第2章　电力系统基础

2.1　电力系统与电力网的构成

2.1.1　电力系统

电能不能大量存储，电能的生产、输送和使用必须同时进行。发电厂生产的电能，除供本厂和附近的电能用户使用外，绝大部分要经升压变压器将电压升高后，再由高压输电线路送至距离很远的负荷中心去，在那里再由降压变压器降压后分配到电能用户。

为了提高供电的可靠性和经济性，将各发电厂通过电力网连接起来，并联运行，组成庞大的联合动力系统。将各种类型发电厂中的发电机、升压和降压变压器、电力线路（输电线路）及各种电能用户（用电设备）联系在一起组成的统一的整体就是电力系统，用以实现完整的发电、输电、变电、配电和用电。如图2-1所示为电力系统示意图。如图2-2所示为从发电厂到用户的送电过程示意图。

发电机生产的电能受发电机制造电压的限制，不能远距离输送，因此通常使发电机的电压经过升压达到220～500kV，再通过超高压远距离输电网送往远离发电厂的区域或工业集中地区，通过那里的降压变电所将电压降到35～110kV，然后再用35～110kV的高压输电线电路，将电能送至工厂降压变电所（将电压降至6～10kV配电）或终端变电所。

常用的配电电压有6～10kV高压与220/380V低压两种。对于有些设备，如容量较大的容压机、泵与风机等由高压电动机带动，直接由高压配电电路供电。大容量的低压电气设备需要220/380V电压，由配电变压器进行第二次降压来供电。

电力用户是消耗电能的场所，将电能通过用电设备转换为满足用户需求的其他形式的电能。例如，电动机将电能转换为机械能、电热设备将电能转换为热能、照明设备将电能转换为光能等。根据供电电压的不同电力用户分为：额定电压在1kV以上的高压用户；额定电压为220/380V的低压用户。

电力系统中的各级电压线路及其联系的变、配电所，叫做电力网，简称电网。由此可见，电网只是电力系统的一部分，它与电力系统的区别在于不包括发电厂和电能用户。

2.1.2　变电所与配电所

变电所的任务是接收电能、变换电压和分配电能，是联系发电厂和用户的中间环节；而配电所只负责接收电能和分配电能的任务。两者区别是：变电所比配电所多变换电压的任务，因此变电所有电力变压器，而配电所除了有自用电变压器外没有其他电力变压器。

两者的相同之处：都负责接收电能和分配电能的任务；电气线路中都有引入线（架空线或电缆线），各种开关电器（如隔离开关、刀开关、高低压断路器）、母线、互感器、避雷器和引出线等。

变电所有升压和降压之分，升压变电所多建在发电厂内，把电能电压升高后，再进行长距离输送。降压变电所多设在用电区域，将高压电能适当降低电压后，向某地区或用户供电。降压变电所又可分为以下三类。

（1）地区降压变电所　地区降压变电所又称为一次变电站，位于一个大用电区域，如一个大城市附近，从220～500kV的超高压输电网或发电厂直接受电，通过变压器把电压降为35～110kV，供给该地区或大型工厂用电。其供电范围较大，若全地区降压变电所停电，将使该地区中断供电。

（2）终端变电所　终端变电所又称为二次变电站，多位于用电的负荷中心，高压侧从地区降压变电所受电，通过变压器把电压降为6～10kV，向某个市区或农村城镇供电。其供电范围较小，若全终端降压变电所停电，将使该部分用户中断供电。

（3）工厂降压变电所及车间变电所　工厂降压变电所又称工厂总降压变电所，与终端变电所类似，是对企业内部输送电能的中心枢纽。车间变电所接收工厂降压变电所提供的电能，将电压降为220/380V，给车间设备直接供电。

2.1.3　电力网

电力系统中各级电压的电力线路及与其连接的变电所总称为电力网，简称电网。电力网是电力系统的一部分，是输电线路和配电线路的统称，是输送电能和分配电能的通道。电力网是把发电厂、变电所和电能用户联系起来的纽带。

