第0章 绪论-电力系统的重要性

供配电系统分析与设计绪论:电力系统的重要性电力系统的重要性世界最伟大的发明:17世纪:显微镜;18世纪:蒸汽机19世纪:电;20世纪:计算机19世纪人类最伟大发明,电能的出现和广泛应用彻底改变了人类的生产和生活状态.电能对促进生产力发展和提升人类文明做出了巨大贡献.电力系统的重要性电力作为一种涉及国计民生的基础性资源，对于社会的正常生产及民众的日常生活具有极为重要的意义.现代社会，电力是现代社会和经济运行的神经中枢、动力之源,是社会和经济运行的总开关，没有了电，一切便迅速陷入全面瘫痪。能源类型石油煤炭电力能源不可再生能源二次能源一次能源:是指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源.二次能源:由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品.一次能源可以进一步分为再生能源和非再生能源两大类。石油,煤炭,核能等会越用越少,短期内得不到补充,属于不可再生能源;而水的动能,风能,太阳能,生物质能,可以源源不断地从自然界得到,称作可再生能源.电能电能是一种清洁的二次能源。它是由自然界中存在的一次能源中储存的能量（如燃料中的化学能、水的势能、核能、风能、太阳能等）转换而来；同时，电能又能很方便地转换为人们所需要的其它形式的能量如电炉将电能转换为热能；电动机将电能转换为机械能；电灯将电能转换为光能；蓄电池将电能转换为化学能等。电能的优势（1）可以与多种形式能源之间进行相互转换；（2）具有一次能源不具备的：便于大规模生产、远距离传输、在分配系统中无限分割、并易于精密控制的特点；（3）能够精确实现分散、定时、定量、定点使用；（4）是化石燃料清洁利用的最好方式；（5）新能源和可再生能源必须转换成电力才能被方便利用；（6）是最清洁、高效、安全、优质的能源，合理使用电力可以节约一次能源。电气化在生产中所占的比重在产品成本中所占的比重一般很小（除电化工业外）。例如在机械工业中，电费开支仅占产品成本的5%左右。从投资额来看，一般机械工厂在供电设备上的投资，也仅占总投资的5%左右。生产电气化的优点 工业生产实现电气化以后可以大大增加产量，提高产品质量，提高劳动生产率，降低劳动成本，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，有利于实现生产过程自动化。电能消费即电气化程度已成为表征一个国家现代化进程和人民生活水平的重要标志。2006年世界一些国家和地区的人均用电量（kWh）国家或地区加拿大瑞典美国澳大利亚新西兰日本韩国德国英国中国香港中国人均用电量1675315231135501133296468451799571746185588221001980～2006年我国能源效率与电气化指标生产电气化的另一面

如果工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。 如某些对供电可靠性要求很高的工厂，即使是极短时间的停电，也会引起重大设备损坏，或引起大量产品报废，甚至可能发生重大的人身事故，给国家和人民带来经济上甚至政治上的重大损失。近几年全球发生的重大停电事故2003年8月14日，美国东北部部分地区以及加拿大东部地区出现的大范围停电。这是北美历史上最大范围的停电.停电使城市公共交通设施瘫痪，造成61.8GW负荷损失；在216个电厂中切除了531台发电机；给用户造成了约70亿美元的损失，受影响的人估计:加拿大有一千万（三分之一的人口）在美国有四千万。体制原因:我国电网调控按照“先错峰、后避峰、再限电、最后拉闸”的原则来保证重要部门、单位和人民生活用电需要。美国是市场化运作，供电用电严格遵守合同规定。因此即使用电负荷大幅度增加，美国的电网也得顶着，容易发生事故。近几年全球发生的重大停电事故2003年8月28日，英国首都伦敦和英格兰东南部部分地区突然发生重大停电事故，严重扰乱了交通运输，伦敦近三分之二地铁停运，大约25万人被困在地铁中。大约在停电两个半小时后伦敦恢复电力供应。

英国电网官员称，事故是由国家电网出现故障引起,电网设施落后,自动装置不能有效切除故障。

伦敦市长：断电是耻辱，多达50万人可能受影响。

近几年全球发生的重大停电事故2005年1月8日、9日，瑞典西南部遭遇飓风袭击，导致当地40多万户家庭或机构停电，直接损失达数十亿瑞典克朗。2006年5月25日，俄罗斯首都莫斯科南部、西南和东南城区及郊区发生大面积停电，给莫斯科市造成至少10亿美元的损失。俄罗斯有关专家认为，莫斯科当天断电与俄电力系统老化有关,专家建议及时更新电力基础设施。

