一、電力系統與電力網

1、電力系統

由發電廠的發電部分、輸配電線路、變配電所，以及用戶的各種用電設備所組成的整體，稱為電力系統，簡稱系統。

現代化電力系統規模一般較大，通常把許多不在一地的發電廠并列起來，連成較大的電力系統，可以充分發揮系統運行的穩定性和安全性，提高發、供電的經濟效益。大型電力系統在技術、經濟上具有以下優點：

1）提高供電可靠性；

2）減少系統備用容量；

3）便于發展大型機組及利用大型動力資源，特別是充分發揮水力發電廠電能生產成本低的優越性；

4）通過合理分配負荷可以降低系統的高峰負荷，提高運行經濟性；

5）提高供電質量。

2、電力網

不同電壓等級的電力線路和變配電所組成的網絡叫電力網，簡稱電網。電網是電力系統的重要組成部分，擔負著輸電、變電與配電（統稱供電）的任務。電力網按其在電力系統中的作用不同，分為輸電網和配電網。

1）輸電網

輸電網是以高電壓甚至超高電壓將發電廠、變電所或變電所之間連接起來的送電網絡，是電力網中的主網架。輸電網的電壓一般在35kV及以上，330kV及以上稱為超高壓輸電線路。

2）配電網

直接將電能送到用戶去的網絡，稱為配電網。配電網的電壓根據用戶負荷情況和供電要求而定。

（1）高壓配電網

一般指 35kV、110kV及以上電壓。

（2）中壓配電網

一般指20kV、10kV、6kV、3kV 電壓。

（3）低壓配電網

低壓配電網通常又稱為二次配電網，一般指220V、400V電壓。

二、電力系統的運行特點

1、電能的生產和使用同時完成

電能的生產、輸送和使用處于一種動態的平衡狀態，若供用電出現不平衡，系統運行的穩定性就會被破壞。

2、過渡過程迅速

電能以電磁波形式傳播，有極高的傳輸速度，電力系統中的過渡過程非常迅速。

3、地區性突出

我國地域遼闊，自然資源分布很廣，使電能結構有很強的地域特點。

4、與國民經濟關系密切

電能為國民經濟各部門提供動力，也是人們物質文化生活現代化的基礎。

三、電力系統的運行要求

電力系統的基本任務是為國民經濟和人民生活提供充足、可靠、經濟且質量好的電能，這是對電力系統運行的最基本要求。

1、保證供電的可靠性

保證供電的可靠性是對電力系統最基本的要求。不同的用戶對供電可靠性的要求也不一樣。根據用戶負荷性質和中斷供電在經濟、政治上所造成的損失和影響程度，用戶負荷分為三類。

1）一類負荷

指突然中斷供電，將會造成火災、爆炸、中毒而導致人身傷亡或重大設備損壞，使國民經濟中重點企業的連續生產被打亂而需要長時間才能恢復；中斷供電影響到重大政治、經濟意義的用電單位的正常工作，如重要的鐵路樞紐，重要的通信樞紐，重要賓館及經常用于國際活動的大量人員集中的公共場所等，這些用電單位的重要電力負荷屬于一類負荷。

在一類用電負荷中，當中斷供電將發生中毒、 爆炸和火災等情況的負荷，以及特別重要場所的不允許中斷供電的負荷，稱為特別重要的負荷。一類負荷應由兩個獨立的電源供電，特別重要的一類負荷，兩個獨立電源應來自不同的地點，保證發生故障時兩個獨立電源互不受影響。

2）二類負荷

指突然中斷供電將在政治、經濟上造成較大損失，如主要設備的損壞，大量產品報廢，連續生產過程被打亂而需要較長時間才能恢復，重點企業大量減產等；中斷供電將影響重要單位的正常工作，如在企業中占比例最大的化工廠連續性生產的大部分負荷，以及大型影劇院、大型商場等大量人員集中的重要的公共場所等，這些單位的負荷都屬于二類負荷。

