电力系统和电力网的基本知识

第一章

电力系统和电力网的基本知识1.1电力系统的基本概念

一、电力系统的组成发电厂电力网电力用户或者说：由发电厂、电力网和电力用户就构成了电力系统。电力系统示意图如图1-1所示。1.电力系统电力系统是指完成电能生产、输送、分配和消费的统一整体。图1-1电力系统示意图工业企业供电系统电力系统的基本概念

4、送电线路（输电线路）：是发电厂向电力负荷中心输送电能及电力负荷中心之间互相联络的长距离线路。5、配电线路：是负责电能分配任务的线路。6、区域电力网：一般将电压在110kV以上，供电范围较广，输送功率较大的电力网称为区域电力网。7、地方电力网：电压在110kV及以下，供电距离较短，输送功率较小的电力网称为地方电力网。8、配电网：电压在10kV及其以下的电力网称为配电网。9、开式电力网：凡用户只能从单方向得到电能的电力网。10、闭式电力网：凡用户可以从两个或两个方向得到电能的电力网。11、电力网分类：（1）、低压电力网：电压在1kV及以下的电力网；（2）、高压电力网：电压在1kV到330kV之间的电力网；（3）、超高压电力网：电压在330kV以上到1000kV之间的电力网；（4）、特高压电力网：电压在1000kV及以上的电力网。

建立大型电力系统的优点联合电力系统的优越性（1）、提高供电可靠性和电能质量；（2）、可减少系统的装机容量，提高设备利用率；（3）、便于安装大型机组，降低造价；（4）、充分利用各种动力资源，提高运行的经济性。发电厂的生产过程

一、火力发电厂1．火电厂的燃料：煤炭、石油、天然气等。2．能量转换过程：燃料的化学能→热能→机械能→电能。3．分类：汽轮机发电厂、蒸汽机发电厂、内燃机发电厂等。4．火电厂的组成：燃烧系统（锅炉）：燃料→灰渣，风（空气）→烟气电力系统：发电机、变压器、输电线路等。5．火电厂的生产过程（见图1-3）汽水系统（汽轮机）：水蒸汽、循环水（冷水热水）图1-3凝气式火电厂生产过程示意图

6．火电厂是我国目前最主要的电源，比例大于75%。发电厂的生产过程江苏谏壁发电厂7．火力发电存在的问题8．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%。张家口发电总厂浙江北仑发电厂发电厂的生产过程

