电力系统基础

-第1章电力系统概述本章将介绍电力系统的一些基本概念和电力系统的基本特点。1.1电力系统的基本组成和特点1.1.1电力系统的组成众所周知，电能是现代社会不可缺少的能源，人们在生产和生活中大量使用着各种各样利用电能工作的设备。由于电能在传输、控制、转换等方面的便捷性，使得电能的应用越来越广泛。通常人们是把电能的生产输送、分配和使用的各个功能环节或部门统称为电力系统。图1—1所示为一个简单电力系统的电力生产和使用过程示意图。首先是在发电厂内，由汽轮机、发电机将其他形式的能源转化为电能，然后通过升压变压器将电压升高，经过高压输电线路将电能输送到用电地区或城市的变电所，由其中的降压变压器使电压下降，再通过电压较低的配电线路分配给各个用户来进行用电。通过图1—1，我们得到以下几个重要的概念：(1)电力系统。除锅炉、汽轮机或水轮机等动力部分以外的这样一个由发电机、变压器、输配电线路和用户电器等各种电气设备连接在一起而形成的生产、输送分配和消耗电能的整体称为电力系统。(2)动力系统。如果将上述的电力系统加上各种类型发电厂中的动力部分，如热力部分(锅炉汽机)、水力部分、原子能反应堆部分等就统称为动力系统。(3)电力网。一般所说的电力网是指在上述电力系统中去掉发电厂的发电机部分和末端的用电设备后所剩余的部分。换而言之，。就是由各种电压等级的变压器和输、配电线路所构成的用于变换和输送、分配电能的部分称为电力网。现代的电力系统，者喔由许许多多的发电厂、变电站和输电线路相互连接着一起来构成联合运行的系统，很少有孤立运行的电力系统。如图1—2所示为有多个电源的电力系统示意图。联合运行的电力系统在技术和经济上比孤立运行的电力系统有许多明显的优势，如：可以更充分合理地利用能源提高经济效益；能够采用大型机组以降低造价和燃料消耗，加快建设速度；各部分之间可以互相调剂支援电量，从而减少系统总备用容量；还可以利用地区时差及水火电之间的调节，取得错峰和调峰效益等。目前我国正在建设以三峡电厂为中心的全国联网的电力系统。1.1.2电力系统运行生产的特点(1)电力系统的电能生产、输送、分配和使用过程是同时进行，缺一不可的。由于目前尚不能大量地、廉价地储存电能，所以发电厂生产出的电能等于用户所消耗的电能与输送分配过程中的电能损耗之和。简而言之，用户及网络消耗多少电能，电厂就只能生产多少电能，反之亦然。(2)电力系统的运行生产与国民经济及人民生活关系密切，影响重大。作为当今社会的主要能源，电能的使用无处不在。如果电能供应不足或中断将直接影响工业农业生产，给人民生活带来诸多不便。例如，国内外发生的几次大面积停电事故都造成了十分巨大的经济损失。(3)电力系统运行中发生变化的速度很快，即过渡过程非常短促。电力系统中各元件的投、切和电能输送过程几乎都在瞬间进行，即电力系统从一种运行状态过渡到另一种运行状态的过程非常短促。例如用户端出现负荷增加或减少以及发生短路事故等变化时，在电源端马上就有相应的反映。1.1.3对电力系统的基本要求(1)保证安全可靠地供电。安全可靠地供电是电力系统首先要满足的要求，因为一旦供电中断将使工农业生产停顿，社会生活混乱，甚至会危及人身和设备的安全，造成十分严重的后果。(2)保证合格的电能质量。电气设备对电能也有质量指标的要求，如果电能质量不合格，用电器将不能正常使用。电能质量主要由交流电的频率、电压和波形等指标来衡量，供给用户的电能必须保证在规定的额定值允许变化范围内。(3)力求系统运行的经济性。电力系统的运行生产与其他生产企业一样也要考虑经济效益。电力系统应在保证可靠性和良好质量的同时，力争降低生产成本。电力系统运行的经济性可从合理分配各发电厂间的负荷，降低燃料消耗率和厂用电率，降低电力网的电能损耗等多个方面来考虑。总之，对电力系统的基本要求可简单概括为安全、优质、经济。1.2电气设备和电力网的额定电压1.2.1额定电压的概念电气设备所使用的电压都有规定，一般称为额定电压。额定电压是国家有关部门根据技术经济比较而规定的标准电压，规定额定电压也是为了使电力设备能标准化、系列化制造，便于设备的运行、维护、管理等。电力系统中的发电机、变压器、线路、用电设备等都有明确的额定电压值，当它们在额定电压下运行时，其技术与经济性能将达到最好的效果。各种元件的额定电压值如表1—1所示。1.2.2电力系统中各元件额定电压的规定(1)电力线路额定电压规定。在传输电能过程中由于线路阻抗中要产生电压损耗，所以沿线路各点的电压是不同的，线路首端电压一般高于末端电压。为了使接在线路末端的用电设备得到相应的额定电压，就规定电网线路的额定电压与用电设备的额定电压相同。因为一般沿线路的电压损耗不超过10％，如果线路首端的电压为额定电压的1.05倍，那么线路末端的电压就不会低于额定电压的O.95倍，而一般用电设备的允许电压偏移为±5％，这样一来，各用电设备就能在允许电压范围内运行。根据上述要求，电力线路的额定电压规定为220、380V以及3、6、10、35、63、110、220、330、500kV和750kVo(2)发电机额定电压规定。发电机一般接在线路的首端，因此，发电机的额定电压应比线路额定电压高5％．即式中UGN--发电机的额定电压；UN--电力线路的额定电压。根据上式及其他技术经济条件所确定的发电机额定电压为3.15、6.3、10.5、13.8、15.75、18kV和20kV等。(3)变压器的额定电压。变压器是将一种电压变换成另一种电压的设备。与其他设备不同的是变压器本身就具有两个(或两个以上)电压级，所以变压器实际上是每个绕组都有其额定电压。即双绕组变压器有高、低两个额定电压，三绕组变压器有高、中、低三个额定电压。