第二节 电力系统及电力网

一、电力系统

由发电厂发出的电能，经过升压变压器升压，通过输电线路送到电力负荷中心变电所，经降压变压器降压，再由配电线路把电能分配到各个电力用户的用电设备。这种由发电机、升（降）压变电所、输配电线路以及用电设备连接而成的整体，称为电力系统。它是将一次能源转换成电能并输送和分配到用户的一个统一系统。在这个系统中有发电机、变压器、断路器、母线、输电线路、配电线路、配电装置、用电设备（电动机或照明装置）等电力设备，如图31所示。

二、电力网

由各种电压等级的输配电线路和升（降）压变电所（站）连接而成的网络，称为电力图31 电力系统和电力网示意图

1—升压变压器；2—降压变压器；3—负荷（泛指）；4—电动机；5—电灯

网，它是电力系统的重要组成部分。从图31可以看出，电力网比电力系统只是少了发电设备和用电设备。电力网按如下原则分类：

1.按供电范围分类

（1）区域电力网：电压等级在220kV及以上，为多个地区供电的电力网。如东北电力网、华北电力网、华东电力网等。

（2）地方电力网：电压等级在220kV及以下，为某个地区供电的电力网。如北京市电力网、石家庄市电力网等。

2.按供电负荷性质分类

（1）城市电力网：为城市用电负荷供电的电力网。如北京市市区电力网、天津市市区电力网等。

（2）农村电力网：为农村及乡镇供电的电力网，以农业负荷为主。3.按电力网接线分类

（1）开式电力网：以单侧电源供电的电力网（即由一个电源点供电）。当线路首端发生故障时，连接在这一电力网上的全部用户的供电就会完全中断。

（2）闭式电力网：凡电能至少可从两边送给用户的电力网，称为闭式电力网，也叫环形电力网，这种电力网，供电可靠性高。

三、动力系统

电力系统加上发电机的原动机和力能部分称为动力系统。整个动力系统除电力系统外，还包含热能、水能或其他能源的动力设备和热力用户。如图31所示。

四、联合电力系统

一般将发电机、电力网和用电设备组成的整体称为电力系统。若将两个或两个以上的小型电力系统用电网连接起来并联运行，便组成了地区性的电力系统。进一步把这些地区性的电力系统用电网连接起来，就组成了联合电力系统。组成联合的电力系统在技术上和经济上都有很大的优越性，归纳起来，有如下几个方面。

1.提高供电的可靠性和电能质量

由孤立发电厂供电时，在电厂内很难建立起足够的备用容量。因此，当有的机组检修，另一机组发生故障时，就会影响对用户的连续供电。但在大的电力系统内，即可建立足够的备用容量，备用机组的台数较多。这样，个别机组发生故障对系统的影响较少，而几台机组同时发生故障的机会也很少，因此提高了供电的可靠性。

由于联合电力系统容量较大，个别负荷的变动，即使是较大的冲击负荷，也不会造成电压和频率的明显变化，仍能保持稳定，从而保证了电能质量。

2.可减少系统的装机容量，提高设备利用率

由于不同地区之间，东西有时差，南北有季节差，再加上负荷性质的不同，所以电力系统中各个用户的最大负荷出现的时间就不同。因而在联合电力系统中，综合起来的最大负荷将小于各个用户最大负荷相加的总和。由于系统中最高负荷的降低，相应的就可以减少系统中总的装机容量。

一般为了保证供电的可靠性，必须在发电厂内建立起必要的备用容量。对于孤立运行的电力系统，则必须在每个系统中均建立起备用容量，其数值通常应等于该系统总容量的10%～15%，且不小于一台最大机组的容量。但是，在联合电力系统中各电厂的机组可错开时间进行检修，当某些电厂的机组发生故障时，可由系统中其他机组支援，这样系统中的总备用容量，比各个孤立系统备用容量的总和可以减少一些。

