第一章电力系统概论

第一章绪论
General introduction
第一节电力系统概论
General introduction of electric power industry
一、电力系统的构成Composing of power system
<一>电力工业在国民经济中的地位 The status of power industry in national economic
1．电力工业是社会公共基础事业，是国民经济的一个重要部门。

2．为社会生产的各个领域提供动力，与社会生活密切相关；
3．“经济要发展，电力要先行”。

从各国经济发展看，国民经济每增长1%，就要求电力工业增长1.3%—1.5%。

<二> 电力系统的形成 Development of power system
1 初期电厂建在用电区附近，规模很小，孤立运行。

2 随着生产的发展和科学技术的进步，用电量和发电厂容量不断增加，但由于发电所需的一次能源通常离负荷中心较远，因此形成了电力网和电力系统。

<三>基本概念 Basic conception
电力系统：发电机、变压器、输配电线路和电力用户的电器设备所组成的电气上的整体。

电力网：电力系统中输送、分配电能的部分（变压器和输配电线路）。

动力系统：电力系统+发电厂的动力部分（火电厂的锅炉、汽机；水电厂的水库、水轮机；核电厂的反应堆）
二、电力系统的发展The history of electric power industry
1．国外电力系统的发展历史
1831 法拉第发现电磁感应定律后，出现了交流直流发电机，直流电动机出现里100-400V的低压直流输电系统；
1882年德国 1500-2000V 直流输电系统
1885年单相交流输电
1891年三相交流输电
俄国人展示了现代电力系统模式
2．国内电力系统发展历史
1882年第一座电厂在上海建成
1882—1945年全国总装机容量185万KW，年发电量仅43亿KWh
2000年全国总装机容量3亿KW，年发电量13556亿KWh
并建成500kV交流、直流超高压输电线路，7个跨省电力系统
西南大容量水电的开发，山西陕西和内蒙西部大量坑口电厂的建设，使得全国联网的格局逐步形成。

3.联合电力系统的特点Characteristics of power system
1)系统总装机容量减少。

发电厂孤立运行的最大负荷并不同时出现
2)合理利用动力资源
与火力发电厂相比，水电厂具有单位发电成本低、跟踪负荷快的特点。

因此，依照“不弃水”的原则，水电厂丰水季节承担基荷，枯水季节承担峰荷。

这样可以降低煤耗，充分利用水力资源。

3)提高了供电可靠性
由于各电厂之间在机组检修或系统发生事故的情况下能够相互支援，从而可以降低系统备用容量和提高供电可靠性。

4)提高了系统运行的经济性
a.在机组间合理分配负荷；
b.采用大容量机组，降低单位千瓦造价和运行损耗。

缺点：故障波及地区容易扩大、系统短路容量增加。

三、对电力系统的基本要求Basic requirement of the power system operation （一）电能生产、输送和消费的特点
1.电能不能大量存储。

电能的生产、输送、分配、消费同时发生；
2.从一种运行方式过渡到另一种运行方式的过渡过程非常短促；
3.与国民经济各部门的关系密切。

各部门广泛使用电能，电能的中断或减少将影响国民经济各部门。

(二）电力系统运行的基本要求
1．满足用电需求，保障供给
2．保证可靠的持续供电。

提高运行水平；防止发生误操作；事故后应尽量采取措施防止事故扩大；完善电力系统的结构等。

当系统发生事故、出现供电不足时，首先切除三类用户，以确保一、二类用户的需要（一类用户：中断供电，会带来人身危险、设备损坏、大量次品、破坏生产秩序、给国民经济带来巨大的经济损失或重大政治影响的用户。

