第1章電力系統(tǒng)概述《電力系統(tǒng)分析》1.1我國電力工業(yè)的發(fā)展2從摩擦起電到現(xiàn)代電力系統(tǒng)的演進中國電力工業(yè)走過的140多年的光輝歷程31.1.1從摩擦起電到現(xiàn)代電力系統(tǒng)的演進公元前6世紀古希臘哲學家泰勒斯發(fā)現(xiàn)了摩擦生電現(xiàn)象。法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應定律，并發(fā)明了世界上第一臺發(fā)電機，實現(xiàn)了由磁到電的重大飛躍。1831年1832年法國人皮克西制造出世界第一臺手搖式直流發(fā)電機。愛迪生在紐約建立了第一個完整的直流電力系統(tǒng)。1879年1882年英國商人在上海創(chuàng)辦了中國第一家公用電業(yè)公司——上海電氣公司。1891年德國建立了第一個三相交流系統(tǒng)，輸電容量距離迅速擴大。畢曉甫在上海利用一臺7.46kW的柴油發(fā)電機開啟了我國的用電時代。1879年41.1.2中國電力工業(yè)走過的140多年的光輝歷程4

1882年上海電氣公司開業(yè)，隨著1890年八國聯(lián)軍的入侵，相繼開辦了一些以解決照明為主的公用電業(yè)。同年華裔商人成立廣州電燈公司，開始了民族資本創(chuàng)辦電力的歷史。1904年比利時商人與北洋軍閥在天津簽約成立了電車電燈公司，并于1906年開始了中國交流電的歷史。1911年，全國發(fā)電裝機容量才有2.7萬kW，有電的地方僅是上海、廣州、北京、香港等中心城市和租界內，中國電力工業(yè)處于剛剛起步的幼芽狀態(tài)。1936年底，全國發(fā)電裝機容量達到136.59萬kW(不含臺灣)，當時最大的電力公司上海電力公司，裝機容量16.1萬kW。1924年江蘇建成了第一條33kV輸電線路。1937年到1945年抗戰(zhàn)期間，中國電力工業(yè)遭受了極大破壞。全國電力裝機容量只增加9萬kW。這期間，國民政府主要在四川、云南、貴州、陜西、甘肅等后方地區(qū)共籌建了27個小電廠，總裝機容量只有2.84萬kW。日本人基本控制了東北與華北的電力。1935年東北出現(xiàn)154kV輸變線路，輸電配電網絡也相應得到發(fā)展1946年到1949年，中國電力工業(yè)基本處于停滯狀態(tài)，僅在1947年在楊樹浦電廠建成了1臺180t/h高溫高壓鍋爐和一臺1.765萬kW的汽輪發(fā)電機組，這是中國第一臺高參數(shù)火電機組。1.1.2中國電力工業(yè)走過的140多年的光輝歷程5新中國成立前夕，全國裝機容量只有185萬kW、發(fā)電量43億kWh，人均年用電量只有9kWh，發(fā)電量容量和發(fā)電量分別居世界第21位和第25位。中國當時的電力工業(yè)處于落后地位。1949~1978年，全國發(fā)電裝機容量達到5712萬kW，發(fā)電量達到2566億kWh，分別比1949年增長了29.9倍和58.7倍，裝機容量的發(fā)電量分別躍居世界第8位和第7位。電網也初具規(guī)模，建成330kV和220kV輸電線路533km和22672km，變電設備49萬kVA和2479萬kVA。1987年，中國發(fā)電裝機容量實現(xiàn)了歷史性的突破，達到了1億kW。1995年后又僅用5年的時間，全國發(fā)電裝機量又跨上3億kW的臺階。這期間，我國發(fā)電裝機容量和發(fā)電量先后躍過法國、英國、加拿大、德國、俄羅斯和日本等發(fā)達國家和經濟大國，于1996年底躍居世界第2位，僅次于美國。

此后，電力工業(yè)連續(xù)每年新投產發(fā)電機組都超過1000萬kW，從1987年僅用7年時間，全國發(fā)電裝機容量翻了一番，跨上2億kW的臺階。隨著三峽工程正式開工，與之配套的三峽輸變電工程也于1997年1月正式開工，其建設將確保三峽的電力輸送到華中、華東、廣東及重慶等地區(qū)，同時也將促進中國逐步形成以三峽電站為中心的全國聯(lián)網。61.1.2中國電力工業(yè)走過的140多年的光輝歷程時間工程名稱特點與意義2009年三峽電站建成，全容量并網總功率18200MW，采用交流+直流混合遠距離輸電2009年1月晉東南–荊門1000kV特高壓交流工程世界最高電壓等級，技術先進，輸送能力強2010年7月向家壩–上海±800kV特高壓直流工程高電壓遠距離輸電典范，服務華東負荷中心2019年9月昌吉–古泉±1100kV特高壓直流工程輸電距離3000km，容量1400萬kW，解決能源逆分布

十年間是我國電力工業(yè)發(fā)展最快、規(guī)模最大、提升最顯著的時期；

解決了能源逆分布問題；

支撐了國家經濟與社會持續(xù)發(fā)展。1.1.2中國電力工業(yè)走過的140多年的光輝歷程跨區(qū)輸電與電網結構持續(xù)優(yōu)化清潔能源裝機全球領先電源結構持續(xù)調整，非化石能源快速增長跨區(qū)跨省輸電通道加快建設，區(qū)域電網主網架日益完善；華北、華東特高壓主網架基本形成，華中、東北、西北持續(xù)優(yōu)化；西南川渝形成獨立同步電網，南方電網的云南電網與主網異步聯(lián)網?！笆濉逼陂g發(fā)電裝機年均增長7.6%，其中非化石能源年均增長13.1%；非化石能源占比從34.8%（2015年）提升至44.8%（2020年）；煤電占比從59.0%下降至49.1%，傳統(tǒng)能源比重持續(xù)降低?；痣娧b機比重較2011年下降15.7個百分點風電、太陽能裝機比重上升近20個百分點水電、風電、光伏、在建核電裝機等多項指標穩(wěn)居世界第一71.1.2中國電力工業(yè)走過的140多年的光輝歷程面對全球氣候變化挑戰(zhàn)，提出構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)明確“雙碳”背景下我國能源電力轉型的戰(zhàn)略路徑和目標“十四五”明確能源轉型方向風電光伏發(fā)展迅猛截至2022年底，全國風電和光伏裝機突破7億千瓦風電、光伏裝機規(guī)模均居世界首位，成為全球綠色能源發(fā)展典范風電光伏發(fā)展迅猛81.2我國電力工業(yè)最新技術9特高壓技術儲能技術101.2.1特高壓技術1.能源資源與需求逆向分布煤炭76%分布在北部、西北部風能80%、太陽能90%分布在西部、北部水能80%分布在西南部電力消費卻有70%以上集中在東中部，區(qū)域供需矛盾突出2.特高壓促進清潔能源大規(guī)模開發(fā)與利用建設特高壓有助于開發(fā)西部大型煤電、水電、風電、光伏基地緩解“棄風、棄光、棄水”等清潔能源消納問題通過特高壓輸電，落地電價比當?shù)鼗痣姷?～8分/千瓦時3.特高壓電網包括1000kV及以上交流系統(tǒng)和±800kV及以上直流系統(tǒng)。4.輸電能力大幅提升一回±800kV特高壓直流線路可送電600萬千瓦是現(xiàn)有500kV線路的5~6倍輸送能力、2~3倍輸電距離提高輸電效率，增強遠距離輸電能力5.節(jié)省土地、優(yōu)化能源配置同功率輸電條件下，特高壓線路比500kV高壓線路節(jié)省約60%土地資源受端、送端省份雙贏，實現(xiàn)全國范圍內能源資源的優(yōu)化配置111.2.1特高壓技術

