第二章电力系统概述和基本概念

1、2 电力系统概述和基本概念2.1 电力系统的基本概念2.1.1 电力系统的形成电能是一种十分重要的二次能源。它能够方便而又经济地从蕴藏于自然界中的一次能源中转换而来，并且可以简便的转换成其它能量供人们加以使用。由于电能具有转换容易、输送方便、易于控制等优点，因此，电能已广泛应用到社会生产的各个领域和社会生活的各个方面，已成为现代工业、农业、交通运输、国防科技及人民生活等各方面不可缺少的重要能源，在国民经济中占有十分重要的地位。电能是由发电厂生产的。在电力工业发展初期，由于人们对电能的需求量不大，发电厂都建在用户附近，规模很小，各发电厂之间没有任何联系，彼此都是孤立运行的。随着工农业生产的发展和

2、科学技术的进步，对电力的需求量日益增大，且对供电可靠性的要求也越来越高。为此，需要建设大容量的发电厂以满足日益增长的用电需求，并通过各发电厂之间的联系，提高供电的可靠性。通过各级电压的电力线路，将发电厂、变电所和电力用户连接起来的一个整体，称为电力系统。或者说：由发电厂、电力网和电力用户就构成了电力系统。如图1.1所示，该系统起着电能生产、输送、分配和消费的作用。电力系统示意图如图2.1所示。图2.1 电力系统在电力系统中，通常将输送、交换、分配和使用电能的设备称为电力网，可分为地方电力网、区域电力网及超高压远距离输电网三种类型。（1）地方电力网 电压等级在35kV及以下、供电半径在2050k

3、m以内的电力网；（2）区域电力网 电压等级在35kV以上、供电半径超过50km的电力网；（3）超高压远距离输电网 电压等级为330500kV的电力网，一般由远距离输电线路连接而成；通常将220kV及以上的电力线路称为输电线路，110kV及以下的电力线路称为配电线路。配电线路又分为高压配电线路、中压配电线路和低压配电线路。变电所是变换电能电压和接受分配电能的场所。它分为区域变电所、地区变电所和终端变电所等。（1）区域变电所 电压等级高，变压器容量大，进出线回路数多，由大电网供电，高压侧电压为330500kV，停电后，将引起整个系统的解列甚至瓦解；（2）地区变电所 由发电厂或区域变电所供电，高压侧

4、电压为110220kV，停电后，将使该地区中断供电；（3）终端变电所 是电网的末端变电所，主要由地区变电所供电，其高压侧为10110kV，停电后，将使用户中断供电。 2.1.2 建立大型电力系统的优点1可以减少系统的总装机容量。 2可以减少系统的备用容量3可以提高供电可靠性。4可以安装大容量的机组。5可以合理利用动力资源，提高系统运行的经济性。2.1.3 电力系统的基本参量电力系统可以用以下基本参量描述：1. 总装机容量 指系统中所有机组额定有功功率的总和，以兆瓦、吉瓦计。 2. 年发电量 指系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和，以兆瓦时、吉瓦时、太瓦时计。3. 最大负荷 指规定时间内电力

5、系统总有功功率负荷的最大值，以兆瓦、吉瓦计。 4. 额定频率 50Hz5. 最高电压等级 指系统中最高电压等级线路的额定电压，以千伏计 。2.1.4 电力系统的特点电能与其他工业生产相比，具有以下明显的特点：1电能不能大量储存。 2电力系统的过渡过程十分短暂。3与国民经济各部门的关系密切。2.1.5 对电力系统的基本要求1保证供电的可靠性。2保证良好的电能质量。3为用户提供充足的电能。4提高电力系统运行的经济性。2.2 火力发电厂的运行特性2.2.1 火力发电机组的分类我国火电厂绝大部分是采用蒸汽汽轮组，只有极少部分采用燃气轮组，所以火电机组的分类主要是指蒸汽汽轮发电机组的分类。蒸汽汽轮发电机

6、组，按功能和用途可以分为：凝气式汽轮发电机组、抽汽式汽轮发电机组、背压式汽轮发电机组。凝气式汽轮发电机组是以发电为目的，为了提高锅炉的效率，设有凝汽器，把从锅炉来的蒸汽膨胀到高真空，使热能得到充分的利用。这种机组的工作特点是蒸汽主要通过汽轮机的各级叶片，做功以后排入凝汽器内，重新凝结成水打回锅炉。为了提高热效率，常采用回热式，在汽轮机的膨胀途中抽出一部分蒸汽去加热锅炉给水。2.2.2 火力发电厂的生产过程发电厂是将各种自然资源转化为电能的工厂。按照其所利用一次能源的不同，可分为火电厂、水力发电厂、核能发电厂及其他形式能源的发电厂。火力发电厂利用煤炭、石油、天然气等可燃物为原料来发电的，其能量转

