電力基礎知識

電力基礎知識

第一章概論

一、動力系統(tǒng)、電力網(wǎng)、電力系統(tǒng)的劃分

動力系統(tǒng)：習慣上，將有帶動發(fā)電機轉動的動力部分、發(fā)電機、升壓變電所、輸電線

路、降壓變電所和負荷等環(huán)節(jié)構成的整體成為動力系統(tǒng)。

電力網(wǎng)：由各類降壓變電所、輸電線里和生涯變電所組成的電能傳輸和分配的網(wǎng)絡成

為電力網(wǎng)。

電力系統(tǒng)：由發(fā)電機、電力網(wǎng)和負荷組成的統(tǒng)一體成為電力系統(tǒng).

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二、電廠的分類

火力發(fā)電廠：利用固體、液體、氣體燃料的化學能來生產(chǎn)電能的的工廠。

水力發(fā)電廠：利用河流所蘊藏的水能資源來生產(chǎn)電能的工廠?？煞譃榈虊问胶鸵?/p>

還有核電廠、風力發(fā)電、地熱發(fā)電、潮汐發(fā)電、太陽能發(fā)電等。

三、電力網(wǎng)

電喇的分類：3'6、10、35、63、110、220、330、500、7嘛V,均為三相

交流系統(tǒng)的線電壓。

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由以上可知，當輸送功率一定時，線路的電壓越高，線路中通過的電流就越小，所用

導線的截面就可以減小，用于導線的投資可以減少，而且線路中的功率報耗、電能損耗也

就會相應降低。因此大容量、遠距離輸送電能要采用高壓輸電。

電壓越高，要求線路的絕緣水平也就越高；線路桿塔投資增大，輸電走廊加寬，變壓

器、電力設備等的投資也增加。

根據(jù)經(jīng)驗，電力系統(tǒng)輸電額定電壓等級中相鄰的兩個電壓之比，在電壓為UOkV以下

是一股為3倍左右，在UOkV以上時宜在2倍左右。

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四、電氣設備的額定電壓

理論上，用電設備的額定電壓應和電網(wǎng)的額定電壓相一致。實際上，由于輸送電能時

在線路和變壓器等元件上產(chǎn)生的電壓損失，會使線路上各處的電壓不相等，使各點的實際

電壓偏離額定電壓。即線路首端的電壓將高出額定電壓5%,線路末端的電壓會低于額定

電壓5%0

發(fā)電機的額定電壓：因為發(fā)電機總是接在線路的首端，因此它的額定電壓應比電網(wǎng)的

額定電壓高5%,用于補償電網(wǎng)上的電壓損失°

變壓器的額定電壓：在電力系統(tǒng)中，變壓器具有發(fā)電機和用電設備的雙重性。因此規(guī)

定：變壓器一次繞組的額定電壓等于電網(wǎng)的額定電壓；若變壓器一次繞組直接與發(fā)電機出

線端相連是,其一次繞組的額定電壓應與發(fā)電機的額定電壓相同；變壓器二次繞組的額定

電壓是指變壓器空載運行是的電壓。因此規(guī)定，二次繞組的額定電壓應比同級電網(wǎng)的額定

電壓高10%。當變壓器的二次側輸電距離較短或者變壓器阻抗較小是，則變壓器的二次繞

組的額定電壓可比同級電網(wǎng)的額定電壓高5%。

五、電力網(wǎng)的類型

根據(jù)電壓的高低和供電范圍的大小，電力網(wǎng)可分為地方電網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)和超高壓電力

網(wǎng)。

地方電網(wǎng):電壓等級一般在35~110kV,輸電距離在50km以內的中壓電網(wǎng)；是一般

城區(qū)、農村、工礦區(qū)的配電網(wǎng)絡。也就配電網(wǎng)。

區(qū)域電網(wǎng)：電壓等級一般在110-220kV,輸電距離在50~300km的電力網(wǎng)；用來將

較大范圍內的發(fā)電廠聯(lián)系起來，通過較長的高壓輸電線路想較大范圍內的用戶輸送電能。

超高壓電力網(wǎng)：電壓等級一般在330~750kV,輸電距離在300~1000km的電力網(wǎng);