近几年全球发生的重大停电事故2006年11月4日晚，西欧多国遭遇特大停电事故，约1000万人受到影响。法国约500万人的电力供应被切断。德国停电影响了至少100万人。事故还波及意大利,比利时和西班牙等地多个城市。直接起因是德国为了让一艘船出厂切断了两条高压线，造成欧洲电网东部电力输出负荷过重，西部电力输入严重不足，引发欧洲电网连锁反应。欧洲目前使用统一供电网，任何一个环节出现问题，就可能对多个国家造成大范围影响。欧洲大停电事故，暴露了欧洲电力供应方面的缺陷。欧洲官员呼吁各国加强能源合作，制定统一的电力政策，建立电力供应管理机构，加大电力建设投资等。

电力系统-现代战争的攻击重点1991年海湾战争开始，战争不再以杀伤对方有生力量为重点(现代战争和传统战争的本质区别)。美军对伊拉克实施“五环打击”:政府首脑、电力、交通、通信等战略设施是攻击的重点，军队和军事设施是最次要的目标。战争是政治的继续不是生命屠杀。攻击电力系统，既为战争贴上“人道”标签，又迅速打垮对方军民抵抗意志。从现代军队的军事能力和战术手段上说又容易实现：电力系统庞大脆弱，难以严密防御，容易使用飞机和导弹予以摧毁。电力系统这一特性使其成为战争被攻击的重点。

电力系统-现代战争的攻击重点1999年科索沃战争，空袭前期主要是摧毁南联盟的战略设施，南军民顽强坚持。从5月2日起，以美国为首的北约开始轰炸南联盟供电系统，并使用石墨炸弹使南联盟电网彻底瘫痪，由此造成整个南联盟经济的崩溃。30天后，南联盟被迫接受了美国及北约的城下之盟。令人震惊的是:南联盟承认战败时，它的人民军还保持着90%的基本完整。美国空军反思:如果一开始轰炸就对准南联盟的电力系统，战争也许不需要进行78天。打击电力系统就此成为美军最大的战争心得。非杀伤性武器_碳纤维炸弹

电力系统-现代战争的攻击重点碳纤维炸弹又称石墨炸弹,软炸弹，俗称“电力杀手””断电炸弹”，不以杀伤敌方兵员为目的,但对供电系统有强大破坏力。具有成本低廉、破坏力大、防卫不易等优点.其选用特殊处理的纯碳纤维丝制成,直径小可在高空中长时间漂浮,具有强导电性,没有粘性却能附在一切物体表面。只要搭落在电力线或变压器等电力设施上，会发生短路烧毁，造成大范围停电。会破坏电力设备原有的绝缘性能，使其长期受损，难以修复。石墨炸弹由于火药量少，不会杀害人员和生物，是非杀伤性武器,因而不受“大规模毁灭性武器”相关公约的限制。

电力系统-现代战争的攻击重点1991以美国为首的多国联盟对伊拉克进行海湾战争,石墨炸弹在“沙漠风暴”行动中首次登场,使伊拉克全国供电系统85%瘫痪。科索沃战争美国空军对南斯拉夫的空袭中使用的石墨炸弹纤维更细更易导电，对电力破坏性更大。首次攻击就造成南斯拉夫全国70%的地区断电。北约发言人宣称：“我们掌握了南联盟的电力开关。”2007年台湾《联合报》称，台湾“中科院”正着手研制石墨炸弹，导弹的覆盖范围包括大陆的北京和上海。如果台湾使用石墨炸弹攻击大陆城市，将会造成大陆城市的所有电力供应瘫痪。08年冻雨灾害对中国电力系统影响2008年1月10日，中国南部和中部19个省普降大暴雨和大暴雪，持续时间长达20多天，低温、雨雪和冰冻的共同交织，造成了中国50年以来最严重的冰雪冻雨灾害。什么是冻雨

