電能系統基礎

東南大學電氣工程學院

1.2電能系統負荷與負荷曲線1.2.1電能系統的負荷與分類1.

電能系統的負荷:電能系統的負荷指各種用電設備從電力系統中取用的功率或電能。2.負荷分類:(1)

一級負荷:指供電突然中斷將造成人傷亡，或政治上造成極壞影響，經濟上造成重大損失或引起社會混亂的負荷。

1.2.1電能系統的負荷與分類(2)

二級負荷:指供電突然中斷將造成政治上不好影響，經濟上較大損失或社會生活的正常規律被打亂的負荷。(3)

三級負荷:指有計劃停電時不會造成較大影響的負荷。

1.2.2電力負荷曲線及其特性系數（１）負荷曲線：電力負荷隨時間變化的圖形。1.負荷曲線的用途:(1)根據預測負荷曲線，計劃和分配各發電廠的發電任務。為提高經濟效益，各發電廠負荷分配見下圖。(2)按年最大負荷曲線確定系統裝機容量，安排主要設備檢修計劃。

圖1-8電力系統日負荷曲線的分配

1.2.2電力負荷曲線及其特性系數（２）2.負荷曲線的繪制及其特性系數1)運行日負荷曲線:指以橫軸代表時間延續，以縱軸代表實測的功率變化，逐點描繪而成的曲線。該曲線下包圍的面積表示一天24小時內的電能消耗。

圖1-10日有功負荷曲線梯形圖

1.2.2電力負荷曲線及其特性系數（３）曲線中平均功率:

負荷系數：

1.2.2電力負荷曲線及其特性系數（４）２）年負荷曲線:

運行年負荷曲線：其繪制與運行日負荷曲線相似。年最大負荷曲線：1年內逐日或逐月系統最大負荷的變化曲線。電力負荷全年持續曲線：電力系統全年負荷按其大小及其持續運行時間（小時數）的順序排列而成。曲線中的一點反映了在一年內負荷負荷超過P1的積累持續時間

1.2.2電力負荷曲線及其特性系數（5）電力負荷全年持續曲線的繪制:

選擇典型夏季日負荷曲線和典型冬季日負荷曲線，冬季取213天，夏天取152天，以全年8760h為橫軸，從最大功率開始，依功率遞減順序依次繪制出功率及其該功率在全年持續的時間。

圖1-11全年時間負荷曲線

1.2.2電力負荷曲線及其特性系數（6）負荷全年持續曲線下的面積代表一年消耗的電能最大負荷利用小時：年平均負荷功率：

各類用戶的年最大負荷利用小時數負荷類型（h）戶內照明及生活用電一班制企業用電二班制企業用電三班制企業用電農灌用電2000～30001500～22003000～45006000～70001000～1500

1.2.3

電能負荷的計算（１）計算負荷：持續半小時及以上的最大負荷，用、、表示，是按發熱條件選擇電氣設備的等效負荷，是選擇電器設備和導線的基本依據。

1.2.3

電能負荷的計算（２）1.單臺用電設備的計算負荷負荷點1的單臺設備計算負荷：2.用電設備組的計算負荷負荷點2處的用電設備組的計算負荷:

稱為該設備組的需要系數。

1.2.3

電能負荷的計算（３）

-----用電設備組各工作設備的同時系數。-----用電設備組各工作設備的負荷系數。-----用電設備組各工作設備的平均效率。-----供電線路的效率。

1.2.3

電能負荷的計算（４）3.變壓器低壓母線側的計算負荷:負荷點3處的計算負荷：

式中、為有功和無功同時系數。

1.3電能系統的電壓等級:為使電力工業和電工制造業的生產標準化、系列化和統一化，世界各國都制定有關于額定電壓等級的標準。我國電力系統的電壓等級

西北系統：330/110/35/10KV

東北地區：

500/220/63/10KV

其它地區：500/220/110/35/10KV

低壓：0.38/0.22KV

IEC對電網及設備電壓的選擇原則可以歸納為以下三點:1)對50Hz的標準電壓，在3.3、6.6、11、22、33kV中建議采用一個。其中3.3、6.6kV不應用于配電系統。2)任一國家內，相鄰兩級電壓之比，不應小于2倍。3)對任一地理區域內，對下列三組電壓等級中只能選用每組中的一個:(245～330～363kV)，(363～420kV)，(420～525kV)。

