1.3 電力系統基礎

1.3.1 電力系統的基本概念

為了充分利用動力資源，減少燃料運輸，降低發電成本，有必要在有水力資源的地方建造水電站，而在有燃料資源的地方建造火電廠。但這些有動力資源的地方，往往離用電中心較遠，所以必須用高壓輸電線路進行遠距離的輸電，如圖1-15所示。

1.電力系統

按對象描述，由各級電壓的電力線路將一些發電廠、變電所和電力用戶聯系起來，組成的統一整體稱為電力系統（Power System）。

按過程描述，電力系統是由發電、輸電、變電、配電和用電等設備和技術組成的一個將一次能源轉換成電能的統一系統。

圖1-16是一個大型電力系統的簡圖。

2.電力網

電力系統中各級電壓的電力線路及其聯系的變電所，稱為電力網或電網（Power Net-work）。但習慣上，電網和系統往往以電壓等級來區分，如35kV電網或10kV系統。這里所指的電網或系統，實際上是指某一電壓級相互聯系的整個電力線路。

按電壓高低和供電范圍大小，電網可分為區域電網和地方電網。區域電網的范圍大，電壓一般在220kV及以上。地方電網的范圍較小，最高電壓一般不超過110kV。

3.動力系統

電力系統加上發電廠的動力部分及其熱能系統和熱能用戶，就成為動力系統。

其中動力部分指火力發電廠的鍋爐、汽輪機、熱力網等；水力發電廠的水庫、水輪機等；原子能發電廠的核反應堆、蒸發器等。

動力系統、電力系統、電力網三部分的關系如圖1-17所示。從圖中可見，電力網是電力系統的組成部分；電力系統是動力系統的組成部分。

1.3.2 電能的質量指標

電能質量的指標是頻率、電壓和交流電的波形。當三者在允許的范圍內變動時，電能質量合格；當上述三者的偏差超過允許范圍時，不僅嚴重影響用戶的工作，而且對電力系統本身的運行也有嚴重的危害。

1.電壓

電壓質量是以電壓偏離額定電壓的幅度（電壓偏差）、電壓波動與閃變和電壓波形來衡量。

（1）電壓偏差

電壓偏差是電壓偏離額定電壓的幅度，一般以百分數表示，即

式中，ΔU%為電壓偏差百分數；U為實際電壓（kV）；U_N為額定電壓（kV）。

（2）電壓波動與閃變

電壓波動是指電壓的急劇變化。

電壓波動程度以電壓最大值與最小值之差或其百分數表示，即

式中，δU為電壓波動；δU%為電壓波動百分數；U_max、U_min分別為電壓波動的最大值和最小值（kV）；U_N為額定電壓（kV）。

電壓波動將影響電動機正常起動，甚至使電動機無法起動；對同步電動機還可能引起轉子振動；使電子設備和計算機無法工作；照明燈發生明顯的閃爍，嚴重影響視力，使人無法正常生產、工作和學習。

電壓閃變是人眼對燈閃的一種直觀感覺。電壓閃變對人眼有刺激作用，甚至使人無法正常工作和學習，嚴重的電壓閃變還會增加事故的概率。

（3）電壓波形

波形的質量是以正弦電壓波形畸變率來衡量的。

在理想情況下，電壓波形為正弦波，但電力系統中有大量非線性負荷，使電壓波形發生畸變，除基波外還有各項諧波，電力系統中主要以3次、5次等奇次諧波為主。

2.頻率

頻率的質量是以頻率偏差來衡量的。我國一般交流電力設備的額定頻率為50Hz，此頻率通稱“工頻”（工業頻率）。不同情況下對頻率的要求見表1-1。

1.3.3 電力系統的額定電壓

所謂的額定電壓，是指電氣設備正常運行且能獲得最佳技術性能和經濟效果的電壓。額定電壓通常是指線電壓，在電氣設備銘牌上標出。

電力系統電壓是有等級的。

電壓分級的原因：

由于，當輸送功率S一定時，U越高，I越小，導線等載流部分的截面積越小，投資也就越小；但電壓U越高，對于設備絕緣要求也就越高，變壓器、桿塔、斷路器等設備的絕緣投資也就越大。