对变压器的额定电压规定一般是按照接受电能的一次侧电压和输出电能的二次侧电压来区分规定的：一次绕组相当于用电设备，其额定电压应等于所连电力线路的额定电压(当变压器直接和发电机相连时，应等于发电机额定电压)。变压器二次侧相当于线路的首端(电源端)，而线路首端要求至少比线路额定电压高5％，另外变压器自身内部也有约5％左右的阻抗电压降，因此，变压器二次侧额定电压一般应比线路额定电压高10％。只有当变压器的漏抗较小(一般高压侧电压小于等于35kV且短路电压百分值小于等于7.5％)或二次绕组所连线路较短的时候，二次侧额定电压可以比线路额定电压高5％。变压器额定电压数值如表1—1所示。电力线路和用电电力线路平均交流发电机变压器额定电压设备额定电压额定电压额定电压一次绕组二次绕组361035601102203305007503.156.310.537631152303455258003.156.310.513.815.7518203及3.156及6.310及10.513.815.751835601102203305007503及3.156.3及6.610.5及1138.5661212423635508251.2.3电力线路的平均额定电压电力线路平均额定电压规定等于电力线路首末两端所连接的电气设备额定电压的平均值，即式中UN--电力线路的额定电压。根据上式计算，目前我国电力网平均额定电压规定为：3．15、6．3、10．5、37、63、115、230、345、525kV和800kVo有时为简化计算，也取变压器各侧绕组的额定电压等于各侧所连线路的平均额定电压，这样变压器的变比也就等于其两侧线路的平均额定电压之比。上述各类额定电压数值列在表1—1中备查。【例1-1】如图1—3所示电力系统，线路额定电压已知，试求发电机、变压器的额定电压。解：(1)发电机G的UN应比其相连的10kV网络高5%，即发电机额定电压为10.5kV。(2)升压变压器T1的一次侧与发电机直接相连，故其一次侧电压应等于发电机额定电压10.5kV；该变压器的二次侧分别与110kV和220kV线路相连，其额定电压均应分别高于线路10％；所以T1的变比确定为242／121／10.5kV。(3)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，因此可以确定T2的额定电压变比为220／38.5kV。(4)降压变压器T3一次侧与35kV线路相连，二次侧与10kV线路相连，也可以确定T3的额定电压变比为35／11kV。(5)降压变压器T4一次侧与35kV线路相连，二次侧直接与3kV设备相连，且T4的短路电压百分数UK％≤7.5，因此确定它的额定电压变比为35／3.15kV。1.2.4各级电压电力网的适用范围根据三相输电功率关系式S=√3IU分析可知，输送功率S一定时，输电的电压U越高，线路上的电流I就越小，就可采用小截面的导线从而减少导线的投资。但另一方面，电压如果越高对设备的绝缘要求自然也越高，从而又导致线路杆塔等设备的投资也越大。因此综合起来考虑，对应于一定的输电距离和输送功率，就必然有一个在技术和经济上都较为合理的电压等级。根据技术经济条件所得到的各级电压电力网的经济输送容量、输送距离如表1-2所示。额定电压(kV)输送容量(MW)输送距离(km)3610351102203305000.1～1.OO.1～-1.2O.2～2.O2.0～1010～50100～200200～500400～10001～34～156～2020～5030～150100～300200～600150～8501.3电力网的接线方式及负荷的分类1.3.1电力网的接线方式电力网的接线方式一般分为无备用接线和有备用接线两类。无备用接线。它包括有单回路放射式、干线式、链式等网络接线，其网络构成非常简单方便，设备投资少，如图1—4所示。很显然，这类接线中的每一个负荷都只能从一个方向取得电能，因此当其中某段线路发生故障时，都将使一部分用户断电，供电的可靠性稍差，因此这类接线一般只适宜于向不太重要的负荷供电。(2)有备用接线。它包括有双回路放射式、干线式、链式以及环式和两端供电网等网络接线，如图1—5所示。显然，其网络设备投资相对无备用接线要高。但这类接线中的每一个负荷都能从两个方向取得电能，因此当其中某条线路发生故障时，其中的用户都能从另一个方向获得电能，从而避免了供电中断，因此这类接线多用于供电要求较高的负荷。通常，我们又把每一个负荷都只能从一个方向取得电能的网络称为开式网络，而把每一个负荷都能从两个或两个以上方向取得电能的网络称为闭式网络。1.3.2负荷的分类从前述已经知道，电力网的接线方式与负荷的性质有着密协的关系。根据负荷的重要程度，我们一般将负荷分为以下三种类型：(1)一类负荷。这类负荷，如果中断供电，将会造成恶劣的政治和社会影响，将会带来人身伤亡和设备损坏，生产瘫痪，人民生活发生混乱，给国民经济带来严重的经济损失。(2)二类负荷。这类负荷如果中断供电，将造成生产大量减产，城市公用事业和人民生活受到影响。(3)三类负荷。这类负荷如果中断供电，影响较小，一般不会带来严重的后果。根据以上的分类要求可见，针对不同的负荷，其供电要求也是不一样的。为了保证可靠性，通常，对一类负荷应设置两个或两个以上的独立电源，而且由于一类负荷不允许短时停电，因此要求电源间应能够自动切换；对二类负荷也应当设置两个独立的电源，由于二类负荷允许短时停电，因此这两个电源间可采用手动切换；对于三类负荷一般采用一个电源供电即可。1.4电力线路的结构电力线路是用来传送电能的，按结构不同可分架空线路和电缆线路两大类。