电力基础知识

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第一章概论

一、动力系统、电力网、电力系统的划分

动力系统：习惯上，将有带动发电机转动的动力部分、发电机、升压变电所、输电线路、降压变电所和负荷等环节构成的整体成为动力系统。

电力网：由各类降压变电所、输电线里和生涯变电所组成的电能传输和分配的网络成为电力网。

电力系统：由发电机、电力网和负荷组成的统一体成为电力系统。

二、电厂的分类

火力发电厂：利用固体、液体、气体燃料的化学能来生产电能的的工厂。

水力发电厂：利用河流所蕴藏的水能资源来生产电能的工厂。可分为堤坝式和引水式电厂。

还有核电厂、风力发电、地热发电、潮汐发电、太阳能发电等。

三、电力网

电压等级的分类：3、6、10、35、63、110、220、330、500、750kV，均为三相交流系统的线电压。

由以上可知，当输送功率一定时，线路的电压越高，线路中通过的电流就越小，所用导线的截面就可以减小，用于导线的投资可以减少，而且线路中的功率损耗、电能损耗也就会相应降低。因此大容量、远距离输送电能要采用高压输电。

电压越高，要求线路的绝缘水平也就越高；线路杆塔投资增大，输电走廊加宽，变压器、电力设备等的投资也增加。

根据经验，电力系统输电额定电压等级中相邻的两个电压之比，在电压为110kV以下是一般为3倍左右，在110kV以上时宜在2倍左右。

四、电气设备的额定电压

理论上，用电设备的额定电压应和电网的额定电压相一致。实际上，由于输送电能时在线路和变压器等元件上产生的电压损失，会使线路上各处的电压不相等，使各点的实际电压偏离额定电压。即线路首端的电压将高出额定电压5%，线路末端的电压会低于额定电压5%。

发电机的额定电压：因为发电机总是接在线路的首端，因此它的额定电压应比电网的额定电压高5%，用于补偿电网上的电压损失。

变压器的额定电压：在电力系统中，变压器具有发电机和用电设备的双重性。因此规定：变压器一次绕组的额定电压等于电网的额定电压；若变压器一次绕组直接与发电机出线端相连是，其一次绕组的额定电压应与发电机的额定电压相同；变压器二次绕组的额定电压是指变压器空载运行是的电压。因此规定，二次绕组的额定电压应比同级电网的额定电压高10%。当变压器的二次侧输电距离较短或者变压器阻抗较小是，则变压器的二次绕组的额定电压可比同级电网的额定电压高5%。

五、电力网的类型

根据电压的高低和供电范围的大小，电力网可分为地方电网、区域电网和超高压电力网。

地方电网：电压等级一般在35~110kV，输电距离在50km以内的中压电网；是一般城区、农村、工矿区的配电网络。也就配电网。

区域电网：电压等级一般在110~220kV，输电距离在50~300km的电力网；用来将较大范围内的发电厂联系起来，通过较长的高压输电线路想较大范围内的用户输送电能。

超高压电力网：电压等级一般在330~750kV，输电距离在300~1000km的电力网；用来将地处远方的大型发电厂生产的电能送往电力负荷中心，同时可以将几个区域电力网联接成跨省区的大电力系统。

