電力的基本概念
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- 發布時間：2014/1/25 14:36:11
- 作者：銀河電氣
電力是以電能作為動力的能源。既是是當今的互聯網時代我們仍然對電力有著持續增長的需求，因為我們發明了電腦、家電等更多使用電力的產品。不可否認新技術的不斷出現使得電力成為人們的必需品。
一、輸電
電能的傳輸。它和變電、配電、用電一起，構成電力系統的整體功能。通過輸電，把相距甚遠的（可達數千千米）發電廠和負荷中心聯系起來，使電能的開發和利用超越地域的限制。和其他能源的傳輸（如輸煤、輸油等）相比，輸電的損耗小、效益高、靈活方便、易于調控、環境污染少；輸電還可以將不同地點的發電廠連接起來，實行峰谷調節。輸電是電能利用優越性的重要體現，在現代化社會中，它是重要的能源動脈。
輸電線路按結構形式可分為架空輸電線路和地下輸電線路。前者由線路桿塔、導線、絕緣子等構成，架設在地面上；后者主要用電纜，敷設在地下（或水下）。輸電按所送電流性質可分為直流輸電和交流輸電。19世紀80年代首先成功地實現了直流輸電，后因受電壓提不高的限制（輸電容量大體與輸電電壓的平方成比例）19世紀末為交流輸電所取代。交流輸電的成功，迎來了20世紀電氣化時代。20世紀60年代以來，由于電力電子技術的發展，直流輸電又有新發展，與交流輸電相配合，形成交直流混合的電力系統。
輸電電壓的高低是輸電技術發展水平的主要標志。到20世紀90年代，世界各國常用輸電電壓有220千伏及以下的高壓輸電330～765千伏的超高壓輸電，1000千伏及以上的特高壓輸電。
二、變電
電力系統中，發電廠將天然的一次能源轉變成電能，向遠方的電力用戶送電，為了減小輸電線路上的電能損耗及線路阻抗壓降，需要將電壓升高；為了滿足電力用戶安全的需要，又要將電壓降低，并分配給各個用戶，這就需要能升高和降低電壓，并能分配電能的變電所。所以變電所是電力系統中通過其變換電壓、接受和分配電能的電工裝置，它是聯系發電廠和電力用戶的中間環節，同時通過變電所將各電壓等級的電網聯系起來，變電所的作用是變換電壓，傳輸和分配電能。變電所由電力變壓器、配電裝置、二次系統及必要的附屬設備組成。
變壓器是變電所的中心設備，它利用電磁感應原理。
配電裝置是變電所中所有的開關電器、載流導體輔助設備連接在一起的裝置。其作用是接受和分配電能。配電裝置主要由母線、高壓斷路器開關、電抗器線圈、互感器、電力電容器、避雷器、高壓熔斷器、二次設備及必要的其他輔助設備所組成。
二次設備是指一次系統狀態測量、控制、監察和保護的設備裝置。由這些設備構成的回路叫二次回路，總稱二次系統。
二次系統的設備包含測量裝置、控制裝置、繼電保護裝置、自動控制裝置、直流系統及必要的附屬設備。
三、配電
1.電力系統電壓等級與變電站種類
電力系統電壓等級有220/380V（0.4 kV），3 kV、6 kV、10 kV、20 kV、35 kV、66 kV、110 kV、220 kV、330 kV、500 kV。隨著電機制造工藝的提高，10 kV電動機已批量生產，所以3 kV、6 kV已較少使用，20 kV、66 kV也很少使用。供電系統以10 kV、35 kV為主。輸配電系統以110 kV以上為主。發電廠發電機有6 kV與10 kV兩種，現在以10 kV為主，用戶均為220/380V（0.4 kV）低壓系統。
