电力系统基本知识

表1-12020（2010）年我国电力装机预测（万kW）年份总计煤电常规水电抽水蓄能气电核电新能源20209500059200220002500550036002200100%62.323.2%2.6%5.8%3.8%2.32010584504000013500150018001250400100%68.4%23.1%2.6%3.1%2.10.7%二、电力系统的组成为了提高供电的可靠性和经济性，通常将发电厂和用户之间通过升、降压变电所、输配电线路联系起来，如图1-1所示。由发电厂中的电气部分、各类变电所及输电、配电线路及各种类型的用电设备组成的统一整体称为电力系统。电力系统中各种类型的变电所及输配电线路组成的统一体，称为电力网。如果将各种类型发电厂的原动力部分，如水电厂的水库和水轮机、火力发电厂的锅炉和汽轮机、核电厂的核岛（反应堆）及汽轮机等考虑进去，它们与电力系统所组成的统一整体，称为动力系统。三、电力系统的特点在电力系统短短的一百多年发展历史中，电力系统从早期的直流到后来的交流，再到现代的交直流并存，电力系统的规模越来越大，输电距离也越来越远，已经出现了大型的跨国、跨区域联合电力系统。将小系统联合成大系统具有下列几方面明显的优点：（1）提高了供电可靠性；（2）提高了供电的电能质量；（3）可以减少系统的备用容量，提高设备利用率；（4）便于安装大机组，且机组容量越大，技术经济效益越好；（5）可以合理利用动力资源，提高了系统运行的经济性。虽然联合电力系统具有上述优点，但是随着系统容量的不断扩大，故障影响和波及的范围也在扩大，系统的短路容量也在增大，对电气设备开断短路电流的能力也提出了更高的要求，这也正是联合电力系统需要解决的问题。电力系统运行的特点，概括起来有以下几个方面：1.发供用电的连续性现阶段电能尚不能大量地、廉价地储存，发、变、输、配以及用电几乎同时完成，其中任一环节出现故障，必将影响电力系统的运行。因此，必须努力提高各环节的可靠性，以保证电力系统的安全、经济、连续、可靠运行和对用户的不间断供电。2.与国民经济各部门关系密切电力工业与国民经济及人民生活息息相关，是国民经济发展的动力和基础，是人们生活的必需品，电力供应的中断或不足，将直接影响到社会生产、人民生活和国民经济的方方面面。3.过渡过程的短暂性电力系统中发电机、变压器、线路等元件的投入和切除要求非常迅速，由此而引起的系统电磁、机电暂态过程是非常短暂的。因此，正常和故障情况所进行的调整和切换操作非常迅速，必须依赖自动化程度高和动作可靠的继电保护设备及自动装置来完成。同时还需要大量的、高素质的专门人才来加以控制。四、对电力系统的基本要求根据电力系统运行的特点，对电力系统的基本要求主要有以下几个方面。1.保证连续可靠的供电2.保证良好的电能质量电能质量指标是指电压、频率和波形三者的变化不能超过允许的波动范围。电压的允许波动范围：35kV及以上为±5%，10kV及以下为±7%；频率的允许偏移为50±（0.2~0.5）Hz（小系统为±0.5Hz，大系统为±0.2Hz）；波形应为标准正弦波且谐波应不超过标准。电能质量合格，用电设备正常工作时具有最佳的技术经济效果；相反，电能质量不合格，不仅对用电设备运行产生影响，对电力系统本身也有危害。3.保证电力系统运行的经济性电力系统运行时，要尽可能的降低发电、变电和输配电过程中的损耗，最大限度的降低电能成本。这不仅意味着大量的节约了能量资源，而且也降低了各用电部门的生产成本，使国民经济整体受益。

