第1章 概论,1.1 电力系统的基本概念 1.2 发电厂的类型及其电能的生产过程 1.3 电力系统的负荷,1.1 电力系统的基本概念,1.1.1 电力系统的组成 我国城市、工业、农业以及其它电力用户所需的电能多数是由生产电能的火力和水力发电厂供给。发电厂可位于用户附近，也可相距很远。但在任何情况下，电能总是从发电厂经过线路而输送给用户。若用户与发电厂相距很远，电能的输送则须采用升高电压的方法，以减少电能损耗，同时为了满足用户对电压的要求，又须采用降低电压的方法，所以，在发电厂与用户之间，就必须建立升压和降压变电所。 所谓电力系统就是将各种类型发电厂的发电机、升压和降压变压器、输电线路以及各种用电设备联系在一起所构成的统一整体。该系统起着电能生产、输送、分配和消费的作用。,图1-1 电力系统示意图,组成电力系统的优点： （1）降低发电厂的造价和运行费用； （2）在各个发电厂之间能对负荷进行经济合理地分配； （3）充分利用当地的动力资源（水力、燃料），减少铁路的运输量； （4）构成电力系统，能提高对用户供电的可靠性； （5）便于集中管理和控制。 电力系统和动力部分构成动力系统。动力部分包括火力发电厂的锅炉、汽轮机，水力发电厂的水库、水轮机以及原子能发电厂的原子反应堆等。 电力网是电力系统的一部分，包括变电所和不同电压等级的输电线路。其作用是输送和分配电能。,1.1.2 电力系统运行的特点和要求,1、电能不能大量储存 2、过渡过程十分短暂 3、电力系统的地区性特点较强 4、电力系统运行与国民经济各部门关系密切,根据上述特点，对电力系统有如下基本要求： 1、保证电力系统供电的可靠性 2、保证电力系统的电能质量 3、为用户提供充足的电能 4、保证电力系统运行的经济性,1.1.3 电力系统的额定电压等级,在同一电压等级下，各种设备的额定电压并不完全相等。,1用电设备 为了使用电设备经济有效地运行，要求在制造用电设备时，用电设备的额定电压应与线路的额定电压相等。,2发电机 由于一般用电设备的允许电压偏移规定为 5%的额定值。这就要求线路始端电压应比线路额定电压高5%，使其末端电压比用电设备额定电压不低于5%。这就要求线路始端电压应比线路额定电压高5%，使其末端电压比用电设备额定电压不低于5%。,3变压器 电力系统中的不同电压等级线路是通过有变压功能的变压器联接起来的。变压器的一次绕组联接在对应于某一级额定电压线路的末端，相当于用电设备，其额定电压与用电设备额定电压相等。但当变压器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，即比线路额定电压高5%。变压器二次绕组向负荷供电，相当于发电机，因此二次绕组额定电压应高于线路额定电压的5%；又因变压器二次绕组额定电压规定为变压器空载电压，当变压器满载时，约有5%的电压降。如果变压器二次侧供电线路较长，则变压器二次绕组的额定电压，一方面要考虑补偿变压器内部5%的阻抗电压降，另一方面要考虑变压器满载时输出的二次电压还要高于线路额定电压的5%，以补偿线路上的电压降，所以它要比线路额定电压高10%。如果变压器二次侧供电线路较短或变压器阻抗较小，则变压器二次绕组的额定电压只需高于线路额定电压5%。,目前，我国电力系统中，220kV以上电压等级多用于大型电力系统的主干线；110kV则多用于中、小型电力系统的主干线，也可用于大型电力系统的二次网络；一般工厂内部多采用610kV的高压配电电压。从技术经济指标来看，最好采用10kV。如果工厂拥有相当数量的6kV用电设备时，可考虑采用6kV电压作为工厂配电电压。380/220V电压等级多作为低压配电电压。,表1-2 电力网的额定电压等级及其相适应的传输功率和传输距离,1.1.4 电力系统中性点接地方式,电力系统的中性点是指星形联结的变压器和发电机的中性点。电力系统中性点的接地方式分为两大类：一类是小电流接地系统，包括中性点不接地或经消弧线圈接地；另一类是大电流接地系统，包括中性点直接接地或经小阻抗接地。