二類負荷的供電系統，應盡量做到發生故障時不致中斷供電，或中斷供電后能迅速恢復，應由雙回路供電，且應盡可能引自不同的變壓器和母線段。

3）三類負荷

指突然中斷供電后影響不大，以及所有不屬于一類負荷和二類負荷的其他用電負荷。三類負荷對供電的連續性沒有特殊要求，可由單回路供電。當系統發生故障時，如出現電力不足，應首先考慮切除三類負荷，以保證一、二類負荷的供電。

2、保證供電有良好的質量

電力系統只有保證供電有良好的質量才能保證產品質量，才能保證設備和人身的安全。供電質量的指標以電壓、頻率和波形來衡量。

3、保證運行的經濟性

電力系統運行中應考慮經濟性，使運行費用下降，如降低煤耗，減少廠用電的用電量，減少線損等。

四、電力系統的電壓等級

1、劃分交流電高、低壓的標準

1）以250V作為劃分標準

設備對地電壓大于250V的稱為高壓；設備對地電壓在250Ⅴ及以下者稱為低壓。

2）以1kV作為劃分標準

電壓超過1KV稱為高壓；電壓為1kV及以下者稱為低壓。

2、超高壓和安全電壓的規定

1）超高壓

規定330KV及以上的電壓為超高壓。

2）安全電壓

我國安全電壓等級為42V、36Ⅴ、24V、12Ⅴ、6V。一般情況下，人體的電阻可按1000Ω～2000Ω計，保守可按800Ω計。實驗證明人體允許通過的工頻電流極限為50mA。依據歐姆定律：U=IR=0.05x800=40（V）得知人體所允許承受的最大工頻電壓極限為40V。

3、電力系統的額定電壓等級

電力系統的額定電壓等級由國家制定頒布，中國標準額定電壓如下表所示。

電氣設備在額定電壓下運行時，其技術經濟性能最好，也安全可靠。由于有了統一的額定電壓標準，電力工業、電工制造業等行業才能實現生產標準化、系列化和統一化。

1）用電設備的額定電壓和電網的額定電壓一致

由輸電線路和變壓器等元件上產生的電壓損失造成各點實際電壓偏離額定值，一般取線路的平均電壓為用電設備的額定電壓。國家規定在用戶處的電壓偏移不得超過±5%，這樣線路正常運行時，電壓偏移不會超過10%，即線路首端電壓不超過額定電壓的+5%，末端電壓不低于額定電壓的-5%，就能滿足用電設備安全、經濟運行的要求。

2）發電機的額定電壓

發電機在電網首端，其額定電壓比同級電網額定電壓高5%，用于補償電網上的電壓損失。

3、變壓器的額定電壓

變壓器的額定電壓分為一次繞組額定電壓和二次繞組額定電壓。

（1）一次繞組額定電壓

當變壓器接于電網首端與發電機引出端相連時，其一次繞組的額定電壓應與發電機額定電壓相同；當變壓器接于電網末端時，其性質等同于電網的一個負荷，一般為降壓變壓器，其一次繞組的額定電壓應與同級電網的額定電壓一致。

（2）二次繞組額定電壓

變壓器二次繞組額定電壓是繞組的空載電壓，當變壓器為額定負載時，繞組阻抗所造成的電壓損失約為5%。變壓器二次側向負荷供電，相當于電源的作用，其額定電壓應比同級電網額定電壓高5%。考慮這兩個因素，二次繞組額定電壓應比同級電網額定電壓高10%。但當二次輸電距離較短，或變壓器本身繞組阻抗較小時，二次繞組的額定電壓也可以只比同級電網電壓高5%。

五、電力系統的供電質量

供電質量是指電能質量與供電可靠性。供電質量不合格，會使用電設備的性能惡化，如設備運行效率和功率因數下降，電能損耗增加，使用壽命縮短；會使自動裝置或電子設備工作失常；會使生產機械效率下降，生產的產品質量不合格。嚴重時會使產品大量報廢，甚至危及設備或人身安全。