变电所根据其在电力系统中的作用和地位分为枢纽变电所、中间变电所和终端变电所。

六、电力系统

1、合理利用资源，提高系统运行的经济效益；

2、可以减少总负荷的峰值，充分利用系统的装机容量，减小备用容量；

3、大大提高供电的可靠性和电能的质量；

4、采用高效率的大容量发电机组。

1）电力系统运行特点：

1、电能的生产和使用同时完成；即发电厂负荷的大小决定于同一时刻与发电厂

想联的用户所需的负荷数值。

2、正常输电过程和故障过程非常迅速；

3、具有较强的地区性特点；

4、与国民经济各部门关系密切；

2）对电力系统运行的基本要求

1、保证供电的安全可靠性；分为一、二、三类用户。

2、保证电能的良好质量；三要素：频率、波形、电压。

3、保证电力系统运行的稳定性；

4、保证运行人员和电气设备工作的安全；

5、保证电力系统运行的经济性；

第二章电力系统的负荷

电力系统的负荷分为有功负荷和无功负荷。

视在功率的计算公式：

一、谐波

谐波的含量是衡量电能质量的重要指标之一。

如果与发电机相连的设备负荷具有非线性特性，则电压和电流波形将发生畸变而出现谐波分量；

变压器的三角形接法绕组，为3次谐波电流提供了环流通路，可避免3次谐波电流向电网注入，但5次和7次谐波仍会注入电网，只是在正常运行是，它只占额定电流很小的比分数。

谐波源：1、含电弧和铁磁非线性设备的谐波源，如电炉弧、电弧电流、接触焊设备等非线性负荷；2、整流和换流电子器件形成的谐波源，如晶闸管、交流单相整流供电的机车等。

谐波的危害：

1、可使旋转电机附加损耗增加、出力降低，绝缘老化加速。

2、谐波电流流入变压器时，将因集肤效应和邻近效应，在变压器绕组中引起附加铜耗。

3、谐波电压作用在对频敏感的电容元件上，如电容和电缆等，会使之严重过电流、导致发热，介质老化，甚至损坏。

4、高次谐波电流流过串联电抗器时，会在电抗器上形成过高的压降，使电抗器的匝间绝缘受损。

5、谐波电流流过输电线时，输电线的电阻会因集肤效应而增大，加大了线路的损耗。

6、谐波电压和电流将对电工仪表的测量正确度产生影响。

7、供电线路中存在的高次谐波所产生的静电感应和电磁感应会对与之平行的通信线路产生声频干扰，影响到通信质量。

此外，谐波侵入会使电力系统的中继电保护误动作，影响到电力系统的安全运行，影响电子设备，使计算机出错等故障。

第三章电力系统主设备元件

一、电力变压器

电力变压器是电力系统中实现电能传输和分配的核心元件。

电力变压器分为升压变压器和降压变压器；按结构分为双绕组、三绕组、自耦变压器，一般220kV以上的均采用三绕组或三绕组自耦式变压器。

二、输电线路

电力线路分为架空线路和电缆线路。

1、架空线路

架空线路是由导线、避雷线(架空地线)、杆塔、绝缘子串和金具等部分组成；其中导线是用来传导电流，输送电能；避雷线用来将雷电流引入大地，对线路进行直击雷的保护；杆塔用来支撑导线和避雷线，并使导线与导线之间、导线与接地体之间保持必要的安全距离；绝缘子用来使导线与导线、导线与杆塔之间保持绝缘状态；金具是用来固定、悬挂、连接和保护架空线路各主要元件的金属期间的总成。

(1)导线与避雷线

导线一般用铜和铝材料来实现。铜是较理想的材料，但是用途广、产量有限；铝

仅次于铜，且密度小、蕴藏量大、价格低；钢机械强度高，但是导线性能差，且为磁性材料，感抗大，集肤效应显著。

一般10kV导线均为铝钢绞线(LGJ)，部分有铝绞线(LJ)、铜绞线(TJ).

避雷线在正常运行时是对地绝缘的，即通过具有并联放电间隙的绝缘子与杆塔和大地之间保持绝缘。这样在正常运行时，绝缘避雷线可用作载波通信通道，也可以用于架空线的融冰。此外还采用绝缘避雷线还可以使输电线路发生接地短路故障时出现的潜供电流减少，有利于快速自动重合闸的采用。

(2)杆塔

按照用途分为直线杆塔、耐张杆塔、终端杆塔、转角杆塔、跨越杆塔和换位杆塔等。

直线杆塔：也称中间杆塔，用于线路的直线走向段内，其主要作用是悬挂导线。其占线路杆塔总数的80%左右。

耐张杆塔：也称承力杆，用于线路的首末端以及线路的分段处。在线路较长时，一般每隔3~5km设置一耐张杆塔，用来承受正常及故障情况下导线和避雷线顺线路方向的水平张力，限制故障范围，且可起到便于施工和检修的作用。

