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第三章电力基础知识§3.1电力系统与电力网一、电力系统电力系统是生产、变换、输送、分配、消费电能的发电机、变压器、变换器、电力线路和各种用电设备（一次设备）以及测量、保护、控制等智能装置（二次设备）组成的统一整体。二、电力网由变压器、电力线路等变换、输送、分配电能设备所组成的部分常称为电力网络，即电力系统中除发电机和电力用户以外的部分。电力网是将各电压等级的输电线路和各种类型的变电所连接而成的网络。电力网按照其在电力系统中作用，分为输电网和配电网。输电网是以高电压甚至超高电压将发电厂、变电站或变电所之间连接起来的送电网络，所以又可以称为电力网络中的主网架。直接将电能送到用户的网络称为配电网。配电网的电压因用户的需要而定，因此配电网又分为高压配电网、中压配电网和低压配电网。（1）总装机容量：该系统中实际安装发电机额定有功功率的总和，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）计。（2）年发电量：该系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和，以兆瓦·时（MW·h），吉瓦·时（GW·h），太瓦·时（TW·h）计。（3）最大负荷：规定时间，如一天、一月或一年内，电力系统总有功功率负荷的最大值，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）计。（4）额定频率：我国所有交流电力系统的额定频率是50Hz，国外有60Hz和25Hz。（5）最高电压等级：该系统中最高电压等级电力线路的额定电压，以千伏（kV）计。（6）地理接线图:主要显示该系统中发电厂、变电所的地理位置，电力线路的路径，及它们相互间的联结。优点是可获得系统的宏观印象，缺点是难以表示各主要电机、电器间的联系。（7）电气接线图:主要显示该系统中发电机、变压器、母线、断路器、电力线路等主要电机、电器、线路之间的电气接线。缺点是，难以反映各发电厂、变电所、电力线路的相对位置。三、电力系统的基本参量和结线图四、构成大型电力系统的优点1．提高供电的可靠性；2．减少系统的备用容量；3．便于发展大型机组；4．通过合理分配负荷，可降低系统的高峰负荷；5.提高供电质量；6.便于利用大型动力资源，特别是能充分发挥水力发电厂的作用。五、电力生产的特点1.电能的生产、输送、分配以及装换为其他形式的能量的过程，是同时进行的，电能不能大量存储，电力系统中瞬间生产的电力，必须等于同一瞬间取用的电力；2．电力生产是高度集中、统一的；3．电能使用最方便，适用性最广泛；4．过渡过程相当迅速，电力系统中各元件的投入或退出是在一瞬间完成的；5．电力生产在国民经济中具有先行性；§3.2电力负荷一、电力负荷电力系统的总负荷就是系统中所有用电设备消耗总功率的总和；将用户所消耗的功率相加，得电力系统的综合用电负荷；再加网络损耗的功率就是系统中各发电厂应供应的功率，称为电力系统的供电负荷（供电量）；再加各发电厂本身消耗的功率（即厂用电），就是系统中各发电机应发的功率，称为系统的发电负荷（发电量）。电力负荷包括异步电动机、同步电动机、各类电弧炉、整流装置、电解装置、制冷制热设备、电子仪器和照明设施等。二、基本概念（一）设备安装容量连续工作的用电设备铭牌上的标称功率。用电设备往往因为工作性质不同而具有不同的运行工作制，从供电安全和经济性两方面来考虑，应按设备铭牌功率予以折算。（二）负荷与负荷曲线电力负荷是指单台用电设备或一组用电设备从电源取用的电功率，包括有功功率、无功功率和视在功率。所谓负荷曲线就是指在一段时间内用电设备有功、无功负荷随时间变化的图形。负荷曲线对变电所、发电厂和电力系统的运行有重要意义。它是变电所负荷控制，发电厂安排日发电计划，确定电力系统运行方式的重要依据。（三）平均负荷、最大负荷、有效负荷与计算负荷1.平均负荷平均负荷是指电力负荷在一段时间内的平均值。