电力系统概述

1、发电厂电气部分,第一节 电力系统的构成 第二节 电力系统联网运行的优越性 第三节 电能的质量标准 第四节 电力系统的电压等级 第五节 电力系统的中性点接地方式 第六节 电力系统稳定问题概述,电力系统概述,第一节 电力系统的构成,电是一种二次能源，是在各种发电厂内由其它能源 （比如煤、水等天然能源）转换而来的。,发电厂是把各种天然能源，如煤炭、水能、核能等 转换成电能的工厂。,根据发电厂所使用的一次能源的不同，发电厂可分 为火力发电厂、水力发电厂、核发电厂等类型。,一、 电力系统的构成,由于电厂和用电负荷的分散性，需要将电厂生产的电能经升压变压器升压，再经不同电压等级的输电线送往各个负荷中心，最

2、后经降压变压器降压才到达具体的电能用户。,即是说，发电厂和用户间需经一定的网络连接。各个发电厂之间也需要这样的网络连接以提高供电的可靠性和经济性。这样的网络就称为“电力网”。,电力网=各电压等级变电所+输配电线路 其中：输电网：电厂负荷中心 配电网：负荷中心各配电变电所,一、 电力系统的构成,电力系统=发电厂+电力网+电能用户 即“电力系统”由发电厂、变电所、线路和用户组成。 其中：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。,因此，所谓“电力系统”，是指能够完成电能的生产、变换、输送、分配和消费，并将各发电厂、变电所并列运行以提高整个系统的可靠性和经济性的一个统一的整体。,

3、一、 电力系统的构成,动力系统=动力部分（如热力装置、水力装置、核反应堆等）+电力系统,一、电力系统的构成,TB,G,T1,L,T2,电力网,电力系统,动力系统,热 能 用 户,电 能 用 户,二、发电厂的类型 1、根据所使用的一次能源不同，分为： 火力发电厂：煤为原料，汽轮机为原动机。,a. 凝汽式电厂（200MW及以上的机组）,容量大，靠近燃料产区（坑口、矿口），燃烧劣质煤。 电能经高压或超高压线路送往负荷中心。单纯供电。,特点：水循环使用，即在汽轮机内作功后，蒸汽全 部排入凝汽器冷却成水，又重新送回锅炉。蒸汽中含 有的大量热量被浪费。,效率低：3040,b. 热电厂（几十到几百MW的机组

4、）,容量中小，靠近城市和负荷中心。电能在满足地方需 求后，经高压线路送进电网。既供电又供热。,特点：在汽轮机中段抽出已作功蒸汽，或直接供热 给热用户（化工、纺织、造纸、制药、公用事业和居 民取暖等），或送给水加热器将水加热供给用户。,效率高：可达6070。但运行方式不如凝汽式 电厂灵活，因为需根据热需求调整出力。,火电厂的电能生产过程,1、主要组成,两大部分：热力部分和电气部分,三大核心设备：锅炉、汽轮机和发电机,大型火力发电厂一般都有燃煤、锅炉、汽机、电气、化学、热工、水处理等车间（或称分场）。,2、生产过程,发电厂的生产过程实际上是能量的传递和转换过程,燃料的化学能,烟气的热能,热能传递给

5、水、蒸汽和空气,汽轮机轴上的机械能,发电机送出的电能（加上励磁机送进的磁能）,气流的动能,2、生产过程,(1)输煤系统,煤矿,经火车或轮船运到电厂,存放在储煤场,再经碎煤机打碎大块煤,锅炉原煤仓,经皮带：通过电磁分离器吸净铁屑,2、生产过程,(2)磨煤制纷系统,煤从给煤机送至磨煤机，加上热风道来的热风,煤被磨制和干燥后，送到粗粉分离器,旋风分离器进行气粉分离,热风进入排风机,带上从给粉机来的煤粉由喷燃器喷入炉膛燃烧,细粉进入煤粉仓,2、生产过程,(3)风烟系统,冷空气经送风机，进入空气预热器,一部分热风送磨煤机，一部分热风直送喷燃器,炉膛中热风与煤粉混合燃烧，产生大量热量,烟气经吸风机引至烟囱