终端杆塔：即线路终端的耐张杆塔，用来承受最后一个耐张档距导线的单线拉力。

转角杆塔：位于线路转角处的杆塔。线路的转角指线路转向内角的补角。转角杆塔承受侧向拉力。

跨越杆塔：位于线路跨越河流、山谷、铁路、公路、居民区等地方的杆塔，其高度较一般杆塔高。

换位杆塔：为保持线路三相对称运行，将三相导线在空间进行换位所使用的特种杆塔。三相导线在杆塔上无论如何布置均不能保证其三相的线间距离和对地距

离都相等。为避免由三相架空线路参数不等而引起的三相电流不对称，，给发电机和线路附近的通信带来不良影响，规程规定凡线路超度超过100km时，导线必须换位。超过200km时，要用两个或者多个换位循环。

杆塔按照其材料分为木杆、钢筋混凝土杆和铁塔三类。目前主要运用的是钢筋混凝土杆和铁塔。

(3)绝缘子

架空线的绝缘子分为针式绝缘子、悬式绝缘子、棒式绝缘子及磁横担绝缘子等。针式绝缘子：主要用在电压不超过35kV、导线拉力不大的直线杆塔和小转角塔上。

悬式绝缘子：主要用在35kV以上的线路上，在直线杆塔上组合成悬式绝缘子串(简称悬垂串)。在耐张杆塔上组成耐张绝缘子串(简称耐张串)；

绝缘子串所用绝缘子片数应根据线路标称电压等级按绝缘子配合要求确定：

棒式绝缘子：用硬材料做成的整体，可代替整串悬式绝缘子用。

磁横担绝缘子：是棒式绝缘子的另一种形式，可兼作横担用。

(4)常用金具

常用金具是在架空线路上使用的所有金属部件的总称。其中使用广泛的主要是线夹、连接金具、连续金具和防震金具。

线夹是用来将导线、避雷线固定在绝缘子上的金具。

连接金具主要用来将绝缘子组装成绝缘子串或用于绝缘子串、线夹、杆塔和横担等的相互连接。

连续金具主要用于连接导线或者避雷线的两个终端，分为液压式连续金具和钳式连续金具。

防震金具包括保护线条、阻尼线和防震锤。其中阻尼线和防震锤用来吸收或消耗架空线的震动能量，以防止导线振动式在悬挂点处发生反复坳折，造成导线断股甚至短线的事故；保护线是用来加强架空线的耐振强度，以降低架空线的使用

应力。

2、电缆线路

缺点：电缆造价高、故障后检测故障点位置和修理较费事。

优点：占用土地面积少，受外力破坏的概率低，因而供电可靠；对人身较安全，使城市美观。

3、三相对称运行时电力线路的参数计算

电力系统三相对称运行时，电力线路的等值电路是以导线的电阻、电抗(电感)、导线的对地电导、电纳(电容)为参数组成的单相电路。

电阻反映线路通过电流时产生的有功功率损失；电抗反映载流线路周围产生的磁场效应；电导反映电晕现象产生的有功功率损失；电纳反映载流线路周围产生的电场效应。

(1)电力系统中的导线大多为多股绞线，扭绞会使每股导线的实际长度比标称长度增长2%~3%，且交流电流流经导线时的肌肤效应以及到线间的邻近效应，又会使导线内电流分布不均，截面积得不到充分利用。因此计算电阻值应按如下计算：

(2)当架空线路通过三相对称的交流电流时，导线周围空间会出现由此三相电流决定的交变磁场。导线的电抗可以根据这一交变磁场中和该导线相链的那部分磁链求出：

经过完全换位后的分裂导线线路的每相单位长度的电抗为：

如以上式可知，导线分裂根数越多，电抗下降越多，但当导线分裂根数大于4时，电抗下降就不那么明显。分裂间距的增大也可使电抗减少，但间距过大又不利于防止导线产生电晕。因此，分裂导线的根数一般不超过4根，其子导线间的距离一般取400~500mm左右。

