第1章 电力系统简介

第1章电力系统简介1.1电力生产过程1.2电力系统的基本知识1.3技能训练：变电所识图1.1电力生产过程电力主要来自火力发电厂和水力发电厂，此外，还有核能、风力、太阳能、工业废热、潮汐、地热等电厂。下面将分别叙述火力发电厂和水力发电厂的生产过程。1.火力发电厂燃烧的化学能锅炉热能汽轮机机械能发电机电能将一次能源煤、石油等转变为二次能源（电能）的工厂称为火力发电厂。我国的火力发电厂以燃煤为主。为了提高燃煤效率，都将煤块粉碎成煤粉燃烧。煤粉在锅炉的炉膛内充分燃烧，将锅炉内的水变成高温高压的蒸汽，推动汽轮机带动发电机旋转发电。其能量转换过程是：燃烧的化学能锅炉热能汽轮机机械能电能发电机火力发电厂凝汽式发电厂供热式发电厂只生产供给用户的电能。一般应建设在靠近燃料的产地，特别应建设在靠近低质煤（洗煤、炼焦副产物等）的产地。即供给用户电能又供给热能.建在热力用户集中的地区。2.水力发电厂水力发电厂简称水电厂或水电站，它利用水流的位能来生产电能。我国的水力资源相当丰富，水电机组生产效率较高，大、中型水电站的发电效率约为80％~90%，小水电站约60%~70%。而火力发电厂的发电效率仅为40％左右，水电站发电成本较低，一般约为火电厂的1/3~1/4，水电站不产生污染，还可以收到防洪、灌溉、航运等综合效益。因此，应尽可能多开发水电。当控制水流的闸门打开时，水流沿进水管进入水轮机蜗壳室，冲动水轮机，带动发电机发电。其能量转换过程是：水流位能机械能电能水轮机水轮机发电机水力发电厂堤坝式水力发电厂（或称坝式）引水式水力发电混合式水力发电厂1.2电力系统的基本知识1.2.1电力系统的基本概念1.电力系统的组成电力产生的特点是：电能是发电厂的产品，和其他产品不同的是它不能储存，电能的产生（电厂）和消耗（用户）是随时平衡的，也就是电力生产、输送、分配和使用的全过程，是由发电厂，变电所，送电线路和用户紧密联系起来的一个整体在同一瞬间实现的。电力系统是由两个以上的发电厂、变电所、输电网、配电网以及用户所组成的发、供用电的一个整体，其中输电线和相联的变电所部分称为电力网。如图1-1所示。动力系统：电力系统加上热能、水能及其他能源动力装置，称为动力系统图1-1电力系统示意图1-升压变压器2-降压变压器3-电力负荷锅炉火力发电厂汽轮机G~13发电机220KV10KV6.3KV220KV发电机31~G汽轮机锅炉热电厂抽汽蒸汽管路10KV500KV发电机31~G水轮机水力发电厂水库220KV区域电网220KV220KV235~110KV10KV500KV超高压输电线热力用户6KV23333220~380V35KV地方电网235~110KV23336~10KV220/380V33310KV220/380VM33动力系统电力系统22图1-1电力系统示意图1-升压变压器2-降压变压器3-电力负荷电力网输电网配电网输电网是由35千伏及以上的输电线路和变电所组成，是电力系统的主要网路，也是电力系统中电压最高的网络，它的作用是将电能输送到各个地区的配电网或直接送给大型工业企业用户。配电网是由10千伏及以下的配电线路和配电变电所组成。它的作用是将电力分配到各类用户。2.对电力系统的基本要求（1）保证供电的可靠性衡量供电可靠性的指标，一般以全部用户平均供电时间占全年时间（8760小时）的百分数表示。（2）保证良好的电能质量电压和频率是衡量电能质量的主要指标。《供电营业规则》规定：在电力系统正常状况下，用户受电端的供电电压允许偏差为：35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%；10kV及以下三相供电电压允许偏差为±7%；220V单相供电电压允许偏差为+7%、-10%。在电力系统非正常状况下，用户受电端的电压最大允许偏差不应超过额定电压的±10%。频率的调整，主要依靠发电厂来调节发电机的转速。一般交流电力设备的额定频率为50Hz（工频）。