电力系统的基本知识

一、电力系统与电力网

1、电力系统

由发电厂的发电部分、输配电线路、变配电所，以及用户的各种用电设备所组成的整体，称为电力系统，简称系统。

现代化电力系统规模一般较大，通常把许多不在一地的发电厂并列起来，连成较大的电力系统，可以充分发挥系统运行的稳定性和安全性，提高发、供电的经济效益。大型电力系统在技术、经济上具有以下优点：

1）提高供电可靠性；

2）减少系统备用容量；

3）便于发展大型机组及利用大型动力资源，特别是充分发挥水力发电厂电能生产成本低的优越性；

4）通过合理分配负荷可以降低系统的高峰负荷，提高运行经济性；

5）提高供电质量。

2、电力网

不同电压等级的电力线路和变配电所组成的网络叫电力网，简称电网。电网是电力系统的重要组成部分，担负着输电、变电与配电（统称供电）的任务。电力网按其在电力系统中的作用不同，分为输电网和配电网。

1）输电网

输电网是以高电压甚至超高电压将发电厂、变电所或变电所之间连接起来的送电网络，是电力网中的主网架。输电网的电压一般在35kV及以上，330kV及以上称为超高压输电线路。

2）配电网

直接将电能送到用户去的网络，称为配电网。配电网的电压根据用户负荷情况和供电要求而定。

（1）高压配电网

一般指 35kV、110kV及以上电压。

（2）中压配电网

一般指20kV、10kV、6kV、3kV 电压。

（3）低压配电网

低压配电网通常又称为二次配电网，一般指220V、400V电压。

二、电力系统的运行特点

1、电能的生产和使用同时完成

电能的生产、输送和使用处于一种动态的平衡状态，若供用电出现不平衡，系统运行的稳定性就会被破坏。

2、过渡过程迅速

电能以电磁波形式传播，有极高的传输速度，电力系统中的过渡过程非常迅速。

3、地区性突出

我国地域辽阔，自然资源分布很广，使电能结构有很强的地域特点。

4、与国民经济关系密切

电能为国民经济各部门提供动力，也是人们物质文化生活现代化的基础。

三、电力系统的运行要求

电力系统的基本任务是为国民经济和人民生活提供充足、可靠、经济且质量好的电能，这是对电力系统运行的最基本要求。

1、保证供电的可靠性

保证供电的可靠性是对电力系统最基本的要求。不同的用户对供电可靠性的要求也不一样。根据用户负荷性质和中断供电在经济、政治上所造成的损失和影响程度，用户负荷分为三类。

1）一类负荷

指突然中断供电，将会造成火灾、爆炸、中毒而导致人身伤亡或重大设备损坏，使国民经济中重点企业的连续生产被打乱而需要长时间才能恢复；中断供电影响到重大政治、经济意义的用电单位的正常工作，如重要的铁路枢纽，重要的通信枢纽，重要宾馆及经常用于国际活动的大量人员集中的公共场所等，这些用电单位的重要电力负荷属于一类负荷。

在一类用电负荷中，当中断供电将发生中毒、 爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷，称为特别重要的负荷。一类负荷应由两个独立的电源供电，特别重要的一类负荷，两个独立电源应来自不同的地点，保证发生故障时两个独立电源互不受影响。

2）二类负荷

指突然中断供电将在政治、经济上造成较大损失，如主要设备的损坏，大量产品报废，连续生产过程被打乱而需要较长时间才能恢复，重点企业大量减产等；中断供电将影响重要单位的正常工作，如在企业中占比例最大的化工厂连续性生产的大部分负荷，以及大型影剧院、大型商场等大量人员集中的重要的公共场所等，这些单位的负荷都属于二类负荷。

二类负荷的供电系统，应尽量做到发生故障时不致中断供电，或中断供电后能迅速恢复，应由双回路供电，且应尽可能引自不同的变压器和母线段。

3）三类负荷

指突然中断供电后影响不大，以及所有不属于一类负荷和二类负荷的其他用电负荷。三类负荷对供电的连续性没有特殊要求，可由单回路供电。当系统发生故障时，如出现电力不足，应首先考虑切除三类负荷，以保证一、二类负荷的供电。