在工程实际范围内，单根导线的x1一般为0.4Ω/km左右，与2根、3根和4根分裂导线相应的x1则分别为0.33Ω/km、0.3Ω/km、0，28Ω/km。

(3)三相导线的相与相之间及相与地之间存在分布电容。

(4)架空线路的电导主要与线路电晕损耗以及绝缘子的泄露有关。

4、电力线路的等值电路

由于三相线路是对称的，则线路简化为以下电路：

在工程实际中，在对300km及以下的电力线路进行计算时，可以将电力线路简化为下述两种类型的集中参数的等值电路。

1、一字型等值电路

当电力线路长度不超过100km的架空线里及不长的电缆线路，且工作电压不高时，可以忽略线路电纳，即b1=0；又因线路在正常天气时不会产生电晕，且绝缘子的泄漏又很小，即g1=0。因此电路简化为：

2、π型和T型等值电路

当电力线路为长度在100~300km之间的架空线路或长度不超过100km的电缆线路时，其电纳的影响已不再能忽略，此时需采用以下电路分析。

需要指出的是：以上两种等值电路是线路的一种近似等值电路，之间不能用Y-△等值交换。

三、高压开关电器

其中只起隔离电压的作用不需要开断电流的称为隔离开关；用来开断和关合负载电流的称为负荷开关；既能开断负载电流又能开断高达数百千安短路电流的称为断路器；

应该指出当开关开断电路时，只要被开断的电源有几十伏，所断开的电流达到几百毫安，在形成开断口的触头间就会出现电弧。

要使电弧熄灭，必须采取措施使弧柱中的热游离过程减弱，消游离过程增强。加速断口介质强度的恢复速度并提高其数值是提高开关熄弧能力的主要方法：

1)采用绝缘性能高的介质，以便在相同的断口距离下提高断口的耐压；

2)提高触头的分断速度或断口的数目，使电弧迅速拉长；

3)采用各种结构的灭弧装置来加强电弧的冷却，以加快电流过零后弧隙的去游离过程。如吹弧的方法。

1、高压断路器

作用：除了要在正常情况下根据运行需要开断和关合负载电流外，还必须能在

电力系统发生短路故障是开断高达数十千安的短路电流；此外，考虑到电力系统中的电力设备或输电线路在未投入运行前可能就已存在绝缘故障(预伏故障)，甚至处于短路状态，断路器还必须具有关合短路电流的能力。

工作方式：为了能使断路器自动切除系统故障，必须配于反映系统工作状态的电器—电流互感器、电压互感器以及能进行逻辑判断的继电器。

架空线路的断路器应该具有多次快速重合闸的操作方式：第一次重合闸—强送电(运行人员)—第三次重合闸

断路器的结构：开断部分，包括导电和触头系统以及灭弧室；操作和传动部分，包括操作电源和把操作电源触动到触头系统的各种传动机构；绝缘部分，包括把处于高电位的导电和触头系统与地电位绝缘的绝缘元件，以及联系处于高点位的动触头系统与处于低电位的操动能源所用的绝缘连接件等。

(1)断路器的分类：

1、根据对地绝缘分：接地金属箱型和绝缘子支持型；

2、按操作机构电源分：手动、直流电磁、弹横、液压、气动型；

3、按灭弧介质分：油断路器、压缩空气断路器、六氟化硫断路器、真空断路器、固体产气断路器。

(2)油断路器

既可以制成接地金属箱型也可以制成瓷瓶支持型。多油为接地金属箱型，少有为瓷瓶支持型。

断路器的断口数愈多，断口的电压分布将愈不均匀。

油断路器的优点是结构简单，价格便宜。但油在灭弧过程中容易被碳化，所以检修周期短，维护工作量大，再加油既会造成对环境的污染又容易引发火灾。因此，在110kV中被六氟化硫断路器取代，在10kV中被真空断路器所取代。