按电力工业部1996年发布的《供电营业规则》规定：在电力系统正常情况下，工频的频率偏差一般不得超过±0.5Hz。如果电力系统容量达到3000MW或以上时，频率偏差则不得超过±0.2Hz。在电力系统非正常状况下，频率偏差不应超过±1Hz。1.2.2电力系统的负荷及负荷曲线1.电力系统的负荷连接在电力系统上一切用电设备所消耗的电能，称为电力系统的负荷。有功负荷:由电能转换成其他形式的能量，是用电设备中真实消耗的功率，称为有功负荷；如机械能、光能、热能等。用字母P来表示，单位是瓦特（W）。无功负荷:电力电路中，在电磁场间交换的那部分能量，即在能量转换中（如建立磁场）消耗掉的一部分，没有做功，称为无功负荷，用字母Q来表示，单位是乏（Var）。发电机既发出有功功率，又发无功功率，发电机的额定电压UN和额定电流IN的乘积，定义为视在功率SN，单位是：伏安（VA），对于三相交流发电机的视在功率是:（1-1）NNNIUS3NNNIUS3按供电可靠性要求将负荷分为三级，每级负荷对供电电源的要求也不同第一级负荷第二级负荷第三级负荷特点对它中断供电将造成人身事故、设备损坏，除严重产生废品外，还将使生产秩序长期不能恢复，人民生活发生混乱等。对它中断供电将造成大量减产，将使人民生活受到影响等不属于第一级、第二级负荷之外的负荷，如工厂的附属车间、城镇和农村等供电电源的要求由两路独立的电源供电，当其中一路电源发生故障时，另一路电源应不致同时受到损坏。一级负荷中特别重要的负荷，除上述两路电源外，还必须增设应急电源。为保证对特别重要负荷的供电，严禁将其他负荷接入应急供电系统。常用的应急电源有：①独立于正常电源的发电机组；②供电网络中独立于正常电源的专门馈电线路；③蓄电池；④干电池。由两回路供电，供电变压器也应有两台（这两台变压器不一定在同一变电所）。在其中一回路或一台变压器发生常见故障时，二级负荷应不致中断供电，或中断后能迅速恢复供电。只有当负荷较小或者当地供电条件困难时，二级负荷可由一回路6kV及以上的专用架空线路供电。这是考虑架空线路发生故障时，较电缆线路发生故障时易于发现且易于检查和修复。当采用电缆线路时，必须采用两根电缆并列供电，每根电缆应能承受全部二级负荷。三级负荷为不重要的一般负荷，因此它对供电电源无特殊要求种类特点及供电要求2.负荷曲线及其用途负荷曲线是指某一时间段内负荷随时间而变化的规律。按负荷种类，可分为有功负荷和无功负荷曲线；按时间段长短，可分为日负荷曲线、周负荷曲线、月负荷曲线、季负荷曲线、年负荷曲线；因负荷变化的随机性，很难确切预计负荷变化的情况，一般是通过以往的仪表的测量记录，来研究负荷变化的规律性，并用曲线来描述它。（1）日负荷曲线的意义及用途日负荷曲线表示负荷在0~24时内的变化情况，其表示方法如图1-2所示。◆尖峰负荷：平均负荷PaV以上部分。◆日最大负荷Pmax：最大的负荷又叫尖荷、峰值等。◆最小的负荷叫做日最小负荷Pmin，又叫谷荷。◆中间负荷或腰荷：平均负荷与最小负荷之间的部分。◆日负荷峰谷差：电力系统每日最大负荷与最小负荷之差。◆电力系统日负荷率（γ）：电力系统一昼夜内平均负荷与最大负荷的比值，其平均负荷由日电量除以24h后得出。日负荷率越高，说明负荷在一天内的变化越小。◆日最小负荷率（β）：日最小负荷与同日最大负荷的比值，表示一天内负荷变化的幅度。◆日负荷曲线的横坐标一般按半小时分格，以便确定“半小时最大负荷”。利用日负荷曲线可以估算用户一天消耗的电能。（2）年最大负荷曲线及用途年最大负荷曲线表示一年内各月最大负荷的变化状况，它是以每月（30天）中的日负荷最大值逐月作全年的最大负荷曲线。如图1-3所示。利用年最大负荷曲线可以安排整个系统的机组检修计划、决定整个系统的装机容量而有计划的兴建机组。（3）年持续负荷曲线把全年的负荷值由大到小排队，并统计出各个负荷值累计持续运行小时数，这样绘制的曲线为年持续负荷曲线。年持续负荷曲线可以用来估算全年消耗的电能。