分類線路輸送電壓線路長度投運時間在運交流晉東南-南陽-荊門1000kV6542009淮南-南京-上海1000kV7602016浙北-福州1000kV2*6032014錫盟-山東1000kV7302016蒙西-天津南1000kV2*6082016淮南-浙北-上海1000kV2*6492013錫盟-勝利1000kV2*2402017榆橫-濰坊1000kV2*10502017山東-河北環(huán)網1000kV8162020蘇通GIL綜合管廊1000kV342019北京西-石家莊1000kV2*2212019蒙西-晉中1000kV2*3082020直流云南-廣東（南網）±800kV13732010向家壩-上海±800kV19072010錦屏-蘇南±800kV20592012糯扎渡-廣東（南網）±800kV14132015哈密南-鄭州±800kV21922014溪洛渡-金華±800kV16532014寧東/靈州-浙江/紹興±800kV17202016滇西北-廣東（南網）±800kV19532018酒泉-湖南±800kV23832017晉北/山西-江蘇/南京±800kV11192017錫盟-泰州/江蘇±800kV16202017上海廟-山東±800kV12302019扎魯特-青州±800kV12342017昌吉-古泉±1100kV32932019烏東德±800kV14522020青海-河南±800kV15632020表1-1我國特高壓項目在運及在建情況（截止到2020年）111.2.1特高壓技術首條特高壓交流工程投運（2009年）2009年1月6日，晉東南—南陽—荊門1000kV特高壓交流工程正式運行；系全球首條商業(yè)化特高壓交流輸電工程，實現(xiàn)華北與華中特高壓互聯(lián)；標志著我國在特高壓核心技術與設備國產化方面取得重大突破，對能源優(yōu)化配置與電力安全保障意義重大。首條±800kV特高壓直流工程建成（2010年）2010年7月8日，國家電網首個特高壓直流工程向家壩—上?！?00kV工程投入運行；實現(xiàn)清潔能源遠距離輸送至華東負荷中心。世界電壓等級最高的直流工程投產（2019年）2019年9月26日，昌吉—古泉±1100kV特高壓直流工程建成投產；將新疆3000公里外的電能高效輸送至安徽，輸送容量達1400萬千瓦。特高壓助力“雙碳”目標（2020年政策支持）2020年，《2030年前碳達峰行動方案》提出：新建特高壓通道可再生能源電量比例原則上不低于50%；明確“十四五”特高壓線路將成為支撐新能源大規(guī)模外送與消納的主力通道，為“雙碳”目標提供保障。中國在特高壓領域實現(xiàn)全球引領我國率先實現(xiàn)從理論研究到工程實踐的全面突破，完成自主研發(fā)、設計與建設；建立全球首個全套特高壓技術標準體系，中國特高壓交流標準被推薦為國際標準電壓；特高壓工程成為我國電力技術走向世界的重要標志和支撐基礎。12131.2.1我國特高壓技術的創(chuàng)新能力（1）試驗能力建立了四大試驗基地（北京昌平、武漢、霸州、羊八井）和兩個中心，構成完善的特高壓試驗研究體系，承擔科學研究、設備試驗等任務。

（2）電壓控制實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)電壓控制，創(chuàng)新無功電壓控制方法及過電壓抑制技術，過電壓限制在1.5倍以內，快速重合閘時間達0.7秒。（3）外絕緣配置掌握外絕緣非線性放電特性，建立數(shù)學模型，提出高效絕緣配合方案，實現(xiàn)鐵塔重量減64%、造價降60%。（4）電磁環(huán)境控制系統(tǒng)分析電場分布，優(yōu)化導線布置、電暈與噪聲控制，解決變電站和換流站可聽噪聲問題。（5）設備研制攻克特高壓設備多物理場協(xié)同難題，研發(fā)關鍵設備如高效滅弧室、有機絕緣材料，實現(xiàn)交直流輸電設備全套自主化。（6）系統(tǒng)集成提出整套工程設計與施工方法，完成特高壓交流、直流輸電的系統(tǒng)集成與標準體系建設，實現(xiàn)關鍵參數(shù)與成套方案自主化。141.2.1超高壓遠距離直流輸電2、特超高壓遠距離直流輸電

直流輸電起源于十九世紀八十年代

最初采用直流發(fā)電機，構建了第一條電壓為1.5kV的直流輸電線路。早期直流輸電存在技術瓶頸存在電壓難以變換、功率提升受限、換向困難、可用率低等問題。交流輸電迅速發(fā)展并取代直流隨著交流技術出現(xiàn)，特別是三相交流系統(tǒng)建立及高壓設備制造進步，交流輸電因其優(yōu)勢成為主流。交流輸電面臨遠距離輸電挑戰(zhàn)輸送容量增大、線路加長、電網復雜化帶來穩(wěn)定性、短路電流控制和調壓等難題，尤其在遠距離輸電中投資成本高。直流輸電技術重新受到重視隨著交直流換流技術進步，高壓直流輸電在提高穩(wěn)定性與輸電能力方面展現(xiàn)優(yōu)勢，重新成為研究與應用重點。151.2.1超高壓遠距離直流輸電汞弧閥技術開啟直流輸電應用（1950年代）20世紀50年代，汞弧閥成功用于高壓直流輸電；瑞典建成首條100kV、20MW、96km的直流輸電線路；但換流站成本高，限制了其推廣。晶閘管的發(fā)明與應用（1956–1970年代）1956年美國貝爾實驗室發(fā)明晶閘管，1957年實現(xiàn)商品化；1972年，加拿大建成全球首個采用晶閘管的“背靠背”HVDC系統(tǒng)；隨著電壓和容量提升，HVDC廣泛應用于遠距離大容量輸電。VSC-HVDC技術提出（1990年）加拿大McGill大學提出電壓源換流器（VSC-HVDC）概念；1997年，ABB公司在赫爾斯揚建成首個商業(yè)化運行項目。IGBT與控制技術推動技術突破IGBT器件的發(fā)展、PWM與多電平控制技術成熟；使得VSC-HVDC在調控性能和適應性上快速提升。未來發(fā)展趨勢隨著電力電子與半導體技術不斷進步；HVDC尤其是VSC技術將在遠距離、大容量輸電中發(fā)揮更大作用。161.2.1超高壓遠距離直流輸電國際直流輸電已廣泛應用：全球已有20多個國家和地區(qū)建成直流輸電工程。我國早期直流輸電起步（1970年代起）1970年代建成舟山群島±100kV跨海直流輸電工程，容量50MW1983年建設±500kV葛洲壩—上海工程，容量1200MW，主要設備依賴進口、成本高直流輸電一度受設備國產化制約由于核心設備不能國產，曾限制我國直流輸電進一步發(fā)展三峽工程和“西電東送”推動新一輪發(fā)展1990年代中期以來，陸續(xù)建設天生橋—廣州、三峽—常州、貴州—廣東等多項工程2014年建成哈密南—鄭州±800kV特高壓直流工程，全長2210km，輸送新疆清潔能源并入大電網未來發(fā)展?jié)摿薮箅S著設備國產化加快及“西電東送”戰(zhàn)略推進預計2020年前將有10多個大型直流輸電工程投建，遠距離輸電中直流比例將持續(xù)上升171.2.2儲能技術新型電力系統(tǒng)在“雙碳”背景下應運而生，目標是構建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。領域變化趨勢關鍵詞電源側新能源占主導→波動性大高不確定性、清潔能源負荷側需求響應增強→用能行為多樣化強隨機性、主動參與源荷關系單向變雙向→實時互動動態(tài)平衡、雙向調節(jié)系統(tǒng)需求靈活性資源成為關鍵可調節(jié)性、調頻調峰技術支撐儲能支撐系統(tǒng)穩(wěn)定運行功率支撐、彈性增強181.2.2儲能技術