电网由各种不同电压等级和不同结构的线路组成，按电压的高低可将电力网分为低压网、中压网、高压网和超高压网等。电压在1kV以下的称为低压网，1～10kV的称为中压网，高于10kV低于330kV的称为高压网，330kV以上的称为超高压网，电网按电压高低和供电范围大小可分为区域电网和地方电网，区域电网供电范围大，电压一般在220kV以上；地方电网供电范围小，电压一般在35～110kV。电网也往往按电压等级来称呼，如说10kV电网或10kV系统，就是指相互连接的整个10kV电压的电力线路。根据供电地区的不同，有时也将电网称为城市电网和农村电网。

2.1.4　三相交流电网和电力设备的额定电压UN

额定电压UN是指在规定条件下，保证电网、电气设备正常工作而且具有最佳经济效果的电压。电气设备都是按照指定的电压和频率设计制造的。这个指定的电压和频率称为电气设备的额定电压和额定频率。额定电压通常指电气设备铭牌上标出的线电压，当电气设备在该电压和频率下运行时，能获得最佳的技术性能和经济效果。

为了成批生产和实现设备互换，各国都制定有标准系列的额定电压和额定频率。我国规定工业用标准额定频率为50Hz（俗称工频）；国家标准规定，交流电力网和电力设备的额定电压等级较多，但考虑设备制造的标准化、系列化，电力系统额定电压等级不宜过多，具体规定见表2-1。

2.1.5　电力系统的中性点运行方式

在电力系统中，当变压器或发电机的三相绕组为星形连接时，其中性点有两种运行方式：中性点接地和中性点不接地。中性点直接接地系统常称为大电流接地系统，中性点不接地和中性点经消弧线圈（或电阻）接地的系统称为小电流接地系统。

中性点运行方式的选择主要取决于单相接地时电气设备的绝缘要求及从电可靠性。如图2-3所示为常用的电力系统中性点运行方式，图中电容C为输电线路对地分布电容。

（1）中性点直接接地方式　中性点直接接地方式发生一相对地绝缘破坏时，就构成单相短路，供电中断，可靠性会降低。但是，这种方式下的非故障相对地电压不变，电气设备绝缘按相电压考虑，降低设备要求。此外，在中性点直接接地低压配电系统中，如为三相四线制供电，可提供380V或220V两种电压，供电方式更为灵活。

（2）中性点不接地方式　在正常运行时，各相对地分布电容相同，三相对地电容电流对称且其和为零，各相对地电压为相电压。这种系统中发生一相接地故障时，线间电压不变，非故障相对地电压升高到原来相电压的3倍，故障相电流增大到原来的3倍。因此对中性点不接地的电力系统，注意电气设备的绝缘要按照线电压来选择。

目前，在我国电力系统中，110kV以上高压系统，为降低绝缘设备要求，多采用中性点直接接地运行方式；6～35kV中压系统中，为提高从电可靠性，首选中性点不接地运行方式。当接地系统不能满足要求时，可采用中性点经消弧线圈或电阻接地的运行方式；低于1kV的低压配电系统中，考虑到单相负荷的使用，通常均为中性点直接接地的运行方式。

2.1.6　电源中性点直接接地的低压配电系统

电源中性占直接接地的三相低压配电系统中，从电源中性点引出有中性线（代号N）、保护线（代号PE）或保护中性线（代号PEN）。

（1）低压电力网接地形式分类及字母含义

①低压电力网接地形式分类　电源中性点直接接地的三相四线制低压配电系统可分成3类：TN系统、TT系统和IT系统。其中TN系统又分为TN-S系统、TN-C系统和TN-C-S系统3类。

TN系统和TT系统都是中性点直接接地系统，且都引出有中性线（N线），因此都称为“三相四线制系统”。但TN系统中的设备外露可导电部分（如电动机、变压器的外壳，高压开关柜、低压配电柜的门及框架等）均采取与公共的保护线（PE线）或保护中性线（PEN线）相的保护方式，如图2-4所示；而TT系统中的设备外露可导电部分则采取经各自的PE线直接接地的保护方式，如图2-5所示。IT系统的中性点不接地或经电阻（约1000Ω）接地，且通常不引出中性线，因它一般为三相三线制系统，其中设备的外露可导电部分与TT系统一样，也是经各自的PE线直接接地，如图2-6所示。

