电力系统与用电安全课件

电力系统与用电安全欢迎参加电力系统与用电安全专题培训本课程将全面介绍电力系统的基本构成、工作原理以及用电安全的关键知识电力是现代社会的命脉，支撑着我们日常生活和工业生产的方方面面了解电力系统及用电安全知识，不仅能够使我们更好地利用电能，更能有效预防电气事故，保障人身安全让我们一起学习如何安全、高效地使用电力，共同构建更加安全的用电环境课程概述电力系统基础了解电力系统的定义、组成部分及其相互关系，掌握电力系统的基本原理和运行特性发电与输电探索不同的发电方式及其工作原理，了解高压输电的必要性和输电网络的构成要素配电系统学习配电网络的结构类型、设备特点及供电质量管理，理解配电自动化技术的应用用电安全原则与措施掌握安全用电的基本原则、防护措施和相关设备的使用，了解电气事故的应急处理方法电力系统简介定义与组成电力系统的重要性电力系统是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成电力系统是国民经济的基础设施，支撑着社会生产和生活的完整网络它以电能的生产、传输和分配为主要功能，的各个方面它的可靠性直接关系到国家经济安全和人民构成了一个复杂而精密的有机整体生活质量现代电力系统通常包括发电厂、升压变电站、高压输电线随着社会数字化转型的深入，电力系统在能源转型、智能路、降压变电站、配电网络以及终端用电设备城市建设和关键基础设施保障中扮演着越来越重要的角色电力系统发展历史早期探索（1880年代）1爱迪生建立世界首个商业发电站，开启了电力商业化的历程最初的电力系统规模小，主要采用直流供电，传输距离有限交流系统发展（1890-1920年代）2特斯拉和西屋公司推动交流电系统的发展，解决了长距离输电问题这一时期电网规模逐渐扩大，形成区域性电力系统电网互联（1930-1980年代）3各区域电网开始互联，形成国家级电网超高压输电技术取得突破，使远距离大容量输电成为可能，电力系统的规模和复杂度大幅提高智能电网时代（1990年至今）4电力电子技术、信息技术与电力系统深度融合，智能电网建设全面推进可再生能源并网规模扩大，电力市场改革不断深化现代电力系统特点大规模互联智能化趋势现代电力系统实现了跨区域、跨国甚电力系统正朝着数字化、智能化方向至跨大陆的互联运行，形成了庞大复快速发展智能电表、配电自动化、杂的网络结构这种互联特性提高了电力物联网等技术广泛应用，使电网系统的可靠性和经济性，使得电力资运行更加高效、可靠源可以在更大范围内优化配置人工智能、大数据分析技术在电网调以中国为例，已建成包含特高压骨干度、负荷预测、故障诊断等领域的应网架的坚强智能电网，实现了大规模用，大幅提升了电网的智能化水平和能源在全国范围内的优化配置运行效率绿色低碳转型为应对气候变化挑战，电力系统正加速向绿色低碳方向转型可再生能源发电比例持续提高，电网结构和运行模式发生深刻变化新型电力系统建设成为能源转型的核心，以清洁能源为主体、源网荷储协调发展的新格局正在形成发电原理能量输入能量转换各类一次能源（如煤炭、水能、核燃料、1将一次能源转换为机械能，如热能转化为太阳能等）输入发电系统2蒸汽推动汽轮机旋转电能输出电磁感应4产生的电能经过变压器升压后输送到电网利用法拉第电磁感应定律，当导体在磁场3，供用户使用中切割磁力线时产生感应电流发电是将各种形式的能源转换为电能的过程无论何种发电方式，其核心原理都是基于电磁感应定律当导体在磁场中做切割磁力线的运动时，导体中会产生感应电动势现代发电技术种类繁多，包括火力发电、水力发电、核能发电、风力发电、太阳能发电等，它们在能量转换的第一步存在差异，但最终都通过发电机将机械能转换为电能火力发电发电机发电汽轮机旋转汽轮机带动发电机转子旋转，通过水蒸气产生高温高压蒸汽推动汽轮机旋转，热电磁感应原理产生电能大型火电燃料燃烧燃料燃烧产生的热能将锅炉中的水能转化为机械能先进的三缸四排机组容量可达1000MW以上煤炭、天然气等燃料在锅炉中燃烧加热成高温高压蒸汽超临界锅炉汽轮机效率可达40%以上，释放化学能转化为热能现代火可使蒸汽达到

