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变配电基础知识
第8章变配电根底知识
8-1什么是电力系统？
什么是电力网？
随着电力事业的飞速开展，电能的应用已极为普及，电灯发光、电动机转动、电炉发热以及电视机那无比美妙的动画和声响效果，都离不开电能。
电能一般来自于发电厂的发电机。
然而发电厂一般要建立在能源丰富的地方，如火力发电厂要建立在燃料资源丰富的地方；水力发电厂要建立在有大的水位落差的地方；风力发电厂要建立在一年四季风力强劲的地方。
可是发电厂距离大城市和用电的负荷中心很远，这就必须设法将电能进行远距离的输送。
由于电压等级越高，电能输送的距离越远，所以由发电机发出的电能一般又需经过升压变压器将电压升高。
电压升高后的电能再经过输电线路进行远距离的输送。
当到达用电负荷中心后再进行配电,而配电又分为高压配电和低压配电，最后将电能送到我们所使用的各种电器和电气设备。
也就是说，由发电、变电、输电、配电和用电这五个环节所组成的电能生产、变换、输送、分配和消费的整体，就叫做电力系统。
在电力系统中，这五个环节应环环相扣、时时平衡、缺一不可，又几乎是在同一时刻完成的。
在电力系统中，除发电和用电这两个环节以外的局部，即具有变电、输电和配电三个环节的整体称为电力网。
电力网又简称为电网。
电力网是连接发电厂和用户的中间环节，是传送和分配电能的装置。
电力网是由不同电压等级的输配电线路和变电所组成的，按其功能的不同常分为输电网和配电网两大局部。
输电网是由35kV及以上的输电线路和与其连接的变电所组成，是电力系统的主要网络，其作用是将电能输送到各个地区的配电网或直接送给大型企业用户。
而配电网那么由10kV及以下的配电线路和配电变压器所组成，其作用是将电能馈送至各类电能的用户。
8-2什么是发电？
发电厂的类型有哪些？
利用发电动力装置将位能〔水的落差〕、热能〔煤、油、天然气等〕、核能、以及风能〔风力〕、地热能、海洋能〔潮汐〕、太阳能等一次能源转换为二次能源〔电能〕，用以满足各种各样的电器与电气设备的需要，就称之为发电。
具体发电的场所称为发电厂。
简单地说，发电厂就是生产电能的工厂。
发电厂发出的电压一般为～20kV左右。
根据电厂的容量大小及其供电的范围，可分为区域性发电厂、地方性发电厂和自备电厂等。
区域性发电厂大多兴建在水利资源丰富的江河流域或煤矿蕴藏量较大的地方。
这类发电厂的容量大，距离用电负荷中心较远，需要通过超高压输电线路远距离输电。
兴建大容量的区域发电厂可以经济合理地利用国家的动力资源。
地方性发电厂一般是中小型电厂，往往建在用户附近。
而自备电厂那么建在大型厂矿的内部作为自备电源。
它可以对大型厂矿企业和电力系统起到后备和保证作用。
地方性发电厂和自备电厂根本都是火力发电厂，一般采用热、电联合生产的形式。
即除了发电以外，还需要向用户供热，这种工厂称为热电厂。
8-3什么是变电？
变电所的功能有哪些？
变电所是如何分类的？
在电力系统中，通过电压变换装置将低电压变换为高电压或将高电压变换为低电压的过程称为变电。
它是电力系统中的重要组成局部。
变电所是接受电能、变换电压和分配电能的枢纽，是发电厂和用户间的重要环节。
变电所一般由电力变压器、室内外配电装置、继电保护、自动装置以及监控系统等组成。
当仅有配电装置用来接受电能和分配电能，无须变压器进行电压的变换时，那么称为配电所或开闭站。
变电所有升压和降压之分。
升压变电所通常与发电厂连接在一起，在发电厂的电气局部中安装有升压变压器。
发电厂的发电机所发出的电能，由于电压较低，远远不能满足输电的要求，为了实现远距离输电的目的，一般采用升压变压器将较低的电压升为高电压，而且其电压等级越高，输电的效率越高、输送的距离越远，一般将发电机发出的低电压通过升压变压器升高为35k～500kV及以上的电压等级作为输电电压。