1、電能質量指標

電力系統電能質量的指標是電壓、波形和頻率。

1）電壓質量

電壓質量對電網的穩定運行，降低線路損耗，保證生產的安全與正常進行，提高產品質量，降低單耗等有著直接影響。電壓質量既有數值上的要求，也有波形與對稱性方面的要求。電力系統理想的電壓應該是幅值始終為額定值的三相對稱正弦波電壓，波形中所含任一高次諧波的瞬時值不應超過同相基波電壓瞬時值的1.5%～5%。此外，三相之間還要求互相對稱，否則便會含負序與零序分量。但由于電力系統中存在阻抗及用電負荷的變化、用電負荷的不同性質和不同的特點，造成了實際電壓在幅值、波形和對稱性上與理想電壓之間的偏差。電壓的質量是按照國家制定的標準或規范，通過對電壓的偏移、波動和波形的質量指標評估得出的。

（1）電壓偏移

電壓偏移是指電網實際電壓與額定電壓之差，也稱電壓損失。

①電壓偏移的規定

電壓偏移通常用其是額定電壓的百分之多少表示。中國標準規定，用戶受電端的電壓變動幅度應不超過額定電壓的百分數是：

a、35kV及以上供電和對電壓質量有特殊要求的用戶電壓偏移為±5%；

b、10kV及以下高壓供電和低壓電力用戶電壓偏移為±7%；

c、低壓照明用戶電壓偏移為+5%～-10%。

②電壓偏移的影響

電壓偏移對運行中的用電設備會造成不良的影響。以電動機為例，當電壓降低時，電磁轉矩隨電壓的平方成比例下降。例如電壓降低20%，轉矩會降低36%，電流會增加20%~35%，造成電動機轉速降低而可能導致工廠廢品產生，溫度升高使電動機線圈過熱，絕緣加速老化，甚至燒毀電機；當電壓過高時，電動機鐵芯會出現飽和，激磁電流增大，鐵損增大，導致電動機過熱，效率降低，運行性能變壞，甚至燒毀電動機。

③減少電壓偏移的主要措施

a、合理減少系統的阻抗，增大導線或電纜的截面；

b、減少系統的變壓級數，盡量保持系統三相負荷平衡；

c、高壓線深入負荷中心，多回路并聯供電；

d、采用有載或無載調壓變壓器，直接對電壓進行調整；

e、對功率因數低，帶有沖擊性負載的線路，采用無功功率補償裝置。

（2）電壓波動

電壓波動是指電壓在系統電網中做快速、短時的變化。變化更為劇烈的電壓波動稱為電壓閃變。

①電壓波動的原因

電壓波動主要是由于用戶負荷的劇烈變化所引起的。由于電力系統中沖擊性負荷的作用，如大型電動機的啟停、電弧爐熔化期的工作短路等，都使電網在某一時期內電壓急劇變化而偏離額定值，從而引起電壓波動。

②電壓波動的規定

電壓波動程度用電壓在變化中相繼出現的最大值和最小值之差是額定電壓的百分之多少表示。中國標準規定，電壓波動允許值為：

a、10kV及以下電壓波動允許值2.5%；

b、35～110kV電壓波動允許值2%；

c、220kV及以上電壓允許波動值1.6%。

③抑制或減少電壓波動的主要措施

a、采用合理的結線方式；

b、對負荷變化劇烈的大型設備，采用專用線或專用變壓器供電；

c、提高供電電壓等級，減少電壓損失。

d、增大供電系統容量，減少系統阻抗；

e、電壓波動嚴重時減少甚至切除引起電壓波動的負荷；

f、采用靜止無功功率補償裝置進行補償，以減少無功功率沖擊引起的電壓閃變。

2）波形質量

理想的電能應該是完美對稱的正弦波。一些因素會使波形偏離對稱正弦，由此便產生了電能質量問題。一方面我們研究存在哪些影響因素會導致電能質量問題，另一方面我們研究這些因素會導致哪些方面的問題。

