第一节　电力系统概述

一、电力系统的组成

电力系统是由发电、输电、变电、配电和用电等设施所构成的整体。电力系统的组成可用图1-1的示意图说明。

发电厂将其他形式的能源转变为电能。根据能源的来源不同，发电厂分为火力发电厂、水力发电厂、核电厂等，此外还有地热电厂、风力发电厂、潮汐电厂和太阳能发电厂等。发电机一般采用三相同步发电机，额定电压多为10.5kV。为实现远距离输电，每台发电机都配有相应的升压变压器，组成发电机-变压器组。

电力网简称电网，包含电力系统中的输电、变电和配电三个环节，是将各电压等级的输电线路、配电线路和各种类型的变电所连接而成的网络。输电线路的作用是输送电能，其特点是电压较高、线路较长。配电线路的作用是分配电能，其特点是电压较低、线路较短。国家规定的电网额定电压等级有：750kV、500kV、330kV、220kV、110kV、60kV、35kV、10kV、6kV和25kV等。电网按其规模主要分为地区电网和区域电网。地区电网多限于一个地区或一个省，电压等级为110～220kV；区域电网由几个地区或几个省联合而成，电压等级为330～500kV。

变电所的作用是变换电压、调整电压、集中电能、分配电能和控制电能。按变电所在电力系统中的地位和作用，一般把变电所分为以下三种。

①枢纽变电所。如图1-1中的S1、S2。枢纽变电所通常有两个及以上的电源汇集，进行电能的分配和交换，形成电能的枢纽。这类变电所规模较大，采用三绕组变压器以获得不同级别的电压，送到不同距离的地区。

②区域变电所。如图1-1中的S3。区域变电所的作用是供给一个地区用电，通常也采用三绕组变压器，高压受电，中压转供，低压直配。

③用户变电所。如图1-1中的S4、S5。用户变电所属于电力系统的终端变电所，直接给用户供电，通常采用双绕组变压器。电气化铁道牵引变电所就属于用户变电所。

电力系统运行时应达到以下基本要求。

①保证安全、可靠、连续地对用户进行供电，完成年发电量计划。

②保证电能质量，电压和频率都不能超过规定的范围。

③保证电力系统运行的经济性。在电能生产、输送和分配过程中应尽量做到消耗少、效率高、成本低。

二、供电质量指标

1.电力系统的额定电压

为了便于电器制造业的生产标准化和系列化，国家规定了标准电压等级系列。在设计时，应选择最合适的额定电压等级。所谓额定电压，就是某一用电设备（电动机、电灯等）、发电机和变压器等在正常运行时具有最大经济效益的电压。

中国规定的额定电压，按电压高低和使用范围分为三类。

第一类额定电压是100V及以下的电压等级，主要用于安全照明、蓄电池及开关设备的直流操作电压。直流为6V、12V、24V、48V，交流单相为12V和36V，三相线电压为36V。

第二类额定电压是100～1000V之间的电压等级。这类额定电压应用最广、数量最多，如动力、照明、家用电器和控制设备等。

第三类额定电压是1000V及以上的高电压等级，如表1-1所示，主要用于电力系统中的发电机、变压器、输配电设备和用电设备。

（1）用电设备和线路的额定电压

当电力系统中通过负荷电流时，输电线路和变压器绕组上总存在一定的电压损失，线路从首端至末端的电压损失约为额定电压的5％，变压器绕组上的电压损失也约为额定电压的5％。通常，用电设备的工作电压允许在0.95～1.05倍额定电压范围内变化。

为保证线路末端的用电设备的工作电压在允许范围内波动，就必须提高线路首端的电压，以补偿线路首端的变压器绕组和线路上的电压损失。因此，对于某一电压等级例如110kV的输电线路，其末端的额定电压为110kV，而其首端的额定电压却为121kV，即首端的额定电压比末端的额定电压高10％。将线路首端的额定电压和线路末端的额定电压的平均值，称为线路的平均额定电压，即