年持续负荷曲线下面以0~8760小时所包围的面积就等于该工厂在一年时间内消耗的有功电能，如果将这面积用与其相等的矩形（Pmax-C-Tmax-0）的面积来表示，则矩形的高代表最大负荷，矩形的底就是年最大负荷利用小时数Tmax。年最大负荷利用小时数Tmax是一个假想的时间，它的意义是：如果电力负荷按年最大负荷Pmax持续运行Tmax小时所消耗的电能，恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能。C08760PmaxTmax1.2.3电力系统的电压等级表1-1我国三相交流电网和电力设备的额定电压电网和用电设备额定电压（KV）发电机额定电压（KV）电力变压器额定电压（KV）一次绕组二次绕组0.380.400.380.40.660.690.660.6933.153，3.15*3.15，3.3**66.36，6.3*6.3，6.6**1010.510，10.5*10.5，11**——13.8，15.75，18，20，22，24，2613.8，15.75，18，20，22，24，26——35——3538.566——6672.5110——110121220——220242330——330363500——500550注：*变压器一次绕组档内3.15、6.3、10.5KV的电压适合于和发电机端直接连接的变压器。**变压器的二次绕组档内3.3、6.6、11KV电压适用于阻抗值在7.5%及以上的降压变压器。1.电网（线路）的额定电压电网的额定电压等级是国家根据国民经济发展的需要和电力工业的水平，经全面的技术经济分析后确定的。它是确定各类电力设备额定电压的基本依据。2.用电设备的额定电压用电设备的额定电压规定与同级电网的额定电压相同通常用线路首端与末端的算术平均值作为用电设备的额定电压，这个电压也是电网的额定电压。由于线路运行时（有电流通过时）要产生电压降，所以线路上各点的电压都略有不同，如图1-5中所示。所以用电设备的额定电压只能取首端与末端的平均电压。3.发电机的额定电压由于电力线路允许的电压偏差一般为±5%，即整个线路允许有10%的电压损耗，因此为了维持线路的平均电压为额定值，线路首端（电源端）的电压应较线路额定电压高5%，而线路末端则可较线路额定电压低5％，如图1-5所示。所以发电机额定电压规定应高于同级电网（线路）额定电压5%。4.电力变压器的额定电压（1）电力变压器一次绕组的额定电压分两种情况：①当变压器直接与发电机相联时，如图1-6中的变压器Tl，其一次绕组额定电压应与发电机额定电压相同，即高于同级电网额定电压5%。②当变压器不与发电机相联而是连接在线路上时，如图1-6中的变压器T2，则可看作是线路的用电设备，因此其一次绕组额定电压应与电网额定电压相同。（2）电力变压器二次绕组的额定电压亦分两种情况：①如图1-6中的变压器T1，变压器二次侧供电线路较长，其二次绕组额定电压应比相联电网额定电压高10%，其中有5%是用于补偿变压器满负荷运行时绕组内部的约5%的电压降，另外变压器满负荷时输出的二次电压相当于发电机，还要高于电网额定电压5%，以补偿线路上的电压损耗。②变压器二次侧供电线路不长，如为低压（1000V以下）电网或直接供电给高低压用电设备时，如图1-6中的变压器T2，其二次绕组额定电压只需高于所联电网额定电压5%，仅考虑补偿变压器满负荷运行时绕组内部5%的电压降。1.2.4电力系统中性点运行方式电力系统中性点即是发电机和变压器的中性点。在我国，110KV及以上的系统，一般都采用中性点直接接地的大电流接地方式。对于电压为6~10千伏中，单相接地电流I0≤30A，20KV及以上系统，I0≤10A时才采用中性点不接地方式。在35~60KV的高压电网多采用中性点经消弧线圈接地方式。对于低压用电系统，为了获得380/220V两种供电电压，习惯上采用中性点直接接地，构成三相四线制供电方式。电力系统中性点运行方式大接地电流系统小接地电流系统中性点直接接地中性点不接地方式中性点经消弧线圈