電氣工程概論 第3章 電力系統(tǒng)及其自動化應(yīng)用及發(fā)展新技術(shù)

第3章電力系統(tǒng)及其自動化應(yīng)用及發(fā)展新技術(shù)《電氣工程概論》2第3章電力系統(tǒng)及其自動化應(yīng)用及發(fā)展新技術(shù)3.1電力工業(yè)概況及發(fā)展

3.2電力系統(tǒng)組成及設(shè)備

3.3發(fā)電廠分類及應(yīng)用

3.4輸配電系統(tǒng)分類及應(yīng)用

3.5變電站分類及應(yīng)用

3.6供用電技術(shù)

3.7電力系統(tǒng)及其自動化發(fā)展新技術(shù)33.1電力工業(yè)概況及發(fā)展

電力工業(yè)是將煤炭、石油、天然氣、核燃料、水能、海洋能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等一次能源經(jīng)發(fā)電設(shè)施轉(zhuǎn)換成電能，再通過輸電、變電與配電系統(tǒng)供給用戶作為能源的工業(yè)部門。電能的生產(chǎn)過程和消費(fèi)過程是同時進(jìn)行的，既不能儲存，又不能中斷，需要統(tǒng)一調(diào)度和分配。電力工業(yè)為工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)其他部門提供基本動力，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的先行部門。電力工業(yè)主要包括5個生產(chǎn)環(huán)節(jié)：（1）發(fā)電：包括火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能和其他新能源發(fā)電技術(shù)等。（2）輸電：包括交流輸電和直流輸電。（3）變電：變換電壓，包括升壓變電和降壓變電。（4）配電：匯集和分配電能。（5）用電：包括用電設(shè)備的安裝、使用和用電負(fù)荷的控制。電力工業(yè)還包括以下環(huán)節(jié)：規(guī)劃、勘測設(shè)計、施工建設(shè)、運(yùn)行調(diào)度、維護(hù)改造、安全監(jiān)察、科研開發(fā)、設(shè)備制造、教育培訓(xùn)、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、電力營銷（電力市場）等。43.1.1世界電力工業(yè)的發(fā)展歷程1875年，法國巴黎北火車站建成世界上第一座火電廠，為附近照明供電。1879年，美國舊金山實(shí)驗(yàn)電廠開始發(fā)電，它是世界上最早出售電力的電廠。80年代，在英國和美國建成世界上第一批水電站。1913年，全世界的年發(fā)電量為500億kW·h，電力工業(yè)已作為一個獨(dú)立的工業(yè)部門，進(jìn)入人類的生產(chǎn)生活領(lǐng)域。20世紀(jì)30、40年代，美國成為電力工業(yè)的先進(jìn)國家，擁有20萬kW的機(jī)組31臺，容量為30萬kW的中型火電廠9座。同一時期，水電機(jī)組達(dá)5～10萬kW。1934年，美國開工興建大古力水電站，1941年開始發(fā)電，到1980時年裝機(jī)容量為649萬kW，在80年代中期以前一直是世界上最大的水電站。1950年，全世界發(fā)電量增至9589億kW·h，是1913年的19倍。50、60、70年代，平均年增長率分別為9.4%、8.0%、5.3%。1950～1980年，發(fā)電量增長7.9倍，平均年增長率7.6%，約相當(dāng)于每10年翻一番。51986年，全世界發(fā)電總量中水電占20.3%，火電占63.7%，核電占15.6%；其中美國水電占11.4%，火電占72.1%，核電占16.0%；前蘇聯(lián)水電占13.5%，火電占76.4%，核電占10.1%；日本水電占12.9%，火電占61.8%，核電占25.1%；中國水電占21.0%，火電占79.0%。20世紀(jì)70年代，電力工業(yè)進(jìn)入以大機(jī)組、大電廠、超高壓以至特高壓輸電發(fā)展階段，形成以聯(lián)合系統(tǒng)為特點(diǎn)的新時期。1973年，瑞士BBC公司制造的130萬kW雙軸發(fā)電機(jī)組在美國肯勃蘭電廠投入運(yùn)行。蘇聯(lián)于1981年制造并投運(yùn)世界上容量最大的120萬kW單軸汽輪發(fā)電機(jī)組。到1977年，美國已有120座裝機(jī)容量百萬kW以上的大型火電廠。1985年，蘇聯(lián)有百萬kW以上火電廠59座。1983年，日本有百萬kW以上的火電廠32座，其中鹿兒島電廠總?cè)萘?40萬kW，是世界上最大的燃油電廠。此階段，世界上設(shè)計容量最大的水電站是巴西和巴拉圭合建的伊泰普水電站，設(shè)計容量1260萬kW，裝機(jī)容量490萬kW，采用70萬kW機(jī)組，與當(dāng)時運(yùn)行中的世界最大水電站美國大古力水電站的世界最大水輪機(jī)組70萬kW容量相等。總裝機(jī)容量幾百萬kW的大型水電站、大型火電廠和核電站的建成，促進(jìn)了超高、特高壓輸電、直流輸電和聯(lián)合電力系統(tǒng)的發(fā)展。61935年，美國首次將輸電電壓等級從110～220kV提高到287kV，出現(xiàn)了超高壓輸電線路。1952年，瑞典建成二分裂導(dǎo)線的380kV超高壓輸電線路。1959年，蘇聯(lián)建成500kV，長850km的三分裂導(dǎo)線輸電線路。1965～1969年，加拿大、蘇聯(lián)和美國先后建成735、750和765kV線路?，F(xiàn)在美國正研究1100kV和1500kV特高壓輸電，意大利研究1000kV輸電，日本建設(shè)250km長1000kV特高壓線路。高壓直流輸電技術(shù)的研究中，瑞典、美國、蘇聯(lián)分別采用±100、±450、±750kV電壓，后者輸電距離2414km，輸電600萬kW。1989年8月，輸電距離1080km的±500kV中國葛洲壩—上海輸電線路投入運(yùn)行。2014年1月27日和7月3日，哈密南—鄭州和溪洛渡左岸—浙江金華兩條±800千伏特高壓直流輸電工程相繼投運(yùn)。特高壓輸電和直流輸電不僅用于遠(yuǎn)距離大容量輸送電能，而且在工業(yè)大國的聯(lián)合電力系統(tǒng)中或中國統(tǒng)一電力系統(tǒng)中，起著主聯(lián)絡(luò)干線的重要作用。73.1.2中國電力工業(yè)的發(fā)展歷程及成就1882年7月26日，英籍商人R.W.Little等人招股籌銀5萬兩創(chuàng)辦的上海電氣公司開始發(fā)電，該電站安裝1臺16馬力蒸汽發(fā)電機(jī)組，裝設(shè)了15盞弧光燈，電能開始在中國應(yīng)用，幾乎與歐美同步，并略早于日本，中國電力就此開始起步。此后外國資本相繼在天津、武漢、廣州等地開辦了一些電力工業(yè)企業(yè)。為配合新工業(yè)地區(qū)的建設(shè)，中國資本于1905年開始投資電力工業(yè)，以后雖有一定程度的發(fā)展，但增長速度緩慢。解放前，中國發(fā)電量最高年份的1941年只有59.6億kW·h，到1949年中國發(fā)電設(shè)備容量為185萬kW，發(fā)電量只有43.1億kW·h。中華人民共和國成立后，單機(jī)容量60萬kW的火力發(fā)電機(jī)組已開始運(yùn)行；在電站大機(jī)組上，國家對電力工業(yè)進(jìn)行了大量投資，單機(jī)容量100MW以上的火力發(fā)電機(jī)組已達(dá)3094萬kW，電力工業(yè)得到很大發(fā)展。

