第1章 供配电系统概述

1、第1章 概述 第1节 电能与电力系统 1.1.1 电能是电气工程的核心 电能的应用，是电气工程的终极目的，由此 衍生出电能的生产与再处理等环节。 电能不仅是一种产品，也是一种商品。 电能只是众多能源中的一种，但其重要性是 众所周知的。 电的另一个用途是作为消息的载体（信号） 用于信息工程。 1.1.2 电力系统简介 1、电力系统的任务 满足人们有控制地使用电能的需求。 2、电力系统的构成 发电机 输电线路配电线路 用电设备 升压变压器降压变压器（汽、水轮机等） 原动机 动力系统 电力系统 电力网 简单电力系统模型 由发电、输变电、变配电、用电等环节组成。 电力系统为什么会以这样的方式构成（由现

2、 象到本质的思考）？ 电力系统还可能有其他的构成方式吗（创新 不只是脑筋急转弯，既要有智慧的思考，又要有 一定的条件）？ 3、电力系统各环节的作用（可用以回答以上 两个问题） 缺损思考法：取消某个环节会怎样？ 1）发电。将其他形式的能转换成电能。 2）用电。将电能转换成其他形式的能。该环 节显然是不可缺少的。 3）输变电。该环节将大量电能集中地从一处 传输到另一处。 4）变配电。将集中的电能分配给散布的负荷。 电力系统构成形式的工程背景 （1）自然界不存在足量的可控制使用的原生 电能。 （2）发电厂与用电负荷中心通常相距甚远。 （3）即使在城市、厂矿等负荷中心，负荷一 般也是分布在不同地点的，

3、且类别多样、数量庞 大、权属又各有不同。 输变电和变配电环节有可能因技术的发展而 有所改变。如直流输电系统的交、直流变换，丰 富了“变”电的内涵。电能生产技术的改变，很 可能导致（部分）取消输变电环节并简化变配电 环节，如燃料电池、小型核聚变反应堆等电源的 应用，可能以一个家庭、一栋建筑或一个建筑群 为单位自发自用，输变电环节自然消失。 4、电力系统的联网运行 服务对象样本越大，资源利用率和服务效 率越高，这是电力系统联网运行的基本依据。 5、电力系统的运行特点 请参阅教材P3。 6、一次系统与二次系统 电力系统中，电作为能源所通过的部分称为 一次系统，主要由发电机、变压器、电力线缆和 各种配

4、电设备构成。 电力系统中，对一次系统进行测量、监视、 控制、保护的部分称为二次系统。 从控制系统的观点来看，一次系统相当于受 控对象，二次系统相当于控制环节。 第2节 电力系统的表达 表达：用约定的方式传达出关于对象的有用信息。 对象：所关注的事物。 有用信息：相对性，取决于工作目的。 对表达的要求： 规范共同规则。 简洁信息的有效性，最小无关信息。 高效表达手段的选择问题。 表达问题既是一个专门的技术门类，又是一套工 程体系。 有关表达的两个方面： 1）需要表达的内容。此即目的，与工作目标 有关。 2）所使用的表达方式。此即手段，其本身就 是一个庞大的工程规则体系。 电力系统需要表达的主要内

5、容 1）电力系统结构，简称结构描述。结构描述 是对电力系统固有属性的静态描述。 2）电力系统的运行状态，简称运行状态描述。 运行状态描述是对电力系统工作情况的动态描述。 电力系统常用的表达形式 1）语言表达。通过语言描述系统的属性和 （或）状态。 2）图形表达。主要用于结构描述。 3）公式表达。主要用于各参量间相互关系的 描述。 4）图表表达。主要用于参量关系的直观描述， 或数据的罗列。 1.2.1 内容表达之一结构描述 以下着重介绍一次系统的描述。 结构描述由网络拓扑、元件设置和结构参数 等三个方面构成。 元件：指电气设备和电力线缆 1、一次系统单线结线图 单线结线图是描述网络拓扑与元件设置

6、的最 常用方式。 单线结线图属于简图（diagram）范畴，与 电路接线图有所不同。 单线结线图主要表达 系统各组成部分的相 互关系而非电路连接。 单线接线图分为两类： 电气结线图（按 功能布局的简图）， 如各种系统图。 位置结线图（按 位置布置的简图）， 如地理结线图、配电 平面图等。 QF L2L1L3 QF TT 电路接线图单线结线图 电气结线图示例1变配电所主结线 #2电源进线#1电源进线 I段母线负荷侧馈线II段母线负荷侧馈线 母线I段母线II段 电气结线图示例2配电箱系统图 位置结线图示例1地理结线图 至X亭 至X苏至X水 至X江 至X沟 至X洲 500kV变电所 220kV变电所