其中采用最广泛的有三种：，中性点不接地、中性点经消弧线圈接地及中性点直接接地。,1、中性点不接地 我国360kV的电力系统通常采用中性点不接地方式。,(a) (b) 图1-2 中性点不接地电力系统正常运行时的电路图和相量图,图1-3 中性点不接地系统发生单相接地故障电路图和相量图,中性点不接地系统发生单相接地故障时，在接地点将流过接地故障电流（电容电流）。例如，A相发生接地故障时，A相对地电容被短接，流过接地点的故障电流 （电容电流）为B、C两相的对地电容电流 、 之和，但方向相反，即,短路点的接地电流有效值为,即单相接地的电容电流为正常情况下每相对地电容电流的3倍。,2、中性点经消弧线圈接地 消弧线圈是一个具有铁芯可调的电感线圈，安装在变压器或发电机中性点与大地之间，如图1-4所示。,(a) (b) 图1-4 中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障电路图和相量图,正常运行时，由于三相对称，消弧线圈中没有电流流过。当发生A相接地故障时，如图1-4 (a)所示，中性点对地电压升高为电源相电压，消弧线圈中将有电感电流 （滞后于 90）流过，其数值为,电力系统中性点经消弧线圈接地时，有三种补偿方式：即全补偿方式、欠补偿方式和过补偿方式。,（1）全补偿方式,在选择消弧线圈的电感时，使,则接地故障点电流为零，即全补偿方式。此时，由于感抗等于容抗，电网将发生谐振，产生危险的高电压和过电流，可能造成设备的绝缘损坏，影响系统的安全运行。因此，一般电网都不采用全补偿方式。,（2）欠补偿方式,在选择消弧线圈的电感时，使,此时，接地故障点有未被补偿的电容电流流过。采用欠补偿方式时，当电网运行方式改变而切除部分线路时，整个电力网对地电容将减少，有可能发展成为全补偿方式，导致电力网发生谐振，危及系统安全运行。所以，很少被采用。,，,（3）过补偿方式,在选择消弧线圈的电感时，使,，,此时，接地故障点有剩余的电感电流流过。在过补偿方式下，即使电力系统运行方式改变而切除部分线路时，也不会发展成为全补偿方式，致使电力网发生谐振。同时，由于消弧线圈有一定的裕度，今后电力网发展，线路增多、对地电容增加后，原有消弧线圈仍可继续使用。因此，实际上大多采用过补偿方式。,3、中性点直接接地,中性点直接接地的电力系统示意图如图1-5所示。如果该系统发生单相接地故障时，由于构成单相短路线路上将流过很大的单相短路电流，使得线路上安装的继电保护装置迅速动作，断路器跳闸将故障部分断开，从而防止了单相接地故障时产生间歇性电弧过电压的可能。显然，中性点直接接地的电力系统发生单相接地故障时，是不能继续运行的，所以其供电可靠性不如电力系统中性点不接地和经消弧线圈接地方式。,图1-5 中性点直接接地的电力系统示意图,中性点直接接地的电力系统发生单相接地故障时，中性点电位仍为零，非故障相对地电压不会升高仍为相电压，因此电气设备的绝缘水平只需按电力网的相电压考虑，可以降低工程造价。由于这一优点，我国110kV及以上的电力系统基本上都采用中性点直接接地方式。由于在发生单相接地故障时，除了接地相要流过较大的单相接地短路电流，危害设备的运行外，严重时还会破坏系统稳定，中断供电。为了弥补这一缺点，可在线路上装设三相或单相自动重合闸装置，以此来提高供电的可靠性。对于1kV以下的低压系统来说，电力网的绝缘水平已不成为主要矛盾，系统中性点接地与否，主要从人身安全考虑问题。在380/220V系统中，一般都采用中性点直接接地方式，一旦发生单相接地故障时，可以迅速跳开自动开关或烧断熔丝，将故障部分切除。,1.2 发电厂的类型及其电能的生产过程,发电厂是将各种自然资源转化为电能的工厂。按利用能源的类型不同，发电厂可分为火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂、风能发电厂、太阳能发电厂以及其它形式能源的发电厂。