2、保证供电有良好的质量

电力系统只有保证供电有良好的质量才能保证产品质量，才能保证设备和人身的安全。供电质量的指标以电压、频率和波形来衡量。

3、保证运行的经济性

电力系统运行中应考虑经济性，使运行费用下降，如降低煤耗，减少厂用电的用电量，减少线损等。

四、电力系统的电压等级

1、划分交流电高、低压的标准

1）以250V作为划分标准

设备对地电压大于250V的称为高压；设备对地电压在250Ⅴ及以下者称为低压。

2）以1kV作为划分标准

电压超过1KV称为高压；电压为1kV及以下者称为低压。

2、超高压和安全电压的规定

1）超高压

规定330KV及以上的电压为超高压。

2）安全电压

我国安全电压等级为42V、36Ⅴ、24V、12Ⅴ、6V。一般情况下，人体的电阻可按1000Ω～2000Ω计，保守可按800Ω计。实验证明人体允许通过的工频电流极限为50mA。依据欧姆定律：U=IR=0.05x800=40（V）得知人体所允许承受的最大工频电压极限为40V。

3、电力系统的额定电压等级

电力系统的额定电压等级由国家制定颁布，中国标准额定电压如下表所示。

电气设备在额定电压下运行时，其技术经济性能最好，也安全可靠。由于有了统一的额定电压标准，电力工业、电工制造业等行业才能实现生产标准化、系列化和统一化。

1）用电设备的额定电压和电网的额定电压一致

由输电线路和变压器等元件上产生的电压损失造成各点实际电压偏离额定值，一般取线路的平均电压为用电设备的额定电压。国家规定在用户处的电压偏移不得超过±5%，这样线路正常运行时，电压偏移不会超过10%，即线路首端电压不超过额定电压的+5%，末端电压不低于额定电压的-5%，就能满足用电设备安全、经济运行的要求。

2）发电机的额定电压

发电机在电网首端，其额定电压比同级电网额定电压高5%，用于补偿电网上的电压损失。

3、变压器的额定电压

变压器的额定电压分为一次绕组额定电压和二次绕组额定电压。

（1）一次绕组额定电压

当变压器接于电网首端与发电机引出端相连时，其一次绕组的额定电压应与发电机额定电压相同；当变压器接于电网末端时，其性质等同于电网的一个负荷，一般为降压变压器，其一次绕组的额定电压应与同级电网的额定电压一致。

（2）二次绕组额定电压

变压器二次绕组额定电压是绕组的空载电压，当变压器为额定负载时，绕组阻抗所造成的电压损失约为5%。变压器二次侧向负荷供电，相当于电源的作用，其额定电压应比同级电网额定电压高5%。考虑这两个因素，二次绕组额定电压应比同级电网额定电压高10%。但当二次输电距离较短，或变压器本身绕组阻抗较小时，二次绕组的额定电压也可以只比同级电网电压高5%。

五、电力系统的供电质量

供电质量是指电能质量与供电可靠性。供电质量不合格，会使用电设备的性能恶化，如设备运行效率和功率因数下降，电能损耗增加，使用寿命缩短；会使自动装置或电子设备工作失常；会使生产机械效率下降，生产的产品质量不合格。严重时会使产品大量报废，甚至危及设备或人身安全。

1、电能质量指标

电力系统电能质量的指标是电压、波形和频率。

1）电压质量

电压质量对电网的稳定运行，降低线路损耗，保证生产的安全与正常进行，提高产品质量，降低单耗等有着直接影响。电压质量既有数值上的要求，也有波形与对称性方面的要求。电力系统理想的电压应该是幅值始终为额定值的三相对称正弦波电压，波形中所含任一高次谐波的瞬时值不应超过同相基波电压瞬时值的1.5%～5%。此外，三相之间还要求互相对称，否则便会含负序与零序分量。但由于电力系统中存在阻抗及用电负荷的变化、用电负荷的不同性质和不同的特点，造成了实际电压在幅值、波形和对称性上与理想电压之间的偏差。电压的质量是按照国家制定的标准或规范，通过对电压的偏移、波动和波形的质量指标评估得出的。

（1）电压偏移

电压偏移是指电网实际电压与额定电压之差，也称电压损失。

①电压偏移的规定

电压偏移通常用其是额定电压的百分之多少表示。中国标准规定，用户受电端的电压变动幅度应不超过额定电压的百分数是：

a、35kV及以上供电和对电压质量有特殊要求的用户电压偏移为±5%；

b、10kV及以下高压供电和低压电力用户电压偏移为±7%；

c、低压照明用户电压偏移为+5%～-10%。

②电压偏移的影响

电压偏移对运行中的用电设备会造成不良的影响。以电动机为例，当电压降低时，电磁转矩随电压的平方成比例下降。例如电压降低20%，转矩会降低36%，电流会增加20%~35%，造成电动机转速降低而可能导致工厂废品产生，温度升高使电动机线圈过热，绝缘加速老化，甚至烧毁电机；当电压过高时，电动机铁芯会出现饱和，激磁电流增大，铁损增大，导致电动机过热，效率降低，运行性能变坏，甚至烧毁电动机。