式中　Uav——线路的平均额定电压，kV；

UN首——线路首端的额定电压，kV；

UN末——线路末端的额定电压，即线路的额定电压，kV；

UN——线路的额定电压，kV。

因此，用电设备的额定电压就是输电线路的额定电压。输电线路的额定电压实际上是指线路末端的额定电压，而线路首端的额定电压要比线路的额定电压高10％。

（2）发电机的额定电压

由于电力线路允许的电压损耗为±5％，即整个线路允许有10％的电压损耗，因此为了维护线路首端与末端平均电压的额定值，线路首端（电源端）电压应比线路额定电压高5％，而发电机是接在线路首端的，所以规定发电机的额定电压高于同级线路额定电压5％，用以补偿线路上的电压损耗。

（3）变压器的额定电压

当电力变压器的原边绕组直接与发电机相连时（发电厂升压变压器），其原边绕组的额定电压应与发电机额定电压一致，即高于同级线路额定电压5％，如表1-1中变压器原边绕组的额定电压有3kV及3.15kV、6kV及6.3kV、10kV及10.5kV。

当电力变压器的原边绕组直接连在线路上时，变压器接受电能，可视为线路上的用电设备，其额定电压就是输电线路的额定电压。

变压器次边绕组的额定电压是指变压器原边绕组接上额定电压而次边绕组开路时的电压，即空载电压。但变压器在满载运行时，次边绕组内约有5％的阻抗电压降。因此，如果变压器的负载侧供电线路很长（例如较大容量的高压线路），则考虑变压器次边绕组额定电压时，不仅要考虑补偿变压器次边绕组本身5％的阻抗电压降，还要考虑变压器满载时的输出的电压即线路首端应高于线路额定电压的5％的要求，此时变压器次边绕组的额定电压要比线路额定电压高10％；如果变压器负载侧供电线路不长（例如为低压线路或直接供电给高、低压用电设备的线路），则考虑变压器次边绕组的额定电压时，只需考虑补偿变压器内部5％的阻抗电压降即可，此时次边绕组额定电压可只比线路额定电压高5％，如表1-1中变压器次边绕组的额定电压有3.15kV、6.3kV、10.5kV。

2.电能的电压质量指标

（1）电压偏差

电压偏差是指用电设备的实际工作电压与额定电压的差值，通常用百分数表示。

国家标准规定的供电电压允许偏差参见表1-2。

加在用电设备上的电压在数值上偏移额定值后，对于感应电动机，其最大转矩与端电压的平方成正比，当电压降低时，电动机转矩显著减小，以致转差增大，从而使定子、转子电流都显著增大，引起温升增加，绝缘老化加速，甚至烧毁电动机；而且由于转矩减小，转速下降，导致生产效益降低，产量减少，产品质量下降。反之，当电压过高，激磁电流与铁损都大大增加，引起电动机的过热，效率降低。对电热装置，这类设备的功率与电压平方成正比，所以电压过高将损伤设备，电压过低又达不到所需温度。电压偏移对白炽灯影响显著，白炽灯的端电压降低10％，发光效率下降30％以上，灯光明显变暗；端电压升高10％时，发光效率将提高1/3，但使用寿命将只有原来的1/3。

（2）电压波动

电压波动是指急剧的电压变化，通常用电压有效值的最大值与最小值的差值表示，一般写成百分数的形式。

（3）三相电压的不对称性和波形的非正弦性

在电力系统的用电负荷中，有很大一部分是冲击性负荷和整流性负荷以及容量很大的单相负荷（例如轧钢机、电力机车等），它们不但引起电压的偏差和波动，而且造成三相电压不对称和电压波形畸变，直接影响电气设备的正常工作。

3.电能的频率质量指标

国家规定电力系统的额定频率为50Hz，允许偏差不得超过±0.5Hz，容量大于3000MW的用户，允许偏差不得超过±0.2Hz。

频率的变化对电力系统运行的稳定性影响很大。当系统低频率运行时，将会造成汽轮发电机低压级叶片振动加大而产生裂纹，甚至折断；用户的电动机转速将下降，影响企业的产品质量和数量；将引起计算机计算错误和控制混乱。

