电力系统基础1.3.1 电力系统的基本概念首先各种形式的电厂将不同形式的一次能源转化成电能，电能的传输方式分为直流传输和交流传输两种形式。
直流输电是将发电厂发出的交流电用整流器变换成直流，经直流输电线路送至接收端，再经逆变器变换成三相交流电后送到用户。
在直流输电线路中“极”的定义相当于三相交流线路中的“相”。
但从电力传输的技术要求来看，交流输电线路必须变成三相才便于运行；而直流输电线路中的极(正极或负极)却能独立工作，任何一极加上回流电路就能独立输送电力。
直流输电线路造价低于交流输电线路但换流站造价却比交流变电站高得多，其输送的电压等级还要受到电子器件耐压性能的限制。
交流输电是将发电厂发出的交流电经升压变压器，再经三相输电线路到降压变压器，然后送到用户。
本书主要以介绍交流输电为主。
电能输送到用户须经过供配电网络，供配电网络由变压器和输电线路组成，起着分配输送电能的作用。
如图 1.4 所示，由发电厂、变电所、输配电线路和用户组成的整体称为电力系统。
图 1.4 电力系统示意图1) 组成电力系统的必要性(1) 为用户提供可靠性更高的电能。
如局部系统某发电厂发生故障时，可以切除故障部分，保证其他部分正常运行，实现不间断地对用户供电。
(2) 各发电厂相互支援、互为备用。
由于各发电厂通过电力网相互联系，在某个发电厂出现故障或正常检修时，可以由其他发电厂增大发电量继续向该电力网供电。
(3) 可以更充分利用一次能源，降低电能成本。
如洪水季节就应该充分利用水力发电厂发电，以尽量减少火力发电厂的发电，节约燃料。
2)电能的特点(1) 电能不能大量存储。
电能的生产、输送、分配和消费实际上是同时进行的，在电力系统中，任何时刻各发电厂发出的功率，必须等于该时刻各用电设备所需的功率与输送、分配各环节中损耗功率之和，因而对电能生产的协调和管理提出更高要求。
(2) 电磁过程的快速性。
电力系统中任何一个地方的运行状态的改变或故障，都会很快影响整个系统的运行，仅依靠手动操作是无法保证电力系统的正常和稳定运行，所以电力系统的运行必须依靠信息就地处理的继电保护和自动装置，以及信息全局处理的调度自动化系统。
(3) 与国民经济的各部门、人民的日常生活等有着极其密切的关系。
供电的突然中断第 1 章绪论·7··7·会给交通运输业、公共事业带来严重的后果。
3) 用户对用电的要求(1) 保证供电的可靠性。
电力系统的突然停电会给工农业生产造成很大损失，给人们的日常生活带来极大不便，甚至会造成社会秩序混乱。
(2) 保证电能的良好质量。
主要是保证电能技术指标的偏差在一定的范围。
(3) 保证电能的经济性。
电能的经济性主要体现在发电成本(燃料消耗)和网络的电能损耗上。
为了保证电能的经济性，要最大限度地降低发电成本和网络的电能损耗。
(4) 保证电能的安全性。
主要包括电力安全生产管理和供配电安全技术。
1.3.2 电力网络的接线方式及电压等级连接在电力系统中的所有用户称为电力负荷。
可分为工业用户、农业用户、公共事业用户和居民生活用户。
根据用户对供电可靠性的要求，可把用户分成 3 类。
一类用户：突然停电会造成人身伤亡、设备损坏，给国民经济造成巨大经济损失或造成重大国际影响的。
二类用户：突然停电会造成工厂大量减产、停工，生产设备局部破坏，局部地区交通阻塞，大部分城市居民的正常生活被破坏。
三类用户：不属于一、二类用户以外的负荷，此类负荷短时停电不会造成很大影响。
电力系统中，发电厂、变电所和电力用户之间的连接方式，是由它们之间的地理位置、负荷大小及用户的重要性决定的。
通常把电力网络的接线方式分成 3 种：放射式接线、树干式接线、环网式接线。
1. 放射式又称辐射式，如图 1.5(a)所示。
每条路线只向一个用户变电所供电，中间不接任何其他用户。
其优点是线路设计和敷设都较简单，便于管理，故障、检修互不影响，当线路发生故障时，负荷将会停电。
此种接线方式供电线路长、投资大，适于负荷性质特殊，对供电可靠性要求不高的用户。
2. 树干式又称干线式，如图 1.5(b)所示。
其特点是多个用户共用一条输电线路，可节约输电线路投资，但由于输电线路分布广，故障率高，一旦输电线路故障或检修，整条输电线路用户都将停电，故可靠性较低，仅适于要求不高的一般用户或农村电网。
3. 环网式又称环式，如图 1.5(c)所示。
环网式又分闭路环和开路环两种，为简化保护，一般采用开路环，其特点是供电可靠性较高，支行比较灵活，当输电线路故障或检修时，可通过倒闸操作，缩小停电范围和时间，但切换操作较麻烦。
此外根据网络情况不同用户的需要又派生出以下几种接线方式。
(1) 单侧供电双回路树干式，又称单侧双 T。
(2) 双侧供电双回路树干式，又称双侧双 T。
(3) 单侧供电环式。
工厂供配电·8··8·(4) 双侧供电环式。
图 1.5 供配电网络接线方式就我国电力系统而言，一般根据电压等级把电力网络分成高压网络、中压网络和低压网络。
通常把 110kV 级以上称为高压，10kV~110kV 级称为中压，10kV 以下级称为低压。
根据经验，110kV 以下的电压级差应超过 3 倍，如 110kV、35kV、l0kV；110kV 以上的电压级差则以两倍左右为宜，如 110kV、220kV、500kV。
