第一章电力系统的基本概念2014

第一章电力系统的基本概念电力系统的若干基本概念电力系统分析课程的主要内容作业：1－21-1电力系统的组成这些生产（发电机）、输送、分配和消费电能（负荷）的各种电气设备连接在一起而组成的整体称为电力系统。电力系统中输送和分配电能的部分称为电力网，它包括升、降压变压器和各电压等级的输电线路图1-1电力系统和电力网示意图(见第2页)1-1电力系统的组成电厂把各种形式的能量转换成电能，电能经过变压器和不同电压等级的输电线路输送并被分配给用户，再通过各种用电设备转换成适合用户需要的能量。图1-1电力系统和电力网示意图（第二页）发、输、配电力系统示意图由于电工技术的发展，直流输电在我国也得到了实际应用。直流输电系统由换流设备、直流线路以及相关的附属设备组成。在交流电力系统内或者在两个交流电力系统两母线之间，嵌入直流输电系统，便构成了交直流联合系统。图1-2为直流输电系统的示意图。换流设备换流设备直流线路图1-2为直流输电系统的示意图。换流设备换流设备直流线路到2007年10月，我国直流输电线路总长度达7085公里，输送容量1856万千瓦，线路总长度和输送容量均居世界第一。已建成并正式投入运行的直流输电工程包括：葛（洲坝）沪（上海）、三（峡）常（州）、三（峡）广（东）、三（峡）沪（上海）、天（生桥）广（东）、贵（州）广（东）Ⅰ回、贵（州）广（东）ⅠⅠ回等７个超高压直流输电工程和灵宝直流背靠背工程。目前我国成功投运云南-广东、四川-上海两条±800千伏特高压直流工程，关键设备均已国产化。“十二五”期间规划在新疆建设±1100千伏特高压输电工程,输电线路起点位于新疆东部和西部能源基地，终点在成都，途经新疆、甘肃、青海、四川等四省区，全长2600公里左右。1-2电力系统的额定电压和额定频率电气设备都是按照指定的电压V(kV)和频率f(HZ赫兹)设计制造的，指定的电压和频率，称为电气设备的额定电压VN(kV)和额定频率fN(HZ)。电气设备在额定电压和频率下运行时，具有最好的技术性能和经济效果。为了实现设备的互换，各国发用电设备都有标准的额定电压和额定频率。我国电力系统的额定频率为50Hz，是系统的标准频率，简称工频。我国三相交流3kV及以上设备与系统的额定电压的数值列于表1-1中。同一电压级别下，各种电气设备的额定电压不完全相等。各电气设备的额定电压之间有一个相互配合的问题。发电机的额定电压与系统的额定电压为同一等级时，发电机的额定电压规定比系统的额定电压高5％。电力线路和系统的额定电压相等，称为网络的额定电压，如220kV网络。发电机的额定电压规定比系统的额定电压高5％。比系统的额定电压高10%比系统的额定电压高5%及10%特高压交流输电，是指1000kV及以上电压等级的交流输电工程。特高压输电技术具有远距离、大容量、低损耗、节约土地占用和经济性等特点。同超高压输电相比，特高压输电方式的输电成本、运行可靠性、功率损耗以及线路走廊宽度方面均优于超高压输电方式。2008年11月24日，晋东南－南阳－荆门1000千伏高压交流输电示范工程，是我国第一条特高压交流输变电工程，可实现输送功率500万千瓦。这条特高压线路是世界上第一条投入商业化运行的1000千伏输特高压电线路，可实现华北电网和华中电网的水火调剂、优势互补。与500千伏超高压电网相比，特高压电网可以解决我国现有电网输送能力不足的问题，提高输电效率，降低线路损耗，减少投资成本，节约土地资源。规划建设的淮南—上海特高压交流输电线路目前前获得国家发展改革委核准，标志着在我国一直受到争议的特高压交流输电工程在继第一条晋东南—湖北荆门线路投运两年多后，加快了发展步伐。变压器额定电压的规定:根据T的功率传输方向，规定T接受功率侧的绕组为一次绕组，输出功率侧的绕组为二次绕组。T一次绕组相当于受电设备时，其额定电压与系统的额定电压相等，特例：直接与发电机联接时，其额定电压则与发电机的额定电压相等。