7、 220kV开关站 城市发电厂 220kV输电线路 500kV输电线路 图例 位置结线图示例2照明平面图 2、结构参数 结构参数是结构描述的另一项重要内容，分 为电参数与非电参数两类。 电参数：主要表达各元件的电气性能，如额 定电压、额定容量等。 非电参数：元件的重量、几何尺寸、位置坐 标等。 通常通过在电气图上标注的方式表达结构参 数。 1.2.2 内容表达之二运行状态描述 1、运行状态划分 根据不同的标准，有不同的运行状态划分方 法。业界对运行状态表述不尽一致，应重在领会 其实质而非执着于术语。 1）按系统状态偏离设定状态的程度与后果分 分类。 正常运行状态 不正常运行状态 故障状态 2）

8、按状态的持续性分类。 稳态，动态而非静态 暂态，又分为电磁暂态和机电暂态 以上两种不同标准的分类，各类别之间并无 严格的对应关系，如： 稳态不一定是正常运行状态，过载运行就是 一种稳态。 暂态不一定是故障状态，励磁调节、频率调 节、功率角调节等都会产生暂态。 将暂态等同于故障状态，一般指的是不可自 行恢复稳定的暂态。 2、运行状态描述 系统的运行状态一般都是由运行参数来描述 的。 运行参数既有电压、电流、功率、频率、功 率因数、相位等模拟量，又有开关电器状态等数 字量。 3、辩异“本构参数”与“运行参数”。 这是一个普遍性问题。 本构参数：由对象的结构、材料、尺寸、制 造工艺等决定的反映对象自

9、身特性的参数，是静 态参数。如额定电压、堵转电流等。 运行参数：与对象工作状态相对应的某些物 理量量值，是动态参数。如负载率、电压降落等。 相互关系：可用“体”与“用”、能力与出 力的关系等角度去理解。 以电动机额定功率和运行输出功率为例辨识 其异同。 结构描述中的“结构参数”，就是一系列本 构参数的集合。 1.2.3 表达手段及基本要素 1、常用表达手段 图、图表、公式、语言、模拟与数字仿真等。 2、表达的基本要素 术语与符号。 1）术语。指表明对象类别、特征、工作状态 等的技术词汇。 术语有严格定义的，也有约定俗成的。工程 中常有边界模糊（外延交集不为空集）的术语运 用，应注意甄别。 2）

10、图用符号 用图来表达电力系统时会用到图用符号，包 括图用图形符号和图用文字符号。相关新国标在 1993年开始实施，基本与IEC标准一致，与我国 长期习惯的表达方式有较大的差异。 3）参量符号 以西文表示，遵守国家标准或业界习惯。 下标应用：下标表示参量的属性和（或）所 指对象，属性列前、对象列后，中间用“”分隔。 S31 U I S S 12 23 I I V W U U N V W U U T S QF1QF2 i sh M i sh s I a 三相电路表达示例 符号应用示例 第3节 电力系统标准电压 N H L r max U U U U U 系统标称电压 系统 系统最高电压 系统最低电

11、压标准电压 设备额定电压 设备 设备最高电压 重点介绍系统标称电压和设备额定电压 体系简介（GB156-2007） 1.3.1 为什么规定不同的电压等级 1、为什么需要不同的电压 核心：损耗问题。损耗与电压平方成反比。 衍生：安全与造价问题。电压高损耗小，但 不安全，绝缘投资大，占用更大的空间。 因此，在电力系统的不同环节，以及针对不 同的传输功率与距离，对应有技术经济合理的不 同电压值。 2、为什么要划分电压等级 工程体系配合的需要，标准化的结果。 如何划分电压等级基础性课题，涉及 面广，关联性复杂，还要考虑历史沿革与工程现 状。 划分电压等级的结果标准电压体系。 1.3.2 标准电压及其解

12、读 电力系电力系 统标称统标称 电压电压 UN /kV 用电设用电设 备额定备额定 电压电压 UrE/kV 发电机发电机 额定电额定电 压压 UrG/kV 变压器额定电压变压器额定电压/kV系统平系统平 均电压均电压 Uav/kV 一次绕组一次绕组Ur1T二次绕组二次绕组Ur2T 0.380.380.400.380.400.40 0.660.660.690.660.690.69 333.1533.153.153.33.15 666.366.36.36.66.3 101010.51010.510.51110.5 13.813.8 15.7515.75 1818 2020 35353538.537

