将达到最好的效果。各种元件的额定电压值如表1—1所示。

1.2.2 电力系统中各元件额定电压的规定

(1)电力线路额定电压规定。在传输电能过程中由于线路阻抗中要产生电压损耗，所以沿线路各点的电压是不同的，线路首端电压一般高于末端电压。为了使接在线路末端的用电设备得到相应的额定电压，就规定电网线路的额定电压与用电设备的额定电压相同。因为一般沿线路的电压损耗不超过10％，如果线路首端的电压为额定电压的1.05倍，那么线路末端的电压就不会低于额定电压的O.95倍，而一般用电设备的允许电压偏移为±5％，这样一来，各用电设备就能在允许电压范围内运行。

根据上述要求，电力线路的额定电压规定为220、380V以及3、6、10、35、63、110、220、330、500kV和750kVo

(2)发电机额定电压规定。发电机一般接在线路的首端，因此，发电机的额定电压应比线路额定电压高5％．即

式中 UGN--发电机的额定电压； UN--电力线路的额定电压。

根据上式及其他技术经济条件所确定的发电机额定电压为3.15、6.3、10.5、13.8、15.75、18kV

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和20kV等。

(3)变压器的额定电压。变压器是将一种电压变换成另一种电压的设备。与其他设备不同的是变压器本身就具有两个(或两个以上)电压级，所以变压器实际上是每个绕组都有其额定电压。即双绕组变压器有高、低两个额定电压，三绕组变压器有高、中、低三个额定电压。

对变压器的额定电压规定一般是按照接受电能的一次侧电压和输出电能的二次侧电压来区分规定的：一次绕组相当于用电设备，其额定电压应等于所连电力线路的额定电压(当变压器直接和发电机相连时，应等于发电机额定电压)。变压器二次侧相当于线路的首端(电源端)，而线路首端要求至少比线路额定电压高5％，另外变压器自身内部也有约5％左右的阻抗电压降，因此，变压器二次侧额定电压一般应比线路额定电压高10％。只有当变压器的漏抗较小(一般高压侧电压小于等于35kV且短路电压百分值小于等于7.5％)或二次绕组所连线路较短的时候，二次侧额定电压可以比线路额定电压高5％。

变压器额定电压数值如表1—1所示。

电力线路和用电 设备额定电压 3 6 10 35 60 110 220 330 500 750

电力线路平均 额定电压 3.15 6.3 10.5 37 63 115 230 345 525 800 交流发电机 额定电压 3.15 6.3 10.5 13.8 15.75 18 20 变压器额定电压 一次绕组 3及3.15 6及6.3 10及10.5 13.8 15.75 18 35 60 110 220 330 500 750 二次绕组 3及3.15 6.3及6.6 10.5及11 38.5 66 121 242 363 550 825 1.2.3 电力线路的平均额定电压

电力线路平均额定电压规定等于电力线路首末两端所连接的电气设备额定电压的平均值，即

式中 UN--电力线路的额定电压。

根据上式计算，目前我国电力网平均额定电压规定为：3．15、6．3、10．5、37、63、115、230、345、525kV和800kVo

有时为简化计算，也取变压器各侧绕组的额定电压等于各侧所连线路的平均额定电压，这样变压器的变比也就等于其两侧线路的平均额定电压之比。 上述各类额定电压数值列在表1—1中备查。

【例1-1】如图1—3所示电力系统，线路额定电压已知，试求发电机、变压器的额定电压。 解：(1)发电机G的UN应比其相连的10kV网络高5%，即发电机额定电压为10.5kV。

(2)升压变压器T1的一次侧与发电机直接相连，故其一次侧电压应等于发电机额定电压10.5kV；该变压器的二次侧分别与110kV和220kV线路相连，其额定电压均应分别高于线路10％；所以T1的变比确定为242／121／10.5kV。

(3)降压变压器T2的一次侧与220kV线路相连，二次侧与35kV线路相连，因此可以确定T2的额定电压变比为220／38.5kV。

(4)降压变压器T3一次侧与35kV线路相连，二次侧与10kV线路相连，也可以确定T3的额定电压变比为35／11kV。

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(5)降压变压器T4一次侧与35kV线路相连，二次侧直接与3kV设备相连，且 T4的短路电压百分数UK％≤7.5，因此确定它的额定电压变比为35／3.15kV。 1.2.4各级电压电力网的适用范围

根据三相输电功率关系式S=√3 IU分析可知，输送功率S一定时，输电的电压 U越高，线路上的电流I就越小，就可采用小截面的导线从而减少导线的投资。但另一方面，电压如果越高对设备的绝缘要求自然也越高，从而又导致线路杆塔等设备的投资也越大。因此综合起来考虑，对应于一定的输电距离和输送功率，就必然有一个在技术和经济上都较为合理的电压等级。