2007年底，中國電力裝機(jī)容量7億kW。中國220kV及以上輸電線路回路長度33.38萬km，增長17.45%；220kV及以上變電容量達(dá)11.60億kVA，增長19.59%。電力建設(shè)規(guī)模持續(xù)歷史高位水平。8目前中國電力工業(yè)的世界之最：（1）全世界最大電網(wǎng)（2）全世界最大裝機(jī)規(guī)模（3）全世界最高輸電電壓等級（4）全世界最大發(fā)電量（5）全世界最多百萬kW火電機(jī)組（6）全世界最長特高壓直流輸電線路（7）全世界最早運(yùn)行百萬kW級超超臨界空冷機(jī)組（8）全世界最大水電裝機(jī)（9）全世界最大水電站（10）全世界最高雙曲拱壩93.2電力系統(tǒng)3.2.1電力系統(tǒng)的組成

電力系統(tǒng)是由各級電壓的電力線路將發(fā)電廠、變電所和電力用戶聯(lián)系起來的一個發(fā)電、輸電、變電、配電和用電的整體。圖3.1從發(fā)電廠到用戶的送電過程10

電力系統(tǒng)中的各級電壓的電力線路及所聯(lián)系的變電所，稱之為電力網(wǎng)或者電網(wǎng)。電力網(wǎng)由不同電壓等級的輸電線路和變壓器組成，可分為地方電力網(wǎng)、區(qū)域電力網(wǎng)及超高壓遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)三種類型。

(1)地方電力網(wǎng)：電壓為110kV以下的電力網(wǎng)（如35kV、10kV等）。

(2)區(qū)域電力網(wǎng)：電壓為110kV以上的電力網(wǎng)（如220kV）。

(3)超高壓遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)：電壓為330～500kV及以上的電力網(wǎng)。圖3.2電力系統(tǒng)示意圖113.2.2電力系統(tǒng)設(shè)備

根據(jù)設(shè)備在電力系統(tǒng)中的作用，電力系統(tǒng)設(shè)備包括一次設(shè)備和二次設(shè)備。

（1）一次設(shè)備一次設(shè)備是指直接用于生產(chǎn)、輸送和分配電能的生產(chǎn)過程的電氣設(shè)備。它包括發(fā)電機(jī)、變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、自動開關(guān)、接觸器、刀開關(guān)、母線、輸電線路、電力電纜、電抗器、電動機(jī)等。（2）二次設(shè)備二次設(shè)備是指對一次設(shè)備的工作進(jìn)行監(jiān)測、控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)以及為運(yùn)行、維護(hù)人員提供運(yùn)行工況或生產(chǎn)指揮信號所需的低壓電氣設(shè)備。如熔斷器、控制開關(guān)、繼電器、電度表、避雷器、控制電纜等。123.2.3一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)

（1）一次系統(tǒng)一次系統(tǒng)是由一次設(shè)備相互連接，構(gòu)成發(fā)電、輸電、配電或進(jìn)行其他生產(chǎn)過程的電氣回路，又稱為一次回路或一次接線系統(tǒng)或電氣主接線。