③减少电压偏移的主要措施

a、合理减少系统的阻抗，增大导线或电缆的截面；

b、减少系统的变压级数，尽量保持系统三相负荷平衡；

c、高压线深入负荷中心，多回路并联供电；

d、采用有载或无载调压变压器，直接对电压进行调整；

e、对功率因数低，带有冲击性负载的线路，采用无功功率补偿装置。

（2）电压波动

电压波动是指电压在系统电网中做快速、短时的变化。变化更为剧烈的电压波动称为电压闪变。

①电压波动的原因

电压波动主要是由于用户负荷的剧烈变化所引起的。由于电力系统中冲击性负荷的作用，如大型电动机的启停、电弧炉熔化期的工作短路等，都使电网在某一时期内电压急剧变化而偏离额定值，从而引起电压波动。

②电压波动的规定

电压波动程度用电压在变化中相继出现的最大值和最小值之差是额定电压的百分之多少表示。中国标准规定，电压波动允许值为：

a、10kV及以下电压波动允许值2.5%；

b、35～110kV电压波动允许值2%；

c、220kV及以上电压允许波动值1.6%。

③抑制或减少电压波动的主要措施

a、采用合理的结线方式；

b、对负荷变化剧烈的大型设备，采用专用线或专用变压器供电；

c、提高供电电压等级，减少电压损失。

d、增大供电系统容量，减少系统阻抗；

e、电压波动严重时减少甚至切除引起电压波动的负荷；

f、采用静止无功功率补偿装置进行补偿，以减少无功功率冲击引起的电压闪变。

2）波形质量

理想的电能应该是完美对称的正弦波。一些因素会使波形偏离对称正弦，由此便产生了电能质量问题。一方面我们研究存在哪些影响因素会导致电能质量问题，另一方面我们研究这些因素会导致哪些方面的问题。

（1）波形畸变率

正弦交流电的波形一般以波形畸变率来衡量。波形畸变率是指各次谐波有效值平方和的方根值与基波有效值的百分比。

（2）波形畸变的主要原因

电力系统中存在大量非线性阻抗的供用电设备会产生谐波，如晶闸管整流装置、变频调速装置、电弧炉、电抗器、变压器等都是谐波源。

（3）谐波的危害

谐波电气设备接入电网后，向电网注入谐波电流，在电气设备上产生谐波电压，引起设备损耗增加，造成局部过热，使电机机械振动增加，噪声增强；对电子元件及自动装置、测量元件产生干扰，引起工作失常；对电视和广播产生干扰，图像和通信质量下降。

（4）抑制高次谐波的主要措施

①限制接入系统的变流设备及交流调压设备的容量，提高供电电压或单独供电等；

②在技术上采取增加整流器的相数，对整流变压器采用Y，d或D，Y结线，装设分流的无源滤波器，消除和吸收一些高次谐波；

③对大型的非线性设备装设静止无功补偿装置，以吸收其产生的无功功率；

④采用有源交流滤波装置，即谐波抵消装置，产生与谐波源相反的高次谐波电流，提供给负荷，抵消高次谐波。

3）频率质量

（1）频率的规定

我国规定电力系统交流电频率的额定值是50Hz，常称工频。

国家标准对交流电频率的允许变化范围是：

①电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz（49.8Hz～50.2Hz）；

②当系统容量较小时，频率偏差可以放宽到±0.5Hz。

（2）频率偏离的影响

电动机的转速随着频率变化，频率偏移将影响产品的产量和质量，频率偏离还会造成电子设备误动，信号误传等。频率急剧下降，有可能使整个电力系统崩溃。

（3）保证频率质量的措施

要达到频率的质量指标，首先要做到电源与负荷间的有功功率平衡，当供用电系统有功负荷不平衡时，可以切除些次要负荷，保持有功功率平衡。发生频率偏差时，可采用调频装置调频。

2、供电可靠性

供电可靠性是对持续供电能力的量度。因突然停电或经常停电而导致的停工、停产、产品报废、设备损坏，甚至造成电气火灾或人员伤亡等恶性事故，会给各类用电单位带来很大的损失。所以供电可靠性显然是供电质量的重要指标。

1）供电可靠率

供电可靠性常用供电可靠率来衡量。供电可靠率是指在某一统计期内，供电部门对用户的实际供电时间与本统计期全部时间的百分比。实际供电时间等于统计期内总时间减去停电时间。停电时间应包括事故停电、临时性停电及计划检修停电时间。