國際大電網會議(CIGRE)與國際供電會議(CIRED)的聯合工作組對電壓的選擇也提出了建議。認為超高壓(220～500)kV以下的電壓，其相鄰兩級電壓之比應大于3倍。高壓(50～150)kV以下的電壓，其相鄰兩級電壓之比應大于5倍，并建議：1)已采用220kV或275kV為主的國家，最好選用500、230kV電壓系列。2)已采用330kV或345kV為主的國家，最好選用750、330、110kV電壓系列。3)在一個國家內，以選用一種電壓系列為宜，以免額定電壓不同的電力系統互聯時，需要專用的互聯變壓器。

各級電壓送電線路的輸送能力額定電壓/kV送電容量/MW送電距離/km100.2~2.010~20201.0~5.015~30352.0~1520~50603.5~3030~10011010~5050~150220100~500100~300330200~800200~6005001000~1500150~8507502000~2500500以上

三相交流電網和電力設備的額定電壓

三相交流電網和電力設備的額定電壓額定電壓是用來代表電網或電氣設備運行電壓特性的數值。對于1000V以下的電壓等級，供電設備比受電設備額定電壓高5％。1000V以上的電壓等級，發電機額定電壓比同等電壓級的電網電壓高5％。直接與發電機組相連的變壓器一次繞組的額定電壓與發電機相同。

三相交流電網和電力設備的額定電壓變壓器一次繞組與線路或母線相連時，其額定電壓與相連的線路或母線電壓相同。對于變壓器的二次繞組，因變壓器在滿載時其本身內部壓降約占5％，所以在計級較長的線路壓降時，變壓器二次側額定電壓應比線路額定電壓或用電設備額定電壓高10％，當線路不長時，變壓器二次側電壓則只高5％。對于1000V以下的電壓等級，供電(電源)與受電設備的額定電壓則取得相等。

1.4輸電線路電力線路按結構通常可分為架空和電纜線路。1.4.1架空線路:架空線路由導線、避雷線(架空地線)、絕緣子、金具和桿塔等主要部件組成。

1.4.1架空線路（１）１.導線和避雷線:導線可分為裸線和絕緣導線兩大類。高壓輸電線常采用裸導線，低壓線路常采用絕緣導線。導線材料主要有鋁、銅、鋼等。導線按結構形式不同分為單股、多股絞線和鋼芯鋁絞線三種。其中，鋼芯鋁絞線機械強度較高，較為常用。其型號有LGJQLGJ和LGJJ型。220KV以上輸電線路為減小電暈損耗，常采用分裂導線。

1.4.1架空線路（２）2.桿塔：

桿塔按材料不同可分為木桿、鐵塔和鋼筋混凝土桿三種。桿塔通常分為直線桿、轉角桿、耐張桿、終端桿、換位桿和跨越桿。3.絕緣子和金具1）絕緣子：其作用為支撐和懸掛導線，并使導線與桿塔絕緣。2）金具：連接導線和絕緣子所使用的金屬部件總稱為金具。

1.4.2電纜線路1.電力電纜結構：電力電纜主要由三部分組成：導線、絕緣層和保護層。2.電力電纜的敷設：

電力電纜的敷設有以下幾種：直接埋入土中、電纜溝敷設及穿管敷設。

1.5發電廠變電所的主要電電器設備發電廠變電所的主要電氣設備有：高壓開關電器、高壓保護電器、高壓測量電器等。1.5.1開關電器開斷電路時的電弧1.電弧的危害：１）延長電路開斷的時間；２）破壞開關觸頭、引起電器燒毀；３）形成相間短路；