(3)六氟化硫断路器

六氟化硫是目前高压电器中使用的最优良的灭弧和绝缘介质。

按照外形结构可分为瓷绝缘支持式和落地罐式

(4)真空断路器

真空一般指气体分子数量非常少的空间，可以用汽体的绝对压力值来表示。压力愈低，单位体积内气体分子数就愈少，真空度也就愈高。

研究表明：当出现聚集型电弧时，真空断路器就会失去开断能力。提高出现阳极半点的电流值，使电弧在大电流范围内仍能保持扩散型电弧的形态，是提高真空断路器开断能力的有效措施。让磁场作用在真空电弧上可以明显提高出现阳极斑点的电流值。

优点：绝缘性能好，触头、操动机构小，灭弧能力强，结构简单，维修工作量小。

2、高压负荷开关

负荷开关是一种用来开断和关合负载电流和一定过载电流的开关电器，不具备切断和关合短路电流的能力。

为了能在电力系统发生短路故障时即时切除故障，负荷开关必须和熔断器联合应用，由熔断器来判断故障和切除故障。

分类：油浸式负荷开关(柱上油开关)、压气式负荷开关、固体式负荷开关

3、高压熔断器

熔断器的主要元件为熔件(保险丝)，放置在熔断器管内，使用时串联在电路中。熔断器必须具备开断短路电流的能力外，还应有判断短路电流的大小，决定是都需要开断的能力。

熔断器判断短路电流大小的能力取决于熔件的热特性：

(1)时间-电流特性。

(2)最小熔化电流I0。

熔件通过最小熔化电流时的熔化时间接近于无穷大。

高压熔断器按照性能分为限流型和非限流型。

4、高压隔离开关

主要作用：是使电力系统中运行的各种高压电器设备与电源间形成可靠的绝缘间隔，以便对已退出运行的设备进行试验或者检修；一般安装在断路器和电流互感器组的两侧；只能在断路器切断负荷电流或短路电流后进行操作。

隔离开关分为户内和户外型；户外型按照绝缘子数量分为单柱、双柱、三柱等形式。

单柱一般只在220及以上使用，可以明显地节省变电所的占地面积；

双柱开关不占上部空间，但相间距离要求大。

5、高压互感器

互感器主要是为了测量和继电保护用。

任务：(1)把高电压和大电流按比例地变换成小电压(100V或100/1.732)和小电流(5A或1A)；以便提供测量和继电保护所需信号，并使测量仪表和继电保护装置标准化。

(2)把电力系统处于高电位的部分与处于低电位的测量仪表和继电保护部分分开，以保证运行人员的安全。

互感器主要分为电压互感器和电流互感器。

测量的准确度是互感器性能的一个重要指标；互感器一次与二次之间应有足够的绝缘，且互感器的二次侧必须有一点接地。因此，绝缘方式是决定高压互感器的结构形式的主要因素。

因为互感器二次侧负载均为仪表和继电器，故电压互感器的二次侧接近开路，电流互感器二次侧接近短路。

一、电磁式高压电压互感器

电压互感器二次侧准确级和误差表：

要降低电压互感器在负载情况下的误差，必须设法减少负载电流在一次和二次绕组中的压降。措施：1)采用粗导线来降低一次、二次绕组的电阻；2)加强一次、二次绕组的耦合来降低阻抗；3)在使用时对负载的大小及其功率因素做出一定的规定。

35kV以下的的电压互感器一般为单相，根据绝缘方式不同分为干式、塑料浇注式、油箱油浸式。

干式：只用于3kV的户内配电装置。体积大。

浇注式：用于3~35kV，结构紧凑，尺寸小，使用和维护方便。

油箱油浸式：普遍用于3~35kV。

二、电磁式高压电流互感器

特点：1、运行中的电流互感器的二次绕组必须通过仪表接成闭合回路或自行短路；2、随着系统用电情况的变化，电流互感器所需变化的电流，可在零和额定电流间的很大范围内变动。在短路情况下，电流互感器还需变换比额定电流大数倍，甚至数十倍的短路电流。电流互感器应能在电流的这一很大的变化范围内保持所需的准确度。

