1.1 電力系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)概述

電能是一種清潔的二次能源。電能不僅便于輸送和分配，易于轉(zhuǎn)換為其他的能源，而且便于控制、管理和調(diào)度，易于實現(xiàn)自動化。因此，電能已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)、社會生產(chǎn)和人民生活的各個方面，電能已成為現(xiàn)代社會的主要能源。絕大多數(shù)電能都由電力系統(tǒng)中發(fā)電廠提供，我國電力工業(yè)得到迅猛發(fā)展，為實現(xiàn)現(xiàn)代化打下堅實基礎(chǔ)。我國已建成并投入運行交流1000kV特高壓輸電線路、直流士800kV特高壓輸電線路，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。到2011年年底，我國發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量達(dá)105577萬千瓦（kW），居世界第2位，發(fā)電量達(dá)46037億度（kWh），居世界第1位。工業(yè)用電量已占全部用電量的70%～80%，是電力系統(tǒng)的最大電能用戶。供配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，供配電系統(tǒng)的任務(wù)就是向用戶和用電設(shè)備供應(yīng)和分配電能。用戶所需的電能，絕大多數(shù)是由公共電力系統(tǒng)供給的，故在介紹供配電系統(tǒng)之前，先介紹電力系統(tǒng)的知識。

1.1.1 電力系統(tǒng)

電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、變電所、電力線路和電能用戶組成的一個整體。圖1-1所示為電力系統(tǒng)的示意圖。

為了充分利用動力資源，降低發(fā)電成本，發(fā)電廠往往遠(yuǎn)離城市和電能用戶，例如，火力發(fā)電廠大多建在靠近一次能源的地區(qū)，水力發(fā)電廠一般建在水利資源豐富的、遠(yuǎn)離城市的地方，核能發(fā)電廠廠址也受種種條件限制。因此，這就需要輸送和分配電能，將發(fā)電廠發(fā)出的電能經(jīng)過升壓、輸送、降壓和分配，送到用戶。

1.發(fā)電廠

發(fā)電廠將一次能源轉(zhuǎn)換成電能。根據(jù)一次能源的不同，有火力發(fā)電廠、水力發(fā)電廠和核能發(fā)電廠；此外，還有風(fēng)力、太陽能、地?zé)岷秃Ｑ蟀l(fā)電廠等。

目前，我國火力發(fā)電廠的裝機(jī)容量比重最大，約占總裝機(jī)容量的70%以上，水力發(fā)電廠的裝機(jī)容量約占20%，其他發(fā)電廠的裝機(jī)容量約占10%。

火力發(fā)電廠將煤、天然氣、石油的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。我國火力發(fā)電廠燃料以煤炭為主，隨著西氣東輸工程的竣工，將逐步擴(kuò)大天然氣燃料的比例。火力發(fā)電的原理是：燃料在鍋爐中充分燃燒，將鍋爐中的水轉(zhuǎn)換為高溫高壓蒸汽，蒸汽推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)出電能。

由于煤、天然氣和石油是不可再生能源，且燃燒時會產(chǎn)生大量的CO2、SO2、氮氧化物、粉塵和廢渣等，對環(huán)境和大氣造成污染。因此，我國正發(fā)展超臨界火力發(fā)電，逐步淘汰小火力發(fā)電機(jī)組，加快水電站和核電的建設(shè)，大力發(fā)展綠色能源。

水力發(fā)電廠將水的位能轉(zhuǎn)換成電能。水流驅(qū)動水輪機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。按提高水位的方法分類，水電廠有堤壩式水電廠、引水式水電廠和混合式水電廠3類。

核能發(fā)電廠利用原子核的核能生產(chǎn)電能。核燃料在原子反應(yīng)堆中裂變釋放核能，將水轉(zhuǎn)換成高溫高壓的蒸汽，蒸汽推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)出電能，其生產(chǎn)過程與火電廠基本相同。

2.變電站（所）

變電站的功能是接收電能、變換電壓和分配電能。為了實現(xiàn)電能的遠(yuǎn)距離輸送和將電能分配到用戶，需將發(fā)電機(jī)電壓進(jìn)行多次電壓變換，這個任務(wù)由變電站完成。變電站由電力變壓器、配電裝置和二次裝置等構(gòu)成。按變電站的性質(zhì)和任務(wù)不同，可分為升壓變電站和降壓變電站；除與發(fā)電機(jī)相連的變電站為升壓變電站外，其余均為降壓變電站。按變電站的地位和作用不同，又分為樞紐變電站、地區(qū)變電站和用戶變電站。

僅用于接收電能和分配電能的場所稱為配電所，而用于交流電流與直流電流相互轉(zhuǎn)換的場所稱為換流站。

3.電力線路

電力線路將發(fā)電廠、變電站和電能用戶連接起來，完成輸送電能和分配電能的任務(wù)。電力線路有各種不同的電壓等級，通常將220kV及以上的電力線路稱為輸電線路，110kV及以下的電力線路稱為配電線路。交流1000kV及以上和直流士800kV及以上的輸電線路稱為特高壓輸電線路，220～800kV輸電線路稱為超高壓輸電線路。配電線路又分為高壓配電線路（110kV）、中壓配電線路（35～6kV）和低壓配電線路（380/220V），前者一般作為城市配電網(wǎng)骨架和特大型企業(yè)供電線路，中者為城市主要配網(wǎng)和大中型企業(yè)供電線路，后者一般為城市和企業(yè)的低壓配網(wǎng)。