1.5.1開關電器開斷電路時的電弧（１）2.電弧中的游離和去游離方式：

１）游離方式：電弧中的游離方式有：強電場發射、熱電發射、碰撞游離、熱游離。２）去游離方式：電弧中的去游離方式有：復合、擴散。

1.5.1開關電器開斷電路時的電弧（２）3.交流電弧的滅弧條件和方法：１）滅弧條件：交流電弧自然過零后，弧隙介質強度始終大于加在觸頭兩端的恢復電壓。

1.5.1開關電器開斷電路時的電弧（３）２）開關電器中常用的滅弧方法：提高觸頭的分離速度；利于高速氣體或油吹滅電弧；采用多斷口將長電弧分成多段短電弧；利用磁吹線圈使電弧不斷移動與拉長來滅弧；采用介質強度高的物質作滅弧介質，如SF６、真空、壓縮空氣、油等。

1.5.1開關電器開斷電路時的電弧（４）4.直流電弧的滅弧方法：１）在直流電流上疊加一振動電流，使弧電流過零，用交流電弧相似的方法熄滅直流電弧。２）電阻耗散能量限流法：在開斷電路的過程中，逐級串入電阻，使直流弧電流不斷減小直至熄滅，并保證基本不產生過電壓。

1.5.2高壓斷路器與重合閘（１）１.高壓斷路器的功能正常工作時開斷與閉合電路配合繼電保護裝置，自動開斷電網中的短路故障。配合自動重合閘裝置，在跳閘后能夠自動重合閘。

1.5.2高壓斷路器與重合閘（２）２.高壓斷路器種類：油斷路器壓縮空氣斷路器SF６斷路器真空斷路器

1.5.2高壓斷路器與重合閘（３）3.

重合器重合器主要用在35kV及以下中壓電網。重合器的功能:自動檢測故障電流；在給定時間內開斷故障電流；按給定次數重合電路。

1.5.3隔離開關1.主要功能：

檢修時用于可靠的隔離電源。2.結構特點：

無滅弧裝置；觸頭暴露在空氣中；有明顯、清晰可見的斷開點。隔離開關不能拉合負荷電流和短路電流，必須與斷路器配合使用，按重合閘操作規則進行操作。

1.5.4負荷開關與分斷器1.負荷開關：

用于開合負載電流及過載電流的開關電器，具有一定的滅弧能力，常與熔斷器配合使用。

2.分斷器：

配電系統中用來隔離線路區段的自動裝置。可用來開斷負載電流，通常與重合器或斷路器配合使用。

1.5.5熔斷器1.功能：

在短路、過載或過電壓時切斷電路。2.結構：

熔斷器由金屬熔件，觸頭裝置及外殼構成。3.滅弧方法：

縱向吹弧滅弧、利用石英砂填料冷卻滅弧。4.分類：

限流式熔斷器與非限流式熔斷器。

1.5.6儀用互感器儀用互感器的作用：將一次側的高電壓大電流變換成二次側的標準的低電壓、小電流，使二次側裝置標準化、系列化。將二次側與高電壓隔離，保證設備和人身安全。使二次側可以使用低壓小截面控制電纜傳送電壓、電流信號。

電壓互感器與電流互感器的連接示意圖

1.5.6儀用互感器—電壓互感器（１）1.電壓互感器電磁式電壓互感器工作原理與電力變壓器相同。

電壓互感器的主要特點是容量很小．最大不過數百伏安；它的另一特點是二次側所接的測量儀表和繼電器的電壓線圈阻抗很大，接近于空載狀態下運行。

1.5.6儀用互感器—電壓互感器（2）

１）測量誤差：

電壓誤差角誤差：為與之間的夾角。

電壓互感器等效電路圖

電壓互感器相量圖

1.5.6儀用互感器—電壓互感器（3）電壓互感器測量誤差與空載電流、二次負載等因素有關。空載誤差主要決定于激磁電流的大小．采用高磁導率鐵芯、縮短磁路長度、適當加大鐵芯截面、減小空氣隙等均可使空載誤差明顯降低。負載誤差則主要決定于二次負載值及其功率因數，還與一次、二次繞組阻抗有關。隨著二次負載的加大，電壓互感器的電壓誤差和角誤差呈直線增加，所以二次負載不應超過額定值，否則誤差將超過其限值。