2）提高供电可靠性的措施

（1）尽可能采用可靠性高的电气设备，采用前必须进行严格检验。

（2）在保证系统预定功能的前提下，尽量降低系统的复杂程度。

（3）根据用电负荷的级别确定工作贮备，包括明备用与暗备用。

（4）加强维护工作，定期更换旧元件，使系统始终处在完成预定功能的良好状态。

（5）加强修理工作，系统中重要环节的设备与元件应按时检修，保证其性能完好。

（6）重视管理工作，对电力系统应坚持设计、生产、使用三方信息交流；对生产及使用人员应进行可靠性工程的宣传教育；此外，对现场人员要加强严格执行操作规程方面的教育，防止人为故障的发生。

六、电力系统的结线方式

电力系统的结线方式对电力系统的运行安全及系统的经济性影响很大。在选择电力系统的结线方式时，应考虑使系统接线紧凑、简明，线路尽量深入负荷中心，简化电压等级，保证操作人员安全。同时，系统的调度、操作要灵活、方便、可靠，结线投资及运行费用要少。电力系统的结线方式一般分为开式电力网和闭式电力网两类。

1、开式电力网

由一端电源向用户供电的电力网叫开式电力网或单端电源电力网。开式电力网结线方式简单，运行方式经济，但其可靠性较低，不适用于向一级负荷供电，但依靠自动装置与继电保护的配合可以向二级负荷供电。

如上图所示，开式电力网的结线方式有放射式、干线式、链式和树枝式。放射式结线的优点是各放射线路互不影响，供电较可靠，并能保证电压质量，但用线较多，该结线方式一般用于向容量较大的三级负荷或一般的二级负荷供电；干线式、链式、树枝式结线方式的可靠性不如放射式结线好，但用线较少。如在干线或分支线上适当地方加装开关，也可以提高这种结线方式的可靠性和灵活性。

2、闭式电力网

由两条或多条电源线路向用户供电的电力网叫闭式电力网。闭式电力网供电可靠性高，适用于向一级负荷的用户供电。

多端供电式有多个电源，可靠性高，线路运行、检修灵活，但结线多，投资大，操作较复杂。这种接线方式多用于发电厂之间、发电厂与枢纽变电站之间的联系，供电网络很少采用。

七、电力系统的供电环节

电力从生产到供给用户使用，通常都要经过发电、输电、变电、配电、用电这五个环节。

1、发电

生产电力的工厂称为发电厂，发电厂按所使用的能源不同，可分为火力发电（火电）厂，水力发电（水电）厂和核能发电（核电）厂。

2、输电

输电距离越长，输电电压要求越高。输电距离50km以下可采用35KV；输电距离100km左右宜采用110KV；输电距离超过220km则采用220KV或更高的电压。

3、变电

变电可分为输电电压的变换和配电电压的变换。变电所（站）负责输电电压的变换；变配电所（站）负责配电电压的变换；配电所（站）只起配电作用，而无变电功能。

4、配电

高配电压35KV、中配电压10KV或6KV、低配电压220V或380V。

5、用电

同一时刻各用电设备所需要的电功率总和称为用电负荷。根据用户对供电可靠性的要求，用电负荷分为一、二、三类负荷；根据用户在国民经济中所属部门，用电负荷分为工业负荷、农业负荷、交通运输负荷、照明及市政生活用电负荷。

八、电力系统的中性点运行方式

电力系统中性点运行方式有不接地、经电阻接地、经电抗接地、经消弧线圈接地或直接接地等多种。我国电力系统目前所采用的中性点接地方式主要有不接地、经消弧线圈接地和直接接地三种。

1、中性点各种运行方式的特点

1）中性点不接地方式

如下图所示，正常运行时各相对地电容电流相等而相位互差120°，其相量和等于零，地中没有电容电流流过，中性点对地电容电流为零，中性点电位与地电位一致。

（1）在中性点不接地系统中，发生一相接地时，各相间的电压大小和相位没有变化，电压的对称性没有变化，可以继续运行一段时间。但不允许长期运行，尤其是发电机直接供电的电力系统，因未接地相对地电压升高到相电压的√3倍，即等于线电压。一相接地运行时间过长可能会造成两相短路，所以，应装设绝缘监视或接地保护装置。当发生单相接地时能及时发出信号，使值班人员迅速采取措施，尽快消除故障。一相接地系统允许继续运行时间最长不得超过2h。

（2）在中性点不接地系统中，发生一相接地时，通过接地点的电容电流为未接地时每一相对地电容电流的3倍，可能会在接地点引起弧光接地，周期性地熄灭和重新发生电弧，造成系统过电压。