因此，组成联合电力系统后，在用电量一定时，可以减少总的装机容量。在总的装机容量一定时，可以提高设备的利用率，增加供电量。

3.便于安装大型机组，降低造价

系统中火电机组的经济装机容量与电力系统总容量及负荷增长速度等因素有关。一般在100万kW以上的电力系统中，最经济的机组容量应为系统容量的6%～10%左右，1000万kW以上的电力系统中，最经济的机组容量为系统容量的4%～6%左右，对于容量较小的电力系统，当负荷增长较快时，最经济的机组容量为系统容量的20%左右。机组容量小于这个比例时不经济，超过这个比例会造成运行和检修的困难。由于联合电力系统容量大，按照比例可装设容量较大的机组，而大型机组每1kW设备的投资和生产每1kW·h电能的燃料消耗以及维修费用，都比装设小机组便宜，因而可节约基建投资、减少煤耗、降低成本和提高劳动生产率。

4.充分利用各种动力资源，提高运行的经济性

有很多能源，如风力，潮汐、太阳能和原子能等都可以用于发电，如果这些电站与系统连接，将被充分利用。

水力资源取决于河流的水文情况，受气候条件的影响，而河流的天然流量，往往不能与电力用户的需要相配合，在夏季丰水期，水量较多，而用电较少，在冬季枯水期，水力资源较少，但此时电力负荷通常反而增高。若水电站孤立运行，则形成冬季出力不足，夏季却要弃水，使水力资源不能得到充分利用。如果水电站与电力系统相连接，由于电力系统有很多火电站，这样在丰水期可让水电站满发，而减少火电站的负荷，在枯水期则让火电站担负基本负荷，而让水电站担负尖峰负荷。此外，火电厂之间还可以经常使高效率和运行最经济的发电机组多带负荷；效率很低或燃烧优质煤的机组少带负荷。这样就可以充分利用水力资源，降低火电厂的煤耗，从而降低了电能成本，提高运行的经济性。

以上这些优点，说明了建立联合电力系统的必要性。

五、电力系统组成

（一）发电厂

发电厂是电力系统的中心环节，它是将其他形式的能源转换为电能的工厂。根据采用的一次能源种类不同，发电厂分为火力发电、水力发电、原子能发电、太阳能发电、风力发电、潮汐发电、抽水蓄能发电等类型。

1.火力发电

（1）火力发电一般又可按以下类型分类：①按燃料分类有：燃煤发电厂、燃油发电厂、燃气发电厂、余热发电厂；②按原动机分类有：凝汽式汽轮机发电厂、燃气轮机发电厂、内燃机发电厂和蒸汽—燃气轮机发电厂；③按供出能源分类有：凝汽式发电厂、热电厂；④按发电厂的容量大小分类有：小容量发电厂，其装机容量在100MW及以下的发电厂；中容量的发电厂，其装机容量在100～250MW范围内的发电厂；大中容量的发电厂，其装机容量在250～600MW范围内的发电厂；大容量发电厂，其装机容量在600～1000MW范围内的发电厂；特大容量发电厂，其装机容量在1000MW以上的发电厂。

（2）火力发电流程。以凝汽式火电厂为例，说明火力发电流程如下：

燃料燃烧的热能—锅→炉高温高压水蒸气—气——轮机→机械能—发——电机→电能—变——压器→电力系统

（3）火力发电特点。优点是厂址布局灵活，建设速度快，投资少；缺点是会产生污染和运行费用较高。提倡建设紧靠煤矿的矿口电厂，建设热、电合供的热电厂和工业企业自备的热电联产电厂。

2.水力发电

（1）水电站一般可分为以下类型：

1）堤坝式水电站。在河流中落差较大的适宜地段拦河建坝，形成水库，以提高坝前后的水头。

2）引水式水电站。将坡降较小的弯曲弧形河段用直线形引水管道将落差集中，引水入厂房中的水轮发电机发电，其尾水泄入河的下游。

3）抽水蓄能式水电站。有高位和低位两个水库，安装既可抽水又能发电的可逆式两用机组，在高峰负荷时，机组作为水轮机—发电机组，将高位水库的水放下来通过机组发电，为电力系统供电；当低谷负荷时，可逆机组则作为电动机—水泵机组，用系统的电能将低位水库的水抽到高位水库中蓄能，以便在系统的用电高峰时，再用高位水库的水来发电。