4.可靠性

供电的可靠性是衡量供电质量的一个重要指标。衡量供配电可靠性的指标，一般以全年平均供电时间占全年时间的百分数来表示。

根据突然中断供电所造成的损失程度分类，负荷可以分为一级负荷、二级负荷、三级负荷。

①一级负荷。是指突然中断供电将会造成人身伤亡或会引起周围环境严重污染的；将会造成经济上的巨大损失的；将会造成社会秩序严重混乱或在政治上产生严重影响的。一级负荷应由两个相互独立的电源供电。如果两个电源不是相互独立而有联系时，应该做到在发生故障时，两个电源的任何部分不会同时受到损坏。或者有些一级负荷允许在很短的时间内能中断供电，能在发生任何一种故障时，有一个电源不中断供电，或由值班人员完成必要的操作，迅速恢复一个电源的供电。

②二级负荷。是指突然中断供电会造成经济上较大损失的；将会造成社会秩序混乱或政治上产生较大影响的。二级供电负荷最好能有两个电源供电。如果供电条件有困难或负荷较小时，可以用一个6kV以及6kV以上的专用线路供电。如果采用电缆供电时，可以另外设一条备用电缆，而且该电缆要经常处于运行状态。

③三级负荷。是指不属于上述一类和二类负荷的其他负荷。三级负荷对供电无特殊要求。

三、电力系统中性点的运行方式

电力系统的中性点是指三相电力系统中作星形连接的变压器或发电机绕组的中性点。电力系统中性点的运行方式主要有中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点直接接地三种。前两种又称为小电流接地系统，后一种又称为大电流接地系统。

如何选择电力系统中性点的运行方式，是一个比较复杂的、综合性的技术经济问题，无论采用哪一种运行方式，都涉及供电可靠性、过电压与绝缘配合、继电保护和自动装置的正确动作、系统的布置、接近故障点时对生命的危险性以及系统的稳定性等一系列问题。

1.中性点不接地

如图1-2所示，在正常运行时，电力系统的中性点与地处于绝缘状态。电力系统的三相导线之间及各相导线与地之间，沿导线全长都存在分布电容。如果三相导线完全对称，则各相导线对地的分布电容是相等的，可用位于线路中央的集中电容C代替，即CU=CV=CW=C；而相间电容较小，不予考虑。

在正常运行时，三个相电压、、对称，电源提供的三相电流、、分别等于各相的负荷电流、、和各相对地的电容电流、、的相量和，如图1-2（b）所示。在三相对称电压作用下，三相对地电容电流大小相等，其数值为

式中　Uφ——电源相电压，V。

三相对地电容电流的相位互差120°，因此三者的相量和为零，即，没有电容电流流入大地。可见，正常运行状态下的中性点不接地三相电力系统的中性点电位为零，三相集中电容的中性点电位也为零。

当任何一相的绝缘受到破坏而接地时，各相的对地电压要发生改变，对地电容电流也将发生变化，中性点的电位不再为零。

如图1-3所示，当W相发生金属性接地时，故障相对地电压为零，即。这时，电源三相电压、、仍然对称，可列出故障相的电压方程式为

则

可见，当W相发生金属性接地时，中性点N的对地电位上升到相电压，并且与接地相的电源相电压相位相反。于是，非故障相U相和V相的对地电压分别为

其相量关系如图1-3（b）所示，和之间的夹角为60°。U、V两相的对地电压升高为线电压，即在对地电容上所加的电压升高为正常运行时的倍，所以对地电容电流也升高为正常运行时的倍，即

由于W相接地，该相对地电容被短接，所以W相的对地电容电流=0。于是在接地点只流过非故障相U相和V相的对地电容电流，并经W相导线返回，其参考方向如图1-3（a）所示。对于接地点有