根據《城市電力網規定設計規則》規定：輸電網為500 kV、330 kV、220 kV、110kV，高壓配電網為110kV、66kV，中壓配電網為20kV、10kV、6 kV，低壓配電網為0.4 kV（220V/380V）。
發電廠發出6 kV或10 kV電，除發電廠自己用（廠用電）之外，也可以用10 kV電壓送給發電廠附近用戶，10 kV供電范圍為10Km、35 kV為20~50Km、66 kV為30~100Km、110 kV為50~150Km、220 kV為100~300Km、330 kV為200~600Km、500 kV為150~850Km。
2.變配電站種類
電力系統各種電壓等級均通過電力變壓器來轉換，電壓升高為升壓變壓器（變電站為升壓站），電壓降低為降壓變壓器（變電站為降壓站）。一種電壓變為另一種電壓的選用兩個線圈（繞組）的雙圈變壓器，一種電壓變為兩種電壓的選用三個線圈（繞組）的三圈變壓器。
變電站除升壓與降壓之分外，還以規模大小分為樞紐站，區域站與終端站。樞紐站電壓等級一般為三個（三圈變壓器），550kV /220kV /110kV。區域站一般也有三個電壓等級（三圈變壓器），220 kV /110kV /35kV或110kV /35kV /10kV。終端站一般直接接到用戶，大多數為兩個電壓等級（兩圈變壓器）110kV /10 kV或35 kV /10 kV。用戶本身的變電站一般只有兩個電壓等級（雙圈變壓器）110 kV /10kV、35kV /0.4kV、10kV /0.4kV，其中以10kV /0.4kV為最多。
3.變電站一次回路接線方案
1）一次接線種類
變電站一次回路接線是指輸電線路進入變電站之后，所有電力設備（變壓器及進出線開關等）的相互連接方式。其接線方案有：線路變壓器組，橋形接線，單母線，單母線分段，雙母線，雙母線分段，環網供電等。
2）線路變壓器組
變電站只有一路進線與一臺變壓器，而且再無發展的情況下采用線路變壓器組接線。
3）橋形接線
有兩路進線、兩臺變壓器，而且再沒有發展的情況下，采用橋形接線。針對變壓器，聯絡斷路器在兩個進線斷路器之內為內橋接線，聯絡斷路器在兩個進線斷路器之外為外橋接線。
4）單母線
變電站進出線較多時，采用單母線，有兩路進線時，一般一路供電、一路備用（不同時供電），二者可設備用電源互自投，多路出線均由一段母線引出。
5）單母線分段
有兩路以上進線，多路出線時，選用單母線分段，兩路進線分別接到兩段母線上，兩段母線用母聯開關連接起來。出線分別接到兩段母線上。
單母線分段運行方式比較多。一般為一路主供，一路備用（不合閘），母聯合上，當主供斷電時，備用合上，主供、備用與母聯互鎖。備用電源容量較小時，備用電源合上后，要斷開一些出線。這是比較常用的一種運行方式。
對于特別重要的負荷，兩路進線均為主供，母聯開關斷開，當一路進線斷電時，母聯合上，來電后斷開母聯再合上進線開關。
單母線分段也有利于變電站內部檢修，檢修時可以停掉一段母線，如果是單母線不分段，檢修時就要全站停電，利用旁路母線可以不停電，旁路母線只用于電力系統變電站。
6）雙母線
雙母線主要用于發電廠及大型變電站，每路線路都由一個斷路器經過兩個隔離開關分別接到兩條母線上，這樣在母線檢修時，就可以利用隔離開關將線路倒在一條件母線上。雙母線也有分段與不分段兩種，雙母線分段再加旁路斷路器，接線方式復雜，但檢修就非常方便了，停電范圍可減少。
4.變配電站二次回路
1）二次回路種類