第二节发电厂和变电所的类型及设备一、发电厂的类型1.火力发电厂利用固体、液体、气体燃料的化学能来生产电能的工厂称为火力发电厂，简称火电厂。迄今为止，火电厂仍是世界上电能生产的主要方式，约占发电设备总装机容量的70%以上。我国和世界各国的火电厂使用的燃料大多以煤炭为主，其他还有燃油、天然气以及生活和工业垃圾等为燃料的火电厂。火电厂按照其生产方式不同又可以分为下列类型：（1）凝汽式火电厂。（2）热电厂。图1-2火力发电厂生产过程示意图2.水力发电厂（1）堤坝式水电厂。（2）引水式水电厂。

3.核能发电厂4.其他能源发电拦污栅厂房蝴蝶阀发电机尾水管下游坝体尾水闸门升压站蜗壳图1-3水力发电厂生产过程示意图上游水库溢流坝段拦河坝高压输电线路进水闸门二、变电所的类型1.枢纽变电所

枢纽变电所是大供电区域内的核心变电所，起着汇集多个大型发电厂电能和再分配的重要任务。2.中间变电所

中间变电所的特点是以交换潮流为主，一般汇集2~3个电源，作为长距离输电线路的分段，低压侧可以带部分当地负荷，在系统中起着“承上启下”的重要作用。3.地区变电所

地区变电所一般作为地区或城市配电网的主要变电所。4.终端变电所终端变电所作为电网的末端变电所，一般位于输电线路终端。三、电气设备及其作用

一次设备（1）电能生产和转换类设备。（2）控制和保护类电气设备。（3）限流和限制过电压类设备。（4）载流导体类。二次设备（1）互感器类。（2）测量表计类。（3）继电保护和自动装置类。（4）直流设备。第三节电力系统的额定电压一、额定电压等级为了使电力设备的生产实现标准化、系列化，为了各元件能够合理配套，电力系统中发电机、变压器、线路及各种电气设备等，都是按照规定的额定电压进行设计制造的。电力设备在额定电压下运行时，其技术和经济性能最佳。国家所规定的标准电压等级称为额定电压。通常将100V以下的电压称为第一类额定电压；将100~1000V的电压称为第二类额定电压；电压1000V以上的称为第三类额定电压。表1-3

3kV及以上额定电压（kV）用电设备平均额定电压交流发电机变压器一次变压器二次361035（60）110（154）22033050075010003.156.310.53763115（162）23034552578710503.156.310.513.8，15.75，18，20，243及3.156及6.310及10.513.8，15.75，18，20，2435（60）110（154）22033050075010003.15及3.36.3及6.310.5及1138.5（66）121（169）2423635508251100二、用电设备额定电压二、各级电压的经济输送容量根据经验：在110kV以下时，额定电压的级差以3倍左右为宜；110kV以上时以2倍左右为宜。表1-4架空输电线路的额定电压与输送功率和输送距离的关系

线路电压（kV）输送功率（MW）输送距离（km）线路电压（kV）输送功率（MW）输送距离（km）0.383610350.1以下0.1~1.00.1~1.20.2~2.02.0~100.6以下1~34~156~2020~50

110220330500750

10~50100~500200~8001000~15002000~250050~150100~300200~600250~850500以上

第四节电力线路的结构

一、架空线路的导线电力线路按结构可分为架空线路和电缆线路两大类。对架空导线的要求是：具有良好的导电性能、必要的机械强度和抗腐蚀性能，且制造工艺简单、质轻、价廉。导线的材料主要是铜、铝、钢等。目前导线多采用铝材料；为了提高铝导线的强度，铝中加少量的镁、硅等元素，可制成强度较高的铝合金绞线。导线及避雷线的截面如图1-18所示。架空线路导线的型号用汉语拼音字母表示，举例如下：

LJ-70为铝绞线，额定截面积为70mm2；TJ-35为铜绞线，额定截面积为35mm2；GJ-25为钢绞线，额定截面积为25mm2；LGJ-240为钢芯铝绞线，铝线部分额定截面积为240mm2。

