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电力系统

2023-04-15

简介

由生产、输送、分配和消费电能的各种电气设备构成相互联系的统一整体。如果包括火电厂的汽轮机、锅炉、供热管道和热用户,水电站的水轮机、水工建筑物等,称为动力系统。电力系统的基本构成,如图所示。联系发电和用电设备,并执行输送和分配电能的中间环节,称为电力网。它包括升、降压变压器和各种电压的送电线路。

电力系统的基本构成

1.变压器; 2.负荷; 3.电动机; 4.电灯

电力网按供电范围及电压等级可分为: 地方电力网,其电压为35千伏或110千伏,送电距离可达几十公里,是向城镇、工矿及农村供电的供配电网络; 区域电力网,其电压为110~220千伏,送电距离可达数百公里,是在省(区)内将地方发电厂与多种类型用户联系在一起的网络; 超高压电力网,主要由交流330~500千伏或直流±500伏,或由更高电压的送电线路组成,承担着大型水电站、坑口火电站或核电站向负荷中心送电任务; 或将区域电力网相互联系,形成跨区域甚至跨国的联合电力网。

以超高压电力网将区域电力网互联而形成的联合电力网具有: 减少系统的装机容量及备用容量; 合理利用水能资源,提高运行经济性; 在网络结构合理的条件下,提高供电的可靠性等优点。

概况 中国自1882年在上海建立第一个火力发电厂以来,发展非常缓慢,至1949年发电设备总容量仅为185万千瓦,年发电量仅43亿千瓦小时,110千伏以上电压等级的电力系统仅东北三省有两个,总容量为72万千瓦。1957年底,发电设备总容量增加为464万千瓦;1962年底,又增加为1300万千瓦。1978年,发电设备总容量进一步增加为5211万千瓦,年发电量增加为2565.5亿千瓦小时。110千伏以上电压等级的电力系统增加为数十个。其中,大电力系统的容量已超过700万千瓦,最高电压等级已达330千伏。1988年全国已形成12个百万千瓦以上的大电力网,华北、东北、华中和华东已初步形成以500千伏为骨干网架的跨省区电网,它们的装机容量均超过15000兆瓦,全国拥有35千伏以上送电线路41.87万公里,主变压器容量176200兆伏安。到1988年全国已拥有1000兆瓦以上的电站12座,其中水电站2座,火电厂10座。

结线方式 电力系统结线可分为无备用结线和有备用结线。无备用结线指用户只能从一个方向取得电源的结线方式,亦称开式结线,分为放射式、干线式和树枝式等。它的优点是简单、经济、运行方便,缺点是供电可靠性较差。为了提高其可靠性,通常在适当的地方装设保护装置,以便切除故障部分,保证一定的可靠性,尽可能缩小停电范围。有备用结线即用户可以从两个或两个以上方向取得电源的结线方式,如双回路、环形网、两端或多端供电网以及由它们组合的电力网。有备用结线分为放射式、干线式(仍是开式结线)、链式和闭式(分单环、双环、两端供电和多端供电等)。对于双回路放射式、干线式和链式结线,其优点是供电可靠性高,适宜作高压网的网架,电压质量高,缺点是投资大、经济性差。对于环式结线,其优点是供电可靠性与经济性较高,缺点是运行维护复杂,发生故障及检修时,电压质量差,在检修时供电处于无备用状态,供电可靠性相对降低。对于两端供电的闭式,其优点是供电可靠性高、经济、故障检修时电压质量好,缺点是运行复杂,必须具备两个或两个以上的电源时,才可采用。

城市、农村供电系统具有变配电设备和线路数量大的特点,其结线方式随着供电地区负荷密度和对供电可靠性的要求而不同。城市供电网多采用多端供电的结线方式,农村供电网多采用干线式。

电力系统中各种主要元件相互联接的方式,直接影响电力系统运行的安全性和经济性,对电力系统的设计和运行关系十分密切。在选择电力系统结线方式时,应考虑保证用户供电的可靠性。当电力网中某一部分发生故障时,应由继电保护装置将故障部分迅速切除,以保证系统中其他部分持续运行。对于不容许间断供电的重要用户,应备有双电源供电或多电源供电,能灵活地适应各种可能的运行方式。电力系统的运行方式随着用户负荷和发电厂输出功率的变化而有不同的运行方式。在发电厂、变电站及线路定期检修或事故检修时,运行方式也要变化。电力系统的结线应能适应这些运行方式的变化,而不降低供电可靠性和电能质量;应力求节约设备和材料,减少设备费用和运行费用,使电力网的建设和运行比较经济;应保证各种运行方式下运行人员能安全操作。