用两个或两个以上独立电源供电；二类用户：中断供电会造成减产、停工的用户。

两路供电或一路专用线路供电；三类用户：短时停电不会带来严重后果）。

3．保证良好的电能质量。

电压偏移：±5% 频率偏差：50±（0.2—0.5）HZ 波形畸变率：很小4．保证电力系统运行的经济性
提高效率、降低损耗、节约能量资源。

第二节发电厂的类型
Type of power plant
一次能源：虽自然界演化生成的动力资源，是能源的直接提供者，如煤、石油、天然气。

电能是二次能源。

一、火力发电厂 fossil fuel station
以煤、汽油或天然气为燃料的电厂，原动机一般为汽轮机，也有用柴油机或燃气轮机的。

图1-2 凝汽式火力发电厂生产过程示意图
火力发电厂又可分为：
1) 凝气式火电厂 (steam power plant) 做过功的蒸汽排入凝汽器冷凝成水，重新送回锅炉。

在凝汽器中大量的热量被循环水带走，所以效率很低，只有30%—40%。

2）热电厂(thermal plant) 汽轮机中一部分做过功的蒸汽从中间断抽出供给热力用户，或经热交换器将水加热后把热水供给用户。

效率高达60%—70%. 二、水力发电厂 hydroelectric power plant
将水的位能和动能转变成电能。

发电厂容量取决于上下游水位差（水头）和流量大小。

水力发电机组承受变动负荷的能力较好，且启动快，电力系统中发生事故时可充分发挥备用功能。

1．按水头形成方式分为
1）堤坝式水电厂在河床上游建水坝蓄水，形成发电水头。

坝后式水电厂：厂方建在坝后，如丰满水电厂；
河床式水电厂：厂房其拦水坝作用，如葛洲坝水电厂。

2）引水式水电厂电厂建在山区水流湍急的河道上，或河床坡度较陡的地方，由引水道形成水头，不修坝或只修低堰。

3）混合式水电厂水头由坝和引水道共同形成。

4）抽水蓄能电站系统谷荷时，机组以电动机-水泵方式工作，将下游水库的水抽至上游水库储存；峰荷时，机组以水轮机-发电机方式工作，利用蓄水发电；从而实现“移峰添谷”。

抽水蓄能电站用途：调频、调相、系统备用、系统黑启动等。

2．按运行方式分
1）无调节水电厂水库小，不能对径流调节
2）有调节水电厂可利用水库对径流进行重新分配
有日调节、周调节、季调节、年调节和多年调节
三、核电厂 nuclear plant
将核裂变能转化成热能，再按火电厂的方式发电。

1．优点：
1）节省燃料如一台500MW的火力机组，每年耗煤150万吨，而同容量的核电机组，每年仅需600kg铀燃料
2）不需空气助燃可建在地下、山洞里、水下、空气稀薄的高原地区
2．问题：放射性污染
四、其他形式发电厂 other way to generate electric power
风力发电、潮汐发电、地热发电、太阳能发电、磁流体发电等。

第三节变电所的类型 Type of substation
变电所是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。

一、根据变电所在电力系统的作用，可分成下列几类：
the type of substations according to the function
<一>升压变电所 booster substation
<二>降压变电所 step-down substation
1．枢纽变电所 load-center substation
位于电力系统的枢纽点，连接电力系统高压和中压的几个部分，汇集多个电源，电压为330-500kV 。

全所停电后，将引起系统解列，甚至出现瘫痪。

2．中间变电所 intermediate substation
高压侧以交换潮流为主，或使长距离输电线分段，电压为220-330kV，同时又降压供给当地用电。

全所停电后，将引起区域网络解列。

3．地区变电所 local substation
高压侧电压110-220kV，对地区用户供电为主。

全所停电后，仅该地区中断供电。

4．终端变电所 terminal substation
在输电线路的终端，接近负荷点，高压侧电压35-110kV，降压后直接供给用户。

全所停电后，只是用户受损失。

二、按电压高低分 type of substation according to the voltage level 1．大型变电所 large substation
330kV以上，占地面积较大，自动化水平较高
2．中型变电所 middle substation
220kV 110kV 也称为一次变电所
3．小型变电所 small substation
110kV以下也称为二次变电所
三、按变电所结构分 type of substation according to the structure 1．屋外式 outdoor substation
除仪表、继电器、控制设备、直流电源等二次设备设在屋内外，变压器、开关等大型设备均放在屋外。