變配電站二次回路包括：測量、保護、控制與信號回路部分。測量回路包括：計量測量與保護測量。控制回路包括：就地手動合分閘、防跳聯鎖、試驗、互投聯鎖、保護跳閘以及合分閘執行部分。信號回路包括開關運行狀態信號、事故跳閘信號與事故預告信號。
2）測量回路
測量回路分為電流回路與電壓回路。電流回路各種設備串聯于電流互感器二次側（5A），電流互感器是將原邊負荷電流統一變為5A測量電流。計量與保護分別用各自的互感器（計量用互感器精度要求高），計量測量串接于電流表以及電度表，功率表與功率因數表電流端子。保護測量串接于保護繼電器的電流端子。微機保護一般將計量及保護集中于一體，分別有計量電流端子與保護電流端子。
電壓測量回路，220/380V低壓系統直接接220V或380V，3KV以上高壓系統全部經過電壓互感器將各種等級的高電壓變為統一的100V電壓，電壓表以及電度表、功率表與功率因數表的電壓線圈經其端子并接在100V電壓母線上。微機保護單元計量電壓與保護電壓統一為一種電壓端子。
3）控制回路
（1）合分閘回路
合分閘通過合分閘轉換開關進行操作，常規保護為提示操作人員及事故跳閘報警需要，轉換開關選用預合-合閘-合后及預分-分閘-分后的多檔轉換開關。以使利用不對應接線進行合分閘提示與事故跳閘報警，國家已有標準圖設計。采用微機保護以后，要進行遠分合閘操作后，還要到就地進行轉換開關對位操作，這就失去了遠分操作的意義，所以應取消不對應接線，選用中間自復位的只有合閘與分閘的三檔轉換開關。
（2）防跳回路
當合閘回路出現故障時進行分閘，或短路事故未排除，又進行合閘（誤操作），這時就會出現斷路器反復合分閘，不僅容易引起或擴大事故，還會引起設備損壞或人身事故，所以高壓開關控制回路應設計防跳。防跳一般選用電流啟動，電壓保持的雙線圈繼電器。電流線圈串接于分閘回路作為啟動線圈。電壓線圈接于合閘回路，作為保持線圈，當分閘時，電流線圈經分閘回路起動。如果合閘回路有故障，或處于手動合閘位置，電壓線圈起啟動并通過其常開接點自保持，其常閉接點馬上斷開合閘回路，保證斷路器在分閘過程中不能馬上再合閘。防跳繼電器的電流回路還可以通過其常開接點將電流線圈自保持，這樣可以減輕保護繼電器的出口接點斷開負荷，也減少了保護繼電器的保持時間要求。
有些微機保護裝置自己已具有防跳功能，這樣就可以不再設計防跳回路。斷路器操作機構選用彈簧儲能時，如果選用儲能后可以進行一次合閘與分閘的彈簧儲能操作機構（也有用于重合閘的儲能后可以進行二次合閘與分閘的彈簧儲能操作機構），因為儲能一般都要求10秒左右，當儲能開關經常處于斷開位置時，儲一次能，合完之后，將儲能開關再處于斷開位置，可以跳一次閘；跳閘之后，要手動儲能之后才能進行合閘，此時，也可以不再設計防跳回路。
（3）試驗與互投聯鎖與控制
對于手車開關柜，手車推出后要進行斷路器合分閘試驗，應設計合分閘試驗按鈕。進線與母聯斷路，一般應根據要求進行互投聯鎖或控制。
（4）保護跳閘
保護跳閘出口經過連接片接于跳閘回路，連接片用于保護調試，或運行過程中解除某些保護功能。
（5）合分閘回路
合分閘回路為經合分閘母線為操作機構提供電源，以及其控制回路，一般都應單獨畫出。
4）信號回路
（1）開關運行狀態信號由合閘與分閘指示兩個裝于開關柜上的信號燈組成：經過操作轉換開關不對應接線后接到正電源上。采用微機保護后，轉換開關取消了不對應接線，所以信號燈正極可以直接接到正電源上。