而降压变电所一般设在用电负荷中心，将高压电能适当降压后，供应用户使用。
由于供电范围的不同，变电所可分为一次〔枢纽〕变电所和二次变电所。
工厂企业的变电所可分为总降压变电所〔中央变〕和车间变电所。
一次变电所简称一次变，它是由110kV以上的主要网络受电，将电压降低到35～110kV，供应一个较大区域的用户。
一次变通常采用双绕组变压器，也有些采用三绕组变压器将高电压降为两种不同的电压，与相应电压级别的网络连接起来。
一次变的供电范围较大，是系统与发电厂连接的枢纽，故有时也称其为枢纽变电所。
二次变电所多由35kV～110kV网络一次变受电，有些也由地方性发电厂直接受电。
将35kV～110kV电压降为6kV～10kV向一般为数千米范围的用户供电。
总降压变电所是对工厂企业供电的枢纽，故又称为中央变电所，它与二次变电所的情况根本相同，也是由一次变单独引出的35kV～110kV网络直接受电经电力变压器降压至3kV～10kV对工厂企业内部供电。
对于中、小型企业可一个或多个企业共设一个总降压变电所。
车间变电所是从总降压变电所引出的6kV～10kV厂区高压配电线路受电，将电压降到380V/220V对各类用电设备供电。
8-4什么是输电？
由于发电厂与用电负荷中心一般相距很远，将发电厂发出的电能通过升压变压器升压〔变电〕至35～500kV后，在高压架空输电线路上进行远距离的输送，直至用电负荷中心的全过程称为输电。
输电是电力系统的重要组成局部，它使得电能的开发和利用超越了地域的限制。
很长的输电线路有可能经过不同的气候、不同的海拔高度，有可能跨越大山、跨越河流或湖泊、跨越道路或桥梁，有时条件十分恶劣。
但电能与其他能源的输送方式相比，具有效益高、损耗小、污染少，且易于调节和控制等特点。
另外，高压输电线路还可以将不同地点的发电厂连接起来，构成大规模的联合电力系统，以使得电能的质量进一步提高，同时起到互相支援、互为补充的作用。
它已成为现代社会的能源大动脉。
按照输送电流的性质来分，有交流输电和直流输电两种。
目前较为广泛应用的是交流输电，但近年来直流输电也愈来愈受到人们的重视。
按照输电线路的结构来分又有架空线路和直埋敷设两种形式。
8-5什么是配电？
通过高压输电线路的远距离输送，在到达用电负荷中心后，就需要将电能分别配送至各个用户，这一电能的分配过程称为配电。
配电又分为高压配电和低压配电。
所谓高压配电的电压通常是指3kV、6kV、10kV、35kV电压等级的配电。
通过综合的技术经济指标分析，以10kV电压等级较为合理；但是当用户有大量的6kV高压电动机时，可采用6kV作为配电电压；当有大量的3kV高压电动机时，目前一般也采用10kV作为配电电压，因为3kV作为配电电压不太经济；如果用户距离上级变电站较远时，传统上采用35kV电压等级作为配电电压。
随着我国电力工业的迅速开展，用电容量急剧增加，从技术经济指标分析，将逐步取消35kV电压等级。
同时也有将10kV电压等级提高为20kV的考虑。
所谓低压配电的电压等级通常是指380/220V和660/380V电压等级的配电。
在我国传统上采用380/220V的三相四线制的配电方式。
这种配电方式可以供出光〔照明〕、力〔动力〕合一的混合负载。
但是随着用电容量的不断增大，在煤炭部门已经升压为660/380V，冶金、化工部门也正在进行测算。
8-6工厂变配电所的作用有哪些？
车间变电所是如何分类的？
为了减少损耗、加大输电距离和供电的容量，一般都尽量采用高压或超高压输电，然而由电力系统引来的高压或超高压电能是不能直接应用于各种低电压的电气设备和生产机械的。
因此必须设立工厂变、配电所。
工厂变电所担负着由电力系统受电、经过变换电压后再分配到各个用电部门的任务，而工厂配电所那么由较低电压的电网受电，然后再分配到各个用电部门。
不难看出，工厂变电所的作用是接受电能、变换电压和分配电能，而工厂配电所的作用只是接受电能和分配电能。