綜合考慮上述因素，對于一定的輸送功率和輸送距離總會有一最為合理的線路電壓，此時最為經濟，主要分成220V、380V、3kV、6kV、10kV、35V、110kV、220kV、500kV等。

輸電電壓一般分為高壓、超高壓和特高壓；通常高壓指35~220kV的電壓；超高壓指330kV及以上、1000kV以下的電壓；特高壓指1000kV及以上的電壓。

為了使電力設備生產實現標準化和系列化，方便運行、維修，各種電力設備都規定有額定電壓。由于各種用電設備以及發電機、變壓器都是按照額定電壓設計和制造的，因此它們在額定電壓下運行時，技術、經濟性能指標都將得到最好的發揮。

在電力系統中同一電壓等級下，不同的電氣設備具有不同的額定電壓規定。用電設備、電力線路、發電機以及變壓器的額定電壓規定下面分別予以介紹。

1.電力線路的額定電壓

電力線路的額定電壓也稱為網絡的額定電壓。網絡的額定電壓等級是國家根據國民經濟發展的需要和電力工業發展的水平，經全面的技術經濟分析后確定的。它是確定各類電力設備額定電壓的基本依據。

2.用電設備的額定電壓

用電設備的額定電壓與同級電網的額定電壓相同。

3.發電機的額定電壓

發電機的額定電壓比網絡的額定電壓高5%。這是因為發電機總是接在電力網的首端，電力線路首端到末端電壓損耗一般為網絡額定電壓的10%，通常線路首端電壓比網絡額定電壓高5%，而線路末端電壓比網絡額定電壓最多低5%。

4.電力變壓器的額定電壓

電力變壓器額定電壓的規定情況較為復雜，需視所處位置來確定，而且需明確一次繞組和二次繞組的定義。

一次繞組：規定變壓器接受功率的一側，相當于用電設備。

二次繞組：規定變壓器輸出功率的一側，相當于電源設備。

（1）變壓器一次繞組的額定電壓

變壓器一次繞組接電源，相當于用電設備。與發電機直接相連的變壓器的一次繞組的額定電壓與發電機額定電壓相同；不與發電機直接相連，而是連接在線路上的變壓器一次繞組的額定電壓應與線路的額定電壓相同。

（2）變壓器二次繞組的額定電壓

變壓器二次繞組向負荷供電，相當于發電機。如果變壓器二次側供電線路較長，則變壓器二次繞組額定電壓要考慮補償變壓器二次繞組本身5%的電壓降和變壓器滿載時輸出的二次電壓仍高于電網額定電壓的5%，所以這種情況的變壓器二次繞組額定電壓要高于二次側電網額定電壓的10%；如果變壓器二次側供電線路不長，直接向高低壓用電設備供電，則變壓器二次繞組的額定電壓，只需高于二次側電網額定電壓的5%，僅考慮補償變壓器內部的5%。如圖1-18所示。

1.3.4 電力系統的中性點運行方式

電力系統中性點指系統中星形聯結的變壓器或發電機的中性點。

電力系統的中性點運行方式是一個綜合的問題，對于電力系統的運行特別是在系統發生單相接地故障時，有明顯的影響。

電力系統的中性點運行方式與電壓等級、單相接地電流、過電壓水平、保護配置等有關。中性點的運行方式直接影響電網的絕緣水平、系統供電的可靠性、主變壓器和發電機的運行安全以及通信線路的抗干擾能力等。

電力系統中性點的運行方式有三種：中性點不接地（中性點絕緣）、中性點經消弧線圈接地（又稱非有效接地）和中性點直接接地（又稱有效接地）。前兩種接地系統稱為小接地電流系統，后一種接地系統又稱為大接地電流系統。這種區分方法是根據系統中發生單相接地故障時接地電流的大小來劃分的，現分別予以講述。

