电力系统基础知识(2010版)

1、电力系统基础知识 编著 姚启伦 首编 2007年10月 首改2008年12月 1一、 电力系统的构成二、电力系统的划分三、电力系统运行的特点四、电力系统的额定电压五、电力系统的中性点运行方式六、供电质量 七、变电所八、电源（发电厂）九、中国的电力2一、电力系统的构成 一个完整的电力系统由分布各地的各种类型的发电厂、升压和降压变电所、输电线路及电力用户组成，它们分别完成电能的生产、电压变换、电能的输配及使用。3 二电力网、电力系统和动力系统的划分 电力网：由输电设备、变电设备和配电设备组成的网络。 电力系统：在电力网的基础上加上发电设备。 动力系统：在电力系统的基础上，把发电厂的动力部分（例如火

2、力发电厂的锅炉、汽轮机和水力发电厂的水库、水轮机以及核动力发电厂的反应堆等）包含在内的系统。4 三电力系统运行的特点 一是经济总量大。目前，我国电力行业的资产规模已超过2万多亿，占整个国有资产总量的四分之一，电力生产直接影响着国民经济的健康发展。 二是同时性，电能不能大量存储，各环节组成的统一整体不可分割，过渡过程非常迅速，瞬间生产的电力必须等于瞬间取用的电力，所以电力生产的的发电、输电、配电到用户的每一环节都非常重要。5 三是集中性，电力生产是高度集中、统一的，无论多少个发电厂、供电公司，电网必须统一调度、统一管理标准，统一管理办法;安全生产，组织纪律，职业品德等都有严格的要求。 四是适用性

3、，电力行业的服务对象是全方位的，涉及到全社会所有人群，电能质量、电价水平与广大电力用户的利益密切相关。 五是先行性，国民经济发展电力必须先行。6图1、 电力系统的组成示意图 7 四、电力系统的额定电压 电网电压是有等级的，电网的额定电压等级是根据国民经济发展的需要、技术经济的合理性以及电气设备的制造水平等因素，经全面分析论证，由国家统一制定和颁布的。 我们国家电力系统的电压等级有220/380V、3 kV、6 kV、10 kV、20 kV、35 kV、66 kV、110 kV、220 kV、330 kV、500 kV。随着标准化的要求越来越高，3 kV、6 kV、20 kV、66 kV也很少使

4、用。供电系统以10 kV、35 kV、为主。输配电系统以110 kV以上为主。发电机过去有6 kV与10 kV两种，现在以10 kV为主，低压用户均是220/380V。8 用电设备的额定电压和电网的额定电压一致。实际上，由于电网中有电压损失，致使各点实际电压偏离额定值，为了保证用电设备的良好运行，显然，用电设备应具有比电网电压允许偏差更宽的正常工作电压范围。 发电机的额定电压一般比同级电网额定电压要高出5%，用于补偿电网上的电压损失。 9 变压器的额定电压分为一次和二次绕组。对于一次绕组，当变压器接于电网末端时，性质上等同于电网上的一个负荷(如工厂降压变压器)，故其额定电压与电网一致，当变压器

5、接于发电机引出端时(如发电厂升压变压器)，则其额定电压应与发电机额定电压相同。对于二次绕组，考虑到变压器承载时自身电压损失(按5%计)，变压器二次绕组额定电压应比电网额定电压高5%，当二次侧输电距离较长时，还应考虑到线路电压损失(按5%计)，此时， 二次绕组额定电压应比电网额定电压高10%。 10 五、电力系统的中性点运行方式 在电力系统中，中性点直接接地或中性点经小阻抗（小电阻）接地的系统称为大电流接地系统，中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的系统称为小电流接地系统。中性点的运行方式主要取决于单相接地时电气设备绝缘要求及供电可靠性。图2列出了常用的中性点运行方式。图中，电容C为输电线路对地分