架空线路是将裸露导线架设在电线杆塔上来进行电能传输的；而电缆线路则是将电缆线埋设在地下(埋在土中、沟中、管道中等)来进行电能传送的。架空线路由于裸露在空气中，容易受外界环境条件影响，如易遭受雷击，易受有害气体腐蚀等，但它具有投资省、施工维护和检修比较方便的优点，所以电力网中绝大多数的线路都采用架空线路。电缆线路的投资相对较大，但由于电缆线路埋设在地下，可避免外力破坏和气象条件的影响，供电可靠性较高。另外电缆线路还具有不需要架设杆塔、不影响城市美观、可跨海送电等优点，因而可根据具体需要采用电缆线路。(1)导线和避雷线。导线是架空线路的主要组成部件，其功能主要是传导电流、输送电能。避雷线架设在导线的上方且是接地的，故通常又称为架空地线，其主要作用是将雷电流引入大地，使电力线路免遭雷电的侵袭。导线和避雷线都架设在空气中，要受到自身张力及风、雪、冰等外加荷载的作用和空气中有害物质的侵蚀。所以导线和避雷线应具有较高的机械强度和抗腐蚀的能力。导线还应具有良好的导电性能。导线主要采用铝、钢、铜、．铝合金等材料制成，避雷线则一般采用钢线。在上述几种材料中，铜的导电性能最好，抗腐蚀能力也强，但其蕴藏量较少，价格较贵，故一般架空线不采用铜导线。钢线的价格最便宜，机械强度大，但导电率最低，集肤效应明显，故不宜用作导线，一般只作为避雷线或固定拉线。铝的导电性能虽比铜差一些，但也属优良导电介质，而且因为铝的质轻价廉，故架空线路多使用铝作为导电材料。10kV及以下的线路因导线受力小，多使用铝绞线LJ；35kV及以上的线路因导线受力大，则广泛应用钢芯铝绞线LGJ。钢芯铝绞线LGJ主要是利用铝的导电性能较好，而钢的机械强度较大的特点，将两者结合起来使用的一种导线。就是将铝线缠绕在单股或多股钢线外层作主要载流部分，导线机械荷载则主要由钢线承担。钢芯铝绞线根据其中铝材料部分和钢材料部分的截面比率不同，可分为以下三种类型：普通型钢芯铝绞线(LGJ)，其铝、钢截面比约为5.3～6.1。轻型钢芯铝绞线(LGJQ)，其铝、钢截面比约为7.6～8.3。加强型钢芯铝绞线(LGJJ)，其铝、钢截面比约为4～4.5。普通型、轻型钢芯铝绞线，多用于一般地区，加强型钢芯铝绞线，多用于重冰区或大跨越地段。送电线路所用的导线、避雷线型号，一般是用表示导线材料、结构的字母符号和表示载流截面积的数字三部分组合而成的，例如：其他表示材料和导线结构的字母符号还有：T表示铜材料；TJ表示铜绞线；LJ表示铝绞线；GJ表示钢绞线等。注意表示载流截面积的数字是以mm2为单位的数值。如LJ一35，是标称截面为35mm2的铝绞线；GJ一50是标称截面为50mm2的镀锌钢绞线。为了防止电晕及减小线路的感抗，超高压线路的导线一般采用扩径导线、分裂导线等。扩径导线其实是一种人为地增大导线直径，但又不增大载流截面积的导线。分裂导线是将每相导线分成若干根小导线，小导线相互之间保持一定距离。架空线路各种导线的截面结构如图1-7所示。各种型号的导线数据见附表1一1。(2)杆塔。架空线路的杆塔主要作用是用来支撑导线和避雷线，以使导线之间、导线与避雷线之间、导线与地面之间保持一定的安全距离。杆塔的型式很多，可按不同的方法分类。如按使用的材料不同可分为木杆、钢筋混凝土杆和铁塔。也可按导线在杆塔上的排列方式不同进行分类。如一般单回线路采用上字形、三角形和水平排列方式，双回线同杆架设时一般按伞形、倒伞形、干字形或鼓形等排列，如图1-8所示。杆塔按不同用途又可分为直线杆、耐张杆、转角杆、终端杆和特种杆五种。1)直线杆塔。直线杆塔设计要求能承受导线的自重、导线上覆冰的重量及导线所承受的风压，不能承受沿线路方向的水平张力。由于其强度要求低，造价也较便宜。直线杆塔用于线路的直线走向处，约占杆塔总数的80％。直线杆塔上，绝缘子串和导线相互垂直。2)耐张杆塔。耐张杆塔设计要求能承受由于断线使杆塔两侧导线产生的不平衡拉力作用。耐张杆塔又称承力杆塔。这种杆塔强度高，结构较复杂，造价也相对较高。相邻的两基耐张杆塔之间的线段排列称为耐张段。通常隔一段距离就需要设立一个耐张段以便把断线故障的影响范围限制在耐张段内。一个耐张段内一般有若干直线杆塔，相邻两基直线杆塔之间的水平距离称为挡距，如图1—9所示。3)转角杆塔。转角杆塔设置在线路转弯处。主要用来承受由于两侧导线张力不在一条直线上所产生的侧向拉力。根据转角大小不同可用耐张型转角杆塔或直线型转角杆塔。4)终端杆塔。线路终端处的杆塔称为终端杆塔，它装设在线路的首端和末端，用来承受最后一个耐张段导线的单侧拉力。5)特种杆塔。当线路需要跨越河流、山谷、铁路、公路或需要进行导线换位等一些特殊需要时才采用的杆塔。主要有跨越杆、换位杆、分支杆等。导线换位主要为了使架空电力线路各相参数平衡，如图1—10所示为导线换位的结构示意图。(3)绝缘子。绝缘子是用来支撑或悬挂固定导线，并使导线与杆塔之间保持一定绝缘距离的部件。按材料不同又可分为瓷质绝缘子、钢化玻璃绝缘子和硅橡胶合成绝缘子等。按形状不同可分为针式绝缘子、悬式绝缘子、瓷横担绝缘子及棒型绝缘子，如图1—11所示。1)针式绝缘子。价格低廉，但耐雷水平不商、易闪络，主要用于35kV以下的电力线路中的直线杆塔及小转角杆塔上。2)悬式绝缘子。主要应用于35kV及以上的线路中，通常把它们组合成绝缘子串使用。绝缘子串的绝缘子个数多少与电压有关。例如当使用的绝缘子为X—4.5时，35kV线路不少于3片，1lOkV线路不少于7片，220kV线路不少于13片，330kV线路不少于19片，500kV线路不少于24片。耐张杆塔绝缘子串的个数一般比同电压级的直线杆塔绝缘子串个数多1～2个。3)棒型绝缘子。是用环氧玻璃钢等硬质材料做成的整体型绝缘子，具有质量轻、体积小、便于运输和安装的特点，它可代替悬式绝缘子串。