22.1MPa、566°C以上的电厂多采用高效粉煤燃烧技术，提参数高燃烧效率火力发电是当前我国最主要的发电方式之一，其优点是技术成熟、供电稳定、调峰能力强；缺点是环境污染问题突出，效率相对较低随着超低排放技术的应用，现代火电厂的环保水平已大幅提高水力发电水库式水电站引水式水电站抽水蓄能电站通过修建大坝形成水库，利用水库水利用天然河流落差，通过引水建筑物利用电力负荷低谷时的电能抽水至上位与下游水位的落差发电具有调节将水引至水轮机发电一般建在山区水库，高峰时放水发电兼具发电和性能好、发电量大的特点，代表工程河流上，对环境影响较小，但发电量调峰双重功能，在现代电网中扮演着有三峡水电站、溪洛渡水电站等受自然来水限制电网稳定器的角色水力发电是利用水的势能转化为电能的清洁能源利用方式其优点是无污染、可再生、调节性能好；缺点包括对生态环境有一定影响，特别是大型水电工程可能导致移民、改变河流生态系统等问题核能发电核反应原理核电站类型安全措施123核能发电利用核裂变反应释放的热能目前运行的核电站主要有压水堆、沸核电站采用纵深防御安全理念，设产生电力铀-235等重核原子核在中水堆、重水堆等类型我国以压水堆置多道独立安全屏障包括燃料包壳子轰击下发生裂变，释放出大量能量为主，包括引进的法国M

310、俄罗斯、冷却系统压力边界、安全壳等多重同时产生新的中子，形成链式反应VVER、美国AP1000，以及自主研发的保护现代核电站还配备非能动安全这种反应在核反应堆内受控进行，释华龙一号等第四代核电技术如熔盐系统，即使完全失去电源也能依靠重放的热能用于加热水产生蒸汽，推动堆、高温气冷堆等正在研发中力、自然循环等物理特性确保安全冷汽轮机转动发电却可再生能源发电太阳能发电风力发电生物质能发电太阳能发电主要包括光风力发电利用风能推动生物质能发电利用农林伏发电和光热发电两种风车叶片旋转，带动发废弃物、城市生活垃圾形式光伏发电利用硅电机发电根据建设场等有机物质转化为能源材料的光生伏特效应直地不同，分为陆上风电其形式包括直接燃烧接将光能转化为电能；和海上风电现代大型发电、气化发电和沼气光热发电则通过聚焦太风力发电机单机容量已发电等阳光产生高温，再通过达到以上10MW生物质能的优势在于资传统热力循环发电我国风电装机容量领先源分布广泛，且可实现我国已建成多个大型光全球，已形成三北陆碳循环，被视为理想的伏电站，如青海共和基上和沿海海上风电基地分布式能源形式地、宁夏中卫基地等，格局单体装机规模达吉瓦级输电系统概述电力系统支柱1连接发电与用电的关键环节高压输电必要性2降低损耗，提高经济传输距离电网结构3主干网和区域网分层结构运行管理4调度控制，确保安全稳定输电系统是电力系统的核心部分，负责将大型发电厂生产的电能输送到负荷中心由于发电厂通常建在远离用电负荷中心的地方，需要通过高压输电线路实现远距离电力传输采用高电压输电的主要原因是可以减少线路损耗根据焦耳定律，在传输相同功率的情况下，提高电压可以降低电流，从而减少导线中的热损耗，提高输电效率和经济传输距离输电线路架空线路地下电缆架空线路是最常见的输电方式，由电线、绝缘子、杆塔和地下电缆主要用于城市密集区、跨越重要设施或环境敏感金具等部件组成根据电压等级不同，架构形式各异，从地区的输电现代高压电缆多采用交联聚乙烯绝缘材料，简单的单回路到复杂的多回路结构具有良好的绝缘性能和机械强度中国已建成多条特高压直流和特高压交流输电与架空线相比，地下电缆具有不受气象影响、美观环保、±800kV1000