根據各種儲能技術的特點，飛輪儲能、超導電磁儲能和超級電容器儲能適合于需要提供短時較大的脈沖功率場合，如應對電壓暫降和瞬時停電、提高用戶的用電質量，抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等；而抽水儲能、壓縮空氣儲能和電化學電池儲能適合于系統(tǒng)調峰、大型應急電源、可再生能源并入等大規(guī)模、大容量的應用場合。儲能技術舉例說明物理儲能抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等化學儲能鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池等電磁儲能如超導電磁儲能、超級電容器儲能等191.2.2儲能技術抽水蓄能利用上下兩個不同水位的水庫，在負荷低谷時抽水至上水庫，高峰時放水發(fā)電。其優(yōu)勢在于儲能容量大、可靈活建造，能量釋放時間從數(shù)小時至數(shù)天，效率約為70%～85%。壓縮空氣儲能系統(tǒng)主要由壓縮與膨脹兩部分組成。低谷時壓縮空氣儲存在儲氣庫，高峰時釋放空氣，經過加熱與燃燒后驅動膨脹裝置發(fā)電（如燃氣輪機）。適合負荷調節(jié)需求。飛輪儲能通過電動機帶動飛輪高速旋轉儲存機械能，需電時驅動發(fā)電機輸出電力。借助磁懸浮、真空、高溫超導和高性能材料等技術，飛輪儲能效率和能量密度顯著提升，成為具競爭力的短時儲能技術之一。物理儲能201.2.2儲能技術鈉硫電池以鈉為負極、硫為正極，β氧化鋁陶瓷兼作隔膜和電解質。目前單體容量達650Ah，功率超120W，可模塊化用于儲能。該技術在國外較為成熟，使用壽命達10～15年。液流電池正負極活性物質均為液態(tài)氧化還原電對，主要類型包括ZnBr、ZnCl、PSB和全釩液流電池（VRB），其中全釩體系最為主流，適用于大規(guī)模儲能。鋰離子電池的工作原理：通過鋰離子在正負極材料中的嵌脫實現(xiàn)充放電，正極為鋰化合物，負極為碳材料。磷酸鐵鋰因成本低、性能穩(wěn)定，成為主流正極材料。鋰電池現(xiàn)已成為全球汽車企業(yè)重點發(fā)展的儲能方案。化學儲能超導磁儲能利用電網電流勵磁超導線圈形成磁場儲能，儲能公式為??=????2/2(其中，L為線圈的電感，I為線圈的勵磁電流)。在線圈維持超導狀態(tài)下，能量幾乎可無損耗地長期保存。線圈為直流設備，充電時需經整流，放電時經逆變向電網或負載供電。超級電容器基于電化學雙電層原理工作，電極吸附電解質中異性離子形成雙電荷層，可提供強脈沖功率。其電容量大，能儲存較多電荷，適用于快速充放電應用場景。電磁儲能1.3電力系統(tǒng)的基本概念及組成21電力系統(tǒng)的組成聯(lián)合系統(tǒng)的優(yōu)越性電力系統(tǒng)的基本參數(shù)221.3.1電力系統(tǒng)的組成在電力工業(yè)初期，由于用電需求較小，發(fā)電廠多建于用戶附近，規(guī)模小、彼此獨立運行。隨著工農業(yè)發(fā)展和科技進步，用電需求和發(fā)電容量不斷增長。

為降低燃料運輸成本，發(fā)電廠轉向靠近資源產地建設，但通常遠離用戶。為減少長距離輸電中的功率和電壓損耗，需要提高輸電電壓，因此在發(fā)電廠和輸電線路之間需設升壓變電所；電能到達負荷中心后，再經降壓變電所降壓，配電至用戶。用電量增長也帶來發(fā)電廠數(shù)量增加，同時用戶對供電可靠性提出更高要求，促使各發(fā)電廠通過輸電線路和變電所互聯(lián)，逐步形成現(xiàn)代電力系統(tǒng)。231.3.1電力系統(tǒng)的組成圖1-1一個現(xiàn)代電力系統(tǒng)

在左圖中，該電力系統(tǒng)由大容量的水力發(fā)電廠、火力發(fā)電廠和熱電廠生產電能。

其中，水力發(fā)電廠由于其容量大，輸電距離遠，因此將電壓升高到500kV后經過雙回輸電線路送到變電所-1；

火力發(fā)電廠-1的電能升壓至220kV后由線路送到變電所-3，并通過線路與220kV電網相連；火力發(fā)電廠-2是建設在燃料產區(qū)的區(qū)域性火電廠，它所生產的電能通過220kV線路送往負荷中心；

熱電廠位于負荷附近，它除了發(fā)電外，還向周圍的工廠及用戶供熱。

由圖可見，具體說電力系統(tǒng)就是由發(fā)電機、變壓器、輸電線路和用電設備組成的系統(tǒng)。241.3.1電力系統(tǒng)的組成

交流電力系統(tǒng)都是三相輸送電能的，但為了簡單、清晰地表示設備之間的連接關系，同時系統(tǒng)正常運行時，三相系統(tǒng)是對稱的，因此一般情況下常將其接線圖畫成單線的接線圖。為了便于討論分析，常用圖1-2來描述一個簡單的電力系統(tǒng)。

在電力系統(tǒng)中，通常將輸送電能和分配電能的設備（輸電線路和變電設備）組成的網絡稱為電力網（簡稱電網）。由圖1-1可清晰看到電力網由輸電線路以及由其所聯(lián)系起來的各級變電所構成，在電力系統(tǒng)中，擔負著對電能的輸送和分配任務。251.3.1電力系統(tǒng)的組成地方電網是指電壓不超過110kV、供電半徑在20~50km以內的電力網。一般城市、工礦區(qū)和農村配電網屬于地方電力網。區(qū)域電力網是指電壓在110~220kV、供電半徑超過50km的電力網。這類電力網聯(lián)系發(fā)電廠較多，目前，我國大部分省（自治區(qū)）的電力網屬于區(qū)域電力網。超高壓遠距離輸電網是指電壓在330kV以上，由遠距離輸電線路連接構成的電力網。該類電力網往往聯(lián)系幾個區(qū)域性電力網形成跨?。ㄗ灾螀^(qū)）的電力網，如我國的東北、華北、華中等大區(qū)電力系統(tǒng)就屬于這一類型。通常按供電范圍和電壓等級可將電力網分為三類：地方電力網、區(qū)域電力網和超高壓遠距離輸電網。261.3.1電力系統(tǒng)的組成區(qū)域變電所（又稱樞紐變電所），位于聯(lián)系電力系統(tǒng)各部分的樞紐點，地位重要，電壓等級為330kV及以上，進出線回路數(shù)多，一般匯集多個電源和大容量聯(lián)絡線。該變電所一旦停電，將引起整個系統(tǒng)解列，甚至造成部分系統(tǒng)癱瘓。樞紐變電所對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性起重要作用。地方變電所（又稱二次變電所），是一個地區(qū)或一個中小城市的主要變電所，電壓等級一般為110～220kV，主要向地區(qū)或城市用戶供電。該變電所停電將造成該地區(qū)或城市供電的紊亂。終端變電所，是電力系統(tǒng)最末端的用戶變電所，多數(shù)是工業(yè)企業(yè)變電所和城市居民小區(qū)、商業(yè)網點及農村的鄉(xiāng)鎮(zhèn)變電所，電壓等級一般為110kV，直接向一個局部地區(qū)用戶供電，不承擔轉送功率任務。該變電所停電將造成用戶供電的中斷。變電所在電力網中起著變換和分配電能的作用，其除有升壓和降壓之分外，還可分為：區(qū)域變電所、地方變電所以及終端變電所等。271.3.2聯(lián)合系統(tǒng)的優(yōu)越性①減少備用容量的百分比

為了使在發(fā)電機發(fā)生故障及在機組檢修時，系統(tǒng)不中斷對電力用戶的供電，即為了提高電力系統(tǒng)的供電可靠性，往往機組裝機時都留有備用容量（備用容量是裝機容量與最大負荷之差）。由于備用容量在聯(lián)合系統(tǒng)中可以共同享有，因此系統(tǒng)容量越大，備用容量在總裝機容量中所占的百分比也就越小。②可以采用大容量高效率的發(fā)電機組

大容量機組效率高，運行費用少，占地面積小。從供電可靠性及經濟性考慮，孤立運行的電廠由于沒有足夠的備用容量，因此不能采用大容量機組，否則，一旦機組因檢修或故障而退出運行，將造成電網的大面積停電，給國民經濟帶來巨大損失。對于聯(lián)合電力系統(tǒng)，由于擁有足夠的備用容量，可采用高效率的大容量機組。

