第一章 电力系统概述与基本概念

课程特点和考试要求教学目的：对电力系统的组成和运行有全面、深刻的了解，掌握电力系统稳态运行的各种分析和计算方法专业课与基础课的区别应用背景：实践-〉理论-〉实践计算多，题多工程性强，针对性强，经验性强课程特点和考试要求教学参考书：夏道止《电力系统分析》何仰赞温增银《电力系统分析》“ElementsofPowerSystemAnalysis”W.D.Stevenson(美)“ElectricPowerSystems”B.M.Weedy(英)成绩评定：采用百分制：平时成绩占30%，期末考试成绩占70%。期末考试采用闭卷考试形式。平时成绩主要包括作业、考勤和课堂回答问题的成绩。第一章电力系统基本概念

一

、电力系统概述1882年，英国建成第一座发电厂，原始线路输送的是低压直流电。同年，法国人德普列茨提高了直流输电电压（1000V)，被认为是世界上第一个电力系统。1891年，第一条三相交流输电线路在德国运行，三相交流输电使输送功率、输电电压、输电距离日益增大。目前，大电力系统不断涌现，甚至出现全国性和国际性电力系统。图1-1动力系统、电力系统、和电力网络示意图１.电力系统的组成

电力系统：是指由生产、输送、分配电能的设备，使用电能的设备以及测量、继电保护、控制装置乃至能量管理系统所组成的统一整体。包括发电、变电、输电、配电、用电五个单元，以及相应的通信、继电保护、自动装置等设备

电力网络：电力系统中，各种电压等级的输配电力线路及升降压变压器所成为的部分称为电力网络。

动力系统：在电力系统的基础上又加上动力设备，统称为动力系统。从发电厂到用户的送电过程发电厂是生产电能的工厂。它把其它形式的能源，如煤炭、石油、天然气、水能、原子核能、风能、太阳能、地热、潮汐能等等，通过发电设备转换为电能。我国以火电发电为主，其次是水电和原子能发电。

火电厂是我国目前最主要的电源，比例大于75%。火力发电存在的问题今后火电建设的重点采用高参数、大容量、高效率的设备。开发清洁煤燃烧发电、天然气蒸汽联合循环发电。鼓励热电联产。加强煤炭基地的矿口电厂建设。安全问题：采矿和运输中的安全性灾难等。环境问题：酸雨、温室效应、可吸入颗粒物等。效率问题：凝汽式火电厂效率为40%，热电厂为60%~70%。凝气式火电厂生产过程示意图

江苏谏壁发电厂始建于1959年，于1987年9月全部建成，共安装10台机组，总容量162.5万千瓦，年发电量在100亿度左右，成为80年代末到90年代初国内最大的火力发电厂。浙江北仑发电厂是我国目前最大的现代化火力发电厂，总装机容量为300万千瓦(5×600MW)，工程于1988年1月正式开工建设，2000年9月全部建成发电。年发电量167亿度，为浙江省各类发电厂发电总量的四分之一，其中两台机组的发电量就能满足宁波市全部用电所需。北仑发电厂主控制室北仑发电厂汽轮机房

张家口发电总厂成立于1988年8月，由下花园发电厂和沙岭子发电厂合并而成，位于张家口市东南14km，距首都北京170km，距煤都大同180km。发电厂总装机容量240万千瓦（8×300MW），通过500kV双回线向北京供电，同时兼顾地方用电，担负着北京地区1/4电力负荷的供电任务。张家口发电总厂夜景厂区景色汽轮机房（2）水力发电的优点是最干净的能源之一。是最廉价的能源之一：无需燃料、无环境污染、生产效率高、发电成本低、运行维护简单。综合水利工程：可同时解决发电、防洪、灌溉、航运、水产养殖等问题。

（1）水电厂的能量转换过程：水的位能→机械能→电能。水力发电厂（3）水力发电存在的问题建设问题：投资大、工期长，存在库区移民、淹没耕地、破坏人文景观、破坏自然生态平衡等问题。运行问题：发电量受气象、水文、季节水量变化的影响较大，分丰水期和枯水期，出力不稳定，增加电力系统运行的复杂性。