（2）二次系統(tǒng)二次系統(tǒng)是由二次設(shè)備相互連接，構(gòu)成對一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、控制、調(diào)節(jié)和保護(hù)的電氣回路，又稱為二次回路或二次接線系統(tǒng)。包括控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、和自動化系統(tǒng)等。133.2.3我國電力工業(yè)布局2002年4月12日，國務(wù)院下發(fā)《電力體制改革方案》（簡稱“5號文”），被視為電力體制改革開端的標(biāo)志。新方案的三個核心部分是：實(shí)施廠網(wǎng)分開，競價上網(wǎng)；重組發(fā)電和電網(wǎng)企業(yè)；從縱橫雙向徹底拆分國家電力公司?！俺醪浇⒏偁帯㈤_放的區(qū)域電力市場”。為此，原國家電力公司按“廠網(wǎng)分開”原則組建了五大發(fā)電集團(tuán)、兩大電網(wǎng)公司和四大電力輔業(yè)集團(tuán)。2002年12月29日，國家電力監(jiān)管委員會等十二家涉及電力改革的相關(guān)企業(yè)和單位正式成立。此次同時掛牌的十二家電改單位，包括國家電力監(jiān)管委員會、國家和南方二大電網(wǎng)公司、五大發(fā)電集團(tuán)和四大輔業(yè)集團(tuán)。五大發(fā)電集團(tuán)為中國國電集團(tuán)公司、中國華能集團(tuán)公司、中國大唐集團(tuán)公司、中國華電集團(tuán)公司、中國電力投資集團(tuán)公司。四大輔業(yè)集團(tuán)為水電規(guī)劃設(shè)計院和電力規(guī)劃設(shè)計院兩個設(shè)計單位，以及葛洲壩集團(tuán)和水利水電建設(shè)總公司二個施工單位。國家電網(wǎng)公司下設(shè)華北（含山東）、東北（含內(nèi)蒙古東部）、華東（含福建）、華中（含四川、重慶）和西北5個區(qū)域電網(wǎng)公司。南方電網(wǎng)公司由廣西、貴州、云南、海南和廣東五省電網(wǎng)組合而成。圖3.3為我國電力網(wǎng)區(qū)域分布圖。14圖3.3中國電力網(wǎng)區(qū)域分布153.3發(fā)電廠分類及應(yīng)用

發(fā)電廠又稱發(fā)電站，是將自然界蘊(yùn)藏的各種一次能源轉(zhuǎn)換為電能（二次能源）的工廠。19世紀(jì)末，隨著電力需求的增長，人們開始提出建立電力生產(chǎn)中心的設(shè)想。電機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展，電能應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，生產(chǎn)對電能的需要的迅速增長，發(fā)電廠的發(fā)展速度也隨之加快?，F(xiàn)在的發(fā)電廠有多種途徑的發(fā)電方式，靠燃煤、石油或天然氣驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電的稱熱電廠，靠水力發(fā)電的稱水電站，還有靠太陽能、風(fēng)力、潮汐、地?zé)岬刃履茉醇夹g(shù)的發(fā)電站等。163.3.1火力發(fā)電技術(shù)

火力發(fā)電廠簡稱火電廠，是利用煤、石油、天然氣作為燃料生產(chǎn)電能的工廠?；痣姀S生產(chǎn)的基本過程是：燃料在鍋爐中燃燒加熱水使之變成高溫高壓蒸汽，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，高壓蒸汽推動汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，然后汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能?；痣姀S的主要設(shè)備是鍋爐、汽輪器和發(fā)電機(jī)，其主要系統(tǒng)包括：

（1）汽水系統(tǒng)。由鍋爐、汽輪機(jī)、凝汽器、水泵、加熱器及其管路組成。

（2）燃料、燃燒系統(tǒng)。由輸煤系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)和除灰除塵系統(tǒng)等組成。

（3）其它輔助熱力系統(tǒng)。

（4）電氣系統(tǒng)。17圖3.4火力發(fā)電過程圖3.5火力發(fā)電廠183.3.2水力發(fā)電技術(shù)

水是人類生命的源泉，包括天然水（河流、湖泊、大氣水、海水、地下水等）蒸餾水、人工制水（通過化學(xué)反應(yīng)使氫氧原子結(jié)合得到的水）等。廣義的水能資源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量資源；狹義的水能資源河流的水能資源。是常規(guī)能源，一次能源。狹義的水能是指河流水能。人們目前最易開發(fā)和利用的比較成熟的水能也是河流能源。水能是一種可再生能源，水能或稱為水力發(fā)電，是運(yùn)用水的勢能和動能轉(zhuǎn)換成電能來發(fā)電的方式。以水力發(fā)電的工廠稱為水力發(fā)電廠，簡稱水電廠，又稱水電站。水能主要用于水力發(fā)電，其優(yōu)點(diǎn)是成本低、可連續(xù)再生、無污染，缺點(diǎn)是分布受水文、氣候、地貌等自然條件的限制大。19水電站的分類水電站有各種不同的分類方法。

按照水電站利用水源的性質(zhì)，可分為三類。①常規(guī)水電站：利用天然河流、湖泊等水源發(fā)電。②抽水蓄能電站：利用電網(wǎng)中負(fù)荷低谷時多余的電力，將低處下水庫的水抽到高處上水庫存蓄，待電網(wǎng)負(fù)荷高峰時放水發(fā)電，尾水至下水庫，從而滿足電網(wǎng)調(diào)峰等電力負(fù)荷的需要；③潮汐電站：利用海潮漲落所形成的潮汐能發(fā)電。按照水電站對天然水流的利用方式和調(diào)節(jié)能力，可以分為兩類。①徑流式水電站：沒有水庫或水庫庫容很小，對天然水量無調(diào)節(jié)能力或調(diào)節(jié)能力很小的水電站;②蓄水式水電站：設(shè)有一定庫容的水庫，對天然水流具有不同調(diào)節(jié)能力的水電站。20圖3.6水力發(fā)電原理圖圖3.7三峽水電站213.3.3核能發(fā)電技術(shù)

