《电力系统教学课件：供配电系统的基础知识》

供配电系统的基础知识欢迎学习供配电系统的基础知识本课程将全面介绍电力系统的组成、工作原理以及供配电系统的关键概念我们将从电力系统的概述开始，逐步深入到供电和配电系统的各个方面，包括电力基础知识、系统运行与管理，以及节能与新技术应用通过本课程，您将获得对现代电力系统的全面理解，掌握供配电系统的设计、运行和管理的基本原则，为从事电力工程相关工作奠定坚实基础第一部分电力系统概述发电1电力系统的起点，将各种一次能源转换为电能的场所包括传统的火力、水力、核能发电以及新兴的风能、太阳能等可再生能源发电方式输电2通过高压输电线路将电能从发电厂输送到负荷中心的过程采用高电压可以减少线路损耗，提高输电效率，是电力系统的重要环节变电3通过变电所中的变压器实现电压的升降，优化电能传输及分配的过程变电环节在电力系统中起到承上启下的重要作用配电与用电4通过配电网络将电能分配给各类用户的过程，以及用户最终利用电能的环节配电是连接电力系统与最终用户的桥梁电力系统的定义系统整体性能量转换过程实时平衡特性电力系统是一个有机整体，包括发电、输电力系统实质上是一个能量转换、传输和电力系统的一个重要特点是电能生产与消电、变电、配电和用电五个环节这些环利用的系统从一次能源（如煤炭、水力、费必须实时平衡不同于其他能源，电能节紧密相连，形成一个完整的电能生产、风能等）转换为电能，再通过电网输送到难以大规模储存，因此系统必须时刻保持传输和消费系统任何一个环节出现问题用户，最终转换为各种形式的能量（如光、发电量与用电量的平衡，这是电力系统运都可能影响整个系统的正常运行热、动力等）为人类服务行的基本原则电力系统的组成发电厂电力网发电厂是电力系统的源头，负责将电力网是连接发电厂与用户的纽带，一次能源转换为电能根据能源类包括输电线路、变电所和配电网络型不同，有火力发电厂、水力发电电力网负责电能的传输和分配，确厂、核能发电厂以及各种新能源发保电能高效、可靠地从发电厂输送电厂发电厂的规模、类型和地理到各类用户电力网的结构和参数分布对电力系统的结构和运行有重决定了系统的输电能力和可靠性要影响电能用户电能用户是电能的最终消费者，包括工业、商业、居民和农业用户等不同类型的用户有不同的用电特性和需求，这些特性和需求影响着电力系统的规划、设计和运行用户侧的需求管理也是电力系统管理的重要部分发电厂的类型发电厂是电力系统的心脏，负责将各种一次能源转换为电能火力发电厂利用煤、油、气等化石燃料产生热能再转换为电能，仍是我国的主力电源水力发电厂利用水的势能转换为电能，具有清洁、可再生的特点核能发电厂利用核裂变产生的热能发电，具有高效、低碳的优势近年来，风能、太阳能等新能源发电快速发展，在电力系统中的比重不断提高电力网的构成输电线路输电线路是电力网的动脉，负责将电能从发电厂输送到负荷中心根据电压等级和结构不同，分为架空线路和电缆线路高压输电线路通常采用架空方式，以降低成本，而在城市密集区则多采用地下电缆输电线路的容量和可靠性直接影响电力系统的运行效率变电所变电所是电力网的枢纽，主要功能是进行电压转换和电能分配通过变压器将高电压降低或将低电压升高，以适应输电和配电的需要变电所还配备了各种开关设备和保护装置，用于控制电能流向和保护系统安全变电所的规模和配置根据其在电网中的位置和功能而定配电网络配电网络负责将电能从变电所分配到各个终端用户它包括中压配电线路、配电变压器和低压配电线路配电网络通常采用放射状、环网或网状结构，以满足不同地区和不同用户的供电需求配电网络的设计需要考虑负荷密度、供电可靠性要求以及经济性等因素电能用户的分类工业用户商业用户居民用户工业用户是电力系统最大的用电群体，商业用户包括商场、办公楼、宾馆、居民用户是数量最多的用电群体，包包括钢铁、化工、机械等各类工业企医院等公共服务场所其特点是用电括城市和农村的家庭住户其特点是业其特点