二、水力发电厂1．水电厂的能量转换过程：水的位能→机械能→电能。

2．水电厂的分类堤坝式水电厂引水式水电厂抽水蓄能电站坝后式：如三门峡、刘家峡、丹江口、三峡水电站河床式：如葛洲坝水电站3．水电厂的组成：水库、水轮机、电力系统发电厂的生产过程4．水电厂的生产过程（见图1-4）图1-4堤坝式水电厂生产过程示意图6．水电电厂是是我国国目前前最重重要的的电源源之一一，比比例大大于10%。葛洲坝坝水电电站南美伊伊泰普普水电电站长江三三峡水水电站站广州抽抽水蓄蓄能电电站7．水力力发电电的优优点是最干干净的的能源源之一一。是最廉廉价的的能源源之一一：无无需燃燃料、、无环环境污污染、、生产产效率率高、、发电电成本本低、、运行行维护护简单单。综合水水利工工程：：可同同时解解决发发电、、防洪洪、灌灌溉、、航运运、水水产养养殖等等问题题。特殊的的水电电厂：：抽水水蓄能能电厂厂，起起“削削峰填填谷””作用用。发电厂厂的生生产过过程8．水力力发电电存在在的问问题发电厂厂的生生产过过程建设问问题：：投资资大、、工期期长，，存在在库区区移民民、淹淹没耕耕地、、破坏坏人文文景观观、破破坏自自然生生态平平衡等等问题题。运行问问题：：发电电量受受气象象、水水文、、季节节水量量变化化的影影响较较大，，分丰丰水期期和枯枯水期期，出出力不不稳定定，增增加电电力系系统运运行的的复杂杂性。。三、核核电厂厂1．核电电厂的的能量量转换换过程程：核核燃料料的裂裂变能能→热热能→→机械械能→→电能能。2．核电电厂的的组成成：核核反应应堆、、汽水水系统统（汽汽轮机机）、、电力力系统统发电厂厂的生生产过过程3．核反反应堆堆的分分类：：轻水水堆（（包括括沸水水堆和和压水水堆））、重重水堆堆和石石墨冷冷气堆堆等。。轻水堆堆核电电厂的的生产产过程程示意意图如如图1-5所示。图1-5轻水碓碓核电电厂生生产过过程示示意图图a）沸水水碓b）压水水碓热力系系统由由单回回路构构成，，有可可能使使汽轮轮机等等设备备受放放射性性污染染由双回回路系系统构构成，，两个个回路路各自自独立立循环环，不不会造造成设设备的的放射射性污污染。。4．核电电厂是是我国国目前前最重重要的的电源源之一一，比比例大大于10%。秦山核核电站站大亚湾湾核电电站发电厂厂的生生产过过程5．核电电迅速速发展展的原原因核电是是一种种新型型的巨巨大能能源。。煤、石石油等等火电电燃料料储量量有限限，不不可再再生。。发达国国家的的水资资源已已基本本殆尽尽。一些资源贫乏国家家“能源危机”，，不得不发展核电电。6.核能发电的优缺点点节省大量煤炭、石石油等燃料，避免免燃料运输。不需空气助燃，可可建在地下、水下下、山洞或空气稀稀薄地区。发电厂的生产过程程比火电厂造价高，，但发电成本低30%～50%，且规模越大越合合算。存在问题：放射性性污染。四、其它新能源发发电1．太阳能发电：太太阳光能或太阳热热能→电能太阳能发电系统的的组成太阳能发电的优点点是一种取之不尽、、用之不竭的廉价价能源。不需要燃料、生产产成本低、不产生生污染受季节、昼夜、地地理和气象条件的的影响较大。发电厂的生产过程程太阳能光伏电源在在西部地区应用广广泛。（青海、新新疆）我国首座太阳能发发电厂：2005年10月29日在南京江宁发电电成功，发电量只只有70kW。2．风力发电：风力力的动能→机械械能→电能风力发电的优点西部地区的风能资资源占全国的50%以上。（青海、甘肃、、新疆、内蒙、云云南、西藏等）新疆达板城风电厂厂是一种取之不尽、、用之不竭的自然然能源。不需要燃料、没有有污染、运行成本本低。有一定的随机性和和不稳定性，因此此必须配有蓄能装装置。1.2发电厂的生产过程程3．地热发电：地热热能→电能电能生产过程：与与火电厂相似，用用地热井取代锅炉炉设备。地热资源的开发利利用在西部地区已已取得了良好的效效益。西藏羊八井电厂4．潮汐发电：海水水涨潮或落潮的动动能或势能→电能能。潮汐发电示意图江厦潮汐电站法国郎斯潮汐电站站我国正在运行发电电的潮汐电站共有有8座（浙江4座，山东、江苏、、广西、福建各1座）5．新能源发电的优优缺点太阳能、风能、地地热能、潮汐能等等新能源都属于清清洁、廉价和可再再生能源，是未来来的能源主要形式式。其他新能源：燃料料电池、垃圾燃料料、核聚变能、生生物质能等。太阳能、风能发电电容量小，分散性性大，属于分布式式能源，互联后在在运行安全和管理理方面存在很多问问题。发电厂的生产过程程电力系统元件参数数和等值电路二、输电线路的参参数计算及等值电电路1．输电线路的参数数计算电阻：单根导线的直流电电阻为：导线的交流电阻比比直流电阻增大0.2%～1%，主要是因为：应考虑集肤效应和和邻近效应的影响响；导线为多股绞线，，使每股导线的实实际长度比线路长长度大;导线的额定截面（（即标称截面）一一般略大于实际截截面。通常取;电力系统元件参数数和等值电路电抗：每相导线单位长度度的等值电抗为：：式中，μr为相对磁导率，铜和铝的;r为导线半径（m）；Sav为三相导线的线间几何均距（m）。通常架空线路的电抗值在0.4Ω/km左右电力系统元件参数数和等值电路注意：为了使三相导线的的电气参数对称，，应将输电线路的的各相导线进行换换位，如图3-15所示。图3-14三相导线的布置方方式a）等边三角形布置置b）水平等距布置图3-15一次整循环换位若三相导线等边三三角形排列，则若三相导线水平等等距离排列，则电力系统元件参数数和等值电路电纳：每相导线单位长度度的等值电容（F/km）为：则单位长度的电纳纳（S/km）为：一般架空线路b1的值为S/km左右，则电导：电导参数是反映沿沿线路绝缘子表面面的泄露电流和导导线周围空气电离离产生的电晕现象象而产生的有功功功率损耗。说明：通常架空线路的绝绝缘良好，泄露电电流很小，可以忽忽略不计。电力系统元件参数数和等值电路电晕现象：在架空线路带有高高电压的情况下，，当导线表面的电电场强度超过空气气的击穿强度时，，导线周围的空气气被电离而产生局局部放电的现象。。当线路电压高于电晕临界电压时，将出现电晕损损耗，与电晕相对对应的导线单位长长度的等值电导（（S/km）为：因此，式中，为实测线路单位长度的电晕损耗功率（kW/km）。注意：通常由于线路泄漏电流很小，而电晕损耗在设计线路时已经采取措施加以限制，故在电力网的电气计算中，近似认为。