核能來源于原子核的裂變或聚變，當(dāng)原子核分裂或聚合，會釋放出巨大的能量，核能也稱之為原子能。下式是典型的核裂變公式。

核能發(fā)電是利用核反應(yīng)堆中核裂變所釋放出的熱能進(jìn)行發(fā)電，它是實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)電的一種重要方式。核能發(fā)電利用鈾燃料進(jìn)行核分裂鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所產(chǎn)生的熱能將水加熱成高溫高壓的蒸汽，再由汽輪機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。221.冷凝器2.發(fā)電機(jī)3.汽輪機(jī)4.壓力容器5.控制棒6.穩(wěn)壓器7.蒸汽發(fā)生器8.冷卻塔圖3.8核能發(fā)電過程圖3.9廣東大亞灣核電站233.3.4太陽熱能發(fā)電技術(shù)

太陽能發(fā)電技術(shù)是屬于新能源發(fā)電技術(shù)的一種。新能源發(fā)電技術(shù)是相對常規(guī)能源發(fā)電技術(shù)而言。新能源是指常規(guī)的煤炭、水能、核能等能源形式之外的太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽?、可燃冰等一次能源，是在高新技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)利用的可再生能源，它的開發(fā)利用不會污染環(huán)境，是清潔的能源，但是新能源具有能量密度低且高度分散的共同特點(diǎn)，新能源發(fā)電技術(shù)是多學(xué)科交叉、綜合性強(qiáng)的高新技術(shù)。太陽能是由太陽內(nèi)部氫原子發(fā)生氫氦聚變釋放出巨大核能而產(chǎn)生的，來自太陽的輻射能量。人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但已高達(dá)173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬t煤。地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能都是來源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣、油頁巖等）從根本上說也是遠(yuǎn)古以來貯存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的范圍非常大，狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。24圖3.10美國伊萬帕太陽熱能發(fā)電廠蝶式太陽能發(fā)電系統(tǒng)253.3.5太陽能光伏發(fā)電技術(shù)

太陽能光伏發(fā)電與太陽熱能發(fā)電原理不同，它是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件，所以，光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉、，可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護(hù)簡便。理論上講，光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電源，大到MW級電站，小到玩具，光伏電源應(yīng)用無處不在。26太陽能光伏發(fā)電的原理：以PN結(jié)為例，當(dāng)晶片受光后，PN結(jié)中，P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動，從而形成從N區(qū)到P區(qū)的電流，在PN結(jié)中形成電勢差，這就形成了電源。圖3.11太陽能光伏發(fā)電原理27圖3.12太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)圖3.13太陽能光伏發(fā)電28

圖3.14太陽能汽車圖3.15太陽能電池板在衛(wèi)星上的應(yīng)用293.3.6風(fēng)能發(fā)電技術(shù)

風(fēng)是由空氣流動引起的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽輻射熱引起的。太陽光照射在地球表面上，使地表溫度升高，地表的空氣受熱膨脹變輕而往上升。熱空氣上升后，低溫的冷空氣橫向流入，上升的空氣因逐漸冷卻變重而降落，由于地表溫度較高又會加熱空氣使之上升，這種空氣的流動就產(chǎn)生了風(fēng)。從氣象學(xué)的角度來看，風(fēng)常指空氣的水平運(yùn)動分量，包括方向和大小，即風(fēng)向和風(fēng)速；但對于飛行來說，還包括垂直運(yùn)動分量，即所謂垂直或升降氣流。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，近年來受到世界各國的重視。風(fēng)能蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。風(fēng)能很早就被人們利用，主要是通過風(fēng)車來抽水、磨面等，而現(xiàn)在，人們感興趣的是如何利用風(fēng)來發(fā)電。30圖3.16風(fēng)力發(fā)電機(jī)圖3.17風(fēng)力發(fā)電廠313.3.7生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)是指由光合作用而產(chǎn)生的有機(jī)體。生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物中的一種能量形式，以生物質(zhì)為載體的能量，它直接或間接地來源于植物的光合作用，在各種可再生能源中，生物質(zhì)能是獨(dú)特的，它是貯存的太陽能，是一種唯一可再生的碳源，可轉(zhuǎn)化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。生物質(zhì)是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，在整個能源系統(tǒng)占有重要地位。生物質(zhì)能一直是人類賴以生存的重要能源之一，在世界能源消耗中，生物質(zhì)能占總能耗的14％，但在發(fā)展中國家占40％以上。據(jù)估計地球上每年植物光合作用固定的碳達(dá)2×1011t，含能量達(dá)3×1021J，因此每年通過光合作用貯存在植物的枝、莖、葉中的太陽能，相當(dāng)于全世界每年耗能量的10倍。32圖3.18生物質(zhì)能的開發(fā)利用方式圖3.19棗莊十里泉垃圾發(fā)電廠333.3.8潮汐能發(fā)電技術(shù)

