第一章 電力系統(tǒng)的基本概念

第一章電力系統(tǒng)的基本概念第一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

電氣工程教研室

第一章

電力系統(tǒng)的基本概念返回第二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)電力系統(tǒng)運行特點和基本要求

1．電力系統(tǒng)的組成電力系統(tǒng)——是由發(fā)電廠的發(fā)電機、升壓及降壓變電設(shè)備、電力網(wǎng)及電能用戶（用電設(shè)備）組成的系統(tǒng)統(tǒng)稱為電力系統(tǒng)。是現(xiàn)代社會中最重要、最龐雜的工程系統(tǒng)之一。

發(fā)電機升壓變壓器降壓變壓器電燈電動機電爐等用電設(shè)備...輸電線第三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四電力網(wǎng)絡(luò)——是由變壓器、電力線路等變換、輸送、分配電能設(shè)備所組成的部分。

發(fā)電機升壓變壓器降壓變壓器電燈電動機電爐等用電設(shè)備...輸電線（1）發(fā)電廠：生產(chǎn)電能。（2）電力網(wǎng)：變換電壓、傳送電能。由變電所和電力線路組成。（3）用電設(shè)備：消耗電能。

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2．電能的特點（1）電能不能儲存電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用同時完成。

（2）暫態(tài)過程非常迅速電能以電磁波的形式傳播，傳播速度為300km／ms。

（3）和國民經(jīng)濟(jì)各部門間的關(guān)系密切。第五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四二．對電力系統(tǒng)運行的基本要求

1．保證可靠地持續(xù)供電供電的中斷將使生產(chǎn)停頓、生活混亂，甚至危及人身和設(shè)備安全，形成十分嚴(yán)重的后果。停電給國民經(jīng)濟(jì)造成的損失遠(yuǎn)超過電力系統(tǒng)本身的損失。因此，電力系統(tǒng)運行首先要滿足可靠、持續(xù)地供電的要求。雖然保證可靠供電是對電力系統(tǒng)運行的首要要求，但并非所有負(fù)荷都絕對不能停電。一般，可根據(jù)經(jīng)驗，按對供電可靠性的要求將負(fù)荷分為三級：第六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四一級負(fù)荷：為中斷供電將造成人身傷亡者；或在政治上、經(jīng)濟(jì)上將造成重大損失者，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。第七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四二級負(fù)荷：為中斷供電將在政治上、經(jīng)濟(jì)上將造成較大損失者，如主要設(shè)備損壞、大量產(chǎn)品報廢、連續(xù)生產(chǎn)過程被打亂需要較長時間才能恢復(fù)、重點企業(yè)大量減產(chǎn)等。三級負(fù)荷：為一般的電力負(fù)荷，所有不屬于上述一、二級負(fù)荷者。第八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四2．保證良好的電能質(zhì)量電能質(zhì)量包含電壓質(zhì)量、頻率質(zhì)量和波形質(zhì)量。良好的電能質(zhì)量是指電壓正常，偏移不超過給定值，例如，給定的允許電壓偏移為額定值的±5%，頻率正常，偏移不超過給定值，例如給定的允許頻率偏移為±0.2～0.5HZ等,波形質(zhì)量則以畸變率是否超過給定值來衡量。所謂畸變率（或正弦波形畸變率），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。第九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

對電壓和頻率質(zhì)量的保證，我國電力工業(yè)部門多年來早已有要求，并已將其作為考核電力系統(tǒng)運行質(zhì)量的重要內(nèi)容之一。在當(dāng)前條件下，為保證這些質(zhì)量指標(biāo)，必須做到大量增加系統(tǒng)中有功功率、無功功率的電源，充分發(fā)揮現(xiàn)有電源的作用，合理調(diào)配用電、節(jié)約用電，不斷提高系統(tǒng)的自動化程度等。第十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

在我國，對波形質(zhì)量的要求只是在系統(tǒng)中諧波污染日益嚴(yán)重的情況下才開始注意的，有關(guān)規(guī)定還有待繼續(xù)完善。所謂保證波形質(zhì)量，就是指限制系統(tǒng)中電流、電壓的諧波，而其關(guān)鍵則在于限制各種換流裝置、電熱電爐等非線性負(fù)荷向系統(tǒng)注入的諧波電流。至于限制這類諧波電流的方法，則有更改換流裝置的設(shè)計、裝設(shè)濾波器、限制不符合要求的非線性負(fù)荷的接入等。第十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四3、保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性

電能生產(chǎn)的規(guī)模很大，消耗的一次能源在國民經(jīng)濟(jì)一次總消耗中占的比重約為1/3,而且電能在變換、輸送、分配時的損耗絕對值也相當(dāng)可觀。因此，降低每生產(chǎn)一度電所消耗的能源和降低變換、輸送、分配時的損耗，有極重要的意義。第十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