因此，除 3kV 只限于工业企业内部采用外，其他各电压的使用范围为：500kV、330kV、220kV 多半用于大电力系统的主干线，110kV 既用于中小电力系统的主干线，也用于大电力系统的二次网络；35kV 既用于大城市或大工业企业内部网络,也广泛用于农村网络；10kV 则是最常用的更低一级配电电压；只有负荷中高压电动机的比重很大时，才考虑以 6kV 配电的方案。
高压网络的主要作用是向高压/中压变电所供电。
在电力系统中，根据负荷密度和地理情况，通常采用单回线路变压器组、双回线路变压器组，以及环入高压网络的变电站进行供电的形式。
其费用与系统可靠性成反比，应根据实际需要选用变压器组接线方式。
中压网络和低压网络一般都是以放射形式运行的，且都有一个电源点。
电力系统的电压等级对系统的运行特性有重大的影响，因此也影响系统的设计。
所选定的电压等级将决定每条馈线的最大长度、最大负荷和接线方式，以及馈线的总条数和每条馈线上的配电所数目。
规划一个电力系统供电方式时，确定网络规划中的电压是网络规划早期必须考虑的主要问题。
当现有网络的电压不能满足负荷密度时，必须考虑一个合适的更高电压。
当选择一个系统的运行电压时，重要的是考虑输电线路走线和变电站的位置及它们的费用。
在许多情况下，由于电力网络发展的历史原因，对于已存在的标准电压，只有一种或两种电压选择是经济的。
如果可能的话，通常更倾向于选择较高的电压；当有必要采用新的标准电压时,应选择比现有电压更高的电压等级。
电力网络输送的电力额定电压、输送容量、输送距离之间的关系如表 1-1 所示。
表 1-1 电力网络输送的电力额定电压、输送容量、输送距离之间的关系额定电压/kV输送容量/MW输送距离/km0.38<0.1<0.630.1~1.01~360.1~1.24~15100.2~2.06~20第 1 章绪论·9··9·(续)额定电压/kV输送容量/MW输送距离/km352~1020~5011010~5050~150220100~500100~300330200~1000200~6005001000~1500150~8501.3.3 电能的质量指标电力是商品，所以应该用一定的技术指标描述其性能的好坏。
在传统的经济体制下，电力是必须保证供给的产品。
随着我国经济体制改革的不断深化，电力是商品的概念已经成为人们的共识。
电力商品有如下特性。
(1) 无形性：电力商品在产生、交换和使用过程中，都无法使人直接以感观的方式获得。
但是这种无形只是感观上的无形。
从物理学角度分析仍然是有形的。
(2) 特殊选择性：电力作为单一商品不存在选择问题，但是，电在市场交易中，电的属性(供电电压、供电时间、供电可靠性)不同，交易价格也不同，这必然给客户带来选择的机会。
(3) 无品牌性：电力作为商品虽然难以形成品牌，但生产电力的企业具有明显的铭牌特性。
(4) 生命无周期性：电力商品没有衰退期，也没有新的“电力商品”来替代旧的“电力商品”。
(5) 易失性：电力商品受到特有的供应、销售方式的限制，在整个过程中无法储存。
多年来，我国电力工业一直处于垄断化经营地位。
电力公司既是生产商又是供应商，其产品质量无论好坏，客户都必须使用，而且电能的质量几乎不成为价格制定的约束条件。
事实上，提高电能质量不仅仅是电力生产商、供应商的责任，而相反它与用户有着密不可分的关系，所以应从电能的生产、输送、分配、使用等各环节中进行分析。
目前，影响用户及其工业过程的稳态电能质量指标主要为：谐波、电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、电压波动闪变。
影响用户及其工业过程的暂态电能质量指标主要为：电压骤升、跌落、供电短时中断。
对稳态电能质量而言，严格的讲，电力生产过程本身几乎不会引起电能质量的“污染”；而电能的传输、分配过程对电能质量的“污染”程度也相对较小；因此，稳态电能质量的污染源主要在用户。
由于输配电系统中的变压器是非线性元件，会产生少量的谐波污染(但在一定状况下，少量的谐波污染将成为系统发生事故的潜在隐患)，而网络结构特性则决定谐波的谐振特性；传输网络中不同的导线材料、线径、输电距离、不同的输电容量会使系统的稳态运行电压在不同程度上有所下降，而系统无功储备的大小则直接影响系统稳态运行电压的调整，同时系统足够的有功储备容量对调节系统起决定性作用，输配电网参数三相是对称的，但由于负荷的布局不合理也将造成系统的运行不对称，从而引起三相不平衡指标的变化。
电能质量是表征电能品质的优劣程度。
通常以供用电双方供电设备产权分界点的电能质量作为评价的依据。
电能质量包括电压质量与频率质量两部分。
电压质量又可分为幅值工厂供配电·10··10·与波形质量两方面。
通常以电压偏差、电压波动与闪变、电压正弦波畸变率、负序电压系数(三相电压不平衡度)、频率偏差等项指标来衡量。
1. 电压偏差电压偏差是指供配电网络中某点的实际电压值与网络额定电压的数值差。
以电压实际值与额定值之差ΔU 或其百分值ΔU%来表示，即ΔU=U －Ue或ΔU%=(U－Ue)/Ue×100%式中 U——检测点上电压实测值(V)；Ue——检测点电网电压的额定值(V)。
供电电压允许偏差见表 1-2。
2. 电压波动和闪变在某一时段内，电压急剧变化而偏离额定值的现象，称为电压波动。