隨著對電力系統(tǒng)的可靠性要求越來越高，將孤立運行的發(fā)電廠通過電力網連接起來組成聯(lián)合系統(tǒng)，這樣并網運行的系統(tǒng)在技術、經濟上有以下幾個明顯的優(yōu)越性。281.3.2聯(lián)合系統(tǒng)的優(yōu)越性③可充分利用水電廠的水力資源水電廠發(fā)電有很強的季節(jié)性，這是因為水力資源受季節(jié)的影響大。在夏、秋豐水期水量大，水電廠可多生產電能；在冬、春枯水期水量小，水電廠只能承擔少量的發(fā)電任務。如果水、火電廠組成聯(lián)合電力系統(tǒng)，豐水期時水電廠多發(fā)電，火電廠少發(fā)電，并安排火電廠機組檢修；枯水期時火電廠多發(fā)電，水電廠少發(fā)電，并安排水電廠機組檢修。這樣既充分利用了水力資源，又減少了化石能源的消耗，提高了經濟性，實現(xiàn)了低碳環(huán)保。另一方面，水電機組啟動方便，宜于作為調頻電廠，減少火電機組調頻時的啟動煤耗，從而也提高火電廠效率。④可減少系統(tǒng)總裝機容量不同地區(qū)由于生產、生活以及時間、季節(jié)等各種條件的差異，最大負荷出現(xiàn)時間各不相同，當組成聯(lián)合系統(tǒng)后，系統(tǒng)總負荷的最大值小于系統(tǒng)內所有負荷最大值之和，從而減少了系統(tǒng)裝機容量，提高了系統(tǒng)的經濟性能。291.3.2聯(lián)合系統(tǒng)的優(yōu)越性⑤可提高供電可靠性電力系統(tǒng)中有大量的發(fā)電機、變壓器、輸電線等電力設備，這些設備在運行中不可避免會發(fā)生故障，單臺機組故障對用戶供電沒有影響或者影響不大，而多臺機組同時故障或系統(tǒng)瓦解的幾率很小。組成聯(lián)合系統(tǒng)后，提高了系統(tǒng)的供電可靠性。由上可知，采用聯(lián)合系統(tǒng)顯著地提高了電力系統(tǒng)運行的可靠性和經濟性。因而，世界各國電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，有的發(fā)達國家已經形成了全國統(tǒng)一的電力系統(tǒng)，甚至相鄰國家之間也建立了互聯(lián)的電力系統(tǒng)。但需要指出的是，隨著電力系統(tǒng)的日益增大、聯(lián)系的不斷緊密，也越容易發(fā)生因系統(tǒng)內一處故障處理不及時或處理錯誤，而引起其他地區(qū)隨之發(fā)生故障的現(xiàn)象。近二、三十年來世界上發(fā)生的幾次著名大停電事故，都是由于這種事故波及所導致的。可見，系統(tǒng)的規(guī)模并不是在所有場合下都是越大越好，而是應該依據實際條件以適當?shù)姆绞浇⒙?lián)合系統(tǒng)。301.3.3電力系統(tǒng)的基本參數(shù)電力系統(tǒng)基本參數(shù)表序號參數(shù)名稱描述說明單位示例/備注1總裝機容量所有發(fā)電機組額定有功功率的總和kW/MWGW如：100GW2年發(fā)電量全年內所有發(fā)電機實際發(fā)出的電能總和kWh/MWh/GW/TWh如：8000GWh3最大負荷一段時間內系統(tǒng)總用功功率負荷的最大值kW/MW/GW如：70GW（年最大值）4年用電量所有用戶全年用電總和kWh/MWh/GWh/TWh如：7500GWh5額定頻率系統(tǒng)規(guī)定的標準交流頻率Hz我國為50Hz,國外則有額定頻率為60Hz和25Hz的電力系統(tǒng)。6最高電壓等級系統(tǒng)中電力線路的最高額定電壓等級kV如：1000kV（特高壓）1.4電力系統(tǒng)的特點及要求31電力系統(tǒng)特點電力系統(tǒng)運行的要求321.4.1電力系統(tǒng)特點電力系統(tǒng)具有以下幾個特點：電能不能大量儲存：電能生產、輸送、分配與使用需同步進行，發(fā)電量必須實時與負荷及系統(tǒng)損耗保持平衡，任一環(huán)節(jié)故障都可能影響系統(tǒng)運行。盡管儲能技術如抽水、飛輪、壓縮空氣、電池等已有進展，但經濟高效的大容量儲能問題仍未解決，電能仍無法大規(guī)模儲存。過渡過程非常迅速：電能以光速傳播，系統(tǒng)運行變化引發(fā)的電磁和機電過渡過程極快，常以微秒、毫秒甚至納秒計。設備操作與故障響應均瞬間完成，需依賴先進的信息控制與自動化裝置確保系統(tǒng)快速、準確調整和恢復。與國民經濟各部門及人民生活關系極為密切：電能因易集中生產、遠距離輸送及便于轉化為其他能量等優(yōu)點，已成為國民經濟和人民生活中不可或缺的能源。一旦供電不足或突然停電，將對經濟造成重大損失，給生活帶來諸多不便。具有明顯的地區(qū)性特點：由于各個電力系統(tǒng)的能源結構、負荷結構不同，因而各個電力系統(tǒng)的組成也各不相同，甚至是完全不同。331.4.2電力系統(tǒng)運行的要求電力系統(tǒng)的基本要求可概括為：向用戶不間斷地提供可靠、優(yōu)質、充足且經濟的電能。具體包括以下四點：保證供電可靠性：這是首要任務，要求在發(fā)生設備故障、自然災害或誤操作時，盡量減少停電范圍和影響。用戶按重要性分為三類：第一類用戶（如醫(yī)院、重要工廠等）需配置兩路以上獨立電源，確保不停電；第二類用戶（如城市公用事業(yè)）應設專用或雙回路電源，供電緊張時優(yōu)先保障；第三類用戶（如小工廠、農村）允許短時停電，但其重要性可因實際情況變化而調整。保證電能質量：包括頻率、電壓和波形的穩(wěn)定，必須控制在國家規(guī)定的范圍內，以確保設備正常運行和用戶用電安全。保證電力充足：應根據“電力先行”原則，科學規(guī)劃和優(yōu)先建設電力系統(tǒng)，同時加強設備維護，確保足夠備用容量，應對突發(fā)事件。保證運行經濟性：通過優(yōu)化生產、輸送和調度，提高效率、降低損耗和成本，同時實現(xiàn)能源資源的節(jié)約和經濟效益的提升。1.5電能的質量指標34電壓頻率電壓波形351.5電能的質量指標

良好的電能質量是保障電氣設備正常運行和提高經濟效益的關鍵。電能質量標準是確保電網安全、經濟運行和用戶用電正常的基本技術規(guī)范，也是開展電能質量監(jiān)管、推廣控制技術和保障供用電雙方權益的重要依據。全球多數(shù)國家均制定了供電頻率、電壓偏差等指標，部分國家還規(guī)定了諧波、電流畸變和電壓波動的限值。近年來，發(fā)達國家陸續(xù)完善了電能質量系列標準。我國自1988年起頒布并執(zhí)行《電網電能質量技術監(jiān)督管理規(guī)定》，明確指出保障電能質量是電力企業(yè)和用戶的共同責任。目前我國已制定多項電能質量國家標準，如：GB/T12325-2008（電壓偏差）GB/T14549-1993（公用電網諧波）GB/T15543-2008（三相電壓不平衡）GB/T15945-2008（頻率偏差）GB12326-2008（電壓波動和閃變）GB/T18481-2001（暫時和瞬態(tài)過電壓）

為保障電網穩(wěn)定運行及設備正常使用，我國依據科學技術和實踐經驗，制定統(tǒng)一、合理的電能質量標準和檢測方法，此過程稱為電能質量標準化。目前電能質量的衡量指標主要包括：電壓、頻率和波形（電壓：包括偏差、不平衡、波動、閃變及過電壓），頻率（依據頻率偏差評估），波形（通過諧波含量進行評價）。361.5.1電壓供電電壓允許偏差

是指在50Hz交流系統(tǒng)正常運行下，電壓可偏離額定值的范圍。多數(shù)國家對35kV及以下電壓規(guī)定了偏差范圍，照明負荷多為±5%，最大±10%，動力負荷多為±10%。我國標準GB/T12325-2008規(guī)定：35kV及以上電壓正負偏差絕對值之和不超過額定電壓的10%；20kV及以下三相供電允許偏差為±7%；220V單相供電為+7%~-10%。三相電壓不平衡度

是指三相系統(tǒng)中負序與正序基波分量的方均根比值，反映電壓不平衡程度。不平衡會導致繼電保護誤動、電動機發(fā)熱及壽命縮短。電機長期在4%負序電壓下運行，其絕緣壽命減半，若某相電壓超額定值，壽命將更大幅下降。

根據GB/T15543-2008，公共連接點電壓不平衡度在正常運行時不超過2%，短時不得超過4%；用戶引起的負序電壓一般不超1.3%，短時不超2.6%，并可根據實際情況調整。電壓波動和閃變

電壓波動指電壓幅值有規(guī)律地變化，或在0.9～1.1倍額定值間的隨機波動，其波動值為電壓最大與最小方均根之差與額定電壓的百分比。371.5.1電壓

任何一個波動負荷用戶在電力系統(tǒng)公共連接點產生的電壓變動，其限值d和電壓變動頻度、電壓等級有關。對于電壓變動頻度較低（例如r≦1000次/h）或規(guī)則的周期性電壓波動，可通過測量電壓方均根值曲線U(t)確定其電壓變動頻度和電壓變動值。電壓波動限值見表1-2。

r/(次/h）d/%UN≤1kV或1kV＜UN≦35kV35kV＜UN≦220kV或UN＞220kVr≦1431<r≦103*2.5*10<r≦10021.5100<r≦10001.251電壓波動會導致照明燈照度變化，產生閃變。閃變指人眼對照度波動的主觀感受，用于衡量不同頻率電壓波動對燈閃感知的敏感程度及其刺激性。用戶負荷引起的閃變限值依據其用電容量、在供電系統(tǒng)中的占比及電壓等級確定。

