目录 第二版前言 第一章电力系统的基本概念 第一节电力系统中电源的构成 1 第二节动力系统与电力系统 7 第三节电力系统的负荷 9 第四节电力系统运行的特点及要求 12 第五节电力系统的电压等级 13 第六节我国电力工业的发展简史 15 第二章电力系统的接线方式 18 第一节 电力网的接线… 18 第二节 发电厂和变电所的电气主接线 20 第三节 电力系统中性点的运行方式 31 第四节 直流输电 34 第三章电气设备及配电装置 42 第一节 同步发电机的运行 42 第二节 电力变压器的运行 45 第三节 高压断路器 50 第四节 隔离开关和电抗器 54 第五节断路器的控制与信号接线 57 第六节各类配电装置… 59 第四章电力系统元件的电气参数及等值电路 69 第一节电力线路的结构……… 69 第二节电力线路的电气参数及等值电路 75 第三节电力变压器的电气参数及等值电路 81 第四节发电机、电抗器、负荷的参数及等值电路 86 第五节电力系统的等值电路…… 88 第五章简单电力系统的潮流计算 103 第一节电力系统潮流计算和分析的基本内容 103 第二节辐射形网络的潮流计算 113 第三节两端供电网的潮流计算 121
第四节环形网络中的潮流计算 127 第五节电力网络潮流的调整控制 132 第六节远距离输电的稳态运行特性 138 第六章复杂电力系统潮流的计算机算法 143 第一节复杂电力网络的数学模型 143 第二节 功率方程、节点分类及约束条件 147 第三节高斯—塞德尔迭代法潮流计算 150 第四节牛顿一拉夫逊法潮流计算 156 第五节P-Q分解法潮流计算 172 第七章电力系统有功功率的最优分配与频率调整 179 第一节 概述 179 第二节发电机组的耗量特性 183 第三节电力系统有功功率的最优分配 184 第四节电力系统负荷及电源的频率静态特性 198 第五节电力系统的频率调整 203 第八章电力系统的无功功率与电压调整 214 第一节电力系统无功功率的平衡 214 第二节电力系统无功功率的经济分布 219 第三节电力系统的电压调整 223 第九章电力系统静态稳定 244 第一节基本概念…… 244 第二节同步发电机组的机电特性 245 第三节简单电力系统的静态稳定 253 第四节负荷的静态稳定 255 第五节用小干扰法分析简单电力系统的静态稳定 260 第六节调节励磁对电力系统静态稳定的影响 263 第七节多机电力系统静态稳定的近似分析 271 第八节提高电力系统静态稳定的措施 277 第十章电力系统暂态稳定 281 第一节概述 281 第二节简单电力系统暂态稳定的分析与计算 282 第三节自动调节系统对暂态稳定的影响 295 第四节复杂电力系统暂态稳定的计算 297 第五节提高电力系统暂态稳定的措施 300 参考文献………………… 307
第一章电力系统的基本概念 能源是社会生产力的重要基础。随着社会生产的不断发展,人类使用的能源不仅在数 量上越来越大,在品种及构成上也有了很大变化。 18世纪蒸汽机的发明使人们掌握了把热能转变成机械能的技术,导致了具有划时代 意义的工业革命。电能出现以后,由于它具有能量间转换容易、输送方便、控制灵活以及 洁净、经济等优点,从19世纪70年代开始已由电动机械逐步取代了蒸汽机,使人类社会 进入了电气化的新时期,促使生产力得到空前的发展。如今,电能已成为工业、农业、国 防、交通等国民经济各部门不可缺少的动力,成了改善和提高人们物质、文化生活的重要 因素,并且一个国家电力工业的发展水平已是反映其国民经济发达程度的重要标志之 第一节电力系统中电源的构成 煤炭、石油、天然气、水利等随自然界演化生成的动力资源是能量的直接提供者,称 为一次能源。