是用电量大、负荷率高、相对集中、昼夜用电差异大、对供电单户用电量小但总量大、季节性和时对供电可靠性要求高大型工业企业质量要求高商业用户通常从中压或段性变化明显居民用电主要集中在通常直接从高压电网接电，并可能拥低压配电网接电，其用电高峰往往与早晚和节假日，对整个电力系统的负有自己的变电站工业用户的用电特工作时间和营业时间相一致，形成典荷曲线有显著影响随着生活水平提性对电力系统的负荷规划和峰谷调节型的日负荷曲线高，居民用电量持续增长有重要影响农业用户农业用户主要包括农田灌溉、农产品加工等其特点是季节性强、负荷分散、用电不均匀农业灌溉用电往往集中在特定的农事季节，对局部电网造成较大负荷压力农业现代化的推进正在改变传统农业用电模式，用电量和可靠性需求不断提高第二部分电力基础知识电流电压电荷流动的量度21电能传输的驱动力功率电能转换的速率35频率电能交流电的振荡速率4功率在时间上的积累理解电力系统，需先掌握电力基础知识电力系统中的电压、电流、功率等物理量之间存在密切关系，这些基本概念是学习供配电系统的理论基础本部分将详细介绍这些基本概念及其在电力系统中的应用，帮助读者建立起电力系统的基础认知框架电压的概念1电压的物理本质2电压的单位和等级电压是单位电荷在静电场中具电压的基本单位是伏特（V），有的电势能差，反映了电荷在在电力系统中常用的还有千伏不同位置之间的能量差异它（kV，等于1000伏特）根据是驱动电流流动的推动力，就电压的大小，电力系统将电压像水流系统中的水压一样电划分为不同等级超高压压越高，电荷获得的能量就越（500kV及以上）、高压多，电流流动的潜力就越大（35kV~220kV）、中压（10kV）和低压（380V/220V）3电压等级的选择在电力系统中选择恰当的电压等级非常重要高电压适合远距离输电，可以减少线损；而低电压适合终端配电，安全性更高电压等级的选择需要考虑输送功率、距离、经济性和安全性等多种因素电流的概念电流的定义电流是导体中电荷的定向运动当导体两端存在电位差（电压）时，自由电子会从电位低的一端流向电位高的一端，形成电流电流的大小表示单位时间内通过导体某一截面的电荷量，反映了电荷流动的强度电流的单位电流的基本单位是安培（A），表示每秒通过导体截面的电荷量为一库仑在实际应用中，根据电流大小的不同，还常用毫安（mA，等于

0.001安培）和微安（μA，等于

0.000001安培）等单位电流的性质电流分为直流和交流两种直流电流方向始终不变，大小可能随时间变化；交流电流的方向和大小都随时间周期性变化我国电力系统采用频率为50Hz的交流电，即电流方向每秒钟变化50次电流的应用在电力系统中，电流是衡量设备负载状态的重要参数各种电气设备（如导线、变压器、开关等）都有额定电流，超过额定值会导致设备过热甚至损坏因此，电流监测和控制是电力系统运行管理的核心任务之一电功率的概念电功率的物理意义1电能转换效率的衡量功率计算公式2P=U×I×cosφ功率单位3瓦特W、千瓦kW、兆瓦MW功率的重要性4电力系统设计与运行的基础电功率是指单位时间内电能的转换率，表示电气设备消耗或产生电能的速率在供配电系统中，功率是设备选型、线路设计和系统运行的关键参数发电机的额定功率决定了它能提供的最大电能；输电线路的额定功率限制了它能传输的最大电能；用电设备的功率决定了它消耗电能的速率在交流电系统中，功率与电压、电流和功率因数三者相关提高任何一个因素都能增加功率，但受到设备和安全限制电力工程师必须平衡这些因素，确保系统高效安全运行有功功率和无功功率有功功率无功功率有功功率是电气设备真正消耗并转换为其他形式能量（如热能、无功功率是用于建立和维持电磁场的功率，单位为乏var它在机械能、光能等）的电功率，单位为瓦特W有功功率表示系统电感和电容元件中交替存储和释放能量，不产生有效的功，但占中真正被利用的能量，是用户付费的主要依据在电力系统中，用