潮汐是指海水在天體（主要是月球和太陽）引潮力作用下所產(chǎn)生的周期性運(yùn)動，習(xí)慣上把海面垂直方向漲落稱為潮汐，而海水在水平方向的流動稱為潮流。潮汐是沿海地區(qū)的一種自然現(xiàn)象，古代稱白天的河海涌水為“潮”，晚上的稱為“汐”，合稱為“潮汐”。圖3.20江廈潮汐電站343.3.9地?zé)岚l(fā)電技術(shù)（1）地?zé)峒捌鋪碓吹責(zé)岬闹饕獊碓词堑厍蛑蟹派湫栽厮プ儺a(chǎn)生的熱量。放射性元素有鈾238、鈾235、釷232和鉀40等。放射性元素的衰變是原子核能的釋放過程，放射性物質(zhì)的原子核，無需外力的作用，就能自發(fā)的放出電子和氦核、光子等高速粒子并形成射線。在地球內(nèi)部，這些粒子和射線的動能和輻射能，在同地球物質(zhì)的碰撞過程中便轉(zhuǎn)變成了熱能。地球內(nèi)部的熱不斷向太空釋放。這種地球物理現(xiàn)象就叫大地?zé)崃鳌?5（2）地?zé)岚l(fā)電

地?zé)岚l(fā)電就是利用地下熱水和蒸汽為動力源的一種新型發(fā)電技術(shù)，其基本原理與火力發(fā)電類似，也是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，首先把地?zé)崮苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。地?zé)岚l(fā)電方式有地?zé)嵴羝桨l(fā)電和地下熱水發(fā)電兩大類。圖3.21西藏羊八井地?zé)岚l(fā)電廠363.3.10燃料電池發(fā)電技術(shù)

燃料電池是化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種動力設(shè)備。燃料電池是由電池負(fù)極一側(cè)的氫極（燃料極）輸入氫氣，和在正極側(cè)的氧化極輸入空氣或氧氣。在正極與負(fù)極之間有電解質(zhì)，電解質(zhì)將兩極分開。不同種類的燃料電池采用了不同的電解質(zhì)，有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì)。在燃料電池中燃料與氧化劑經(jīng)催化劑的作用，在能量轉(zhuǎn)換過程中，經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)生成電能和水（H2O），因此，燃料電池不會產(chǎn)生氮氧化物（NOX）和碳?xì)浠衔铮℉C）等對大氣環(huán)境造成污染的氣體。37（1）燃料電池的基本反應(yīng)步驟反應(yīng)物向燃料電池內(nèi)部傳遞→電化學(xué)反應(yīng)→離子傳導(dǎo)以及電子傳導(dǎo)→產(chǎn)物排出。以氫-氧燃料電池為例，這個反應(yīng)是電解水的逆過程。負(fù)極：H2+2OH-→2H2O+2e-

正極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-

電池反應(yīng)：H2+1/2O2=H2O圖3.22燃料電池的反應(yīng)示意圖38（2）燃料電池獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)60%；沒有運(yùn)轉(zhuǎn)部件，噪音??；沒有尺寸效應(yīng)，很小的燃料電池仍具有和大尺寸相仿的效率；若以氫為燃料，排放是水，可實(shí)現(xiàn)“零排放”。燃料電池根據(jù)其采用的電解質(zhì)分為固體氧化物燃料電池、熔融碳酸型燃料電池、堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池等。

圖3.23燃料電池手機(jī)圖3.24燃料電池汽車393.4輸配電系統(tǒng)

電能的輸送和分配是由輸配電系統(tǒng)完成的，輸配電系統(tǒng)包括電能傳輸過程中途徑的所有變電所和各種不同電壓等級的電力線路。3.4.1輸電線路

輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著輸送和分配電能的重要任務(wù)。在現(xiàn)行的輸電技術(shù)中，輸電線路可分為交流輸電和直流輸電。交流輸電線路按電壓高低分，有高壓線路（即1kV以上線路）和低壓線路（即1kV及以下線路）。也有的細(xì)分為低壓（1kV及以下）、中壓（1kV～35kV）、高壓（35～330kV）、超高壓（330kV～1000kV）、特高壓（1000kV及以上）等線路。同時，把標(biāo)稱電壓±800kV以下的直流電壓等級定義為高壓直流，把標(biāo)稱電壓±800kV及以上的直流電壓等級定義為特高壓直流。輸電線路按其結(jié)構(gòu)型式分，有架空線路、電纜線路和車間（室內(nèi)）線路等。40

圖3.25架空線路4142電纜

電纜線路與架空線路相比，具有成本高，投資大、維修不便等缺點(diǎn)，但是它具有運(yùn)行可靠、不易受外界影響、不需架設(shè)電桿、不占地面、不礙觀瞻等優(yōu)點(diǎn)，特別是在有腐蝕性氣體和易燃、易爆場所，不宜架設(shè)架空線路時，只有敷設(shè)電纜線路。在現(xiàn)代化建筑供配電系統(tǒng)中，電纜線路得到了越來越廣泛的應(yīng)用。433.4.2交流輸電技術(shù)圖3.29輸電線路施工作業(yè)

提高電網(wǎng)的電壓即可降低導(dǎo)線中的電流，增大輸出功率，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。而交流電升降壓容易的特點(diǎn)正好適合實(shí)現(xiàn)高壓輸電。使用結(jié)構(gòu)簡單的升壓變壓器即可將交流電升至幾千V至幾十萬V，從而使電線上的電力損失大大減少。在城市內(nèi)一般使用降壓變壓器將電壓降至幾萬V至幾千V以保證安全，在進(jìn)戶之前再次降低至市電電壓或者適用的電壓供用電器使用。443.4.3直流輸電技術(shù)