T二次绕组的作用相当于供电设备，考虑其内部电压损耗，额定电压规定比系统的额定电压高10%，如果变压器的短路电压百分数小于7％或直接（包括通过短距离线路）与用户联接时，则规定比系统的额定电压高5％。为了适应系统电压调节，通常在T的高压绕组上设分接抽头。分接头用百分数表示，分接头电压与主抽头电压的差值为主抽头（额定电压）的百分之几。图1-3所示为用线电压表示的220kV电压级具有抽头(1±2×2.5%)VN的变压器的抽头额定电压。对于＋5％抽头的升压变压器其额定电压为242×1.05=254kV，同样，对于＋5％抽头的降压变压器其额定电压则为220×1.05=231kV。图1-3用线电压表示的抽头额定电压（第四页）(a)升压变压器(b)降压变压器对同一电压级的T，升压T和降压T，即使分接头百分值相同，分接头的额定电压也不同。一次绕组一次绕组二次绕组二次绕组1-3对电力系统运行的基本要求电力系统的特点1）电能不能大量存储。系统任何时刻发出的功率等于用电设备功率与输配的功率损失之和。2）电力系统的暂态过程非常短促。系统从一种运行状态到另一种运行状态的过渡极为迅速。3）与国民经济的各部门及人民日常生活有着极为密切的关系。供电的突然中断会带来严重的后果。对系统运行的基本要求是1）保证安全可靠的供电；2）要有合乎要求的电能质量；3）要有良好的经济性；4）尽可能减小对生态环境的有害影响。保证安全可靠供电是对电力系统运行的首要要求。在运行中，供电的突然中断大多由事故引起。必须从各个方面采取措施以防止和减少事故的发生，例如，要严密监视设备的运行状态和定期维修设备以减少其事故，不断提高运行人员的技术水平以防止人为事故。提高系统运行的安全可靠性的措施1）配备足够的有功功率电源和无功功率电源；2）完善电力系统的结构，采用灵敏快速的保护装置，提高电网的供电可靠性，3）增强系统运行的稳定性；利用计算机对系统的运行进行安全监视和控制等。按上述措施提高系统的安全运行水平，为保证不间断供电创造最基本的条件。1）保证安全可靠的供电；2）要有合乎要求的电能质量；3）要有良好的经济性；4）尽可能减小对生态环境的有害影响。根据用户对供电可靠性的不同要求，目前我国将负荷分为以下三级：第一级负荷：一级负荷中断供电的后果是极为严重的。例如，可能发生危及人身安全的事故；使工业生产中的关键设备遭到难以修复的损坏，以致生产秩序长期不能恢复正常，造成国民经济的重大损失；使市政生活的重要部门发生混乱等。第二级负荷：二负荷中断供电将造成大量减产，使城市中大量居民的正常活动受到影响等。第三级负荷：不属于第一、二级的，停电影响不大的其他负荷都属于第三级负荷，如工厂的附属车间，小城镇和农村的公共负荷等。对这一级负荷的短时供电中断不会造成重大的损失。对于以上三个级别的负荷，要根据不同的具体情况分别采取适当的技术措施来满足它们对供电可靠性的要求。合乎要求的电能质量电压和频率是电气设备设计和制造的基本技术参数，也是衡量电能质量的两个基本指标。我国采用的额定频率为50Hz，正常运行时允许的偏移为±0.2～±0.5Hz。供电电压的允许偏移对于35kV及以上电压级为额定值的±5%，10kV及以下电压级为±7%。对电压正弦波形畸变率（μ）的要求，波形畸变率是指各次谐波有效值平方和的方根值对基波有效值的百分比，对于6～10kV供电电压，μ不超过4%,0.38kV电压不超过5％。对系统中的“谐波污染源”要进行有效的限制和治理。212100%nkkVV1）保证安全可靠的供电；2）要有合乎要求的电能质量；3）要有良好的经济性；4）尽可能减小对生态环境的有害影响。合乎要求的电能质量电压和频率超出允许偏移时，不仅会造成废品和减产，还会影响用电设备的安全，严重时甚至会危及整个系统的安全运行。频率主要决定于系统中的有功功率平衡，系统发出的有功功率不足，频率就偏低。电压则主要取决于系统中的无功功率平衡，系统提供的无功功率不足时，电压就偏低。因此，要保证良好的电能质量，关键在于系统发出的有功功率和无功功率都应在额定频率和额定电压下保持功率平衡的要求。