除了上述交流輸電線路外，還有直流輸電線路。直流輸電主要用于遠(yuǎn)距離輸電，連接兩個不同頻率的電網(wǎng)和向大城市供電。它具有線路造價低、損耗小、調(diào)節(jié)控制迅速簡便和無穩(wěn)定性問題等優(yōu)點，但換流站造價高。

4.電能用戶

電能用戶又稱電力負(fù)荷，所有消耗電能的用電設(shè)備或用電單位均稱為電能用戶。電能用戶按行業(yè)可分為工業(yè)用戶、農(nóng)業(yè)用戶、市政商業(yè)用戶和居民用戶等。

與電力系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)還有動力系統(tǒng)和電網(wǎng)。火力發(fā)電廠的汽輪機(jī)和鍋爐、水力發(fā)電廠的水輪機(jī)和水庫、核能發(fā)電廠的汽輪機(jī)和核反應(yīng)堆等動力設(shè)備，與電力系統(tǒng)一起，稱為動力系統(tǒng)。電網(wǎng)是指電力系統(tǒng)中除發(fā)電廠和電能用戶之外的部分。

1.1.2 供配電系統(tǒng)

供配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的電能用戶，也是電力系統(tǒng)的重要組成部分。它由總降壓變電所，高壓配電所、配電線路，車間變電所或建筑物變電所和用電設(shè)備組成。圖1-2所示為供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

總降壓變電所是用戶電能供應(yīng)的樞紐。它將35～220kV的外部供電電源電壓降為6～10kV高壓配電電壓，供給高壓配電所、車間變電所或建筑物變電所和高壓用電設(shè)備。

高壓配電所集中接收6～10kV電壓，再分配到附近各車間變電所或建筑物變電所和高壓用電設(shè)備。一般負(fù)荷分散、廠區(qū)大的大型企業(yè)需設(shè)置高壓配電所。

配電線路分為6～10kV高壓配電線路和220/380V低壓配電線路。高壓配電線路將總降壓變電所與高壓配電所、車間變電所或建筑物變電所和高壓用電設(shè)備連接起來。低壓配電線路將車間變電所或建筑物變電所的220/380V電能送到各低壓用電設(shè)備。

車間變電所或建筑物變電所將6～10kV電壓降為220/380V電壓，供低壓用電設(shè)備使用。

用電設(shè)備按用途可分為動力用電設(shè)備、工藝用電設(shè)備、電熱用電設(shè)備、試驗用電設(shè)備和照明用電設(shè)備等。

應(yīng)當(dāng)指出，對于某個具體用戶的供配電系統(tǒng)，可能上述各部分都有，也可能只有其中的幾個部分，這主要取決于電力負(fù)荷的大小和廠區(qū)的大小。不同的供配電系統(tǒng)，不僅組成不完全相同，而且相同部分的構(gòu)成也會有較大的差異。通常，大型企業(yè)都設(shè)總降壓變電所，中小型企業(yè)僅設(shè)全廠6～10kV變電所或配電所，某些特別重要的企業(yè)還設(shè)自備發(fā)電廠作為備用電源。

1.1.3 供配電的要求和課程任務(wù)

做好供配電工作，對于促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)、降低產(chǎn)品成本、實現(xiàn)生產(chǎn)自動化和工業(yè)現(xiàn)代化及保障人民生活有著十分重要的意義。對供配電的基本要求是：

●安全 在電能的供應(yīng)、分配和使用中，不應(yīng)發(fā)生人身事故和設(shè)備事故；

●可靠 應(yīng)滿足用電設(shè)備對供電可靠性的要求；

●優(yōu)質(zhì) 應(yīng)滿足用電設(shè)備對電壓和頻率等供電質(zhì)量的要求；

●經(jīng)濟(jì) 供配電應(yīng)盡量做到投資少，年運行費低，盡可能減少有色金屬消耗量和電能損耗，提高電能利用率。

應(yīng)當(dāng)指出，上述要求不但互相關(guān)聯(lián)，而且往往互相制約和互相矛盾。因此，考慮滿足上述要求時，必須全面考慮，統(tǒng)籌兼顧。

本課程的任務(wù)主要講述35kV及以下供配電系統(tǒng)電能供應(yīng)和分配的基本知識和理論，使學(xué)生掌握供配電系統(tǒng)的設(shè)計和計算方法、管理和運行技能，為學(xué)生今后從事供配電技術(shù)工作奠定基礎(chǔ)。110～220kV供配電系統(tǒng)的理論、設(shè)計和計算方法，參見相關(guān)電力工程書籍。