6、，排入大气,热量经过金属表面传给锅炉的水冷壁管、过热器、省煤器、空气预热器、除尘器,2、生产过程,(4)汽水系统,给水泵打水,经高压加热器、省煤器加热送入汽包,汽包内的水经水冷壁下降管及下联箱进入上升管,汽进入过热器，经蒸汽管道引入汽轮机,蒸汽膨胀，高速冲击叶片，带动发电机转子转动,水吸热汽化，汽水混合物上升到汽包进行汽水分离,2、生产过程,(4)汽水系统,作功后蒸汽温度压力下降,排入凝汽器,冷却凝结成水循环使用,(5)电气系统,发电机发电,除去厂用电后经变压器升压送入电网,二、发电厂的类型 1、根据所使用的一次能源不同，分为： 水力发电厂：水为原料，水轮机为原动机,根据取水的方式不同，又可以

7、分为：,a. 坝式水电厂 堤坝蓄水，抬高水位，形成发电水头。 坝后式：厂房在堤坝后面 河床式：厂房组成堤坝的一部分,坝后式水电厂,河床式水电厂,二、发电厂的类型 1、根据所使用的一次能源不同，分为： 水力发电厂：水为原料，水轮机为原动机,根据取水的方式不同，又可以分为：,b. 引水式水电厂 不修堤坝，只由引水渠道形成发电水头。,引水式水电厂,二、发电厂的类型 1、根据所使用的一次能源不同，分为： 水力发电厂：水为原料，水轮机为原动机,根据取水的方式不同，又可以分为：,c. 抽水蓄能电厂 利用深夜或丰水期剩余电力，使水轮机以水泵方式工 作，将下游的水抽到高水位蓄水池内，再在需要时用 来发电，作负

8、荷调峰之用。,火电和水电的简单比较,火电厂投资相对少，建设工期相对短，但原料储量 不如水电丰富，而且有污染。,火电机组不如水电机组起停迅速，所以火电大多承 担系统基荷，而水电既可承担基荷（丰水期），也可 承担腰荷，以及调峰、调频、调相和各种备用任务。,二、发电厂的类型 1、根据所使用的一次能源不同，分为： 核能发电厂：,基本原理同火力发电厂，只不过是用核反应堆和蒸发 器代替了火力发电厂的锅炉设备。 一个1000MW的火电厂一天燃煤9600t，同样大的核 电厂只要3.3kg的U235。,其它能源发电 太阳能 风力 地热 潮汐 燃料电池 垃圾 磁流体,三种方法: 一：直接将日光转换为电流。 二：产

9、生蒸汽推动发电机。 三：利用日光将水分解，利用氢作为发电的燃料。 上述三种方法均须有稳定的日照及广大的土地。,太阳能发电,利用聚热装置，将太阳热能聚集以产生蒸汽，带动涡轮发电机产生电力。,太阳能的利用方式,利用光电效应来产生电力,风力发电,20kW变速恒频风力发电机组,地热发电 地热蒸汽电能,潮夕发电示意图,燃料电池还被称为静止发电机,垃圾焚烧发电技术,二、发电厂的类型,根据电厂的地位和作用，又可分为：,区域性发电厂、地区发电厂和自备发电厂,区域性发电厂： 主力电厂，多为大型水电厂或凝汽式火电厂，担负主 要供电任务。,地区发电厂和自备发电厂： 中小型电厂，多建在负荷中心附近或大厂矿企业内， 直

10、接供该地区或该厂用电。,二、发电厂的类型,根据电厂的地位和作用，又可分为：,基荷电厂、腰荷电厂和峰荷电厂,主要是指设备的利用率不同。 基荷电厂：年利用小时在 5000h 以上 腰荷电厂：年利用小时在 30005000h 之间 峰荷电厂：年利用小时在 3000h 以下,电力网是连接发电厂和用户的中间环节，一般分为输电网和配电网两部分。,输电网一般是由220KV及以上电厂等级的输电线路和与之相连的变电所组成 ，是电力系统的主干部分，它的作用是将电能输送到距离较远的各地区配电网或直接送给大型工厂企业。目前，我国的几大电网已经初步建成以500KV超高压输电线路为骨干的主网架。,配电网是由110KV及以