堤坝式水电厂生产过程示意图葛洲坝27孔泄洪闸葛洲坝水电站葛洲坝水电站是长江干流上修建的第一座大型水电工程，是三峡工程的反调节和航运梯级。电站始建于1970年，共有机21台机组，总装机容量271.5万千瓦，年发电量157亿度。电站以500kV和220kV输电线路并入华中电网，并通过500kV直流输电线路向距离1000km的上海输电120万千瓦。三峡水电站效果图长江三峡水电站坝长2309m，坝高185m，水头175m，总库容393亿立方米，总装机容量18.2GW（26×700MW），年发电量86.5TW·h；库区将淹没耕地36万亩，淹没城镇129座，需安置迁移人口113万；电站于93年起步，首批机组于2003年10月发电，以后每年投产4台机组（280MW），2009年全部机组建成投产。三峡电站发出的强大电力将送往华中、华东地区和广东省。电站将引出15条超高压交流输电线路，其中3条线路通过换流站将交流电转换成直流电后，再通过500kＶ直流输电线路，2条送往华东、1条送往广东。三峡工程综合效益防洪：三峡水库正常蓄水位175米，总库容393亿立方米，防洪库容221.5亿立方米，能有效地控制长江上游洪水，保护长江中下游荆江地区1500万人口、2300万亩土地，是世界上防洪效益最为显著水利工程。发电：三峡水电站装机总容量为1820万kW，年均发电量847亿kW·h。以直线距离1000公里为半径，全国除辽宁、吉林、黑龙江、新疆、西藏、海南、台湾7省区外，其余地区的主要城市和工业基地都在这个范围内。航运：它将改善航运里程660公里，使重庆至宜昌航道通行的船队吨位由现在的3000吨级提高至万吨级，年单向通过能力由1000万吨提高到5000万吨。三峡双线五级船闸

三峡船闸全长6.4公里，可通过万吨级船队，单向年通过能力5000万吨。船闸主体段闸首和闸室分南北两线，每线船闸主体段由6个闸首和5个闸室组成，每个闸室长280米、宽34米。而船闸人字门是名副其实的“天下第一门”，单扇门宽20.2米，高38.5米，厚度3米，面积有两个篮球场那么大，重达850多吨。

核电厂（1）核电厂的能量转换过程：核燃料的裂变能→热能→机械能→电能。（2）核电厂的组成：核反应堆、汽水系统（汽轮机）、电力系统（3）核电厂是我国目前最重要的电源之一，比例大于10%。（4）核电迅速发展的原因核电是一种新型的巨大能源。煤、石油等火电燃料储量有限，不可再生。发达国家的水资源已基本殆尽。一些资源贫乏国家“能源危机”，不得不发展核电。（5）核能发电的优缺点节省大量煤炭、石油等燃料，避免燃料运输。不需空气助燃，可建在地下、水下、山洞或空气稀薄地区。比火电厂造价高，但发电成本低30%～50%，且规模越大越合算。存在问题：放射性污染。秦山核电站位于东海之滨美丽富饶的杭州湾畔，是中国第一座依靠自己的力量设计、建造和运营管理的压水堆核电站，总装机容量2×300MW。1985年3月动工，1991年12月首次并网发电。它的建成使我国成为继美、英、法、前苏联、加拿大、瑞典之后世界上第七个能够自行设计、建造核电站的国家。秦山核电站主控制室秦山核电站汽轮机房

大亚湾核电站位于深圳市东部大亚湾畔，为我国目前最大的核电站。大亚湾核电站是我国引进国外资金、设备和技术建设的第一座大型商用核电站。核电站安装有两台单机容量为900MW的压水堆反应堆机组。1987年8月7日工程正式开工，1994年2月1日和5月6日两台机组先后投入商业营运。大亚湾核电站每年发电量超过100亿度，其中七成电力供应香港，三成电力供应广东电网。大亚湾核电站电站设备太阳能发电：太阳光能或太阳热能→电能太阳能发电的优点是一种取之不尽、用之不竭的廉价能源。不需要燃料、生产成本低、不产生污染受季节、昼夜、地理和气象条件的影响较大。太阳能光伏电源在西部地区应用广泛。（青海、新疆）我国的太阳能光伏发电产业于20世纪70年代起步，2007年底累计装机容量只有100MW。太阳能发电系统的组成太阳能电池板：将太阳的辐射能转换为电能。太阳能控制器：控制整个系统的工作状态，对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。蓄电池：在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。逆变器：将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能。

