第1章 电力系统
1.1 认识电力系统
学习目标
① 了解电力系统及其组成。
② 掌握电力系统的基本概念，明确电力系统的电压等级。
③ 了解电力系统的现状与发展趋势。
1.1.1 电力系统的组成
电能是现代社会中最重要、最方便的能源。电能具有许多优点：它可以方便地转化为其他形式的能，如机械能、热能、光能、化学能等；它的输送和分配易于实现；它的应用规模也很灵活。因此，电能被极其广泛地应用于工农业、交通运输业、商业贸易、通信以及人民的日常生活中。以电作为动力，可以促进工农业生产的机械化和自动化，保证产品质量，大幅度提高劳动生产率。还要指出，以电能代替其他形式的能是节约总能源消耗的一个重要途径。
电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统，如图1-1所示。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置（主要包括锅炉、汽轮机、发电机及电厂辅助生产系统等）转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心。由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，电能生产必须时刻保持与消费平衡。因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就制约了电力系统的结构和运行。据此，电力系统要实现其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统，以便在生产和运输过程中，对电能进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。
图1-1 电力系统
建立结构合理的大型电力系统不仅便于电能生产与消费的集中管理、统一调度和分配，减少总装机容量，节省动力设施投资，且有利于地区能源资源的合理开发利用，更大限度地满足地区国民经济日益增长的用电需要。电力系统建设往往是国家及地区国民经济发展规划的重要组成部分。电力系统的出现，使高效、无污染、使用方便、易于调控的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，发生了第二次技术革命。电力系统的规模和技术水准已成为一个国家经济发展水平的标志之一。
1.1.2 电力系统的基本概念
1.电力系统
电力系统是由发电厂、变电所、输电线、配电系统及负荷组成的，是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。
2.电力网络
电力网络是由变压器、电力线路、变换电能、输送电能、分配电能设备所组成。
3.发电
发电是指利用发电动力装置将水能、石化燃料（煤、油、天然气）的热能、核能以及太阳能、风能、地热能、海洋能等转换为电能的生产过程，用以供应国民经济各部门与人民生活之需。发电动力装置按能源的种类分为火电动力装置、水电动力装置、核电动力装置及其他能源发电动力装置。火电动力装置由电厂锅炉、汽轮机和发电机（惯称三大主机）及其辅助装置组成。水电动力装置由水轮发电机组、调速器、油压装置及其他辅助装置组成。核电动力装置由核反应堆、蒸气发生器、汽轮发电机组及其他附属设备组成。
4.变电
变电是指电力系统中，通过一定设备将电压由低等级转变为高等级（升压）或由高等级转变为低等级（降压）的过程。电力系统中发电机的额定电压一般为20kV以下。常用的输电电压等级有765kV、500kV、220～110kV、35～60kV等；配电电压等级有35～60kV、3～10kV等；用电部门的用电器具有额定电压为3～15kV的高压用电设备和110V、220V、380V等低压用电设备。所以，电力系统就是通过变电把各种不同电压等级电能部分连接起来形成一个整体。实现变电的场所称为变电所。
5.输电
输电是指电能的传输。它和变电、配电、用电一起，构成电力系统的整体功能。通过输电，把相距甚远的（可达数千公里）发电厂和负荷中心联系起来，使电能的开发和利用超越地域的限制。和其他能源的传输（如输煤、输油等）相比，输电的损耗小、效益高、灵活方便、易于调控、环境污染少；输电还可以将不同地点的发电厂连接起来，实行峰谷调节。输电是电能利用优越性的重要体现，在现代化社会中，它是重要的能源动脉。输电线路按结构形式可分为架空输电线路和地下输电线路。架空输电线路由线路杆塔、导线、绝缘子等构成，架设在地面上；地下输电线路主要用电缆，敷设在地下（或水下）。输电按所送电流性质可分为直流输电和交流输电。
6.配电
配电是指电力系统中直接与用户相连并向用户分配电能的环节。配电系统由配电变电所（通常是将电网的输电电压降为配电电压）、高压配电线路（即1kV以上电压）、配电变压器、低压配电线路（1kV以下电压）以及相应的控制保护设备组成。配电电压通常有35～60kV和3～10kV等。
配电系统中常用的交流供电方式有：
① 三相三线制，分为三角形接线（用于高压配电、三相220V电动机和照明）和星形接线（用于高压配电、三相380V电动机）。
② 三相四线制，用于380/220V低压动力与照明混合配电。
③ 三相二线一地制，多用于农村配电。
④ 三相单线制，常用于电气铁路牵引供电。
⑤ 单相二线制，主要供应居民用电。
7.用电
用电是指按预定目的使用电能的行为。
8.最大负荷
最大负荷指规定时间内，电力系统总有功功率负荷的最大值，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。
9.额定频率
按国家标准规定，我国所有交流电力系统的额定频率为50Hz。
10.最高电压等级
最高电压等级是指该系统中最高电压等级的电力线路的额定电压。
1.1.3 电力系统的电压等级
电网电压是有等级的，电网的额定电压等级是根据国民经济发展的需要、技术经济的合理性以及电气设备的制造水平等因素，经全面分析论证，由国家统一制定和颁布的，如表1-1所示。
表1-1 我国交流电力网和电气设备的额定电压
电力系统电压等级有220/380V（0.4kV）、3kV、6kV、10kV、20kV、35kV、66kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV。随着电机制造工艺的提高，10kV电动机已批量生产，所以3kV、6kV已较少使用，20kV、66kV也很少使用。供电系统以10kV、35kV为主。输配电系统以110kV以上为主。发电厂发电机有6kV与10kV两种，现在以10kV为主，用户均为220/380V（0.4kV）低压系统。
根据《城市电力网规定设计规则》规定：输电网为500kV、330kV、220kV、110kV，高压配电网为110kV、66kV，中压配电网为20kV、10kV、6kV，低压配电网为0.4kV（220V/380V）。
用电设备的额定电压和电网的额定电压一致。实际上，由于电网中有电压损失，致使各点实际电压偏离额定值。为了保证用电设备的良好运行，国家对各级电网电压的偏差均有严格规定。显然，用电设备应具有比电网电压允许偏差更宽的正常工作电压范围。
发电机的额定电压一般比同级电网额定电压高出5%，用于补偿电网上的电压损失。10kV供电范围为10km；35kV供电范围为20～50km；66kV供电范围为30～100km；110kV供电范围为50～150km；220kV供电范围为100～300km；330kV供电范围为200～600km；500kV供电范围为150～850km。
变压器的额定电压分为一次电压和二次电压。对于一次绕组，当变压器接于电网末端时，性质上等同于电网上的一个负荷（如工厂降压变压器），故其额定电压与电网一致，当变压器接于发电机引出端时（如发电厂升压变压器），则其额定电压应与发电机额定电压相同。对于二次绕组，额定电压是指空载电压，考虑到变压器承载时自身电压损失（按5%计），变压器二次绕组额定电压应比电网额定电压高出5%，当二次侧输电距离较长时，还应考虑到线路电压损失（按5%计），此时，二次绕组额定电压应比电网额定电压高出10%。