了输电容量感性负载（如电动机）吸收无功功率，而电容性有功功率的平衡是系统频率稳定的基础设备（如电容器）则产生无功功率有功功率的数学表达式为P=U×I×cosφ，其中U为电压，I为电无功功率的数学表达式为Q=U×I×sinφ无功功率虽然不直接流，cosφ为功率因数功率因数是衡量电能利用效率的重要指标，转化为有用的能量，但对维持交流电力系统的电压稳定非常重要越接近1表示效率越高无功功率的平衡是系统电压稳定的关键因素视在功率视在功率的定义数学表达式视在功率是电压与电流有效值的乘积，表视在功率S的计算公式为S=U×I，也可示电路中电压与电流共同存在而形成的总表示为S=√P²+Q²，其中P为有功功率，的电功率，单位为伏安VA在电力系统Q为无功功率视在功率形成了一个功率12中，通常使用千伏安kVA或兆伏安MVA三角形，其中视在功率是斜边，有功功率作为较大视在功率的单位和无功功率分别为两条直角边与其他功率的关系在电力系统中的意义视在功率是有功功率和无功功率的矢量和，视在功率代表了电气设备（如变压器、发而非简单的代数和在纯电阻电路中，视电机）的容量额定值设备的容量必须大43在功率等于有功功率；在存在电感或电容于或等于实际负载的视在功率，以确保安的电路中，视在功率大于有功功率视在全运行例如，一台额定容量为500kVA功率与有功功率的比值即为功率因数，是的变压器，其负载不应超过500kVA，否电能利用效率的重要指标则会导致设备过热甚至损坏功率因数功率因数的定义功率因数是有功功率与视在功率的比值，表示为cosφ，其中φ是电压与电流之间的相位角功率因数的取值范围为0到1，越接近1表示电能利用效率越高功率因数也可理解为电路中电阻分量与阻抗的比值低功率因数的危害低功率因数意味着系统中存在大量无功功率，会导致多种问题增加线路和设备的电流负担，造成额外的能量损耗；降低系统的输送容量，限制有功功率的传输；引起电压降低，影响用电质量；增加发电和输电成本功率因数补偿提高功率因数的主要方法是无功补偿，通常通过并联电容器组实现电容器能够提供感性负载所需的无功功率，减少系统中无功功率的传输现代电力系统还采用静止无功补偿装置SVC和静止同步补偿器STATCOM等设备进行动态无功补偿经济意义在电力系统中，功率因数不仅是技术指标，也是经济指标电力公司通常对低功率因数的工业用户征收额外费用，以鼓励用户进行功率因数改善提高功率因数可以降低电费支出，提高电网资源利用效率，实现经济和技术的双重效益频率1频率的定义2频率的重要性3频率控制频率是交流电每秒完成的周期数，单位频率是电力系统运行的关键参数之一电力系统频率的控制是通过调节发电机为赫兹Hz它表示交流电电压和电流稳定的频率对电力系统安全运行至关重组的有功功率输出实现的当用电负荷方向变化的快慢在理想状态下，电压要频率偏离正常值将影响电力设备的增加时，发电机转速下降，频率降低；和电流的瞬时值随时间按正弦规律变化，运行效率，严重时可能导致设备损坏或此时需增加原动机功率，提高发电量一个完整的正弦波为一个周期我国电系统崩溃例如，发电机组和电动机的反之，当负荷减少时，需减少发电量以力系统的标准频率为50Hz，即每秒钟完转速与频率直接相关；变压器的铁心损防频率升高现代电力系统采用多级频成50个周期耗随频率变化而变化率调节措施，包括一次调频、二次调频和三次调频等电能电能的定义1电能是电功率在时间上的积累电能的单位2千瓦时kWh是最常用的电能单位电能计量3通过电能表测量和记录用户消耗的电能电能质量4包括电压、频率稳定性和谐波含量等指标电能是电力系统传输和分配的最终产品，是电功率随时间的积累电能的计算公式为W=P×t，单位为瓦特时Wh或焦耳J，在电力系统中常用千瓦时kWh或兆瓦时MWh作为计量单位一千瓦时等于一千瓦的功率持续一小时所消耗或产生的电能电能的计量是电力商业运营的基础传统电能表通过电磁感应原理计量电能，现代智能电表不