电流互感器误差表：

三、电容式电压互感器

第四章电力系统的接线方式

一、电力网的接线

电力网的接线是用来表示电力网各节点间的电气连接关系，按供电可靠性可分为无备用和有备用两大类。

一、无备用接线方式电力网

定义：用户只能从单方向的一条线路获得电源的电力网。也称开式电力网或开式网。

优点：简单明了，运行方便，投资费用少。

缺点：供电可靠性低，任何一段线路故障或检修都会影响对用户的供电。

二、有备用接线方式电力网

定义：用户能从两个或两个以上方向获得电源的电力网

在有备用接线方式电力网中，双回路的放射式、干线式、链式网络的优点是供电可靠性和电压质量明显提高，操作简单和运行方便；缺点是设备费用增加多，经济指标差。

环形网络接线具有较高的供电可靠性和良好的经济性；缺点是当环网的节点较多时运行调度较复杂，且故障时电压质量较差。

两端电源供电网在有备用接线方式中最为常见，但先决条件是必须有两个或两个以上的独立电源。其供电可靠性相当于有两个电源的环形网络。

电力网中按其职能可分为输电网和配电网。

电力网一般由电力系统中电压等级最高的一级或两级电力线路组成，主要任务是将各种大型发电厂的电能安全、可靠、经济地输送到负荷中心。

对输电网的要求是：供电可靠性要高；符合电力系统运行稳定行的要求；便于系统实现经济调度；具有灵活的运行方式且适应系统发展的需要等。

配电网的主要功能是将小型发电厂或变电所的电能通过核实的电压等级配送到给个用户。

对配电网的主要要求是：接线简单明了，结构合理；供电可靠性和安全性高，至少满足“N-1”法则；符合配网自动化发展的要求。

“N-1”准则：是指系统中失去任一元件后，对系统的影响能控制在规定的范围内。

城市配电网的供电安全采用N－1准则，即：

（1）高压变电所中失去任何一回进线或一组降压变压器时，必须保证向下一级配电网供电；

（2）高压配电网中一条架空线、或一条电缆，或变电所中一组降压变电器发生故障停运时；

a.在正常情况下，除故障段外不停电，并不得发生电压过低和设备不允许的过负荷；

b.在计划停运情况下，又发生故障停运时，允许部分停电，但应在规定时间内恢复供电；

（3）低压电网中当一台变压器或电网发生故障时，允许部分停电，并尽快将完好的区段在规定时间切换至邻近电网恢复供电。

配电网的主要接线方式：放射式、树干式、环式。放射式与树干式的区别在于树干式在电源侧多了个断路器。

二、发电厂和变电所主接线

发电厂和变电所的电气主接线是有发电厂或变电所的所有高压电气设备(包

括发电机、变压器、高压开关电器、互感器、电抗器、避雷器及线路等)通过连接线组成的用来接收和分配电能的电路。也是电力系统网络结构的重要组成部分，对电厂和变电所的安全、可靠、经济运行起着重要的作用，直接影响着供电可靠性、电能质量、运行灵活性、配电装置布置及电气二次线路和继电保护、自动装置的配置问题。

一、可靠性

供电可靠性是电力生产的首要任务。衡量主接线可靠性的标志是：

(1)断路器检修时，能否不影响供电；

(2)发电厂或变电所全部停运可能性的大小；

(3)线路、断路器、母线故障或检修时，停运回路数的多少、停运时间的长短以及能否保证对重要用户连续供电；

(4)大容量发电机组及超高压主接线是否满足可靠性要求。

二、灵活性

是指主接线应能适用于各种工作情况和运行方式，能根据运行情况方便地退出和投入电气设备。包括：

(1)根据调度的需要灵活进行运行方式的转换。

(2)根据检修的需要方便地投入或切除相应设备，时间修安全进行，不影响电力网运行和对用户供电。

(3)未来发展的需要，对发电厂或变电所进行扩建的可能。

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