kV线路，创造了输电电压等级和输送容量的世界纪录占地少的优点；但造价高、散热条件差、故障查找修复难度大架空线路的优点是造价相对较低，维护方便；缺点是占地面积大，易受气象条件影响随着城市化进程加快，地下电缆在配电网中的应用比例不断提高，部分发达城市核心区已实现配电网全电缆化变电站变电站是电力系统中的关键节点，主要功能包括电压变换、电能分配、系统保护和无功补偿等根据用途不同，可分为升压站、降压站和配电站现代变电站主要设备包括变压器、断路器、隔离开关、互感器、避雷器等随着技术发展，气体绝缘金属封闭开关设备、智能化GIS二次设备广泛应用，大幅减少了变电站占地面积，提高了运行可靠性智能变电站采用先进的信息、通信技术和传感技术，实现设备状态全面感知、信息高效处理和系统灵活控制，是现代电网的重要组成部分电力变压器基本原理1基于电磁感应定律，通过两个线圈的耦合实现电压变换核心构造2铁芯、绕组、绝缘、冷却系统和保护装置主要类型3按冷却方式、绝缘介质和用途分类关键性能4容量、阻抗、损耗和温升等指标电力变压器是电力系统中实现电压转换的核心设备，其工作原理基于法拉第电磁感应定律当初级线圈中通过交变电流时，在铁芯中产生交变磁通，继而在次级线圈中感应出电压初、次级电压之比与线圈匝数之比成正比现代电力变压器种类繁多，包括油浸式变压器、干式变压器、特高压变压器等大型电力变压器采用强迫油循环风冷或水冷方式，单台容量可达1000MVA以上，是电力系统中最昂贵和最关键的设备之一输电系统保护继电保护避雷器继电保护是电力系统的安全卫士，能够避雷器是保护电力设备免受雷电和操作快速检测并隔离故障，防止故障扩大过电压损害的关键设备当系统出现过现代继电保护装置主要采用微处理器技电压时，避雷器能迅速导通，将过电压术，通过电流、电压等电气量的采集和能量泄放至地，保护设备安全分析，判断系统是否发生故障现代避雷器多采用金属氧化物（MOA）材常见的继电保护类型包括距离保护、料，具有良好的非线性伏安特性和能量差动保护、过电流保护等不同的保护吸收能力在各类变电站和输电线路中方式适用于不同的电力设备和故障类型，避雷器是必不可少的过电压保护设备自动装置电网自动装置包括自动重合闸、自动调压、自动解列等，能在系统发生异常时自动采取措施，维持系统稳定运行或快速恢复供电例如，自动重合闸装置能在线路跳闸后自动重新合闸，对于瞬时性故障可立即恢复供电，大大提高了电网供电可靠性配电系统简介定义与功能与输电系统的区别配电系统是电力系统中负责将电能从变电站输送到各类终配电系统与输电系统在电压等级、网络结构、保护方式等端用户的部分，是电力系统与用户直接接触的环节配电方面存在明显差异输电系统电压等级高（及以上）110kV系统的首要功能是安全、可靠、经济地向用户提供合格的，主要采用网络结构；而配电系统电压较低（为10kV/

0.4kV电能主），多采用放射状或环网结构此外，现代配电系统还承担着电能质量管理、分布式能源输电线路长度长，输送容量大；配电线路长度短，但数量接入、需求侧响应等多种功能，是构建现代能源互联网的众多，覆盖面广输电系统注重远距离大容量输电能力，重要基础配电系统更关注供电可靠性和电能质量配电网络结构放射状结构环网结构网络结构放射状结构是配电网最基环网结构由多条线路首尾网络结构是最可靠的配电本的形式，从变电站向外相连形成环路，通常在正网结构，多条馈线通过联辐射出多条配电线路，每常运行时环路中某处断开络开关相互连接，形成网条线路独立供电，无相互，形成开环运行方式当状结构这种结构可以实连接这种结构简单明了线路发生故障时，可以通现多电源、多路径供电，，投资少，保护简单过调整环网开断点，使故任何一条线路故障都不会障点隔离，同时保证其他导致用户停电放射状结构的主要缺点是用户继续供电可靠性较低，一旦线路发由于结构复