4)瓷横担绝缘子。瓷横担可起到绝缘子和横担的双重作用。它有自洁性能强、安装方便、节约材料等优点，但同时由于其机械抗弯强度低，一般只在6～35kV配电线路上广泛使用。(4)金具。架空线路中，用来连接、固定、保护导线及绝缘子的各种金属零件，统称为金具。按其用途大致可分为线夹、连接金具、接续金具、保护金具等几大类。如图1—12所示。线夹的作用是将导线和避雷线固定在绝缘子和杆塔上，用于直接杆塔和悬式绝缘子串上的线夹称为悬垂线夹。用于耐张杆塔和耐张绝缘子串上的线夹称为耐张线夹。连接金具的作用是将绝缘子连接成串，或将线夹、绝缘子串、杆塔横担之间相互连接。如：U型挂环、直角挂板等。接续金具的作用是将两段导线或避雷线连接起来。如：钳压管、液压管等。保护金具主要是用来保护导线或避雷线因风引起的周期性振动而造成的损坏，防止其过分靠近杆塔，以保持导线和杆塔之间的绝缘。如护线条、防振锤、悬重锤等。1.4.2电缆线路(1)电缆的结构。电力电缆的结构主要包括导体、绝缘层和保护层三大部分。电缆的导体是用来传导电流的，一般使用多股铜绞线或铝绞线，以增加电缆的柔性，便于弯曲电缆。根据电缆中导体线芯数量的多少，可将电缆划分为单芯电缆、三芯电缆和四芯电缆等。电缆的绝缘层是用来使各导体之间及导体与包皮之间绝缘的，使用的材料有橡胶、沥青聚乙烯、聚丁烯、棉、麻、绸缎、纸、浸渍纸、矿物油、植物油等，一般多采用油浸纸绝缘。电缆的保护层是用来保护绝缘层不受外力损伤的，同时还有防止水分侵入或浸渍痢外流的作用。电缆的保护层可分为内护层和外护层，内护层由铝或铅制成，外护层由内衬层、铠装层和外被层组成，如图1—13所示。(2)电缆的附件。电缆附件主要有连接头(盒)和终端头(盒)。对充油电缆还需配备一套供油系统。电缆连接头是用来连接两段电缆的部件，电缆终端头则是电缆线路末端用以保护缆芯绝缘并将缆芯导体与其他电气设备相连的部件。小结本章主要介绍电力系统的一些基本概念和基本知识，为后续各章做准备。其中着重要掌握电力系统、电力网的概念以及电力系统各主要元件额定电压的规定，理解电力网的接线分类及特点，了解架空线路和电缆线路的基本结构。本章的难点是变压器额定电压的确定及线路平均额定电压的含义。电力系统是由发电机、变压器、输电线路、配电线路和用户电器等各种电气设备连接在一起而形成的生产、输送分配和消耗电能的整体。动力系统等于电力系统加上动力部分。电力网则是由各种电压等级的变压器和输、配电线路所构成的。这些概念应结合电力生产过程来理解和记忆。现代的电力系统，都是联合运行的系统，在技术和经济上有许多明显的优越性。对电力系统的基本要求可概括为“安全、优质、经济”。电力系统中的发电机、变压器、线路、用电设备等都有明确的额定电压规定。我国电力网的额定电压有220、380V以及3、6、10、35、60、110、220、330、500kV和750kV。平均额定电压有3.15、6.3、10.5、37、63、115、230、345、525kV和800kV。发电机的额定电压主要有6.3、10.5、13.8、15.75、18kV和20kV。变压器的一次侧额定电压等于所连线路的额定电压(直接和发电机相连时，等于发电机额定电压)，二次侧额定电压应比线路额定电压高5％～10％。电力线路输送电能应当考虑经济性。对应于一定的输电容量和输电距离，必然存在一个在技术和经济上都较为合理的电压等级。电力网的接线方式一般分为无备用接线和有备用接线两类。无备用接线供电的可靠性稍差，一般只适宜于向不太重要的负荷供电。有备用接线可靠性较高，一般多用于供电要求较高的负荷。为了供电的需要，将负荷人为一、二、三类负荷，不同的负荷，其供电要求也不一样。电力线路按结构不同可分架空线路和电缆线路两大类。架空线路投资、维护检修比较方便，其导线材料广泛采用钢芯铝绞线，部分导线还采用扩径导线、分裂导线等。电力电缆的结构主要包括导体、绝缘层和保护层。电缆可靠性较高，但投资大。第2章电力系统的等值电路和参数计算2.1电力线路的参数及其等值电路电力线路包含架空线路和电缆线路两大类，其主要参数为电阻、电抗、电导和电纳。因为电缆参数主要是通过试验或手册查得的，所以本节主要介绍架空线路的参数计算及其等值电路的做法。2.1.1架空电力线路的参数1．电阻单位长度的导线电阻用r0表示，可按下式进行计算式中ρ——导线电阻率；一般取S——导线载流部分的标称截面积，mm2。注意，在电力系统实际计算中所使用的铜、铝导线材料的交流电阻率比其直流电阻率略大一些(物理手册中所给出的铜材料的直流电阻率为17.5Ω·mm2／km，铝的直流电阻率为28.5Q·mm2／km)，主要是由于下列原因所致：(1)三相交变电流产生集肤效应和邻近效应，使导线有效截面减小，电阻增大。(2)导线多采用多股绞线，其实际长度比测量值长2％～3％。(3)导线的实际截面比标称截面略小。工程实际应用中，通常直接从产品资料或手册中查得导线单位长度的电阻值‰，然后乘以导线总长度L，即得线路电阻需要指出的是，不论由式(2—1)算得或从手册查得的电阻值，都指的是20℃时的电阻值。当线路实际环境温度不是20℃而为t℃时，导线电阻修正为α--电阻温度系数，对铜导线α=0.00382／℃，铝导线α=O.0036／℃。2．电抗线路电抗是一个用来反映交流电流经过导线时产生交变磁场效应的参数。它包括一相导线自身产生的自感作用和各相导线之间所产生的互感作用。如果三相导线排列不对称，则三相线路电抗参数就不相等，就难以用单相电路来表达三相电路，所以三相导线在杆塔上的排列一般都是对称的，或者排列虽不对称但经过整循环换位后，也可以使三相的电抗参数基本对称(以后如不再声明，三相导线均认为对称排列或经过了完整换位)。