一般工厂变电所属于降压变电所，分为总降压变电所和车间变电所。
对于大型工厂企业通常受电电压为35kV～110kV，经过总降压变电所后将电压降为6kV～10kV分别馈送至多个车间变电所。
总降压变电所一般设在室外。
中小型工厂企业一般只设车间变电所。
车间变电所按照变压器安装位置的不同可分为：
（1）附设式变电所这种变电所利用车间的一面或两面墙作为车间变电所的
公用墙，变压器的大门向着车间外开。
根据变压器位于车间的墙内或墙外又分为内附式和外附式。
（2）独立变电所这种变电所设在和车间建筑无直接联系的独立建筑物内。
主要用于负荷分散或防火、防爆、防尘要求较高或环境条件受限制的场合。
（3）车间内变电所变压器设在车间内部，可以做到距离用电负荷中心较近，
特别适用于建筑物的跨度较大、设备配置较为稳定以及有一般环境要求的场合。
这种变电所需要占用较大的空间，但近年开展起来的干式变压器和全封闭组合电器，可以使得变电所实现小型化，这就使得车间内变电所的应用日益受到人们的欢送。
（4）地下变电所这种变电所适用于车间生产面积受到限制，又希望变电所
距离用电负荷中心较近的场合。
这种变电所宜采用干式变压器或全封闭组合电器。
（5）户外变电所这种变电所安装于户外露天地面上，简单经济，一般常用
于小型工厂。
但其平安性和可靠性均较差，且有碍观瞻，同时受到环境条件的限制。
（6）箱式变电站这种变电站是近年开展起来的一种新型的变电站。
它把各
种变配电装置以高压室、变压器室和低压室的间隔箱体在生产厂家预制成几个分体，运输到现场后进行简单的组装即可。
它使得工期短、见效快、安装方便、无须占用建筑物等优点。
8-7电力系统有哪些特点？
对电力系统的根本要求是什么？
大规模联合电力系统有哪些优点？
电力系统中在电能的生产、变换、输送、分配和应用的过程中具有以下特点：
（1）电能的生产、变换、输送、分配和应用，几乎是在同一时刻完成的。
也就是说电能不能大量的储存〔在近年来国内外已有较大规模的抽水蓄能电站〕；
（2）电能的生产与国民经济系系相关，与人民生活密不可分；
（3）电力系统的过渡过程非常短暂，必须采用各种自动装置；
（4）电力系统是随着用电容量的增加而不断开展的。
根据电力系统所具有的特点，对其提出以下根本要求：
（1）电力系统中应选用高质量的电气元件，以保证供电的可靠性；
（2）电力系统应具有较高的运行管理水平；
（3）应随时保证良好的电能质量；
（4）要有足够的经济性；
（5）应能最大限度地满足不同用户对用电需求。
随着用电容量的不断扩大，各个电力系统之间通过联络线并网，以形成大
规模的联合电力系统。
它的主要优点是：
（1）各个电力系统之间可以互相支援，减低负荷的峰谷差，从而可以减少
装机容量；
〔2〕可减少各个电力系统的备用容量；
〔3〕联合电力系统便于安装大容量机组；
〔4〕便于开发和利用大型动力资源；
〔5〕可以提高供电的可靠性；
（6）可以提高电能质量；
（7）可以提高运行的经济性。
8-8什么是电气设备的额定电压？
我国交流电力网和电气设备的额定电压标准是如何规定的？
电气设备的额定电压是指能够保证电气设备正常运行并能获得最正确经济效益的电压，它也是电气设备设计的依据。
我国交流电力网和电气设备的额定电压标准如表1-1所示。
表1-1我国交流电力网和电气设备的额定电压标准
分类
电力网和电气设备额定电压
（kV）
发电机额定电压
〔kV〕
电力变压器额定电压〔kV〕
一次绕组
二次绕组
低
压
1.22
1.38
2.23
1.4
2.22
1.38
2.23
1.4
高
压
3
6
10
-
35
63
110
220
330
500
3.15
13.8,15.75,
18,20
-
-
-
-
-
-
18,20
35
63
110
220
330
500
4.
10.5,11
-
69
121
242
363
500
注：
根据国标GB156-80?
额定电压?
