電力系統(tǒng)根底知識

電力系統(tǒng)根底知識

電力系統(tǒng)，最想解決的是怎樣產(chǎn)生電能，然后再傳遞出去，

解決掉傳輸過程中遇到的問題，再送到用戶這里供用戶使用。

最直觀的分類，就是發(fā)電，輸電，變電，配電和用電這五個

部分。

發(fā)電，簡單說就是其他形式的能量作為發(fā)電機(jī)的原動機(jī),

推動發(fā)電機(jī)發(fā)出電能。常見的如火力，以及各式各樣的新能

源發(fā)電?？梢杂玫降碾姎庵R是：發(fā)電廠電氣部分、電力電

子，電機(jī)學(xué)等，當(dāng)然，勵磁控制這個肯定也會有，只是現(xiàn)在

沒有對勵磁部分專門開的課，如果要了解，只能通過自動控

制理論來理解了。熱動應(yīng)該會有關(guān)于發(fā)電的很多根底課，比

方脫硫，比方冷凝等，這個了解不夠深入，不展開了。

輸電，一直是重點(diǎn)研究的方向，側(cè)重于對輸電網(wǎng)絡(luò)的分

析。如果用一個大黑箱來比喻，可以理解為研究輸入和輸出

的關(guān)系?？梢杂靡粋€中心，兩個基本點(diǎn)來概括。一個中心：

是怎樣盡可能提高電能輸送效率，盡可能降低損耗。兩個基

本點(diǎn)：有功功率，無功功率，也就是潮流。雖然有功功率和

功角強(qiáng)耦合，電壓幅值和無功功率強(qiáng)耦合，但不影響有功和

無功的地位。產(chǎn)生的學(xué)科分類很多，從數(shù)學(xué)角度來抽象，是

矩陣，電網(wǎng)絡(luò)分析，電路等，必備的數(shù)學(xué)根底知識包括高等

數(shù)學(xué)、線性代數(shù)，以及復(fù)變函數(shù)和積分變換；從專業(yè)內(nèi)容來

看，是電力系統(tǒng)分析，包括穩(wěn)態(tài)分析，暫態(tài)分析，電力系統(tǒng)

繼電保護(hù)原理，還有如工程電磁場，自動控制理論等。近些

年，還有針對輸電方式的研究，如高壓直流輸電等，其根源

是電力電子應(yīng)用的放大實(shí)際版，側(cè)重于控制。

變電，感覺知高壓輸電有些重疊。變電其實(shí)就是交流輸

電降低損耗的一種方法，常見于交流電。那么在高電壓對電

網(wǎng)會產(chǎn)生怎樣的影響？如何解決？這樣的問題，就交給高電壓

技術(shù)了，仔細(xì)的學(xué)科分類，已經(jīng)產(chǎn)生了很準(zhǔn)確的答案，不再

贅述。

配電和用電，與輸電類似，只不過對可靠性的要求不如

輸電那么高，簡單來概括，輸電斷一路，容易造成過大的功

率找不到出口，極容易造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定甚至崩潰，是不允

許的！而配電，斷一路最多斷一小片區(qū)域，而且是接近用戶

端，對電網(wǎng)造成的影響相比之下要小得多。配電領(lǐng)域已經(jīng)接

近用戶終端，重點(diǎn)是電能質(zhì)量的提升。隨著智能電網(wǎng)、能源

互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的興起，計(jì)算機(jī)、通信與保護(hù)、暫穩(wěn)態(tài)分析、

電力電子等相關(guān)學(xué)科及分析方法，也會在配電自動化的未來

大展拳腳的。

至于模電和數(shù)電，以及單片機(jī)，感覺動手的意義更大,

就是讓自己真正理解電力電子器件的工作特性以及如何實(shí)

現(xiàn)動作邏輯，個人認(rèn)為可以屬于電力電子實(shí)踐學(xué)科。

計(jì)算機(jī)語言，如C,C++等，是從根本上理解計(jì)算機(jī)的計(jì)

算原理和實(shí)現(xiàn)形式，然后根據(jù)現(xiàn)有的理論知識利用這些工具

完成計(jì)算和仿真。

所以，根本上說，數(shù)學(xué)知識和計(jì)算機(jī)知識，對電力系統(tǒng)

的學(xué)生來說，是必修課，數(shù)學(xué)是用自然語言解釋電力系統(tǒng)存

在的原理，對現(xiàn)實(shí)的電力系統(tǒng)開展抽象，同時也提供了在計(jì)