3．电导线路电导是用来反映架空电力线路沿绝缘子的泄漏损失和导线电晕的有功损耗的一个参数。在正常运行情况下，线路绝缘良好，沿绝缘子泄漏损失很小，可以忽略不计，因此线路的电导主要由导线电晕所引起的有功损耗决定。导线电晕现象是指架空线路在高电压作用下，当导线表面的电场强度超过空气的击穿场强时，导线表面附近的空气产生游离而形成的放电现象,电晕现象会消耗输电线路中的有功功率。电晕发生时可听到由于空气被击穿而产生的“咝咝”放电声，在夜间还可看到导线周围有紫色的光晕。在阴雨天气，电晕现象就比较明显。导线开始出现电晕的电压称为电晕临界电压Ucr。当导线的运行电压超过电晕临界电压时就将发生电晕。而且运行电压超过临界电压越多，电晕现象就越剧烈，损耗也越大。当三相导线为等边三角形排列时，发生电晕的临界线电压可由下式的经验公式确定式中m1——导线表面光滑系数(对于光滑的单导线m1=1；对于绞线仇m1=O.9)；m2——气象系数(对于干燥或晴朗天气，m2=1；对于雨雾雪等恶劣天气，m2=O.8)；δ——空气相对密度，δ=3.92P／(273+t)，其中，P为大气压力(Pa)，t为空气温度(℃)。当t=25℃，P=76Pa时，δ=1；r——导线半径，cm；Dm——线路几何均距，cm。当线路为水平排列时，两根边线的电晕临界电压较式(2-8)的计算值高6％；而中间相导线的Ucr则低4％。当三相线路每公里的电晕损耗功率为△Pg(kW)时，则每相导线单位长度电导计算式为:式中U——电力线路运行的线电压，通常可取UN，kV。因为电晕要消耗线路电能，而且会使导线表面产生电腐蚀，故应尽量避免正常象条件下发生电晕，也就是应当使线路的电晕临界电压高于线路的运行电压。从(2-8)分析，提高电晕临界电压Uc，的主要措施有：(1)增大导线半径，为此可采用分裂导线、扩径导线等措施。(2)保持导线表面光滑，尽量不要磨损导线，以防止电场分布不均匀。由于在设计、施工和运行等各方面都采取了相应措施来尽量避免线路发生电壹因此在电力系统计算中一般都可忽略电晕损耗，即认为线路电导g0≈O。4．电纳线路电纳是用来反映各相导线之间和导线对大地之间电容效应的参数。(1)堕导缛短相的单位长度电纳为：式中C1——单导线每相单位长度的电容，F／km；r——导线半径，mm；Dm——线路几何均距，mm。(2)分裂导线每相的单位长度电纳为从上面两式分析可知，由于影响电纳大小的Dm、r、‰均在对数关系式内，因此各种电压等级线路的单位长度电纳值也变化不大。求出单位长度电纳之后，长度为L(km)的架率电力线路的每相电纳为2.1.2架空电力线路的等值电路输电线路经过完整换位后，三相电路的参数是对称的，可用一相等值电路来表示三相等值电路。因为线路的电阻、电导、电抗、电纳都是沿线路均匀分布的，所以线路的等值电路如果严格地作出来，应该是如图2-3(a)所示的电路形式。这种等值电路的计算比较复杂，一般多用于较长线路的计算分析中。而对300km以下的架空线路和100km以下的电缆线路，一般都用集中参数电路来表示，如图2-3(b)所示的π形等值电路，其中R、X、B分别为线路总的电阻、电抗和电纳值。因为电力线路正常运行时不发生电晕，所以G≈0。注意，在π形等值电路中的电纳B是作为两条支路分别置于线路阻抗的两端。对电压较低的短线路，由于其电纳或电容功率很小，一般可将电纳支路忽略不计，而采用更为简单的一字形电路，如图2-3(c)所示。在实际工程中，多对35kV及以下电压等级的架空线路和lOkV及以下的电缆线路作这样的简化。第3章电力系统潮流分析与计算电力系统在运行时，电流或功率在电源的作用下，通过系统各元件流入负荷，分布于电力网各处，称为潮流分布。计算出电力系统在正常运行及各种故障运行方式下的潮流分布，是研究和分析电力系统的基础。它主要包括以下内容：(1)电流和功率分布计算。(2)功率损耗计算。(3)电压损耗和各节点电压计算。无论进行电力系统的规划设计，还是对各种运行状态的研究分析，都须进行潮流分布计算。电力系统日常运行中的潮流分布计算其实是对运行方式的调整，从而制定合理的运行方式。所以，潮流计算的主要目的是：(1)为电力系统规划设计提供接线方式、电气设备选择和导线截面选择的依据。(2)提供电力系统运行方式、制定检修计划和确定电压调整措施的依据。(3)提供继电保护、自动装置设计和整定的依据。(4)为经济运行计算、短路和稳定计算提供必要的数据。潮流计算可以采用解析法手算，也可以用电子计算机计算。解析法手算适用于简单系统，可用于各种简化和精度不高的网络计算。这种方法有助于掌握电力网各电气量之间的物理关系，并加深对电力系统运行状态中各种物理概念的理解。同时，也为计算机进行潮流计算取得某些原始数据。随着现代电力系统不断发展，电力系统工程都逐步使用电子计算机进行潮流计算。第4章电力系统频率调整和电压调整4.1概述电力系统运行的根本目的是在保证电能质量符合标准的条件下，持续不断地供给I用户所需要的功率，维持电力系统的有功功率和无功功率的平衡，保证系统运行的经粥性。衡量电能质量的主要指标是频率、电压和波形。电力系统运行中频率和电压变动时，对用户、发电厂和电力系统本身都会产生不同程度的影响。为保证良好的电能质量，电力系统运行时，必须将系统的频率和电压控制、调整在允许的范围内。我国对电能的质量标准规定了容许变动的范围。(1)频率。我国电力系统交流电压、电流的额定频率为50Hz，允许偏移为士O.2～O.5Hz。用百分数表示为±0.4～±1％。大系统取较小的允许偏移值，小系统取较大的允许偏移值。(2)电压。电力系统用于控制与调整电压的母线，称为中枢母线。中枢母线上的电压及其偏移范围应符合调压方式的要求。