通常电压较高的变电所大多为屋外式。

2．屋内式 indoor substation
变电所所有设备都放在屋内。

一般用于室内居民密集地区或其他空气污秽地区。

3．地下式 underground substation
全部设备均设置在地下或洞室内。

以适应城市建设或战备的要求。

重点要解决好通风和防火问题。

4．箱式变电所 package substation
为了使供电设施与建筑周围环境协调而产生的。

设有高压开关小室、变压器小室和低压配出开关小室。

第四节 电力网的电压
Voltage levels of the electric power system
一、额定电压 rated voltage
1．电力系统的额定电压等级（输电线路的额定线电压） V 220 380
kV 3 6 10 35 (60) 110 (154) 220 330 500 750 确定额定电压的等级的考虑因素：
S=3UI,当输送功率一定时，输送电压越高，电流愈小，载流部分的截面积愈小，投资愈小；但电压越高，设备绝缘的投资越大。

综合考虑，对应一定输送功率和输送距离就有一个最合理的线路电压。

但从设备制造的角度考虑，线路电压不能任意确定。

而且标准电压等级不能过多。

2．发电机、变压器、用电设备的额定电压的确定 1）用电设备的额定电压=线路额定电压
沿线路的电压损失一般为10%，用电设备的允许电压偏移为±5%，这要求线路始端电压为额定值的105%，从而可保证线路末端电压不低于额定值的95% 2）发电机的额定电压=105%线路额定电压 3）变压器额定电压
⎩⎨
⎧=，一次侧与发电机相连
一次侧与线路相连
GN N N U U U ,1
⎩⎨
⎧<=5
.7%U U %105U %110U k N N 2
N 备相连或，二次侧直接与用电设
，二次侧与线路相连
例：
T1:10.5/121/242kV T2: 110/38.5/10.5kV
T3:220/38.5kV T4: 35/0.4kV
二、输、配电网的划分 division of transmission and distribution system
1、按线路电压的高低分
超高压网 330kV及以上；高压网 10—330kV
中压网 1－10kV 低压网 1kV以下
2．按作用分
输电网：将电能从发电厂输送到负荷中心。

配电网：将电能从负荷中心输送到各级电力用户，起分配电能的作用。

通常电压在220kV以下。

可分为高压配电网（35－110kV）、中压配电网（3
－10kV）、低压配电网（220－380V）。

第五节供配电系统的接地
Grounding of power supply and distribution system
接地：人为的将电器设备中带电或不带电部分与大地连接。

按接地目的不同，可分为：
1．工作接地为保证电力系统正常工作而采取的接地；
2．保护接地正常不带电而由于绝缘损耗有可能带电的金属部分接地；
3．防雷接地防雷保护装置为导泄雷电流而进行的接地。

一、工作接地 service ground
1．星形连接的变压器或发电机的中性点。

2．考虑中性点运行方式的原因：电力系统发展初期，系统中性点不接地；随着系统规模的扩大，经常出现弧光过电压引起的事故。

3．电力系统中性点运行方式 grounded neutral system
中性点直接接地(大电流接地系统)：发生单相接地时的短路电流较大
中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经小电阻接地（为小电流接地系统：发生单相接地时的短路电流较小）。

(一)中性点直接接地 neutral-point directly earthed
————110kV及以上电力网采用
1．特点：中性点始终保持零电位。

中性点不接地电力网的一相接地
2．优点：节约绝缘投资。

单相接地时，非故障对地电压接近相电压，相对地绝缘按相电压设计，因此降低了电力网的绝缘投资，而且电压越高，其经济效益越大。

3．缺点：可靠性不高。

单相短路时，接地相短路电流很大，各相之间电压不对称。

4. 针对缺点采取的措施：1）由于架空线路上的故障绝大多数都是暂时性的，故可加装自动重合闸装置，以提高供电可靠性；2）为减少单相接地电流，将系统中部分中性点接地，而另一部分中性点不接地。

