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章 电力系统第 电力系统的构成 电力资源规划 电力系统是包括发电、输电、供电的庞大系统，它随着用电量 的增加而扩大。面对年年增加的需求，为确保供电可靠性和经济 性，要考虑日益增长的需求搞好电源计划，同时必须把握电力系统 的全局来考虑全系统的构成和控制。本章我们将电力系统作为系 统工程，学习掌握电力系统的总构成。 电力资源规划的思路 为确保电力需求和供电可靠性的目标，要有满足需求的足够的电力资 源，即针对增长的需求，要不断开发电力资源。 所谓电力资源开发规划， 是电力公司计划何时、 何地， 要建多大规模、 什 么类型电厂的决策过程，即决策 电力设备的需要时间； 电力设备的容量； 电力设备的类型； 电力设备的配置等。 首先，要决定电力设备的需要时间及其容量，重要的是要考虑长远需 求，即规划要多大的设备容量才能满足日益增加的需求，计算若干年以后需 要增加多少万的设备等。这里有一个到底需要多少备用容量为合适的 问题。少了，经常停电，损坏电力公司的信誉；多了，浪费设备投资，增加经 费投资。要斟酌这个利弊综合考虑的过程，叫电力需求规划。制定规划的 关键是以供电可靠性分析为基础的综合考虑。 年后进行了修改（年年制定的电力事业法，实行了 月 独立系统供电 日实行），该法允许自由经营发电等，引入了电力经营的竞争机制。因 此，制定规化时必须考虑， 经营者） 倡导的 “顾客为上帝” 的服务思想。 的电力开发示意图，说明供电 理想地来说，决定发电容量和发电形式后，在众多候选地点中，选择最 合理的厂址是再好不过了。但是，像日本国土狭窄的国家，选址的制约性很 大，因此选址成为首先考虑的问题。如图 规划、电力构成规划、电力配置规划是相互关联的，必须把相互制约条件反 复比较，构筑最优方案。 电力开发规划相关图图 列出 在这里的关键是发电形式的选择，不同的发电形式其工程费（建厂费）、 燃料费也不同，因此，应在全面分析的基础上追求经济效益。表 各发电形式的电价比较表。 每年度运行标准通商产业省 表按发电形式的电价比较 这里 图 这里需要分析燃料的供应情况，在确保供应的同时还要看其价格的动 向，因为它将左右经济效益。那么根据以上分析，确定电厂要建在什么地 方，已成为又一新课题了。水力发电首当其冲的是受地理条件的限制。火 力发电厂的选址自由度大一些，但距离的远近，对输电设备规划影响很大。 若远距离输电，则输电中的电压问题将成为系统安全性的关键，因此必须考 虑随着输电设备的增加而产生的综合经济效益分析。 供电指标 电 （指标为量 短期和长期的供电指标有很大的区别，电力开发规划中则考虑长期供 年）。供电指标包括年供电、最大电力 （） 和 负 荷曲线等。最大电力指标，是指全系统的总供电能力，有时最大供电能力指 一年间的连续供电能力，但常用的是每月的最大供电能力。这是因为发电 设备定期保养维修占去很长时间，有必 要按月考虑供电平衡的缘故。 发电量指标，是在电力规划中使用 的指标，是按发电形式最优组合时计算 燃料费的依据。但要计算燃料费只有 总发电量是不够的，同时需要负荷曲 线。表示一天内负荷变化的叫日负荷 天的日曲线 （ ， 把 为总电量。平均电力（ 负荷曲线汇集起来，按峰值大小排列描绘出如图 为负荷峰值，面积 ）除以时间的值，把平均电力除以最大电力（ 荷率，可用下式计算 针对年年增加的需求，应考虑长远的能源发展趋势，从稳定性和经济性 出发，选择最佳电源形式是必要的。具体来说对于水力、火力、原子能等，其 经济性、运转特性等有很大区别的电力，应针对负荷状况进行组合，充分发 挥各设备的潜能，规划出更经济更合理的电源形式。 年负荷率 电源形式 总电量 （ 最大电力 负荷曲线 所示为年负荷曲线。 ）是一定时间的电量 ）得负荷率，即年负 总时间 （ ） 叫做 力事业法 电力开发量 ） 全电力公司的电源构成发展表 单位（）内表示所占比率 日用电平均值）。 根据近年来机制要放宽的形势，为了进一步提高供电效率，修改了电 年 电力工程一旦完成，在确保供电的稳定性的基础上为了长远利用，根据 能源的发展动向，应使开发用综合经费做到最小，即根据供电、燃料动向、技 术开发预测，在分析电源形式的经济性基础上，选择供电稳定又经济的最佳 电源形式 （表 计算的供电备用率，取合适值决定电力开发及开始运转的最用式 佳时间。 