7、换过程为：燃料的化学能热能机械能电能。我国火电厂所使用的燃料以煤炭为主。火电厂的原动机多为汽轮发电机，它可分为两类：一类是单一生产电能的火电厂，称为凝气式火电厂，一般建在燃料产地，容量可以很大；另一类是兼供热的火电厂，称为热电厂，一般情况下建在大城市及工业区附近，容量也不大。（一）火力发电存在的问题（1）安全问题：采矿和运输中的安全性灾难等 。（2）环境问题：酸雨、温室效应、可吸入颗粒物等。（3）效率问题：凝汽式火电厂效率为40%，热电厂为60%70%。（二）今后火电建设的重点（1）采用高参数、大容量、高效率的设备。（2）开发清洁煤燃烧发电、天然气蒸汽联合循环发电。（3）鼓励热电联产。（4）加

8、强煤炭基地的矿口电厂建设。下面为凝气式火电厂的生产过程，如图2.2所示：图2.2 凝气式火电厂的生产过程示意图2.3 电力系统的电压与电能质量2.3.1 电力系统的额定电压电力网的额定电压等级，是根据国民经济发展的需要和电力工业的发展水平，经全面的技术和经济分析后，由国家制定颁布的。发电机、变压器以及各种用电设备在额定电压运行时，将获得最佳技术经济效果。我国高压电网的额定电压等级有3kV、6 kV、10 kV、35 kV、63 kV、110 kV、220 kV、330 kV、500 kV等。（1）用电设备的额定电压 与同级电网的额定电压相同。（2）发电机的额定电压 比同级电网的额定电压高出5%

9、，用于补偿线路上的电压损失（3）变压器的额定电压 变压器的一次绕组：相当于是用电设备，其额定电压应与电网的额定电压相同变压器的二次绕组：对于用电设备而言，相当于电源。 当变压器二次侧供电线路较长时：应比同级电网额定电压高10%。当变压器二次侧供电线路较短时：应比同级电网额定电压高5%。2.3.2 电压等级的选择目前我国电力系统中，220KV及以上电压等级多用于大型电力系统的主干线；110KV多用于中小型电力系统的主干线及大型电力系统的二次网络；35KV多用于大型工业企业内部电力网，也广泛应于与农村电力网；10KV是城乡电网最常见的高压配电电压，当负荷中拥有较多的6KV高压用电设备时，也可考虑采

10、用6KV配电方案；3KV仅限于工业企业内部采用；380/220V多作为工业企业的低压配电电压。表2.1 电力网的额定电压、传输功率和传输距离之间的关系线路电压/kV传输功率/MW传输距离/km30.111360.11.2415100.22620352102050603.5303010011010505015022010050010030033020010002006005001000150025085075020002500500以上2.3.3 电能质量电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。 理想状态下的公共电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。同时，在三相交流系统中

11、，各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差120°。衡量电能质量的主要指标有频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、高次谐波、三相不平衡度及暂时过电压和瞬态过电压等。（1）频率偏差额定频率：50Hz允许偏差：电网容量3000MW及以上者，±0.2 Hz；电网容量3000MW以下者，±0.5 Hz。（2）电压偏差电压偏差是指用电设备的实际电压与额定电压之差，用占额定电压的百分数来表示：U%=U-UNUN×100%电压偏差的危害：1）白炽灯：电压低时，寿命延长，但发光效率降低，照度下降；2）电压高时，发光效率增加，但使用寿命大大缩短。 3）电动机：由于UM

12、2，电压低时，转矩将急剧减小，电流增大，使电动机绕组绝缘过热受损，缩短使用寿命。电压偏差的允许值：1）35kV及以上供电电压的正负偏差的绝对值之和为额定电压的10%；2）10 kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%；3）低压照明用户：+7%10%电压调整的措施：1）正确选择变压器的电压分接头；2）合理减少系统的阻抗；3）尽量保持系统三相负荷平衡；4）改变系统的运行方式；5）采用无功功率补偿设备等。（3）电压波动与闪变 电压波动是指电网电压短时、快速的变动，用电压最大值与最小值之差对电网额定电压的百分比表示，即U%=Umax-UminUN×100%闪变是指人眼对因电