國家標準GB12326-2008規(guī)定了各電壓等級下的閃變限值，適用于波動負荷引起的公共連接點電壓快速變化，以及可能引發(fā)燈閃感知的情況。表1-2電壓波動限值381.5.1電壓4.暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓

暫時過電壓是指在電網某點持續(xù)時間較長、衰減緩慢或不衰減的工頻或其倍數(shù)/分數(shù)頻率的振蕩過電壓；瞬態(tài)過電壓則持續(xù)時間更短（通常幾毫秒以內），表現(xiàn)為強阻尼的振蕩或非振蕩波形，并可疊加于暫時過電壓上。兩者通常由系統(tǒng)操作、雷擊或故障等引起，是電網供電特性的一部分。

國家標準GB/T18481-2001規(guī)定了這類過電壓對電氣設備的要求，包括絕緣水平、保護方法，并對相關術語和定義進行了詳盡說明。391.5.2頻率

電力系統(tǒng)在正常運行中，因負荷和發(fā)電出力不斷變化，以及設備操作頻繁，導致各節(jié)點頻率產生波動，這是一種能量平衡的動態(tài)過程。盡管波動存在，但在系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件下，各節(jié)點頻率變化同步，測量上可視為一致，因此任一節(jié)點測得的頻率即為系統(tǒng)頻率。國家標準GB/T15945-2008規(guī)定：系統(tǒng)頻率標準為50Hz，正常運行時允許偏差為±0.2Hz，系統(tǒng)容量較小時可放寬至±0.5Hz。

按《全國供用電規(guī)則》，當電網容量≥3000MW，允許偏差為±0.2Hz，容量＜3000MW則為±0.5Hz。401.5.3電壓波形電力系統(tǒng)規(guī)定供電電壓應為正弦波，但系統(tǒng)中存在多種諧波源。

諧波來源系統(tǒng)本身的非線性元件如變壓器、換流站及可控硅裝置會產生諧波，但主要來源是非線性負荷用戶，如整流設備、電弧爐、軋鋼機、電氣拖動設備等。即使供以正弦波電壓，這些設備的電流也含有諧波，諧波大小取決于設備本身特性，與系統(tǒng)參數(shù)無關，視為諧波恒流源。諧波電流注入系統(tǒng)后，會導致系統(tǒng)電壓波形畸變，影響運行安全，因此應在設備制造時限制其諧波電流含量。公用電網諧波要求為控制電網諧波污染，國家對諧波電壓、電流畸變及其注入值制定了標準，并要求對新接入的諧波源負荷進行監(jiān)測與驗算。電力用戶應將自身設備產生的諧波控制在規(guī)定范圍內，必要時安裝濾波器等治理裝置。供電部門對新接入用戶的諧波限值應綜合考慮原有系統(tǒng)諧波水平，并預留裕度，以保證系統(tǒng)和用戶設備的安全運行。1.6電力系統(tǒng)的電壓等級和選擇41電力系統(tǒng)的電壓等級電力網及電力設備額定電壓的確定電力系統(tǒng)電壓等級的選擇421.6.1電力系統(tǒng)的電壓等級

用電設備額定電壓(kV)交流發(fā)電機額定電壓(kV)變壓器額定電壓(kV)一次繞組二次繞組33.153，3.153.15，3.366.36，6.36.3，6.61010.510，10.510.5，11.0--13.8，15.75，2013.8，15.75，20--35--3538.563--6369110--110121220--220242330--330363500--500525，550750--750825電力系統(tǒng)中的電機、電器和用電設備均按標準電壓設計制造，只有在額定電壓下運行，才能確保其技術、經濟性能最優(yōu)，運行安全可靠。額定電壓即為設備設計的標準電壓。為實現(xiàn)電力和電工行業(yè)的標準化與統(tǒng)一，許多國家和國際組織制定了額定電壓等級標準。電壓等級指電力系統(tǒng)及設備的額定電壓系列，我國已制定了1000V以上電壓等級的國家標準，如表1-3所示。表1-3國家標準（GB）所規(guī)定的額定電壓注：現(xiàn)在正在研究新增設的1000kV特高壓電壓等級，以加強西電東送、全國聯(lián)網。431.6.2電力網及電力設備額定電壓的確定

為滿足各類電氣設備對額定電壓的要求，電力系統(tǒng)規(guī)定其設備的額定電壓應與電網一致。電力網額定電壓：電網的額定電壓應與用電設備的額定電壓相同。電力線路額定電壓：如圖1-3(a)所示，線路ab有功率通過時，由于線路阻抗的存在使得線路首、末兩端的電壓不等，且首端電壓Ua高于末端電壓Ub，沿線路ab的電壓分布如圖1-3(a)所示，接在線路中的用電設備LD1～LD5所承受的電壓各不相同，為使用電設備所承受的電壓盡量與其額定電壓相接近，應取線路的平均電壓Uav=(Ua+Ub)/2等于用電設備的額定電壓，即線路的額定電壓也與用電設備的額定電壓相同。

考慮設備允許±5%的電壓偏差，且線路電壓損耗一般為10%，故常將線路首端電壓設為比額定值高5%，末端低5%，確保線路任一點設備所承受電壓均在±5%范圍內。圖1-3電力網中電壓的分布441.6.2電力網及電力設備額定電壓的確定發(fā)電機額定電壓

發(fā)電機通常位于線路首端，其額定電壓應比所接線路額定電壓高5%。變壓器額定電壓

變壓器在輸變電中既作為用電設備也作為供電設備：一次側接電源或發(fā)電機，視為用電設備，其額定電壓應等于所接電源或發(fā)電機的額定電壓；若直接接發(fā)電機，則兩者額定電壓應一致。二次側接負荷，作為供電端，其額定電壓指空載電壓。

在額定負載下，由于內部阻抗產生約5%的電壓損耗，為保證輸出電壓達到系統(tǒng)額定值，規(guī)定其二次側額定電壓比系統(tǒng)電壓高10%；若阻抗小，損耗低，則只需高出5%。由上述規(guī)定，當線路上接有升壓變壓器和降壓變壓器，并在額定負荷下運行時，沿線路的電壓分布情況如圖1-3（b）所示。451.6.2電力網及電力設備額定電壓的確定升壓變壓器(b)降壓變壓器圖1-4變壓器分接頭額定電壓

此外，為適應運行調節(jié)需要，變壓器高壓側通常設有分接抽頭，用百分比表示相對主抽頭的電壓偏差。同一電壓等級下，升壓和降壓變壓器即使分接比相同，實際電壓也不同。如圖1-4所示為連接于220kV和10kV電壓等級下具有分接頭（1±2×2.5%）UN的升壓、降壓變壓器分接頭額定電壓。1.6.3電力系統(tǒng)電壓等級的選擇

表1-4電力網的額定電壓、輸電距離與傳輸功率的關系額定電壓(kV)傳輸功率(kW)輸電距離(km)額定電壓(kV)傳輸功率(kW)輸電距離(km)61035110100～1200200～20002000～1000010000～500004～156～2020～5050～150220330500

100000～500000200000～1000000600000～1500000

100～300200～600400～1000

461.7電力系統(tǒng)負荷及負荷曲線47負荷的基本概念負荷曲線1.7.1負荷的基本概念電力系統(tǒng)中負荷的分類與關系：用電設備種類繁多

包括異步電動機、同步電動機、電爐、整流設備、電力電子設備、信息技術設備、家用電器和照明設備等。負荷的定義與分類

用戶在一定時間內消耗的電功率稱為“負荷”，按性質分為：有功負荷（提供實際功）無功負荷（維持設備電磁狀態(tài)）綜合用電負荷

指系統(tǒng)中所有用電設備消耗功率的總和。供電負荷（供電量）

綜合用電負荷+輸電線路與變壓器的功率損耗，表示發(fā)電廠需供出的總功率。發(fā)電負荷（發(fā)電量）

供電負荷+發(fā)電廠自身使用的廠用電，表示發(fā)電機應發(fā)出的總功率。481.7.2負荷曲線

用戶用電設備的啟停對電力系統(tǒng)是隨機的，因此負荷具有隨機性，但從長時間看又表現(xiàn)出一定規(guī)律性，如受季節(jié)變化或企業(yè)作業(yè)制度影響。負荷變化規(guī)律可通過負荷曲線表示，即用電設備在一段時間內有功或無功負荷隨時間變化的圖形。負荷曲線按內容和用途分類如下：按負荷類型：有功負荷曲線、無功負荷曲線（通常指有功負荷）按時間范圍：日負荷曲線、年負荷曲線等按計量位置：用戶、線路、變電所、發(fā)電廠或整個電力系統(tǒng)的負荷曲線491.7.2負荷曲線