需求 供电备用率 供电力 （ 需求 （日本中央电力协会资料） 供电备用率是在事故、 缺水、 负荷增加时， 也能确保稳定供电， 是具有超 过计划的供电能力。供电备用率指标，是由供电可靠性指标所决定的。通 常系统的最大发电机组中，即便停机 天的用电平均值（最大 台也应具备继续供电的能力。这 里所说的需求是在供电计划中常用的词，它是从某月的月内一小时最大用 电量往前推 月日施行） ， 在供电行业中出现了用户为 “上帝” 的 ） 的供电公司。 从确保电力系统的稳定运行和提供优质电能的考虑，应对从电厂到用 户用电地点的电力系统，进行统一的运行管理。对供电公司的新增设备，要 联合经营 联合经营的方法 联合经营的经营组织表 十分关注电气设备技术标准和下列事项 ①做到全系统的协调； ②防止供电企业的设备故障； ③防止由于用户的故障波及系统安全。 面对新的服务规范，电力公司引入了招标制，但要发挥新制度的有效作 用，还需要公开性和公平性。 年 电力企业的联合经营，是九个电力公司和电能开发公司应用新技术并 考虑经济性相互协作， 进行电源开发、 系统联接、 设备运用、 电力联网 （互补） 及供电运营等，是以供电的稳定和电价的稳定为目标而成立的（从 月启动） 。 具体的来说，由于供电能力、设备的故障和洪水等随机因素，造成各电 力公司的最大负荷不是同时发生，即不同步性。联合各个系统互补可保证 稳定供电，可以暂缓能源设备等的建设。如上所述，联合经营是以其主管办 事机构中央电力协议会为中心进行工作的（表 中央电力协议会决定各公司间的电源开发计划设备运用计划联合经营的有关重要问题 理 事 会 调 整 中 央 电 力 协 会 的 重 要 协 议 事 项 。 中央供电联席会议遵从中央电力协议会决定的基本方针，协议或决定联合供电运营的有关事项。 中央供电指令所隶属于中央供电联席会，是融通调整指令等进行供电运营的业务机构 电力联网 电力联网的目的是缓和各电力公司之间的供电不平衡，经济合理运用 电力设备。 所示。电力联网大致分为 “全国联网” 和 “二公司间联网” ， 其关系如表 所示。全国的联网供电地区如图 全国主要联网供电地区 表 供电调整电力 经济联网电力 相互调整的联网电力 特定联网供电 系统运营电力 电力联网 的种类 应联网缺电公司的请求输送补充电力 减少发电设备综合运转费用 输电和供电的不同步，产生供电不足，而采 用的设备的合理运用为目标的联网送电 对特定地区的需求和特定的发、送电设备以 及扩展经营为目的长期供电 为提高设备的运转效率为目的联网，通常返 还定时定量的电力 为了经济效益 而请求的电力 图全国（日本 ）联网主要供电地点 电力系统构造 电力系统构成的基本思路 ， 川西为日本的电力是以富士川为界使用不同的频率，川东为 。东京电力和中部电力之间，设有变频所（新信浓变频所、佐久间变频 所），它负责调配全国联网供电。还有，除冲绳电力公司外的九个电力公司， 用直流海底电缆和交流架空输电线联网，其将为提高运行效率和供电稳定 性等方面做出贡献。 直流输电 和现今的电力网主要用频率为的商用交流电。电能起初 是使用直流电，但远距离有效输电，需要变成高压电，交流电比直流电容易 变压，因此直流电很快就被交流电所代替，现在一般都用交流电。 ①交流电网输送电力的能力，具有大致与距离成反比的基本性质，也 就是增加一倍的距离其输电能力减半。 ②交流电的输电功率包括有功功率和无功功率，无功功率是不影响输 送有效功率的电能，但具有增加输电线电流的性质，并且无功功率的分布影 响电压。 ③使用交流电的情况下，相互联接的同步电机，必须是同步运行，否则 不能稳定运转。从电厂到用户的距离越来越远，输电中的输送距离、无功功 率、同步等问题越发突出，也许将来会采用直流输电。现在日本已在北海道 和本州的联网上采用直流输电（ 电力系统具有生产和消费同时性的特性，从发电到供电过程中各设备 必须协调联接运行。从系统统一的观点出发，以系统的有效利用为前提，考 虑将来的系统扩展和设备的日常维修、使用以及地区间协调等，应该构成既 合理又经济的电力系统。 电力系统构成时注意事项如下。 确保服务质量电力系统的平时安全供电是起码的要求，当发生 事故时也要限定范围，并想法尽早恢复供电。特别是可能波及大范围长时 间的停电事故的隐患，哪怕是发生几率很小也要必须特别注意。另外，电 压、频率的变化等影响供电信誉的服务项目，必须稳定在预期的承诺目标范 围内。 