的规定，额定电压分为受电设备和供电设备两大类。
表中用电设备和变压器一次绕组相当于受电设备，而发电机和变压器的二次绕组相当于供电设备。
但在表中关于变压器的一、二次绕组额定电压的依据，是我国变压器生产厂家的标准产品规格。
8-9电力系统中电能质量的含义是什么？
在电力系统中的电能质量是按照国家标准或标准对电压偏差、电压波动和波形畸变率的一种质量鉴别。
〔1〕电压偏差它是指用电设备实际的端电压U与其额定电压UN之差，一般以其对额定电压UN之比的百分值来表示，即
我国电力系统的用户受电端的电压变动幅度不应超过下述数值：
35kV及以上供电和对电压质量有特殊要求的用户为额定电压的
；
10kV及以下高压供电和低压电力用户为额定电压的
；
低压照明用户为额定电压的+5～-10%。
（2）频率偏差我国电力系统的额定频率是50
，规定的容许偏差为：
电网容量在300万kW及以上者为
；
电网容量在300万kW以下者为
。
（3）波形畸变率所谓电压波动是指电力系统电压有效值的快速变动。
电压
波动的幅度以用电设备端电压最高值与最低值之差对额定电压的百分值来表示。
电压波动的频率用单位时间内电压波动的次数来表示。
电压波形的好坏一般用其正弦波形畸变的程度来衡量。
由于非正弦波可以分解为基波和假设干个高次谐波，而对称于时间轴的非正弦波不含直流分量，因此用其表征电压波形的的畸变程度，也就是波形畸变率。
一般波形畸变率
可由下式来计算：
式中
----基波电压〔V〕，可近似取电网的额定电压值；
----
次谐波电压值〔V〕,一般最高次n可取至19次为止。
电力系统的电压波形应是正弦波形，电网中任何一点的电压正弦波形畸变率均
不得超过规定值。
由于现代用电设备中出现了整流、逆变、换流、变频、调速设备。
另外还有电弧炉、电气机车、电视机等非线形负荷。
它们不但引起电压波动，而且造成电压的不对称和非非正弦性。
电压的不对称性系指三相电压的不对称。
根据对称分量法，不对称的三相电压可以分解成对称的正序、负序和零序分量。
电压的非正弦性是指电压波形的畸变。
根据傅立叶变换，非正弦的电压可分解为基波〔50Hz〕电压和一系列高次谐波小电压，总谐波电压是所有的高次谐波电压的均方根之和。
我国对供电的谐波电压和电流允许值作了相应的规定，以10kV的电网为例，总的谐波电压畸变率（GHI）应小于4%，奇次谐波应小于3.2%，偶次谐波应小于1.6%；而各次谐波总的电流允许值如表1-2所示。
表1-2各次谐波相应的电流允许值
谐波次数
2
3
4
5
6
7
电流允许值
26
20
13
20
8．5
15
注：
短路容量以100kVA为基准。
电网谐波管理意义重大，工业兴旺国家极为重视。
目前我国已开始对电网污染问题给予了较大的关注，以求保证电网谐波能在允许范围以内。
如电网谐波不治理，将导致电气设备寿命缩短、网损增加、仪表指示不准、干扰通信线路，甚至引起继电保护和自动装置的误动或拒动。
8-10电力系统中的电能质量和供电质量有哪些区别？
供电质量与电能质量具有两个不同的概念，即供电质量不同于电能质量，不能混为一谈。
供电质量包括供电可靠性和电能质量。
电力系统中，在用户用电的时间内供电不中断的概率叫做供电可靠率。
供电可靠性一般常由供电可靠率来衡量，其可由下式计算：
8-11提高供电可靠性的措施有哪些？
提高供电可靠性的措施主要有：
（1）采用可靠的发电、变电、输电和配电设备；
（2）加强电气设备的日常维护和管理；
（3）严格遵守各项规章制度，防止发生各种可能的误操作；
（4）采用可靠、平安与合理的主接线方案；
（5）努力提高电气线路的运行水平；
（6）系统中应具有足够的备用容量；
（7）制定合理的运行方式；
（8）采用迅速、可靠的继电保护和自动装置；
（9）开发利用电子计算机监控系统；
（10）认真做好方案检修和设备更新工作。
8-12电力系统中的电压等级是如何界定的？
目前我国对于电压等级的界定，在不同的规程中由于着眼点的不同而尚不一致。
例如在1991年出版的?