电压等级 为了利于电力设备制造和运行维护,并考虑电力系统输送电能的经济性,要求电力系统的电压等级尽量简化,相邻电压之比为2~3较相宜。中国公布的交流送电电压标准为:6、10、35、60、110、154、220、330、500及750千伏。其中6、60及154千伏等级只是暂时保留使用,将不予发展。现用的电压组合为:6~10/35/110/220/500千伏及6~10/35/110/330千伏,正在兴建的直流输电线路的电压等级为±100千伏及±500千伏。

各级电压送电线路的输送能力(送电容量与送电距离)的大致范围如表所示。在制定电力系统规划时,作为初步确定电压等级的依据。

各级电压与送电容量和送电距离的关系

额定 电压
(千伏)
输送功率
(兆瓦)
输送距离
(千米)
3
6
10
35
60
110
220
330
500
750
0.1~1
0.1~1.2
0.2~2
2~10
3.5~30
10~50
100~300
200~500
1000~1500
2000~2500
3~1
15~4
15~6
40~15
100~30
150~50
300~100
600~200
850~150
500以上

中性点接地方式 电力系统中性点接地方式与绝缘水平、通讯干扰、电压等级、单相接地短路电流、过电压水平、保护配置等有密切关系,直接影响系统供电的可靠性与连续性、主变压器运行安全等,因此确定中性点接地方式是一项综合性问题。中性点接地方式有中性点非直接接地与中性点直接接地。

中性点非直接接地 有三种方式:①中性点不接地(绝缘)系统,在系统中所有变压器和发电机的中性点均不接地,发生单相接地故障时,尚允许继续运行两小时,供电连续性较好。接地电流仅为线路及设备正常运行时电容电流的3倍,可近似地按下式计算:

架空线 Ic= U·l/350

电缆 Ic= U·l/10

式中 Ic为接地电流(安); U为线路额定电压(千伏);l为在电压U下有电气连接的线路总长(公里)。当电压不高且线路不长时,接地电流较小,电弧将可自行熄灭,而消除接地故障。②中性点经电阻接地系统,将系统中的中性点经电阻接地不仅减少接地电流,且改变接地电流的相位,加速回路中残余电荷的泄放,促使接地电弧自行熄灭,降低弧光间隙接地过电压,所提供的电流和零序电压,使接地保护可靠地动作。③中性点经消弧线圈接地系统,系统的中性点经消弧线圈接地,补偿系统的电容电流,可保证接地电弧瞬间熄灭,以消除弧光间歇接地过电压。

中性点直接接地 将系统的中性点经接地体直接与大地连接。由于过电压较低,绝缘水平可下降。但当系统发生单相接地时,即形成短路,单相短路电流很大,保护装置须迅速动作,切除故障线路或设备,增加了断路器负担,降低供电连续性。

中国220千伏以上电网均为直接接地方式; 154千伏电网为经消弧线圈接地方式; 110千伏电网绝大多数为直接接地方式,但在个别雷电活动较频繁的山岳丘陵地区,也有经消弧线圈接地方式的; 60千伏及以下电网均为非直接接地方式。10千伏以下电网的单相接地电流大于30安和20千伏以上电网大于10安时, 都采用经消弧线圈接地方式, 否则发生单相接地时不能自动消弧。对于发电机或调相机直接相联的3~20千伏电网,单相接地电流不得大于5安。大型发电机一般经电阻接地,单相接地电流限制在2~3安之间。

负荷及负荷曲线 电力系统的负荷为电力系统中众多用电设备消耗功率的总和。又分为动力负荷(异步电动机、电热电炉、整流设备等)与照明负荷(电灯)。综合用电负荷为工农业、交通运输、市政生活等各方面消耗的功率之总和; 供电负荷为综合用电负荷与网损之和,就是发电厂应供出的负荷; 发电负荷为供电负荷与发电厂厂用电之和,就是发电机应发出的功率。按照对供电可靠性的要求,用电负荷分为:Ⅰ类负荷,中断电源将造成人身伤亡或重大的政治、经济损失,并且使生产、生活秩序陷入混乱。Ⅱ类负荷,中断供电将在政治、经济上造成较大损失,使连续生产和正常生活受到影响。Ⅲ类负荷,不属于Ⅰ类、Ⅱ类负荷的其他负荷。

负荷曲线即是某一段时间内负荷随时间变化的曲线。按负荷种类分为有功负荷曲线和无功负荷曲线;按时间段分为日负荷曲线、月负荷曲线和年负荷曲线;按计量地点分为用户、电力线路、变电所、发电机及整个电力系统的负荷曲线(见农村电气化规划)。

英文

electric power system