第0章 緒論-電力系統(tǒng)的重要性

供配電系統(tǒng)分析與設(shè)計緒論:電力系統(tǒng)的重要性電力系統(tǒng)的重要性世界最偉大的發(fā)明:17世紀:顯微鏡;18世紀:蒸汽機19世紀:電;20世紀:計算機19世紀人類最偉大發(fā)明,電能的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用徹底改變了人類的生產(chǎn)和生活狀態(tài).電能對促進生產(chǎn)力發(fā)展和提升人類文明做出了巨大貢獻.電力系統(tǒng)的重要性電力作為一種涉及國計民生的基礎(chǔ)性資源，對于社會的正常生產(chǎn)及民眾的日常生活具有極為重要的意義.現(xiàn)代社會，電力是現(xiàn)代社會和經(jīng)濟運行的神經(jīng)中樞、動力之源,是社會和經(jīng)濟運行的總開關(guān)，沒有了電，一切便迅速陷入全面癱瘓。能源類型石油煤炭電力能源不可再生能源二次能源一次能源:是指直接取自自然界沒有經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換的各種能量和資源.二次能源:由一次能源經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換以后得到的能源產(chǎn)品.一次能源可以進一步分為再生能源和非再生能源兩大類。石油,煤炭,核能等會越用越少,短期內(nèi)得不到補充,屬于不可再生能源;而水的動能,風能,太陽能,生物質(zhì)能,可以源源不斷地從自然界得到,稱作可再生能源.電能電能是一種清潔的二次能源。它是由自然界中存在的一次能源中儲存的能量（如燃料中的化學(xué)能、水的勢能、核能、風能、太陽能等）轉(zhuǎn)換而來；同時，電能又能很方便地轉(zhuǎn)換為人們所需要的其它形式的能量如電爐將電能轉(zhuǎn)換為熱能；電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能；電燈將電能轉(zhuǎn)換為光能；蓄電池將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能等。電能的優(yōu)勢（1）可以與多種形式能源之間進行相互轉(zhuǎn)換；（2）具有一次能源不具備的：便于大規(guī)模生產(chǎn)、遠距離傳輸、在分配系統(tǒng)中無限分割、并易于精密控制的特點；（3）能夠精確實現(xiàn)分散、定時、定量、定點使用；（4）是化石燃料清潔利用的最好方式；（5）新能源和可再生能源必須轉(zhuǎn)換成電力才能被方便利用；（6）是最清潔、高效、安全、優(yōu)質(zhì)的能源，合理使用電力可以節(jié)約一次能源。電氣化在生產(chǎn)中所占的比重在產(chǎn)品成本中所占的比重一般很?。ǔ娀I(yè)外）。例如在機械工業(yè)中，電費開支僅占產(chǎn)品成本的5%左右。從投資額來看，一般機械工廠在供電設(shè)備上的投資，也僅占總投資的5%左右。生產(chǎn)電氣化的優(yōu)點 工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)電氣化以后可以大大增加產(chǎn)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，降低勞動成本，減輕工人的勞動強度，改善工人的勞動條件，有利于實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。電能消費即電氣化程度已成為表征一個國家現(xiàn)代化進程和人民生活水平的重要標志。2006年世界一些國家和地區(qū)的人均用電量（kWh）國家或地區(qū)加拿大瑞典美國澳大利亞新西蘭日本韓國德國英國中國香港中國人均用電量1675315231135501133296468451799571746185588221001980～2006年我國能源效率與電氣化指標生產(chǎn)電氣化的另一面

如果工廠的電能供應(yīng)突然中斷，則對工業(yè)生產(chǎn)可能造成嚴重的后果。 如某些對供電可靠性要求很高的工廠，即使是極短時間的停電，也會引起重大設(shè)備損壞，或引起大量產(chǎn)品報廢，甚至可能發(fā)生重大的人身事故，給國家和人民帶來經(jīng)濟上甚至政治上的重大損失。近幾年全球發(fā)生的重大停電事故2003年8月14日，美國東北部部分地區(qū)以及加拿大東部地區(qū)出現(xiàn)的大范圍停電。這是北美歷史上最大范圍的停電.停電使城市公共交通設(shè)施癱瘓，造成61.8GW負荷損失；在216個電廠中切除了531臺發(fā)電機；給用戶造成了約70億美元的損失，受影響的人估計:加拿大有一千萬（三分之一的人口）在美國有四千萬。體制原因:我國電網(wǎng)調(diào)控按照“先錯峰、后避峰、再限電、最后拉閘”的原則來保證重要部門、單位和人民生活用電需要。美國是市場化運作，供電用電嚴格遵守合同規(guī)定。因此即使用電負荷大幅度增加，美國的電網(wǎng)也得頂著，容易發(fā)生事故。近幾年全球發(fā)生的重大停電事故2003年8月28日，英國首都倫敦和英格蘭東南部部分地區(qū)突然發(fā)生重大停電事故，嚴重擾亂了交通運輸，倫敦近三分之二地鐵停運，大約25萬人被困在地鐵中。大約在停電兩個半小時后倫敦恢復(fù)電力供應(yīng)。

