1.3 电力系统基础

1.3.1 电力系统的基本概念

为了充分利用动力资源，减少燃料运输，降低发电成本，有必要在有水力资源的地方建造水电站，而在有燃料资源的地方建造火电厂。但这些有动力资源的地方，往往离用电中心较远，所以必须用高压输电线路进行远距离的输电，如图1-15所示。

1.电力系统

按对象描述，由各级电压的电力线路将一些发电厂、变电所和电力用户联系起来，组成的统一整体称为电力系统（Power System）。

按过程描述，电力系统是由发电、输电、变电、配电和用电等设备和技术组成的一个将一次能源转换成电能的统一系统。

图1-16是一个大型电力系统的简图。

2.电力网

电力系统中各级电压的电力线路及其联系的变电所，称为电力网或电网（Power Net-work）。但习惯上，电网和系统往往以电压等级来区分，如35kV电网或10kV系统。这里所指的电网或系统，实际上是指某一电压级相互联系的整个电力线路。

按电压高低和供电范围大小，电网可分为区域电网和地方电网。区域电网的范围大，电压一般在220kV及以上。地方电网的范围较小，最高电压一般不超过110kV。

3.动力系统

电力系统加上发电厂的动力部分及其热能系统和热能用户，就成为动力系统。

其中动力部分指火力发电厂的锅炉、汽轮机、热力网等；水力发电厂的水库、水轮机等；原子能发电厂的核反应堆、蒸发器等。

动力系统、电力系统、电力网三部分的关系如图1-17所示。从图中可见，电力网是电力系统的组成部分；电力系统是动力系统的组成部分。

1.3.2 电能的质量指标

电能质量的指标是频率、电压和交流电的波形。当三者在允许的范围内变动时，电能质量合格；当上述三者的偏差超过允许范围时，不仅严重影响用户的工作，而且对电力系统本身的运行也有严重的危害。

1.电压

电压质量是以电压偏离额定电压的幅度（电压偏差）、电压波动与闪变和电压波形来衡量。

（1）电压偏差

电压偏差是电压偏离额定电压的幅度，一般以百分数表示，即

式中，ΔU%为电压偏差百分数；U为实际电压（kV）；U_N为额定电压（kV）。

（2）电压波动与闪变

电压波动是指电压的急剧变化。

电压波动程度以电压最大值与最小值之差或其百分数表示，即

式中，δU为电压波动；δU%为电压波动百分数；U_max、U_min分别为电压波动的最大值和最小值（kV）；U_N为额定电压（kV）。

电压波动将影响电动机正常起动，甚至使电动机无法起动；对同步电动机还可能引起转子振动；使电子设备和计算机无法工作；照明灯发生明显的闪烁，严重影响视力，使人无法正常生产、工作和学习。

电压闪变是人眼对灯闪的一种直观感觉。电压闪变对人眼有刺激作用，甚至使人无法正常工作和学习，严重的电压闪变还会增加事故的概率。

（3）电压波形

波形的质量是以正弦电压波形畸变率来衡量的。

在理想情况下，电压波形为正弦波，但电力系统中有大量非线性负荷，使电压波形发生畸变，除基波外还有各项谐波，电力系统中主要以3次、5次等奇次谐波为主。

2.频率

频率的质量是以频率偏差来衡量的。我国一般交流电力设备的额定频率为50Hz，此频率通称“工频”（工业频率）。不同情况下对频率的要求见表1-1。

1.3.3 电力系统的额定电压

所谓的额定电压，是指电气设备正常运行且能获得最佳技术性能和经济效果的电压。额定电压通常是指线电压，在电气设备铭牌上标出。

电力系统电压是有等级的。

电压分级的原因：

由于，当输送功率S一定时，U越高，I越小，导线等载流部分的截面积越小，投资也就越小；但电压U越高，对于设备绝缘要求也就越高，变压器、杆塔、断路器等设备的绝缘投资也就越大。

综合考虑上述因素，对于一定的输送功率和输送距离总会有一最为合理的线路电压，此时最为经济，主要分成220V、380V、3kV、6kV、10kV、35V、110kV、220kV、500kV等。

输电电压一般分为高压、超高压和特高压；通常高压指35~220kV的电压；超高压指330kV及以上、1000kV以下的电压；特高压指1000kV及以上的电压。

为了使电力设备生产实现标准化和系列化，方便运行、维修，各种电力设备都规定有额定电压。由于各种用电设备以及发电机、变压器都是按照额定电压设计和制造的，因此它们在额定电压下运行时，技术、经济性能指标都将得到最好的发挥。

在电力系统中同一电压等级下，不同的电气设备具有不同的额定电压规定。用电设备、电力线路、发电机以及变压器的额定电压规定下面分别予以介绍。

1.电力线路的额定电压

电力线路的额定电压也称为网络的额定电压。网络的额定电压等级是国家根据国民经济发展的需要和电力工业发展的水平，经全面的技术经济分析后确定的。它是确定各类电力设备额定电压的基本依据。