效益。 ）系统统一的观点 要相互协调从电厂到用户的各种设备，使全系 统有效稳定运行。 ）适应将来的系统扩展 电力系统将年年扩大，电力设备建设需要 长期的巨额资金投入，投下的资金又长期无法流通，因此，从长远的观点出 发，追求高效的设备组合，有利于将来的系统扩大，即必须注意长远规划。 设备的维修和使用之间的协调 考虑设备节能对策的同时，作好 维修和使用方面的协调。 ）与地区社会的协调 适应地方情况，确保安全、保护环境等力求与 地区环境相协调。 提高投资效率 最大限度的发挥已建设备的效用，努力提高投资 系统构成中应考虑的技术问题 主干系统是指主要变电所之间的联接和主要电厂以及公司系统等之间 的联接，是非常重要的系统，因此要确保很高的可靠性。要构成可靠性很高 的系统，必须注意以下技术问题 ①确保系统稳定性和电压稳定性； ②短路和接地电流不能超过断路器的额定电流； ③要避免诱发性故障和电压异常的发生； ④便于进行系统电压的调整； 便于进行系统的监视； 系统构成要简单，便于迅速、准确处理事故； 相邻互为备用的系统能可靠解列； 减少有功功率和无功功率的网损； 中性点接地方式和继电器等系统保护装置要配合，协调好继电器的 参数设定。 主干系统的构成 电源系统 由于输电线过长，从系统稳定性方面考虑，在不能输送 等措施，做到全面考虑电源和系统的最佳方案。 （系统稳定装还应考虑采用快速励磁、（系统电压调整装置） 所需电力的情况下，电源在采取增加线路和设置中间开关所等措施的同时， 。在慎重考虑 输电方式要综合考虑输电线的故障频率和系统规模。即使发电机发生失 步故障导致频率变化，系统也可以承受，在不影响系统运行而且 不妨碍电厂安 图 全运转时， 电厂一般采用省去母线的单元输电方式 （一输电线路接一个发电机） 。 原子能发电厂，采用设置母线的并用送电方式（图 频率变化和确保供电可靠性，以及启动电源供应方式和确保安全电源及经 济性等方面的前提下，通常采用单元输电方式。 原子能电厂的线路图 外围系统 外围系统是围绕用电地区形成的具有汇集各电厂电能 作用的系统。外围系统的容量，除了平时的潮流，还要考虑电厂维修和故障 停机时的应急潮流和随时间变化的变动潮流以及电能的经济运行等因素来 决定。另外还要考虑，长远需求动向、适应电能开发计划等，并在能满足最 大容量的同时，为限制系统扩大规模而增大的短路和接地电流，采用高等级 电压。 外围系统的故障影响范围很广，因此单一设备的故障不能影响系统的 简单化、大容量化、设备小型化的系统，追求高效率的设备组合。当前，从外 城市引入系统 对高度集中用电的重要城市等地，应采用 稳定性；不能引发供电障碍和影响发电能力。 部系统逐步引进数个系统，加强系统运行上的相互联系，形成高可 靠性的系统。以系统为据点，考虑地区需求动向和下位系统的联 系，设置兼顾相互联系机能的供电变电所。 环状系统及放射状系统的构成 为了可靠性主干系统采用环形连接，其与放射形相比较的特征如表 所示。环形连接在输送大电能的同时应使潮流分布的无功损失最小，这样 可做到高效的设备组合。否则，可导致故障时事故范围蔓延弄成复杂化。 系统构成的特征表 地方系统 为中心，）地方主干系统的组成 对过密的电网，以 次侧引入二个线路输电线，平常一线路供电一线路做备用。输电变电所变 一般供电系统的组成 （电网系统）供电用变电所一 方供电干线。 区， 从的地电网，组成中心变电所逐步增加 对于周边及外围用电分布范围比较大，且将来有望成为相当规模的地 是标准的。发达的地区来说， 架空电网系统高压线通过的外围系统的相邻地区或 系统的地区，视情况而定。联接组成系统。但是，对已有 压器，由于短路容量的原因平时的并列运行无法实施。但是，现正在想法使 变压器出现故障时可以并列运行。 地下供电系统 供电变电所的一次侧用地下电缆时，多端子 单元方式为标准。 多端子单元方式，可节省变压器一次侧的断路器和一次侧母线，因线路 和变压器之间直接或用断路器连接，可节约变电所很大空间，因此有降低工 程费以及容易获得变电所用地的优点（图 ①局部网络方式； 图供电系统图地下 地下供电系统地下供电系统，有以下三种方式（图 供电系统 图多端子单元方式的系统图 架空线供电的地区，即填海造地、内地工业园区、新建城市等，适合于 架空供电系统图图 比如，供电线路过长、用电户稀少，从电压等级及长远需求等方面考虑， 主线路发 其地理情况、用电趋向等比较清楚的地区，直接用 架空电缆。