（1）波形畸變率

正弦交流電的波形一般以波形畸變率來衡量。波形畸變率是指各次諧波有效值平方和的方根值與基波有效值的百分比。

（2）波形畸變的主要原因

電力系統中存在大量非線性阻抗的供用電設備會產生諧波，如晶閘管整流裝置、變頻調速裝置、電弧爐、電抗器、變壓器等都是諧波源。

（3）諧波的危害

諧波電氣設備接入電網后，向電網注入諧波電流，在電氣設備上產生諧波電壓，引起設備損耗增加，造成局部過熱，使電機機械振動增加，噪聲增強；對電子元件及自動裝置、測量元件產生干擾，引起工作失常；對電視和廣播產生干擾，圖像和通信質量下降。

（4）抑制高次諧波的主要措施

①限制接入系統的變流設備及交流調壓設備的容量，提高供電電壓或單獨供電等；

②在技術上采取增加整流器的相數，對整流變壓器采用Y，d或D，Y結線，裝設分流的無源濾波器，消除和吸收一些高次諧波；

③對大型的非線性設備裝設靜止無功補償裝置，以吸收其產生的無功功率；

④采用有源交流濾波裝置，即諧波抵消裝置，產生與諧波源相反的高次諧波電流，提供給負荷，抵消高次諧波。

3）頻率質量

（1）頻率的規定

我國規定電力系統交流電頻率的額定值是50Hz，常稱工頻。

國家標準對交流電頻率的允許變化范圍是：

①電力系統正常頻率偏差允許值為±0.2Hz（49.8Hz～50.2Hz）；

②當系統容量較小時，頻率偏差可以放寬到±0.5Hz。

（2）頻率偏離的影響

電動機的轉速隨著頻率變化，頻率偏移將影響產品的產量和質量，頻率偏離還會造成電子設備誤動，信號誤傳等。頻率急劇下降，有可能使整個電力系統崩潰。

（3）保證頻率質量的措施

要達到頻率的質量指標，首先要做到電源與負荷間的有功功率平衡，當供用電系統有功負荷不平衡時，可以切除些次要負荷，保持有功功率平衡。發生頻率偏差時，可采用調頻裝置調頻。

2、供電可靠性

供電可靠性是對持續供電能力的量度。因突然停電或經常停電而導致的停工、停產、產品報廢、設備損壞，甚至造成電氣火災或人員傷亡等惡性事故，會給各類用電單位帶來很大的損失。所以供電可靠性顯然是供電質量的重要指標。

1）供電可靠率

供電可靠性常用供電可靠率來衡量。供電可靠率是指在某一統計期內，供電部門對用戶的實際供電時間與本統計期全部時間的百分比。實際供電時間等于統計期內總時間減去停電時間。停電時間應包括事故停電、臨時性停電及計劃檢修停電時間。

2）提高供電可靠性的措施

（1）盡可能采用可靠性高的電氣設備，采用前必須進行嚴格檢驗。

（2）在保證系統預定功能的前提下，盡量降低系統的復雜程度。

（3）根據用電負荷的級別確定工作貯備，包括明備用與暗備用。

（4）加強維護工作，定期更換舊元件，使系統始終處在完成預定功能的良好狀態。

（5）加強修理工作，系統中重要環節的設備與元件應按時檢修，保證其性能完好。

（6）重視管理工作，對電力系統應堅持設計、生產、使用三方信息交流；對生產及使用人員應進行可靠性工程的宣傳教育；此外，對現場人員要加強嚴格執行操作規程方面的教育，防止人為故障的發生。

六、電力系統的結線方式

電力系統的結線方式對電力系統的運行安全及系統的經濟性影響很大。在選擇電力系統的結線方式時，應考慮使系統接線緊湊、簡明，線路盡量深入負荷中心，簡化電壓等級，保證操作人員安全。同時，系統的調度、操作要靈活、方便、可靠，結線投資及運行費用要少。電力系統的結線方式一般分為開式電力網和閉式電力網兩類。

1、開式電力網

由一端電源向用戶供電的電力網叫開式電力網或單端電源電力網。開式電力網結線方式簡單，運行方式經濟，但其可靠性較低，不適用于向一級負荷供電，但依靠自動裝置與繼電保護的配合可以向二級負荷供電。

