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電力系統基礎知識

1. 1.電力系統概述

1. 1.1. 電力系統

發電機把機械能轉化為電能,電能經變壓器、變換器和電力線路輸送并分配到用戶,在那里經電動機、電爐和電燈等用電設備又將電能轉化為機械能、熱能和光能等。這些生產、變換、輸送、分配、消費電能的發電機、變壓器、電力線路及各種用電設備等聯系在一起組成的統一整體就是電力系統。電力系統包括發電、變電、輸電、配電、用電等五個組成部分。

與電力系統一詞相關的還有電力網和動力系統。電力網指電力系統中除發電機和用電設備外的部分,動力系統則指電力系統和發電廠動力部分的總和,發電廠動力部分包括火力發電廠的鍋爐、汽輪機、熱力網和用熱設備,水力發電廠的水輪機和水庫,核電廠的反應堆等。

2. 1.2. 負荷及負荷曲線

1. 電力系統的負荷

電力系統的負荷就是系統中千萬個用電設備消費功率的總和,也稱電力系統綜合用電負荷。它包括異步電動機、同步電動機、照明設備等。

綜合用電負荷加上電力網中損耗的功率就是系統中各發電廠應供應的功率,因而稱為電力系統的供電負荷。供電負荷加上發電廠本身的消耗功率……廠用電,就是系統中所有發電機應發的負荷,稱為電力系統的發電負荷。

2. 負荷曲線

負荷曲線是指某一段時間內負荷隨時間而變化的規律。按時間長短可分為日負荷曲線、

周負荷曲線、年負荷曲線等。

負荷曲線對電力系統的運行有很重要的意義,它是安排日發電計劃,確定各發電廠發電任務,以及確定系統運行方式等的重要依據。負荷曲線越平坦,越有利于電力系統的安全、經濟運行。

3. 1.3. 電力網的結構與結線

1. 1. 電力網的結構

實際的電力網一般較為復雜,一個大的電力網(聯合電力網)總是由許多電力網發展、

互聯而成,分層結構是電力網的一大特點。一般電力網可劃分為輸電網、二級(子)輸電網、高中壓配電網和低壓配電網,如下圖所示。

大型電廠

一級輸電網絡

及以上 220kV 中小型電廠

二級輸電網絡

110~220kV

高中壓配電網絡

6~35kV

特大用戶

… 大用戶

… … 中等用戶

… … … … 輸電網一般是由220kV及以上的主干電力線路組成,它連接大型發電廠、大容量用戶以低壓配電網絡

及相鄰子電力網。二級輸電網的電壓一般為110kV~220kV,它上接輸電網,下連高中壓配電

380/220V 網,是一區域性的網絡,連接區域性的發電廠和大用戶。配電網是向中等用戶和小用戶供電的網絡,6kV~35kV聽稱高中壓配電網,1kV以下稱低壓配電網。

小用戶

2. 2. 電力網的結線方式

電力網的結線方式大致可分無備用和有備用兩類。無備用結線包括單回路放射式、干線式和鏈式網絡,如下圖所示。

放射式 干線式 鏈式

有備用結線包括雙回路放射式、干線式和鏈式以及環式和兩端供電網絡(手拉手),如下圖所示。

放射式

干線式 鏈式

環式 兩端供電網絡

無備用結線簡單、經濟、運行方便,但供電可靠性差。有備用結線供電可靠性高,一條線路的故障或檢修一般不會影響對用戶的供電,但投資大,且操作較復雜。其中環式供電和兩端供電方式較為常用。隨著用戶對供電可靠性要求的提高,有備用結線的使用比例大大增加。

3. 1.4. 電壓等級和額定電壓

眾所周知,輸送功率一定時,輸電電壓愈高,電流愈小,導線等載流部分的截面積愈小,投資亦愈小;但電壓愈高,對絕緣的要求愈高,桿塔、變壓器、斷路器等的投資也愈大。綜合考慮這些因素,對應一定的輸送功率和輸送距離,有一最合理的線路電壓,但從設備制造角度考慮,為保證生產的系統性,應規定標準的電壓等級,即額定電壓。我國規定的額定電壓為:3、6、10、35、(60)、110、(154)、220、330、500kV。

4. 1.5. 電力系統運行的特點

5. 1. 與國民經濟各部門的關系密切

電是最方便的能源,各行各業都使用它,因此,供電的中斷也將影響國民經濟的各部門,由故障而少供一度電給國民經濟造成的損失遠大于一度電的電費。有人說電力系統故障是國民經濟的一大災難,這話一點也不過分。

2. 過渡過程非常短促

電力系統內一處的故障將以光速波及全系統,電力系統從一種運行方式過渡到另一種運

行方式的過渡過程也非常短促。

3. 電能一般不能儲存

電能的生產、輸送、分配和消費實際上是同時進行的,目前還不能大量儲存電能,即發

電廠任何時刻生產的功率必須等于該時刻用電設備消費和網絡損失功率之和。

6. 1.6. 電力系統運行的要求

7. 1. 運行的安全可靠性

電力系統事故的原因是多方面的,有自然災害、設備損壞、自動裝置誤動作,人員過失、管理水平低等。除提高管理水平和人員素質以外,提高電力系統安全可靠性主要從下面三個方面著手:

保證一定的備用容量。

提高電力系統的整體可靠性:電源的布局、電網的結構必須合理,設備元件必須安全可

靠。

加強對電力系統運行的監控:除提高運行人員的素質及責任心以外,采用現代化的計算機監控系統是提高系統運行可靠性的重要手段。

8. 2. 保證電能質量

電壓和頻率是標志電能質量的兩個基本指標,也是設備制造的基本技術參數。運行電壓和頻率超過允許的偏移值時,不僅要影響用電設備的安全運行,并可能造成減產和廢品。

頻率主要取決于系統中有功功率的平衡,頻率偏低表示發電出力不足。電壓則主要取決于系統中無功功率的平衡,無功功率不足,電壓將偏低。

除頻率和電壓大小外,電壓和電流的波形也是電能質量的一個重要指標。正弦波形的畸變是由三相不平衡負載、可控硅或非線性元件等形成的諧波所致,反過來它又影響用戶的正常運行,并對通信系統產生干擾。

9. 1.7. 電力系統基本元件 10. 1.7.1. 發電機

現代電力工業中,幾乎所有的發電機均采用同步交流發電機。根據轉子結構型式的不同,分為隱極式和凸極式發電機。

11. 1.7.2. 電力變壓器

電力變壓器是電力系統中廣泛使用的升壓和降壓設備。 按相數分,電力變壓器可分為單相式和三相式。 按每相線圈數分,又有雙繞組和三繞組之分。

電力變壓器的高壓側及中壓側除主按頭外還引出多個分接頭,并裝有分接開關,以改變有效的匝數,進行分級調壓。根據分接開關是否可在帶負荷情況下操作,電力變壓器又分有載調壓變壓器和不加壓時方可切換分接頭的普通變壓器。

12. 1.7.3. 電力線路

電力線路按結構可分為架空線路和電纜線路兩大類

13. 1. 架空線路

架空線路由導線、避雷線、桿塔、絕緣子和金具等構成,它們的作用分別為: 導線___傳輸電能;

避雷線___又稱架空地線,用于將雷電流引入大地以保護電力線路免受雷擊; 桿塔___支持導線和避雷線; 絕緣子___使導線和桿塔間保持絕緣;

金具___支持、接續、保護導線和避雷線,聯結和保護絕緣子。

2. 電纜線路

用于電纜線路的電力電纜由導線、絕緣層、包護層等構成,它們的作用分別為: 導線___傳輸電能;

絕緣層___使導線與導線、導線與包護層互相絕緣;

桿塔___保護絕緣層,并有防止絕緣油外溢和水分侵入的作用;

電纜線路的價格較架空線路高,電壓等級愈高,二者差別愈大。檢修電纜線路費工費時。

但電纜線路不需在地面上架設桿塔,占用土地面積少,供電可靠,不易受外力破壞,對人身較安全,以及不影響環境美觀等優點。因此,在城市、發電廠和變電所內部或附近,以及穿過江河、海峽時,往往采用電纜線路。

14. 1.7.4. 無功功率補償設備

電力系統需要的無功功率比無功功率大,若綜合有功發電出力最大負荷為100%,則無功總需要約為120%~140%,它包括負荷的無功功率和線路、變壓器的無功損耗。發電機的額定功率因素一般大于0.8,同時也不允許長距離輸送無功功率,所以單靠發電機提供無功功率(加上線路電容產生的無功功率)不能平衡電力系統的無功需求,因此就要進行無功補償。

主要的無功功率補償設備有同步調相機、電力電容器和靜止補償器。

同步調相機實際上是一臺空載運行的同步電動機,在過勵磁運行時可發出無功功率,在欠勵磁時可吸收無功功率,調節均勻簡單,適用于大型變電所進行集中補償。缺點是投資大,功率損耗大,因是旋轉設備,運行維護的工作量也較大。

電力電容器能補償負荷感性無功功率以提高功率因數,故又稱移相電容。它常并聯于6、10、或35kV母線上,故又稱并聯電容。由于電容器可分散安裝,越靠近負荷集中處安裝,就越會獲得理想的技術經濟效果。電容器的有功功率損耗很小,投資低,且單位容量投資幾乎與總容量無關,因此得到廣泛的應用。其缺點是只能產生感性無功功率。

靜止補償器由可控電抗器和電容器組并聯組成。可吸收也可發出無功功率,配以適當的自動調節裝置后,就能自動調節無功功率,保持連接點電壓為給定值。靜止補償器調節速度快,運行維護簡單,功率損失較小,在電力系統中得到較多的應用。

在某些系統中還裝有并聯電抗器以吸收系統中過剩的無功功率。

2. 2.配電系統概述

通常把電力系統中二次降壓變電所低壓側直接或降壓后向用戶供電的網絡,稱為配電網(Distribution Network),它由架空線或電纜配電線路、配電所或柱上降壓變壓器直接接入





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