（2）事故信號有事故跳閘與事故預告兩種信號，事故跳閘報警也要通過轉化開關不對應后，接到事故跳閘信號母線上，再引到中央信號系統。事故預告信號通過信號繼電器接點引到中央信號系統。采用微機保護后，將斷路器操作機構輔助接點與信號繼電器的接點分別接到微機保護單元的開關量輸入端子，需要有中央信號系統時，如果微機保護單元可以提供事故跳閘與事故預告輸出接點，可將其引到中央信號系統。否則，應利用信號繼電器的另一對接點引到中央信號系統。
（3）中央信號系統為安裝于值班室內的集中報警系統，由事故跳閘與事故預告兩套聲光報警組成，光報警用光字牌，不用信號燈，光字牌分集中與分散兩種。采用變電站綜合自動化系統后，可以不再設計中央信號系統，或將其簡化，只設計集中報警作為計算機報警的后備報警。
5.變配電站繼電保護
1）變配電站繼電保護的作用
變配電站繼電保護能夠在變配電站運行過程中發生故障（三相短路、兩相短路、單相接地等）和出現不正常現象時（過負荷、過電壓、低電壓、低周波、瓦斯、超溫、控制與測量回路斷線等），迅速有選擇性發出跳閘命令將故障切除或發出報警，從而減少故障造成的停電范圍和電氣設備的損壞程度，保證電力系統穩定運行。
2）變配電站繼電保護的基本工作原理
變配電站繼電保護是根據變配電站運行過程中發生故障時出現的電流增加、電壓升高或降低、頻率降低、出現瓦斯、溫度升高等現象超過繼電保護的整定值（給定值）或超限值后，在整定時間內，有選擇的發出跳閘命令或報警信號。
根據電流值來進行選擇性跳閘的為反時限，電流值越大，跳閘越快。根據時間來進行選擇性跳閘的稱為定時限保護，定時限在故障電流超過整定值后，經過時間定值給定的時間后才出現跳閘命令。瓦斯與溫度等為非電量保護。
可靠系數為一個經驗數據，計算繼電器保護動作值時，要將計算結果再乘以可靠系數，以保證繼電保護動作的準確與可靠，其范圍為1.3~1.5。
發生故障時的最小值與保護的動作值之比為繼電保護的靈敏系數，一般為1.2~2，應根據設計規范要進行選擇。
3）變配電站繼電保護按保護性質分類
4）變電站繼電保護按被保護對象分類
（1）發電機保護
發電機保護有定子繞組相間短路，定子繞組接地，定子繞組匝間短路，發電機外部短路，對稱過負荷，定子繞組過電壓，勵磁回路一點及兩點接地，失磁故障等。出口方式為停機，解列，縮小故障影響范圍和發出信號。
（2）電力變壓器保護
電力變壓器保護有繞組及其引出線相間短路，中性點直接接地側單相短路，繞組匝間短路，外部短路引起的過電流，中性點直接接地電力網中外部接地短路引起的過電流及中性點過電壓、過負荷，油面降低，變壓器溫度升高，油箱壓力升高或冷卻系統故障。
（3）線路保護
線路保護根據電壓等級不同，電網中性點接地方式不同，輸電線路以及電纜或架空線長度不同，分別有：相間短路、單相接地短路、單相接地、過負荷等。
（4）母線保護
發電廠和重要變電所的母線應裝設專用母線保護。
（5）電力電容器保護
電力電容器有電容器內部故障及其引出線短路，電容器組和斷路器之間連接線短路，電容器組中某一故障電容切除后引起的過電壓、電容器組過電壓，所連接的母線失壓。
（6）高壓電動機保護
高壓電動機有定子繞組相間短路、定子繞組單相接地、定子繞組過負荷、定子繞組低電壓、同步電動機失步、同步電動機失磁、同步電動機出現非同步沖擊電流。
6.微機保護裝置
1）微機保護的優點
（1）可靠性高：一種微機保護單元可以完成多種保護與監測功能。代替了多種保護繼電器和測量儀表，簡化了開關柜與控制屏的接線，從而減少了相關設備的故障環節，提高了可靠性。微機保護單元采用高集成度的芯片，軟件有自動檢測與自動糾錯功能，也有提高了保護的可靠性。
（2）精度高，速度快，功能多。測量部分數字化大大提高其精度。CPU速度提高可以使各種事件以m s來計時，軟件功能的提高可以通過各種復雜的算法完成多種保護功能。