1.日負荷曲線

表示一天內（0～24小時）負荷隨時間的變化，是制定發(fā)電計劃和系統(tǒng)調度的依據。典型的日負荷曲線如圖1-6所示，曲線中的最大值為日最大負荷（峰荷Pmax?），最小值為日最小負荷（谷荷Pmin?），而不隨時間變化的最小負荷以下部分稱為基本負荷。圖1-6日負荷曲線根據負荷曲線可以求出系統(tǒng)中用戶的日用電量為其中，Pav為日平均負荷，負荷率KP值小表明負荷曲線起伏變化大，發(fā)電機的利用率較差。（1-1）（1-2）501.7.2負荷曲線圖1-7日無功負荷曲線

無功負荷在一天中也不斷變化。如圖1-7所示，與有功負荷曲線相比（圖1-6），兩者并不完全一致。這是因為一天內功率因數(shù)會變化，低負荷時功率因數(shù)較低，高峰時則較高，且有功和無功的最大負荷并不一定同時出現(xiàn)。不同用戶的負荷曲線差異較大，受負荷性質、生產制度、地理位置、氣候及生活習慣等因素影響。由于各用戶的最大和最小負荷出現(xiàn)時間不同，系統(tǒng)的最大負荷小于所有用戶最大負荷之和（需乘以小于1.0的同時率），而系統(tǒng)的最小負荷則大于用戶最小負荷之和。因此，盡管個別用戶負荷波動較大，整體系統(tǒng)的負荷曲線相對平穩(wěn)。511.7.2負荷曲線2.年最大負荷曲線

在電力系統(tǒng)運行與設計中，除了了解日負荷變化，還需掌握全年負荷變化規(guī)律。圖1-8所示的年最大負荷曲線反映了一年內各月最大負荷的變化。圖中可見，夏季因照明負荷減少，負荷曲線出現(xiàn)低谷；而年末由于企業(yè)增產、新建項目投產等，負荷相對較高。年最大負荷曲線可用于安排發(fā)電設備檢修計劃，并為發(fā)電機組或電廠的擴建、新建提供依據。圖1-8年最大負荷曲線521.7.2負荷曲線

3.年持續(xù)負荷曲線

年持續(xù)負荷曲線是將一年中系統(tǒng)負荷按其大小及其累計時間順序排列而成的曲線，如圖1-9。在全年8760h中，t1小時的負荷為P1

，t2小時的負荷為P2

，t3小時的負荷為P3

，其中P1=Pmax。這種負荷曲線常用于安排發(fā)電計劃、電網能量損耗計算、可靠性估算等方面。圖1-9年持續(xù)負荷曲線根據年持續(xù)負荷曲線，可以確定系統(tǒng)全年的耗電量：

也可確定電力系統(tǒng)年最大負荷利用小時數(shù)Tmax。通過全年實際消耗的電量，來求出年最大負荷利用小時數(shù)，即（1-3）（1-4）在圖1-9所示的年持續(xù)負荷曲線中，若使矩形面積oahi等于面積oabcdefg，則oi代表的時間即為Tmax。531.7.2負荷曲線

若全年負荷變化不大，負荷曲線平穩(wěn)，則最大負荷利用小時數(shù)Tmax較大；反之，若負荷波動大，曲線起伏明顯，Tmax相對較小。根據運行經驗，不同類型用戶及生產班次對應的Tmax范圍各有不同，詳見表1-5。表1-5各類用戶年最大負荷利用小時數(shù)負荷類型(h)照明及生活用電2000～3000一班制企業(yè)1500～2200二班制企業(yè)3000～4500三班制企業(yè)6000～7000農業(yè)用電1000～1500

在未知用戶實際負荷曲線的情況下，依據該用戶的用電性質，從表1-5中選擇相應的值，結合已知的該用戶最大負荷，即可近似估算出其全年用電量。5455本章小結本章介紹了我國電力工業(yè)的發(fā)展歷程和最新的電力技術，給出了電力系統(tǒng)的概念、特點、要求，重點說明了電能質量問題，明確如何選擇電力系統(tǒng)電壓等級及電氣設備額定電壓，最后闡明電力系統(tǒng)負荷、負荷曲線定義及作用。本章重點是對基本概念的理解，本章內容是學習本課程的預備知識。56復習思考題1-1給出電力系統(tǒng)、電力網的定義和基本構成形式？1-2電力系統(tǒng)運行有什么特點？對電力系統(tǒng)運行的基本要求是什么？1-3衡量電能質量的指標有哪些？1-4為什么遠距離輸電線路電壓等級越高越經濟？1-5試述我國電壓等級的配置情況？1-6孤立發(fā)電廠構成聯(lián)合電力系統(tǒng)的優(yōu)點有哪些？1-7電力系統(tǒng)中發(fā)電機、變壓器、輸電線路和用電設備的額定電壓是如何確定的？1-8對于接在額定電壓10kV與110kV輸電線路間的升壓變壓器，其額定變比是多少？當分接頭接在+5%上時，該變壓器的實際變比是多少？1-9對于接在額定電壓110kV與10kV輸電線路間的降壓變壓器，其額定變比是多少？當分接頭接在+5%上時，該變壓器的實際變比是多少？第2章電力系統(tǒng)接線及一次設備《電力系統(tǒng)分析》2.1

電力系統(tǒng)的接線方式58無備用接線有備用接線2.1電力系統(tǒng)的接線方式電力系統(tǒng)接線包括兩部分：一是發(fā)電廠與變電所之間的連接關系，二是其內部的電氣主接線。

前者又分為地理接線（位置與線路距離）和電氣接線（電氣連接關系）。地理接線描述的是發(fā)電廠、變電所所處的地理位置和輸電線路距離長短，如圖2-1所示；電氣接線表示發(fā)電廠、變電所之間電氣的連接關系，如圖1-1所示。

本書所述“電力系統(tǒng)接線”專指發(fā)電廠與變電所之間的電氣接線。

電力系統(tǒng)的接線方式通常按可靠性分為無備用接線和有備用接線兩種。圖2-1電力系統(tǒng)地理接線592.1.1無備用接線用戶只能從一個方向獲得電能的接線方式包括單回路放射式、干線式和鏈式（圖2-2）。其優(yōu)點是結構簡單、投資少、運行維護方便；缺點是供電可靠性差，一旦線路故障或檢修會造成部分用戶停電。該方式適用于三類用戶，若加裝自動重合閘，可提高可靠性，也可用于二類用戶，但不適用于一類用戶。通常，把采用無備用接線方式的電網，稱為開式網。(a)單回路放射式

（b）單回路干線式

（c）單回路鏈式圖2-2無備用接線602.1.2有備用接線用戶可從兩個及以上方向取電的接線方式包括雙回路放射式、干線式、鏈式、環(huán)網和兩端供電等（圖2-3）。這類方式具有備用線路，供電可靠性高，適用于一、二類用戶。其缺點是調度和保護復雜，經濟性較差。但為保障供電連續(xù)性，尤其是兩端供電方式應用廣泛。采用環(huán)網或兩端供電的電網稱為閉式網。選擇接線方式時，應綜合考慮供電可靠性、電壓質量、運行靈活性和經濟性，并通過技術經濟比較后確定。（a）雙回路放射式

（b）雙回路干線式

（c）雙回路鏈式

（d）環(huán)網

（e）兩端供電式圖2-3有備用接線612.2電力系統(tǒng)的中性點接地方式62電力系統(tǒng)接地方式電力系統(tǒng)中性點接地方式2.2.1電力系統(tǒng)接地方式

為保障電網設備正常運行和人員安全，需要將電網或設備特定部位通過導體與大地良好連接，稱為接地。主要包括以下幾類：工作接地：為保障設備在正?；蚬收蠣顟B(tài)下可靠運行，將中性點直接或通過設備接地，又稱中性點接地。保護接地：將設備金屬外殼等正常不帶電但絕緣損壞時可能帶電的部分接地，防止觸電事故，保障人身安全。保護接零：在中性點直接接地的低壓系統(tǒng)中，將設備外殼與接地的中性線（零線）連接，以實現(xiàn)保護作用。防靜電接地：對易積聚靜電的設備（如油罐、氣罐）進行接地，避免靜電危害。防雷接地：為防止雷電或大氣過電壓損害設備，將避雷裝置與大地連接，起到保護作用。632.2.2電力系統(tǒng)中性點接地方式中性點定義：中性點是發(fā)電機或變壓器星形連接時的公共點，是接地方式研究的基礎。常見中性點接地方式包括：①不接地（絕緣）；②經消弧線圈接地；③直接接地；④經電阻或電抗接地。國際分類標準非有效接地系統(tǒng)：中性點不接地或經高阻抗接地（如消弧線圈）有效接地系統(tǒng)：中性點直接或經小電阻接地技術經濟影響面廣接地方式關系到供電可靠性、短路電流、過電壓、人身與設備安全、繼電保護、通信干擾及系統(tǒng)穩(wěn)定等多個方面。我國接地方式現(xiàn)狀目前主要采用不接地、經消弧線圈接地、直接接地方式，城市電網中小電阻接地方式應用日益增多。642.2.2電力系統(tǒng)中性點接地方式