冻雨指过冷却水落在地面或暴露物体时，迅速凝结为冰的天气现象。冻雨与冷暖气流相遇有关，形成通常需要两个条件：(1)水汽充足。如美国的东北部和加拿大中东部地区是世界著名的冻雨灾害区，靠近它们的五大湖区正是暖湿气流的来源。(2)地面温度低于0℃，高空则有逆温层。下冷上热的气温条件使雪落到地面之前融化为水滴，而地面低温使水滴落地时又能迅速凝结成冰。冻雨在物体表面形成一层透明的冰覆盖层，这种冰覆盖层被称作"雨凇"，又称"冰挂"。两冷包夹一暖的"三明治"气层是冻雨的理想"温床"。冻雨开始时以雪的形式落下，在下降过程中遇到暖气流层而融化为雨滴，随后在更低高度又遇到温度低于零摄氏度的冷气流层，此时雨滴不再凝结，而是形成过冷雨滴。过冷雨滴一旦遇到低于0℃的任何物体就会立刻凝结，形成细长条状的冰挂。

08年冻雨灾害对中国电力系统影响民政部数据:冻雨灾害中，农作物受灾面积1.78亿亩；倒塌房屋48.5万间；因灾直接经济损失1516.5亿元;造成129人死亡，4人失踪，紧急转移安置166万人。其中，湖南、湖北、贵州、广西、江西、安徽6省受灾最为严重。冻雨灾害对电力系统破坏严重,导致大面积供电中断.由于电力受损、煤炭运输受阻（煤炭占电力发电的主导地位），不少地区用电中断，电信、通讯、供水、取暖均受到不同程度影响，某些重灾区甚至面临断粮危险。本次冻雨灾害正逢春运期间，大量旅客滞留在站场港埠，社会秩序一度混乱。气象灾害中断了多条铁路动脉，几十万名乘客守候在广州火车站广场.贵州某地区的冻雨图:双回线(铁塔)的重量大概是6吨，但是结了冰以后，重量大概达到50吨，是原来的6倍.冻雨附在电塔上凝结成冰后，时间一长就可能压垮电塔.清理附冰最有效办法是人爬上去敲掉冰挂，工作具有危险性，湖南有三个烈士为此殉职。冻雨遇到固体表面立刻结冰。电线上的附冰使电线载荷加重拉倒电线杆；此外融冰期，因为电线融冰速度不同（如阳侧的冰先融化），也会造成电线杆张力不平衡而倒塌。冻雨天气对电力系统危害的直接原因在全国范围电网造成36740条10kV及以上电力线路、2016座35kV及以上变电站停运,10kV及以上杆塔倒塌及损坏310321基，其中110-500kV8381基，导致3330多万户、约1.1亿人口停电，给经济、社会和人民生活造成了极为严重的影响。煤、电、路三者的问题循环:煤电运紧张形势由来已久，灾害前多个地区已因电厂存煤量不足出现缺电。灾害中冰雪对道路交通的破坏导致电煤生产运输阻碍，发电厂因燃料供应不足而停机问题突出。2008年1月29日全国范围内因燃料供应不足而停机共4171万千瓦。大面积输电线路损坏，阻碍了电气化铁路的运营，又恰逢春运高峰，导致在遇灾初期运力严重不足，进一步加剧了电煤紧缺的局面。冻雨天气对电网伤害的形成导致输电线路上覆冰的主要的气象因素有气温、空气湿度和风。当温度与湿度条件都具备时，风速的大小和风向成为决定覆冰厚度的重要参数，最适宜覆冰产生的风速一般为2米/秒到7米/秒。覆冰首先在电线迎风面上产生，当迎风面达到某一覆冰厚度时，在不平衡重力的作用下产生扭矩，使电线发生扭转，从而使电线的另一侧成为迎风面而产生覆冰，如此反复多次后在电线上形成圆形或椭圆形的覆冰。冻雨天气对电网伤害的形成这次冻雨气候平均覆冰约在30～60mm，局部地区最大覆冰厚度达到80mm，使得铁塔的垂直荷载和纵向张力大大超过其设计能力，导致大量倒塔事故。线路覆冰后，垂直荷载大，同时杆塔两侧电线的不均匀覆冰产生一定的纵向张力差，使杆塔的受力情况比较严重复杂.在严重覆冰时,杆塔会遭到破坏.严重覆冰会使输电线路出现断线情况:冰载过大使电线弧垂大幅度增加，电线与地或周围其他物体（如树木、建筑物等）的安全距离减小，当距离不满足电气间隙要求时电线会对地或树木放电而烧断电线。当然断线更多的是因为杆塔串倒而拉断。冻雨天气对电网伤害的形成电力系统在覆冰融化中可能会出现以下问题:电线覆冰融化中，线路绝缘水平大大下降，设备可能产生“冰闪”放电现象，会引起设备故障跳闸。电线冰凌融化不均匀，导致电线出现大幅度舞动。带电线路舞动中对地面或对周围物体放电，引起短路跳闸。大风时，舞动的线路产生“共振”效应足以拉倒重达几十吨的钢制塔架，对输变电设备造成二次破坏。对于线路覆冰融化时产生的单次短路故障，电网的输变电设备可以自动在零点几秒的时间内重合闸，几乎不会对供电产生影响。但短路故障如果在多条线路同时频繁发生，或者线路覆冰融化时，发生线路断线、倒塔等事故，对电网安全和可靠供电将造成严重威胁。灾害后的反思《110～500kV架空送电线路设计技术规程》设计气象条件规程：“应根据沿线的气象资料和附近已有线路的运行经验，110千伏到330千伏送电线路按15年的重现期确定，500千伏送电线路按30年的重现期确定。”但今年覆冰灾害甚至超过了50年一遇。电网建设中制定的规程规范都有一定的适用范围，此次罕见的覆冰灾害敲响了极端气候条件下电网安全的警钟。国家电网公司和南方电网公司正在分别制定灾后重建的方案，按照国家电网公司的估计，仅重建修复电网的资金就需要300亿元。灾害后的反思原有的设计标准无法满足极端灾害情况。设计标准提高不仅违反技术规程而且工程造价大幅上升。如:以10毫米覆冰设计为标准，标准提高到20毫米覆冰时，塔材耗量将提高1.2倍，造价提高0.8倍；标准提高到30毫米覆冰时，塔材耗量将提高2.46倍，造价提高1.6倍；标准提高到50毫米覆冰时，塔材耗量将提高5.8倍，造价提高3.8倍！