算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的途徑。

在我的理解，知識體系應(yīng)該是下列圖這樣的，展開大多

比較困難，具體可以后詳解。

一、電力系統(tǒng)的構(gòu)成

一個完整的電力系統(tǒng)由分布各地的各種類型的發(fā)電廠、

升壓和降壓變電所、輸電線路及電力用戶組成，它們分別完

成電能的生產(chǎn)、電壓變換、電能的輸配及使用。

電力系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)：

電能不能大量存儲；各環(huán)節(jié)組成的統(tǒng)一整體不可分割;

過渡過程非常迅速（百分之幾秒到十分之幾秒）；電力系統(tǒng)

的地區(qū)性特點(diǎn)較強(qiáng)；對電能質(zhì)量的要求頗為嚴(yán)格；與國民經(jīng)

濟(jì)各部門和人民生活關(guān)系極其密切。

電力系統(tǒng)的組成示意圖：

電網(wǎng)電壓是有等級的，電網(wǎng)的額定電壓等級是根據(jù)國民

經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要、技術(shù)經(jīng)濟(jì)的合理性以及電氣設(shè)備的制造水

平等因素，經(jīng)全面分析論證，由國家統(tǒng)一制定和公布的。

1.用電設(shè)備

用電設(shè)備的額定電壓和電網(wǎng)的額定電壓一致。實(shí)際上,

由于電網(wǎng)中有電壓損失，致使各點(diǎn)實(shí)際電壓偏離額定值。為

了保證用電設(shè)備的良好運(yùn)行，國家對各級電網(wǎng)電壓的偏差均

有嚴(yán)格規(guī)定。顯然，用電設(shè)備應(yīng)具有比電網(wǎng)電壓允許偏差更

寬的正常工作電壓范圍。

寬的正常工作電壓范圍。

2.發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)的額定電壓一般比同級電網(wǎng)額定電壓高出5%,用

于補(bǔ)償電網(wǎng)上的電壓損失。

3.變壓器

變壓器的額定電壓分為一次和二次繞組。對于一次繞組,

當(dāng)變壓器接于電網(wǎng)末端時，性質(zhì)上等同于電網(wǎng)上的一個負(fù)荷

（如工廠降壓變壓器），故其額定電壓與電網(wǎng)一致，當(dāng)變壓器

接于發(fā)電機(jī)引出端時（如發(fā)電廠升壓變壓器），則其額定電壓

應(yīng)與發(fā)電機(jī)額定電壓一樣。對于二次繞組，額定電壓是指空

載電壓，考慮到變壓器承載時自身電壓損失（按5%計(jì)），變壓

器二次繞組額定電壓應(yīng)比電網(wǎng)額定電壓高5%,當(dāng)二次側(cè)輸電

距離較長時，還應(yīng)考慮到線路電壓損失（按5%計(jì)），此時，二

次繞組額定電壓應(yīng)比電網(wǎng)額定電壓高10%0

三、電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)運(yùn)行方式

在電力系統(tǒng)中，當(dāng)變壓器或發(fā)電機(jī)的三相繞組為星形聯(lián)

結(jié)時，其中性點(diǎn)可有兩種運(yùn)行方式：中性點(diǎn)接地和中性點(diǎn)部

接地。中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)稱為大電流接地系統(tǒng)，中性點(diǎn)不

接地和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈（或電阻）接地的系統(tǒng)稱為小電流

接地系統(tǒng)。中性點(diǎn)的運(yùn)行方式主要取決于單相接地時電氣設(shè)

備絕緣要求及供電可靠性。圖1—2列出了常用的中性點(diǎn)運(yùn)

行方式。圖中，電容C為輸電線路對地分布電容。

中性點(diǎn)直接接地方式：當(dāng)發(fā)生一相對地絕緣破壞時，即

構(gòu)成單相短路，供電中斷，可靠性降低。但是，該方式下非

故障相對地電壓不變，電氣設(shè)備絕緣水平可按相電壓考慮。

此外，在380/220V低壓供電系統(tǒng)中，線對地電壓為相電壓，

可接入單相負(fù)荷。

中性點(diǎn)不接地方式：當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，線電壓不

變，而非故障相對地電壓升高到原來相電壓的J3倍，供電

不中斷，可靠性高。

四、供電質(zhì)量的主要指標(biāo)

決定用戶供電質(zhì)量的指標(biāo)為電壓、頻率和可靠性。

1.電壓

理想的供電電壓應(yīng)該是幅值恒為額定值的三相對稱正

弦電壓。由于供電系統(tǒng)存在阻抗、用電負(fù)荷的變化和用電負(fù)