直流電是指電流的大小相對于時間是恒定的，方向也不改變。直流輸電系統(tǒng)的一次電路主要由整流站、直流線路和逆變站三部分組成。與交流輸電技術(shù)相比，直流輸電線路幾乎無無功損耗，輸送距離更遠(yuǎn)；直流輸電每回路只需兩根線纜，相對交流的三根線纜大大減少了金屬的消耗，且同電壓等級線路占地走廊也要少得多，減少了投資；直流輸電過程中無交變磁場的產(chǎn)生，對外界（如通信、電視、廣播等）干擾少等。453.4.4輸電新技術(shù)

輸電技術(shù)的發(fā)展趨勢是高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離。目標(biāo)是提高輸送能力。主要技術(shù)有特高壓輸電、高壓直流輸電、柔性交流輸電、分頻輸電等。463.5變電站分類及應(yīng)用

變電站是改變電壓的場所。為了把發(fā)電廠發(fā)出來的電能輸送到較遠(yuǎn)的地方，減小線路損耗，必須使用升壓變壓器把電壓升高，變?yōu)楦邏弘姡接脩舾浇鼊t按需要使用降壓變壓器把電壓降低，這種升降電壓的工作都靠變電站來完成。473.5.1變電站的分類

變電站是電力系統(tǒng)中變換電壓、接受和分配電能、控制電力的流向和調(diào)整電壓的電力設(shè)施，它通過其變壓器將各級電壓的電網(wǎng)聯(lián)系起來。在電力系統(tǒng)中，變電站是輸電和配電的集結(jié)點(diǎn)，變電站按規(guī)模大小不同分為變電站和變電所，規(guī)模大的稱為變電站，包括各種電壓等級的升壓變電站和降壓變電站。規(guī)模小的稱為變電所，一般是電壓等級在110kV以下的降壓變電站。