2.用电设备的额定电压

用电设备的额定电压与同级电网的额定电压相同。

3.发电机的额定电压

发电机的额定电压比网络的额定电压高5%。这是因为发电机总是接在电力网的首端，电力线路首端到末端电压损耗一般为网络额定电压的10%，通常线路首端电压比网络额定电压高5%，而线路末端电压比网络额定电压最多低5%。

4.电力变压器的额定电压

电力变压器额定电压的规定情况较为复杂，需视所处位置来确定，而且需明确一次绕组和二次绕组的定义。

一次绕组：规定变压器接受功率的一侧，相当于用电设备。

二次绕组：规定变压器输出功率的一侧，相当于电源设备。

（1）变压器一次绕组的额定电压

变压器一次绕组接电源，相当于用电设备。与发电机直接相连的变压器的一次绕组的额定电压与发电机额定电压相同；不与发电机直接相连，而是连接在线路上的变压器一次绕组的额定电压应与线路的额定电压相同。

（2）变压器二次绕组的额定电压

变压器二次绕组向负荷供电，相当于发电机。如果变压器二次侧供电线路较长，则变压器二次绕组额定电压要考虑补偿变压器二次绕组本身5%的电压降和变压器满载时输出的二次电压仍高于电网额定电压的5%，所以这种情况的变压器二次绕组额定电压要高于二次侧电网额定电压的10%；如果变压器二次侧供电线路不长，直接向高低压用电设备供电，则变压器二次绕组的额定电压，只需高于二次侧电网额定电压的5%，仅考虑补偿变压器内部的5%。如图1-18所示。

1.3.4 电力系统的中性点运行方式

电力系统中性点指系统中星形联结的变压器或发电机的中性点。

电力系统的中性点运行方式是一个综合的问题，对于电力系统的运行特别是在系统发生单相接地故障时，有明显的影响。

电力系统的中性点运行方式与电压等级、单相接地电流、过电压水平、保护配置等有关。中性点的运行方式直接影响电网的绝缘水平、系统供电的可靠性、主变压器和发电机的运行安全以及通信线路的抗干扰能力等。

电力系统中性点的运行方式有三种：中性点不接地（中性点绝缘）、中性点经消弧线圈接地（又称非有效接地）和中性点直接接地（又称有效接地）。前两种接地系统称为小接地电流系统，后一种接地系统又称为大接地电流系统。这种区分方法是根据系统中发生单相接地故障时接地电流的大小来划分的，现分别予以讲述。

1.中性点不接地的电力系统

图1-19所示是中性点不接地的电力系统正常运行时的电路图和相量图。假设三相对称系统的电源、线路和负载参数都是对称的，把每相导线的对地分布电容用集中参数C来表示，X_C表示其容抗，并忽略极间分布电容。

（1）系统正常运行

由于在正常运行时三相电压、、是对称的，三相的对地电容电流、、也是对称的，如图1-19b所示。三相对地分布电容电流分别为

接地电流为

三相的电容电流之和为零，说明没有电流在地中流过。各相对地电压均为相电压。

（2）系统发生单相接地短路（如C相接地）

如图1-20所示，如果发生一相（如C相）接地故障，则C相对地电压为零，中性点对地电压不为零。而非故障相A、B相的对地电压在相位上和数值上均发生变化（变为线电压），如图1-20b所示。各相对地电压的表达式如下：

由相量图可知，C相接地时，A相和B相对地电压数值上由原来的相电压变为线电压，即升高为原对地电压的倍。因此，这种系统的设备的相绝缘，不能只按相电压来考虑，而要按线电压来考虑。

由相量图还可以看出，该系统发生单相接地故障时三相线电压仍然保持对称。因此，与该系统相接的三相用电设备仍可正常运行，这是中性点不接地系统的最大优点。但只允许短时间运行，因为此时非故障相对地电压升高到原对地电压的倍，容易发生对地闪络接地故障，可能会造成两相短路，其危害性较大。

对地电容电流的变化情况，如图1-20b所示。C相接地时，系统的接地电流（对地电流）I_C 应为A、B两相对地电容电流之和，即将接地点作为广义节点，列KCL方程：

由图1-20b所示的相量图可知，I_C在相量上正好超前C相电压90°。而I_C的量值上：，并且，得I_C=3I_CO。

结论：一相接地的电容电流为正常运行时每相对地电容电流的3倍。中性点不接地系统仅适用于单相接地电容电流不大的电网：

1）3~10kV电网中，单相接地电流I_d<30A。

2）35~60kV电网中，单相接地电流I_d<10A。

2.中性点经消弧线圈接地的电力系统

中性点不接地系统具有发生单相接地故障时仍继续供电的突出优点，但也存在产生间歇性电弧而导致过电压的危险，由于电力线路中含有电阻、电感和电容，因此在单相弧光接地时，可能会形成串联谐振，出现过电压（幅值可达2.5～3倍相电压），导致线路上绝缘薄弱地点出现绝缘击穿，因此不宜用于单相接地电流较大的系统。为了克服这个缺点，可将电力系统的中性点经消弧线圈接地。