中国现在是全世界第二大电力装机国家，仅次于美国。这么大的电力规模，普遍提高电网设计标准所带来的投资是无法想象的,并不可行。如何解决好发展和安全的矛盾是电力系统必须面对的问题。可以在各地关键输送线路或每个区域众多线路中至少有数条输送线路采用更高设计标准;完善预防机制，建立良好的预警机制。自主知识产权的创新成果得到广泛应用2011年初，湖南、广西、贵州等地又遭受严重的冻雨冰雪自然灾害，给高压输电线路带来严峻考验。贵州有286条110千伏高压线路覆冰，严重威胁整个南方电网的电力输送。中国自主创新成果在这方面得到了广泛应用：我国自主研发”智能除冰机器人”达到国际先进水平，成为及时解决高压输电线路除冰难题的生力军。针对实际应用需求有单体式、两臂式和三臂式除冰机器人.简单、轻便、自动化程度高、能耗低、能自动完成对输电线路的高效无损伤除冰。国家科技支撑计划重大专项“高压输电线路在线智能除冰机器人关键技术与装备研究”课题组长:湖南大学教授王耀南。

自主知识产权的创新成果得到广泛应用湖南省气象科研所联合湖南大学、中南大学等自主研发的“极端气象灾害预警系统”得到应用。课题组负责人:湖南省气象局副局长汪扩军。系统将以往冰冻天气气候背景、发生发展物理机理，预报预测技术等数据及运行方式,使用软件进行综合整理分析，创建了冰雪灾害监测评估业务系统数字模型。我国气象科技的重大专项研究项目，攻克11项气象灾害监测预测评估关键技术。可做到提前１个月对气象灾害天气趋势进行分析，提前7天到10天预测判断，提前3天预报预警，天气预报的温度预测率比原来提高了15%，降水预报率提高了5%，将降水分布预测率由30多公里精确到3公里到5公里，达到国际先进水平。切尔诺贝利核电站事故切尔诺贝利核电站位于乌克兰北部，是原苏联时期在乌克兰境内修建的第一座核电站。曾经，切尔诺贝利是苏联人民的骄傲，被认为是世界上最安全、最可靠的核电站。1986年4月26日切尔诺贝利核电站发生爆炸。据估算，核泄漏事故产生的放射污染相当于日本广岛原子弹爆炸放射污染的100倍。爆炸使机组被完全损坏，8吨多强辐射物质泄露，尘埃随风飘散，致使俄罗斯、白俄罗斯和乌克兰许多地区遭到核辐射污染。