（二）中性点不接地 neutral-point unearthed
1．特点：单相故障时，中性点电压为相电压，线电压仍维持平衡。

2．优点：运行可靠性高。

发生单相故障时，电力网线电压的大小和相位关系仍维持不变，接在线电压上的电器仍能继续运行，因此可带故障运行一段时间（但时间不能太长，以免健全相薄弱环节遭到破坏，发展成两相短路）。

3．缺点：绝缘投资大。

单相故障时，非故障相对地电压升为相电压的3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。

4．中性点不接地系统的适用范围
1）500V以下的装置（380/220照明装置除外）；
2）单相接地电流小于30A的3-10kV电力网；
3）接地电流小于5A的发电机直配系统；
4）单相接地电流小于10A的35kV电力网。

（三）中性点经消弧线圈接地
neutral-point earthed via arc-extinguishing coil
中性点不接地系统单相接地电流较大时采用。

1．消弧线圈：具有铁心的可调电感线圈。

3．消弧线圈的作用：
中性点不接线圈时，单相接地电流为非故障相对地电容电流之和，且随着网络的延伸而增大，容易造成弧光接地过电压。

中性点接消弧线圈后，可补偿接地电流中的容性部分，从而减少故障电流。

4．补偿方式
1）全补偿
∙
L
I=
∙
C
I
此时消弧线圈的感抗与其他非故障相的电容容抗正好形成串联谐振关系；由于系统在运行时并不是严格的对称，中性点存在一定的位移电压，容易产生谐振过电压，危及电力网的绝缘。

很少采用。

2）欠补偿
∙
L
I<
∙
C
I
部分线路断开时，可能出现全补偿现象。

很少采用。

3）过补偿
∙
L
I>
∙
C
I
不会因线路的退出而出现全补偿现象。

一般采用这种补偿方式。

5．特点：运行可靠性高，但绝缘投资大。

二．保护接地 protective ground
<一> 人体触电 getting an electric shock
电伤:人体的外部受到的电损伤，如：灼伤。

电击：人体内部器官受到的电损伤，如：痉挛、抽搐、失去知觉等。

受伤程度与电流大小、通电时间、流经人体途径、人体情况等因素有关。

交流电，10mA以上开始对人体有害，50mA时对人有致命危险。

最恶劣情况下，40－50V电对人就要致命危险。

<二> 保护接地的作用 function of protective ground
电机一相绝缘损坏时，外壳在相电压作用下
保护接地的作用说明
有接地电阻后，起分流作用。

接地电阻越小，则人接触有绝缘损坏设备外壳时就越安全。

<三>接地电阻 grounding resistance
1．接地装置：由埋入土中的金属接地体（角钢、钢管等）和连接
用接地线组成。

2．接地电阻：接地体对地电阻和接地体及其连接导体的电阻之和。

接地点处电位最高，离它越远，电位越低；200米远处，电位近似为零。

<四> 接触电压和跨步电压 touch voltage and step voltage
1．接触电压：人触及漏电外壳时，手（设备外壳最高电位）与脚(距设备水平距离0.8m)之间的电位差。

2．跨步电压：人在电位分布区内跨开一步，两脚之间（0.8m）的电位差。

<五> 保护接零 linked to the null line for the protection aim
1．中性点直接接地的三相四线制380/220V电力网，将用电设备的金属外壳与电源中性线作金属性连接，并保证用电设备一相绝缘损坏发生碰壳时，供电线路自动断开。

2．要求：
1 零线应重复接地，并且接地电阻越小越好；
2 同一电源供电的低压线路上的用电设备，不允许一部分保护接地，而另一部
分保护接零。

3．保护接地和保护接零的使用范围
1000V以上的设备保护接地
1000V以下的设备在中性点直接接地系统中保护接零
中性点不接地系统保护接地
没有中性线保护接地。