一．中性點不接地（1）正常運行中性點不接地的三相電網在正常運行時，其電路圖和向量圖如圖2-4所示。由于導體間存在絕緣介質，三相系統(tǒng)中相與相、相與地之間均存在電容。為簡化分析，假設A、B、C三相電壓與線路參數(shù)對稱，忽略相間電容，將每相對地的分布電容集中表示為電容C。(a)電路圖

（b）向量圖圖2-4中性點不接地的三相電網652.2.2電力系統(tǒng)中性點接地方式中性點不接地系統(tǒng)中的電壓分析與中性點位移①正常對稱條件下、當三相對地電壓ùA

、ùB、ùC對稱，且各相對地電容相等時，三相電容電流平衡，總電容電流為零，流入大地的電流也為零，因此中性點電壓為零（ù0=0）。②運行影響判斷在上述對稱條件下，中性點是否接地對正常電能傳輸沒有影響，運行狀態(tài)與中性點接地與否無關。③電容不對稱時的中性點位移若各相對地電容不等，即使電壓對稱，中性點電位也不再為零，稱為中性點位移，即中性點對地電壓出現(xiàn)偏移。④位移原因中性點位移多由架空線路導線排列不對稱或未完全換位引起，破壞了系統(tǒng)電容對稱性。662.2.2電力系統(tǒng)中性點接地方式

（2）發(fā)生單相接地故障當中性點不接地電網由于絕緣損壞而發(fā)生單相接地時，中性點對地電位將發(fā)生明顯的變化。圖2-5（a）表示當C相在d點發(fā)生金屬性接地時的情況。接地后故障點處C相對地電壓變?yōu)榱悖è?=0）。于是中性點電位為C相相電壓的相反數(shù)，即。于是A、B相的對地電壓相應變?yōu)椋海?-1）(a)電路圖圖2-5中性點不接地電網的單相接地672.2.2電力系統(tǒng)中性點接地方式

（2）發(fā)生單相接地故障(b)相量圖圖2-5中性點不接地電網的單相接地

682.2.2電力系統(tǒng)中性點接地方式

692.2.2電力系統(tǒng)中性點接地方式

從電流角度分析，由于A、B兩相對地電壓升高為線電壓，其對地電容電流也隨之增大為原來的√3倍；而C相接地，其對地電容被短接，對地電容電流為零。因此，通過C相接地點流入大地的電流為A、B兩相電容電流之和。按照慣例，電流方向從電源指向負荷為正方向，因此有如下關系式：（2-2）將式（2-1）代入上式，可得：（2-3）

式（2-3）說明，在中性點不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，接地電流為正常相對地電容電流的3倍。其大小取決于系統(tǒng)的電壓、頻率及對地電容C，而C又與電網結構、布置方式和線路長度有關。上述分析基于金屬接地（接地電阻為零）。若為不完全接地（存在過渡電阻），故障相對地電壓介于0和相電壓之間，非故障相對地電壓介于相電壓與線電壓之間，此時接地電流將小于金屬接地情況。702.2.2電力系統(tǒng)中性點接地方式二、中性點經消弧線圈接地中性點不接地電網發(fā)生單相接地故障時，接地電流為故障前對地電容電流的3倍。若線路較長，電容電流過大，接地點電弧可能無法自熄，易引發(fā)弧光過電壓，甚至演變?yōu)槎嘞喽搪?，造成嚴重事故。為防止此類情況，常在中性點接入消弧線圈。消弧線圈是一種鐵芯線圈，具有小電阻和大感抗，安裝在變壓器或發(fā)電機的中性點與大地之間。（1）發(fā)生單相接地故障當電網中性點經消弧線圈接地時，若發(fā)生單相接地（如圖2-6中的C相），中性點電壓將由原來的??1?變?yōu)??2

，非故障相對地電壓升高為線電壓，情況與中性點不接地系統(tǒng)相同。此時，在故障相與消弧線圈構成的回路中，若忽略線圈電阻，流經消弧線圈的是感性電流??3。（2-4）式中，XL，L分別為消弧線圈的電抗和電感。712.2.2電力系統(tǒng)中性點接地方式二、中性點經消弧線圈接地中性點不接地電網發(fā)生單相接地故障時，接地電流為故障前對地電容電流的3倍。若線路較長，（a）電路圖

（b）相量圖圖2-6中性點經消弧線圈接地電網的單相接地根據圖2-6所示電流方向和式（2-4），故障相中流過的感性電流相位滯后ùCφ90°；而由式（2-3）可知，故障相中的容性電流相位超前ùCφ90°。兩者方向相反，互相補償，從而有效減小接地電流，有利于電弧自熄，提高供電可靠性。因此，中性點經消弧線圈接地的電網稱為補償電網或諧振電網，該接地方式也稱為諧振接地。722.2.2電力系統(tǒng)中性點接地方式

根據感性電流對容性電流補償大小的不同，中性點經消弧線圈接地的電網有三種補償方式：全補償方式、欠補償方式和過補償方式。①全補償方式

選擇消弧線圈電感使感抗等于容抗（即），接地電流為零。但此時電網發(fā)生諧振，可能產生高電壓或過電流，危及安全運行，因此不宜采用。②欠補償方式

當?，接地電流呈容性。若切除部分線路，電容減小，可能轉為全補償，導致諧振；此外還易引發(fā)鐵磁諧振等問題，故實際中很少采用。③過補償方式

當，接地電流呈感性。此方式即使電網結構改變也不會形成諧振，且保留裕度，便于未來擴展，因而在實際中被廣泛采用。732.2.2電力系統(tǒng)中性點接地方式三、中性點直接接地的電力網圖2-7顯示了中性點直接接地電網單相接地故障時的電路圖。此時線路將產生較大的接地短路電流，使繼電保護裝置迅速動作，斷開故障部分，有效防止間歇電弧過電壓。因此，中性點直接接地可克服不接地方式的一些缺點。圖2-7中性點直接接地電力網在中性點直接接地電網中發(fā)生單相接地故障時，中性點電位保持為零，非故障相對地電壓基本不變，區(qū)別于不接地或經消弧線圈接地方式。因此，設備絕緣按相電壓設計即可，無需按線電壓考慮。對于110kV及以上電網，這種方式具備顯著的經濟性，因高壓電器的絕緣是設計制造的關鍵。絕緣要求降低可降低設備成本并提升性能，因此我國高壓電網多采用中性點直接接地運行方式。742.2.2電力系統(tǒng)中性點接地方式提高供電可靠性

中性點直接接地電網在發(fā)生單相接地故障時，會產生較大的短路電流并中斷供電。為盡快恢復供電，線路上通常配置自動重合閘裝置。低壓系統(tǒng)以人身安全為主

在1kV以下低壓系統(tǒng)中，絕緣已非關鍵問題，中性點接地與否主要從人身安全角度考慮。380/220V系統(tǒng)通常采用直接接地

采用中性點直接接地方式，當發(fā)生單相接地故障時，自動開關跳開或熔斷絲熔斷，可迅速切除故障。同時，非故障相對地電壓基本不升高，不會超過250V，減少觸電風險。不接地方式風險更高