荷的性質(zhì)等因素，實(shí)際供電電壓無論是在幅值上、波形上還

是三相對稱性上都與理想電壓之間存在著偏差。

（1）電壓偏差：電壓偏差是指電網(wǎng)實(shí)際電壓與額定電

壓之差，實(shí)際電壓偏高或偏低對用電設(shè)備的良好運(yùn)行都有影

響。

（2）電壓波動和閃變：電網(wǎng)電壓的均方根值隨時間的

變化稱為電壓波動，由電壓波動引起的燈光閃爍對人眼腦的

刺激效應(yīng)稱為電壓閃變。當(dāng)電弧爐等大容量沖擊性負(fù)荷運(yùn)行

時，劇烈變化的負(fù)荷電流將引起線路壓降的變化，從而導(dǎo)致

電網(wǎng)發(fā)生電壓波動。

（3）高次諧波：當(dāng)電網(wǎng)電壓波形發(fā)生非正弦畸變時，

電壓中出現(xiàn)高次諧波。高次諧波的產(chǎn)生，除電力系統(tǒng)自身背

景諧波外，在用戶方面主要由大功率變流設(shè)備、電弧爐等非

線性用電設(shè)備所引起。高次諧波的存在降導(dǎo)致供電系統(tǒng)能耗

增大、電氣設(shè)備絕緣老化加快，并且干擾自動化裝置和通信

設(shè)施的正常工作。

（4）三相不對稱：三相電壓不對稱指三個相電壓的幅

值和相位關(guān)系上存在偏差。三相不對稱主要由系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

不對稱、三相用電負(fù)荷不對稱等因素引起。供電系統(tǒng)的不對

稱運(yùn)行，對用電設(shè)備及供配電系統(tǒng)都有危害，低壓系統(tǒng)的不

對稱運(yùn)行還會導(dǎo)致中性點(diǎn)偏移，從而危及人身和設(shè)備安全。

2.頻率

我國規(guī)定的電力系統(tǒng)標(biāo)稱頻率（俗稱工頻）為50Hz,國

際上標(biāo)稱頻率有50Hz和60Hz兩種。由電力系統(tǒng)供電的交流

用電設(shè)備的工作頻率應(yīng)與電力系統(tǒng)頻率相一致。為了到達(dá)某

種特殊目的，有的用電設(shè)備需在其它頻率下工作，則可配以

專用變頻電源供電，如高頻加熱、電動機(jī)變頻調(diào)速等。

當(dāng)電能供需不平衡時，系統(tǒng)頻率會偏離其標(biāo)稱值。頻率

偏差不僅影響用電設(shè)備的工作狀態(tài)、產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，更

重要的影響到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

用戶供電系統(tǒng)的電壓頻率是由電力系統(tǒng)保證的。我國國

標(biāo)規(guī)定，電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為±0.2Hz,當(dāng)系統(tǒng)

容量較小時，偏差值可以放到±0.5Hz。

3.可靠性

可靠性即根據(jù)用電負(fù)荷的性質(zhì)和突然中斷其供電在政

治或經(jīng)濟(jì)上造成損失和影響的程度，對用電設(shè)備提出的不允

許中斷供電的要求。（http：/〃版權(quán)所有）按照供電可靠性

要求，用電負(fù)荷分為以下三級:

（1）一級負(fù)荷：突然停電將造成人身傷亡，或在經(jīng)濟(jì)

上造成重大損失，或在政治上造成重大不良影響者。如重要

交通和通信樞紐用電負(fù)荷、重點(diǎn)企業(yè)中的重大設(shè)備和連續(xù)生

產(chǎn)線、政治和外事活動中心等。

（2）二級負(fù)荷：突然停電將在經(jīng)濟(jì)上造成較大損失，

或在政治上造成不良影響者。如突然停電將造成主要設(shè)備損

壞或大量產(chǎn)品報(bào)廢或大量減產(chǎn)的工廠用電負(fù)荷，交通和通信

樞紐用電負(fù)荷，大量人員集中的公共場所等。

（3）三級負(fù)荷：不屬于一級和二級負(fù)荷者。

五、電氣主接線方式

主接線圖（亦稱原理接線圖）表示電能由電源分配給用

戶的主要電路，圖中表示出所有的電氣設(shè)備及其聯(lián)接關(guān)系。

1、母線制

常用的母線制主要有三種：單母線制、單母線分段制和

雙母線制，工廠供電系統(tǒng)一般不采用雙母線制。

1）單母線

單母線制如下列圖所示，一般用于只有一回進(jìn)線的情況。

2）單母線分段制

六、電力系統(tǒng)的穩(wěn)定

（1）電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小干擾后

不發(fā)生非周期性失步，自動恢復(fù)到起始運(yùn)行狀態(tài)。

（2）電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定是指系統(tǒng)在某種運(yùn)行方式下