仅能测量电能消耗，还能记录用电时段、最大需量等信息，为实施分时电价和需求侧管理提供技术支持电能质量是电力系统的重要指标，良好的电能质量能确保用电设备正常、高效运行第三部分供电系统发电环节输电环节变电环节供电系统的源头，包括通过高压输电线路将电通过变电所将高压电能各类型发电厂，将一次能从发电厂输送到负荷转换为适合配电和使用能源转换为电能发电中心输电环节采用高的电压等级变电环节环节的稳定性和容量对电压以减少线损，提高是连接输电和配电的桥整个供电系统至关重要传输效率输电网络的梁，变电所的布局和容不同类型发电厂在系统结构和容量决定了系统量直接影响供电质量和中承担不同角色，火电的可靠性和经济性，是可靠性变电所内设有厂通常作为基荷电源，供电系统的骨干部分变压器、开关设备和保而水电站则更适合调峰护装置等供电系统的定义电源侧供电系统的起点，包括各类发电设施发电厂将一次能源（如煤炭、水力、核能、风能、太阳能等）转换为电能，并通过升压变电站将电压提升至适合长距离传输的高电压等级电源侧的规划需考虑能源分布、环境影响和经济性等因素输电环节连接电源与负荷中心的桥梁，由高压输电线路和相关设施组成输电线路通常采用超高压或特高压等级（如500kV、1000kV），以减小线损和提高输电容量输电网络的拓扑结构影响系统的可靠性和稳定性，通常采用环网或网状结构以提高供电可靠性配电环节负责将电能分配给各类终端用户，包括中压配电网和低压配电网配电系统将电压逐级降低至用户使用电压（如380V/220V），并根据用户需求分配电能配电网络通常采用放射状、环网或树状结构，其设计需平衡经济性和可靠性的要求供电系统的电压等级超高压1500kV及以上，用于远距离大容量输电高压235kV~220kV，区域输电网主干中压310kV，城乡配电网主力电压低压4380V/220V，终端用户用电电压电压等级是供电系统设计和运行的关键参数超高压电网（500kV及以上）主要用于远距离大容量输电，减少线损，提高输电效率我国已建成多条1000kV特高压交流和±800kV特高压直流输电线路，实现大规模能源从西部向东部输送高压电网（35kV~220kV）是区域电网的主干，连接超高压电网和配电网，承担区域内的电能传输任务中压10kV是我国城乡配电网的主力电压等级，直接向配电变压器供电低压380V/220V是终端用户的使用电压，其中三相380V主要用于工业和商业场所，单相220V主要用于居民生活用电输电线路架空线路电缆线路架空线路是最常见的输电方式，由杆塔、导线、绝缘子、金具等电缆线路主要用于城市密集区、水下以及要求较高的特殊场所组成其优点是造价相对较低、散热条件好、检修方便；缺点是电缆由导体、绝缘层、屏蔽层、外护层等组成其优点是不占用占地面积大、易受自然条件影响、视觉污染等架空线路在农村地面空间、不受气象影响、安全可靠；缺点是造价高、散热条件和郊区广泛应用，高压和超高压输电几乎都采用架空方式差、检修困难电缆的选择需考虑电压等级、载流量、敷设环境等因素高压电架空线路的关键技术参数包括导线截面选择、杆塔布置、绝缘配缆需配备良好的散热和防潮设施；长距离电缆需考虑充电电流和置等导线截面需根据输送功率和经济电流密度确定；杆塔布置电容效应的影响；电缆终端和接头的处理是确保电缆安全运行的需考虑地形、气象条件和经济性；绝缘配置需满足电气和机械强关键环节度要求变电所的作用1电压转换2电能分配变电所的首要功能是通过变压器实现变电所是电能分配的枢纽，通过多个不同电压等级之间的转换升压变电出线回路将电能分配给不同区域和用所将发电厂的电压提高至适合长距离户变电所内的母线和开关组合构成传输的高电压；降压变电所将高压电了电能分配系统，能够根据负荷需求能转换为适合区域配电或终端使用的和网络状况灵活调整电能流向良好低电压电压转换是电能高效传输和的电能分配方案能提高供电可靠性，安全使用的基础，合理的电压等级配优化电网资源利