1.中性點不接地的電力系統

圖1-19所示是中性點不接地的電力系統正常運行時的電路圖和相量圖。假設三相對稱系統的電源、線路和負載參數都是對稱的，把每相導線的對地分布電容用集中參數C來表示，X_C表示其容抗，并忽略極間分布電容。

（1）系統正常運行

由于在正常運行時三相電壓、、是對稱的，三相的對地電容電流、、也是對稱的，如圖1-19b所示。三相對地分布電容電流分別為

接地電流為

三相的電容電流之和為零，說明沒有電流在地中流過。各相對地電壓均為相電壓。

（2）系統發生單相接地短路（如C相接地）

如圖1-20所示，如果發生一相（如C相）接地故障，則C相對地電壓為零，中性點對地電壓不為零。而非故障相A、B相的對地電壓在相位上和數值上均發生變化（變為線電壓），如圖1-20b所示。各相對地電壓的表達式如下：

由相量圖可知，C相接地時，A相和B相對地電壓數值上由原來的相電壓變為線電壓，即升高為原對地電壓的倍。因此，這種系統的設備的相絕緣，不能只按相電壓來考慮，而要按線電壓來考慮。

由相量圖還可以看出，該系統發生單相接地故障時三相線電壓仍然保持對稱。因此，與該系統相接的三相用電設備仍可正常運行，這是中性點不接地系統的最大優點。但只允許短時間運行，因為此時非故障相對地電壓升高到原對地電壓的倍，容易發生對地閃絡接地故障，可能會造成兩相短路，其危害性較大。

對地電容電流的變化情況，如圖1-20b所示。C相接地時，系統的接地電流（對地電流）I_C 應為A、B兩相對地電容電流之和，即將接地點作為廣義節點，列KCL方程：

由圖1-20b所示的相量圖可知，I_C在相量上正好超前C相電壓90°。而I_C的量值上：，并且，得I_C=3I_CO。

結論：一相接地的電容電流為正常運行時每相對地電容電流的3倍。中性點不接地系統僅適用于單相接地電容電流不大的電網：

1）3~10kV電網中，單相接地電流I_d<30A。

2）35~60kV電網中，單相接地電流I_d<10A。

2.中性點經消弧線圈接地的電力系統

中性點不接地系統具有發生單相接地故障時仍繼續供電的突出優點，但也存在產生間歇性電弧而導致過電壓的危險，由于電力線路中含有電阻、電感和電容，因此在單相弧光接地時，可能會形成串聯諧振，出現過電壓（幅值可達2.5～3倍相電壓），導致線路上絕緣薄弱地點出現絕緣擊穿，因此不宜用于單相接地電流較大的系統。為了克服這個缺點，可將電力系統的中性點經消弧線圈接地。

消弧線圈是一個具有鐵心的可調電感線圈，通常將它裝在變壓器或發電機中性點與地之間，如圖1-21所示。當電網發生單相接地故障時，流過接地點的總電流是接地電容電流 I_C與流過消弧線圈的電感電流I_L之和。由于I_C超前于U_C 90°，而I_L滯后于U_C 90°，如圖1-21b所示，兩者流過接地點的電流的方向相反，在接地點形成相互補償，假如電感電流與電容電流基本相等，則可使接地處的電流變得很小或等于零，從而消除了接地處的電弧以及由此引起的各種危害。另外，當電流過零，電弧熄滅后，消弧線圈能減小故障相電壓的恢復速度，從而減小了電弧重燃的可能性，有利于單相接地故障的消除。

如果調節消弧線圈抽頭使之滿足I_L=I_C，則可實現完全補償。但是，正常運行時并不進行完全補償，因為感抗等于容抗時，電網將發生串聯諧振。假如三相導線對地電容不對稱而使中性點有位移電壓，那么串聯諧振電路中將產生很大電流，該電流在消弧線圈上形成很大電壓降，使中性點對地電位大大升高，甚至使設備絕緣損壞。

