1.2　电力系统概述

1.2.1　电力系统基本概念

电能是由一次能源（如煤炭、石油、天然气、水能、风能等）经加工转换而成的能源，为二次能源。电能的开发和应用，是人类征服自然过程中所取得的具有划时代意义的光辉成就。自从有了电，消除了黑夜对人类生活和生产劳动的限制，大大延长了人类用于创造财富的劳动时间，改善了劳动条件，丰富了人们的生活。在现代文明中，电被视为与空气和水一样重要的资源，可以想象，如果没有了电能，现代文明社会将不复存在。

将各种一次能源转变成电能的工厂，称为发电厂。发电厂把各种形式的一次能源转换成电能，电能再经过变压器和不同电压等级的输电线路输送并分配到用户，最后通过各种用电设备转换成适合用户需要的各种形式的能量。由生产、传输、分配和消耗电能的各种电气设备连接在一起而组成的整体为电力系统。电力系统通常包括发电厂、升压变电站、降压变电站、输配电线路及用电设备。

按一次能源的不同，发电厂分为火力发电厂（以煤炭、石油和天然气为燃料）、水力发电厂（以水的位能作动力）以及核能发电厂、风力发电厂、地热发电厂、太阳能发电厂、潮汐发电厂等。火电厂的汽轮机和锅炉，水电厂（或水电站）的水轮机和水库，核电厂的反应堆，风电厂的风力机等则属于与电能生产相关的动力部分。这些动力部分与电力系统合在一起统称为动力系统。

电力系统中输送和分配电能的部分称为电力网，它包括升压、降压变压器和各种电压等级的输电线路。

动力系统、电力系统和电力网三者的联系和区别如图1.1所示。需说明的是，在交流电力系统中，发电机、变压器、输配电设备都是三相的，这些设备之间的连接状况在用电力系统接线图表示时，为简单起见，一般都用单线来表示。

1.2.2　电力系统的额定电压和额定频率

由于输送和分配电能的需要，电力系统由多个层次的电压等级组成。不同电压等级之间靠电力变压器连接。这些不同的电压等级是由国家规定的标准电压，又称额定电压。

制定标准电压是基于以下主要原因：

（1）对应于一定的输送功率与输送距离，具有一个最佳的输电电压。

（2）从设备制造的经济性以及运用时便于代换方面考虑，电压等级必须规格化、系列化，且电压等级不宜过多。

三相导线中的损耗一般表示为

式中：I为线路电流，kA；RL为单回线路的电阻，Ω；ΔP为三相线路的功率损耗，MW；P为三相电路的输送功率，MW；ρ为导线的电阻率，Ω·mm2/km；l为输送距离，km；S为导线截面积，mm2；cosφ为负载功率因素；UN为三相线路的线电压，kV。

假定已经确定P、l、cosφ及ρ，那么线损就由截面积和线电压决定。也就是说，要减少线损只有增加导线截面积和提高输送电压。而增加导线截面积必然增加导线材料及其成本，而提高电压对于线路成本相对增加较小。但是，电压越高对绝缘的要求也越高，杆塔、变压器、断路器的绝缘投资也越大。

我国国家标准规定的高压交流电送电电压为3kV、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV和1000kV。而高压直流电送电电压为±500kV、±800kV和±1100kV。到2020年前后，国家电网特高压交直流混联骨干网架将基本形成。表1.1列出了我国现行的交流额定电压等级情况。

根据表1.1，用电设备、线路、发电机与变压器的额定电压之间的关系说明如下。

（1）电网（线路）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有所不同。线路始端比末端电压高，因此供电线路的额定电压采用始端电压和末端电压的算术平均值，这个电压也是电力网的额定电压，如图1.2所示。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。用电设备的电压与同级电网的额定电压相同。图1.2中，线段ab范围内用电设备的端电压将各不相同。所有用电设备是在接近线路额定电压的特定范围内工作。

（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%的电压损耗值，因此为了维持线路的平均电压在额定值，线路首端（电源端）的电压可较线路额定电压高5%，而在末端则可较线路额定电压低5%，所以发电机额定电压规定高于同级电网额定电压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。当变压器直接与发电机相连时，其一次绕组额定电压与发电机额定电压相同，即高于同级电网额定电压的5%；当变压器不与发电机相连接而是接在线路上时，其一次绕组的额定电压与电网额定电压相同。

2）电力变压器的二次绕组的额定电压。变压器二次供电线路较长时，其二次绕组的额定电压应比相连电网的额定电压高10%；变压器二次侧供电线路不长时，其二次绕组高于所连电网额定电压5%即可。

我国电力系统的额定频率为50Hz，一般情况允许的偏差不超过±0.5Hz，即频率的波动范围在49.5～50.5Hz内视为符合要求。

1.2.3　电力系统的优越性

把孤立运行的发电厂通过电力网连接起来形成电力系统后，将在技术经济上带来很大好处。

（1）提高了供电的可靠性。系统中一个发电厂发生故障时，其他发电厂仍可以向用户供电；一条输电线路发生故障，用户还可以从系统中的其他线路获取电源。可见，具有合理结构的电力系统可靠性得到了大大提高。