杂，投资高，生故障，该线路上的所有环网结构投资略高，但供保护配置难度大，网络结用户将停电，直到故障排电可靠性显著提高，适用构主要用于特别重要的负除因此，这种结构主要于城市及供电可靠性要求荷中心，如金融中心、数用于供电可靠性要求不高较高的地区现代城市配据中心等的农村地区电网多采用手拉手式环网结构配电变压器柱上变压器箱式变压器室内变压器柱上变压器是安装在电杆上的小容量配电变压箱式变压器将高压开关、变压器和低压配电装室内变压器安装在专门的变配电室内，用于大器，主要用于农村和城市郊区配电网典型容置集成在一个金属外壳内，形成一体化预装式型建筑、工业企业的供电容量通常较大，可量为50~200kVA，将10kV电压降至

0.4kV供居民和变电站典型容量为315~1600kVA，广泛应用于达2000kVA以上，常采用干式设计，减少火灾风小型工商业用户使用城市住宅小区、商业中心等场所险其特点是安装简便、占地少、成本低，但容量其优点是占地面积小、安装便捷、外观美观、室内变压器便于管理维护，可靠性高，但需要有限，主要适用于负荷密度较低的地区安全可靠，是现代城市配电网的主要配置专门的变电室，投资较大，主要用于负荷集中、要求高的场所配电变压器的容量选择需综合考虑负荷大小、增长趋势、经济性等因素，一般按照最大负荷的60-70%选择，既能满足用电需求，又避免长期轻载运行造成的经济性损失配电线路安装成本可靠性使用寿命配电线路是将电能从配电变压器输送到用户的关键通道根据安装方式，主要分为架空线和地下电缆两种形式架空线路多采用铝导线或铝合金导线，在农村和城乡结合部广泛应用为提高可靠性，近年来绝缘架空线应用增多，有效减少了外界环境干扰引起的短路故障地下电缆主要用于城市中心区、高档小区等场所，虽然投资成本较高，但具有安全可靠、美观环保的优势现代配电电缆多采用交联聚乙烯绝缘材料，具有绝缘性能好、阻燃、使用寿命长等优点随着电缆制造和铺设技术的进步，地下电缆在配电网中的占比不断提高配电自动化配电终端安装在配电线路关键节点的智能监测控制设备（DTU/FTU），能实时监测线路运行参数，执行远程控制命令通信网络采用光纤、无线等多种通信方式，构建可靠的数据传输通道，确保监测数据和控制指令的及时传递主站系统实现配电网可视化监控、故障分析与处理、负荷优化管理等功能，是配电网运行管理的大脑应用功能包括配电网拓扑分析、故障定位隔离、供电恢复优化、负荷管理等多种高级应用配电自动化是利用计算机技术、通信技术和自动控制技术对配电系统进行监测、控制和管理的系统其主要优势包括提高供电可靠性，缩短停电时间；优化网络运行，提高设备利用率；减少人工操作，降低运行维护成本；为分布式能源接入提供技术支持中国正大力推进配电自动化建设，已在大中城市基本实现全覆盖，农村地区逐步推广现代配电自动化逐步向配电物联网方向发展，与用户侧智能电表、智能家居等系统互联互通，形成全面感知、智能处理的智能配电网体系配电系统保护过电流保护接地保护自动重合闸过电流保护是配电系统最接地保护用于检测系统中自动重合闸装置能在线路基本的保护形式，用于检的接地故障，特别是单相跳闸后自动重新合闸，对测线路或设备中的过载和接地故障根据中性点接于暂时性故障可立即恢复短路电流当电流超过设地方式不同，采用零序电供电统计数据表明，配定值时，保护装置动作，流保护、零序电压保护或电线路中80%以上的故障是切断故障电路方向性接地保护等多种形暂时性的，采用自动重合式闸可显著提高供电可靠性现代配电网中，微机保护装置能实现多段过电流保在我国10kV配电网中，大护，并可根据不同运行工多采用小电阻接地方式，现代配电自动化系统集成况灵活调整整定值，大大单相接地故障不立即切除了先进的故障定位与隔离提高了保护的灵敏度和选，而是通过信号指示故障功能，能在故障发生后快择性存