电能是由一次能源转换而成,称为二次能源。 发电厂是生产电能的核心,担负着把不同种类的一次能源转换成电能的任务。依据使 用的一次能源的不同,发电厂被分成许多类型。例如:燃烧煤、石油、天然气发电的火力 发电厂,利用水能发电的水力发电厂,利用核能发电的核动力电厂等。目前全世界的电源 构成中,火力发电设备容量占的比重最大,超过70%,水力发电设备容量约占20%,核 能发电设备容量则不足10%,火力发电是主要的发电方式。 火力发电消耗的煤、石油、天然气是几亿年形成的矿物资源,它们不仅是能量的提供 者,还是很珍贵的化工原料。为了节约这些有多种用途的重要资源,除了积极发展水力发 电、核动力发电之外,还正在开发新的能源。如潮汐发电、地热发电、太阳能发电、风力 发电等方面都取得了有成效的进展。目前全世界的地热发电设备容量已达到200多万 kw,潮汐发电厂的单机容量也达到20万kW,我国也投产了容量较大的潮汐电厂,利用 太阳能、风能的小容量试验电厂近年也投入了运行。除了传统的发电方式外,为了提高能 源资源的利用率,正在开展新型发电方式的研究,比较引人注意的有磁流体发电机、燃料 电池等。当然,用新能源发电和新的发电方式在技术上尚不成熟,在经济上花费也太昂 贵,因此尚不能与传统的发电方式媲美。但是,随着技术的不断进步和能源资源构成的不 断改变,它们必将逐步被用于生产。 、火力发电厂 火力发电厂分为燃烧煤,燃烧石油和天然气的电厂,欧美国家燃油电厂较多,但受世 界石油危机和油价波动等影响,建设燃煤电厂的数量也日趋增多。从目前我国能源资源的 实际构成情况以及为了发挥资源的最佳经济效益出发,一般不建燃油电厂,而尽量发展燃 煤电厂和水电厂
火电厂又可分为凝汽式火电厂和热电厂,凝汽式火电厂是单一生产电能的火电厂,而 热电厂是既生产电能、又向用户提供热能。热电厂由于供热距离不能很远,一般建在邻近 热负荷的地区,容量也不大。凝汽式火电厂则可建在燃料基地,称为坑口电厂。 下面以燃煤电厂为例,阐明火电厂的生产过程和使用的主要设备。图1-1为一个凝汽 式火电厂生产过程示意图。 原煤从煤矿运到电厂后,先进人原煤仓,随后由输煤皮带运进原煤斗,从原煤斗落入 球磨机中被磨成很细的煤粉,再由排粉机抽出,随同热空气送人锅炉的燃烧室进行燃烧。 燃烧放出的热量一部分被燃烧室的水冷壁吸收,一部分加热燃烧室顶部和烟道人口处的过 热器中的蒸汽,余下的热量则被烟气携带穿过省煤器、空气预热器传递给这两个设备内的 水和空气。烟气经过除尘器净化处理,由吸风机导入烟囱,并被排入大气。燃烧时生成的 灰渣和由除尘器收集下来的细灰,用水冲进灰沟排出厂外。 燃烧用的助燃空气,经送风机进入空气预热器中加热,加热后,一部分被送往磨煤机 作为干燥和运送煤粉的介质,大部分送入燃烧室参与助燃。 水、蒸汽是把热能转化成机械能的重要工质。净化后的给水,先送进省煤器预热,继 而进入汽包后再降入水冷壁管中吸收燃烧室的热能后蒸发成蒸汽。蒸汽通过过热器时再次 被加热,变为高温高压的过热蒸汽,以后经主蒸汽管道进人汽轮机膨胀做功,推动汽轮机 转子转动将热能转变为机被能。做完功的蒸汽在凝结器中被冷却凝结成水,凝结水经除氧 器去氧,加热器加热后再用给水泵重新送人省煤器预热,以便作为工质继续循环使用。 凝结器需要的冷却水由循环水泵送入,冷却水在凝结器中吸热以后,流回冷却塔散 热,然后,再进入循环水泵。 汽轮机转子转动带动发电机转子旋转,在发电机中把机械能转换成电能。发电机发出 的电能经过变压器升高电压后送入高压电力网。 在凝汽式火力发电厂中,由于做过功的蒸汽(称为乏汽)中仍含有热量,被凝结成水 时,这些热量基本上被循环水带出变成热损失,因而这种类型电厂效率不高,先进的电厂 其效率也不过37%~40%,凝汽式火力发电厂生产过程见图1-1。 