11、下电压等级的配电线路（110KV和35KV是高压配电，10KV是中压配电，380/220V为低压配电）和配电变压器组成，其作用是将电能分配到各类用户。,三、电力网,1、电力网的接线方式 可分为无备用方式和有备用方式两大类。,无备用方式：仅用一回电源线向用户供电。,其特点是电网结构简单，运行简单，投资较少，但供电可靠性较低。广泛使用的断路器自动重合闸和线路故障带电作业检修，对这种接线供电可靠性的缺点有所弥补。无备用接线适宜向一般用户供电。,三、电力网,1、电力网的接线方式 可分为无备用方式和有备用方式两大类。,有备用方式：用两回或两回以上线路向用户供电。,其特点是供电可靠性高，但运行控制较复杂，

12、适用于向重要用户供电。,三、电力网,三、电力网2、变（配）电所的类型,按作用分：,a. 升压变电所：一般设在发电厂内或电厂附近，把发电机电压经升压变压器升高后，由高压输电线路将电能送出，与电力系统直接相连。,b. 降压变电所：一般位于负荷中心或网络中心，一方面连接电力系统各部分，同时将电压降低，供给地区负荷用电。,c. 开关站（开闭所）：仅连接电力系统中的各部分，可以进行输电线路的断开或接入，而无变压器进行电压变换，一般是为了电力系统的稳定而设置的。,按所处地位分：,a. 枢纽变电所：位于电力系统中汇集多个大容量电源和多条线路的枢纽点，在电力系统中具有极其重要的地位。高压侧多为330500kV

13、，其高压侧各线路之间往往有巨大的变换功率。一旦停电，将引起系统解列甚至瘫痪。,b. 地区变电所：是供电给一个地区的主要供电点。一般从23个输电线路受电，受电电压通常为110220kV，供电给中、低压下一级变电所。若停电，将引起区域电网解列。,三、电力网2、变（配）电所的类型,按所处地位分：,c. 工厂企业变电所：专供某工厂企业用电的降压变电所，受电电压可以是220kV、110kV或35kV及10kV，因工厂大小而异。,d. 地区变电所：由12条输电线路受电，处于电网终端的降压变电所，直接供电给用户。,三、电力网2、变（配）电所的类型,用电力系统元件的规定符号并按实际情况把它们连接起来形成电路图

14、，称为“电力系统原理电路图”。,图中只画出电力系统的基本部分，如发电厂中的发电机、变压器和母线；变电所的变压器和母线；主要的输电线路。不画辅助部分。,电力系统原理电路图中用单线表示三相。,三、电力网,2、变（配）电所的类型,枢纽变电所,地区变电所,终端变电所,中间变电所,四、电力系统的负荷,1. 负荷的分类及对供电电源的要求,类负荷：必须有两个独立的电源供电，而且当任 何一个电源失去时，能保证对全部一类负荷的持续供 电。,根据用电设备在生产中的作用，以及供电中断对人身 和设备安全的影响，电力负荷通常分为三类：,类负荷：应有双回路电源供电，而且当任何一个 电源失去时，能保证对大部分二类负荷的供电

15、。,类负荷：只需一个电源供电，因为允许长时间停 电。,连接在电力系统上的一切用电设备所消耗的功率。,四、电力系统的负荷,2. 负荷曲线,根据轴坐标表示的持续时间不同，负荷曲线可分 为日负荷曲线和年负荷曲线。,用来描述用户、变电所、发电厂及电力系统的负荷随 时间变化的曲线。 轴表示时间，轴表示有功或无功。,两个常用的负荷曲线： 发电厂日负荷曲线 电力系统日负荷曲线,四、电力系统的负荷,2. 负荷曲线,发电厂日负荷曲线：一昼夜内实际发电负荷的变化 情况,四、电力系统的负荷,2. 负荷曲线,电力系统日负荷曲线：一昼夜内实际发电负荷的变 化情况,第二节 电力系统联网运行的优越性,作者： 版权所有,电力

16、系统联网运行的优越性,提高供电的可靠性。,在电力系统中大量的设备都是不分昼夜地连续运行，难免会发生故障。联网后某个设备的故障一般不会危及整个电力系统的继续运行，这就大大提高了对用户供电的可靠性。一般来说，电网规模越大，这种供电可靠性就越高。当然，电网规模过大也会带来一些新的技术问题，例如系统电流过大，容易发生稳定事故等，这需要新的技术手段加以解决。,电力系统联网运行，在技术上和经济上都有十分明显的优越性。,作者： 版权所有,电力系统联网运行的优越性,减少系统中总备用容量的比重。,为避免系统中某一台发电机故障退出运行而使一些用户停电，一般都使装机容量大于最大用电负荷，即留有备用容量。由于备用容量