光电板控制器逆变器配电线路负载蓄电池风力发电：风力的动能→机械能→电能风力发电的优点西部地区的风能资源占全国的50%以上

。（青海、甘肃、新疆、内蒙、云南、西藏等）是一种取之不尽、用之不竭的自然能源。有一定的随机性和不稳定性，因此必须配有蓄能装置。达板城风力发电厂装机容量7.23万千瓦，占全国的30%。地热发电：地热能→电能电能生产过程：与火电厂相似，用地热井取代锅炉设备。地热资源的开发利用在西部地区已取得了良好的效益。

羊八井电厂是我国最大的地热电厂，总装机容量为25.18MW，水温约150℃，担负拉萨地区50%的供电任务。电站由5眼地热井供水，单井产量为75～160立方米／小时。羊八井地热电厂

羊八井地热温泉潮汐发电：海水涨潮或落潮的动能或势能→电能。我国正在运行发电的潮汐电站共有8座（浙江4座，山东、江苏、广西、福建各1座）法国郎斯潮汐电站示意图

法国朗斯潮汐电站

法国郎斯电站1967年建成，位于法国圣马洛湾郎斯河口。一道750米长的大坝横跨郎斯河。坝上是通行车辆的公路桥，坝下设置船闸、泄水闸和发电机房。郎斯潮汐电站机房中安装有24台双向涡轮发电机，涨潮、落潮都能发电。总装机容量24万千瓦，年发电量5亿多度，输入国家电网。

江厦潮汐电站是中国第一座双向潮汐电站，位于浙江省温岭市乐清湾北端江厦港。1980年5月第一台机组投产发电。电站装有双向贯流式机组6台，总装机容量3200干瓦，年发电量600万度，可昼夜发电14～15小时

。规模仅次于法国郎斯潮汐电站、加拿大芬地湾安娜波利斯潮汐电站，居世界第三。变电所：是变换电压和接受分配电能的场所。分为区域变电所、地区变电所和终端变电所等。配电所：只接受和分配电能，不变换电压。电力用户：消耗电能，将电能转换成其他形式能量。2．工业企业供电系统区域变电所：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330～750kV，全所停电后，将引起整个系统解列甚至瓦解；地区变电所：由发电厂或区域变电所供电，高压侧电压为110～220kV，全所停电后，将使该地区中断供电；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35～110kV，全所停电后，将使用户中断供电。变电所的室外场景变电所电气设备概述一次系统（一次回路）：二次系统（二次回路）：担负电能的输送和分配任务的系统。对一次系统进行监视、控制、测量和保护作用的系统。一次系统中的所有电气设备，称为一次设备。二次系统中的所有电气设备，称为二次设备。一次设备按其功能可分为以下几类：变换设备：如电力变压器、电流互感器、电压互感器等。开关设备：如断路器、隔离开关、负荷开关等。保护设备：如熔路器、避雷器、电抗器等。成套配电装置：如高压开关柜、低压配电屏等。

变换设备电力变压器的常用类型按用途分：有升压和降压变压器；按相数分：有单相和三相变压器；按绕组材料分：有铜绕组和铝绕组变压器；按绕组型式分：有双绕组、三绕组和自耦变压器；按调压方式分：有无载调压和有载调压变压器；按绕组绝缘和冷却方式分：有油浸式、干式（环氧树脂浇注绝缘）和充气式（SF6气体）变压器;一、电力变压器