（2）水力发电流程。水力发电的方式很多，但其基本生产流程是相同的，即拦河建坝

集中落差的水能—水——轮机→机械能—发——电机→电能—变——压器→电力系统。

（3）水力发电特点。优点是发电成本低、效率高，不会产生污染，可综合利用水资源，运行灵活，水能可储蓄和调节；缺点是建设周期长，投资大，水电站的建设受自然条件的限制。

3.原子能发电

原子能发电是指原子核裂变所释放出的巨大核能，可分为两种：一种是重金属元素如铀、钚等的原子核发生裂变放出巨大能量，称为裂变反应；另一种是轻元素，如氢的同位素氘和氚等的原子核聚合成较重的原子核如氦，放出巨大的能量，称为聚变反应。原子能发电厂即核电厂主要是采用受控核裂变式，利用铀235被中子轰击发生原子核裂变放出的能量作为热源，由水或气体作为冷却剂带出热能，在蒸汽发生器中把水加热变为蒸汽，推动汽轮发电机作功发出电能。

原子能发电的优点是发电成本低，无烟尘污染，所耗用的燃料很少；缺点是建造的成本很大。

4.太阳能发电

太阳能是比水资源更为可靠的、取用不尽的能源，特别是在少雨地区，太阳能的开发利用具有重要意义。

太阳能发电分为利用太阳热能发电和利用太阳光能发电两大类：①太阳热能发电是将太阳热能集中起来加热介质（水），用水蒸气推动汽轮发电机发电；②太阳光能发电是将太阳光能直接分配给高效光电池，产生直流电并经逆变后送到用户。

其优点是一种最清洁、最廉价的能源，取之不尽，用之不竭；缺点是占地面积大，造价高，受天气和纬度的影响大。

5.风力发电

风力发电是以自然界的风为动力，驱动发电机发电，风力发电要求风速大而稳定。我国内蒙、西北和沿海地区的风能资源丰富，已有不少中、小型风力发电站在运行。德国、荷兰、丹麦、英国、美国等国家风力发电比较发达。近年来，不少国家已经有采用风能与太阳能混合发电的装置。

其优点是发电成本低，无污染，适合分散安装；缺点是设备安装投资大，运行受自然界的影响大。

6.潮汐发电

潮汐发电是利用海水潮汐涨落时海水水位的升降落差推动水轮发电机组发电。由于太阳和月亮对地球表面不同位置的引力不相平衡，使海水形成有规律升降的潮汐现象，海水有规律的运动形成大量的动能和势能，称为潮汐能。

其优点是发电成本低，无污染；缺点是受外界环境影响大。7.抽水蓄能发电

作为一种特殊形式的水电站，抽水蓄能电站一般利用电力系统多余的电量（汛期、假期或后半夜低谷电量）把水由下库抽到上库，在高峰负荷时放上库之水来发电，具有调峰填谷的双重作用，是电力系统最理想的调峰电源。此外，它还可以调频、调相、调压和作为备用，对保障电网的安全优质运行和提高系统经济性具有重大作用。

抽水蓄能电站的优点是其在短时间负荷高峰时调峰作用巨大，其启动及出力变化快，可保证电网的供电可靠性，提高电网的供电质量。缺点是建设地点受许多限制，投资大，建设周期长，上网电价高。

截至2013年底，全国已建成投产的抽水蓄能电站，总装机容量为2154.5万kW，占全国电力装机容量的2.5%，我国新一轮抽水蓄能电站规划选点工作基本完成，22个省（区）共规划59个站点，总装机容量7705万kW。