在，给运行人员留出查速实现故障区段隔离和非找故障的时间故障区段供电恢复，最大限度减少停电范围和时间供电质量电压波动与闪变谐波问题12电压波动是指电网电压幅值的随机变化或一谐波是指频率为基波频率整数倍的正弦电量系列变化，其中幅值变化不超过允许电压偏随着各类电力电子设备和非线性负载的广差的范围当波动频率在1-10Hz范围内时，泛应用，谐波污染日益严重谐波会导致电会引起照明灯具的闪变，对人的视觉产生不气设备过热、保护误动作、通信干扰等多种舒适感电压波动主要由大功率波动性负荷危害如电弧炉、轧钢机、电焊机等引起对谐波的控制主要采取两方面措施一是控制谐波源，在设备设计阶段采取减小谐波的中国电力行业标准规定，电压波动应控制在技术；二是采用谐波滤波装置，将产生的谐额定电压的±5%以内，闪变严重度指标应满波就地消除国家标准对各次谐波含量和总足相应限值要求减少电压波动的措施包括谐波畸变率都有明确限值规定增强电网供电能力、采用静止无功补偿器等电压暂降与中断3电压暂降是指电网电压在短时间内降低后又恢复的现象，通常由系统短路故障、大型电动机启动等原因引起对于计算机、PLC等敏感设备，即使很短时间的电压暂降也可能导致误动作或停机针对电压暂降问题，可采用不间断电源UPS、动态电压恢复装置DVR等设备进行保护提高电网供电能力和自动化水平，也是减少电压暂降和供电中断的重要措施智能配电网95%30%供电可靠率线损率降低智能配电网通过自动化技术和智能设备，显著提高通过精准计量、状态监测、负荷管理等技术手段，供电可靠性，城市地区年平均供电可靠率达到

99.99%智能配电网能有效降低线路损耗，平均配电网线损以上，平均故障停电时间低于10分钟率降低约30%60%运维效率提升通过远程监测、故障定位、状态检修等技术手段，智能配电网运维效率大幅提升，人工巡检工作量减少60%以上智能配电网是以物联网、云计算、大数据、人工智能等新技术为支撑，具有感知、分析、控制、决策能力的新型配电网络其特点包括全面感知、自愈恢复、互动服务、智能运维等智能配电网是能源互联网的重要基础，也是电力系统转型升级的关键环节中国正在大力推进智能配电网建设，制定了十四五智能配电网建设行动计划，计划到2025年基本建成结构合理、智能高效的智能配电网络配电损耗管理线路损耗变压器损耗接触损耗计量损耗其他损耗配电损耗管理是配电系统运行经济性的重要指标配电网损耗主要包括技术损耗和管理损耗两大类技术损耗是指电能在传输过程中不可避免的物理损耗，包括线路损耗、变压器损耗等；管理损耗则主要指由于计量不准确、窃电等因素造成的电量损失降低配电损耗的主要措施包括优化网络结构，合理布点变电设施；采用节能型变压器，控制变压器经济运行；配置无功补偿装置，提高功率因数；加强计量管理，防止窃电现象；实施三相负荷平衡，减少中性线电流中国的配电网平均线损率约为6-7%，先进地区已降至5%以下配电系统维护日常巡检定期对配电设备进行外观检查、红外测温和局部放电检测，及时发现设备异常状况智能巡检机器人和无人机巡检技术正逐步推广应用状态监测通过在线监测装置实时掌握设备运行状态，收集变压器油温、局部放电、负荷电流等关键参数，建立设备健康档案预防性试验定期进行绝缘电阻测试、介质损耗测量、接地电阻检测等专业试验，评估设备绝缘性能和安全状况预防性维护根据设备状态和运行时间，有计划地进行部件更换、油质净化、接点处理等维护工作，延长设备使用寿命配电系统维护是保障电力安全可靠供应的关键环节现代配电系统维护正从传统的计划检修向状态检修转变，即根据设备实际状况确定维护策略，既避免了过度维护造成的资源浪费，也防止了维护不足导致的设备故障大数据、人工智能等技术在配电维护中的应用，使设备故障预测和健康管理成为可能例如，通过分析变压器油中溶解气体的变化趋势，可提前预测潜在故