三相干式变压器

油浸式电力变压器1—信号温度计2—铭牌3—吸湿器4—油枕（储油柜）

5—油位指示器（油标）6—防爆管7—瓦斯继电器

8—高压套管9—低压套管10—分接开关11—油箱12—铁芯13—绕组及绝缘14—放油阀15—小车16—接地端子

二、电流互感器互感器在供配电系统中的作用是：使测量仪表、继电器等二次设备与主电路隔离。电流互感器的工作原理一次绕组：匝数很少，导线很粗，串联一次回路中；二次绕组：匝数很多，导线很细，与测量仪表、继电器等的电流线圈串联

三、电压互感器

电压互感器的工作原理一次绕组：匝数很多，并联在供电系统的一次电路中；二次绕组：匝数很少，与电压表、继电器的电压线圈等并联。

电压互感器的原理接线图JDZJ-10型电压互感器JDJ-10型电压互感器

一、高压断路器用途：不仅能通断正常负荷电流，而且能通断一定的短路电流，并能在保护装置作用下自动跳闸，切除短路故障。结构特点：具有相当完善的灭弧结构。高低压开关设备二、高压隔离开关（俗称刀闸）结构特点：没有灭弧装置。

隔离开关断开后在电路中可以造成一明显可见的断开点，建立可靠的绝缘间隙，保证检修人员的安全。户内式隔离开关户外V型隔离开关三、高压负荷开关结构特点：有简单的灭弧装置。

功能：可以接通或断开正常的负荷电流，但不能切断短路电流；多与高压熔断器配合使用。有明显的断开点，具有隔离开关的作用。四、低压断路器（低压自动开关或空气开关）功能：既能带负荷通断电路，又能在线路发生短路、过负荷、低电压（或失压）等故障时自动跳闸。高低压保护电器和限流电器

一、熔断器功能：对电路及其设备进行短路或过负荷保护.（一）高压熔断器特点：灭弧能力很强，灭弧速度很快，能在短路电流未达到冲击值以前完全熄灭电弧，属于“限流”式熔断器。特点：结构简单、更换熔体方便、运行安全可靠，但灭弧能力较差，不能在短路电流达到冲击值以前熄灭电弧，属于“非限流”式熔断器。（二）低压熔断器瓷插式熔断器

二、避雷器避雷器是一种用来限制雷电过电压的保护电器，它可防止雷电过电压沿线路侵入变配电所或其它建筑物内，危害电气设备绝缘。避雷器应与被保护物并联，装在被保护物的电源侧。氧化锌避雷器

三、限流电抗器作用：限制短路电流。电抗器的布置方式：三相垂直布置、品字型布置和三相水平布置，如图所示。图

电抗器的布置方式a）垂直布置b）品字型布置c）水平布置注意：电抗器垂直布置时，B相应放在A、C相中间；品字型布置时，不应将A、C相重迭在一起。

高低压成套配电装置

概述

成套配电装置是按一定的线路方案将有关一、二次设备组装而成的一种成套设备的产品，供供配电系统作控制、监测和保护之用。成套配电装置中安装有开关电器、监测仪表、保护和自动装置以及母线、绝缘子等。成套配电装置分为高压成套配电装置（即高压开关柜）、低压成套配电装置（含配电屏、盘、柜、箱）和全封闭组合电器等。GG—1A（F）型高压开关柜一、高压开关柜指柜体内高压断路器等主要电气设备安装在可移动的手车上。其特点是灵活性好、检修安全、供电可靠性高、安装紧凑和占地面积小等优点，但价格较贵。二、低压配电屏低压配电屏的分类按其结构型式分：有固定式和抽屉式两种。固定式低压配电屏GCS型低压抽屉式开关柜

电力线路的结构

1．架空线路架空线路主要由导线、避雷线（即架空地线）、杆塔、绝缘子和金具等部件组成，如图所示。

架空线路的结构导线和避雷线：导线的作用是传导电流、输送电能；避雷线的作用是将雷电流引入大地，以保护电力线路免遭雷击。架空线路采用的导线结构型式主要有单股、多股绞线和钢芯铝绞线三种，如图所示。