1.5.6儀用互感器—電壓互感器（4）２）準確度級：電壓互感器的準確度級用最大允許誤差表示。有０.１、０.２、０.５、１、3、３P、6P等準確度級，分別用在不同的測量與保護場合。３）結構類型：電磁式（包括普通的電磁式電壓互感器，及串級式電壓互感器）；電容分壓式；

1.5.6儀用互感器—電壓互感器（5）４）運行注意事項：電壓互感器工作時，二次側有一端必須可靠接地，運行中二次側不允許短路。電壓互感器的一次側和二次側均應裝設熔斷器，用于過負載及短路保護。

1.5.6儀用互感器—電流互感器（１）２．電流互感器電磁式電流互感器工作原理與變壓器相同

1.5.6儀用互感器—電流互感器（2）1）電流互感器結構特點：一次側匝數很數少，二次側匝數多。正常工作時，二次側負荷阻抗很小，接近短路狀態。

圖1-34電流互感器原理接線圖

電流互感器等效電路圖

電流互感器相量圖

1.5.6儀用互感器—電流互感器（２）2）電流互感器的誤差：

電流誤差：角誤差：為與－之間的夾角。電流互感器的誤差與激磁磁勢（互感器鐵心材料、結構）、一次側電流、二次側負載等因素有關。

1.5.6儀用互感器—電流互感器（３）3）確度級：電流互感器有0.2、0.5、1、3、5、D、B、P等準確度級，可供不同的測量和保護場合使用。不同準確度級的電流互感器有不同的額定二次負荷。４）運行注意事項：電流互感器運行二次側不允許斷開。否則二次側會感應出高電壓，危及人身和設備安全。電流互感器二次側有一端應可靠接地。

1.5.7避雷器

（１）1.功能：用來限制過電壓的一種主要保護電器，是發電廠變電所防雷保護的基本保護措施之一。2.工作原理：

避雷器與被保護設備并聯，當線路上有雷電侵入時，首先擊穿避雷器對地放電，從而保護設備絕緣。3.結構類型：放電間隙；閥形避雷器；管形避雷器；壓敏避雷器；

1.6電能系統的電氣連接方式

（１）1.電能系統的接線圖

電氣接線圖（如圖１－１）電氣結線圖反映電力系統各元件之間的電氣聯系。為簡明起見，電力系統的電氣結線圖多畫成單線形式，稱為單線圖。地理接線圖（如下圖）電力系統的地理結線圖反映各發電廠、變電所的相對地理位置以及電力線路的路徑。地理結線圖不反映各元件之間的電氣聯系，因此，兩類結線圖常常配合使用，互為補充。

圖1-38電力系統的地理接線圖

1.6電能系統的電氣連接方式

（２）２.電能系統的接線方式1）無備用電源接線無備用接線包括：單回放射式、樹干式、鏈式網絡。優點：線路結構簡單、經濟和運行方便。缺點：供電可靠性差。

1.6電能系統的電氣連接方式（３）2）有備用電源接線有備用接線方式包括：雙回放射式、干線式、鏈式、環式及兩端供電網絡。

1.6電能系統的電氣連接方式（4）雙回放射式、干線式、鏈式網絡優點：供電可靠、電壓質量比較高缺點：設備投資成倍增加環式網絡優點：供電經濟、可靠缺點：運行調度復雜，線路發生故障切除后，由于功率重新分配，可能導致線路過載或電壓質量降低。

1.6電能系統的電氣連接方式（5）開式網絡：每個負荷只能從一個方向取得電能的電氣接線方式，如放射式、干線式和鏈式網絡。閉式網絡：每一個負荷可以從兩個方向取得電能的電氣接線方式，如環形和兩端供電網絡。