用來將地處遠方的大型發(fā)電廠生產(chǎn)的電能送往電力負荷中心，同時可以將幾個區(qū)域電力網(wǎng)

聯(lián)接成跨省區(qū)的大電力系統(tǒng)。

變電所根據(jù)其在電力系統(tǒng)中的作用和地位分為樞紐變電所、中間變電所和終端變電所°

六、電力系統(tǒng)

1、合理利用資源，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟效益;

2、可以減少總負荷的峰值，充分利用系統(tǒng)的裝機容量，減小備用容量;

3、大大提高供電的可靠性和電能的質量；

4、采用高效率的大容量發(fā)電機組。

1）電力系統(tǒng)運行特點：

1、電能的生產(chǎn)和使用同時完成；即發(fā)電廠負荷的大小決定于同一時刻與發(fā)電廠想聯(lián)的

用戶所需的負荷數(shù)值。

2、正常輸電過程和故障過程非常迅速；

3、具有較強的地區(qū)性特點；

4、與國民經(jīng)濟各部門關系密切；

2）對電力系統(tǒng)運行的基本要求

L保證供電的安全可靠性；分為一、二、三類用戶。

2、保證電能的良好質量；三要素；頻率、波形、電壓。

3、保證電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；

4、保證運行人員和電氣設備工作的安全;

5、保證電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性;

第二章電力系統(tǒng)的負荷

電力系統(tǒng)的負荷分為有功負荷和無功負荷。

視在功率的計算公式：s=?）二"上"w

一、諧波

諧波的含量是衡量電能質量的重要指標之一6

如果與發(fā)電機相連的設備負荷具有非線性特性,則電壓和電流波形將發(fā)生畸變而出現(xiàn)

諧波分量；

變壓器的三角形接法繞組，為3次諧波電流提供了環(huán)流通路，可避免3次諧波電流向

電網(wǎng)注入，但5次和7次諧波仍會注入電網(wǎng)，只是在正常運行是,它只占額定電流很小的

比澈

諧波源：1、含電弧和鐵磁非線性設備的諧波源,如電爐弧、電弧電流、接觸焊設備等

非線性負荷；2、整流和換流電子器件形成的諧波源，如晶閘管、交流單相整流供電的機車

等.