裸导线的构造a）单股线b）多股绞线c）钢芯铝绞线导线材料：要求电阻率小、机械强度大、质量轻、不易腐蚀、价格便宜、运行费用低等，常用材料有铜、铝和钢。导线的结构型式：导线分为裸导线和绝缘导线两大类，高压线路一般用裸导线，低压线路一般用绝缘导线。架空导线的型号有：TJ——铜绞线LJ——铝绞线，用于10kV及以下线路LGJ——钢芯铝绞线，用于35kV及以上线路GJ——钢绞线，用作避雷线

杆塔：用来支撑导线和避雷线，并使导线与导线、导线与大地之间保持一定的安全距离。按材料分：有木杆、钢筋混凝土杆（水泥杆）和铁塔。按用途分：有直线杆塔（中间杆塔）、转角杆塔、耐张杆塔（承力杆塔）、终端杆塔、换位杆塔和跨越杆塔等。杆塔的分类档距：同一线路上相邻两根电杆之间的水平距离称为架空线路的档距（或跨距）。弧垂：导线悬挂在杆塔的绝缘子上，自悬挂点至导线最低点的垂直距离称为弧垂。线间距离：380V为0.4～0.6m；6～10kV为0.8～1m；35kV为2～3.5m；110kV为3～4.5m。横担：电杆上用来安装绝缘子。常用的有木横担、铁横担和瓷横担三种。横担的长度取决于线路电压等级的高低、档距的大小、安装方式和使用地点等。“

瓷横担的特点：有良好的电气绝缘性能，兼有绝缘子和横担的双重功能，能节约大量的木材和钢材，有效地降低杆塔的高度，可节省线路投资30%～40%。三相四线制低压线路的导线，一般都采用水平排列；三相三线制的导线，可三角排列，也可水平排列；多回路导线同杆架设时，可三角、水平混合排列，也可全部垂直排列；电压不同的线路同杆架设时，电压较高的线路应架设在上面，电压较低的线路应架设在下面；架空导线和其他线路交叉跨越时，电力线路应在上面，通讯线路应在下面。导线在杆塔上的排列方式：绝缘子和金具：绝缘子用来使导线与杆塔之间保持足够的绝缘距离；金具是用来连接导线和绝缘子的金属部件的总称。常用的绝缘子主要有针式、悬式和棒式三种。针式绝缘子：用于35kV及以下线路上，用在直线杆塔或小转角杆塔上。悬式绝缘子：用于35kV以上的高压线路上，通常组装成绝缘子串使用（35kV为3片串接；60kV为5片串接；110kV为7片串接）。棒式绝缘子：棒式绝缘子多兼作瓷横担使用，在110kV及以下线路应用比较广泛。高压针式绝缘子低压针式绝缘子高压线路拉棒绝缘子高压线路瓷横担绝缘子

线路盘形悬式绝缘子

复合针式绝缘子复合棒式绝缘子线路金具、U型抱箍、挂板

杆顶帽、拉线抱箍2．电缆线路电缆的结构：包括导体、绝缘层和保护包皮三部分。分为单芯、三芯和四芯等种类。单芯电缆的导体截面是圆形的；三芯或四芯电缆的导体截面除圆形外，更多是采用扇形，如图所示。图

扇形三芯电缆1—导体2—纸绝缘3—铅包皮

4—麻衬5—钢带铠甲6—麻被导体：由多股铜绞线或铝绞线制成。绝缘层：用来使导体与导体之间、导体与保护包皮之间保持绝缘。绝缘材料一般有油浸纸、橡胶、聚乙烯、交联聚氯乙烯等。保护包皮：用来保护绝缘层，使其在运输、敷设及运行过程中免不受机械损伤，并防止水分浸入和绝缘油外渗。常用的包皮有铝包皮和铅包皮。此外，在电缆的最外层还包有钢带铠甲，以防止电缆受外界的机械损伤和化学腐蚀。电缆的敷设方式：直接埋入土中：埋设深度一般为0.7～0.8m，应在冻土层以下。当多条电缆并列敷设时，应留有一定距离，以利于散热。电缆沟敷设：当电缆条数较多时，宜采用电缆沟敷设，电缆置于电缆沟的支架上，沟面用水泥板覆盖。穿管敷设：当电力电缆在室内明敷或暗敷时，为了防电缆受到机械损坏，一般多采用穿钢管的敷设方式。国家电网公司南方电网公司电力线路的额定电压1000KV称为特高压，500KV、330KV称为超高压，一般用于大电力系统的主干线；220KV、110KV称为高压，用于中、小电力系统的主干线及大电力系统的二次网络；10KV是最常用的城乡配电电压；6KV用于负荷中高压电动机占很大比重的网络；所有的电压等级都是指线电压而不是相电压

