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電力系統介紹

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最后更新:2020-08-31

一、電力系統的構成
一個完整的電力系統由分布各地的各種類型的發電廠、升壓和降壓變電所、輸電線路及電力用戶組成,它們分別完成電能的生產、電壓變換、電能的輸配及使用。

電力系統運行特點:
電能不能大量存儲;各環節組成的統一整體不可分割;過渡過程非常迅速(百分之幾秒到十分之幾秒);電力系統的地區性特點較強;對電能質量的要求頗為嚴格;與國民經濟各部門和人民生活關系極其密切。

電網電壓是有等級的,電網的額定電壓等級是根據國民經濟發展的需要、技術經濟的合理性以及電氣設備的制造水平等因素,經全面分析論證,由國家統一制定和頒布的。
  1.用電設備
  用電設備的額定電壓和電網的額定電壓一致。實際上,由于電網中有電壓損失,致使各點實際電壓偏離額定值。為了保證用電設備的良好運行,國家對各級電網電壓的偏差均有嚴格規定。顯然,用電設備應具有比電網電壓允許偏差更寬的正常工作電壓范圍。
  2.發電機
  發電機的額定電壓一般比同級電網額定電壓高出5%,用于補償電網上的電壓損失。
  3.變壓器
  變壓器的額定電壓分為一次和二次繞組。對于一次繞組,當變壓器接于電網末端時,性質上等同于電網上的一個負荷(如工廠降壓變壓器),故其額定電壓與電網一致,當變壓器接于發電機引出端時(如發電廠升壓變壓器),則其額定電壓應與發電機額定電壓相同。對于二次繞組,額定電壓是指空載電壓,考慮到變壓器承載時自身電壓損失(按5%計),變壓器二次繞組額定電壓應比電網額定電壓高5%,當二次側輸電距離較長時,還應考慮到線路電壓損失(按5%計),此時, 二次繞組額定電壓應比電網額定電壓高10%。

二、電力系統的額定電壓
  電網電壓是有等級的,電網的額定電壓等級是根據國民經濟發展的需要、技術經濟的合理性以及電氣設備的制造水平等因素,經全面分析論證,由國家統一制定和頒布的。
  1.用電設備
  用電設備的額定電壓和電網的額定電壓一致。實際上,由于電網中有電壓損失,致使各點實際電壓偏離額定值。為了保證用電設備的良好運行,國家對各級電網電壓的偏差均有嚴格規定。顯然,用電設備應具有比電網電壓允許偏差更寬的正常工作電壓范圍。
  2.發電機
  發電機的額定電壓一般比同級電網額定電壓高出5%,用于補償電網上的電壓損失。
  3.變壓器
  變壓器的額定電壓分為一次和二次繞組。對于一次繞組,當變壓器接于電網末端時,性質上等同于電網上的一個負荷(如工廠降壓變壓器),故其額定電壓與電網一致,當變壓器接于發電機引出端時(如發電廠升壓變壓器),則其額定電壓應與發電機額定電壓相同。對于二次繞組,額定電壓是指空載電壓,考慮到變壓器承載時自身電壓損失(按5%計),變壓器二次繞組額定電壓應比電網額定電壓高5%,當二次側輸電距離較長時,還應考慮到線路電壓損失(按5%計),此時, 二次繞組額定電壓應比電網額定電壓高10%。

三、電力系統的中性點運行方式
  在電力系統中,當變壓器或發電機的三相繞組為星形聯結時,其中性點可有兩種運行方式:中性點接地和中性點部接地。中性點直接接地系統稱為大電流接地系統,中性點不接地和中性點經消弧線圈(或電阻)接地的系統稱為小電流接地系統。中性點的運行方式主要取決于單相接地時電氣設備絕緣要求及供電可靠性。圖1-2列出了常用的中性點運行方式。圖中,電容C為輸電線路對地分布電容。

中性點直接接地方式:當發生一相對地絕緣破壞時,即構成單相短路,供電中斷,可靠性降低。但是,該方式下非故障相對地電壓不變,電氣設備絕緣水平可按相電壓考慮。此外,在380/220V低壓供電系統中,線對地電壓為相電壓,可接入單相負荷。
  中性點不接地方式:當發生單相接地故障時,線電壓不變,而非故障相對地電壓升高到原來相電壓的√3倍,供電不中斷,可靠性高。