英國電網(wǎng)官員稱，事故是由國家電網(wǎng)出現(xiàn)故障引起,電網(wǎng)設(shè)施落后,自動裝置不能有效切除故障。

倫敦市長：斷電是恥辱，多達50萬人可能受影響。

近幾年全球發(fā)生的重大停電事故2005年1月8日、9日，瑞典西南部遭遇颶風襲擊，導(dǎo)致當?shù)?0多萬戶家庭或機構(gòu)停電，直接損失達數(shù)十億瑞典克朗。2006年5月25日，俄羅斯首都莫斯科南部、西南和東南城區(qū)及郊區(qū)發(fā)生大面積停電，給莫斯科市造成至少10億美元的損失。俄羅斯有關(guān)專家認為，莫斯科當天斷電與俄電力系統(tǒng)老化有關(guān),專家建議及時更新電力基礎(chǔ)設(shè)施。

近幾年全球發(fā)生的重大停電事故2006年11月4日晚，西歐多國遭遇特大停電事故，約1000萬人受到影響。法國約500萬人的電力供應(yīng)被切斷。德國停電影響了至少100萬人。事故還波及意大利,比利時和西班牙等地多個城市。直接起因是德國為了讓一艘船出廠切斷了兩條高壓線，造成歐洲電網(wǎng)東部電力輸出負荷過重，西部電力輸入嚴重不足，引發(fā)歐洲電網(wǎng)連鎖反應(yīng)。歐洲目前使用統(tǒng)一供電網(wǎng)，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，就可能對多個國家造成大范圍影響。歐洲大停電事故，暴露了歐洲電力供應(yīng)方面的缺陷。歐洲官員呼吁各國加強能源合作，制定統(tǒng)一的電力政策，建立電力供應(yīng)管理機構(gòu)，加大電力建設(shè)投資等。

電力系統(tǒng)-現(xiàn)代戰(zhàn)爭的攻擊重點1991年海灣戰(zhàn)爭開始，戰(zhàn)爭不再以殺傷對方有生力量為重點(現(xiàn)代戰(zhàn)爭和傳統(tǒng)戰(zhàn)爭的本質(zhì)區(qū)別)。美軍對伊拉克實施“五環(huán)打擊”:政府首腦、電力、交通、通信等戰(zhàn)略設(shè)施是攻擊的重點，軍隊和軍事設(shè)施是最次要的目標。戰(zhàn)爭是政治的繼續(xù)不是生命屠殺。攻擊電力系統(tǒng)，既為戰(zhàn)爭貼上“人道”標簽，又迅速打垮對方軍民抵抗意志。從現(xiàn)代軍隊的軍事能力和戰(zhàn)術(shù)手段上說又容易實現(xiàn)：電力系統(tǒng)龐大脆弱，難以嚴密防御，容易使用飛機和導(dǎo)彈予以摧毀。電力系統(tǒng)這一特性使其成為戰(zhàn)爭被攻擊的重點。

電力系統(tǒng)-現(xiàn)代戰(zhàn)爭的攻擊重點1999年科索沃戰(zhàn)爭，空襲前期主要是摧毀南聯(lián)盟的戰(zhàn)略設(shè)施，南軍民頑強堅持。從5月2日起，以美國為首的北約開始轟炸南聯(lián)盟供電系統(tǒng)，并使用石墨炸彈使南聯(lián)盟電網(wǎng)徹底癱瘓，由此造成整個南聯(lián)盟經(jīng)濟的崩潰。30天后，南聯(lián)盟被迫接受了美國及北約的城下之盟。令人震驚的是:南聯(lián)盟承認戰(zhàn)敗時，它的人民軍還保持著90%的基本完整。美國空軍反思:如果一開始轟炸就對準南聯(lián)盟的電力系統(tǒng)，戰(zhàn)爭也許不需要進行78天。打擊電力系統(tǒng)就此成為美軍最大的戰(zhàn)爭心得。非殺傷性武器_碳纖維炸彈