諧波的危害：

L可使旋轉電機附加損耗增加、出力降低，絕緣老化加速。

2、諧波電流流入變壓器時,將因集膚效應和鄰近效應,在變壓器繞組中引起附加銅耗6

3、諧波電壓作用在對頻敏感的電容元件上，如電容和電纜等，會使之嚴重過電流、導

致發(fā)熱，介質老化,甚至損壞。

4、高次諧波電流流過串聯(lián)電抗器時，會在電抗器上形成過高的壓降，使電抗器的匝間

絕緣受損。

5、諧波電流流過輸電線時，輸電線的電阻會因集膚效應而增大，加大了線路的損耗。

6、諧波電壓和電流將對電工儀表的測量正確度產(chǎn)生影響6

7、供電線路中存在的高次諧波所產(chǎn)生的靜電感應和電磁感應會對與之平行的通信線路

產(chǎn)生聲頻干擾，影響到通信質量。

此外,諧波侵入會使電力系統(tǒng)的中繼電保護誤動作，影響到電力系統(tǒng)的安全運行,影

響電子設備,使計算機出錯等故障6

第三章電力系統(tǒng)主設備元件

一、電力變壓器

電力變壓器是電力系統(tǒng)中實現(xiàn)電能傳輸和分配的核心元件e

電力變壓器分為升壓變壓器和降壓變壓器；按結構分為雙繞組、三繞組、自耦變壓器,

一股220kV以上的均采用三繞組或三繞組自耦式變壓器。

二、輸電線路

電力線路分為架空線路和電纜線路。

1、架空線路

架空線路是由導線、避雷線(架空地線)、桿塔、絕緣子串和金具等部分組成；其中導

線是用來傳導電流,輸送電能；避雷線用來將雷電流引入大地，對線路進行直擊雷的保護；

桿塔用來支撐導線和避雷線,并使導線與導線之間、導線與接地體之間保持必要的安全距

離；絕緣子用來使導線與導線、導線與桿塔之間保持絕緣狀態(tài)；金具是用來固定、懸掛、

連接和保護架空線路各主要元件的金屬期間的總成。

(1)導線與避雷線

導線一般用銅和鋁材料來實現(xiàn)6銅是較理想的材料，但是用途廣、產(chǎn)量有限；鋁僅次

于銅，且密度小、蘊藏量大、價格低；鋼機械強度高，但是導線性能差，且為磁性材料，

感抗大，集膚效應顯著。

一般10kV導線均為鋁鋼絞線(LGJ),部分有鋁絞線(U)、銅絞線(TJ).

避雷線在正常運行時是對地絕緣的，即通過具有并聯(lián)放電間隙的絕緣子與桿塔和大地

之間保持絕緣。這樣在正常運行時，絕緣避雷線可用作載波通信通道,也可以用于架空線

的融冰。此外還采用絕緣避雷線還可以使輸電線路發(fā)生接地短路故障時出現(xiàn)的潛供電流減

少，有利于快速自動重合閘的采用，

(2)桿塔

按照用途分為直線桿塔、耐張桿塔、終端桿塔、轉角桿塔、跨越桿塔和換位桿塔等。

直線桿塔：也稱中間桿塔,用于線路的直線走向段內，其主要作用是懸掛導線e其占

線路桿塔總數(shù)的80%左右.

耐張桿塔：也稱承力桿，用于線路的首末端以及線路的分段處。在線路較長時，一般

每隔3~5km設置一耐張桿塔,用來承受正常及故障情況下導線和避雷線順線路方向的水

平張力，限制故障范圍，且可起到便于施工和檢修的作用。

終端桿塔：即線路終端的耐張桿塔，用來承受最后一個耐張檔距導線的單線拉力。

轉角桿塔：位于線路轉角處的桿塔。線路的轉角指線路轉向內角的補角。轉角桿塔承

受側向肋。

跨越桿塔：位于線路跨越河流、山谷、鐵路、公路、居民區(qū)等地方的桿塔，其高度較

一般桿畸

換位桿塔：為保持線路三相對稱運行,將三相導線在空間進行換位所使用的特種桿塔。

三相導線在桿塔上無論如何布置均不能保證其三相的線間距離和對地距離都相等。為避免

由三相架空線路參數(shù)不等而引起的三相電流不對稱，，給發(fā)電機和線路附近的通信帶來不良

影響，規(guī)程規(guī)定凡線路超度超過100km時，導線必須換位。超過200km時，要用兩個或

者多個換位循環(huán)6

桿塔按照其材料分為木桿、鋼筋混凝土桿和鐵塔三類。目前主要運用的是鋼筋混凝土

桿和鐵塔。

（3）絕緣子

架空線的絕緣子分為針式絕緣子、懸式絕緣子、棒式絕緣子及磁橫擔絕緣子等。

針式絕緣子；主要用在電壓不超過35kV、導線拉力不大的直線桿塔和小轉角塔上。

懸式絕緣子：主要用在35kV以上的線路上，在直線桿塔上組合成懸式絕緣子串（簡稱

懸垂串）。在耐張桿塔上組成耐張絕緣子串（簡稱耐張串）；

絕緣子串所用絕緣子片數(shù)應根據(jù)線路標稱電壓等級按絕緣子配合要求確定:

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棒式絕緣子：用硬材料做成的整體，可代替整串懸式絕緣子用6

磁橫擔絕緣子：是棒式絕緣子的另一種形式，可兼作橫擔用。

(4)常用金具

常用金具是在架空線路上使用的所有金屬部件的總稱，其中使用廣泛的主要是線夾、

連接金具、連續(xù)金具和防震金具6

線夾是用來將導線、避雷線固定在絕緣子上的金具6

連接金具主要用來將絕緣子組裝成絕緣子串或用于絕緣子串、線夾、桿塔和橫擔等的

相互連接。

連續(xù)金具主要用于連接導線或者避雷線的兩個終端，分為液壓式連續(xù)金具和鉗式連續(xù)