如果調節消弧線圈抽頭，使 I_L<I_C，這時接地處將有未被補償的電容電流，稱為欠補償運行方式。若 I_L>I_C，則在接地處將有殘余的電感電流，稱為過補償運行方式，也是供電系統中多采用的一種運行方式。

過補償方式的消弧線圈留有一定裕度，以保證將來電網發展而使對地電容增加后，原有消弧線圈仍可繼續使用。如果采用欠補償方式，當電網運行方式改變而切除部分線路時，整個電網的對地電容減小，有可能變得接近于完全補償狀態，從而出現上述嚴重后果。另外，欠補償方式容易引起鐵磁諧振過電壓等其問題，所以很少采用。

按我國有關規程規定，在3～10kV電力系統中，若單相接地時的電容電流超過30A，或35～60kV電力系統單相接地時電容電流超過10A，其系統中性點均應采取經消弧線圈接地方式。

在電源中性點經消弧線圈接地的三相系統中發生單相接地故障時，與中性點不接地的系統一樣，相間電壓沒有變化，因此，三相設備仍可照常運行。但不允許長期運行（一般規定2h），必須裝設單相接地保護或絕緣監視裝置，在發生單相接地時給予報警信號或指示，提醒運行值班人員及時采取措施，查找或消除故障，并盡可能地將重要負荷通過系統切換操作轉移到備用線路上。如發生單相接地會危及人身和設備安全時，則單相接地保護應動作于跳閘，切除故障線路。

3.中性點直接接地的電力系統

中性點直接接地的電力系統可解決如下問題：

1）高壓滅弧困難。220kV及以上的電壓電網，除存在對地電容外，還存在較大的電暈損耗和泄漏損耗，因而在接地電流中既有有功分量又有無功分量，而消弧線圈只能補償無功分量，接地點仍有較大的有功電流流過；電壓等級越高，該值越大，達到100~200A之上時，電弧將無法熄滅。

2）高壓絕緣投資大。在中性點直接接地系統中，發生單相接地故障后，中性點電位不變化，致使非故障相對地電壓即相電壓基本不變化，所以可以有效克服線路及高壓設備高壓絕緣投資問題。

3）低壓單相設備運行需要。在380V/220V系統中，為了設備可靠接地以及單相設備的工作需要，也通常采用中性點直接接地運行方式。

圖1-22所示為中性點直接接地的電力系統示意圖，這種系統中性點始終保持為零電位。正常運行時，各相對地電壓為相電壓，中性點無電流通過；如果該系統發生單相接地故障，因系統中出現了除中性點外的另一個接地點，構成了單相接地短路，如圖1-22所示，單相短路用符號k⁽¹⁾表示，線路上將流過很大的單相短路電流，各相之間電壓不再是對稱的。但未發生接地故障的兩完好相的對地電壓不會升高，仍保持相電壓。因此，中性點直接接地的系統中的供用電設備的相絕緣只需按相電壓來考慮，從而降低了工程造價。由于這一優點，我國110kV及以上的電力系統基本上都采用中性點直接接地的方式。在低壓配電系統中，三相四線制的TN系統和TT系統也都采取中性點直接接地的運行方式。

對于中性點直接接地的電力系統，其優點首先是安全性好，因為系統單相接地時即為單相短路，短路電流較大，保護裝置動作立即切除故障；其次是經濟性好，因中性點直接接地系統在任何情況下，中性點電壓不會升高，且不會出現系統單相接地時電網過電壓問題，這樣可按相電壓考慮電力系統的絕緣水平，經濟性好。其缺點是供電可靠性差，因為系統發生單相接地時由于繼電保護作用使故障線路的斷路器立即跳閘，所以降低了供電可靠性（為了提高其供電可靠性就需采用加自動重合閘裝置等措施）。