根据技术经济条件所得到的各级电压电力网的经济输送容量、输送距离如表1-2所示。

额定电压(kV) 3 6 10 35 110 220 330 500

输送容量(MW) 0.1～1.O O.1～-1.2 O.2～2.O 2.0～10 10～50 100～200 200～500 400～1000 输送距离(km) 1～3 4～15 6～20 20～50 30～150 100～300 200～600 150～850 1.3 电力网的接线方式及负荷的分类

1.3.1 电力网的接线方式

电力网的接线方式一般分为无备用接线和有备用接线两类。

(1) 无备用接线。它包括有单回路放射式、干线式、链式等网络接线，其网络构成非常简单方便，设备投资少，如图1—4所示。很显然，这类接线中的每一个负荷都只能从一个方向取得电能，因此当其中某段线路发生故障时，都将使一部分用户断电，供电的可靠性稍差，因此这类接线一般只适宜于向不太重要的负荷供电。

(2)有备用接线。它包括有双回路放射式、干线式、链式以及环式和两端供电网等网络接线，如图1—5所示。显然，其网络设备投资相对无备用接线要高。但这类接线中的每一个负荷都能从两个方向取得电能，因此当其中某条线路发生故障时，其中的用户都能从另一个方向获得电能，

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从而避免了供电中断，因此这类接线多用于供电

要求较高的负荷。

通常，我们又把每一个负荷都只能从一个方向取得电能的网络称为开式网络，而把每一个负荷都能从两个或两个以上方向取得电能的网络称为闭式网络。 1.3.2负荷的分类

从前述已经知道，电力网的接线方式与负荷的性质有着密协的关系。根据负荷的重要程度，我们一般将负荷分为以下三种类型：

(1)一类负荷。这类负荷，如果中断供电，将会造成恶劣的政治和社会影响，将会带来人身伤亡和设备损坏，生产瘫痪，人民生活发生混乱，给国民经济带来严重的经济损失。

(2)二类负荷。这类负荷如果中断供电，将造成生产大量减产，城市公用事业和人民生活受到影响。

(3)三类负荷。这类负荷如果中断供电，影响较小，一般不会带来严重的后果。

根据以上的分类要求可见，针对不同的负荷，其供电要求也是不一样的。为了保证可靠性，通常，对一类负荷应设置两个或两个以上的独立电源，而且由于一类负荷不允许短时停电，因此要求电源间应能够自动切换；对二类负荷也应当设置两个独立的电源，由于二类负荷允许短时停电，因此这两个电源间可采用手动切换；对于三类负荷一般采用一个电源供电即可。

1.4电力线路的结构

电力线路是用来传送电能的，按结构不同可分架空线路和电缆线路两大类。架空线路是将裸露导线架设在电线杆塔上来进行电能传输的；而电缆线路则是将电缆线埋设在地下(埋在土中、沟中、管道中等)来进行电能传送的。

架空线路由于裸露在空气中，容易受外界环境条件影响，如易遭受雷击，易受有害气体腐蚀等，但它具有投资省、施工维护和检修比较方便的优点，所以电力网中绝大多数的线路都采用架空线路。电缆线路的投资相对较大，但由于电缆线路埋设在地下，可避免外力破坏和气象条件的影响，供电可靠性较高。另外电缆线路还具有不需要架设杆塔、不影响城市美观、可跨海送电等优点，因而可根据具体需要采用电缆线路。

(1)导线和避雷线。导线是架空线路的主要组成部件，其功能主要是传导电流、输送电能。避雷线架设在导线的上方且是接地的，故通常又称为架空地线，其主要作用是将雷电流引入大地，使电力线路免遭雷电的侵袭。导线和避雷线都架设在空气中，要受到自身张力及风、雪、冰等外加荷载的作用和空气中有害物质的侵蚀。所以导线和避雷线应具有较高的机械强度和抗腐蚀的能力。导线还应具有良好的导电性能。 导线主要采用铝、钢、铜、．铝合金等材料制成，避雷线则一般采用钢线。

在上述几种材料中，铜的导电性能最好，抗腐蚀能力也强，但其蕴藏量较少，价格较贵，故一般架空线不采用铜导线。钢线的价格最便宜，机械强度大，但导电率最低，集肤效应明显，故不宜用作导线，一般只作为避雷线或固定拉线。铝的导电性能虽比铜差一些，但也属优良导电介质，而且因为铝的质轻价廉，故架空线路多使用铝作为导电材料。10kV及以下的线路因导线受力小，多使

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