2最大负荷一年中典型日负荷曲线（全年至少出现3次的最大负荷工作班内的负荷曲线）中的最大负荷，即30min内消耗电能最大时的平均负荷。3.有效负荷有效负荷是指由典型工作班负荷曲线确定的平均负荷，其持续运行所产生的热效应和实际变动负荷长期运行产生的热效应是相等的。4.计算负荷电力用户的实际负荷并不等于所有用电设备额定功率之和。在供电系统设计中，必须找出用电设备的等效负荷（计算负荷），指用电设备在实际运行中对配电设备所产生的最大热效应与等效负荷产生的热效应相等。（四）负荷系数、利用系数、需要系数与形状系数1.负荷系数：是指平均负荷与最大负荷之比，它反映了负荷的平稳程度。负荷系数常分为有功负荷系数和无功负荷系数。2.利用系数3.需要系数4.形状系数5.年最大负荷利用小时数三、电力负荷的分类（自学）（一）按用电的部门属性来划分（二）按负荷的大小划分（三）按使用电力的目的来划分（四）按用电用户的重要性划分（五）按年最大负荷预测的时间长短划分（六）按电能的生产和销售过程划分（七）按国民经济行业用电划分四、负荷的计算（自学）（一）单台用电设备的计算负荷（二）用电设备组的计算负荷（三）车间或全厂的计算负荷（四）单项用电设备计算负荷的确定§3.3供电系统国际电工委员会（IEC）统一规定分为：TT系统、TN系统、IT系统。其中TN系统又分为TN-C/TN-S/TN-C-S系统。一、供电线路符号IEC规定的供电方式符号中，第一个字母表示电力系统对地关系。如T表示是重点直接接地；I表示所有带电部分绝缘。第二个字母表示用电装置外露的金属部分对地的关系。如T表示设备外壳接地，它与系统中任何其他接地点无直接关系；N表示负载采用接零保护。第三个字母表示工作零线与保护线的组合关系二、TT方式供电系统将电气设备的金属外壳直接接地的保护系统，称为保护接地系统，也称TT系统。第一个符号T表示电力系统中心点直接接地；第二个符号T表示负载设备金属外壳和正常不带电的金属部分与大地直接连接，而与系统如何接地无关。在TT系统中负载的所有接地均称为保护接地。三、TN方式供电系统（自学）四、IT方式供电系统I表示电源侧没有工作接地，或经过高阻抗接地；T表示负载侧电气设备进行接地保护。IT方式供电系统在供电距离不是很长时，供电的可靠性高、安全性好。一般用于不允许停电的场所，或者是要求严格地连续供电的地方。§3.4供电质量供电质量是指用电方与供电方之间相互作用和影响中供电方的责任，包括电能质量和供电可靠性两个方面。供电质量恶化会引起用电设备的效率和功率因数降低，损耗增加，寿命缩短，产品品质下降，电子和自动化设备失灵等。决定供电质量的主要指标为电压、频率和可靠性。一、供电质量的具体指标（一）电网频率（二）电压偏差（三）三相电压不平衡（四）公用电网谐波（五）电压波动和闪变（六）可靠性供电可靠性，用户平均停电时间，用户平均停电次数，用户平均故障停电次数。二、电能质量（一）电压偏差电压偏差是指在某一时间内，电压幅值缓慢变化而偏离额定值的程度，以电压实际值与额定值之差或其百分值来表示。电压偏差的大小，主要取决于电力系统的运行方式，线路阻抗以及有功与无功负荷的变化。改善措施有：（1）正确选择变压器的变压比和电压分接头；（2）合理减少线路阻抗；（3）提高功率因数，合理进行无功补偿，并按电压与负荷变化自动接切无功补偿的容量；（4）采用有载调压手段；（5）根据电力系统潮流分布，及时调整运行方式；（二）电压波动在某一时段内，电压急剧变化而偏离其额定值的现象。电压变化的速度大于每秒1%的，即为电压急剧变化。电压波动程度以电压在急剧变化过程中，相继出现的电压最大值与最小值之差或其百分比值来表示。（三）电压闪变周期性电压急剧变化引起电光源光通量急剧波动而造成人眼视觉不舒适的现象称为闪变。电压波动主要是大型用电设备负载快速变化引起的冲击性负荷造成的，电压波动是否会引起闪变，主要决定于电压波动的频度、波动量和电光源的类型及工作场所对照明质量的要求。抑制电压波动和闪变的措施：增大供电系统容量；提高供电电压等级；采用专用变压器和专线供电；改进生产工艺操作水平；采用快速响应的静止无功补偿装置。