為保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)開展系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行工作，使各發(fā)電廠所承擔(dān)的負(fù)荷能合理分配。例如，使水力發(fā)電廠能充分利用水能，避免棄水；使火力發(fā)電廠中經(jīng)濟(jì)性能好的多發(fā)電，差的少發(fā)電，并避免頻繁開停機組；使功率在系統(tǒng)中合理分布以降低電能在變換、、輸送、分配中的損耗，等等應(yīng)該指出，以上這些要求是互相關(guān)聯(lián)的，而且往往是互相矛盾、互相制約的。因此，在考慮滿足任何一項要求時，必須兼顧其他。第十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四根據(jù)以上基本要求，最好將單一系統(tǒng)聯(lián)合，組成聯(lián)合電力系統(tǒng)。這可大大提高供電可靠性，減少為防止設(shè)備事故引起供電中斷而設(shè)置的備用容量。由于個別負(fù)荷在系統(tǒng)總負(fù)荷中所占比重的減少。它還可更合理地利用系統(tǒng)中各種類型的發(fā)電廠，從而提高運行的經(jīng)濟(jì)性。聯(lián)合電力系統(tǒng)容量很大，個別機組的開停，甚至故障，對系統(tǒng)的影響將減小，從而可采用大容量、高效率的機組。但是，為使個別系統(tǒng)聯(lián)合，通常要增加一定的投資。

第十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)電力系統(tǒng)的結(jié)線方式和電壓等級

一.電力系統(tǒng)的結(jié)線圖有兩種：電力系統(tǒng)的電氣接線圖和電力系統(tǒng)的地理接線圖

第十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四電力系統(tǒng)的電氣主接線方式大致分為兩大類：

（1）無備用電源接線

（2）有備用電源接線

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1．無備用接線（開式電力網(wǎng)）方式無備用接線包括：

（1）單回放射式（2）樹干式（3）鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)a）放射式b）干線式c）鏈?zhǔn)降谑唔?，共四十二頁，編輯?023年，星期四無備用結(jié)線的主要優(yōu)點在于簡單、經(jīng)濟(jì)、運行方便，主要缺點是供電可靠性差。因此，這種結(jié)線不適用于一級負(fù)荷占很大比重的場合。第十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

2．有備用接線（閉式電力網(wǎng)）方式有備用接線方式包括

（1）雙回放射式（2）樹干式（3）鏈?zhǔn)剑?）環(huán)式（5）兩端供電網(wǎng)絡(luò)a）放射式b）干線式c）鏈?zhǔn)絛）環(huán)式e）兩端供電網(wǎng)絡(luò)

第十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四有備用結(jié)線中，雙回路的放射式、干線式和鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點在于供電可靠性和電壓質(zhì)量高，缺點是可能不夠經(jīng)濟(jì)。有備用結(jié)線中的環(huán)式網(wǎng)絡(luò)結(jié)線有與上列結(jié)線方式相同的供電可靠性，但卻較它們經(jīng)濟(jì)，缺點為運行調(diào)度較復(fù)雜，且故障時的電壓質(zhì)量差。有備用結(jié)線中的兩端供電網(wǎng)絡(luò)最常見，但采用這種結(jié)線的先決條件是必須有兩個或兩個以上獨立電源。第二十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

有備用接線的雙回放射式、樹干式和鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)用于一、二級負(fù)荷。環(huán)式接線，供電經(jīng)濟(jì)、可靠，但運行調(diào)度復(fù)雜，線路發(fā)生故障切除后，由于功率重新分配，可能導(dǎo)致線路過載或電壓質(zhì)量降低。兩端供電接線方式必須有兩個獨立的電源。第二十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四二.不同電壓等級的適用范圍1、電力系統(tǒng)的額定電壓等級因三相功率和線電壓和線電流之間的關(guān)系為輸送功率一定時，輸電電壓愈高，電流愈小，導(dǎo)線等載流部分的截面積愈小，投資愈小，但電壓愈高，對絕緣的要求愈高，桿塔、變壓器、斷路器等絕緣的投資也愈大，綜合考慮這些因素，對應(yīng)一定的輸送功率和輸送距離有一最合理的線路電壓。但從設(shè)備制造角度考慮，為保證生產(chǎn)的系列性，考慮到現(xiàn)有的實際情況和進(jìn)一步的發(fā)展，我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓（又稱額定電壓）。第二十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四額定電壓等級用電設(shè)備額定線電壓交流發(fā)電機線電壓變壓器線電壓一次繞組二次繞組33.153及3.153.15及3.366.36及6.36.3及6.61010.510及10.510.5及11

15.7515.7535

3538.5(60)(60)(66)110110121(154)(154)(169)220220242330330345及363500500525及550第二十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