在设计架空线路时时依据电晕临界电电压规定了不需要要验算电晕的导线最小外径：110kV导线外径不应小于于9.6mm；220kV导线外径不应小于于21.3mm；60kV及以下的导线不必必验算电晕临界电电压；220kV以上的超高压输电电线，采用分裂导导线或扩径导线以以增大每相导线的的等值半径，提高高电晕临界电压电力系统元件参数数和等效电路2．输电线路的等效效电路一字型等效电路：用于长度不超过100km的架空线路（35kV及以下）和线路不不长的电缆线路（（10kV及以下）。π型或T型等效电路：（110～220kV）和长度不超过100km的电缆线路（10kV以上）。用于长度为100～300km的架空线路图3-16一字型等效电路图3-17ππ型或T型等效电路a）π型b）T型用电设备的额定电电压：与同级电网的额定定电压相同。发电机的额定电压压：比同级电网的额定定电压高出5%，用于补偿线路上上的电压损失。电力系统的电压与与电能质量一、电力系统的额额定电压电力网的额定电压压：我国高压电网的额额定电压等级有3kV、6kV、10kV、35kV、63kV、110kV、220kV、330kV、500kV、1000kV等。图1-6供电线路上的电压压变化示意图图1-6为供电线路上的电电压变化示意图。。电力系统的电压与与电能质量二、电压等级的选选择220kV及以上：用于大型电力系统统的主干线。110kV：用于中小型电力系系统的主干线。35kV：用于大型工业企业业内部电力网。10kV：常用的高压配电电电压，当6kV高压用电设备较多多时，也可考虑用用6kV配电。3kV：仅限于工业企业内内部采用。380/220V：工业企业内部的低低压配电电压。电力网的额定电压压、传输功率和传传输距离之间的关关系见表1-2我国电力系统中性性点有三种运行方方式：二、中性点不接地地的电力系统正常运行时，系统统的三相电压对称称，三相导线对地地电容电流也对称称。中性点不接地中性点经消弧线圈圈接地中性点直接接地电力系统中性点运运行方式小电流接地系统大电流接地系统一、概述特点中性点不接地系统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倍。单相接地电流等于正常时单相对地电容电流的3倍。电力系统中性点运运行方式