热电厂效率较高,可达60%~70%,但是受热负荷等条件的限制,建热电厂的数量 有限。提高凝汽式电厂效率的有效途径是尽量采用高温度、高压力的蒸汽参数和大容量的 汽轮机一发电机组。 二、水力发电厂 由于水能不仅是价廉的能源,又是一种用之不竭的可再生能源,因此建设水力发电 厂,用水的位能发电,可给国民经济带来巨大效益。 水电厂的发电容量(功率)P与河流上、下游的水位差(落差)H和水的流量Q成 正比,可用下式表示 P=9.81n QH 式中P发电容量,kW; Q—水流量,m3/s; H——水的落差,m;
过热蒸 过热器 下给厂 省煤器 轮机器 发电机 热空气 预热器 的磁机 凝结水桌给水泵 冲灰沟 送往灰场 图-1凝汽式火电厂生广过程示意图 7—水轮机组的效率 为了充分利用水能,人们针对河流的自然条件建造适合于河流特点的水工建筑物,以 期能得到尽可能大的水的落差。按集中落差方式不同,水电厂的开发方式分为堤坝式、引 水式及混合式三类。 堤坝式水电厂是用拦河筑坝方式建成水库以维持高水位。堤坝式水电厂又可分为坝后 式和河床式两种型式。 坝后式水电厂单独筑坝,坝身高,水位也高,厂房建在坝后,不承受水压,如图1-2 所示。坝后式在我国应用较多,如三门峡、刘家峡、白山、丹江口等水电厂均属此类。 河床式水电厂适用于河床平缓地区,由于落差小,将厂房和坝建在一起,构成拦河建 筑物的一个组成部分。葛洲坝水电厂、西津电厂属于这一类。 在河流上游,当河床坡度较大时,宜于修建隧洞和渠道以获取最大落差,利用这种方 式修建的水电厂称为引水式水电厂如图1-3所示。引水式水电厂不建坝或只建低坝,该坝 只起壅水作用,落差靠引水渠道或隧洞形成 根据河流特点也可建造兼有堤坝式和引水式两种特点的水电厂,称为混合式水电厂 无论哪一类水电厂,均是通过压力水管把水引入水轮机的螺旋形蜗壳,推动水轮机转 子旋转,带动发电机转动,把机械能变为电能。由上可见,水电厂的生产过程远比火力发 电厂简单。 有时根据自然条件将河流分成若干段,每段各自建立水电厂,上游的水发电后放入下 游,供下游各水电厂继续发电,这种电厂称为梯级水电厂 有些水电厂在下游增设一个大的储水池,白天电力系统负荷处于高峰时电厂发电,并 把发过电的水存人储水池,夜间低负荷时把储水池内的水再抽回水库,这一过程是把电能
图12堤坝式水电厂示意图 图13引水式水电厂枢组布置图 耗电)再变成水的位能,以备下一天白天负荷高峰时再发电。这种可起调峰作用的水电 厂称为抽水蓄能电厂 我国水利资源丰富,据调查全国水利资源蕴藏量用于发电可达68亿kW。特别是黄 河、长江水系集中了我国的主要水利资源,仅就三峡而言,水位可达200m,年平均流量 14300m3/。现已开工兴建的三峡水利枢纽工程,坝高185m,水头175m,在防洪、通航、 发电等方面都有重大效益。三峡水力发电厂将装设26台水轮发电机组,每台额定容量 700MW,总装机容量最后可达182GW,能为国民经济建设提供巨大电力
三、核能电厂 核能是一种新的能源,也是可望长期使用的能源。所以,自1954年世界上第一座核 电厂投入运行以来,许多国家纷纷建设核电厂,与其他类型的电厂比较,核电厂建设投产 的速度较快。 核能的获得有两个途径:一是用带有一定能量的中子撞击重金属元素的核,如铀、钚 的核。核吸收中子之后变为具有激发能的复合核。激发能使复合核中的静电斥力大于核引 力时,原子核就发生分裂,因此要放出裂变能,产生2至3个新中子,并放射出射线。如 果产生的新中子至少有一个再能引起其他核也发生裂变,裂变就能持续进行,形成所谓链 式反应。裂变过程中放出的裂变能就是可利用的核能。