（四）电压正弦波畸变率由于电力系统中存在有大量非线性阻抗特性的供用电设备，向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压，称为谐波源。谐波源使得实际的电压波形偏离正弦波，称为电压正弦波形畸变。电压波形畸变的程度用电压正弦波畸变率来衡量，也称电压谐波畸变率。电压谐波畸变率以各次谐波电压的均方根值与基波电压有效值之比的百分数来表示。抑制谐波的措施有：受电变压器采用Y/Δ或Δ/Y接法，或增加相数；采用滤波装置，采用电容器吸收谐波；调整三相负载使其平衡。（五）负序电压系数负序电压系数表示三相电压不平衡程度。通常以三相基波负序电压有效值与额定电压有效值之比的百分数来表示。三相电压不平衡是由三相负荷不平衡引起的。三相负荷不平衡施加在用电设备上，会使电机增加阻尼力矩，增加电机转子中的损耗，造成电机温升增高，噪音加大。（六）频率偏差供电电源频率缓慢变化的现象，常以实际频率与额定频率之差或其差值与额定值之比的百分数来表示。三、供电可靠性供电可靠性是持续供电能力的度量。供电可靠性常以供电可靠率来衡量。以某一统计期内，实际供电时间与本统计起全部时间的比值的百分数表示。§3.5用户供电电压与电源的选择一、线路电压损失由于线路存在阻抗，当输送一定负荷时，线路首末端将存在电压差。由于受导线截面的限制和线路电压损失的要求，每一标称电压下的输电能力是有限的。二、电压的选择用户供电系统的电压等级应符合电力系统的额定电压。由于用户负荷相对较小、供电距离较短，故从安全和经济的角度考虑，用户供电系统的电压等级一般在35kV及以下。（一）供电电压的选择供电电压的选择应根据用电容量和供电距离参照国家标准并考虑当地电网现状，用户的用户负荷性质及未来发展规划等因素综合而定。（二）高压配电电压的选择用户供电系统的高压配电电压一般采用6~10kV。（三）低压配电电压的选择1000V以下的电压，除规定的特殊电压外，对于供电用户直接使用的交流动力及照明电压，我国是380/220V。对于矿山和油田等特殊场合，由于负荷分散，供电距离长，为了保证电压质量，动力用电可采用660/380V或1140/660V。三、电源的选择由于生产性质或使用场合的不同，不同用户或同一用户的不同设备对供电可靠性的要求是不同的。供电电源首先应满足用电负荷的特定要求。§3.6无功功率补偿改善功率因数（无功功率补偿）是企业节约电能的重要课题。（一）无功功率许多用电设备均根据电磁感应原理工作，如配电变压器、电动机等，建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率。有功功率与视在功率之比，称为功率因数cosΦ，其中Φ为功率因数角。（二）提高无功功率因数的意义对一定的有功功率，cosΦ越小，所需无功功率越大，其视在功率也越大。为满足用电的需要，供电线路和变压器的容量也越大。这样，不仅增大供电投资，降低设备利用率，也将增加线路网损。功率因数低，设备不能充分利用，当输出相同的有功功率时，线路上的电流大，线路损耗大。二、无功功率补偿及其办法（一）无功功率补偿的原理把具有容性功率负荷的装置与感性负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在这两种负荷之间交换。感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿。（二）无功功率补偿的方法1.利用过激磁的同步电动机，改善用电的功率因数；2.利用调相机做无功功率电源；3.异步电动机同步化；4.电力电容器串联补偿；5.电力电容器并联补偿。（三）电力电容器的补偿方法电力电容器作为补偿装置有两种方法：串联补偿和并联补偿。1.串联补偿是把电容器直接串联到高压输电线路上，以改善输电线路参数，降低电压损失，提高其输送能力，降低线路损耗。这种补偿方法应用于高压远距离输电线路上，用电单位很少采用。2.并联补偿是把电容器直接与被补偿设备并接到同一电路上，以提高功率因数。用电企业一般采用这种补偿方法。三、并联电容器提高功率因数的原理在交流电路中，纯电感负载中的电流滞后电压90°；纯电容的电流则超前于电压90°。可见，电容中