当 供电的比例大，而 且道路和电缆通道等方面有利于架设 生故障时，可考虑用备用线满负荷切换供电。 ①高压供电系统 系统的组成以多分割多联系为标准，应急时使用备 用线路。高压供电线路发生故障时，高压供电系统之间，考虑无故障区间的 切换送电。另外，变电所的变压器等，电源一侧发生故障时也要考虑一部分 负荷的切换送电。 低压供电系统 以放射状为主，适用于所有地区。 中性点接地方式 为防止除接地故障以外的原因发生的电压异常，为确保继电保护的正 确动作，在三相送电方式中，使用中性点接地方式。对于经消弧电抗器的接 地方式，是为早期消灭一相接地时的电弧，保证继续送电为目的而设置的 （ 表 。 ）控制过电压 为保持系统不平衡故障中的正常相的基础电压，要 抑制故障发生瞬间或故障解除瞬间的自由振荡电压的同时必须要加速衰减 振荡电压，保护系统的绝缘。为此对系统组成采用合适的中性点接地方式， 用于经济、维修等综合条件有利的地区（图 架空线式供电系统供电方式， 作为地区供电方式， 适 ③环状方式。 线路供电方式； 确保继电保护的动作 即使系统内任何地方发生故障，为确保保 护继电器的正常动作，必须供应非常稳定的电流。尤其是电缆系统中故障 后自由振荡变大，因此为防止继电保护的误动作，必要考虑采用补偿消弧接 地方式。 ）防止电磁诱发故障 故障时接地电流诱发通信电缆的电磁诱导电 压，必须限制在规定值以下，为抑制接地电流，采取适合于系统继电保护等 的接地措施。 ）减少故障时的设备损伤 为了减少故障时的设备损伤，必须降低 故障点的电流或早期隔离。 ）配置中注意的事项 ①系统运用上 一般系统运行中，必须防止中性点接地方式的改变。 系统事故时 不能因发生继电器动作而衍生带电的非接地系统。 短路、 接地电流 系统各处的短路、接地电流的最大值，随系统规模的扩大而增大，特别 是直接受能源集中、不均等影响的主干系统，短路、接地电流增加非常显著 中性点接地方式的标准表 以防过电压发生。 供电质量电力系统的运行目的 系统的短路、接地电流的最大值表 为此，考虑事故的允许范围、用户的用电设备状态以及设备的制造参数、 故障电流的诱发事故等因素，综合斟酌的允许最大电流目标值列于表 （ 表 。 随着短路、接地电流的增加，将出现以下问题 ①断路器等串联设备以及送电线的容量不足； ②产生通信线的电磁感应障碍； ③故障电流大致使设备损坏。 短路、接地电流的控制措施 短路、 接地电流的控制措施， 应斟酌系统稳定性、 电压稳定性、 经济性等 综合因素，从以下措施中选择合适的控制措施 ①系统的分割、电源的分割； ②电厂、变电所的母线稳定分割或故障时分割； ③采用阻抗大的变压器； ④采用串联电抗器； ⑤采用直流送电、直流联接等非同步联接； 直接接地系统部分变压器的中性点采用间隙或经阻抗接地。 电力系统，作为一个整体的庞大的系统，它的使命是供应优质经济的电能。 优质的电能是 ①电压的变化小； ②频率的变化小； ③停电 少等 。 标准电压及其维持 基本思路 维持正常的系统电压，不仅是最基本的服务，而且是维持电力系统稳定 运行的基础。因此，有必要设置稳压设备及调相设备，力求维持电压的稳定。 设置这些设备时，为确保主干线的电压稳定，从电源到供电的各系统， 尽量取得无功功率平衡，尽力控制无功功率损失，同时要适当保持系统电压 以及用电端电压，有效使用发电机的无功功率，综合考虑电压调整设备和调 相设备的设置，计划好更高效率的系统。 电压等级 电压等级是决定电力系统基本形态的重要因素，选定各个地区的电压 等级时，从长远考虑计划主干系统，考虑已有系统的发展情况、地区需求动 向、用户服务等综合因素的同时，应慎重考虑新的电压等级带来的影响，尽 量简化电压等级，组成高效率的电力系统。 表低压用户供电标准 所示。条中已有规定，如表 条的施行规则第电力企业供应用户的电压，在电气事业法第 表标准电压 适用于各种线路（表 标准电压， 是以电气规格调查标准规格 （电气学会制定） 为标准， 它已 标准电压 电压调整 为保持电力系统的电压稳定，应对系统中各处配置各种的电压调整装 置进行调整。主要的调整装置及其功能，有以下几种 ①发电机控制发电机端子电压和输电线输出电压以及产生的无功功 率 （加减励磁电流） 。 电力用电容器产生无功功率。其电压调整是阶段性的。 ③分路电抗器吸收无功功率。用于防止电压上升。 ④带有有载调压器的变压器由有载调压器调整二次电压。 所 示。 同步调相机与发电机一样可产生和吸收无功功率，调整灵敏性高。 发电厂变电所中的调整大致如图 电压和输电线输出电压。 制励磁装置，以控制发电机端子 ）或发电机输电压控自动电压调整装置 ①与火力、原子能电厂以及超高压系统联接的水力发电厂，主要采用 图框图 频率及其维持 基本想法 线为基础，自动调整输电线电压的，是在 的输出电压一定，提高系统电压的稳定性。另外，是以电压调整特性曲 装置上附加的功能装置。 为保持电力系统的标准频率，确保发电厂的调整能力，要进行下述范围 内的调整发电机的转数，决定于原动机的能量与输出电能的平衡。 ①拖动转矩比发电机输出制动转矩大则转数增加； ②拖动转矩比发电机输出制动转矩小则转数减少。 平时频率的变化，主要是由于全系统的负荷变动引起的。对应负荷的 变动，进行发电量和频率的调整。为此，根据负荷变动，有必要确定发电厂 的调整容量，其调整是在运行可调容量内进行。对一般发电厂特性来说，输 出功率的变化速度越快，输出功率的可调整容量将受到限制。 所谓异常，是大电源发电机跳闸引起的频率下降，还有大容量负荷（包括 扬水用动力）引起的频率下降，以及故障断路引起的频率上升等。即使是这 样异常的时候，也要使系统的发电机继续稳定运转，尽快恢复正常的状态。 分成不同的系统频率。东日本的北海岛、东北、东京的电力公司，以 ， 西侧为我国电网频率，是以静冈县的富士川为界，东侧为 标准频率 是安装在联接主干系统的发电机上，其作用是保持输电线 发电机电压，控制无功功率或功率因数不变。 ，自动控制励磁电流保持一定的 或输出功率自动控制装置发电机几乎都备有 和发电机的 ，控制二次母线电压。 ④供电用变电所则采用线路电压降补偿装置 和二次母线电压或二次母线电压以及变压器一次侧无功功率。 ， 控制一次③输电变电所则采用自动控制装置 ，控制发电机端子电压或产生的无功功率。 或无功功率自动调整装置②其余的电厂则采用， 确保供电可靠性 基本思路 作为调整目标；西日本的中部、关西、北陆、中国及四国、九州电力公司，以 作为调整目标。 即使频率异常，也要采取措施使系统的发电机继续运转，不受异常的影 响，而且在可能的情况下尽快恢复正常状态。 电力系统频率的变动，对用户和电力公司从不同角度有不同的影响。 用户方若电力系统的频率发生变动，则引起电机的转数变化。频 率变化很大，则电机的回转不匀可能发生产品质量事故。 电力公司方发电机的转数发生变化，引起气轮机转子的共振，影响 机械寿命，威胁发电机设备的稳定运行。 频率的调整 和负载控制频率的方法，是发电机的调速机运转（ 频率特性配合进行的。 输出功率调整命令 统辖系统的中央供电指令所，根据负载的变 动调整输出，向各控制电厂发指令调整，使频率始终保持为标准值。 频率异常下降时的调整 因主干电源系统的事故或电源分割，造 成全系统的频率下降时，若疏忽放任，则妨碍发电机的稳定运转并波及全系 统，将产生很大的影响。对此，采取的紧急处置的方法是，增加发电量，通过 电网紧急求救，尽快恢复频率的标准值。 频率异常上升时的调整 因系统事故大量的扬水动力等停机，导 致频率异常上升时，也妨碍火力、原子能发电厂稳定运转，可能波及全系统。 对此，作为紧急措施，应减少发电量（介入机械力减少发电机输出力），尽快 恢复标准值。 掌握各用户及社会服务的需求，斟酌供电设备的故障及其恢复的能力， 要确保供电可靠性。 ①准确把握，通常预料中的设备故障对各用户和地方社会供电的影 响，考虑供电障碍规模、时间、频度，协调从电源设备到供电设备之间的供电 可靠性，制定适合全系统的设备计划。 ②即便事故发生率很低，但一旦发生，为避免全系统性破坏的重大事 电源 对水利、火力和原子能发电设备，首先以能对它进行适当检 修为前提，考虑电源的事故，需求的变动，河川的满枯等对发电的影响。 供电可靠性是能明晰的反映预料中的设备事故和事故中的供电可靠度。 影响设备计划的因素 故，在做设备计划时，要考虑万全的预防对策。 ③对台风、 洪水、 地震等自然灾害， 根据地方的实情， 从技术、 经济方面 考虑，要以尽快恢复为目标作好设备计划。 ）主干系统 ①单一设备故障时 不影响正常供电； 不影响主要电源的发电限额。 二重设备故障时 产生大面积供电障碍； 尽力防止电源失步和系统分割，并且即使二系统分割时，也不太影 响供电，能够稳定运转。 ③因施工、维修等，即使要停一部分设备，也不使供电可靠度降低很多。 ）地方系统 单一设备故障时，要在很短时间内恢复供电。 日平均最大供电量，不应超过变电①变电所 变电所在平常运行中 所一台主变压器故障时，剩余正常变压器许容的短时过负荷容量，以及短时 间内可切换的二次侧输电线或供电线负荷切换量的合计值。 但是，对于变电所的事故，由三相变压器组成的变电所，则考虑容量大 的一台停机；由单相变压器组成的变电所，则考虑任何一相的停机。 的合计值，不应超过从平时运转时 ②输电线 多线路并用输电线中，剩下正常线路短时间最大许容容量 日平均最大供电量的合计值中，减去一 日最大平个线路故障停止时，用其他系统的输供电线短时间可能切换的 的 均电量，再减去除了该故障线路供电的备用线契约之外的超高压特别用户 日最大平均供电量的差值。 个线路和一台变压器等设备同时故障。 二重设备故障是，指电力系统中的二台发电机、二台变压器、输电线二个线路以及输电线一 障。但是对母线区间的故障按二重设备故障处理。 单一设备故障是指电力系统中的一台发电机、一台变压器，送、供电线一个线路等设备的故 时间，在这段时间里尚未构成大范围的停电，但用 的叫做瞬时电压下降。 瞬时电压下降 瞬时电压下降，是组成电力系统的设备，受雷击等异常时，继电保护器 检测出异常处，自动断开断路器，把故障处从正常系统中隔离开，这个过程 目前最短需要 户的电压下降 这种情况大半是，高架输电线受雷击等自然灾害所致，其发生频度按地 区不同，但平均而言，一家用户一年间摊上几次，这比停电频率多的多。它 影响精密仪器设备、自动化工厂的生产线以及计算机等，在很多领域里带来 重大影响。做为其防范措施，用户要配置定电压定频率装置 ） 防祸于未然。 高次谐波 近年电气电子技术迅速发展，从家电、机器到产业机械，广泛应用 电子技术。随着电子技术的广泛应用，机器中产生的高频电流流入电力系 统，影响电力系统的电源，引起部分机器的故障越来越严重。 ）高次谐波 基本波（）的整数倍频率的电压电流叫做高 次谐波。不包含高次谐波的波形是很规范的正弦波，但包含高次谐波的波 形成畸变波 （图 次谐波最多。电压畸变率最大的时间带是点， 其次是白天，中， 第 ）在电力系统中高次谐波的情况 电压波形中包含的高次谐波成分 图高次谐波 （高次谐波）包含第 电力高峰的日益增长及其对策 电力高峰 于 月制定了 用电动向 最大电力 最近东京电力的最大电力，增加到年的倍 。今后 还以每年（全 国大约）的速度继续增加，估计年后万万 倍。增加 最大电力，以往是发生在日短的冬季的晚上，可是到了年左右变 成夏季“高峰”。这是因为空调等冷冻用电急速增加的缘故，现在它已占最 左右。用电最多的是空调等冷冻机械，使用时间集中在盛夏大电力的 时， 气温每增加， 多耗电约（东京电力为例） 。的午后时到万 为了限制最大电力的继续增加，即为了提高负荷率，正在考虑各种必要的对 策 （图 用户的电力用电容及其附属深夜最小。受高次谐波影响的机器中， 设备（串联电抗电阻），在受害设备中占大多数。发生高次谐波源的设备大 致有以下几类 ①高压、超高压用户的场合 可控硅整流器、电动机起动用变换器、轧 机、 印刷机、 空调设备等。 一般家电及用电器具的场合 电视、荧光灯、电脑、微波炉等。 年 ）抑制高次谐波的对策 为确保当今社会的电能质量，资源能源厅 月制定了控制高次谐波的对策指南。接着日本电气协会，确定 年 ，从此高次谐波在电力系统中， 了控制高次谐波对策的指导原则的详细技术内容，于 “高次谐波控制对策技术指南 （ 按环境问题来对待，制止高次谐波从各负载中侵入系统的方针才得以实施。 总需求曲线 电的使用情况， 与天气的变化、 季节和周日的不同， 气温、 湿度、 日照等 气象状况，以及反映社会动态的电视收视率的增加等很多因素有关。 然后部分活 一天的电力消费情况，随时间的变化，明显的反映出人们生产活动、社 会活动的开始一进入高潮期一午休一再度出现诸活动的高潮 是夏季的白天比凌晨多 各电力公司为抑制和缓和夏季白天的用电高峰，在征得用户的理解和 支持的前提下，采取调整用电合同等各种抑制高峰用电措施。但实际上还 倍，仍有很大的昼夜之差别。若能抑制用电高 峰，也就是提高负荷率，即可提高设备的利用率，还可以减少设备投资和供 电成本。 尖峰调整对策 和夏季用电都呈隆起状（图 同昼夜的差别，其差别有年年扩大的趋势，近年由于冷冻需要的增加，冬季 动大部停止的夜间的电力消费，约占白天的。 