另外一种是使不同的轻元素的原子 核进行聚合,形成一个新原子核,在聚合过程中要放出所谓聚合能,例如氘和氚聚合成氮 放出能量 反应堆是核电厂的核心,它是一个可以被控制的核裂变装置。若反应堆以铀235为燃 料,用减速后的低中子(热中子)撞击原子核产生裂变时,称为热中子反应堆,这是目前 应用较普遍的核能发电型式。当以铀238或钚239为燃料,用裂变产生的高速高能中子引 起原子核裂变时,则称为快中子反应堆。利用快中子反应堆能节省大量核燃料,效率比热 中子反应堆高约100倍,个别国家已建成此类型式的可供工业使用的电厂。 核裂变时产生的是快速、高能中子,为了使其变成慢中子需要慢化剂将其减速,根据 采用的慢化剂的不同,热核反应堆又分为许多种,使用最多的有两种:①利用高压水做慢 化剂的所谓压水堆;②利用沸腾水做慢化剂和冷却剂的沸水堆,用这两种反应堆的核电厂 结构如图14和图1-5。 按照把热量从反应堆导人汽轮机 混凝土防护壳 的方式不同,该电厂又分为单回路系 统与双回路系统两种。图15为单回 反座堆母压器 控制棒 路系统核电厂,水在反应堆内被加热 汽轮机 后,沸腾并被蒸发成压力为686 J凝结器 10-7.85×10Pa,温度为280~ 水加热器礙结水泵 290℃的蒸汽,经过管道直接送入汽 轮机做功。做功之后的乏汽在凝结器 中冷却成水后,再用水泵送回反应 图1-4压水堆核电厂示意图 堆。为防止水汽化后造成污染,除反 应堆设有混凝土防护层外,全部热力设备及管道也用防护层屏蔽。双回路系统如图1-4所 示,它由一回路及二回路两部分组成,各自独立循环。一回路的冷却水在堆内不汽化,出 口压力保持为147×107-1.57×10Pa、温度为310~320℃。蒸汽发生器中的汽压为 4.90×10°~5.88×105Pa、温度为250~260℃。一回路用防护层严格屏蔽,二回路无活性 污染不加屏蔽。 人们普遍担心核电厂的放射性污染,经世界各国几百座核电厂和我国秦山及大亚湾核 电站的实际运行表明,如安全防护措施搞的好,是不会有放射污染的
1kg标准煤含的热量是3×10J, 而1kg铀235裂变产生的热能为 汽轮机 7.95×10J,相当于2700t标准煤 反应堆 凝结器 可见用核能电厂代替火力发电厂将能 大量节约煤炭。 给水泵给水加热器软化器 四、其他能源发电 (一)地热电厂 图15沸水堆核电厂示意图 地下水在地表深处被加热成蒸汽 或热水即构成了地热资源。根据地质 条件不同,热水温度约在几十至几百度,如我国西藏羊八井地热电厂水温约150℃。利用 这种低温热能发电有以下两种方式 (1)通过减压扩容法将地下热水变为低压蒸汽,供汽轮机做功,如图1-6所示。地下 热水经除氧器除氧后,送至第一级扩容器扩容,产生的蒸汽送入汽轮机高压级,未被汽化 的水再进人二级扩容器,由于产生的蒸汽压力低于第一级,所以送入汽轮机的中压级做 (2)用地下热水加热低沸点的特殊工质,使其变成气体对汽轮机做功。低沸点工质有 氟里昂12(常压下沸点为11.7℃)、异丁烷等。图1-7是异丁烷做工质的两级双流地热发 电系统。 地球内部蕴藏的热能极大,估计全世界可开采的地下热能就相当于几万亿吨煤,开发 利用地热资源的前景是非常广阔的。 次汽 蒸发器 汽轮机 汽轮机 发电机 次扩容器 二次汽 扩容礙结器 冷却水泵 汽 热水① 异烷 图1-6二级扩容地热发电系统 图17二级双流地热发电系统 (二)潮汐电厂 海水涨潮、落潮包含着巨大的动能和势能。估计世界上这一能量的发电储备有10亿 kW,我国也有1.1亿kW。利用这种能量发电就是所谓潮汐电厂。潮汐发电厂需要建设