电业平安工作规程?
中规定，电气设备对地电压在250V及以下者为低压；而电气设备对地电压在250V以上者为高压。
按照安装规程的规定，传统的配电线路划分，电压在1kV以上者称为高压配电线路，电压在1kV及以下者称为低压配电线路。
毋庸讳言，当时前一分类方法显然是针对人身平安界定的。
也就是说对于380V的三相四线制系统，由于其相线对地电压为220V，对地电压在250V以下，应属于低压。
而后一类分类方法一般是针对配电线路的，有的在安装、制造和设计中也采用这一界定方法。
但是在IEC和新的国家标准中，平安电压确定为42V、36V、24、12V和6V。
显然所谓对地电压在250V以下作为低压，在考虑人身平安的因素方面也是存在问题的。
另外，随着电网容量的不断扩大以及电力技术的开展，原380/200V的电压等级存在着升压为660/380V的可能性，即前一类分类方法应予淘汰。
而经济兴旺国家的低压电器的电压等级已经到达交流1250V。
也就是说，从开展的角度出发，后一类分类方法，似亦欠妥。
目前我国一般采用以下标准电压等级
超高压：
500KV
高压：
220kV、110KV和35KV〔对于某些大城市正在逐步取消35kV电压等级〕
中压：
10〔20〕KV
低压：
380V/220V〔似应与国际接轨定为交流1250V〕。
8-13用电设备、发电机的额定电压与电力线路的额定电压有何关系？
对于电力变压器一、二次绕组的额定电压有何规定？
（1）用电设备的额定电压应与电力线路的额定电压相同
由于电力线路上存在着电压损失，所以造成电力线路始端与末端、甚至沿线路
各点的电压均有所不同，如图1-1所示。
然而电器的生产厂家是无法满足沿线各处用电设备的电压需求的，而只能按照线路的额定电压来制造。
因此用电设备的额定电压必须与线路的额定电压相同。
（2）发电机的额定电压应高于线路额定电压5%对于电力线路的允许偏差一般
为5%，也就是整个线路允许有10%的电压降。
为了维持线路的平均电压在额定值，所以线路首端〔即发电机的电压应较线路额定电压高5%〕，而线路末端的电压那么可较线路的额定电压低5%。
如图1-1所示。
图1-1用电设备和发电机的额定电压〔自画图〕
（3）电力变压器的一次绕组额定电压，有些情况下需要高于线路额定电压5%，
有些情况下那么需要低于额定电压5%。
当变压器接在发电机的出口时，如图1-2所示的变压器1B，此时变压器一次
线绕组额定电压应与发电机的额定电压相同，也就是高于同级线路额定电压5%；
当变压器不和发电机相连，而是接在线路上时，如图1-2中所示的2B，这时可把它看作是线路的用电设备。
因此其一次绕组额定电压应与线路额定电压相同。
图1-2电力变压器的额定电压〔自画图〕
（4）电力变压器的二次绕组额定电压，有些情况下高于线路额定电压10%，
有些情况下又仅高于线路额定电压5%这是因为变压器二次绕组的额定电压，是其空载时的电压〔一次绕组在额定电压下〕。
而变压器在满载时，它的线圈内有大约5%的阻抗电压降。
因此，如变压器二次侧供电线路较长〔如较大的高压电网〕，那么变压器二次绕组的额定电压，一方面应考虑补偿变压器内部5%的阻抗电压降，另一方面还应考虑变压器满载时二次电压还要高于线路额定电压5%，以补偿线路上的压降，所以它应比线路额定电压高10%，如图1-2中的1B。
当变压器二次侧供电线路不太长，〔如为低压电网，或直接供电给用电设备〕，那么变压器二次绕组的额定电压，只需高于线路额定电压的5%，仅考虑变压器内部压降，如图1-2中的2B。
8-14电力负荷是如何分级的?