加于各用电器的电压最理想为其额定值，在系统运行中，中枢母线电压允许偏移范围应不超过以下规定：35kV及以上供电网：±5％10kV及以下电压供电网：±7％低压照明网：+59／6～-10％农村电网：+7.5％～-10％在事故状况下，允许在上述基础上再增加5％，但正偏移最大不能过+lO％。(3)波形。良好的交流电压、电流波形，应该是正弦波形。但是，供电系统中存在着引起高次谐波而使正弦波形畸变的因素，如：日光灯、电焊机、电弧炼钢炉、变压器的激磁电流以及整流电路等。上述电器是电压、电流的非线性元件，都是谐波电流源。因此，需要采取措施消除电力系统中高次谐波电流的成分，通常采用的措施有：(1)增加整流电路的相数。(2)降低铁芯电路中铁芯磁通的饱和程度。(3)采用谐振滤波电路并联电容补偿等。电能的质量随着国民经济和科学技术的发展会有所变化。在发达国家系统频率偏移大致控制在不能超过士0.1Hz，即士O.29／5，对电压质量的要求更为严格。本章主要介绍两大内容：一是有功功率平衡与频率的基本关系，以及频率调整的基本概念；二是无功功率平衡与电压水平的基本关系，以及电压管理的基本概念和电压调整的基本方法。4.2电力系统有功功率平衡和频率调整4.2.1电力系统频率变化的影响1．电力系统频率变化对用户的影响电力系统频率变化时，对用户有很大的影响，例如：(1)工业中普通应用的异步电动机，其转速和输出功率均与频率有关。频率变化时，电动机的转速和出力随之变化，因而严重地影响到产品的质量，如纺织工业、造纸工业，将因频率变化而出现残、次品。(2)电力系统的频率降低时，将使电动机的功率降低。一般恒定转矩负荷(如机床设备)的电动机吸收的有功功率，当频率降低19／6时也随着降低1％。这种电动机有功功率的降低，将直接影响所传动机械的出力。(3)现代工业、国防和科学研究部门广泛应用各种电子技术设备，如果系统不稳定，将会影响这些电子设备的精确性。2．频率变化对发电厂和电力系统本身的影响电力系统频率变化对发电厂和电力系统本身均有影响，例如：(1)发电厂用的许多机械如给水泵、循环水泵、风机等在频率降低时都要减小出力，降低效率，因而影响发电设备的正常工作，使整个发电厂的有功出力减小，从而导致系统频率的进一步下降。(2)汽轮发电机在额定功率下运行时效率最佳，频率偏高或偏低对叶片都有不良的影响。特别是电力系统低频率时，容易引起汽轮机低压叶片的共振，缩短汽轮机叶片的寿命，严重时会使叶片断裂，造成重大事故。(3)电力系统频率降低时，异步电动机和变压器的励磁电流将大为增加，引起系统的无功功率损耗增加，这些都会给电力系统无功功率平衡和电压调整增加困难。总之，由于所有电气设备都是按系统的额定频率设计的，当电力系统的频率质量降低时将影响各行各业。频率过低时，甚至会使整个系统瓦解，造成大面积的停电≤因此必须采取措施，对频率进行调整和控制，以确保系统频率稳定在规定的范围内。4.3电力系统无功功率平衡和电压管理电力系统中的电压与无功功率密切相关。为满足系统中无功功率负荷及无功功率网损的需要，并保证系统中的电压水平，系统中应有充足的无功功率电源。电力系统中的有功功率电源是发电厂中的发电机，而无功功率电源除发电机以外，还有分散在系统中的调相机、静电电容器、静止补偿器等无功补偿装置。电力系统正常稳态运行时，全系统的频率相同，频率调整集中在调频厂进行，调频手段只有调整原动机的功率一种(故障暂态运行时还可以调整负荷吸收的有功，如低频减载等)，而电压水平则全系统各点不同，电压调整可分散进行，调压手段各种各样。因此电力系统无功功率和电压调整与有功功率和频率调整有很大的不同。4.3.1电力系统的无功功率电源电力系统的无功功率电源，除了发电机以外，还有调相机、静电电容器和静止补偿器，这三种无功补偿装置又称为无功补偿设备。4.3.2电力系统电压偏移的原因及影响电力系统电压偏移的原因用户的端电压是随着电力网中电压损耗的大小而变化的。而电压损耗的大小又随着电力系统运行方式的改变而改变，运行方式的改变包括以下几种情况：（1）负荷大小的改变。电力系统的负荷在一年四季中以及一天24h内都是不同的。（2）电网中个别设备因检修或故障而退出工作，造成电力网阻抗参数的改变，并引起相应的电压损耗的改变。（3）电力系统接线方式的改变。有时为了适应某种要求，需要改变电力系统的接线方式，从而引起了电力网中功率分布的改变和元件阻抗的变化，进而造成电压损耗的改变。在供电范围较小的电力网中，由于电压损耗的绝对值不是很大，所以用户的端电压偏移幅度不会很大。但是在较大的电力系统中，最大电压损耗百分数可能达到20％～30％以上。因此在较大的电力系统中，如不采取任何调压措施，将无法满足用户对电压质量的要求。2．电力系统电压偏移的影响电力系统的电压需要经常调整，如果电压偏移过大，将会给电力用户和电力系统带来很大的影响。如可能造成设备的损坏，产品质量和产量降低，甚至引起系统性“电压崩溃”，造成大面积停电。现分述如下：异步电动机的电磁转矩是与其断电压的平方成正比的，当电压降低10％时，转矩大约要降低19％，如果电动机所拖动的机械负载的阻力矩不变，电压降低时，电动机的转差增大，定子电流也增大，发热随之增加，绕组温度升高，加速绝缘老化，影响电动机的使用寿命。当端电压太低时，电动机可能由于转矩太小而失速甚至停转。电炉的有功功率与电压的平方成正比，电压降低就会延长电炉的冶炼时间，降低生产率。电压降低时，照明灯发光不足，影响人的视力和工作效率。电压偏高，照明设备的寿命将会缩短。电压偏移过大，对电力系统本身也会有不利的影响。电压降低，会使网络中的功率损耗和能量损耗加大；电压过低可能导致发电厂之间失步，危及电力系统运行的稳定性，甚至酿成系统瓦解的灾难性事故；而电压过高时，各种电气设备的绝缘可能受到损害。