拦潮堤坝,因而要求一定的地形条件、足够的潮汐 潮差和较大的容水区。理想的建厂地点是海岸边或 海峰 河口地区,可以拦蓄较大水量,少花费投资。 控制闸E 图18是一个仅有一个水库的双向潮汐电厂示意 控制闸C 控制A 图,涨潮时及退潮时均可发电。涨潮时打开闸门A、 ←涨 H潮水引人厂内发电。当涨潮将结束前,开启所有 厂房 1ooo■} 闱门储水,让水库储满。退潮后只开C、D闸门放水 退潮 进行发电。 叶控制闸D 控制B (三)风力发电 控制闭F 国外比较重视风能发电,100kW以下的风力发 电机组已有成熟的制造技术和运行经验。我国自60 年代以来,研制风力发电机组,现已能做10kW以图J8单水库双向潮汐电厂 下的定型产品。风能取之不尽,但质量差、调速困 难。为了取得稳定的电能,一般与善电池并联运行,大型风力发电机的研制方向是提高运 行可靠性和降低成本。 第二节动力系统与电力系统 在电力工业发展的初期,发电厂都建在电能用户的附近,电厂的规模很小,而且是弧 立运行的。但是,发电用的动力资源和电能用户往往不在一个地区,水能资源集屮在河流 的水位落差较大的偏远山区,燃料资源则集中在产煤、石油、天然气的矿区。而大城市、 大工业和其他用电大户,可能与动力资源地区相距甚远。水电只能通过高压输电线路把电 能送到用户地区才能得到充分利用。火电厂虽然能通过燃料运输在用电地区建厂,但随着 机组容量的增大,远距离大量运输燃料常常不如输电经济。于是就出现了所谓坑口电厂, 即把火电厂建在矿区,通过升压变电站、高压输电线、降压变电站把电能送到离电厂较远 的用户地区。水电厂则更要经过远距离输电才能把电能输送到负荷中心。随着高压输电技 术的发展,在地理上相隔一定距离的发电厂就逐步联系起来并列运行,其规模越来越大, 开始是在一个地区之内,后来发展到地区之间互相联系,形成庞大的系统。 发电厂、变电所、电能用户之间用电力线路连接起来,发电厂与热能用户之间用热力 管道联系起来,构成电能和热能的统一生产、输送、分配和使用的总体称为动力系统。作 为动力系统的一部分,包括发电厂的发电机、升压及降压变电所、电力线路及用电设备则 称为电力系统。而电力系统的一部分,包括变电所及不同电压等级的电力线路称为电力 动力系统、电力系统和电力网的实际划分可参看图19。电力系统并网运行在技术和 经济上有十分明显的优越性,其优点主要有以下几个方面。 1.减少系统总备用容量的比重 电力系统在运行中难免有些发电机要发生故障,有些发电机要停机检修。如果电力系
动力部分发电机 电力 用电设备 域电力网 地方电力网 汽轮机 汽轮机 2 水轮机 88 电力系统 动力系 图19动力系统与电力系统示意图 1一热力网;2—变压器;3鱼荷;4一高压电动机; 照明负荷;6—低压电动机 统中的总装机容量正好等于该系统的最大负荷,则当某一机组发生故障停运时,势必引起 对一部分用户停电,给用户造成损失。为避免这种情况发生,一般都是使装机容量稍大于 最大负荷,这部分富余容量就称为备用容量。由于备用容量在电力系统中是可以通用的, 所以电力系统容量越大,所需的备用容量在系统总装机容量中占的百分比就越小c 2.可以釆用高效率的大容量机组 大容量发电机组效率高,节省原材料,建设占地少,运行经济。但是孤立运行的电厂 或者总容量较小的电力系统,因为没有足够的备用容量,不允许采用大机组,否则一旦大 机组因事故或因检修退出工作,将被迫造成用户停电,给国民经济带来损失。大电力系 统,特别是大型联合电力系统,拥有足够的备用容量,非常有利于采用高效率的大容量机 组。 目前国外已制造投产了130万kW的大型发电机组,我国投人运行的单台发电机组容 量已达60万kW 3.可充分利用水电厂的水能资源 水电厂发电受季节影响较大,在夏、秋丰水期水量过剩,在冬、春枯水期水量短缺