6、布电容。 11图2、 电力系统中性点运行方式A、中性点直接接地； b、中性点不接地； C、中性点经消弧线圈接地； d、中性点经小电阻接地。12 各种运行方式优缺点比较 中性点直接接地方式：当发生一相对地绝缘破坏时，即构成单相短路，供电中断，可靠性降低。但是，该方式下非故障相对地电压不变，电气设备绝缘水平可按相电压考虑。我们国家的220V/380V和110KV以上级系统，都采用中性点直接接地，以大电流接地方式运行。 中性点不接地或经电抗、电阻接地方式：当发生单相接地故障时，线电压不变，而非故障相对地电压升高到原来相电压的3倍，供电不中断，可靠性高。 我们国家的10KV和35KV系统，都采用中性点

7、不接地或经消弧线圈接地，以小电流接地方式运行。13 六、供电质量 决定用户供电质量的指标为电压、频率和可靠性。 1电压： 理想的供电电压应该是幅值恒为额定值的三相对称正弦电压。由于供电系统存在阻抗、用电负荷的变化和用电负荷的性质等因素，实际供电电压无论是在幅值上、波形上还是三相对称性上都与理想电压之间存在着偏差。 （1）电压偏差：电压偏差是指电网实际电压与额定电压之差，实际电压偏高或偏低对用电设备的良好运行都有影响。14 国家标准规定电压偏差允许值为： a、35千伏及以上电压供电的，电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%； b、10千伏及以下三相供电的，电压允许偏差为额定电压的7%。

8、220伏单相供电的，电压允许偏差为额定电压的+7%、-10%。 计算公式 电压偏差()(实际电压一额定电压)额定电压X100 15 （2）电压波动和闪变：在某一时段内，电压急剧变化偏离额定值的现象称为电压波动。当电弧炉等大容量冲击性负荷运行时，剧烈变化的负荷电流将引起线路压降的变化，从而导致电网发生电压波动。由电压波动引起的灯光闪烁，光通量急剧波动，对人眼脑的刺激现象称为电压闪变。 国家标准规定对电压波动的允许值为： 10KV及以下为2.50/0 35至110KV为20/0 220KV及以上为1.60/016 （3）高次谐波：高次谐波的产生，是非线性电气设备接到电网中投入运行，使电网电压、电流

9、波形发生不同程度畸变，偏离了正弦波。高次谐波除电力系统自身背景谐波外，主要是用户方面的大功率变流设备、电弧炉等非线性用电设备所引起。高次谐波的存在降导致供电系统能耗增大、电气设备绝缘老化加快，并且干扰自动化装置和通信设施的正常工作。17 2供电频率允许偏差 电网中发电机发出的正弦交流电每秒中交变的次数称为频率，我国规定的标准频率50HZ. 我国国标规定，电力系统正常频率偏差允许值为0.1Hz，实际执行中，当系统容量小于300Mv时，偏差值可以放宽到0.5Hz。 3供电可靠率 供电可靠率是指供电企业某一统计期内对用户停电的时间和次数，直接反映供电企业的持续供电能力。18 供电可靠率反映了电力工业

10、对国民经济电能需求的满足程度，已经成为衡量一个国家经济发达程度的标准之一；供电可靠性可以用如下一系列年指标加以衡量：供电可靠率、用户平均停电时间、用户平均停电次数、用户平均故障停电次数等。 国家规定的城市供电可靠率是9996/100。即用户年平均停电时间不超过3.5小时； 我国供电可靠率目前一般城市地区达到了3个9即99.9%以上，用户年平均停电时间不超过9小时；重要城市中心地区达到了4个9，即99.99%以上，用户年平均停电时间不超过53分钟。 计算公式 供电可靠率（0/0）=年供电小时8760-年停电小时/8760X100O/019 用电负荷分类： 用电负荷：用户的用电设备在某一时刻实际取