圖3.31降壓變電站圖3.32箱式變電站483.5.2變電站的主要設(shè)備

變電站起變換電壓作用的設(shè)備是變壓器，除此之外，變電站的設(shè)備還有開閉電路的開關(guān)設(shè)備、匯集電流的母線、計量和控制用互感器、儀表、繼電保護(hù)裝置和防雷保護(hù)裝置、調(diào)度通信裝置等，有的變電站還有無功補(bǔ)償設(shè)備。（1）變壓器變壓器是變電站的主要設(shè)備，按照繞組的形式可分為雙繞組變壓器、三繞組變壓器和自耦變壓器即高、低壓每相共用一個繞組，從高壓繞組中間抽出一個頭作為低壓繞組的出線的變壓器等。電壓高低與繞組匝數(shù)成正比，電流則與繞組匝數(shù)成反比。變壓器按其作用可分為升壓變壓器和降壓變壓器。變壓器按分接頭切換方式分為有帶負(fù)荷有載調(diào)壓變壓器和無負(fù)荷無載調(diào)壓變壓器。49（2）電壓互感器和電流互感器電壓互感器和電流互感器的工作原理和變壓器相似，它們把高電壓設(shè)備和母線的運(yùn)行電壓、大電流即設(shè)備和母線的負(fù)荷或短路電流按規(guī)定比例變成測量儀表、繼電保護(hù)及控制設(shè)備的低電壓和小電流。在額定運(yùn)行情況下電壓互感器二次側(cè)電壓為l00V，電流互感器二次側(cè)電流為5A。電流互感器的二次側(cè)經(jīng)常與負(fù)荷相連近于短路，絕不能讓其開路，否則將因高電壓而危及設(shè)備和人身安全或使電流互感器燒毀。電壓互感器二次側(cè)不能短路。LQJ—10型電流互感器JDZJ—10型電壓互感器50（3）開關(guān)設(shè)備開關(guān)設(shè)備包括斷路器、隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)、高壓熔斷器等，是斷開和合上電路的設(shè)備。1）斷路器。斷路器在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下用來合上和斷開電路故障時在繼電保護(hù)裝置控制下自動把故障設(shè)備和線路斷開，還可以有自動重合閘功能。在我國220kV以上變電站使用較多的是空氣斷路器和六氟化硫斷路器。2）隔離開關(guān)。隔離開關(guān)的主要作用是在設(shè)備或線路檢修時隔離電壓，使電路形成一個明顯的斷開點(diǎn)，以保證維修人員安全。它不能斷開負(fù)荷電流和短路電流，應(yīng)與斷路器配合使用。在停電時應(yīng)先拉斷路器后拉隔離開關(guān)，送電時應(yīng)先合隔離開關(guān)后合斷路器。如果誤操作將引起設(shè)備損壞和人身傷亡等事故。3）負(fù)荷開關(guān)。負(fù)荷開關(guān)能在正常運(yùn)行時斷開負(fù)荷電流，但是沒有斷開故障電流的能力，一般與高壓熔斷器配合用于10kV及以上電壓且不經(jīng)常操作的變壓器或出線上。4）其他設(shè)備。為了減少變電站的占地面積近年來積極發(fā)展六氟化硫全封閉組合電器(GIS)。它把斷路器、隔離開關(guān)、母線、接地開關(guān)、互感器、出線套管或電纜終端頭等分別裝在各自密封間中集中組成一個整體外殼充以六氟化硫氣體作為絕緣介質(zhì)。這種組合電器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、不受大氣條件影響、檢修間隔長、無觸電事故和電噪聲干擾等優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是價格貴、制造和檢修工藝要求高。51（4）防雷設(shè)備變電站安裝的防雷設(shè)備主要有避雷針和避雷器。避雷針是為了防止變電站遭受直接雷擊將雷電對其自身放電把雷電流引入大地。在變電站附近的線路上落雷時雷電波會沿導(dǎo)線進(jìn)入變電站，產(chǎn)生過電壓。另外，斷路器操作等也會引起過電壓。避雷器的作用是當(dāng)過電壓超過一定限值時，自動對地放電降低電壓保護(hù)設(shè)備放電后又迅速自動滅弧，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。目前，使用最多的是氧化鋅避雷器。氧化鋅避雷器523.6供用電技術(shù)3.6.1電力負(fù)荷（1）電力負(fù)荷的基本概念電力負(fù)荷又稱電力負(fù)載，有兩種定義：一是只耗用電能的用電設(shè)備和用戶，如重要負(fù)荷、一般負(fù)荷、動力負(fù)荷、照明負(fù)荷等。另一是指用電設(shè)備耗用的功率或電流大小，如輕負(fù)荷（輕載）、重負(fù)荷（重載）、空負(fù)荷（空載）、滿負(fù)荷（滿載）等。電力負(fù)荷的具體定義視具體情況而定。電力負(fù)荷設(shè)備包括異步電動機(jī)、同步電動機(jī)、各類電弧爐、整流裝置、電解裝置、制冷制熱設(shè)備、電子儀器和照明設(shè)施等，它們分屬于工農(nóng)業(yè)、企業(yè)、交通運(yùn)輸、科學(xué)研究機(jī)構(gòu)、文化娛樂和人民生活等方面的各種電力用戶。根據(jù)電力用戶的不同負(fù)荷特征，電力負(fù)荷又可區(qū)分為各種工業(yè)負(fù)荷、農(nóng)業(yè)負(fù)荷、交通運(yùn)輸業(yè)負(fù)荷和人民生活用電負(fù)荷等。53（2）電力負(fù)荷的等級1）電力負(fù)荷根據(jù)對供電可靠性的要求及中斷供電在政治、經(jīng)濟(jì)上所造成損失或影響的程度進(jìn)行分級，并應(yīng)符合下列規(guī)定：①一級負(fù)荷。符合下列情況之一時，應(yīng)為一級負(fù)荷，對一級負(fù)荷一律應(yīng)由兩個獨(dú)立電源供電，特別重要的負(fù)荷還必須增設(shè)應(yīng)急電源。(a)中斷供電將造成人身傷亡。(b)中斷供電將在政治、經(jīng)濟(jì)上造成重大損失。例如：重大設(shè)備損壞、重大產(chǎn)品報廢、用重要原料生產(chǎn)的產(chǎn)品大量報廢、國民經(jīng)濟(jì)中重點(diǎn)企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)過程被打亂需要長時間才能恢復(fù)等。(c)中斷供電將影響有重大政治、經(jīng)濟(jì)意義的用電單位的正常工作。例如：重要交通樞紐、重要通信樞紐、重要賓館、大型體育場館、經(jīng)常用于國際活動的大量人員集中的公共場所等用電單位中的重要電力負(fù)荷。在一級負(fù)荷中，當(dāng)中斷供電將發(fā)生中毒、爆炸和火災(zāi)等情況的負(fù)荷，以及特別重要場所的不允許中斷供電的負(fù)荷，應(yīng)視為特別重要的負(fù)荷。54②二級負(fù)荷。二級負(fù)荷要求兩回路供電，變壓器也應(yīng)該有兩臺。(a)中斷供電將在政治、經(jīng)濟(jì)上造成較大損失時。例如：主要設(shè)備損壞、大量產(chǎn)品報廢、連續(xù)生產(chǎn)過程被打亂需較長時間才能恢復(fù)、重點(diǎn)企業(yè)大量減產(chǎn)等。(b)中斷供電將影響重要用電單位的正常工作。例如：交通樞紐、通信樞紐等用電單位中的重要電力負(fù)荷，以及中斷供電將造成大型影劇院、大型商場等較多人員集中的重要的公共場所秩序混亂。③三級負(fù)荷。不屬于一級和二級負(fù)荷者應(yīng)為三級負(fù)荷。三級負(fù)荷對電源無特殊要求。553.6.2電能的質(zhì)量電能質(zhì)量的定義電能質(zhì)量即電力系統(tǒng)中電能的質(zhì)量。理想的電能應(yīng)該是完美對稱的正弦波。但是一些因素會使波形偏離對稱正弦，由此便產(chǎn)生了電能質(zhì)量問題。電能質(zhì)量問題可導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、瞬時或暫態(tài)過電壓、波形畸變（諧波）、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續(xù)性等。從嚴(yán)格意思上講，衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)有電壓、頻率和波形。從普遍意義上講是指優(yōu)質(zhì)供電，包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和用電質(zhì)量。563.6.3電力市場

電力市場是指基于市場經(jīng)濟(jì)原則，為實(shí)現(xiàn)電力商品交換的電力工業(yè)組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)營管理和運(yùn)行規(guī)則的總和。電力市場又是一個具體的執(zhí)行系統(tǒng)，包括交易場所、交易管理系統(tǒng)、計量和結(jié)算系統(tǒng)、信息和通信系統(tǒng)等。573.6.4電力運(yùn)行與控制

電力系統(tǒng)運(yùn)行方式是電力系統(tǒng)調(diào)度部門編制的電力系統(tǒng)生產(chǎn)和運(yùn)行的技術(shù)方案。從時間上分，有年、月、日的；從使用上分，有正常、檢修、事故后的等等。它們之間互相滲透、聯(lián)系緊密。（1）電力系統(tǒng)年運(yùn)行方式（2）電力系統(tǒng)正常運(yùn)行方式（3）電力系統(tǒng)檢修運(yùn)行方式（4）電力系統(tǒng)事故后運(yùn)行方式583.6.5用電安全（1）電對人體的傷害電對人體的傷害主要包括電擊和電傷兩種。