13、 66666672.669 110110110121115 1、系统标称电压UN（Nominal Voltage of System） 用以标志或识别系统电压等级的给定值。它 是制定系统运行电压（运行参数）及设备额定电 压（本构参数）等参数的依据性基础量值。 1kV以下： 低压； 135kV（不含）： 中压； 35220kV： 高压； 3301000kV（不含）： 超高压； 1000kV及以上： 特高压 2、设备额定电压Ur（Rated Voltage of Equipment） 规定设备电压工况的参量。设备在该电压下 工作，能达到最佳的技术性能和经济指标。 问题：Ur与UN应该满足什么样的关

14、系？这些 关系的背后存在什么样的道理？ 1）理论上，用电设备的Ur应与其安装点运行 电压Uop相等，安装点运行电压Uop又应与所在电 网的标称电压UN相等，以期运行于最佳电压工况。 但实际上，安装点的运行电压Uop大多数情况下不 等于UN，原因如下。 电网运行电压沿线路的分布示意 电网运行电压Uop是一个位置的函数，一般首端电压高 于末端电压，且只有一个点上运行电压等于系统标称 电压。因此即使UrEUN，也达不到最佳电压工况。 变压器 负荷侧 线路 U / U l N 1.05 0.95 电源侧 op 2）用电设备额定电压UrE。标准规定：用电设 备额定电压UrEUN，同时规定允许有5的运 行

15、电压偏差，即Uop允许在95105UN间，因 此，线路电压损失不应超过10（见上页图）。 10%的线路电压损失，有5靠末端用电设 备负偏差消化，另5则需要首端电源电压正偏差 来补偿，由此规定出发电机的额定电压。 3）发电机额定电压UrG。标准规定：发电机额 定电压UrG1.05UN。 4）以上是一个通过合理制定技术标准来化解 技术矛盾的典型例子，请用心体会。 关键点：运行电压Uop。（标准中的影子参量） 5）变压器额定电压的制定。变压器一次绕组 接受电能，相当于用电设备；二次绕组输出电能， 相当于发电设备。因此标准规定如下。 Ur1T1.0UN Ur2T1.1UN 为什么不是为什么不是1.05

16、? 变压器额定电压规定为空载电压，变压器额定电压规定为空载电压， 满负载时变压器本身有约满负载时变压器本身有约5的的 电压损失，因此，电压损失，因此，1.1倍的电压提倍的电压提 升，对线路电压损失的补偿量正升，对线路电压损失的补偿量正 好约为好约为5，与发电机相当。，与发电机相当。 特殊情况规定： Ur1T1.05UN Ur2T1.05UN 第一个式子是升压变压器直接与发电机连接 时所应采用的额定电压； 第二个式子是配电变压器与负荷相距很近时， 因不考虑补偿线路电压损失而应采用的额定电压。 3、系统平均电压Uav 是一个供计算用的近似量值。标准规定：Uav 1.05UN 。 小结 1）设备额定

17、电压只是标准电压的一个组成部 分，现很多教材在这个问题上有概念错误。应全 面理解标准电压。 2）通过对本节的学习，对技术标准的制定有 一个初步的了解，初步建立“体系”、“配合”、 “标准化”等概念。 3）掌握系统标称电压、设备额定电压的概念及 相互关系，熟记标称电压和平均电压量值。 第4节 电力负荷 1.4.1 电力负荷的含义 根据其出现的场合，术语“电力负荷”可能 有不同的含义，通常指以下几种含义中的一种， 也可以是以下几种含义的统称。 1、用电设备 将电能转化成其他形式能量的设备都可看作 是用电设备。 等等 热能）电热设备（电能 机械能）动力设备（电能 光能）照明设备（电能 ）高压用电设备

18、（ 以下）低压用电设备（ kV101 V1000 按能量转换的形式可作如下分类： 按额定电压可作如下分类： 实际上是中压设备，实际上是中压设备， 但用电设备一般不使但用电设备一般不使 用用35kV及以上高压，因及以上高压，因 此习惯称高压用电设备，此习惯称高压用电设备， 取其区别于低压之意。取其区别于低压之意。 2、用电负荷 指用电设备需要的有功与无功功率。 用电负荷是从功率需求角度出发给用电设备 （群）建立的数学模型，为二维向量（P，Q）。 3、电力用户 指电能的合法使用者。一般分为低压用户、 中压用户和高压用户。 电力用户的规模差异很大。 指用电负荷量值指用电负荷量值 和分布区域大小和分布