由此可见，必须采取各种调压措施保证电压偏移在电力系统允许的范围之内。4.3.4电力系统的电压管理对网络中各母线电压及各用电设备的端电压都进行监视和调整是不可能的，而且也没有必要。对电力系统电压的监视和调整实际上是通过对电压中枢点的管理来实现的。电压中枢点是指电力系统中监视、控制和调整电压的点(母线)。只要这些中枢点的电压质量满足要求，系统中其他各处的电压质量也基本上满足要求。小结电力系统的频率和电压是衡量电压质量的两个指标。维持电力系统频率和电压在规定的范围之内,是保证电力系统正常运行的基本任务。实现电力系统在额定频率下的有功功率平衡，并留有必要的备用容量，是保证频率质量的基本前提。电力系统的运行电压水平同无功功率平衡密切相关。为了确保系统和运行电压具有正常水平，系统拥有的无功功率电源必须满足满足正常电压水平下的无功需求，并留有必要的备用容量。必须尽量做到无功功率的就地平衡，尽量减少无功功率的长距离和跨电压级的传送，因为这样做可以减少网损，改善电压质量。电压系统的无功功率电源，除了发电机以外，还有调相机、静电电容器和静止补偿器，这三种无功补偿装置又称为无功补偿设备。习题4-1衡量电能质量的指标是什么？4-2电力系统低频运行有什么危害？4-3电力系统的电压调整措施有哪些？4-4电力系统电压偏移的影响有哪些？电力系统的经济运行5.1概述电力系统经济运行的基本要求是，在保证整个系统安全可靠和电能质量符合标准的前提下，努力提高电能生产和输送的效率，尽量降低供电成本。电力网运行时，由于电流或功率通过电功功率损耗，在电网的感搞中，产生无功功率损耗。有功功率损耗与时间的乘积，称为电能损耗。电力网的功率损耗由以下两部分组成：(1)变动损耗。这部分损耗产生在输电线路和变压器的阻抗中，与电力网输送的功率有关。输送的功率愈大，损耗也愈大。这部分损耗约占电力网功率损耗的809／5左右。(2)固定损耗。这部分损耗产生在输电线路和变压器的并联导纳中，如电晕损耗、泄漏电流损耗、变压器铁损与激磁损耗等。与元件两端电压大小有关，这部分损耗约占电力网功率损耗的20％左右。电力网的有功功率损耗，必须由发电机供给。当系统负荷一定时，有功功率损耗愈大，所需要的发电设备容量也愈大，因而增加了发电设备的投资。同时，为了供给电力网的电能损耗，发电厂必须多消耗能源——水、煤、油等，这就使电力系统的运行费用增加。电力网的无功功率损耗，增加了电力系统无功功率的需要量。这就要求发电机多发无功功率或在系统中增添无功功率补偿设备。因此，也要多增加投资。同时，过多的无功功率通过线路与变压器，将使有功功率输送受到限制。另外，输送无功功率时，在电力网电阻中也将引起有功功率损耗的增加。．综上所述，在电力网的运行中，功率损耗和电能损耗是不可避免的，但可以尽力采取措施降低它，以提高电力系统运行的经济性。5.2电力系统的负荷5.2.1负荷的组成系统中所有的电力用户的用电设备所消耗的电功率总和就是电力系统的负荷，亦称电力系统的综合用电负荷，它是把不同地区、不同性质的所有用户的负荷加起来而得到的。系统中主要的用电设备大致有异步电动机、同步电动机、电热装置、整流装置和照明设备等。根据用户的性质，用电负荷也可以分为工业负荷、农业负荷、交通运输业负荷和人民生活用电负荷等。在不同性质的用户中，上述各类用电设备消耗功率所占的比重是不同的。在工业负荷中，对于不同的行业，这些用电设备的比重也不相同。某电力系统曾对若干工业部门各类设备用电功率的比重做过统计，其结果见表5-1.综合用电负荷加上电力网的功率损耗就是各发电广应该供给的功率，称为电力系统的供电负荷。供电负荷再加上发电厂厂用电消耗的功率就是各发电厂应该发出的功率，称为电力系统的发电负荷。表5-1几个工业部门用电设备比重的统计(%)用电设备综合性大小工业纺织工业化学工业(化合厂、焦化厂)化学工业(电化厂)大型机械加工工业钢铁工业异步电动机同步电动机电热装置整流装置合计79.13.217.7100.O99.8O.2100.O56.O44.0100.O13.O87.0100.082.51.315.O1.2100.020.O10.O70.O100.O5.2.2负荷曲线实际的系统负荷是随时间变化的，其变化规律可用负荷曲线来描述。常用的负荷曲线有日负荷曲线和年负荷曲线。图5—1(a)所示的电力系统日负荷曲线描述了一天24h负荷的变化情况。负荷曲线中的最大值称为日最大负荷Pmax(又称峰荷)，最小值称为日最小负荷Pmin又称谷荷)。日负荷曲线对电力系统的运行非常重要,它是安排日发电计划和确定系统运行方式的重要依据。年最大负荷曲线描述一年内每月（或日）最大有功功率负荷变化的情况，它主要用来安排发电设备的检修计划，同时也为制订发电机组或发电厂的扩建或新建计划提供依据。5.3力网的电能损耗在给定的时间(日、月、季或年)内，系统中所有发电厂的总发电量同厂用电量之差，称为供电量；所有送电、变电和配电环节所损耗的电量，称为电力网的损耗电量（或损耗能量）。在同一时间内，电力网损耗电量占供电量的百分比，称为电力网的损耗率，简称网损率或线损率。电力网损耗率=（电力网损耗电量/供电量）×100%网损率是衡量供电企业管理水平的一项重要的综合性的经济技术指标。5.4降低电力网电能损耗的措施为了降低电力网的电能损耗，首先要做好供电的技术管理、计量管理和用电管理等工作，不断提高电力网的水平。同时，还必须采用以下技术措施来降低网损。5.4.1提高电力网负荷的功率因数从电力网电能损耗计算（5-9）式看到，用提高电力网负荷的功率因率的方法，可降低电能损耗，提高负荷功率因数的目的，在于减少通过电力网的无功功率，通常采用下述方法。