由图1-3（b）可见，、分别超前、90°，所以和两电流之间的夹角也是60°，将两者相加即得。W相接地电流为电容电流，由相量图可知超前电压90°，其数值为

而　　

所以　　IC=3IUC

由此可知，单相接地时的接地电流等于正常运行时一相对地电容电流的3倍。

若已知每相对地电容C及正常运行时的相对地电压Uφ或电网额定电压U，可得

可见，接地电流IC的大小与电网电压、频率及相对地电容C的大小有关，而电容C的大小则与线路的结构（架空线或电缆）、布置方式、线路长度等因素有关。

接地电流是线路、发电机和配电装置等对地电容电流的总和。在实用中，接地电流也可用下式近似计算。

式中　U——电网的线电压，kV；

l——电压为U的具有电联系的线路长度，km。

尽管在发生金属性单相接地故障后非故障相的对地电压升高为线电压，根据图1-3所示的各相电压回路及相量图，可列出三个线电压为

这说明三个线电压仍保持对称关系，对接在线电压上的电力用户并没有什么影响。这是因为该系统下各种设备的绝缘是按线电压考虑的，所以发生单相接地、相电压升高为线电压时，设备仍然可以继续运行。

在三相电力系统中发生单相非金属性接地（经接地阻抗接地）时，接地相的对地电压将大于零而小于相电压，非接地相对地电压将大于相电压而小于线电压，中性点的对地电压也介于零到相电压之间，三个线电压仍保持不变，接地电流比金属性接地时的电流小。因此，在考虑设备和线路的绝缘水平时，一般都按单相金属性接地处理。

由上述可知，在中性点不接地的三相电力系统中，发生单相金属性接地或单相非金属性接地时，电网的线电压始终保持对称关系不变，所有接在此系统中的线电压上的电力用户均不受某一相接地的影响。因此，发生单相接地时可以继续带着接地点运行。但是不允许长期运行，因为长期运行可能引起非故障相绝缘薄弱的地方损坏而造成相间短路。为此，在这种系统中，一般应装设专门的绝缘监察装置或继电保护装置，当发生单相接地时，发出信号通知工作人员，工作人员得到信号后，应尽快采取措施，找出接地点且在最短时间内将故障消除。规程规定：中性点不接地的三相系统发生单相接地时，继续运行的时间不得超过2h，并要加强监视。

接地电流将在故障点形成电弧，这种电弧可能是稳定的或是间歇性的。有稳定电弧的单相接地是比较危险的，因为电弧可能烧坏设备、引起两相甚至三相短路。尤其是电机或电器内部单相短路（碰壳短路）时出现电弧最危险，所以在接地电流大于5A时，发电机和电动机都应装设动作于跳闸的继电保护装置。

在一定的条件下，单相接地可能出现周期性熄灭和重燃的间歇性电弧。间歇性电弧还会导致相与地之间产生过电压，其值可达2.5～3倍相电压。在接地电流大于10A时，最容易引起间歇性电弧。电网的电压越高，间歇性电弧引起过电压的危险性越大。因此，必须限制接地电流，以防止间歇性电弧过电压的产生，避免事故的进一步扩大。

综上所述，通常只在电压为35～60kV、接地电流IC≤10A，或电压为6～10kV、接地电流IC≤30A的电网中采用中性点不接地运行方式。

2.中性点经消弧线圈接地

在中性点不接地的三相系统中，当单相接地电流超过一定的数值时，接地点的电弧就不能自行熄灭，应设法减小发生单相接地时的接地电流。而单相接地电流为电容电流，如果在接地回路中能有一个电感电流出现，则在同一电压作用下，利用电感电流与电容电流相位相反的特点，可以抵消接地电容电流，熄灭接地点的电弧。因此，在发电机或变压器的中性点常采用经消弧线圈接地的措施。

消弧线圈是一个具有不饱和铁芯的电感线圈。线圈的电阻很小，电抗很大。铁芯和线圈均浸在变压器油中。消弧线圈的外形和单相变压器相似，但其铁芯的结构与一般变压器的铁芯不同，消弧线圈的铁芯柱有很多间隙，间隙中填有绝缘纸板，如图1-4（a）所示。采用带间隙的铁芯，主要是为了避免磁饱和，减少高次谐波分量，这样可以得到一个比较稳定的电抗值，使消弧线圈的电流（补偿电流）与加在它上面的电压成线性关系。