1.7三相電能系統中性點運行方式（1）電力系統的中性點指發電機和星形聯結變壓器的中性點。三相電力系統的中性點運行方式的影響：對地絕緣內部過電壓繼電保護發電機并列運行的穩定性對線路附近通信線路的干擾電壓等級、系統結線等

1.7三相電能系統中性點運行方式（2）發電機中性點運行方式：不接地經避雷器接地變壓器中性點運行方式有：中性點不接地（10～35kV系統）中性點經消弧線圈接地（10～63kV系統）中性點直接接地（110kV以上系統、380/220V三相四線低壓系統）

1.7三相電能系統中性點運行方式（3）有效接地系統（大電流接地系統）：中性點接地中性點經小電阻接地非有效接地系統（小電流接地系統）：中性點不接地中性點經高阻抗接地中性點經消弧線圈接地區分標準：若X0/X1≤3，且r0/X1≤1,則為有效接地系統

1.7.1中性點不接地電力系統（圖）

1.7.1中性點不接地電力系統（１）１.中性點不接地電力系統正常工作情況三相對地電壓對稱并等于相電壓；三相對地電容電流對稱；中性點與地同電位；

1.7.1中性點不接地電力系統（２）2.若發生一相接地（例C相接地）

1.7.1中性點不接地電力系統（3）

由c相接地時的相量圖可見:中性點對地電壓升高為相電壓，如圖OO’相量。接地相對地電壓為０。未接地兩相對地電壓升高為線電壓。三相間電壓不變。

1.7.1中性點不接地電力系統（４）接地點電容電流是正常運行時一相對地電容電流的三倍。

因此，這種情況下應發出預告信號，允許繼續運行２小時。

1.7.1中性點不接地電力系統（5）單相接地電容電流Ic可近似由下列經驗公式來計算。對于架空線

對于電纜線式中U—線電壓kV。

l—這一電壓級線路總長度kM。Ic―接地電容電流A。

1.7.1中性點不接地電力系統（6）接地點處如果產生接地電弧，可能引起電器設備損壞，甚至造成相間短路。接地點處如果產生斷續電弧，可能引起電網的諧振過電壓。

1.7.2中性點經消弧線圈接地系統

當10KV電網接地電流大于30A時，35KV電網接地電流大于10A電源中性點應采用經消弧線圈接地的方式。消弧線圈實際上就是帶氣隙鐵芯的線性電感線圈，其電阻很小，感抗很大。

1.7.2中性點經消弧線圈接地系統（圖）

1.7.2中性點經消弧線圈接地系統由圖可見，當發生單相接地時，流過接地點的電流是接地的電容電流Ic與流過消弧線圈的電感電流IL之和。從圖1-43b可見，Ic越前UC90°，而IL滯后UC90°，所以Ic與IL相差180°，在接地點相互補償。當Ic與IL的量值差小于發生電弧的最小電流（最小起弧電流）時，電弧就不會發生，也就不會出現諧振過電壓現象了。在中性點經消弧線圈接地的三相系統與中性點不接地的系統一樣，在發生單相接地時，非接地相的對地電壓要升高倍，即成為線電壓，應發預告信號，允許繼續運行2h。

1.7.2中性點經消弧線圈接地系統如感性電流等于容性電流，稱為全補償；如感性電流<容性電流，稱為欠補償；如感性電流>容性電流，稱為過補償。實用中一般采用過補償以考慮系統的進一步發展和避免諧振的發生。