四、供電質量的主要指標
  決定用戶供電質量的指標為電壓、頻率和可靠性。
  1.電壓
  理想的供電電壓應該是幅值恒為額定值的三相對稱正弦電壓。由于供電系統存在阻抗、用電負荷的變化和用電負荷的性質等因素,實際供電電壓無論是在幅值上、波形上還是三相對稱性上都與理想電壓之間存在著偏差。
  ?。?)電壓偏差:電壓偏差是指電網實際電壓與額定電壓之差,實際電壓偏高或偏低對用電設備的良好運行都有影響。
  ?。?)電壓波動和閃變:電網電壓的均方根值隨時間的變化稱為電壓波動,由電壓波動引起的燈光閃爍對人眼腦的刺激效應稱為電壓閃變。當電弧爐等大容量沖擊性負荷運行時,劇烈變化的負荷電流將引起線路壓降的變化,從而導致電網發生電壓波動。
  ?。?)高次諧波:當電網電壓波形發生非正弦畸變時,電壓中出現高次諧波。高次諧波的產生,除電力系統自身背景諧波外,在用戶方面主要由大功率變流設備、電弧爐等非線性用電設備所引起。高次諧波的存在降導致供電系統能耗增大、電氣設備絕緣老化加快,并且干擾自動化裝置和通信設施的正常工作。
  ?。?)三相不對稱:三相電壓不對稱指三個相電壓的幅值和相位關系上存在偏差。三相不對稱主要由系統運行參數不對稱、三相用電負荷不對稱等因素引起。供電系統的不對稱運行,對用電設備及供配電系統都有危害,低壓系統的不對稱運行還會導致中性點偏移,從而危及人身和設備安全。
  2.頻率
  我國規定的電力系統標稱頻率(俗稱工頻)為50Hz,國際上標稱頻率有50Hz和60Hz兩種。由電力系統供電的交流用電設備的工作頻率應與電力系統頻率相一致。為了達到某種特殊目的,有的用電設備需在其它頻率下工作,則可配以專用變頻電源供電,如高頻加熱、電動機變頻調速等。
  當電能供需不平衡時,系統頻率會偏離其標稱值。頻率偏差不僅影響用電設備的工作狀態、產品的產量和質量,更重要的影響到電力系統的穩定運行。
  用戶供電系統的電壓頻率是由電力系統保證的。我國國標規定,電力系統正常頻率偏差允許值為±0.2Hz,當系統容量較小時,偏差值可以放到±0.5Hz。
  3.可靠性
  可靠性即根據用電負荷的性質和突然中斷其供電在政治或經濟上造成損失和影響的程度,對用電設備提出的不允許中斷供電的要求。按照供電可靠性要求,用電負荷分為下列三級:
  ?。?)一級負荷:突然停電將造成人身傷亡,或在經濟上造成重大損失,或在政治上造成重大不良影響者。如重要交通和通信樞紐用電負荷、重點企業中的重大設備和連續生產線、政治和外事活動中心等。
  ?。?)二級負荷:突然停電將在經濟上造成較大損失,或在政治上造成不良影響者。如突然停電將造成主要設備損壞或大量產品報廢或大量減產的工廠用電負荷,交通和通信樞紐用電負荷,大量人員集中的公共場所等。
  ?。?)三級負荷:不屬于一級和二級負荷者。

五、電氣主接線方式
  主接線圖(亦稱原理接線圖)表示電能由電源分配給用戶的主要電路,圖中表示出所有的電氣設備及其聯接關系。
  1、母線制
  常用的母線制主要有三種:單母線制、單母線分段制和雙母線制,工廠供電系統一般不采用雙母線制。
   1)單母線
  單母線制如下圖所示,一般用于只有一回進線的情況。
   2)單母線分段制

六、電力系統的穩定
 ?。?)電力系統的靜態穩定是指電力系統受到小干擾后不發生非周期性失步,自動恢復到起始運行狀態。
(2)電力系統的暫態穩定是指系統在某種運行方式下突然受到大的擾動后,經過一個機電暫態過程達到新的穩定運行狀態或回到原來的穩定狀態。
(3)電力系統的動態穩定是指電力系統受到干擾后不發生振幅不斷增大的振蕩而失步。主要有:電力系統的低頻振蕩、機電耦合的次同步振蕩、同步電機的自激等。
(4)電力系統的電壓穩定是指電力系統維持負荷電壓于某一規定的運行極限之內的能力。它與電力系統中的電源配置、網絡結構及運行方式、負荷特性等因素有關。當發生電壓不穩定時,將導致電壓崩潰,造成大面積停電。
(5)頻率穩定是指電力系統維持系統頻率與某一規定的運行極限內的能力。當頻率低于某一臨界頻率,電源與負荷的平衡將遭到徹底破壞,一些機組相繼退出運行,造成大面積停電,也就是頻率崩潰。

七、電力系統的負荷
   電力系統的負荷大致分為:同步電動機負荷;異步電動機負荷;電爐、電熱負荷;整流負荷;照明用電負荷;網絡損耗負荷等類型。
1)有功負荷的頻率特性:
同(異)步電動機的有功負荷:與頻率變化的關系比較復雜,與其所驅動的設備有關。
當所驅動的設備是:球磨機、切削機床、往復式水泵、壓縮機、卷揚機等設備時,與頻率的一次方成正比。
當所驅動的設備是:通風機、靜水頭阻力不大的循環水泵等設備時,與頻率的三次方成正比。
當所驅動的設備是:靜水頭阻力很大的給水泵等設備時,與頻率的高次方成正比。
電爐、電熱;整流;照明用電設備的有功負荷:與頻率變化基本上無關。
網絡損耗的有功負荷:與頻率的平方成正比。
2)有功負荷的電壓特性:
同(異)步電動機的有功負荷:與電壓基本上無關(異步電動機滑差變化很?。?。
電爐、電熱;整流;照明用電設備的有功負荷:與電壓的平方成正比(其中:照明用電負荷與電壓的1.6次方成正比,為簡化計算,近似為平方關系)。
網絡損耗的有功負荷:與電壓的平方成反比(其中:變壓器的鐵損與電壓的平方成正比,因所占比例很小,可忽略)。
3)無功負荷的電壓特性:
異步電動機和變壓器是系統中無功功率主要消耗者,決定著系統的無功負荷的電壓特性。其無功損耗分為兩部分:勵磁無功功率與漏抗中消耗的無功功率。勵磁無功功率隨著電壓的降低而減小,漏抗中的無功損耗與電壓的平方成反比,隨著電壓的降低而增加。
輸電線路中的無功損耗與電壓的平方成反比,而充電功率卻與電壓的平方成正比。
照明、電阻、電爐等因為不消耗無功,所以沒有無功負荷電壓靜態特性。

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