電力系統(tǒng)-現(xiàn)代戰(zhàn)爭的攻擊重點碳纖維炸彈又稱石墨炸彈,軟炸彈，俗稱“電力殺手””斷電炸彈”，不以殺傷敵方兵員為目的,但對供電系統(tǒng)有強大破壞力。具有成本低廉、破壞力大、防衛(wèi)不易等優(yōu)點.其選用特殊處理的純碳纖維絲制成,直徑小可在高空中長時間漂浮,具有強導(dǎo)電性,沒有粘性卻能附在一切物體表面。只要搭落在電力線或變壓器等電力設(shè)施上，會發(fā)生短路燒毀，造成大范圍停電。會破壞電力設(shè)備原有的絕緣性能，使其長期受損，難以修復(fù)。石墨炸彈由于火藥量少，不會殺害人員和生物，是非殺傷性武器,因而不受“大規(guī)模毀滅性武器”相關(guān)公約的限制。

電力系統(tǒng)-現(xiàn)代戰(zhàn)爭的攻擊重點1991以美國為首的多國聯(lián)盟對伊拉克進行海灣戰(zhàn)爭,石墨炸彈在“沙漠風暴”行動中首次登場,使伊拉克全國供電系統(tǒng)85%癱瘓。科索沃戰(zhàn)爭美國空軍對南斯拉夫的空襲中使用的石墨炸彈纖維更細更易導(dǎo)電，對電力破壞性更大。首次攻擊就造成南斯拉夫全國70%的地區(qū)斷電。北約發(fā)言人宣稱：“我們掌握了南聯(lián)盟的電力開關(guān)?！?007年臺灣《聯(lián)合報》稱，臺灣“中科院”正著手研制石墨炸彈，導(dǎo)彈的覆蓋范圍包括大陸的北京和上海。如果臺灣使用石墨炸彈攻擊大陸城市，將會造成大陸城市的所有電力供應(yīng)癱瘓。08年凍雨災(zāi)害對中國電力系統(tǒng)影響2008年1月10日，中國南部和中部19個省普降大暴雨和大暴雪，持續(xù)時間長達20多天，低溫、雨雪和冰凍的共同交織，造成了中國50年以來最嚴重的冰雪凍雨災(zāi)害。什么是凍雨

凍雨指過冷卻水落在地面或暴露物體時，迅速凝結(jié)為冰的天氣現(xiàn)象。凍雨與冷暖氣流相遇有關(guān)，形成通常需要兩個條件：(1)水汽充足。如美國的東北部和加拿大中東部地區(qū)是世界著名的凍雨災(zāi)害區(qū)，靠近它們的五大湖區(qū)正是暖濕氣流的來源。(2)地面溫度低于0℃，高空則有逆溫層。下冷上熱的氣溫條件使雪落到地面之前融化為水滴，而地面低溫使水滴落地時又能迅速凝結(jié)成冰。凍雨在物體表面形成一層透明的冰覆蓋層，這種冰覆蓋層被稱作"雨凇"，又稱"冰掛"。兩冷包夾一暖的"三明治"氣層是凍雨的理想"溫床"。凍雨開始時以雪的形式落下，在下降過程中遇到暖氣流層而融化為雨滴，隨后在更低高度又遇到溫度低于零攝氏度的冷氣流層，此時雨滴不再凝結(jié)，而是形成過冷雨滴。過冷雨滴一旦遇到低于0℃的任何物體就會立刻凝結(jié)，形成細長條狀的冰掛。