金具。

防震金具包括保護線條、阻尼線和防震錘。其中阻尼線和防震錘用來吸收或消耗架空

線的震動能量,以防止導線振動式在懸掛點處發(fā)生反復坳折,造成導線斷股甚至短線的事

故；保護線是用來加強架空線的耐振強度,以降低架空線的使用應力。

2、電纜線路

缺點：電纜造價高、故障后檢測故障點位置和修理較費事。

優(yōu)點；占用土地面積少，受外力破壞的概率低,因而供電可靠；對人身較安全，使城

市美觀。

3、三相對稱運行時電力線路的參數(shù)計算

電力系統(tǒng)三相對稱運行時，電力線路的等值電路是以導線的電阻、電抗(電感)、導線

的對地電導、電納(電容)為參數(shù)組成的單相電路。

電阻反映線路通過電流時產(chǎn)生的有功功率損失；電抗反映載流線路周圍產(chǎn)生的磁場效

應；電導反映電暈現(xiàn)象產(chǎn)生的有功功率損失；電納反映載流線路周圍產(chǎn)生的電場效應。

(1)電力系統(tǒng)中的導線大多為多股絞線，扭絞會使每股導線的實際長度比標稱長度增長

2%~3%,且交流電流流經(jīng)導線時的肌膚效應以及到線間的鄰近效應,又會使導線內電流

分布不均，截面積得不到充分利用。因此計算電阻值應按如下計算：

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式中：p為桂蝶材料的電限率，O*nun2/km;5為等級的機面

札mmL

(2)當架空線路通過三相對稱的交流電流時，導線周圍空間會出現(xiàn)由此三相電流決定的

交變磁場。導線的電抗可以根據(jù)這一交變磁場中和該導線相鏈的那部分磁鏈求出：

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經(jīng)過完全換位后的分裂導線線路的每相單位長度的電抗為；

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如以上式可知，導線分裂根數(shù)越多，電抗下降越多，但當導線分裂根數(shù)大于4時，電

抗下降就不那么明顯。分裂間距的增大也可使電抗減少，但間距過大又不利于防止導線產(chǎn)

生電暈。因此，分裂導線的根數(shù)一般不超過4根，其子導線間的距離一般取400~500mm

在工程實際范圍內，單根導線的xl一般為0.4C/km左右，與2根、3根和4根分裂

導線相應的xl則分別為0330/km、03Q/km.0,28Q/km0

(3)三相導線的相與相之間及相與地之間存在分布電容。

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(4)架空線路的電導主要與線路電暈損耗以及絕緣子的泄露有關。

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4、電力線路的等值電路

由于三相線路是對稱的，則線路簡化為以下電路：

在工程實際中，在對300km及以下的電力線路進行計算時，可以將電力線路簡化為

下述兩種類型的集中參數(shù)的等值電路。

1、一字型等值電路

當電力線路長度不超過100km的架空線里及不長的電纜線路，且工作電壓不高時,

可以忽略線路電納，即bl=0；又因線路在正常天氣時不會產(chǎn)生電暈,且絕緣子的泄漏又

很小，即gl=O,因此電路簡化為:

______八次

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2、TI型和T型等值電路

當電力線路為長度在100~300km之間的架空線路或長度不超過100km的電纜線路

時，其電納的影響已不再能忽略，此時需采用以下電路分析。

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M3-35履形fDT彩等佰電路

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需要指出的是：以上兩種等值電路是線路的一種近似等值電路，之間不能用Y?△等值

交換。

三、高壓開關電器

其中只起隔離電壓的作用不需要開斷電流的稱為隔離開關；用來開斷和關合負載電流

的稱為負荷開關；既能開斷負載電流又能開斷高達數(shù)百千安短路電流的稱為斷路器；

應該指出當開關開斷電路時，只要被開斷的電源有幾十伏,所斷開的電流達到幾百毫

安,在形成開斷口的觸頭間就會出現(xiàn)電弧6

要使電弧熄滅，必須采取措施使弧柱中的熱游離過程減弱，消游離過程增強。加速斷

口介質強度的恢復速度并提高其數(shù)值是提高開關熄弧能力的主要方法:

1）采用絕緣性能高的介質，以便在相同的斷口距離下提高斷口的耐壓;

2）提高觸頭的分斷速度或斷口的數(shù)目，使電弧迅速拉長;

3）采用各種結構的滅弧裝置來加強電弧的冷卻，以加快電流過零后弧隙的去游離過程。

如吹弧的方法。

1、高壓斷路器

作用：除了要在正常情況下根據(jù)運行需要開斷和關臺負載電流外,還必須能在電力系

統(tǒng)發(fā)生短路故障是開斷高達數(shù)十千安的短路電流；此外，考慮到電力系統(tǒng)中的電力設備或

輸電線路在未投入運行前可能就已存在絕緣故障（預伏故障），甚至處于短路狀態(tài)，斷路器

還必須具有關合短路電流的能力。

工作方式：為了能使斷路器自動切除系統(tǒng)故障，必須配于反映系統(tǒng)工作狀態(tài)的電器一

電流互感器、電壓互感器以及能進行邏輯判斷的繼電器6

架空線路的斷路器應該具有多次快速重合閘的操作方式：第一次重合閘一強送電（運行

人員）一第三次重合閘

斷路器的結構：開斷部分，包括導電和觸頭系統(tǒng)以及滅弧室；操作和傳動部分，包括

操作電源和把操作電源觸動到觸頭系統(tǒng)的各種傳動機構；絕緣部分，包括把處于高電位的

導電和觸頭系統(tǒng)與地電位絕緣的絕緣元件，以及聯(lián)系處于高點位的動觸頭系統(tǒng)與處于低電

位的操動能源所用的絕緣連接件等。

⑴斷路器的分類：

1、根據(jù)對地絕緣分：接地金屬箱型和絕緣子支持型；

2、按操作機構電源分：手動、直流電磁、彈橫、液壓、氣動型；

3、按滅弧介質分：油斷路器、壓縮空氣斷路器、六氟化硫斷路器、真空斷路器、固體

產(chǎn)氣斷路器。

(2)油斷路器

既可以制成接地金屬箱型也可以制成瓷瓶支持型.多油為接地金屬箱型，少有為瓷瓶

支憾

斷路器的斷口數(shù)愈多，斷口的電壓分布將愈不均勻。

油斷路器的優(yōu)點是結構簡單，價格便宜。但油在滅弧過程中容易被碳化，所以檢修周

期短，維護工作量大，再加油既會造成對環(huán)境的污染又容易引發(fā)火災.因此，在llOkV中

被六氟化硫斷路器取代，在10kV中被真空斷路器所取代。

(3)六氟化硫斷路器

六氟化硫是目前高壓電器中使用的最優(yōu)良的滅弧和絕緣介質。

按照外形結構可分為蕾絕緣支持式和落地罐式

(4)真空斷路器

真空一般指氣體分子數(shù)量非常少的空間,可以用汽體的絕對壓力值來表示。壓力愈低,

單位體積內氣體分子數(shù)就愈少，真空度也就愈高。

研究表明：當出現(xiàn)聚集型電弧時,真空斷路器就會失去開斷能力。提高出現(xiàn)陽極半點

的電流值,使電弧在大電流范圍內仍能保持擴散型電弧的形態(tài),是提高真空斷路器開斷能

力的有效措施。讓磁場作用在真空電弧上可以明顯提高出現(xiàn)陽極斑點的電流值。

優(yōu)點：絕緣性能好,觸頭、操動機構小，滅弧能力強,結構簡單,維修工作量小。

2、高壓負荷開關

負荷開關是一種用來開斷和關合負載電流和一定過載電流的開關電器,不具備切斷和

關合短路電流的能力6

為了能在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時即時切除故障，負荷開關必須和熔斷器聯(lián)合應用，