所谓“外露可导电部分”是指电气装置中能被触及到的导电部分。它在正常情况时不带电，但在故障情况下可能带电，一般是指金属外壳，如高低压柜（屏）的框架、电机机座、变压器或高压多油开关的箱体及电缆的金属外护层等。“装置外导电部分”也称为“外部导电部分”。它并不属于电气装置，但也可能引入电位（一般是地电位），如水、暖气、煤气、空调等的金属管道及建筑物的金属结构。

中性线（N线）是与电力系统中性点相连能起到传导电能作用的导体，其主要作用是：

a.通过三相系统中的不平衡电流（包括谐波电流）。

b.便于连接单相负载（提供单相电气设备的相电压和电流回路）及测量相电压。

c.减小负荷中性点电位偏移，保持3个相电压平衡。

因此，N线是不容许断开的，在TN系统的N线上不得装设熔断器或开关。

保护线与用电设备外露的可导电部分（指在正常工作状态下不带电，在发生绝缘损坏故障时有可能带电，而且极有可能被操作人员触及的金属表面）可靠连接，其作用是在发生单相绝缘损坏对地短路时，一是使电气设备带电的外露可导电部分与大地同电位，可有效避免触电事故的发生，保证人身安全；二是通过保护线与地之间的有效连接，能迅速形成单相对地短路，使相关的低压保护设备动作，快速切除短路故障。

保护中性线（PEN线）兼有PE线和N线的功能，用于保护性和功能性结合在一起的场合，如图2-4（b）所示的TN-C系统，但首先必须满足保护性措施的要求，PEN线不用于由剩余电流保护装置RCD保护的线路内。

②接地系统字母符号含义

a.第一个字母表示电源端与地的关系：

T——电源端有一点（一般为配电变压器低压侧中性点或发电机中性点）直接接地。

I——电源端所有带电部分均不接地，或有一点（一般为中性点）通过阻抗接地。

b.第二个字母表示电气设备（装置）正常不带电的外露可导电部分与地的关系：

T——电气设备外露可导电部分独立直接接地，此接地点与电源端接地点在电气上不相连接。

N——电气设备外露可导电部分与电源端的接地点有用导线所构成的直接电气连接。

c.“-”（半横线）后面的字母表示中性导体（中性线）与保护导体的组合情况：

S——中性导体与保护导体是分开的。

C——中性导体与保护导体是合一的。

（2）TN系统　TN系统是指在电源中性点直接接地的运行方式下，电气设备外露可导电部分用公共保护线（PE线）或保护中性线（PEN线）与系统中性点0相连接的三相低压配电系统。TN系统又分3种形式：

①TN-S系统　整个供电系统中，保护线PE与中性线N完全独立分开，如图2-4（a）所示。正常情况下，PE线中无电流通过，因此对连接PE线的设备不会产生电磁干扰。而且该系统可采用剩余电流保护，安全性较高。TN-S系统现已广泛应用在对安全要求及抗电磁干扰要求较高的场所，如重要办公楼、实验楼和居民住宅楼等民用建筑。

②TN-C系统　整个供电系统中，N线与PE线是同一条线（也称为保护中性线PEN，简称PEN线），如图2-4（b）所示。PEN线中可能有不平衡电流流过，因此通过PEN线可能对有些设备产生电磁干扰，且该系统不能采用灵敏度高的剩余电流保护来防止人员遭受电击。因此，TN-C系统不适用于对抗电磁干扰和安全要求较高的场所。

③TN-C-S系统　在供电系统中的前一部分，保护线PE与中性线N合为一根PEN线，构成TN-C系统，而后面有一部分保护线PE与中性线N独立分开，构成TN-S系统，如图2-4（c）所示。此系统比较灵活，对安全要求及抗电磁干扰要求较高的场所采用TN-S系统配电，而其他场所则采用较经济的TN-C系统。

不难看出，在TN系统中，由于电气设备的外露可导电部分与PE或PEN线连接，因此在发生电气设备一相绝缘损坏，造成外露可导电部分带电时，则该相电源经PE或PEN线形成单相短路回路，可导致大电流的产生，引起过电流保护装置动作，切断供电电源。