1.7.3中性點直接接地系統（１）中性點直接接地系統發生單相接地短路時：中性點對地電壓不變；非接地相對地電壓不變；單相短路的短路電流較大，易造成供電中斷；

1.7.3中性點直接接地系統（２）

我國380/220低壓配電系統，也廣泛采用中性點直接接地的三相四線制。

1.7三相電能系統中性點運行方式直接接地系統供電可靠性低，因在這種系統中發生單相接地故障時，接地點和中性點會形成回路，從而接地相的短路電流很大。此時為了防止損壞電氣設備必須迅速切除接地相。不接地系統單相接地時接地電流較小，三相間電壓不變，電網仍可運行2h，從而供電可靠性提高，但非接地相的電壓將升高至原相電壓的倍，從而對電氣設備的絕緣水平要求較高。

1.9.1發電廠變電所的運行監視與控制電能系統的運行是通過發電廠和變電所的控制和操作來完成，發電廠和變電所在其相應調度范圍的指揮下完成以下主要工作：1)發電廠有功、無功出力的增減，頻率和電壓的調整。2)系統之間、發電廠與系統之間的并列與解列。3)輸電線路和變壓器的投入與停送電。4)網絡的合環與解環。5)母線接線方式的改變。

6)中性點接地方式的改變和消弧線圈補償的調整。7)繼電保護和自動裝置使用狀態的改變。8)線路檢修工作開工前，線路所有電源端接地的連接及完工后的拆除等。另外，發電廠和變電所還要隨時監視其設備正常運行或不正常運行的狀態、開關的投切、保護的動作與否、自動化裝置的運行情況等。

1.9.1發電廠變電所的運行監視與控制

發電廠和變電所利用各種監視儀表和信號裝置隨時監視系統和設備的運行狀態。發電廠和變電所的信號裝置可分為斷路器位置信號、預告信號和事故信號。也可分為瞬時動作信號和延時動作信號。發電廠和變電所的控制對象主要是高壓斷路器，其控制方式多采用控制室內的集中控制方式。

電力系統的特點：重要性、快速性、同時性37.8MW-37.8MW50.0Hz49.850.2發電用電

美加大停電

近年來國際大停電事故1、美加大停電：2003年8月，美國、加拿大多個城市均發生停電事故，這次美國歷史上最大的停電事故所造成的經濟損失每天可能多達300億美元。2、莫斯科大停電：2005年5月，莫斯科突發停電事故，莫斯科最主要的股票交易所MICEX被迫中斷交易兩小時，地鐵系統全線癱瘓，交通信號燈也全部停止工作。3、印尼大停電2005年8月，印尼發生大停電，全國近半人口受影響。4、洛杉磯大停電2005年9月，美國洛杉磯全市大停電，該市一半人口受影響。

近年來國際大停電事故5、東京大停電2006年8月，日本東京發生大面積停電，至少上百萬家庭用電被中斷。6、西歐大停電2006年11月，西歐多國發生嚴重停電事故，約1000萬人受影響，德國、法國、意大利三國受影響最大。

電力系統五級調度模式國家電調中心

跨省區電力系統獨立省級電力系統主干發電廠省級電力系統市級電力系統省級發電廠輸電網供/配電網

1.9.2電能系統的運行監視與控制

現代電能系統的監控系統是一個復雜的計算機網絡系統，包括信息收集、信息傳輸、信息管理、顯示打印、遙遠控制、遙遠調節等各種環節聯合組成。它的范圍從變電所、發電廠到各級調度所并涉及到電能系統的所有單元。能量管理系統EMS（EnergyManagementSystem）配電管理系統DMS（DistributionManagementSystem）(1)數據采集與監控系統SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）(2)高級應用軟件（安全分析、經濟調度、安全控制等）

人機系統電廠計算機系統能量管理系統配電管理系統共同點SCADA用戶界面信息管理通訊網絡能量管理系統電能應用網絡應用配電管理系統停電呼叫開關操作故障隔離/恢復供電GIS界面饋線重構

能量管理系統（EMS）的結構對象（電力系統）SCADA/EMS（計算機系統）人機界面通信控制運行人員——管理

配網管理系統配調中心工作站組配變FTU用戶集抄光纖載波RS485DA集中器配變FTU配變FTU其它變電站變電站配調中心前置機光端機光纖HUB

1.9.3電力系統的故障與