对各级负荷的供电应符合哪些要求
按照新的行标规定：
电力负荷应根据供电可靠性及中断供电在政治、经济上所造成的损失或影响的程度，分为一级负荷、二级负荷及三级负荷。
〔1〕一级负荷
中断供电将造成人身伤亡者；
中断供电将造成重大政治影响者；
中断供电将造成重大经济损失者；
中断供电将造成公共场所秩序严重混乱者；
对于某些特等建筑，如重要的交通枢纽、重要的通信枢纽、国宾馆、国家级及承当重大国事活动的会堂、国家级大型体育中心以及经常用于重要国际活动的大量人员集中的公共场所等的一级负荷，在新的国家标准中称为特别重要负荷。
中断供电将影响实时处理计算机及计算机网络正常工作或中断供电后将发生火灾以及严重中毒的一级负荷也为特别重要的负荷。
〔2〕二级负荷
中断供电将造成较大政治影响者；
中断供电将造成较大经济损失者；
中断供电将造成公共场所秩序混乱者
〔3〕三级负荷
不属于一级和二级的电力负荷。
对于一级负荷的供电应符合以下要求：
一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源应不致同时受到损坏。
一级负荷容量较大或有高压用电设备时，应采用两路高压电源；如负荷容量不大时，应优先采用从电力系统或临近单位取得第二低压电源，亦可采用应急发电机组；如一级负荷仅为照明或站负荷时，宜采用蓄电池组作为备用电源。
对于特别重要的负荷除上述两个电源外，还必须增设应急电源。
为了保证对特别重要负荷的供电，严禁将其它负荷接入应急供电系统。
常用的应急电源：
独立于正常电源的发电机组；
供电网络中有效地独立于正常电源的专门馈电线路；
蓄电池组。
根据允许的中断时间可分别选择以下应急电源：
静态交流不间断电源装置适用于允许毫秒级中断的供电场合；
带有自动投入装置的独立于正常电源的专门馈电线路，适用于允许中断时间为以上的供电；
快速自起动的柴油发电机组，适用于允许中断供电时间为15S以上的供电。
对于二级负荷的供电应符合以下要求：
二级负荷的供电系统应能做到当发生电力变压器故障或线路常见故障时不致中断供电〔或中断后能迅速恢复〕。
在负荷较小或地区供电条件限制时，可由一回6kV及以上专用架空线供电。
对于三级负荷对供电无特殊要求。
8-15什么叫中性点直接接地系统？
什么叫中性点不接地系统？
什么叫中性点不直接接地系统？
它们各有哪些特点？
1．中性点直接接地系统系指变压器或发电机的中性点直接通过金属导体与大地相连接的系统。
它的特点有二：
⑴当系统中发生一相接地故障时，非故障相与大地间的电压保持不变，仍为相电压；但故障相对地电压为零。
因故障引起的过电压较低，所以该系统中电力设备的绝缘水平可以选择的低一些，从而使得基建投资较为节省。
⑵当系统中发生一相接地故障时，接地短路电流流经故障点进入大地，通过大地经接地体再流向变压器的中性点，因为大地电阻很小，所以短路电流很大。
因此，这种系统又叫大接地短路电流系统，也称做大电流接地系统。
由于这种系统的故障电流很大，对其附近的通讯线路和铁道信号线路将感应出高电位，并对通讯产生严重干扰。
另外，还直接威胁到人身和通讯设备的平安。
所以，在故障瞬间必须通过继电保护装置，用断路器将故障线路立即断开，迫使供电中断，从而导致供电可靠性大大降低。
2．中性点不接地系统系指变压器或发电机的中性点都不与零电位的大地相连接的系统，该系统的特点也有两个：
⑴当该系统中发生一相接地时，接地相的相电压降低，甚至为零〔指通过金属接地时〕。
非接地相的相电压升高，甚至高到线电压值。
另外，还有可能产生弧光接地过电压，其过电压的倍数较高。
所以该系统对电力设备的绝缘水平要求较高。
⑵当该系统中发生一相接地时，由于接地相与其它两相间并不直接构成回路，所以短路电流不大，因此将其称为小接地短路电流系统，也称为小电流接地系统。
由于该系统的接地电流仅仅是流经线路对地分布电容的电流，电流较小。
所以接地时，三相的相间电压〔即线电压〕保持不变，系统可以短时间〔规程规定不超过2小时〕继续运行，因此其可靠性较高。
但是要求设备
升级会员 