季节的差别， 如 时左右， 冬季天中夏季般时左右，用电量最大。生产活动和社会活 动结束等人们的活动情况。这里还有受天气状况和社会的动向的影响，一 图日用电情况 抽水蓄能式发电见图 抽水蓄能式发电 需求曲线图 ， 具体为此，推荐用户措施负荷平缓 的内容如下所述。 ①想法平缓高峰。利用夜间富余电力把冷水（或温水）储存到储热槽 里，白天取冷或取暖用其冷热能，筹建储热式空调系统；还可以代水用冰储 热，达到储热槽的小型化，发展冰储热式空调系统。 ②电费政策上，考虑夜间收费低等多样化措施。 ， 利用夜间火力、 原子能发电的廉价电能， 用 水泵把下边的调整水池的水提升到上部调整水池中，等白天用电高峰时，利 用水的落差发电。 左右。 电能直接储存是不可能的，但变成水的势能储存是可能的。抽水蓄能 式发电，因抽水和发电两方均有效率损失，故其总效率为 抽水蓄能时虽然损失了能量，但利用深夜原子能发的富余的低价电，转换成 用电高峰时的高价电还是合算的。 电池， 用做阳极离子，使用具有钠离子传导性的氧做阴极离子， 用硫电池）储存电能的研究开发现正在顺利进行。电池 （新型钠 电能储存 比铅电池储存高倍的能量，因此可在变电所、高楼等狭窄的空间安装，自 化铝陶瓷作电解质（固体）。电池可在左右充放电，属高温电池。它 需求与供电关系图 储热泵 身又不放电，充放电效率高，是能长期储存电能的绿色电池。若使用普及 电池，可以在夜间充电白天取用，还减少输电设备的输电损失，又可在 城市周围分散设置，提高输电可靠性。除此之外，可使昼夜间及不同季节的 负荷变动平稳化，实现电能高效率利用。 储热泵，是将热源机的储热泵放在屋顶上，热水储槽置于地下，利用夜间 的低价电， 夏季储冷水， 冬季储热水， 分季组成不同的白天用空调系统 一般热源装置能满负荷运转的时间，是在负荷最大的夏季，但一 天只不过几个小时，一年中算下来也仅有很少的时间，其大部分时间是在部 分负荷状态下运转，即其余时间是都在功率损失的状态下运转。储热泵空 调方式一般是，把热源装置容量设定在小于最大负荷值，使它经常在高负荷 状态下运转，若一建筑物负荷达到最大时，其不足部分是从储热槽中吸用， 即利用夜间便宜的电运转热源装置储存的热能。 其加热装置如图 电热水器 电热水器，是利用深夜规定时间的便宜电，到时开关自动动作把电切入 到热水槽热水，反复对流加热成开水。若达到预先设定的温度或水沸腾时 自动停止供电，以免浪费热能。 ，分内设加热器对流式的和外设加热器从上注入 水的两种方式。热水槽经过一段时间也能保持一定的水温，是因为一旦热 水和注入水的温度相差以上时， 由于比重的差， 形成混合层分界， 热水 和冷水不能混合的缘故。 图储热式热泵的原理 器 电热水 图 章 发电设备第 ， 原子能发电在 原子能发电 原子能、火力、水力等发电设备，随着需求的增加而年年增加， 而且趋于大规模、大容量化，采用的技术也日新月异。 年火力世纪 从发电设备的构成比例来看，从前是以水力发电为主，到了 年代后半期火力发电超过水力发电；到了 ，而原子能发电约占发电占总发电量的 供电中所起的作用越来越重要。估计我国在不远的将来随着原油 价格的上涨，能源的缺乏，从经济性和稳定供电的观点考虑，寄予 原子能发电很大期望。本章中将要学习以发电设备的构成和筹划 等的计划、设计的方法为中心，介绍各设备的概要和最新技术以及 实际运用情况。 发电原理 铀的原子核吸收中子时，原子核将分裂，并放出大量的热能和 个中子。放出的中子又被铀原子核吸收又引起原子分裂（这叫连锁 反应）。利用核裂变产生的热能发电的叫做原子能发电。 原子核的质量，比组成原子核的各粒子单独质量的和大。这一质量的 差叫做原子核的质量缺损。 就是能量， 可据爱因斯坦的相对论，质量与能量是等同的，质量 用下式表示； 铀的原子核吸收中子引起核分裂时，核分裂物的质量的和比铀 是真空中的光速。式中 和图表示。 与中子的和小。核分裂造成质量的缺损，相当于释放出的能量。铀 的一个原子核放出的能量，约等于 ）和加压水型反应堆（ 不同形式的原子反应堆使用不同的减速剂（降低中子速度的物质）和冷 却剂（核分裂时产生的热，从反应堆中排出）。减速剂、冷却剂均用普通水 （轻水）的反应堆叫做轻水反应堆。日本正在运行和建设的基本上是轻水反 应堆。轻水反应堆是现在世界上采用最多的实用化反应堆。此外还有沸腾 水型反应堆 （） 两 种 。 