此外，还有轻型钢芯铝绞线（LGJQ）和加强型钢芯铝绞线（LGJJ）等。

二、架空线路的杆塔杆塔按照使用材料不同，可以分为木杆、水泥杆和铁塔三种；按用途又可以分为终端杆塔、转角杆塔、跨越杆塔、直线杆塔、耐张杆塔和换位杆塔等。（a）（b）图1-20直线水泥杆塔（a）单杆；（b）门型杆耐张杆直线杆直线杆直线杆耐张杆耐张段引流线档距档距档距档距导线方向导线方向合力方向转角杆塔转角α（a）（b）图1-22直线、耐张、转角杆塔示意图（a）线路转角；（b）一个耐张段示意图图1-21直线铁塔双分裂三分裂四分裂图1-19分裂导线AABBCCl1l2l3（a）AABBCCl1l2l3（b）（c）AABBCC图1-17换位杆塔（a）单柱直线换位杆；（b）门型直线换位杆；（c）耐张换位杆导线的换位及换位杆塔L/3L/3L/3LABCBCACAB图1-16换位循环示意图三、绝缘子架空线路的绝缘子分针式、悬式、棒式及瓷横担绝缘子等几种。四、金具1.线夹2.连接金具3.保护金具12101000401003025图1-26棒式绝缘子（a）（b）图1-25针式和悬式绝缘子（a）针式绝缘子；（b）悬式绝缘子第五节超高压输电的几个特殊问题一、电晕问题1.电晕产生的机理当导线上所加的电压达到一定值时，使导线表面的电场强度达到一定值，从而使导线周围的介质（空气）发生电离，电荷在导线周围的快速运动，发出沙沙声，同时伴随有谈蓝色光，此即为电晕。2.易产生电晕原因和地方（1）电压等级高。110kV以下无电晕。（2）导线截面小，易使电荷集中而产生电晕。（3）导线表面不光滑或有毛刺，易产生尖端放电（4）各种连接点处，如连接端头、悬挂点、金具等。3.电晕的危害（1）电晕损耗。经测算500kV线路，晴天损耗约为12kW/km；750kV线路约为20~30kW/km。而在大雾天，损耗可达300kW/km。（2）电晕噪声。变电站中噪声可达70~80dB。（3）无线电干扰。（4）电晕腐蚀。4.防止电晕措施（1）采用分裂导线。可以增大导线的等值半径。330kV——2分裂；500kV——4分裂；750kV——6分裂；1000kV——8分裂。330kV双分裂500kV四分裂750kV六分裂（2）采用扩径或空心导线。（3）采用优良导线材料。如LGJ-630/100防腐防振导线，铝包钢芯铝绞线ACSR/AS-720/50等。（4）各种连接点处采用均压环均压。如导线悬挂点、设备连接点等等。二、导线的振动导线振动分为微风震动和舞动。主要是指导线在风力作用下左右或上下运动。导线振动的危害：导线在悬挂点发生金属疲劳而导致断股或断线故障。防震措施：（1）安装防振锤。一般安装在风振动波长的1/4处。（2）大跨越档距也可安装阻尼线。（3）利用间隔棒防止导线鞭击。三、超高压输电线路的工频过电压1.过电压产生的原理输电线路带电后，三相导线与导线之间以及导线与地之间存在有分布电容，在电压作用下，将有容性位移电流流过，对应的功率即为线路的充电功率。正常运行时，这一容性功率对线路电感上消耗的感性功率起补偿作用。330kV——41Mvar/100km；500kV——105Mvar/100km；750kV——250Mvar/km。当线路空载或轻载时，这一容性电流将反向在线路电抗上产生较高的过电压——即工频过电压。其值为：当线路长度达到1500km时，过电压幅值将达到无限大，——击穿沿线所有设备的绝缘。不同线路沿线电压的分布情况如下图。图14-4一端电源线路的电压、电流分布图（a）相量图；（b）电压、电流分布图U2=1.1547oI0.577I500U1.0l(km)U(b)Im=0U2=1.0I1I2图14-6两端电源线路电压电流分布图IUmUlU1=1.0l2.线路的自然功率线路传输自然功率的表达式为：

线路传输自然