11、用的功率的总和。 电力负荷分类的方法比较多，最有意义的是按电力系统中负荷发生的时间对负荷分类和根据突然中断供电所造成的损失程度分类。 按时间对负荷分类 1、高峰负荷：是指电网或用户在一天时间内所发生的最大负荷值。一般选一天24小时中最高的一个小时的平均负荷为最高负荷，通常还有1个月的日高峰负荷、一年的月高峰负荷等。 2、最低负荷：是指电网或用户在一天24小时内发生的用电量最低的负荷。 通常还有1个月的日最低负荷、一年的月最低负荷等。 3、平均负荷：是指电网或用户在某一段确定时间阶段内的平均小时用电量。 20 按中断供电造成的损失程度分类 1、一级负荷：突然停电将造成人身伤亡或引起对周围环境的严

12、重污染，造成经济上的巨大损失，如重要的大型设备损坏，重要产品或重要原料生产的产品大量报废，连续生产过程被打乱，需要很长时间才能恢复生产；以及突然停电会造成社会秩序严重混乱或在政治上造成重大不良影响，如重要交通和通信枢纽、国际社交场所等的用电负荷。21 2、二级负荷：突然停电将在经济上造成较大损失，如生产的主要设备损坏，产品大量报废或减产，连续生产过程需较长时间才能恢复；以及突然停电会造成社会秩序混乱或在政治上造成较大影响，如交通和通信枢纽、城市主要水源，广播电视、商贸中心等的用电负荷。 3、三级负荷：不属于一级和二级负荷者。22七、变电所 变电所是联接电力系统的中间环节，用以汇集电源，升降电压

13、和分配电力。 变电所的主接线 变电所的主接线是电气设备的主体，由其把发电机、变压器、断路器、隔离开关等电气设备通过母线、导线有机的连接起来，并配置各种互感器、避雷器等保护测量电器，构成汇集和分配电能的系统。变电所主接线的形式与变电所设备的选择、布置、运行的可靠性和经济性以及继电保护的配置都有密切的关系，它是变电所设计的重要环节。在拟定变电所主接线方案时，应满足可靠、简单、安全、运行灵活、经济合理、操作维护方 便和适应发展等基本要求。23八、电源 电源主要由发电机产生，目前世界上的发电方式主要有火力发电、水力发电和核电。其它小容量的有风能、地热能、太阳能、潮汐等。 1、火电：利用煤、石油和天然气

14、等化石燃料所含能量发电的方式统称为火力发电。 按发电方式，火力发电分为燃煤汽轮机发电、燃油汽轮机发电、燃气蒸汽联合循环发电和内燃机发电等。 火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气或其他燃料的化学能生产电能的工厂。火电厂主要组成为: (1)、锅炉及附属设备， 确保燃料的化学能转化为热能。 (2)、汽轮机及附属设备，确保热能变为机械能。 (3)、发电机及励磁机，确保机械能变为电能。 (4)、主变压器， 把电能提升为高压电输送给输电线路。24 火力发电的优势是：早期建设成本低，发电量稳定，一年四季均匀生产，所以在世界各国的电力生产中都占主要地位，一般在70 %左右。火力发电的缺点是：所用的煤、

15、油、气等是不可再生资源，虽然储量多，始终会枯竭，污染严重。 一方面是煤炭资源丰富，二一方面是其它资源转换为油、气、化学能等成本高,我们国家火电是以煤电为主，油、气、化学能等火电是限制性的计划性发展。25 2、水电：水力发电是利用循环的水资源进行,主要利用阶梯交接、河流落差大的优势,以产生强大的水能动力,用于发电,属于生态环保发电类型。 水电最大的优势是：环保、发电成本低、调峰能力强（可以根据负荷随时调整发电量）。 水力发电的缺点是前期建设成本高、时间长，年发电量不均匀，所以一般水电发电量只能占总量的300/0左右及以下。 水力发电厂根据水力枢纽布置不同,主要可分为堤坝式、引水式、混合式等。主要