17、是可以在整个系统中互相通用的，因此电力系统中总容量越大，备用容量的比重就可以减少。,作者： 版权所有,电力系统联网运行的优越性,减少总用电负荷的峰值。,不同地区地电网互连后，会有明显的错峰效益。即不同地区的用电负荷高峰不会在同一时间发生，因为各地存在着时差和气候差。实际看来，联网后系统的最大负荷将小于联网前各地最大负荷的总和。,作者： 版权所有,电力系统联网运行的优越性,可以安装高效率的大容量机组。,较小容量的系统不允许安装大容量机组，因为其一旦因故障退出运行将导致大规模停电。而大容量机组其经济运行指标远高于中小机组，是今后电力工业的主要机型。只有互连成大电网，才为安装大容量机组创造了条件。,

18、可以水火互济节约能源改善电网调节性能。,大容量电力系统中水电厂和火电厂可以联合调度，发挥各自的特点和优势。,第三节 电能的质量标准,我国的技术标准规定电力系统的额定频率是50HZ。 对大型电力系统，频率的允许范围为50HZ0.2HZ。 对中小电力系统，频率的允许范围为50HZ0.5HZ。,一、频率,当频率高出允许值时，异步电动机转速升高，除使功率损失增加，经济性降低外，还会使某些对转速有严格要求的工业部门产品质量下降，甚至会产出废品。同时，还会影响电子设备的正常工作。,一、频率,当频率低于允许值时，则异步电动机转速下降，使生产率降低，还影响电动机的寿命。同时，也会使某些部门产出次品甚至废品，影

19、响电钟和电子设备的工作。另外，频率大幅度降低还使发电厂的给水泵、见机等厂用电动机出力大为减少，甚至影响锅炉和汽轮发电机组的出力，导致电力系统有功功率更加不足，频率进一步降低，形成恶性循环，直至发生电力系统“频率崩溃”这是一种极其严重的系统性大事故，会造成大面积停电的严重后果。,所有用电设备都应当按照其设计的额定电压运行，一般仅允许有5%的变动范围。,二、电压,电压过高，许多用电设备都会损坏，甚至造成严重事故和巨大损失。 电压过低，许多用电设备都不能正常工作。对异步电动机而言，电压过低时，其输出转矩显著降低，转差加大，电流加大，温度升高，甚至还会使电动机烧毁。,二、电压,为使用户用电设备能得到合

20、适的电压，我国规定用户处的电压容许变化范围是： 由35kV及以上电压供电的用户：5%。 由10kV及以下电压供电的高压用户和低压电力用户：7%。 低压照明用户：-10%-+5%。,三、波形,电力系统供电电压或电流的标准波形应是正弦波。当电流波形不是标准的正弦波时，就包含有各种谐波成分。这些谐波成分的存在不仅会大大影响电动机的效率和正常运行，还可能使电力系统生产高效谐波共振而危及设备的安全运行。同时还将影响电子设备的正常工作，并对通信产生不良的干扰。 变压器铁芯饱和或没有三角形接法的绕组，负荷中有大功率整流设备等，都是产生高次谐波的原因。应注意防止或采取相应措施消除高次谐波。,第四节 电力系统的

21、电压等级,一、电力系统的额定电压等级,我国国家标准规定的三相交流电网和电力设备的额定电压（线电压，下同） 1、电网的额定电压 电网的额定电压也就是电力线路以及与之相连的变电所汇流母线的额定电压。确定一级额定电压要根据国民经济发展的需要和电力工业的水平，关系非常重大。,一、电力系统的额定电压等级,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。实际运行中，用电设备的电压允许有5%的变动范围，而供电线路由于流通电流后产生电压降，故线路首端电压高些，末端电压低些，接于不同地点的用电设备所受电压也有所不同，两者刚好是适应的。 3、发电机的额定电压 发电机的额定电压规定比同级电网