（1）用電設(shè)備的額定電壓以UN表示用電設(shè)備的額定電壓（為其他元件的參考電壓）（2）電網(wǎng)的額定電壓輸電線路的首端和末端均可接用電設(shè)備，而用電設(shè)備的端電壓一般容許在額定電壓的±5％范圍內(nèi)波動。因而在沒有調(diào)壓設(shè)備的情況下，輸電線路上可以容許10％的電壓損耗。

第二十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四若輸電線的首端較用電設(shè)備高5％，即為輸電線路的末端電壓較用電設(shè)備低5%,即為

則輸電線路首末兩端電壓的平均值應(yīng)等于電網(wǎng)額定電壓UN

。第二十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

（3）發(fā)電機的額定電壓

發(fā)電機作為直接配電的電源，總是接在線路首端，它的額定電壓較輸電線路的額定電壓高5％，則發(fā)電機的額定電壓規(guī)定比同級電網(wǎng)電壓高5％，補償電壓損失。第二十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

（4）電力變壓器的額定電壓變壓器的額定電壓即為變壓器兩側(cè)的額定電壓，以變比表示為電力變壓器的一次繞組的額定電壓根據(jù)連接情況不同分為兩種：當(dāng)變壓器直接與發(fā)電機相連時，其一次繞組的額定電壓與發(fā)電機的額定電壓相同，即高出同級電網(wǎng)額定電壓5％；

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當(dāng)變壓器直接與電網(wǎng)相連時，其一次繞組的額定電壓與電網(wǎng)的額定電壓相同，即等于同級電網(wǎng)額定電壓。第二十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

電力變壓器的二次繞組的額定電壓是指一次繞組在額定電壓作用下，二次繞組的空載電壓。當(dāng)變壓器滿載時，變壓器的一、二次繞組的阻抗將引起變壓器自身的電壓降（大約相當(dāng)于電網(wǎng)額定電壓的5％），從而使二次繞組的端電壓小于空載電壓。為了彌補線路中的電壓損失，變壓器的二次繞組的額定電壓應(yīng)高于電網(wǎng)額定電壓5％，因此變壓器二次繞組的額定電壓規(guī)定比同級電網(wǎng)額定電壓高10％；

第二十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四若變壓器靠近用戶，供電半徑較小時，由于線路較短，線路的電壓損失可以忽略不計，這時變壓器的二次繞組的額定電壓應(yīng)高于電網(wǎng)額定電壓5％，用以補償變壓器自身的電壓損失。第三十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四變壓器的額定電壓總結(jié)為：一次側(cè)額定電壓二次側(cè)額定電壓第三十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四2、不同電壓等級的適用范圍500、330、220kV多半用于大電力系統(tǒng)的主干線；110kV既用于中小電力系統(tǒng)的主干線，也用于大電力系統(tǒng)的二次網(wǎng)絡(luò)；35kV既用于大城市或大工業(yè)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，也廣泛用于農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)；10kV則是最常用的更低一級配電電壓；只有負(fù)荷中高壓電動機的比重很大時，才考慮以6kV配電的方案。顯然，這種劃分不是絕對的，也不是一成不變的。第三十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四三、電力系統(tǒng)中性點的運行方式星形聯(lián)結(jié)變壓器或發(fā)電機的中性點，即電力系統(tǒng)的中性點的運行方式，是一個十分復(fù)雜的問題。它關(guān)系到絕緣水平、通信干擾、接地保護(hù)方式、電壓等級、系統(tǒng)結(jié)線等很多方面。第三十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四在三相交流電力系統(tǒng)中，中性點的運行方式有三種運行方式：一種是電源中性點不接地，一種是電源中性點經(jīng)消弧線圈接地，一種是電源中性點直接接地。前兩種稱為中性點非有效接地，或小電流接地，后一種中性點直接接地稱為中性點有效接地，或大電流接地。第三十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四1、電源中性點不接地的電力系統(tǒng)第三十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

1．中性點不接地系統(tǒng)系統(tǒng)中性點不接地是指系統(tǒng)中性點對地絕緣。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后系統(tǒng)的三相對稱關(guān)系并未破壞，僅中性點及各相對地電壓發(fā)生變化，中性點的電壓上升到相電壓，非故障相對地電壓值增大為√3倍相電壓，故對于該中性點不接地系統(tǒng)可以帶故障繼續(xù)運行2小時。故障相接地點的對地故障電流為正常運行時對地電容電流的3倍。在我國配電網(wǎng)電壓在10～35kV之間的架空線路多采用此接地方式。

第三十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四由于任意兩個導(dǎo)體隔以絕緣介質(zhì)時，就形成電容，因此三相交流電力系統(tǒng)中的相與相之間及相與地之間都存在著一定電容。系統(tǒng)正常，相電壓對稱，線電壓對稱單相接地，其他兩相對地電壓為線電壓，而線路的線電壓無論相位和量值均為發(fā)生變化，因此三相用電設(shè)備仍然正常運行。但是這種線路不允許在一相接地