,1.2.1 火力发电厂,火力发电厂是将煤、油、天然气及其它燃料的化学能转换成电能的工厂。火力发电厂简称火电厂或火电站。其能量的转换过程：燃料的化学能热能机械能电能。单一生成电能的火电厂应尽量建在燃料产地、矿区附近，这样的电厂也称为矿口电厂或坑口电厂，它的生产不会对城市造成污染，又避免了燃料的长途运输。发电兼供热的火电厂称为热电厂或热电站，热电厂一般建在大城市及工业区附近，以提高热能的利用率。我国火电厂所使用的燃料以煤为主。图1-6为凝气式火力发电厂生产过程示意图。,图1-6 凝气式火力发电厂生产过程示意图。,1.2.2 水力发电厂,水力发电厂是利用水流的位能来生产电能的工厂。水力发电厂简称水电厂或水电站。其能量的转换过程：水的位能机械能电能。,图1-7 堤坝式水电厂示意图,1.2.3 核能发电厂,核能发电厂是利用核能来发电的工厂。核能发电厂简称核电厂或核电站。其能量的转换过程：核裂变能热能机械能电能。核电厂由两个主要部分组成：核系统部分（包括反应堆及其附属设备）和常规部分（包括汽轮机、发电机及其附属设备）。反应堆是实现可控核裂变链式反应的装置。反应堆的形式中，包括轻水堆、重水堆及石墨冷水堆等。轻水堆有压水堆和沸水堆两种类型。,图1-8核电厂的生产过程示意图。 (a) 沸水堆核电厂 (b)压水堆核电厂,1.2.4 其它能源发电,（1）风力发电,风力发电是利用风力的动能来生产电能。风力发电的过程是：当风力使旋转叶片转子旋转时，风力的动能就转变成机械能，再通过升速装置驱动发电机发出电能。,（2）太阳能发电,太阳能发电是利用太阳光能或太阳热能来生产电能。太阳光能是利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。太阳热能发电有直接热电转换和间接热电转换两种形式。温差发电、热离子和磁流体发电等，属于直接转换方式发电。将太阳能集中或分散地聚集起来，通过热交换器，将水变成蒸汽驱动汽轮机发电，属于间接转换方式发电。,（3）地热发电,地热发电是利用地表深处的地热能来生产电能。地热发电厂生产过程与火电厂近似，只是以地热井取代锅炉设备，地热蒸汽从地热井引出，将蒸汽中固体杂质滤掉，然后通过蒸汽管道推动汽轮机作功，汽轮机带动发电机发电。,（4）潮汐发电,潮汐发电是利用海水涨潮落潮中的动能、势能来生产电能。它是一种特殊类型的水电厂。潮汐发电厂需要建设拦潮大坝，因而要求一定的地形条件、足够的潮汐潮差和较大的容水区。潮汐发电厂一般为双向潮汐发电厂，涨潮及退潮时均可发电。涨潮时打开两个闸门将潮水引入厂内发电，退潮前打开所有闸门储水，退潮后再打开另外两个闸门进行发电。,1.3 电力系统的负荷,1.3.1 电力负荷的分类,电力负荷的分类方法很多，不同场合采用不同的分类方法。根据消耗功率的性质，可分为用电负荷、供电负荷及发电负荷。用电负荷是用户的用电设备在某一时刻消耗功率的总和。供电负荷是用电负荷加上电力网损耗的功率。发电负荷是供电负荷加上发电厂本身所消耗的功率。,负荷重要程度是决定系统接线方式的主要依据。,按供电可靠性将负荷分为三级： 一级负荷 ：中断供电将造成人身事故或重大设备损坏，且难以修复，给国民经济带来重大损失。由于一级负荷重要，在正常运行和故障情况下，系统接线方式必须有足够的可靠性和灵活性，保证对用户的连续供电。一级负荷要求有两个独立电源供电。 二级负荷 ： 中断供电将造成大量减产和废品，以致损坏生产设备，在经济上造成重要损失。二级负荷由双回线供电。但当双回线路有困难时，允许由一回专用线供电。 三级负荷： 不属于一级、二级负荷的用户均属于三级负荷。三级负荷对供电无特殊要求，允许较长时间停电，可用单回线路供电。,1.3.2负荷的计算,1.负荷曲线的概念,负荷曲线是指在某一时间段内描绘负荷随时间的延续而变化的曲线。按负荷性质可绘制有功和无功的负荷曲线；按负荷持续时间可绘制日和年的负荷曲线；按负荷在电力系统内的地点可绘制用户、变电所、发电厂和电力系统的负荷曲线。将这几方面负荷曲线综合在一起就可表明负荷曲线发与供