绝缘投资大。单相故障时，非故障相对地电压升为相电压的倍，为确保设备的绝缘安全，系统相对地绝缘按线电压设计，中性点绝缘按相电压设计。单相接地电流小于于30A的3~10kV电力网；单相接地电流小于于10A的35kV电力网。运行可靠性高。发生单相故障时，，电力网的线电压压仍然对称，用户户的三相用电设备备仍能照常运行一一段时间。但运行行时间不能太长，，以免另一相又发发生接地故障时形形成两相接地短路路。优点缺点适用范围当中性点不接地系系统的单相接地电电流较大时，将产产生间歇性电弧而而引起弧光接地过过电压，甚至发展展成多相短路。为为此，可采用中性性点经消弧线圈接接地的方式，如图1-9所示。电力系统统中性点点运行方方式三、中性性点经消消弧线圈圈接地的的电力系系统图1-9中性点经经消弧线线圈接地地系统发发生单相相接地故故障时的的电路图图和相量量图a）电路图图b）相量图图消弧线圈圈特点：运行可靠靠性高，，但绝缘缘投资大大。适用范围围：单相接地地电流大大于30A的3~10kV电力网；；单相接地地电流大大于10A的35kV电力网。。电力系统统中性点点运行方方式在电力系系统中一一般采用用过补偿偿运行方方式消弧线圈圈的补偿偿方式全补偿:欠补偿:过补偿:特点：中性点始始终保持持零电位位。优点节约绝缘缘投资。。发生单相相短路时时，非故故障相对对地电压压不变，，电气设设备绝缘缘水平可可按相电电压考虑虑。因此此，我国国110kV及以上的的电力系系统基本本上都采采用中性性点直接接接地的的方式。。电力系统统中性点点运行方方式四、中性性点直接接接地的的电力系系统图1-10中性点直直接接地地系统的的电力系系统示意意图针对缺点点应采取取的措施施加装自动动重合闸闸装置，，以提高高供电可可靠性。。适用范围围110kV及以上电电网和380/220V电力网。。说明：110kV及以上电电网采用用中性点点直接接接地方式式是为了了降低工工程造价价，而在在380/220V低压电网网中是为为了保证证人身安安全。缺点供电可靠靠性不高高。单相短路路时，接接地相短短路电流流很大，，保护装装置迅速速跳闸，，因此系系统不能能继续运运行。电力系统统中性点点运行方方式我国电网网的发展展历程中国，1949年前，，电力工工业发展展缓慢，，输电电电压按具具体工程程决定，，电压等等级繁多多：1908年建成成22kV石龙龙坝水电电站至昆昆明线路路；1921年建成成33kV石景景山电厂厂至北京京城的线线路；1933年建成成抚顺电电厂的44kV出线；；1934年建成成66kV延边边至老头头沟线路路；1935年建成成抚顺电电厂至鞍鞍山的154kV线路路；1943年建成成110kV镜镜泊湖水水电厂至至延边线线路。我国电网网的发展展历程中国，1949年新中国国成立后后，按电电网发展展统一电电压等级级，逐渐渐形成经经济合理理的电压压等级系系列：1952年，用自自主技术术建设了了110kV输电线路路，逐渐渐形成京京津唐110kV输电网。。1954年，建成成丰满至至李石寨寨220kV输电线路路，随后后继续建建设辽宁宁电厂至至李石寨寨，阜新新电厂至至青堆子子等220kV线路，迅迅速形成成东北电电网220kV骨干网架。1972年建成成330kV刘刘家峡——关中输输电线路路，全长长534km，，随后逐逐渐形成成西北电电网330kV骨干网网架。1981年建成成500kV姚姚孟—武武昌输电电线路，，全长595km。为为适应葛葛洲坝水水电厂送送出工程程的需要要，1983年年又建成成葛洲坝坝-武昌昌和葛洲洲坝-双双河两回回500kV线线路，开开始形成成华中电电网500kV骨干网网架。1989年建成成±500kV葛洲坝坝-上海海高压直直流输电电线，实实现了华华中-华华东两大大区的直直流联网网。