16、由挡水建筑物(大坝)、泄洪建筑物(溢洪道或闸)、引水建筑物(引水渠或隧洞，包括调压井)及电站厂房(包括尾水渠、升压站)四大部分组成。26 3、核电：核电站只需消耗很少的核燃料，就可以产生大量的电能，每千瓦时电能的成本比火电站要低20%以上。核电站还可以大大减少燃料的运输量。例如，一座100万千瓦的火电站每年耗煤三四百万吨，而相同功率的核电站每年仅需铀燃料三四十吨，运输量相差1万倍。 核电的另一个优势是干净、无污染，几乎是零排放。用核电取代火电，是世界发展的大趋势。核电的缺点是早期建设成本高，技术要求高，平时故障少，一旦发生大故障（如核泄漏），将是毁灭性的大灾难。27 从1954年前苏联建成世界

17、上第一座试验核电站、1957年美国建成世界上第一座商用核电站开始，核电产业已经过了几十年的发展，装机容量和发电量稳步提高。截止到2004年底，全世界有31个国家已经建成或正在建造核电机组，其中正在运行的核电机组440台，在建机组26台。2004年世界核发电量26186亿千瓦时，占世界总发电量的16%。各国由于情况不同，核发电量占各自总发电量的比重相差较大：其中法国最大为78.1%，韩国38%，美国19.9%，日本29.3%，英国19.4%，日本29.3%，印度2.8%。28 一是核心技术方面方面的问题（容易受外国控制），二是核泄漏的方面的问题，中国对核发电一直是走保守的限制性发展道路，按照规划

18、，即使到2020年，中国的核发电最多也只占总量的4 % 。 4、风电的优势是环保，缺点是占地面积大，发电不稳定，不能建大中型发电厂，所以风力发电发展非常迟缓，到现在全国装机容量不到50万千瓦，最大发电机组仅750千瓦。29 关于核电的相关报道 1985年中国开始兴建第一座核电站浙江秦山核电站，容量30万千瓦，压水堆型，自行设计、制造、施工，部分设备进口。1991年12月15日并网发电，1994年4月1日商业运行，1995年7月1日通过国家验收。目前正扩建二期工程二台国产60万千瓦核电机组，和三期工程二台自加拿大引进的重水堆型70万千瓦核电机组。 广东深圳大亚湾核电站，是中国兴建的第二座大型核电

19、站，引进英、法两国设备，安装二台90万千瓦压水堆型核电机组。1988年8月8日浇注第一罐混凝土，1993年8月31日一号机组平网发电，1994年2月1日商业运行；二号机组于1994年5月6日商业运行。目前在建的项目有：大亚湾第二核电站岭澳核电站，安装四台压水堆型100万千瓦核电机组；江苏连云港核电站，由俄罗斯引进二台100万千瓦核电机组；广东省规划建设第三座核电站，即阳江核电站，安装6台100万千瓦核电机组。 目前中国核电装机容量仅占全国发电装机容量的0.76%，发电量仅占总发电量的1.2%。30 关于风电的相关报道 中国风力资源约为2.53亿千瓦，可开发量达1.6亿千瓦。1998年末，全国近

20、20个风电场，装机总容量为22.36万千瓦。目前全国最大，也是亚洲最大的风电场是新疆达坂城风力发电场，装有300、500、600千瓦风电机组共111台，总容量5.75万千瓦。内蒙古辉腾锡勒风电场，装有42台600千瓦及10台550千瓦风电机组，总容量3.07万千瓦。浙江临海括苍山风电场，装有33台600千瓦风电机组，总容量1.98万千瓦。目前中国风电装机容量仅占可开发量的千分之一点四，有广阔的发展前景。31 关于地热发电的相关报道 中国地热资源也很丰富，且分布面甚广。第一座地热电站建于广东丰顺县邓屋村于1970年建成，机组容量100千瓦。1971年至1975年在湖南省宁乡县灰场镇建成300千瓦