08年凍雨災(zāi)害對中國電力系統(tǒng)影響民政部數(shù)據(jù):凍雨災(zāi)害中，農(nóng)作物受災(zāi)面積1.78億畝；倒塌房屋48.5萬間；因災(zāi)直接經(jīng)濟損失1516.5億元;造成129人死亡，4人失蹤，緊急轉(zhuǎn)移安置166萬人。其中，湖南、湖北、貴州、廣西、江西、安徽6省受災(zāi)最為嚴重。凍雨災(zāi)害對電力系統(tǒng)破壞嚴重,導(dǎo)致大面積供電中斷.由于電力受損、煤炭運輸受阻（煤炭占電力發(fā)電的主導(dǎo)地位），不少地區(qū)用電中斷，電信、通訊、供水、取暖均受到不同程度影響，某些重災(zāi)區(qū)甚至面臨斷糧危險。本次凍雨災(zāi)害正逢春運期間，大量旅客滯留在站場港埠，社會秩序一度混亂。氣象災(zāi)害中斷了多條鐵路動脈，幾十萬名乘客守候在廣州火車站廣場.貴州某地區(qū)的凍雨圖:雙回線(鐵塔)的重量大概是6噸，但是結(jié)了冰以后，重量大概達到50噸，是原來的6倍.凍雨附在電塔上凝結(jié)成冰后，時間一長就可能壓垮電塔.清理附冰最有效辦法是人爬上去敲掉冰掛，工作具有危險性，湖南有三個烈士為此殉職。凍雨遇到固體表面立刻結(jié)冰。電線上的附冰使電線載荷加重拉倒電線桿；此外融冰期，因為電線融冰速度不同（如陽側(cè)的冰先融化），也會造成電線桿張力不平衡而倒塌。凍雨天氣對電力系統(tǒng)危害的直接原因在全國范圍電網(wǎng)造成36740條10kV及以上電力線路、2016座35kV及以上變電站停運,10kV及以上桿塔倒塌及損壞310321基，其中110-500kV8381基，導(dǎo)致3330多萬戶、約1.1億人口停電，給經(jīng)濟、社會和人民生活造成了極為嚴重的影響。煤、電、路三者的問題循環(huán):煤電運緊張形勢由來已久，災(zāi)害前多個地區(qū)已因電廠存煤量不足出現(xiàn)缺電。災(zāi)害中冰雪對道路交通的破壞導(dǎo)致電煤生產(chǎn)運輸阻礙，發(fā)電廠因燃料供應(yīng)不足而停機問題突出。2008年1月29日全國范圍內(nèi)因燃料供應(yīng)不足而停機共4171萬千瓦。大面積輸電線路損壞，阻礙了電氣化鐵路的運營，又恰逢春運高峰，導(dǎo)致在遇災(zāi)初期運力嚴重不足，進一步加劇了電煤緊缺的局面。凍雨天氣對電網(wǎng)傷害的形成導(dǎo)致輸電線路上覆冰的主要的氣象因素有氣溫、空氣濕度和風。當溫度與濕度條件都具備時，風速的大小和風向成為決定覆冰厚度的重要參數(shù)，最適宜覆冰產(chǎn)生的風速一般為2米/秒到7米/秒。覆冰首先在電線迎風面上產(chǎn)生，當迎風面達到某一覆冰厚度時，在不平衡重力的作用下產(chǎn)生扭矩，使電線發(fā)生扭轉(zhuǎn)，從而使電線的另一側(cè)成為迎風面而產(chǎn)生覆冰，如此反復(fù)多次后在電線上形成圓形或橢圓形的覆冰。凍雨天氣對電網(wǎng)傷害的形成這次凍雨氣候平均覆冰約在30～60mm，局部地區(qū)最大覆冰厚度達到80mm，使得鐵塔的垂直荷載和縱向張力大大超過其設(shè)計能力，導(dǎo)致大量倒塔事故。線路覆冰后，垂直荷載大，同時桿塔兩側(cè)電線的不均勻覆冰產(chǎn)生一定的縱向張力差，使桿塔的受力情況比較嚴重復(fù)雜.在嚴重覆冰時,桿塔會遭到破壞.嚴重覆冰會使輸電線路出現(xiàn)斷線情況:冰載過大使電線弧垂大幅度增加，電線與地或周圍其他物體（如樹木、建筑物等）的安全距離減小，當距離不滿足電氣間隙要求時電線會對地或樹木放電而燒斷電線。當然斷線更多的是因為桿塔串倒而拉斷。凍雨天氣對電網(wǎng)傷害的形成電力系統(tǒng)在覆冰融化中可能會出現(xiàn)以下問題:電線覆冰融化中，線路絕緣水平大大下降，設(shè)備可能產(chǎn)生“冰閃”放電現(xiàn)象，會引起設(shè)備故障跳閘。電線冰凌融化不均勻，導(dǎo)致電線出現(xiàn)大幅度舞動。帶電線路舞動中對地面或?qū)χ車矬w放電，引起短路跳閘。大風時，舞動的線路產(chǎn)生“共振”效應(yīng)足以拉倒重達幾十噸的鋼制塔架，對輸變電設(shè)備造成二次破壞。對于線路覆冰融化時產(chǎn)生的單次短路故障，電網(wǎng)的輸變電設(shè)備可以自動在零點幾秒的時間內(nèi)重合閘，幾乎不會對供電產(chǎn)生影響。但短路故障如果在多條線路同時頻繁發(fā)生，或者線路覆冰融化時，發(fā)生線路斷線、倒塔等事故，對電網(wǎng)安全和可靠供電將造成嚴重威脅。災(zāi)害后的反思《110～500kV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》設(shè)計氣象條件規(guī)程：“應(yīng)根據(jù)沿線的氣象資料和附近已有線路的運行經(jīng)驗，110千伏到330千伏送電線路按15年的重現(xiàn)期確定，500千伏送電線路按30年的重現(xiàn)期確定?！钡衲旮脖鶠?zāi)害甚至超過了50年一遇。電網(wǎng)建設(shè)中制定的規(guī)程規(guī)范都有一定的適用范圍，此次罕見的覆冰災(zāi)害敲響了極端氣候條件下電網(wǎng)安全的警鐘。國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司正在分別制定災(zāi)后重建的方案，按照國家電網(wǎng)公司的估計，僅重建修復(fù)電網(wǎng)的資金就需要300億元。災(zāi)害后的反思原有的設(shè)計標準無法滿足極端災(zāi)害情況。設(shè)計標準提高不僅違反技術(shù)規(guī)程而且工程造價大幅上升。如:以10毫米覆冰設(shè)計為標準，標準提高到20毫米覆冰時，塔材耗量將提高1.2倍，造價提高0.8倍；標準提高到30毫米覆冰時，塔材耗量將提高2.46倍，造價提高1.6倍；標準提高到50毫米覆冰時，塔材耗量將提高5.8倍，造價提高3.8倍！