我国电网网的发展展历程2005年9月月，中国国在西北北地区（（青海官官厅—兰兰州东））建成了了一条750kV输电电线路，，长度为为140.7km。。输、变变电设备备，除GIS外外，全部部为国产产。我国电网网的发展展历程2008年12月，晋晋东南——南阳——荆门1000KV特特高压交交流试验验示范工工程是我我国首条条跨区域域特高压压交流输输电线路路，始于于山西长长治晋东东南变电电站，经经河南南南阳开关关站，止止于湖北北荆门变变电站。。1000kV晋晋东南——南阳——荆门特特高压交交流试验验示范工工程1000kV晋晋东南——南阳——荆门特特高压交交流试验验示范工工程1000kV晋晋东南——南阳——荆门特特高压交交流试验验示范工工程起于于山西晋晋东南（（长治））变电站站，经河河南南阳阳开关站站，止于于湖北荆荆门变电电站。全全线单回回路架设设，全长长640公里，，跨越黄黄河和汉汉江。变变电容量量600万千伏伏安。系系统标称称电压1000千伏，，最高运运行电压压1100千伏伏。工程于2006年8月月取得国国家发展展和改革革委员会会下达的的项目核核准批复复文件，，同年底底开工建建设，2008年12月全面面竣工，，12月月30日日完成系系统调试试投入试试运行，，2009年1月6日日22时时完成168小小时试运运行投入入商业运运行，目目前运行行情况良良好。特高压输输电的优优点提高输送送容量缩短电气气距离提提高稳稳定极限限降低线路路损耗减少工程程投资提高单位位走廊输输电能力力节省省走廊面面积改善电网网结构降降低短短路电流流加强联网网能力特高压输输电的优优点提高输送送容量交流线路路的自然然功率是是表征其其送电能能力的一一项指标标，其计计算公式式如下：：一回1000kV特高高压输电电线路的的自然功功率接近近500万千瓦瓦，约为为500kV输输电线路路的五倍左右。±±800kV直流特高高压输电电能力可可达到640万万千瓦，，是±500kV高压压直流的的2.1倍，是是±620kV高压直直流的1.7倍倍.特高压输输电的优优点提高输送送容量单回线线路路的输输送送能力力特高压输输电的优优点缩短电气气距离提提高稳稳定极限交流线路路的输送送功率可可按下式式计算：：1000千伏线线路的电电气距离离相当于于同长度度500千伏线线路的1/4～～1/5。换句句话说，，在输送送相同功功率的情情况下，，1000kV特高压压输电线线路的最最远送电电距离约约为500kV线路的的4倍。。采用±800kV直流流输电技技术使超超远距离离的送电电成为可可能，经经济输电电距离可可以达到到2500km及以上上。特高压输输电的优优点减少工程程投资1000kV交交流输电电方案的的单位输输送容量量综合造造价约为为500kV输输电方案案的四分分之三。。±800kV直直流输电电方案的的单位输输送容量量综合造造价也约约为±500kV直流流输电方方案的四四分之三三。特高压输输电的优优点提高单位位走廊输输电能力力节省省走廊面面积交流特高高压：同同塔双回回和猫头头塔单回回线路的的走廊宽宽度分别别为75米和81米，，单位走走廊输送送能力分分别为13.3万千瓦瓦/米和和6.2万千瓦瓦/米，，约为同同类型500kV线路路的三倍倍。直流特高压：±±800kV、、640万千瓦瓦直流输电方案案的线路走廊约约76米，单位位走廊宽度输送送容量为8.4万千瓦/米，，是±500kV、300万万千瓦方案的1.29倍，±±620kV、、380万千瓦瓦方案的1.37倍。特高压输电的优优点提高单位走廊输输电能力节省省走廊面积单位线路路走廊的的输电能能力特高压输电有许许多优点，但是是特高压输电产产生的强电场会会对人的生理和和心理造成影响响，电晕放电除除损耗能量外，，还引起如无线线电、电视的干干扰和可听噪声声等一系列愈来来愈为人们所关关注的环境问题题。