21、地热电站。目前中国最大的地热电站是西藏羊八井地热电站，装机总容量达2.518万千瓦，1975年开始兴建，1977年一号机1000千瓦机组发电，以后续建7台3000千瓦和1台3180千瓦地热机组，至1992年全部建成。西藏那曲地热电厂系联合国开发署援建项目，安装3台1000千瓦地热机组，于1992年全部建成。32 关于潮汐能发电的相关报道 中国拥有500千瓦以上的潮汐能电源点有191处，可开发的潮汐电站装机总容量可达2158万千瓦，年发电量可达619亿千瓦时，主要分布在杭州湾、长江北口、浙江乐清湾三大地区。中国第一座潮汐电站是1959年9月建成的浙江临海潮汐电站，安装2台60千瓦机组。中国最大的

22、潮汐电站是浙江温岭县江厦潮汐试验电站，总容量3900千瓦，一号机500千瓦于1980年5月4日发电。目前中国已建成7座潮汐电站，最大的装机5000千瓦和3座波力实验电站40千瓦。正在兴建2座波力试验电站，装机容量200千瓦和潮汐电站一座70千瓦。33 关于太阳能发电的相关报道 中国第一座大功率的太阳能发电站建于内蒙古巴林右旗古力古台村，功率560瓦，于1982年10月11日投运。在西藏已建成二座10千瓦、一座20千瓦和一座25千瓦的光伏电池电站。中国最大的太阳能光能发电站，建于海拔4300米的西藏革吉县，总功率10088瓦。正计划在拉萨兴建一座3.5万千瓦的太阳能发电站。34九、中国的电力发展

23、 1879年，美国的著名发明家爱迪生发明了电灯，很快把神秘的电和人类的生活联系了起来。 清光绪五年四月初八（1879年5月28日），上海公共租界工部局电气工程师毕晓浦，在虹口乍浦路的一座仓库里，用7.46千瓦的蒸汽机带动自激式直流发电机，将发出的电能点燃碳极弧光灯。这是中华大地上点亮的第一盏电灯。 35 1882年，英国人在上海南京路创办了上海第一家发电厂，容量12千瓦，这就是中国的第一座发电厂。这座电厂的出现，比全球率先使用弧光灯的巴黎北火车站电厂晚7年，比伦敦霍尔蓬高架路电厂晚6个月，却比纽约珠街电厂早2个月，比俄国彼得堡电厂早1年，就用电来说，中国也属于最早使用电的国家之一。 中国人自办

24、电气事业，约始于1888年。当年7月23日，两广总督张之洞从国外购入1台发电机和100盏电灯，安装在衙门旁发电，供衙门照明。 1890年，上海一些官僚、富商家庭开始使用白炽灯照明。36 20世纪初，中国的电力发展出现了第一波热潮。1903年江苏镇江大照电灯公司成立。1905年北平京师华商电灯有限公司成立。天津、上海南市、济南、汉口、重庆等地的华人也先后开办电力事业。 19世纪90年代，三相交流输电系统研制成功，并很快取代了直流输电，成为电力系统大发展的里程碑，吹响了工业革命的号角。37 1904年，处于日本殖民统治下的台湾建成中国最早的水电站龟山水电站，装机容量600千瓦。云南石龙坝水电站也在

25、1912年建成发电，随之出现了我国第一条22千伏输电线路。由于历经战乱，旧中国的电力始终缓慢发展。38 2、新中国的电力发展 电力工业素有国民经济“先行官”之称。新中国成立50多年来，电力工业迅速发展。从1996年起，我国电力装机容量、发电量和用电量一直保持世界第二位，仅次于美国。 据统计，1949年，全国电力装机容量只有185万千瓦，年发电量43亿千瓦时，分别位居世界第位和位。 新中国成立后，我国电力工业迅速发展。到1978年，全国电力装机容量已达5712万千瓦，比1949年增长近倍；年发电2566亿千瓦时，增长近59倍。39 改革开放后，我国电力工业连续跃上两个台阶：1987年，电力装机容量达亿千瓦，1995年突破亿千瓦，2000年突破3亿千瓦，2003年接近4亿