1）電擊。電擊是指電流通過人體時，破壞人的心臟、神經(jīng)系統(tǒng)、肺部等的正常工作而造成的傷害。它可以使肌肉抽搐、內(nèi)部組織損傷，造成發(fā)熱發(fā)麻、神經(jīng)麻痹等，甚至引起昏迷、窒息、心臟停止跳動死亡。觸電死亡大部分事例是由電擊造成的。人體觸及帶電的導(dǎo)線、漏電設(shè)備的外殼或其他帶電體，以及由于雷擊或電容放電，都可能導(dǎo)致電擊。電流的大小是造成電擊傷害的主要因素，人體的安全電流是30mA。人體對電的承受能力與以下因素有關(guān)：①電流的種類和頻率。②電流的大小和通電的時間。③通過人體電流路徑。④電壓的高低。⑤人的身體狀況。592）電傷電傷是指電流的熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)作用對人體造成的局部傷害，它可以是電流通過人體直接引起也可以是電弧或電火花引起。電傷包括電弧燒傷、燙傷、電烙印、皮膚金屬化、電氣機(jī)械性傷害、電光眼等不同形式的傷害(電工高空作業(yè)不小心跌下造成的骨折或跌傷也算作電傷)，其臨床表現(xiàn)為頭暈、心跳加劇、出冷汗或惡心、嘔吐，此外皮膚燒傷處疼痛。（2）安全電壓當(dāng)人體電阻一定時，人體接觸的電壓越高，通過人體的電流就越大，對人體的損害也就越嚴(yán)重。但并不是人一接觸電源就會對人體產(chǎn)生傷害。在日常生活中我們用手觸摸普通干電池的兩極，人體并沒有任何感覺，這是因?yàn)槠胀ǜ呻姵氐碾妷狠^低(直流1.5V)。作用于人體的電壓低于一定數(shù)值時，在短時間內(nèi)，電壓對人體不會造成嚴(yán)重的傷害事故，我們稱這種電壓為安全電壓。為確定安全條件，往往不采用安全電流，而是采用安全電壓來進(jìn)行估算。一般情況下，也就是干燥而觸電危險性較小的環(huán)境下，安全電壓規(guī)定為36V，對于潮濕而觸電危險性較大的環(huán)境(如金屬容器、管道內(nèi)施焊檢修)，安全電壓規(guī)定為12V，這樣，觸電時通過人體的電流，可被限制在較小范圍內(nèi)，可在一定的程度上保障人身安全。60（3）觸電的方式①單相觸電。單個相線之間的觸電。②兩相觸電。兩個相線之間的觸電。③接觸觸電。觸摸而導(dǎo)致的觸電。④跨步觸電。如圖所示，在電線線接觸的地面附近，產(chǎn)生了環(huán)形的電場。即以高壓線觸地點(diǎn)為圓心，從接觸點(diǎn)到周圍有一個放射狀電壓遞減的電壓分布。圓心處電壓等于高壓電線上的電壓，離開圓心越遠(yuǎn)的點(diǎn)上，電壓越小。人的雙腳之間形成電位差，通過身體形成回路，進(jìn)而引發(fā)觸電事故。距離電線落地點(diǎn)越近，跨步電壓越大，就越危險。圖3.33跨步觸電61（4）觸電后不可觸摸觸電者。具體的救助措施總體說來就是拉、切、挑、拽、墊。①拉。就近拉開電源開關(guān)，使電源斷開。②切。指用帶有可靠絕緣柄的電工鉗、鍬、鎬、刀、斧等利器將電源切斷，切斷時應(yīng)注意防止帶電導(dǎo)線斷落碰觸周圍的人。③挑。如果導(dǎo)線搭落在觸電者身上或壓在身下，可用干燥的木棒、竹竿將導(dǎo)線挑開。④拽。指救護(hù)人戴上的手套或在手上包纏干燥的衣物等絕緣物品拖拽觸電者脫離電源。⑤墊。指指如果觸電人由于痙攣手指緊握導(dǎo)線或?qū)Ь€繞在身上，這時可先用干燥的木板或橡膠絕緣墊塞進(jìn)觸電人身下使其與大地絕緣，隔斷電源的通路。623.7電力系統(tǒng)及其自動化發(fā)展新技術(shù)3.7.1電力系統(tǒng)繼電保護(hù)（1）繼電保護(hù)的基本概念在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，外界因素（如雷擊、鳥害等）、內(nèi)部因素（絕緣老化，損壞等）及操作等，都可能引起各種故障及不正常運(yùn)行的狀態(tài)出現(xiàn)。常見的故障現(xiàn)象有單相接地、三相短路、兩相短路、兩相接地短路、斷線等。電力系統(tǒng)非正常運(yùn)行狀態(tài)有過負(fù)荷，過電壓，非全相運(yùn)行，振蕩，次同步諧振，同步發(fā)電機(jī)短時失磁異步運(yùn)行等。電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和安全自動裝置是在電力系統(tǒng)發(fā)生故障和不正常運(yùn)行情況時，用于快速切除故障，消除不正常狀況的重要自動化技術(shù)和設(shè)備。電力系統(tǒng)發(fā)生故障或危及其安全運(yùn)行的事件時，能及時發(fā)出告警信號，或直接發(fā)出跳閘命令以終止事件。（2）繼電保護(hù)的基本任務(wù)

1）自動迅