由于三相系统中相对地的电容C随运行方式的变化而改变，接地电容电流也会随系统的运行方式而变化，这要求消弧线圈的电抗值也要能作相应的调整，才能达到调整补偿电流以利于消弧的目的。为此，消弧线圈设有分接头，如图1-4（b）所示。

图1-5为中性点经消弧线圈接地的三相电力系统。在正常运行时，三相系统是对称的，其中性点对地电位为零，即，这时消弧线圈上没有电压作用，也没有电感电流流通。但应注意，由于线路的三相对地电容不平衡，系统中性点的电位实际上并不等于零，其大小与电容不平衡的程度有关。正常情况下中性点的不平衡电压不应超过额定相电压的1.5％。

当W相发生金属性接地时，中性点的电压变为，该电压加在消弧线圈上，就有一电感电流流过消弧线圈。由于和的参考方向相反，且，所以实际电感电流方向上所加的电压为，故滞后于。接地点通过的是单相接地电容电流和消弧线圈电感电流的相量和。由于与相位相反，所以在接地点处二者相互抵消，如图1-5（b）所示。如果适当选择消弧线圈的分接头，可使流过接地点的电流变得很小甚至等于零，这样在接地点就不致产生电弧，消除了由电弧造成的各种危害，起到了消弧的作用。

中性点经消弧线圈接地的三相系统与中性点不接地的三相系统类似，在发生单相金属性因此，这种系统各相对地的绝缘也是按线电压考虑的。接地时，接地相对地电压变为零，非接地相对地电压升高为正常电压的倍，变成线电压。

消弧线圈上的电流IL为

接地电容电流IC为

IC=3ωCUC　　（1-9）

补偿系数K定义为

根据消弧线圈的电感电流对接地电容电流的补偿程度不同，补偿系数K值也不同，相对应有三种补偿方式。

（1）全补偿

K=1，IL=IC，即，通过接地点的电流为零，称为全补偿，此时XL=XC。从消弧的角度看，全补偿方式最好，但实际上并不采用这种补偿方式。因为在正常运行时，由于电网的三相对地电容并不完全相等，即CU≠CV≠CW，以及断路器操作时三相触头不能同时闭合等原因，致使在没有发生单相接地故障的正常状态下，中性点对地电位不为零，该不对称电压将引起由XL=XC构成的串联电路的串联谐振过电压，危及电网的绝缘。

（2）欠补偿

K>1，IL<IC，即，接地点还有未得到补偿的电容电流，称为欠补偿，此时XL>XC。欠补偿方式在系统中一般也较少采用。这是因为在欠补偿的情况下，如果切除部分线路（对地电容减小），或系统频率降低（致使增大，而3ωC减小），或者线路发生一相断线（若送电端一相断线，则该相电容为零）等，均可能使XL=XC而变成全补偿方式，出现串联谐振过电压。但必须指出，为防止发电机传递过电压，发电机必须采用欠补偿方式。

（3）过补偿

K<1，IL>IC，即，接地点的电容电流被电感电流全部抵消后，在接地点还有多余的电感电流，称为过补偿，此时XL<XC。过补偿方式可避免上述谐振过电压的危险，得到了广泛应用。因为IL>IC，消弧线圈还留有一定的裕度，即便将来系统发展了，对地电容增加，原来的消弧线圈还可使用。但必须指出，在过补偿方式下，接地点流过的电感电流不能超过规定值，否则故障点的电弧便不能可靠地自行熄灭。

中性点经消弧线圈接地的三相系统发生单相接地时，可使接地点的电流减小，这也就减小了单相接地时产生的电弧以及由它发展为多相短路的可能性。尤其在瞬时性接地时，电弧可以很快熄灭，故障线路可不切除。运行经验表明，中性点经消弧线圈接地的三相系统在发生单相接地时，可继续运行一段时间，一般为2h。

由于消弧线圈能有效地减小单相接地电流，迅速熄灭故障点的电弧，防止间歇性电弧过电压，所以在35kV、60kV及部分110kV（雷害特别严重情况）系统中常采用中性点经消弧线圈接地的过补偿方式。