（3）TT系统　TT系统是指在电源中性点直接接地的运行方式下，电气设备的外露可导电部分与电源引出线无关的各自独立接地体连接后，进行直接接地的三相四线制低压配电系统，如图2-5所示。由于各设备的PE线之间无电气联系，因此相互之间无电磁干扰。此系统适用于安全要求及抗电磁干扰要求较高的场所。国外这种系统较普遍，现我国也开始推广应用。

在TT系统中，若电气设备发生单相绝缘损坏，外露可导电部分带电，则该相电源经接地体、大地与电源中性点形成接地短路回路，产生单相故障电流不大，一般需设高灵敏度的接地保护装置。

（4）IT系统　IT系统的电源中性点不接地或经约1000Ω电阻接地，其中所有电气设备的外露可导电部分也都各自经PE线单独接地，如图2-6所示。此系统主要用于对供电连续性要求较高及存在易燃易爆危险的场所，如医院手术室、矿井下等。

2.1.7　电力负荷的分级及对供电电源的要求

负荷是指电网提供给用户的电力、负荷的大小用电气设备（发电机、变压器、电动机和线路）中通过的功率线电流来表示。

（1）电力负荷分级　电力负荷按其对供电可靠性的要求和意外中断供电所造成的损失和影响，分为一级负荷、二级负荷和三级负荷。

①一级负荷　一级负荷是指发生意外中断供电事故后，将造成人身伤亡或者在经济上造成重大设备损坏、众多产品报废、需要长时期才能恢复生产，或者在政治上造成重大不良影响等后果的电力负荷。

一级负荷电力用户的主要类型有：重要交通枢纽、重要通信枢纽、国民经济重点企业中的重大设备和连续生产线、重要宾馆、政治和外事活动中心等。

在一级负荷中，当中断供电将影响实时处理计算机及计算机网络非常工作中断，或中断供电后将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所不允许中断供电的负荷，应视为特别重要的负荷。

②二级负荷　二级负荷是指发生意外中断供电事故，将在经济上造成如主要设备损坏、大量产品报废、短期一时无法恢复生产等较大损失，或者会影响重要单位的正常工作，或者会产生社会公共秩序混乱等后果的电力负荷。

二级负荷电力用户的主要类型有：交通枢纽、通信枢纽、重要企业的重点设备、大型影剧院及大型商场等公共场所等。普通办公楼、高层普通住宅楼、百货商场等用户中的客梯电力、主要通道照明等用电设备也为二级负荷设备。

③三级负荷　三级负荷是指除一、二级负荷外的其他电力负荷。三级负荷应符合发生短时意外中断供电不至于产生严重后果的特征。

（2）各级电力负荷对供电电源的要求

①一级负荷的供电要求　一级负荷应由两个独立电源供电，有特殊要求的一般负荷还要求其两个独立电源来自不同的地点。独立电源是指不受其他任一电源故障的影响，不会与其他任一电源同时发生故障的电源。两个电源分别来自于不同的发电厂；两个电源分别来自于不同的地区变电所；两个电源中一个来自地区变电所，另一个为自备发电机组，便可视为两个独立电源。

一级负荷中的特别重要负荷，除需满足两个独立电源供电的一般要求外，有时还需要设置应急电源。应急电源仅供该一级负荷使用，不可与其他负荷共享，并且应采取防止与正常电源之间并列运行的措施。常用的应急电源有：独立于正常电源之外的自备发电机组，独立于正常工作电源的专用供电线路、蓄电池电源等。

②二级负荷的供电要求　二级负荷的电力用户一般应当采用两台变压器或两回路供电，要求当其中任一变压器或供电回路发生故障时，另一变压器或供电回路不应同时发生故障。对于负荷较小或地区供电条件困难的且难以取得两回路的，也可由一回路10（6）kV及以上的专用架空线路供电。

③三级负荷的供电要求　三级负荷属一般电力用户，对供电方式无特殊要求。当用户为以三级负荷为主，但有少量一级负荷时，其第二电源可采用自备应急发电机组或逆变器作为一级负荷的备用电源。