中國現(xiàn)在是全世界第二大電力裝機國家，僅次于美國。這么大的電力規(guī)模，普遍提高電網(wǎng)設(shè)計標準所帶來的投資是無法想象的,并不可行。如何解決好發(fā)展和安全的矛盾是電力系統(tǒng)必須面對的問題?？梢栽诟鞯仃P(guān)鍵輸送線路或每個區(qū)域眾多線路中至少有數(shù)條輸送線路采用更高設(shè)計標準;完善預(yù)防機制，建立良好的預(yù)警機制。自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果得到廣泛應(yīng)用2011年初，湖南、廣西、貴州等地又遭受嚴重的凍雨冰雪自然災(zāi)害，給高壓輸電線路帶來嚴峻考驗。貴州有286條110千伏高壓線路覆冰，嚴重威脅整個南方電網(wǎng)的電力輸送。中國自主創(chuàng)新成果在這方面得到了廣泛應(yīng)用：我國自主研發(fā)”智能除冰機器人”達到國際先進水平，成為及時解決高壓輸電線路除冰難題的生力軍。針對實際應(yīng)用需求有單體式、兩臂式和三臂式除冰機器人.簡單、輕便、自動化程度高、能耗低、能自動完成對輸電線路的高效無損傷除冰。國家科技支撐計劃重大專項“高壓輸電線路在線智能除冰機器人關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究”課題組長:湖南大學(xué)教授王耀南。

自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果得到廣泛應(yīng)用湖南省氣象科研所聯(lián)合湖南大學(xué)、中南大學(xué)等自主研發(fā)的“極端氣象災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)”得到應(yīng)用。課題組負責人:湖南省氣象局副局長汪擴軍。系統(tǒng)將以往冰凍天氣氣候背景、發(fā)生發(fā)展物理機理，預(yù)報預(yù)測技術(shù)等數(shù)據(jù)及運行方式,使用軟件進行綜合整理分析，創(chuàng)建了冰雪災(zāi)害監(jiān)測評估業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)字模型。我國氣象科技的重大專項研究項目，攻克11項氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)測評估關(guān)鍵技術(shù)?？勺龅教崆埃眰€月對氣象災(zāi)害天氣趨勢進行分析，提前7天到10天預(yù)測判斷，提前3天預(yù)報預(yù)警，天氣預(yù)報的溫度預(yù)測率比原來提高了15%，降水預(yù)報率提高了5%，將降水分布預(yù)測率由30多公里精確到3公里到5公里，達到國際先進水平。切爾諾貝利核電站事故切爾諾貝利核電站位于烏克蘭北部，是原蘇聯(lián)時期在烏克蘭境內(nèi)修建的第一座核電站。曾經(jīng)，切爾諾貝利是蘇聯(lián)人民的驕傲，被認為是世界上最安全、最可靠的核電站。1986年4月26日切爾諾貝利核電站發(fā)生爆炸。據(jù)估算，核泄漏事故產(chǎn)生的放射污染相當于日本廣島原子彈爆炸放射污染的100倍。爆炸使機組被完全損壞，8噸多強輻射物質(zhì)泄露，塵埃隨風飄散，致使俄羅斯、白俄羅斯和烏克蘭許多地區(qū)遭到核輻射污染。