1．合理选择异步电动机的容量并调整其运行方式运行统计数字表明，电力系统中功率损耗及电能损耗，约有65％是在110kV及以下电压等级的电力网中消耗掉的；约有35％是在35kV及以下电压等级的电力网中消耗掉的，用户是电力网输送和分配电能的终点。提高用户的功率因数，就是提高电力网的功率因数，用户的主要负荷是在工农业生产中广泛用作动力的异步电动机，异步电动机需要有功功率，也需要无功功率。从电机学中知道，异步电动机所需要的无功功率Q与有功功率P之间有下列关系．即式中QK——电动机在空载时所需的无功功率；QN——电动机在额定负荷时所需的无功功率；PN——电动机在额定负荷时所需的有功功率。从式(5—18)可知，异步电动机所需的无功功率由两部分组成。一部分是用来建立磁场所需的空载无功功率，约为Qk的60％～70％，它与电动机所带负荷大小无关；另一部分是绕组漏抗中消耗的无功功率，它与电动机负荷系数平方成正比。所以电动机的负荷系数越少，即所带负荷越小，则电动机用户的功率因数越低。因此，在选择异步电动机时尽量作到异步电动机的容量与所拖动的机械功率相配套：避免。“大马拉小车”的现象。另外，应尽量限制异步电动机的空载运行时间，避免大量消耗无功功率。在有条件的企业中，可用同步电动机来代替异步电动机运行，因为同步电动机不需要电网供给无功功率，在过励的情况下，它反而会向电网送出无功功率，这就能显著提高用户的功率因数。2．合理选择变压器及感应电炉和电焊机设备的容量合理选择变压器及感应电炉和电焊机设备的容量，使之与实际负荷配套，避免过多消耗无功功率。特别是限制变压器空载运行时间和防止变压器轻载运行是提高功率因数的重要措施。例如，农村灌溉专用变压器，当排灌时期过后，应将变压器退出运行；城市中工矿及企事业单位错开上下班时间，实行调荷节电措施，以限制选用过大容量的变压器等。3．采用并联补偿装置合理选择异步电动机和变压器等设备容量，可以提高功率因数，降低电能损耗，但不能完全限制无功功率在电力网中通过。为此，在用户处或靠近用户的变电所中装设无功补偿设备，如静电电容器，同步调相机或静止补偿器等，可以就地平衡无功功率，限制无功功率在电力网中输送，这也是提高功率因数，降低电能损耗的重要措施，如图5—11所示。未装补偿设备前，线路中的电能损耗为加装容量为Qc的补偿设备后，线路中电能损耗为从式中可以看出，当Qc越大，接近Q时，线路中电能损耗越小；当Qc=Q时，线路中电能损耗最小，这种补偿称之为全补偿；当Qc>Q时，称之为过补偿；Qc<Q称为欠补偿。在实际工程中，因补偿设备投资大，从经济角度出发，常采用并联欠补偿装置，从调压、降低电能损耗，提高电力系统稳定运行综合考虑，需要较大无功功率补偿容量时，常采用同步调相机；需要较小补偿容量时，常在用户处加装并联静电电容器；对于有较大冲击负荷的地区，宜在变电所中加装静止补偿器。5.4.2提高电力网运行的电压水平从电力网电能损耗计算式(5—9)中看到，提高电力网运行的电压水平，也是降低电力网功率损耗和电能损耗的措施之一。电力网运行时，线路和变压器等电气设备的绝缘所允许的最高工作电压，一般可以不超过额定电压的10％。因此，电力网运行时，在不超过上述规定的条件下，应尽量提高运行电压水平，以降低功率损耗。例如，lOkV电压的线路，可以在1lkV电压下运行；35kV电压的线路，可以在38.5kV下运行；1lOkV电压的线路，可以在12lkV电压下运行等。根据计算，线路运行电压值提高5％，电能损耗可以降低9％，效果是显著的。对于变压器，如果提高变压器运行电压水平，降低功率损耗和电能损耗时，最好相应地改变变压器的分接头，因为当加在变压器的电压高于变压器分接头的额定电压时，虽然变压器绕组中的铜损减少了，但是由于电压的增加使得变压器磁通密度增加，铁损就相应地增加了，这就降低了节约的效果。这里必须指出，在提高电力网运行电压水平时，必须满足发电机等设备对电压质量的要求。例如，图5-12(a)所示的电力网，在保证发电厂6kV母线实际电压为6.3kV，变压所T3低压侧母线实际电压为10.5kV及变电所T4低压侧母线实际电压为O.4／O.23kV的前提下，电力网各变压器分接头在图5—12(a)所示的位置时，则线路电压分别为110、35kV及10kV。如果将变压器分接头调整到图5—12(b)所示的位置，就可以在不改变发电机及用户电压的前提下，使110kV线路电压升高2.5％而为112.75kV；使35kV线路电压升高109／6而为38.5kV，使10kV线路电压升高5％而为10.5kV，这就普遍地提高了线路运行电压水平，从而能够显著地降低电力网的电能损耗。随着工农业生产的发展，用电负荷的不断上升，就可能有一些电网出现供电容量不足、线损增大、电压质量下降等问题。因此，结合电网规划，实行电网升压改造，是增大供电容量、减小能耗、提高电压质量的有效措施。在电力网的升压改造过程中，应简化电压等级，使电力网布局更加合理，使电力网的电能损耗降到更低的水平。5.4.3改变电力网的接线和运行方式1．开式电力网改为闭式电力网运行从电力网的发展规律来看，初建时负荷小、负荷点少、损耗少。以后，由于负荷的增加，线路的延伸，造成电压质量降低、电能损耗增大。因此，及时改进线路的迂回、倒送，防止卡脖子等，是降低电能损耗的重要措施。在有条件的地方，可将开式电力网改为闭式电力网运行，这也是降低电力网电能损耗措施之一。例如图5—13所示的电力网，为了研究方便，设每一条辐射线路的线长相等且负荷均匀，总电流为I，若导线电阻为R，则电力网开式运行时，其有功功率损耗为若把上述电力网改为闭式电力网运行，其有功功率损耗为：