消弧线圈是一个具有铁心的可调电感线圈，通常将它装在变压器或发电机中性点与地之间，如图1-21所示。当电网发生单相接地故障时，流过接地点的总电流是接地电容电流 I_C与流过消弧线圈的电感电流I_L之和。由于I_C超前于U_C 90°，而I_L滞后于U_C 90°，如图1-21b所示，两者流过接地点的电流的方向相反，在接地点形成相互补偿，假如电感电流与电容电流基本相等，则可使接地处的电流变得很小或等于零，从而消除了接地处的电弧以及由此引起的各种危害。另外，当电流过零，电弧熄灭后，消弧线圈能减小故障相电压的恢复速度，从而减小了电弧重燃的可能性，有利于单相接地故障的消除。

如果调节消弧线圈抽头使之满足I_L=I_C，则可实现完全补偿。但是，正常运行时并不进行完全补偿，因为感抗等于容抗时，电网将发生串联谐振。假如三相导线对地电容不对称而使中性点有位移电压，那么串联谐振电路中将产生很大电流，该电流在消弧线圈上形成很大电压降，使中性点对地电位大大升高，甚至使设备绝缘损坏。

如果调节消弧线圈抽头，使 I_L<I_C，这时接地处将有未被补偿的电容电流，称为欠补偿运行方式。若 I_L>I_C，则在接地处将有残余的电感电流，称为过补偿运行方式，也是供电系统中多采用的一种运行方式。

过补偿方式的消弧线圈留有一定裕度，以保证将来电网发展而使对地电容增加后，原有消弧线圈仍可继续使用。如果采用欠补偿方式，当电网运行方式改变而切除部分线路时，整个电网的对地电容减小，有可能变得接近于完全补偿状态，从而出现上述严重后果。另外，欠补偿方式容易引起铁磁谐振过电压等其问题，所以很少采用。

按我国有关规程规定，在3～10kV电力系统中，若单相接地时的电容电流超过30A，或35～60kV电力系统单相接地时电容电流超过10A，其系统中性点均应采取经消弧线圈接地方式。

在电源中性点经消弧线圈接地的三相系统中发生单相接地故障时，与中性点不接地的系统一样，相间电压没有变化，因此，三相设备仍可照常运行。但不允许长期运行（一般规定2h），必须装设单相接地保护或绝缘监视装置，在发生单相接地时给予报警信号或指示，提醒运行值班人员及时采取措施，查找或消除故障，并尽可能地将重要负荷通过系统切换操作转移到备用线路上。如发生单相接地会危及人身和设备安全时，则单相接地保护应动作于跳闸，切除故障线路。

3.中性点直接接地的电力系统

中性点直接接地的电力系统可解决如下问题：

1）高压灭弧困难。220kV及以上的电压电网，除存在对地电容外，还存在较大的电晕损耗和泄漏损耗，因而在接地电流中既有有功分量又有无功分量，而消弧线圈只能补偿无功分量，接地点仍有较大的有功电流流过；电压等级越高，该值越大，达到100~200A之上时，电弧将无法熄灭。

2）高压绝缘投资大。在中性点直接接地系统中，发生单相接地故障后，中性点电位不变化，致使非故障相对地电压即相电压基本不变化，所以可以有效克服线路及高压设备高压绝缘投资问题。

3）低压单相设备运行需要。在380V/220V系统中，为了设备可靠接地以及单相设备的工作需要，也通常采用中性点直接接地运行方式。

图1-22所示为中性点直接接地的电力系统示意图，这种系统中性点始终保持为零电位。正常运行时，各相对地电压为相电压，中性点无电流通过；如果该系统发生单相接地故障，因系统中出现了除中性点外的另一个接地点，构成了单相接地短路，如图1-22所示，单相短路用符号k⁽¹⁾表示，线路上将流过很大的单相短路电流，各相之间电压不再是对称的。但未发生接地故障的两完好相的对地电压不会升高，仍保持相电压。因此，中性点直接接地的系统中的供用电设备的相绝缘只需按相电压来考虑，从而降低了工程造价。由于这一优点，我国110kV及以上的电力系统基本上都采用中性点直接接地的方式。在低压配电系统中，三相四线制的TN系统和TT系统也都采取中性点直接接地的运行方式。

对于中性点直接接地的电力系统，其优点首先是安全性好，因为系统单相接地时即为单相短路，短路电流较大，保护装置动作立即切除故障；其次是经济性好，因中性点直接接地系统在任何情况下，中性点电压不会升高，且不会出现系统单相接地时电网过电压问题，这样可按相电压考虑电力系统的绝缘水平，经济性好。其缺点是供电可靠性差，因为系统发生单相接地时由于继电保护作用使故障线路的断路器立即跳闸，所以降低了供电可靠性（为了提高其供电可靠性就需采用加自动重合闸装置等措施）。