13、压波动引起灯闪的一种主观感觉，引起灯闪的电压称为闪变电压。电压波动产生的原因：是由负荷急剧变动引起的。 电压波动的危害：1）使电动机无法正常起动，引起同步电动机转子振动；2）使某些电子设备无法正常工作；3）使照明灯发生明显的闪烁现象等。电压波动的允许值：1）10 kV及以下电网：2.5%2）35110 kV电网：2%电压波动的抑制：1）对负荷变动剧烈的大型电气设备，采用专线或专用变压器供电 ；2）增大供电容量，减小系统阻抗 ；3）增加系统的短路容量或提高供电电压；4）在电压波动严重时，减少或切除引起电压波动的负荷 ；5）对大型冲击性负荷，装设能吸收冲击无功功率的静止型无功补偿装置。（4）谐波谐

14、波是指对周期性非工频的正弦交流量进行傅里叶级数分解后所得到的频率为基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波。谐波产生的原因：是由于电力系统中存在各种非线性元件。谐波的危害：1）使变压器或电动机的铁芯损耗增加，引起局部过热，同时振动和噪声增大，缩短使用寿命；2）使线路的功率损耗和电能损耗增加，并有可能使电力线路出现电压谐振，产生过电压，击穿电气设备的绝缘；3）使电容器产生过负荷而影响其使用寿命；4）使继电保护及自动装置产生误动作；5）使变压器使计算电费用的感应式电能表的计量不准；6）对附近的通信线路产生信号干扰，使数据传输失真等。谐波的抑制 1）三相整流变压器采用Y，d或D，y接线 ；2）增加

15、整流器的相数 ；3）在谐波源处装设专用滤波器 ；4）限制晶闸管整流设备投入电网的容量 ；5）在大型整流设备附近装设静止型无功补偿装置等。（5）三相不平衡三相电压（或电流）不平衡度是指三相供电系统中，三相电压（或电流）的不平衡程度，用电压（或电流）负序分量有效值与正序分量有效值的百分比来表示，即U%=U2U1×100%三相电压不平衡的危害：1）使电动机产生一个反向转矩，从而降低了电动机的输出转矩，使电机效率降低；2）对变压器，当最大相电流达到变压器额定电流时，其他两相电流均低于额定值，从而使其容量得不到充分利用；3）使继电保护装置产生误动和拒动 。2.3.4 电能质量的监测与控制1电能

16、质量的测量方式 定期巡检 用于需要掌握电能质量但不需要连续检测或不具备连续在线监测条件的场合。专项检测 用于负荷容量变化大或有干扰源设备接人电网的场合。 在线监测 用于重要变电站、无人值班变电站的公共配电点和重要电力用户的配电点 。2电能质量的控制与治理措施 提高发电、供电和配电系统的电能质量和可靠性。提高电力用户终端设备的抗干扰能力 。 传统的控制和改善电能质量措施 利用有载调压变压器调整电压 可保证电压质量，但不能改变系统无功需求平衡 利用并联电容器补偿系统无功功率可提高系统电压，但不能解决轻载时系统电压偏高的问题。利用无源滤波器抑制谐波电流 只能抑制固定频率的谐波，还有可能引起系统谐振

17、。现代电能质量的控制与治理措施 利用基于电力电子技术的柔性交流输电技术（FACTS）和柔性配电技术（DFACTS），将电力电子、计算机和控制等高新技术运用于中低压配用电系统，形成一系列电能质量补偿控制设备，能够有效地解决谐波影响、电压波动与闪变、三相电压不对称等问题，从而可大大提高电能质量。3控制和治理电能质量的手段 1）实施电网调度自动化、无功优化、负荷控制及许多新型调频、调压装置的开发和应用，减少频率和电压的偏差。2）加强城乡电网的建设和改造，提高电压质量。3）利用无源滤波器、静止无功补偿装置等，抑制谐波干扰、降低电压波动和闪变等。4）利用柔性交流输电技术，提高系统输电容量和提高暂态稳定性

18、，对线路电压、阻抗、相位进行控制，实现控制潮流、阻尼振荡、提高系统稳定性。5）利用柔性配电技术，实现补偿谐波、抑制电压下跌等。2.4 电力负荷的分级电力负荷按对供电可靠性的要求可以分为以下三级：1.一级负荷中断供电将造成人身伤亡，或重大设备损坏且难以修复，或在政治、经济上造成重大损失者，均属于一级负荷。一级负荷应由两个独立电源供电。对特别重要的一级负荷，两个独立电源应来自不同的地点。独立电源指若干电源中任一电源发生故障或停止供电时，不影响其他电源继续供电。同时具备以下两个条件的发电厂或变电所的不同母线段，均属独立电源。1）每段母线的电源来自不同的发电机。2）母线段之间没有联系，或虽有联系但在其中一段发生故障时，能自动将其联系断开，不影响另一段母线继续供电。2.二级负荷中断供电将造成设备局部破坏，或生产流程紊乱且较长时间才能够恢复，或大量产品报废、重点企业大量减产，或在政治、经济上造成较大损失的，均属于二级负荷。二