3.中性点直接接地

随着电力系统的发展，输电电压不断提高，高压和超高压电网已被采用，中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式不能满足电力系统正常、安全、经济运行的要求。因为对于中性点不接地或经消弧线圈接地的三相系统，当发生单相金属性接地故障时，除故障相电压变为零、中性点对地电压升高为相电压外，非故障相电压将升高到3倍而变成线电压，这就要求系统中的相绝缘必须按线电压考虑。这样，随着电网电压的提高，电网的绝缘水平也要提高。例如，电网电压为500kV，则电网的相绝缘水平不能按289kV而要按500kV考虑；若电网电压为750kV，则电网的相绝缘水平不能按433kV而要按750kV考虑。显然，这样会大大增加电气设备和线路的造价。为此，在高压和超高压系统中通常采用中性点直接接地的运行方式，如图1-6所示。

在正常运行时，由于三相系统对称，中性点对地电位为零，即，中性点无电流通过。当W相发生金属性接地时，，而中性点的电位受其接地体固定仍为零，即，接地相经大地、中性点接地构成了单相接地短路。由于单相接地短路电流很大，这样断路器就会跳闸，将接地的故障线路切除，以保证系统中非故障部分的正常运行。显然，发生单相接地短路时，各相的电压不再对称，而非故障相U、V两相的对地电压仍为相电压，即、。这样，各相对地的绝缘水平就可以按相电压考虑。对线路绝缘水平的要求降低，将大大降低电网的造价，系统的电压等级越高，其经济效益越显著。

为了提高中性点直接接地系统的供电可靠性，可在线路上加装自动重合闸装置。当线路发生单相接地故障时，断路器跳闸切除故障后，经过一定时间，在自动重合闸装置的作用下断路器自动重合。如果所发生的是瞬时性接地故障，重合闸大都能够成功。这个过程是在很短的时间内完成的，对用户没有多少影响，便可恢复供电。如果发生的是永久接地故障，则继电保护再次将断路器断开，中断对用户的供电。对极重要的用户，为保证不中断供电，应另外安装备用电源。

运行中为了限制单相接地短路电流，并不将系统中所有的中性点接地，而是由系统调度确定中性点接地的数量，每个电源通常有一个或几个中性点接地。

由于单相接地短路电流很大，会引起电压降低而影响系统的稳定。从提高电力系统稳定性考虑，也可以在线路的升压和降压变压器中性点经一个小阻抗（小电阻或小电抗）接地，如图1-7所示。

这一措施在发生对称三相短路时虽然不起作用，但在发生接地短路（如两相接地短路或单相接地短路）时，短路电流的零序分量将流过变压器中性点，在小电阻上产生有功功率损耗。故障发生在送电端时，这一损耗主要由送电端发电机供给；故障发生在受电端时，则主要由受电端系统供给。所以，在送电端发生接地故障时，由于送电端发电机的输入功率大于输出功率，发电机受到加速作用，稳定性受到破坏，而小电阻上消耗的有功功率，减小了发电机输入、输出功率之间的差额，减缓了发电机受到的加速作用，提高了系统的稳定性。

必须注意，当受电端系统容量不大时，输电线路靠近受电端发生接地故障，降压变压器中性点若是采用小电阻接地，就会消耗掉受电端发电机发出的大量功率，使受电端频率下降，这样会降低系统的稳定性。所以通常都认为电力系统中远区发电厂的升压变压器的中性点是用小电阻接地，而受电端降压变压器的中性点是用小电抗接地。变压器中性点经小电抗接地的作用与经小电阻接地不同，它只是起限制接地短路电流的作用，从而提高了系统的稳定性。

变压器中性点所接的小电阻或小电抗是用来提高系统稳定性的，是以变压器的额定参数为基准的，一般为百分之几到百分之十几，并不改变电力系统中性点运行方式的性质。

目前，中国大部分的110kV电力系统以及220kV、330kV、500kV电力系统，都采用中性点直接接地的运行方式。