由熔斷器來判斷故障和切除故障。

分類：油浸式負荷開關(柱上油開關)、壓氣式負荷開關、固體式負荷開關

3、高壓熔斷器

熔斷器的主要元件為熔件(保險絲),放置在熔斷器管內,使用時串聯(lián)在電路中。熔斷

器必須具備開斷短路電流的能力外，還應有判斷短路電流的大小,決定是都需要開斷的能

力。

熔斷器判斷短路電流大小的能力取決于熔件的熱特性：

(1)時間-電流特性。

(2)最小熔化電流10。

熔件通過最小熔化電流時的熔化時間接近于無窮大。

高壓熔斷器按照性能分為限流型和非限流型6

4、高壓隔離開關

主要作用：是使電力系統(tǒng)中運行的各種高壓電器設備與電源間形成可靠的絕緣間隔,

以便對已退出運行的設備進行試驗或者檢修；一般安裝在斷路器和電流互感器組的兩側;

只能在斷路器切斷負荷電流或短路電流后進行操作。

隔離開關分為戶內和戶外型；戶外型按照絕緣子數(shù)量分為單柱、雙柱、三柱等形式。

單柱一般只在220及以上使用，可以明顯地節(jié)省變電所的占地面積；

雙柱開關不占上部空間，但相間距離要求大。

5、高壓互感器

互感器主要是為了測量和繼電保護用。

任務：(1)把高電壓和大電流按比例地變換成小電壓(100V或100/1.732)和小電流(5A

或1A);以便提供測量和繼電保護所需信號,并使測量儀表和繼電保護裝置標準化6

(2)把電力系統(tǒng)處于高電位的部分與處于低電位的測量儀表和繼電保護部分分開,以保

證運行人員的安全。

互感器主要分為電壓互感器和電流互感器。

測量的準確度是互感器性能的一個重要指標；互感器一次與二次之間應有足夠的絕緣,

且互感器的二次側必須有一點接地°因此，絕緣方式是決定高壓互感器的結構形式的主要

因素6

因為互感器二次側負載均為儀表和繼電器,故電壓互感器的二次側接近開路,電流互

感器二次側接近短路。

一、電磁式高壓電壓互感器

電壓互感器二次側準確級和誤差表:

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要降低電壓互感器在負載情況下的誤差，必須設法減少負載電流在一次和二次繞組中

的壓降6措施：1）采用粗導線來降低一次、二次繞組的電阻；2）加強一次、二次繞組的耦

合來降低阻抗；3）在使用時對負載的大小及其功率因素做出一定的規(guī)定6

35kV以下的的電壓互感器T殳為單相，根據(jù)絕緣方式不同分為干式、塑料澆注式、油

箱油浸式。

干式：只用于3kV的戶內配電裝置。體積大。

澆注式：用于3~35kV,結構緊湊，尺寸小，使用和維護方便。

油箱油浸式：普遍用于3~35kk

二、電磁式高壓電流互感器

特點：L運行中的電流互感器的二次繞組必須通過儀表接成閉合回路或自行短路；2、

隨著系統(tǒng)用電情況的變化,電流互感器所需變化的電流，可在零和額定電流間的很大范圍

內變動。在短路情況下，電流互感器還需變換比額定電流大數(shù)倍，甚至數(shù)十倍的短路電流。

電流互感器應能在電流的這一很大的變化范圍內保持所需的準確度e

電流互感器誤差表:

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三、電容式電壓互感器

第四章電力系統(tǒng)的接線方式

一、電力網(wǎng)的接線

電力網(wǎng)的接線是用來表示電力網(wǎng)各節(jié)點間的電氣連接關系，按供電可靠性可分為無備

用和有備用兩大類.

一、無備用接線方式電力網(wǎng)

定義：用戶只能從單方向的一條線路獲得電源的電力網(wǎng)6也稱開式電力網(wǎng)或開式網(wǎng)。

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優(yōu)點；簡單明了，運行方便，投資費用少。

缺點：供電可靠性低，任何一段線路故障或檢修都會影響對用戶的供電。

二、有備用接線方式電力網(wǎng)

定義：用戶能從兩個或兩個以上方向獲得電源的電力網(wǎng)

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