在使用特高高压输电时。一一定要考虑特高高压产生的强电电场和电晕放电电产生的高频电电磁脉冲对人体体健康以及生态态环境的影响，，对无线电和电电视的干扰。特高压输电是一一项非常复杂的的工程，相应技技术指标还有待待进一步完善。。对特高压输电电，各国的研究究表明：只要合合理选择分裂子子导线的半径和和根数，以及分分裂间距和离地地高度，这些影影响和干扰均可可限制在允许范范围内。江苏谏壁发电厂厂始建于1959年，于1987年9月全部建成，共共安装10台机组，总容量量162.5万千瓦，年发电电量在100亿度左右，成为为80年代末到90年代初国内最大大的火力发电厂厂。浙江北仑发电厂厂是我国目前最大大的现代化火力力发电厂，总装装机容量为300万千瓦(5×600MW)，工程于1988年1月正式开工建设设，2000年9月全部建成发电电。年发电量167亿度，为浙江省省各类发电厂发发电总量的四分分之一，其中两两台机组的发电电量就能满足宁宁波市全部用电电所需。北仑发电厂主控控制室北仑发电厂汽轮轮机房张家口发电总厂厂成立于1988年8月，由下花园发发电厂和沙岭子发电电厂合并而成，位于张家口口市东南14km，距首都北京170km，距煤都大同180km。发电厂总装机机容量240万千瓦（8×300MW），通过500kV双回线向北京供供电，同时兼顾顾地方用电，担担负着北京地区区1/4电力负荷的供电电任务。张家口发电总厂厂夜景厂区景色汽轮机房葛洲坝27孔泄洪闸葛洲坝水电站葛洲坝水电站是是长江干流上修修建的第一座大大型水电工程，，是三峡工程的的反调节和航运运梯级。电站始始建于1970年，共有机21台机组，总装机机容量271.5万千瓦，年发电电量157亿度。电站以500kV和220kV输电线路并入华华中电网，并通通过500kV直流输电线路向向距离1000km的上海输电120万千瓦。南美伊泰普水电电站是二十世纪最大大的水电站，位于巴西和巴巴拉圭交界处的的巴拉那河上，，从1974年5月开始修建，于于1991年5月竣工，由巴西西与巴拉圭共建建。总装机容量量12.6GW（18×700MW），年发电量790亿度。水电站坝坝身长7.7公里，坝高196米（相当于65层楼的高度）。。三峡水电站效果果图长江三峡水电站站坝长2309m，坝高185m，水头175m，总库容393亿立方米，总装装机容量18.2GW（26×700MW），年发电量86.5TW··h；库区将淹没耕耕地36万亩，淹没城镇镇129座，需安置迁移移人口113万；电站于93年起步，首批机机组于2003年10月发电，以后每每年投产4台机组（280MW），2009年全部机组建成成投产。三峡电电站发出的强大大电力将送往华华中、华东地区区和广东省。电电站将引出15条超高压交流输输电线路，其中中3条线路通过换流流站将交流电转转换成直流电后后，再通过500kＶ直流输电线路路，2条送往华东、1条送往广东。三峡双线五级船船闸三峡船闸全长6.4公里，可通过万万吨级船队，单单向年通过能力力5000万吨。船闸主体体段闸首和闸室室分南北两线，，每线船闸主体体段由6个闸首和5个闸室组成，每每个闸室长280米、宽34米。而船闸人字字门是名副其实实的“天下第一一门”，单扇门门宽20.2米，高38.5米，厚度3米，面积有两个个篮球场那么大大，重达850多吨。广州抽水蓄能电电站为目前世界上最最大的抽水蓄能能电站，是为为大亚湾核电站站安全经济运行行而建设的配套套工程，同时还还承担着广东、、香港电网的调调峰填谷和事故故备用的任务。。电站总装机总总装机容量2.4GW（8×300MW），分两期建设设，每期4台，