2）中性点经消弧线圈接地方式

中性点经消弧线圈接地方式分为全补偿(I=Ic)、欠补偿(IIc)三种方式。规程规定：当35kV系统单相接地电流大于10A、10kV(6kV)系统单相接地电流大于30A时，采用中性点应经消弧线圈接地的方式，一般应采用过补偿。如下图所示。

3）中性点直接接地方式

中性点直接接地的三相系统也称为大电流接地系统，如下图所示。

系统发生一点单相接地时，通过接地点的短路电流很大，因此电力网不能再继续供电。此时，继电保护应瞬时动作，使开关跳闸，切除故障。此系统的主要优点是单相接地时中性点的电位接近于零，非故障相的对地电压接近于相电压，因而可以降低电力网的绝缘水平和造价。

2、不同电压等级电力系统中性点接地方式的选择

1）220kV 及以上电压的电力网，采用中性点直接接地方式；

2）110kV电力网，大部分采用直接接地方式，小部分采用经消弧线圈接地方式;

3）35~66kV的电力网，从供电可靠性出发，采用消弧线圈接地或不接地方式，当单相接地电流大于10A时，可采用消弧线圈接地方式；

4）3~10kV的电力网，一般采用中性点不接地方式；当电网接地电容电流大于30A时，可采用经消弧线圈接地或经电阻接地的方式；

5）1kV及以下的低压电力网，即对 380/220V三相四线制电力网，从安全角度出发，均采用中性点直接接地方式。

九、电力系统的主结线要求和形式

将发电机、变压器、断路器等一次设备按照一定的顺序连接起来，用以表示产生、汇集和分配电能的电路，称为电气主结线。主结线表明电能送入和分配的关系以及各种运行方式。主结线图应按行业标准规定的图形符号与文字符号绘制，常以单线图的形式描述。

1、电气主结线的基本要求

电气主结线的基本要求包括可靠性、灵活性和经济性三个方面。

1）可靠性

保证供电可靠是电气主结线的最基本要求。因事故被迫中断供电的机会越少，影响范围越小，停电时间越短，主结线的可靠程度就越高。

2）灵活性

电气主结线能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。不仅正常运行时能安全可靠地供电，而且在系统故障或电气设备检修时也能适应调度的要求，并能灵活、简便、迅速地倒换运行方式，使停电时间最短，影响范围最小。

3）经济性

在主结线方案中，主要矛盾在可靠性与经济性之间。欲使主结线可靠、灵活，必然要选用高质量的设备和现代化的自动装置，从而导致投资费用的增加。因此，主结线的设计在满足可靠性和灵活性的前提下，应做到经济合理。一般从投资省、占地面积小、电能损耗少三方面考虑。

2、电气主结线的基本形式

1）主结线形式分类

主结线的基本形式一般可分为有母线的结线和无母线的结线两种。

（1）无母线结线使用开关电器较少，占地面积小，一般只适用于进出线回路少的发电厂或变配电所。

（2）在进出线数较多时，采用母线作为中间环节，结线简单清晰，运行方便，有利于安装和扩建。有母线结线方式又分为单母线结线、双母线结线、一个半断路器结线、单元结线、桥式接线、角形结线。而单母线结线，又分为普通单母线结线、单母线分段结线、带旁路母线的单母线结线、单母线分段带旁路结线等。双母线结线又分为普通双母线结线、带旁路母线的双母线结线。

2）单母线分段结线

工业企业变电所多采用单母线分段结线方式，提高供电的可靠性和灵活性。

（1）解析

当QF1接通运行时，任一段母线发生短路故障时，在继电保护作用下，QF1自动分闸，非故障段母线可继续工作。当QF1断开运行时，除装有继电保护装置外，还应装备电源自动投入装置。当任一电源故障时，电源回路断路器跳闸，QF1自动投入，保证给全部出线继续供电。QF1断开运行时，还可起到限制短路电流的作用。

（2）优缺点

①优点

对于双回路供电的重要用户，可将双回路分别接到不同母线分段上，保证对重要用户的供电。

②缺点

当一段母线发生故障时，故障母线段将停止工作，直至故障被排除；当一段母线和母线隔离开关检修时，必须断开接在该分段上的全部电源和引出线；任一出线的断路器检修时，该回路必须停止工作。

③应用范围

a、6～10kV，出线回路数在6回及以上时，每段容量不超25MW；

b、35～60kV，出线回路数不超过8回；

c、110～220kV，出线回路数不超过4回。