用，满足不同用户的置能有效降低线损和设备投资用电需求3系统控制和保护变电所配备了完善的控制和保护系统，用于监控设备运行状态、调节系统参数、处理故障情况保护装置能在系统发生短路、过载等异常情况时迅速切除故障区域，防止故障扩大现代变电所大多采用计算机监控系统，实现设备运行的实时监测和远程控制，提高了系统的自动化水平和运行效率变电所的主要设备变电所是电力系统的重要节点，其主要设备包括变压器、断路器、隔离开关和互感器等变压器是变电所的核心设备，负责电压转换；断路器用于切断故障电流，保护系统和设备安全；隔离开关用于电气隔离，为设备检修创造安全条件；互感器则用于电气测量和继电保护此外，变电所还配备有母线、避雷器、电抗器、电容器等设备现代变电所广泛采用微机保护和自动化系统，提高了运行可靠性和管理效率变电所设备的选择、布置和维护直接影响电力系统的安全稳定运行，需要根据系统需求和技术经济条件综合考虑电力变压器工作原理电力变压器基于电磁感应原理工作，由初级线圈、次级线圈和铁心组成当初级线圈通过交流电时，在铁心中产生交变磁场，进而在次级线圈中感应出电压变压器的电压比与初、次级线圈的匝数比成正比，这一原理使电压的升降变换成为可能变压器类型按冷却方式分，电力变压器主要有油浸式和干式两大类油浸式变压器使用变压器油作为绝缘和冷却介质，适用于大容量场合；干式变压器不使用油，防火性能好，主要用于对安全要求高的场所按相数分有单相变压器和三相变压器，其中三相变压器在电力系统中更为常用容量选择变压器容量选择直接影响供电质量和经济效益容量过小会导致过载运行，缩短使用寿命；容量过大则导致投资浪费和运行效率降低变压器容量选择应考虑负荷特性、负荷增长趋势、经济运行期间等因素，一般按照最大负荷的60%~80%选择额定容量，兼顾经济性和可靠性运行维护变压器运行维护是确保其安全可靠运行的关键日常维护包括温度监测、油位检查、绝缘测试等；定期维护包括油质分析、局部放电测试、红外测温等现代电力变压器多配备在线监测系统，实时监测关键参数，及早发现潜在问题，避免重大故障断路器断路器的基本功能主要类型及应用断路器是电力系统中的重要保护设备，其主要功能是在正常和故按灭弧介质分类，常见的断路器有油断路器、空气断路器、真空障状态下切断和接通电路在正常情况下，断路器作为开关设备断路器和SF6断路器油断路器使用变压器油作为灭弧介质，结构控制电路的接通与断开；在故障状态（如短路、过载）下，断路简单但存在防火隐患；真空断路器利用真空的绝缘特性，操作可器能迅速切断故障电流，保护电力设备和线路免受损坏，防止故靠，免维护，广泛应用于中压系统；SF6断路器使用六氟化硫气体障扩大灭弧，具有优异的绝缘和灭弧性能，适用于高压和超高压系统断路器的关键性能指标包括额定电压、额定电流、额定短路开断电流和开断时间这些参数必须与系统要求相匹配，以确保断路断路器的选择需综合考虑电压等级、电流容量、安装环境、经济器能够安全可靠地履行其保护功能性等因素不同场景下可能需要采用不同类型的断路器以满足特定的技术和经济要求配电系统的构成配电变压器配电变压器是配电系统的核心设备，负责将中压（通常为10kV）降为低压（380V/220V）配电变压器通常安装在变电所、箱式变电站或电杆上，其容量根据服务区域的负荷需求确定，一般从几十千伏安到几千千伏安不等现代配电变压器多采用低损耗设计，以提高能效和降低运行成本配电线路配电线路是连接配电变压器和用户设备的纽带，包括中压配电线路和低压配电线路城市地区多采用地下电缆，而农村地区则以架空线路为主线路的设计需考虑载流量、电压降、短路能力等技术参数，以及成本、可靠性和维护便利性等因素配电设备配电系统中的辅助设备包括开关设备（如负荷开关、断路器）、保护装置（如熔断器、继电保护）、测量设备（如电表、互感器）等这些设备协同工作，保障配电系统的安全可靠运行此外，现代配电系统还广泛应用自动化设备，如馈