第一章电力系统基础知识

电力系统基础知识
继电保护、自动装置对电力系统起到保护和安全控制的作用，因此首先应明确所要保护和控制对象的相关情况，涉及的内容包括：电力系统的构成，电力系统中性点接地方式及其特点，电力系统短路电流计算及其相关概念。

这是学习继电保护、自动装置等本书内容的基础。

>>第一节电力系统基本概念
一、电力系统构成
电力系统是由发电厂、变电站(所)、送电线路、配电线路、电力用户组成的整体。

其中，联系发电厂与用户的中间环节称为电力网，主要由送电线路、变电所、配电所和配电线路组成，如图1-1中的虚框所示。

电力系统和动力设备组成了动力系统，动力设备包括锅炉、汽轮机、水轮机等。

在电力系统中，各种电气设备多是三相的，且三相系统基本上呈现或设计为对称形式，所以可以将三相电力系统用单相图表述。

动力系统、电力系统及电力网之间的关系示意图如图1-l所示。

配电能，按有无汇流母线分为有母线接线和无母线接线两大类。

变电站主接线图一般用单线图表示。

(11)互感器。

互感器有电流互感器(TA)和电压互感器(TV)。

电流互感器是—种变流设备，将交流一次侧大电流转换成二次电流，供给测量、保护等二次设备使用，一般二次额定电流为5A或1A；电压互感器是—种变压设备，将交流一交侧高电压转换成二次电压，供给控制、测量、保护等二次设备使用，—般二次额定的相电压为100/3V。

二、电力系统中性点运行方式
电力系统中性点运行方式即中性点接地方式，是指电力系统中发电机或变压器的中性点的接地方式，是一种工作接地。

目前，我国电力系统中性点接地方式分为中性点直接接地与非直接接地两大类，具体有；中性点不接地、经电阻接地、经电抗接地、经消弧线圈接地和直接接地等。

1．中性点直接接地方式
中性点直接接地是指电力系统中至少有一个中性点直接与接地设施相连接，如图1-2中的N点接地，通常应用于500kV、330kV、220kV、110kV电网。

中性点直接接地系统保持接地中性点零电位，发生单相接地故障时如图1-2所示，非故障相对地电压数值变化较小。

由于高压、尤其是超高压电力变压器中性点的绝缘水平、电气设备的绝缘水平都相对
较低，采用中性点直接接地方式，对保证变压器及其电气设备的安全尤其重要。

但由于中性点直接接地，与短路点构成直接短路通路，故障相电流很大，造成接于故障相的电气设备过电流。

为此，需要通过继电保护和断路器动作，切断短路电流。

2．中性点不接地方式
中性点不接地系统指电力系统中性点不接地。

中性点不接地系统发生单相接地故障时如图1-3所示，中性点电压发生位移，但是三相之间的线电压仍然对称，且数值不变；由于没有直接的短路通路，接地故障电流由线路和设备对地分布电容回路提供，是容性电流，通常数值不大，一般不需要立即停电，可以带故障运行一段时间(一般不超过2h)；但非故障相对地电压升高，数值最大为额定相电压的3倍，因此用电设备的绝缘水平需要按线电压考虑。

中性点不接地方式具有跳闸次数少的优点，因此普遍应用于接地电容电流不大的系统，例如66kV、35kV电网。

“一低两高三不变”
当中性点不接地系统发生一相接地情况时,该相的对地电压变低,甚至为零,此为一低;此时其它两相的对地电压升高,最大可为系统线电压.此为两高;由于中性点没有接地,此时接地相没有形成电流通路,接地时三相对地电流基本不变(先前有每相的对地电容电流,一般很小)当为三不变了.正因如此,线电压是肯定不变的了。

两相接地短路等。

各种短路故障示意图和代表符号如表1-1所示，其中三相短路为对称短路，其他为不对称短路。

运行经验和统计数据表明，电力系统中各种短路故障发生的几率是不同的，其中发生三相短路的几率最少，发生单相接地短路的几率最大。

在实际工程问题中，经常需要计算短路电流，计算中涉及到如下概念：
(1)无限大容量系统。

无限大容量电力系统指，容量相对于被供电系统容量大得多的电力系统，其特征是，当被供电系统中负荷变动甚至发生短路故障，电力系统母线电压及频率基本维持不变。

一般，电力系统等值电源阻抗不超过短路电路阻抗的5％～10％，或电力系统容量超过被供电系统容量50倍时，可视为无限大容量电力系统，简称无限大系统或无穷大系统。

实际应用中对11OkV配电网，可将供电变压器看作无穷大系统对11OkV配电网供电。

(2)短路电流周期分量。

电力系统发生短路故障时，与正常负荷状
例1-1 某电力系统如图1-10所示，在母线B 和母线C 分别发生三相短路，试求短路点的短路电流周期分量。

（等值电源电抗为Ω=22.0s X ，线路单位电抗为km x /38.01Ω=，变压器T1、T2的额定容量为1000kVA 、短路电压为5.4%=k U ）
解：（1）母线B 三相短路。

Ω
=+=+=Ω
=⨯==∑12.29.122.09.1538.0)1(1AB s k AB AB X X X L x X kA kV X U I k A k 86.212.235.103)1()3(1=Ω
⨯==∑ （2）母线C 三相短路。

计算时需要将等值电源电抗和线路电抗折算到0.4kV 侧，并计算变压器电抗（详细论述请参考电力系统故障分析计算的有关书籍）。

（1-2）
可得零序电流为
)(3
10kC kB kA I I I I &&&&++= 用瞬时值表示为
[])()()(3
1)(0t i t i t i t i kC kB kA ++= 显然，电力系统正常运行时仅有正序分量。

（二）短路电流
1、两相短路
无穷大系统供电发生BC 两相短路示意图如图1-12所示。

电力系统发生两相短路，经故障相和短路点构成短路回路，由故障相电源的线电动抛产生短路电流，流过故障线路，非故障线路没有短路电流，因此出现三相不对称。

不在计负荷电流的情况下，三相的短路电流分别为
kB
C C kC B B kB A A kA I I I I I I I I I I &&&&&&&&&&-=+=+==+=21212
10
0210
210
21I I I I I I I I I I I I C C kC B B kB A A kA &&&&&&&&&&&&++=++=++=
（1-4）
可见两相短路时的特点是，三相不对称，出现负序电流；只有故障相存在短路电流，且两相的短路电流数值相等，相位相反。

根据图1-12，短路电流数值可计算如上：
∑=X E I s k 2)2( （1-5）
式中)2(k I ——两相短路电流周期分量有效值。

s E ——等值电源线电动势，实际计算进可以采用平均额定电压； ∑X ——一相短路回路总电抗。

将式（1-5）与式（1-1）比较可得
)3()3()2(866.02
3k k k I I I == （1-6） 式（1-6）说明，两相短路电流数值为同一地点三相短路电流的0.866倍，在实际计算中，常常求出三相短路电流后，直接用以上关系得到两相短路电流。

2、单相接地短路
（1）中性点直接接地系统。

中性点直接接地的无穷大系统供电，发生A 相单相接地短路示意图如图1-13所示。

中性点直接接地电力系统发生单相接地时，经直接接地的中性点、故障相和短路点构成短路回路，由故障相电源电动势产生短路电流，流过故障线路，非故障线路没有短路电流，因此出现三相不对称，在不计负荷电流的情况下，三相的短路电流分别为
0030
210
2110
021=++==+++==++=C C C kC B B B B kB A A A kA I I I I I I I I I I I I I I &&&&&&&&&&&&&&。