（二）变电所

变电所是电力网中线路的连接点，是用以变换电压、交换功率和汇集、分配电能的设施。变电所中有电力变压器，配电装置，控制、保护、测量、信号和自动装置，通信设施，以及直流电源等。因平衡无功、系统稳定和限制过电压等工作需要，还装设并联电容器、并联电抗器、静止无功补偿装置、串联电容补偿装置、同步调相机等。

1.电力变压器

变压器是变换电压的设备，它连接着不同电压的配电装置，习惯上称为变电所的主变压器。凡降低电压向地区或客户供电的变压器称作降压变压器；凡升高电压向电力网送电的变压器称作升压变压器。变电所中有两种或三种电压的配电装置时，则分别采用双绕组或三绕组变压器。在发电厂中，发电机均连接在升压变压器的低压绕组上。

2.配电装置

配电装置是指交换功率、分配电能的电气装置的组合设施，包括母线、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器和避雷器等。配电装置是按照变电所电气主接线的要求进行布置的，其布置方式有屋外式和屋内式两种，屋外式布置又有中型、半高型和高型等不同型式。6～10kV配电装置通常采用屋内式，农村简易变电所可采用屋外式。35kV配电装置可以根据具体情况采用屋内式或屋外式，110kV及以上配电装置一般采用屋外式。在污秽地区或场地狭窄处，110～220kV配电装置则采用屋内式。气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）则同时具有占地少和防污秽等优点，它也有屋内式和屋外式两种。

3.控制、测量、信号、保护和自动装置

它们是保证电气设备安全运行的监控和保护手段。控制方式有一对一控制和选线控制等。保护有主设备保护和线路保护、母线保护等几类。测量有常规测量和选择测量两类，可显示各种所需监测的电气量。信号有声响信号和灯光信号两种，也有强电和弱电之分。当电气设备出现不正常运行情况时，自动装置就能及时完成保证安全运行的操作。

4.通信装置

通信装置有微波通信、载波通信和光纤通信几种，是作为变电所的调度语音通信、远动和保护信号以及远动数据的传输通道。

5.补偿装置

电力网要求无功功率就地平衡，为了平衡变电所供电范围内的无功功率，在变电所内装设并联电容器组或同步调相机；为了补偿远距离输电线路的充电功率，需要在变电所内装设并联电抗器；为了增强系统的稳定性，提高线路输电能力，有时还需要在变电所中装设串联电容器组。

（三）输配电线路

电力线路是电力网的主要组成部分，其作用是输送和分配电能。电力线路一般可分为输电线路（又称送电线路）和配电线路。

1.输电线路

架设在发电厂升压变电所与地区变电所之间的线路以及地区变电所之间的线路，称为输电线路。其作用是用于输送电能。输电线路输送容量大，送电距离远，线路电压等级高，是电力网的骨干网架。

目前我国输电线路主要有两种形式：

（1）交流架空输电线路：目前国内最高电压等级为1000kV，也称为超高压输电线路。超高压输电线路采用分裂导线，扩大了每相导线的等值半径，减少感抗，提高系统并列运行的稳定性，还可节约金属材料。

（2）直流输电线路：直流输电是将三相交流电经换流站整流变为直流电，将直流电通过直流输电线路送至受电端的换流站，再逆变为三相交流电。在20世纪90年代就已投入运行的葛—上±500kV直流输电线路将华东、华中两大电网连在一起。天生桥至广州的±500kV直流输电标志着我国电网已进入大机组、大电网、交直流超高压输电的新阶段。

2.配电线路

从发电厂或电力系统中负荷中心变电站到用户变电所之间的线路，以及为城市、乡镇用户供电的线路称为配电线路。其作用是用于分配电能。配电线路分为高压配电线路

（35～220kV）、中压配电线路（3kV、6kV、10kV、20kV）及低压配电线路（220/380V）。

将多条配电线路以一定的技术条件构成的网络称为配电网。

（四）电力用户

凡经供电企业注册、登记的电力使用者（单位或个人），称为电力用户。在配电网中，供电企业管辖范围至供、用双方产权分界点，分界点电源侧属公用电网。分界点用户侧的电网，称为电力用户内部电网。