电力系统的电压等级电力系统电压等级的确定主要从电力系统输送电能的经济性，生产产品的系列性和经济性两个方面考虑。说明：①用电设备的容许电压偏移一般为±5%②沿线路的电压降落一般为10%③在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为5%④电力线路平均额定电压，是指电力线路首末端所接电气设备

额定电压的平均值，即

Uav=(UN+1.1UN)/2=1.05UN

电力线路额定电压

电力设备的电压等级①用电设备的额定电压：与线路的额定电压相同②发电机的额定电压：同步发电机往往接在线路始端，因此，其额定电压比电力线路的额定电压高5%。③变压器的额定电压：一次侧相当于用电设备，其额定电压等于线路的额定电压；当变压器直接接发电机时，一次侧额定电压等于发电机的额定电压。二次侧相当于发电机，其额定电压应比电力线路的额定电压高5%，考虑到满载时变压器的电压会下降5%，因此要求大容量变压器空载时的额定电压较线路额定电压高10%。只有高压侧低于35KV的小阻抗变压器，其二次侧电压才比所连电路额定电压高5%。例1-1如图所示，线路的额定电压已知，试求图中变压器的变比。解（1）升压变压器T1的一次侧与发电机直接相连，故其一次侧额定电压应等于发电机的一次电压，比所联线路的额定电压10kV高5%，为10.5kV；该变压器的二次侧分别与110kV和220kV线路相连，其额定电压应分别高于相应线路的额定电压10%，分别为121kV和242kV。故T1的额定变比为242/121/10.5kV(2)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，故T2的额定变比为220/38.5kV。(3)降压变压器T3的额定变比为35/11kV(4)降压变压器T4的一次侧与35kV线路相连，二次侧直接与3kV电动机相连，因T4的短路电压百分数，为小阻抗变压器，其二次侧额定电压比所连线路额定电压3kV高5%，为3.15kV，故T4的额定变比为35/3.15kV。

表1-1额定电压及电力线路的平均额定电压（KV）用电设备及电力线路的额定电压电力线路的平均额定电压发电机的额定电压变压器的额定电压一次绕组二次绕组361035601101542203305003.156.310.537631151622303455253.156.310.515.7520

33.1566.31010.515.75203560110154220330500

3.153.36.36.610.51138.566121169242345525根据电能生产、输送、消费的特殊性，对电力系统运行有如下三点要求。1.保证可靠地持续供电根据用户对用电可靠性的要求，将负荷分为三个等级：第一级负荷

第二级负荷

第三级负荷电力系统供电的可靠性，就是要保证一级负荷在任何情况下都不停电，二级负荷尽量不停电，三级负荷可以停电。三、对电力系统运行的基本要求2.保证良好的电能质量良好的电能质量有三个指标：电压质量、频率质量和波形质量。

电压偏移：一般不超过用电设备额定电压的±5%。

频率偏移：一般不超过±0.2~0.5Hz。3.提高系统运行的经济性电力系统的经济指标一般是指火电厂的煤耗以及电厂的厂用电率和电力网的网损率等。我国电力系统中性点有三种运行方式：二、中性点不接地的电力系统正常运行时，系统的三相电压对称，三相导线对地电容电流也对称，其电路图和相量图如图1-8所示。当系统发生A相接地故障时，A相对地电压降为零，相当于在中性点叠加上一个电压。其电路