障，实现由被动检修向主动预防转变用电安全概述设备安全供电可靠性人身安全防止电气设备由于过载、短路、绝确保持续稳定供电，尤其对医院、缘老化等原因损坏或引发事故良数据中心等重要场所临时断电可防止触电伤害和电气火灾事故，保好的电气设备维护和保护措施是保能导致严重后果，因此需配备应急环境安全障生命安全电气安全事故往往突障用电安全的基础电源和不间断电源装置发性强、后果严重，必须高度重视降低电磁辐射、噪声等对环境的影预防工作中国每年因电气原因导响，减少电气设备对生态环境的破致的人身伤亡和火灾事故仍然较多坏现代用电安全理念已扩展到对环境友好和可持续发展2314用电安全是电力系统末端的重要环节，直接关系到人民生命财产安全常见的电气危险包括触电伤害、电气火灾、电气爆炸、电磁辐射等仅在中国，每年因电气原因造成的火灾就占到火灾总数的30%左右，造成巨大的经济损失触电危害人体电阻是决定触电危险程度的关键因素人体电阻主要由皮肤电阻和内部组织电阻组成，其中皮肤电阻占主导地位如图表所示，皮肤电阻与湿度密切相关，潮湿环境下人体电阻显著降低，触电危险大幅增加电流对人体的影响程度取决于电流大小、通过时间和通过路径一般来说，50Hz交流电流的危险程度为10mA以下感觉电流，可自行摆脱；10-30mA强直电流，肌肉收缩不能自行摆脱；30-50mA呼吸困难电流；50mA以上心室纤颤电流，可导致死亡当电流通过心脏时，危险性最大触电类型直接接触触电间接接触触电直接接触触电是指人体直接接触带电体而发生的触电事故间接接触触电是指由于电气设备绝缘损坏，使设备外壳或这种情况主要发生在电气设备维修不断电操作、带电作其他导体带电，人接触这些意外带电的部分而发生触电业防护不当、误触裸露带电部分等情况下这种情况更为隐蔽，往往是在使用者毫无防备的情况下发生防止直接接触触电的主要措施包括使用绝缘工具和防护装备；正确穿戴绝缘手套、绝缘鞋；确保设备检修前完全防止间接接触触电的主要措施包括设备外壳可靠接地或断电并验电；采用安全电压（或更低）；设置防护罩、接零；使用漏电保护器；采用双重绝缘设备；实施等电位36V栅栏和警示标志等连接；定期检查和维护电气设备绝缘性能等现代家庭和工业用电中，漏电保护器的广泛应用大大降低了间接接触触电的风险电气火灾过载引发火灾短路引发火灾接触电阻过大引发火灾电气线路或设备长时间由于线路绝缘损坏、机电气连接点接触不良，过载运行，导致温度升械损伤或潮湿导致相线如插座与插头接触不良高，绝缘材料老化，最之间或相线与地线间发、导线连接松动等，产终引发火灾常见于电生短路，产生高温电弧生局部高温，引燃周围器集中使用、私拉乱接引燃周围可燃物短路可燃物这类火灾比较电线、使用大功率电器电流巨大，能迅速产生隐蔽，往往在无人注意但线路未同步升级等情高温，是最常见的电气的情况下逐渐发展况火灾原因防范措施确保电气连防范措施合理配置电防范措施使用合格电接牢固，定期检查插座气线路容量，使用正确线，避免电线机械损伤、开关、接线端子等连规格的保护器件，避免，保持干燥环境，安装接部位，及时更换老化多个大功率电器共用一短路保护装置如断路器变形的插座和插头个线路等安全电压环境类型交流安全电压直流安全电压干燥环境36V100V潮湿环境24V60V特别潮湿环境12V36V水中作业6V15V锅炉、金属容器内作业12V30V安全电压是指在一定环境条件下，人体接触时不会发生电击伤害的电压安全电压的具体值与环境条件密切相关，因为环境湿度影响人体电阻，进而影响通过人体的电流大小安全电压通常通过隔离变压器获得，而不是直接从电网中获取在施工现场、维修车间等地，应配备安全电压变压器，为手持电动工具和照明设备提供安全电源家庭环境中，浴室等潮湿场所的电器应使用24V或12V的安全电压在教学实验室中，通常配置有36V或更低的安全电压电源。