（2）提高了供电的稳定性。电力系统容量较大，个别大负荷的变动即使有较大的冲击，也不会造成电压和频率的明显变化。小容量电力系统或孤立运行的发电厂则不同，较大的冲击负荷很容易引起电网电压和频率的较大波动，影响电能质量。

（3）提高了发电的经济性。电力系统可以获得多方面的经济效益。

1）充分利用动力资源。如果没有电力系统，很多能源就难以充分利用。在电力系统中，可实现水电和火电之间的相互调剂，丰水期可多发水电，少发火电，节约燃料；枯水期则多发火电以保证电能的供给。

2）提高发电的平均效率和其他经济指标。只有在大的电力系统内才能采用大容量的机组，从而获得较高的发电效率、较低的相对投资和较低的运行维护费用。此外，在电力系统内，在各发电厂之间可以合理地分配负荷，可以让效率高的机组多发电，在提高平均发电效率上实现经济调度。

3）减小总装机容量。电力系统中的综合最大负荷常小于各发电厂单独供电时各片最大负荷的总和。这是因为不同地区间负荷性质的差别、负荷的东西时差及南北季差等。通过若干发电厂通过电力系统运行时，有利于错开各地区的高峰负荷，导致减小系统中的总和最大负荷，从而减小了总工作容量。另外，各发电厂的机组之间可以相互备用，还可以错开检修时间，减小备用容量。

1.2.4　电力系统运行的基本要求

电力系统有如下运行特点：①电能的生产和使用同时完成；②正常输电过程和故障过程都非常迅速；③具有较强的地区性特点；④与国民经济各部门关系密切。

基于电力系统的上述特点和电力工业在国民经济中的作用和地位，电力系统需要满足一些基本要求，简单概括为：安全、可靠、优质、经济。

（1）保证供电的安全可靠性。这是对电力系统运行的基本要求。为此，电力系统各部门应加强现代化管理，提高设备的运行和维护质量。应当指出，目前要绝对防止事故的发生是不可能的，而各种用户对供电可靠性的要求也不一样。因此，应根据电力用户的重要性不同，区别对待，以便在事故情况下把给国民经济造成的损失限制到最小。通常将电力用户分为三类：

Ⅰ类用户。指由于中断供电会造成人员伤亡或在政治、经济上给国家造成重大损失的用户。对该类用户通常应设置两路以上相互独立的电源供电，其中每一路电源的容量均应保证在此电源单独供电的情况下就能满足用户的用电要求。确保当任一路电源发生故障或检修时，都不会中断对用户的供电。

Ⅱ类用户。指由于中断供电会在政治、经济上造成较大损失的用户。对该类用户应设专用供电线路，条件许可时也可采用双回路供电，并在电力供应出现不足时优先保证其电力供应。

Ⅲ类用户。一般指短时停电不会造成严重后果的用户，如小城镇、小加工厂及农村用电等。当系统发生事故，出现供电不足的情况时，应当首先切除Ⅲ类用户的用电负荷，以保证Ⅰ、Ⅱ类用户的用电。

（2）保证电能良好的质量。频率、电压和波形是电能质量的三个基本指标。当系统的频率、电压和波形不符合电气设备的额定值要求时，往往会影响设备的正常工作，危及设备和人身安全，影响用户的产品质量等。因此要求系统所提供电能的频率、电压及波形必须符合其额定值的规定。其中，波形质量用波形总畸变率来表示，正弦波的畸变率是指各次谐波的有效值平方和的方根值占基波有效值的百分比。

我国规定电力系统的额定频率为50Hz，大容量系统允许频率偏差±0.2Hz，中小容量系统允许频率偏差±0.5Hz。35kV及以上的线路额定电压允许偏差±5%；10kV线路额定电压允许偏差±7%，电压波形总畸变率不大于4%；380/220V线路额定电压允许偏差±7%，电压波形总畸变率不大于5%。

（3）保证电力系统运行的稳定性。当电力系统的稳定性较差，或对事故处理不当时，局部事故的干扰有可能导致整个系统的全面瓦解（即大部分发电机和系统解列），而且需要长时间才能恢复，严重时会造成大面积、长时间停电。因此稳定问题是影响大型电力系统运行可靠性的一个重要因素。

（4）保证运行人员和电气设备工作的安全。这一要求是电力系统运行的基本原则。在设计时，合理选择设备，使之在一定过电压和短路电流的作用下不致损坏；另一方面还应按规程要求及时地安排对电气设备进行预防性试验，及早发现隐患，及时进行维修。在运行和操作中要严格遵守有关的规章制度。

（5）保证电力系统运行的经济性。电能成本的降低不仅会使各用电部门的成本降低，更重要的是节省了能量资源，因此会带来巨大的经济效益和长远的社会效益。为了实现电力系统的经济运行，除了进行合理的规划设计外，还须对整个系统实施最佳经济调度，实现火电厂、水电站及核电厂负荷的合理分配，同时还要提高整个系统的管理水平。