19、区域大小 1.4.2 负荷等级 按电力负荷对供电可靠性的要求，可将其划 分为3个等级，由高到底分别为一级、二级和三级 负荷。 一级负荷中还有一个小类，叫一级负荷中特 别重要的负荷，其对供电可靠性的要求最高。 确定负荷等级的过程叫负荷分级，是工程实 践中一项特别重要的工作。 第5节 城市电网与供配电系统 城网、农网、电气化铁路网等都是负荷中心电网， 具有受端网的特征。供配电系统是受端网的最末 部分。 本节在介绍城网的基础上，引出供配电系统的概 念。 从城网为出发，向上可深入到区域大电网，向下 可延伸至用户网，是理解电力系统的一个很好的 切入点。 1.5.1 城市电网电源与供电设施 1、城网电源

20、城市发电厂（生产电能），电源变电所（接 受域外输入的电能）。 新技术动态：分布式发电技术，使得一些用 户自备发电站也成为城市电网电源。 2、城网供电设施 1）城市变电所。指起变换电压等级、并起集 中和分配电能作用的供电设施。 2）开关站。起接受和分配电能作用的配电设 施，又称开闭所，不变换电压等级。 3）公用变配电所。向低压电力用户供电的变 配电所，与城市变电所原理类同，但在城网中所 处地位不同。 “公用”一词对应于“专用”。专用变配电 所指用户自己建设运行的变配电所，而公用变配 电所是供电企业建设运行的。 城市变电所城市变电所 户户 外外 杆杆 上上 公公 用用 变变 电电 所所 组合式成套

21、专用组合式成套专用 变电站变电站 高压室高压室变压器室变压器室低压室低压室 低压配电网 中压配电网 高压配电网 配电网 高骨干网），电压等级最送电网（又称主网架、 城网 1.5.2 城市电网结构与电压等级 城网是为城市送电和配电的各级电网的总 称，它服务于一座城市的市区及所属（部分）郊 区 220kV 枢纽电源变电所 220kV 20kV 220kV 110kV110kV110kV 枢纽变电所 城市发电厂 市域外电源进线 区域变电所 110kV 35kV10kV 220kV 公用变配电所 开闭所 35kV 10kV 用户变配电所 380/220V 380/220V 送电网（主网架） 高压配电网

22、 低压配电网 中压配电网 10kV 220kV环式主网架 城网简化模型城网简化模型 1、送电网 送电网是城网中电压等级最高的电网，大城 市多已达到500kV，一般城市为220kV。 送电网要求成环状网，一般要求成双环。 送电网上功率（潮流）可双向输送，有调度 作用。 送电网上的城市变电所称为枢纽变电所。枢 纽变电所中，接受域外电能或城市发电厂电能的 变电所称为电源变电所。 重庆地区送电网示意 标称电压标称电压/kV传输方传输方 式式 输送容量输送容量输送距离输送距离/km 0.22架空线50kW0.15 电缆线100 kW0.2 0.38架空线100 kW0.25 电缆线170 kW0.35

23、10架空线3000 kW515 电缆线5000 kW10 110架空线1050MW50150 220架空线100500 MW100300 500架空线10001500 MW150850 线路输送距离与容量的合理范围 电压等级电压等级单台主变容量（单台主变容量（MVA）主变台数主变台数占地面积（占地面积（m2） 500kV500、750、1000、15002约100000（户外式） 220kV90、120、150、18023800030000（户外式） 110kV31.5、40、50、630238001500（户内式） 城网变电站容量及占地面积 城市负荷密度：闹市区10120MW/km2 特大城

24、市高峰负荷几千MW，少数上万MW 2、高压配电网 枢纽变电所二次出线至区域变电所之间的电 网，称为高压配电网，简称高配网。 500kV送电电压的城网中，高配网电压一般 为220kV和110kV；220kV送电电压城网中，高配 网电压一般为110kV和35kV。 高配网功率一般只单向流动，但也可能部分 参与潮流调度（应尽量避免）。 区域变电所是城市中一个较小范围的公共供 电设施，供电半径在主城区一般不超过10km。 按城市用地40MW/kM2负荷密度估算，若 110kV区域变电所容量为2x50MVA，则110kV区 域变电所供电范围仅2kM2左右。 现特大城市已开始将新建的市中心主力区域 变电所电压提升到220kV，以扩大区域变电所的 服务范围。但若直降至10kV，会导致出线回路过 多。 3、中压配电网 从区域变电所二次出线，到公用或专用变配 电所间的电网，叫中压配电网