沸腾水型反应堆和加压水型反应堆的原理，分别由图 反应堆是反应堆压力容器和内藏燃料的组合体，由控制棒、驱动装置、 反应堆设备 原子能发电设备，由原子反应堆设备、汽轮机发电机设备和反应堆安全 设备等构成。以沸腾水型反应堆为例，其原理叙述如下 主要设备 图沸腾水型原子反应堆简图 的低浓缩二氧化铀的烧结丸， 加压水型原子反应堆（） 简图图 排列组成。燃料铀 炉内构造物以及蒸汽干燥器等组成。炉心由燃料组合体和控制棒有规则的 是浓缩度为 是装入到泽卡洛伊锆锡合金管内的棒状燃料。 控制棒是吸收中子效果好的碳化硼（还可用铪）的粉末，用不锈钢管包 裹成形的棒状物。 汽轮机发电设备 从原子反应炉中烧出来的蒸汽，通过主蒸汽管送到汽轮机一侧，经过主 蒸汽门、调速汽门进入汽轮机高压缸。在汽轮机高压缸作完功的蒸汽，到气 水分离器中去掉水分，再进入汽轮机低压缸。在汽轮机低压缸做完功的蒸 汽，到冷凝器凝结成水，用给水加热器加热，再用给水泵送到原子炉里。 的情况）的蒸汽汽轮机联结的横发电机是直接与转数为 轴原筒旋转磁场三相同步发电机， 其转子采用氢气冷却、 定子采用水冷却等。 原子炉外壳设施，在发生冷却剂流失事故，从原子炉中泄露放射性物质 原子炉安全设备 型那样的附属蒸汽发生器，因此整体 的比较和 时，应具有抑制泄漏量在所规定的值以下的功能，从而实现大气中的泄漏量 非常低。 若原子炉的第一系统发生破坏性事故，可能冷却剂部分或大部在短时 间内往外泄露，导致炉心温度上升，最终造成燃料棒熔融。万一发生这类事 故，为防止燃料熔融，应备有应急用炉心冷却系统。 沸腾水型原子炉 （）是在压力容器中把水变成蒸汽，把蒸汽直接送 入汽轮机，驱动汽轮机转动发电机发电，而驱动汽轮机后的蒸汽，到冷凝器 变成水，再用给水泵送到原子炉压力容器里。原子炉压力容器内的水，靠再 循环泵及喷射泵在炉心部循环。 的特征归纳如下 ①原子炉压力容器内部，有炉心还有喷射泵、汽水分离器、蒸汽干燥器 等，因此原子炉压力容器搞的很庞大。 由于直接循环，不需要 构成很简单。 ③靠改变炉心的间隙，可调整原子炉的功率，因此容易控制。 ④送到汽轮机的蒸汽中也含有放射性物质，因此在汽轮机一侧也需要 防放射线，采取放射性气体遗弃物的处理对策是必要的。 ）是加压的高压水在原子炉内加热成高温，原子加压水型原子炉 （ 炉容器和蒸汽发生器之间，设有冷却剂循环冷却泵。这时所用的冷却水叫 一次冷却剂，循环一次冷却剂的封闭系统叫做一次冷却系统。 通过蒸汽发生器的传热管，一次冷却系统和二次冷却系统进行热交换。 二次冷却剂以蒸汽状态送到汽轮机，驱动汽轮机发电机发电。驱动汽轮机 的蒸汽，在冷凝器中变成水，再用给水泵送到蒸汽发生器中。 的特征归纳如下 ①因使用高压水，可实现原子炉容器及炉心小型化。但必需设置大型 蒸汽发生器。 ②分隔成包含放射性物质的一次冷却系统和不包含放射性物质的二次 冷却系统，由蒸汽发生器相互隔开，因此可进行适合各自情况的独立设计。 ③靠一次冷却剂中调整硼的浓度，在几乎拔掉控制棒的情况下，原子 炉可正常运行，因此容易做到输出功率的平稳化。 物抗震设计标准的 ④即使燃料的放射性物质泄漏到一次冷却剂系统里，也不污染二次冷 却系统，因此用不着对二次冷却系统采取防护对策。 预防强烈地震对策 原子能发电所的地震对策如下 ①为尽量减少地震影响，原子炉等重要的建筑物，应建在坚固的岩盘 上，而且建筑物结构本身也应坚固。 于一般建筑 设计原子能发电所的时候，在调查过去地震及板块活动断层等历史 资料的基础上， 预测出最大地震， 并按照建筑基准法规定的用 倍来考虑，进行非常安全的设计。 ③设置地震仪， 地震达到一定程度以上时， 即可安全地自动关闭原子炉。 经历年兵库县南部地震后，原子能安全委员会从保证原子能设施 安全的万全之策考虑，建立了“原子能设施抗震安全审核委员会”，认真审查 以往的原子能设施的抗震性措施（抗震设计方案）是否有问题。 其审查结果如下 ①尽管兵库县南部受到了地震，但无损于原抗震方案的妥当性。 ②但是，原子能有关部门不能满足于现状，为进一步提高原子能设施 的抗震安全性和可靠性，需要继续努力。 ① 方 针 原子能设施的地震安全设计时应考虑的问题如下 设计上要考虑自然情况 重要的建筑物、系统及设备的安全性，按重要程度进行不同的抗震设 计，即要考虑因地震丧失或破坏其功能时对安全的影响，还要参照地基和周 边地域的历史记载以及实地调查，