这就要求不仅电源要配置得当，还要有适当的调整手段。电能生产规模很大，消耗能源在国民经济能源总消耗中占的比重很大，而且电能又是国民经济的大多数生产部门的主要动力。因此，提高电能生产的经济性具有十分重要的意义。为了提高电力系统运行的经济性，要尽量地降低发电厂的煤耗率（水耗率）、厂用电率和电力网的损耗率。即，在电能的生产、输送和分配过程中减少耗费，提高效率。为此，应做好规划设计，合理利用能源；采用高效率低损耗设备；采取措施降低网损；实行发电的经济调度等等。目前我国火电厂装机占总装机容量的70%以上，在今后相当长一段时间内火电厂发电用一次能源仍以煤炭为主，煤炭燃烧会产生大量的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、粉尘和废渣等，这些排放物都会对生态环境造成有害影响。限制污染物的排放量，使电能生产符合环境保护标准，也是对电力系统运行的一项基本要求。1）保证安全可靠的供电；2）要有合乎要求的电能质量；3）要有良好的经济性；4）尽可能减小对生态环境的有害影响。1－4电力系统的接线方式电力系统的接线方式对安全、优质、经济地向用户供电有重要意义。电力系统的接线：1）发电厂的主接线、2）变电所的主接线和、3）电力网的接线。本节只简要介绍电力网的接线方式。电力网的接线方式按供电可靠性可分为无备用和有备用两类。无备用接线网络：每一个负荷只能靠一条线路取得电能（见图1-4）。优点：简单，设备费用少，运行方便。缺点：供电可靠性低，（任一线路发生故障或检修时，要中断部分用户的供电），另外干线式和树状网络中，线路较长时，线路末端的电压往往偏低。无备用接线网络又称作开式网络最简单的有备用的接线方式是在上述无备用网络的每一段线路上都采用双回路。这类接线方式同样有简单和运行方便的优点，而供电可靠性和电压质量有明显的提高，缺点是设备费用增加很多。由一个或几个电源点和一个或几个负荷点通过线路连接而成的环形网络见图1－5(a),(b)，是最常见的环形有备用网络。优点：可靠性和经济性较好。缺点是运行调度复杂。对(a)图，当线路a1故障开环，a3线路可能过负荷，节点1的电压也有明显降低的问题。另一有备用接线方式是图(c)两端供电网络，供电可靠性相当两个电源环形网。对于上述有备用网络，根据实际需要也可以在部分或全部线段采用双回路。闭式网络：每一个负荷点至少通过两条线路取得电能的网络。图1－5所示皆为闭式网络。闭式网络和开式网络是电力系统设计中长用术语电力网按其职能可以分为输电网络和配电网络。输电网络的任务：将大容量发电厂的电能可靠而经济地输送到负荷集中地区。输电网络通常由电力系统中电压等级最高的一级或两级电力线路组成。系统中区域发电厂（经升压站）和枢纽变电站通过输电网络相互联接。输电网络接线方式：应有足够的可靠性；要满足电力系统运行稳定性的要求；要有助于实现系统的经济调度；对运行方式变更和系统发展有适应性。联接远离负荷中心地区的大型发电厂的输电干线和向缺乏电源的负荷集中地区供电的输电干线，常采用双回路或多回路输电线。位于负荷中心地区的大型发电厂和枢纽变电所一般是通过环形网络互相联接。输电网络的电压等级要与系统的容量和供电范围相适应。表1－2列出各种电压等级的单回架空线路输送功率和输送距离的适宜范围。目前我国正在建设1000kV的特高压AC输电线路。1000kV交流特高压试验示范工程，起自山西长治，经河南南阳，终于湖北荆门，全长653.8公里。最大输电功率达到2800MW配网的任务是分配电能。其额定电压一般从0.4到35kV，负荷密度较大的大城市采用额定电压110kV，以至220kV也有。配网的电源点（图1－5中双圈节点）是发电厂或变电站母线，负荷点（图1－5中单圈节点）则是低一级的变电所或用电设备。无备用接线只适用于向第三级负荷供电。第一级和第二级负荷比重较大的电网，应采用有备用网络供电。实际配网比较复杂，往往由各种不同接线方式的网络组成的。选择接线方式时，考虑的主要因素：1）满足用户对供电可靠性和电压