突然受到大的擾動后，經(jīng)過一個機(jī)電暫態(tài)過程到達(dá)新的穩(wěn)定

運(yùn)行狀態(tài)或回到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到干擾后不

發(fā)生振幅不斷增大的振蕩而失步。主要有：電力系統(tǒng)的低頻

振蕩、機(jī)電耦合的次同步振蕩、同步電機(jī)的自激等。

（4）電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)維持負(fù)荷電壓

于某一規(guī)定的運(yùn)行極限之內(nèi)的能力。它與電力系統(tǒng)中的電源

配置、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造及運(yùn)行方式、負(fù)荷特性等因素有關(guān)。當(dāng)發(fā)生

電壓不穩(wěn)定時，將導(dǎo)致電壓崩潰，造成大面積停電。

（5）頻率穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)維持系統(tǒng)頻率與某一規(guī)定

的運(yùn)行極限內(nèi)的能力。當(dāng)頻率低于某一臨界頻率，電源與負(fù)

荷的平衡將遭到徹底破壞，一些機(jī)組相繼退出運(yùn)行，造成大

面積停電，也就是頻率崩潰。

七、電力系統(tǒng)的負(fù)荷

電力系統(tǒng)的負(fù)荷大致分為：同步電動機(jī)負(fù)荷；異步電動

機(jī)負(fù)荷；電爐、電熱負(fù)荷；整流負(fù)荷；照明用電負(fù)荷；網(wǎng)絡(luò)

損耗負(fù)荷等類型。

1）有功負(fù)荷的頻率特性：

同（異）步電動機(jī)的有功負(fù)荷：與頻率變化的關(guān)系比較

復(fù)雜，與其所驅(qū)動的設(shè)備有關(guān)。

當(dāng)所驅(qū)動的設(shè)備是：球磨機(jī)、切削機(jī)床、往復(fù)式水泵、

壓縮機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等設(shè)備時，與頻率的一次方成正比。

當(dāng)所驅(qū)動的設(shè)備是：通風(fēng)機(jī)、靜水頭阻力不大的循環(huán)水

泵等設(shè)備時，與頻率的三次方成正比。

當(dāng)所驅(qū)動的設(shè)備是：靜水頭阻力很大的給水泵等設(shè)備時,

與頻率的高次方成正比。

電爐、電熱；整流；照明用電設(shè)備的有功負(fù)荷：與頻率

變化基本上無關(guān)。

網(wǎng)絡(luò)損耗的有功負(fù)荷：與頻率的平方成正比。

2）有功負(fù)荷的電壓特性：

同（異）步電動機(jī)的有功負(fù)荷：與電壓基本上無關(guān)（異

步電動機(jī)滑差變化很?。?/p>

電爐、電熱；整流；照明用電設(shè)備的有功負(fù)荷：與電壓

的平方成正比（其中：照明用電負(fù)荷與電壓的1.6次方成正

比，為簡化計(jì)算，近似為平方關(guān)系）。

網(wǎng)絡(luò)損耗的有功負(fù)荷：與電壓的平方成反比（其中：變

壓器的鐵損與電壓的平方成正比，因所占比例很小，可忽略）。

3）無功負(fù)荷的電壓特性：

異步電動機(jī)和變壓器是系統(tǒng)中無功功率主要消耗者，決

定著系統(tǒng)的無功負(fù)荷的電壓特性。其無功損耗分為兩部分：

勵磁無功功率與漏抗中消耗的無功功率。勵磁無功功率隨著

電壓的降低而減小，漏抗中的無功損耗與電壓的平方成反比,

隨著電壓的降低而增加。

輸電線路中的無功損耗與電壓的平方成反比，而充電功

率卻與電壓的平方成正比。

照明、電阻、電爐等因?yàn)椴幌臒o功，所以沒有無功負(fù)

荷電壓靜態(tài)特性。

八、相關(guān)根底知識

潮流與短路

電力系統(tǒng)的根底部分。涉及到很多基本知識，對有功、

無功、電壓、頻率等基本參數(shù)的認(rèn)識，潮流計(jì)算、短路計(jì)算

的原理，短路電流的影