如上圖所示，開式電力網的結線方式有放射式、干線式、鏈式和樹枝式。放射式結線的優點是各放射線路互不影響，供電較可靠，并能保證電壓質量，但用線較多，該結線方式一般用于向容量較大的三級負荷或一般的二級負荷供電；干線式、鏈式、樹枝式結線方式的可靠性不如放射式結線好，但用線較少。如在干線或分支線上適當地方加裝開關，也可以提高這種結線方式的可靠性和靈活性。

2、閉式電力網

由兩條或多條電源線路向用戶供電的電力網叫閉式電力網。閉式電力網供電可靠性高，適用于向一級負荷的用戶供電。

多端供電式有多個電源，可靠性高，線路運行、檢修靈活，但結線多，投資大，操作較復雜。這種接線方式多用于發電廠之間、發電廠與樞紐變電站之間的聯系，供電網絡很少采用。

七、電力系統的供電環節

電力從生產到供給用戶使用，通常都要經過發電、輸電、變電、配電、用電這五個環節。

1、發電

生產電力的工廠稱為發電廠，發電廠按所使用的能源不同，可分為火力發電（火電）廠，水力發電（水電）廠和核能發電（核電）廠。

2、輸電

輸電距離越長，輸電電壓要求越高。輸電距離50km以下可采用35KV；輸電距離100km左右宜采用110KV；輸電距離超過220km則采用220KV或更高的電壓。

3、變電

變電可分為輸電電壓的變換和配電電壓的變換。變電所（站）負責輸電電壓的變換；變配電所（站）負責配電電壓的變換；配電所（站）只起配電作用，而無變電功能。

4、配電

高配電壓35KV、中配電壓10KV或6KV、低配電壓220V或380V。

5、用電

同一時刻各用電設備所需要的電功率總和稱為用電負荷。根據用戶對供電可靠性的要求，用電負荷分為一、二、三類負荷；根據用戶在國民經濟中所屬部門，用電負荷分為工業負荷、農業負荷、交通運輸負荷、照明及市政生活用電負荷。

八、電力系統的中性點運行方式

電力系統中性點運行方式有不接地、經電阻接地、經電抗接地、經消弧線圈接地或直接接地等多種。我國電力系統目前所采用的中性點接地方式主要有不接地、經消弧線圈接地和直接接地三種。

1、中性點各種運行方式的特點

1）中性點不接地方式

如下圖所示，正常運行時各相對地電容電流相等而相位互差120°，其相量和等于零，地中沒有電容電流流過，中性點對地電容電流為零，中性點電位與地電位一致。

（1）在中性點不接地系統中，發生一相接地時，各相間的電壓大小和相位沒有變化，電壓的對稱性沒有變化，可以繼續運行一段時間。但不允許長期運行，尤其是發電機直接供電的電力系統，因未接地相對地電壓升高到相電壓的√3倍，即等于線電壓。一相接地運行時間過長可能會造成兩相短路，所以，應裝設絕緣監視或接地保護裝置。當發生單相接地時能及時發出信號，使值班人員迅速采取措施，盡快消除故障。一相接地系統允許繼續運行時間最長不得超過2h。

（2）在中性點不接地系統中，發生一相接地時，通過接地點的電容電流為未接地時每一相對地電容電流的3倍，可能會在接地點引起弧光接地，周期性地熄滅和重新發生電弧，造成系統過電壓。

2）中性點經消弧線圈接地方式

中性點經消弧線圈接地方式分為全補償(I=Ic)、欠補償(IIc)三種方式。規程規定：當35kV系統單相接地電流大于10A、10kV(6kV)系統單相接地電流大于30A時，采用中性點應經消弧線圈接地的方式，一般應采用過補償。如下圖所示。

3）中性點直接接地方式

中性點直接接地的三相系統也稱為大電流接地系統，如下圖所示。

系統發生一點單相接地時，通過接地點的短路電流很大，因此電力網不能再繼續供電。此時，繼電保護應瞬時動作，使開關跳閘，切除故障。此系統的主要優點是單相接地時中性點的電位接近于零，非故障相的對地電壓接近于相電壓，因而可以降低電力網的絕緣水平和造價。