若中性點不接地，故障時非故障相對地電壓將接近線電壓，人身觸電危險更大。即便在250V電壓下仍存在觸電風險，因此仍需配套安全防護措施。中性點直接接地的作用及在低壓系統(tǒng)中的考慮752.2.2電力系統(tǒng)中性點接地方式中、低壓電纜供電電網通常采用中性點經小電阻接地方式。由于電纜線路的單相接地故障多為永久性，不宜帶故障運行，需立即切斷電源以防事故擴大。同時，消弧線圈接地方式存在絕緣要求高，且可能引發(fā)較強的弧光或鐵磁諧振過電壓等問題。圖2-8所示為該方式的接線原理。其運行特點類似于中性點直接接地方式，單相接地故障時，經小電阻流過較大的接地電流，繼電保護迅速動作，切除故障。此時非故障相電壓基本不升高，內部過電壓不會出現(xiàn)，因此電網對絕緣水平的要求較低于采用消弧線圈方式。四、中性點經小電阻接地但是，由于接地電阻值較小，故發(fā)生故障時的單相接地（短路）電流值較大。從而對接地電阻元件的材料及其動、熱穩(wěn)定性能也要提出了較高的要求。目前我國有不少廠家都已經生產了這種小電阻接地的成套裝置，其運行情況良好。圖2-8中性點經小電阻接地762.3發(fā)電廠和變電所的電氣主接線77概述電氣主接線的基本形式發(fā)電廠及變電所電氣主接線舉例2.3.1概述發(fā)電廠和變電所的電氣主接線圖是由電氣設備符號和連線組成的電路圖，用于表示電能輸送過程。它反映設備的規(guī)模、數(shù)量、連接方式和作用，以及回路間關系與運行條件，是電力系統(tǒng)結構的重要體現(xiàn)。主接線選擇是否合理，直接影響設備選型、布置、運行的可靠性、靈活性和經濟性。主接線應滿足以下基本要求：

（1）供電可靠性高：盡量減少中斷供電的次數(shù)和范圍，避免整廠（所）停電；

（2）具備運行靈活性：能適應多種運行方式，便于設備檢修；

（3）結構簡潔、操作方便：減少操作步驟，提高維護效率；

（4）經濟合理：在滿足要求的前提下，盡量降低投資和運行成本；

（5）便于擴建：具備后續(xù)發(fā)展的可行性。782.3.1概述在繪制主接線圖時，對各主要電氣設備應當采用國家標準的統(tǒng)一圖形符號，如表3-1所示序號設備名稱文字符號及圖形符號序號設備名稱文字符號及圖形符號1發(fā)電機G2交流電動機M3雙繞組變壓器T4自耦變壓器T5三繞組變壓器T6有載調壓變壓器7斷路器QF8隔離開關QS9帶接地刀的隔離開關QS10負荷開關11母線12三相導線13電纜14電壓互感器TV15電流互感器TA16熔斷器17電抗器18避雷器注：電氣主接線圖一般都用單線圖（用一根線表示三相）繪制，只有在個別地方必須同時繪出三相時，才能用三線圖來表示。792.3.2電氣主接線的基本形式電氣主接線分為兩大類：有母線接線無母線接線適用于進出線回路較多的場景，通過母線實現(xiàn)電能的匯集與分配，便于連接、安裝和擴建。適用于進出線回路較少的場合，斷路器數(shù)量少，結構簡單。常見形式包括：單母線接線單母線分段接線雙母線接線雙母線分段接線帶旁路母線接線雙母線雙斷路器接線一臺半斷路器接線常見形式有：橋型接線角形接線單元接線802.3.2電氣主接線的基本形式1.單母線接線組成結構：主接線的基本環(huán)節(jié)包括電源（如發(fā)電機或變壓器）和引出線，母線是中間環(huán)節(jié)。母線作用：母線（匯流排）用于電能的匯集與分配，簡化接線、便于運行和擴建。適用場景：因引出線路多于電源，母線的引入有利于集中調度與連接，但一旦母線發(fā)生故障將導致整體供電中斷。圖2-9單母線接線只有一組母線的接線稱為單母線接線，圖2-9所示是典型的單母線接線。各進出線路（如L1~L4）通過斷路器QF接入同一母線W。每個斷路器兩側設有隔離開關QS，用于隔離檢修設備：QS1（母線側）QS2（線路側）接地刀閘QS3：用于檢修時將線路接地，確保人員安全。操作原則：必須遵循“先通后斷”或在等電位狀態(tài)下操作隔離開關。812.3.2電氣主接線的基本形式設備功能簡述設備名稱功能說明斷路器QF帶滅弧裝置，可分斷負荷和故障電流隔離開關QS無滅弧裝置，僅用于檢修隔離，禁止帶負荷操作接地刀閘QS3檢修前閉合，防止突然來電，確保安全單母線接線優(yōu)點在于結構簡單、清晰，設備少，操作方便，投資低，且便于擴建。

其缺點是母線隔離開關故障或檢修時需全站停電，出線斷路器檢修期間該回路也需停運，因此不適合對供電可靠性要求高的重要用戶。822.3.2電氣主接線的基本形式2.單母線分段單母線接線的缺點可以通過分段辦法來加以克服，如圖2-10所示。單母線分段結構原理：在單母線中間增設一個斷路器QF，將母線分為兩段（段Ⅰ和段Ⅱ），實現(xiàn)分段運行。主要優(yōu)點：保留了單母線接線結構簡單、經濟、操作方便等優(yōu)點；一段母線故障時，另一段仍可繼續(xù)供電，提高了供電可靠性；可實現(xiàn)母線分段清掃與檢修，減少對用戶的停電影響；被廣泛應用于中小型發(fā)電廠和35~110kV級變電所。主要缺點：當某段母線或其隔離開關故障或檢修時，該段所有引線需長期停電；不適用于大容量電廠或樞紐變電站等對供電可靠性要求高的場景。因此，引出了更高可靠性的接線方式——雙母線接線。圖2-10單母線分段接線832.3.2電氣主接線的基本形式3.雙母線接線結構概述雙母線接線是在單母線分段接線基礎上改進的一種形式，具有兩組母線（圖2-11）：①工作母線W1；②備用母線W2

兩組母線通過母線聯(lián)絡斷路器QF連接，每個回路通過一只斷路器和兩只隔離開關接入兩組母線。主要優(yōu)點與應用優(yōu)勢雙母線接線具備以下運行靈活性和可靠性：支持母線輪流檢修：可在不中斷供電的情況下依次檢修兩組母線。局部隔離維護：檢修任一回路的母線隔離開關時，僅需斷開該回路，不影響其他供電。故障快速切換：工作母線故障時，可將所有回路切換至備用母線，快速恢復供電。斷路器檢修不中斷供電：修理某回路斷路器時，該回路仍可接至備用母線繼續(xù)供電。支持獨立回路試驗：某些回路可單獨切換至備用母線，進行隔離測試操作。關鍵操作：母線切換檢修工作母線或出線斷路器時，需嚴格按照母線切換步驟執(zhí)行，以確保運行安全和系統(tǒng)連續(xù)性。圖2-11雙母線接線842.3.2電氣主接線的基本形式雙母線接線的操作示例（1）檢修工作母線的操作步驟為了檢修工作母線，需將所有電源和線路切換至備用母線：檢查備用母線狀態(tài)合上母線聯(lián)絡斷路器QF，使備用母線帶電（圖2-11）。若存在故障，繼電保護裝置會跳開QF；若無故障，QF保持接通。切換連接在兩組母線電位相同的情況下，先合上備用母線側所有隔離開關；然后斷開工作母線側所有隔離開關，完成切換。隔離檢修段斷開母聯(lián)斷路器QF及其兩側的隔離開關，將工作母線完全隔離，便于安全檢修。852.3.2電氣主接線的基本形式（2）檢修出線斷路器（如線路L2）操作步驟若需檢修某出線斷路器，又希望該線路不停電，可按如下操作（圖2-12）：合上母聯(lián)斷路器QF1，檢查備用母線是否良好；確認無故障后，斷開QF1；斷開出線斷路器QF2

及其兩側隔離開關QS3、QS1；拆除QF2

引線接頭，并以臨時跨條替代斷路器；接通與備用母線連接的隔離開關QS2；合上線路側隔離開關QS3；合上母聯(lián)斷路器QF1，使線路L2

恢復供電。圖2-12檢測線路斷路器時的操作862.3.2電氣主接線的基本形式一、優(yōu)點主要優(yōu)點：可在不中斷供電的情況下對母線系統(tǒng)進行檢修，適用于對供電可靠性要求較高的場合。二、存在的缺點①接線復雜操作步驟多，需頻繁切換隔離開關，稍有不慎易引發(fā)誤操作事故。②存在短時停電風險工作母線故障或斷路器檢修期間，盡管可通過母線聯(lián)絡斷路器臨時代替，但接線或拆線過程中仍需短暫停電，對重要用戶不利。③占地與投資增加隔離開關數(shù)量多，導致設備布置復雜、占地面積大、投資成本上升。三、改進措施①雙母線同時帶電運行將電源和線路合理分配在兩組母線上，母線聯(lián)絡斷路器合上后并聯(lián)運行，形式類似單母線分段；提高供電可靠性，必要時可空出一組母線進行檢修；廣泛應