22、额定电压高5%。这是考虑到电力线路允许有10%的电压损耗，线路末端允许比电网额定电压低5%，再者刚好适应。,一、电力系统的额定电压等级,4、电力变压器的额定电压 电力变压器一次绕组的额定电压。当变压器直接与发电机相连时，变压器一次绕组的额定电压应当与发电机额定电压相同；当变压器不是与发电机直接相连，而是接于某一电力线路的末端时，则变压器一次绕组的额定电压应当与该线路额定电压相同。 电力变压器二次绕组的额定电压。当变压器二次绕组供电给较长的高压输电线路时，其额定电压应比相应线路额定电压高10%；而当变压器二次绕组供电给较短的输电线路时，其额定电压可以只比相应线路的额定电压高5%。,二、电压等级的

23、选择,在输电距离和输电容量一定的条件下，选用较高的电压等级，能使线路上电流小，线路功率损耗和电能损耗低，电压损失也小。同时也可选用较小的导线截面。但另一方面线路电压越高，线路的绝缘越要加强，导线相间距离和对地距离都要相应的增加，使线路杆榙尺寸及及造价上升；同时，变压器和开关设备的投资也相应增大。综合以上两个方面的因素，在选择电压等级时，应当进行细致的技术经济比较。 根据电力系统设计和运行的经验，粗略选择输、配电线路电压等级时，可参考相应的数据表格。,第五节 电力系统的中性点接地方式,作者： 版权所有,电力系统的中性点接地方式,电力系统中，发电机三相绕组通常是接成星形的，变压器高压绕组多数也是接

24、成星形的。这些发电机和变压器星形绕组的中性点称为电力系统的中性点。 电力系统中性的接地方式分为三种：直接接地方式、不接地方式和经消弧线圈接地方式。 电力系统中性点接地方式要综合考虑电力系统的过电压与绝缘配合，继电保护与自动装置的配置，短路电流的大小 ，供电的可靠性，电力系统的运行稳定性以及对通信的干扰等多方面因素，是一项综合性的技术问题。,作者： 版权所有,电力系统的中性点接地方式,中性点直接接地方式下，系统发生单相接地故障时短路电流很大（所以又称为大接地电流系统）。同时，非故障相的相电压不会升高，这在电压等级高时对绝缘很有利。 中性点不接地方式和中性点经消弧线圈接地方式下，系统发生单相接地故

25、障时接地故障电流很小（所以又称这两种接地方式为小接地电流系统）。同时，非故障相的相电压会升高为原来的 倍。,第六节 电力系统稳定问题概述,作者： 版权所有,电力系统稳定问题概述,衡量电力系统正常运行的一个重要标志，是系统中所有的发电机都保持在同步运行状态。所谓同步运行，是指所有并联运行的发电机都具有相同的电角速度，即每台发电机都以同步转速运行。 正在运行的发电机转速决定于作用在其大轴上的转矩。因此，当作用在机组大轴上的转矩变化时，转速也将相应地发生变化。正常运行时，原动机的输入功率与发电机的输出功率是平衡的，从而保证了发电机以恒定的同步转速运行。,作者： 版权所有,电力系统稳定问题概述,但是，

26、发电机在运行时的功率平衡是相对的、暂时的。例如，电力系统的负荷随时都在变化，负荷功率的瞬时变化将引起发电机输出功率的相应变化，但由于机组调节系统的惯性，使用原动机输入功率的变化总是滞后于发电机输出电磁功率的瞬时变化，于是输入功率与输出功率之间就产生了不平衡，相应地转矩也将产生不平衡。电力系统的电能生产过程也正是这种功率或转矩的平衡不断遭到破坏，同时又不断进行跟踪调节使其恢复平衡的过程。,作者： 版权所有,电力系统稳定问题概述,功率及相应转矩的不平衡将引起发电机转速的变化。例如，当发电机输出功率减小时，由于原动机的输入功率暂时还来不及减小而出现功率过剩，结果使发电机转速增加；相反，当发电机输出功率增加时，因原动机输入功率暂时还来不及跟上输出功率的增加而出现功率缺额，结果使发电机减速。这样，当系统由于负荷变化、操作或发生故障（称为系统受到扰动）而平衡状态被打破后，各发电机组将因功率的不平衡而发生转速的变化。,作者： 版