线自动化终端、智能开关等系统结构配电系统的网络结构直接影响供电可靠性和经济性常见的结构有放射状、环网和网状三种放射状结构简单经济但可靠性较低；环网结构通过环形连接提高可靠性；网状结构则提供多路供电路径，可靠性最高但成本也最高系统结构的选择需根据负荷重要性和经济条件综合考虑第四部分配电系统配电线路配电变压器将电能输送至各区域用户21将中压电能转换为低压开关保护设备确保系统安全可靠运行35配电自动化监测控制系统提高系统运行效率与可靠性4实现智能化管理与调度配电系统是直接面向用户的电力网络，负责将电能从变电站分配给各类终端用户与高压输电系统相比，配电系统具有电压等级低、用户接口多、网络结构复杂等特点配电系统的可靠性和效率直接影响用户的用电体验，是电力系统的重要组成部分本部分将详细介绍配电系统的特点、网络结构、主要设备及运行方式，帮助读者全面了解现代配电系统的设计理念和技术要点我们还将探讨配电自动化和智能化的发展趋势，展望未来配电系统的演进方向配电系统的特点1靠近用户配电系统是电力系统中最靠近用户的部分，直接与终端用户设备相连配电系统的布局通常跟随用户分布，在用户密集区配电设施也较为密集这种靠近用户的特性使配电系统能够灵活响应用户需求，但也带来了网络结构复杂、管理难度大的挑战2电压等级较低配电系统的电压等级通常为10kV（中压配电）和380V/220V（低压配电），远低于输电系统的电压等级较低的电压等级降低了绝缘要求和安全风险，但同时增加了线路损耗，限制了传输距离因此，配电变压器需要布置在靠近负荷中心的位置，以减少低压线路长度和电能损耗3网络结构复杂由于用户分布广泛且需求多样，配电网络的结构比输电网络更为复杂配电系统通常包含大量的分支线路、变压器和开关设备，形成树状或网状结构这种复杂性增加了系统规划、运行和维护的难度，也对配电自动化技术提出了更高要求4负荷特性多样配电系统直接面对各类用户，这些用户的用电特性差异很大工业负荷通常较为稳定且功率因数较低；商业负荷具有明显的时段性变化；居民负荷则呈现早晚高峰特性这种负荷多样性要求配电系统具有足够的灵活性和适应能力，能够满足不同用户的供电需求配电网络的拓扑结构配电网络的拓扑结构是指配电线路和设备的连接方式，直接影响供电可靠性和经济性主要的拓扑结构包括放射状、环网和网状三种基本类型，每种结构都有其特定的应用场景和技术经济特点放射状结构最为简单，投资少但可靠性较低，适用于农村和负荷密度低的地区；环网结构通过形成闭环提高可靠性，故障时可从另一方向供电，广泛应用于城市配电网；网状结构提供多路供电路径，可靠性最高但投资和管理成本也最高，主要用于对供电可靠性要求极高的区域实际应用中，配电网络常采用这些基本结构的组合或变形，以适应具体的供电需求和环境条件放射状配电网络基本结构放射状配电网络是最基本的配电结构，呈树状或星形布局从配电变电站出线的干线向各个方向延伸，并逐渐分支成多条支线，最终到达各用户点每个用户点仅有一条供电路径，形成了从电源到负荷的单一路径这种结构简单明了，线路布置和保护配置都相对简便技术特点放射状网络的潮流方向单一，从电源点流向负荷点，这简化了电流计算和保护配置电压沿线路逐渐降低，末端用户的电压质量通常较差为控制电压降，放射状线路的长度通常有限制此类网络的短路电流较小，对断路器的开断能力要求不高，但对选择性保护设计要求较高优缺点分析放射状配电网络的主要优点是结构简单、投资少、操作简便，保护配置和故障查找相对容易缺点是可靠性较低，任何一点故障都会导致该线路后端所有用户停电此外，线路扩展能力有限，难以适应负荷快速增长的需求应用场景放射状网络主要应用于农村地区、城市郊区等负荷密度低、对供电可靠性要求不高的场所此外，在一些临时用电或次要负荷的供电系统中也常采用放射状结构，以降低投资成本随着供电可靠性要求的提高，纯放射状网络越来越少见，通常会辅以联络开关或环网结构来提高可靠性。