2、不同電壓等級電力系統中性點接地方式的選擇

1）220kV 及以上電壓的電力網，采用中性點直接接地方式；

2）110kV電力網，大部分采用直接接地方式，小部分采用經消弧線圈接地方式;

3）35~66kV的電力網，從供電可靠性出發，采用消弧線圈接地或不接地方式，當單相接地電流大于10A時，可采用消弧線圈接地方式；

4）3~10kV的電力網，一般采用中性點不接地方式；當電網接地電容電流大于30A時，可采用經消弧線圈接地或經電阻接地的方式；

5）1kV及以下的低壓電力網，即對 380/220V三相四線制電力網，從安全角度出發，均采用中性點直接接地方式。

九、電力系統的主結線要求和形式

將發電機、變壓器、斷路器等一次設備按照一定的順序連接起來，用以表示產生、匯集和分配電能的電路，稱為電氣主結線。主結線表明電能送入和分配的關系以及各種運行方式。主結線圖應按行業標準規定的圖形符號與文字符號繪制，常以單線圖的形式描述。

1、電氣主結線的基本要求

電氣主結線的基本要求包括可靠性、靈活性和經濟性三個方面。

1）可靠性

保證供電可靠是電氣主結線的最基本要求。因事故被迫中斷供電的機會越少，影響范圍越小，停電時間越短，主結線的可靠程度就越高。

2）靈活性

電氣主結線能適應各種運行狀態，并能靈活地進行運行方式的轉換。不僅正常運行時能安全可靠地供電，而且在系統故障或電氣設備檢修時也能適應調度的要求，并能靈活、簡便、迅速地倒換運行方式，使停電時間最短，影響范圍最小。

3）經濟性

在主結線方案中，主要矛盾在可靠性與經濟性之間。欲使主結線可靠、靈活，必然要選用高質量的設備和現代化的自動裝置，從而導致投資費用的增加。因此，主結線的設計在滿足可靠性和靈活性的前提下，應做到經濟合理。一般從投資省、占地面積小、電能損耗少三方面考慮。

2、電氣主結線的基本形式

1）主結線形式分類

主結線的基本形式一般可分為有母線的結線和無母線的結線兩種。

（1）無母線結線使用開關電器較少，占地面積小，一般只適用于進出線回路少的發電廠或變配電所。

（2）在進出線數較多時，采用母線作為中間環節，結線簡單清晰，運行方便，有利于安裝和擴建。有母線結線方式又分為單母線結線、雙母線結線、一個半斷路器結線、單元結線、橋式接線、角形結線。而單母線結線，又分為普通單母線結線、單母線分段結線、帶旁路母線的單母線結線、單母線分段帶旁路結線等。雙母線結線又分為普通雙母線結線、帶旁路母線的雙母線結線。

2）單母線分段結線

工業企業變電所多采用單母線分段結線方式，提高供電的可靠性和靈活性。

（1）解析

當QF1接通運行時，任一段母線發生短路故障時，在繼電保護作用下，QF1自動分閘，非故障段母線可繼續工作。當QF1斷開運行時，除裝有繼電保護裝置外，還應裝備電源自動投入裝置。當任一電源故障時，電源回路斷路器跳閘，QF1自動投入，保證給全部出線繼續供電。QF1斷開運行時，還可起到限制短路電流的作用。

（2）優缺點

①優點

對于雙回路供電的重要用戶，可將雙回路分別接到不同母線分段上，保證對重要用戶的供電。

②缺點

當一段母線發生故障時，故障母線段將停止工作，直至故障被排除；當一段母線和母線隔離開關檢修時，必須斷開接在該分段上的全部電源和引出線；任一出線的斷路器檢修時，該回路必須停止工作。

③應用范圍

a、6～10kV，出線回路數在6回及以上時，每段容量不超25MW；

b、35～60kV，出線回路數不超過8回；

c、110～220kV，出線回路數不超過4回。