（3）靈活性大，通過軟件可以很方便的改變保護與控制特性，利用邏輯判斷實現各種互鎖，一種類型硬件利用不同軟件，可構成不同類型的保護。
（4）維護調試方便，硬件種類少，線路統一，外部接線簡單，大大減少了維護工作量，保護調試與整定利用輸入按鍵或上方計算機下傳來進行，調試簡單方便。
（5）經濟性好，性能價格比高，由于微機保護的多功能性，使變配電站測量、控制與保護部分的綜合造價降低。高可靠性與高速度，可以減少停電時間，節省人力，提高了經濟效益。
2）微機保護裝置的種類
（1）微機保護裝置共有四大類。
（2）線路保護裝置
微機線路保護裝置 微機電容保護裝置 微機方向線路保護裝置
微機零序距離線路保護裝置 微機橫差電流方向線路保護裝置
（3）主設備保護裝置
微機雙繞組變壓器差動保護裝置 微機三繞組變壓器差動保護裝置
微機變壓器后備保護裝置 微機發電機差動保護裝置 微機發電機后備保護裝置
微機發電機后備保護裝置 微機電動機差動保護裝置 微機電動機保護裝置
微機廠（站）用變保護裝置
（4）測控裝置
微機遙測遙控裝置 微機遙信遙控裝置 微機遙調裝置 微機自動準同期裝置
微機備自投裝置 微機PT切換裝置 微機脈沖電度測量裝置
微機多功能變送測量裝置 微機解列裝置
（5）管理裝置單元
通信單元 管理單元 雙機管理單元
3）微機保護裝置功能
微機保護裝置的通用技術要求和指標（工作環境、電源、技術參數、裝置結構）以及主要功能（保護性能指標、主要保護功能、保護原理、定值與參數設定，以及外部接線端子與二次圖）詳見相關產品說明書。
7. 220/380V低壓配電系統微機監控系統
1）220/380V低壓配電系統特點
（1）應用范圍廣，現在工業與民用用電除礦井、醫療、危險品庫等外，均為220/380V，所以應用范圍非常廣泛。
（2）低壓配電系統一般均為TN—S，或TN—C—S系統。TN—C系統為三個相線（A、B、C）與一個中性線（N），N線在變壓器中性點接地或在建筑物進戶處重復接地。輸電線為四根線，電纜為四芯，沒有保護地線（PE），少一根線。設備外殼，金屬導電部分保護接地接在中性線（N）上，稱為接零系統，接零系統安全性較差，對電子設備干擾大，設計規范已規定不再采用。
TN—S系統為三個相線，一個中性線（N）與一個保護地線（PE）。N線與PE線在變壓器中性點集中接地或在建筑物進戶線處重復接地。輸電線為五根，電纜為五芯。中性線（N）與保護地線（PE）在接地點處連接在一起后，再不能有任何連接，因此中性線（N）也必須用絕緣線。中性線（N）引出后如果不用絕緣對地絕緣，或引出后又與保護地線有連接，雖然用了五根線，也為TN—C系統，這一點應特別引起注意。TN—S或TN—C—S系統安全性好，對電子設備干擾小，可以共用接地線（CPE），，采用等電位連接后安全性更好，干擾更小。所以設計規范規定除特殊場所外，均采用TN—S或TN—C—S系統。
（3）220/380V低壓配電系統的保護現在仍采用低壓斷路器或熔斷器。所以220/380V只有監控沒有保護。監控包括電流、電壓、電度、頻率、功率、功率因數、溫度等測量（遙測），開關運行狀態，事故跳閘，報警與事故預告（過負荷、超溫等）報警（遙信）與電動開關遠方合分閘操作（遙控）等三個內容（簡稱三遙），而沒有保護。
（4）220/380V低壓配電系統一次回路一般均為單母線或單母線分段，兩臺以上變壓器均為單母線分段，有幾臺變壓器就分幾段，這是因為用戶變電站變壓器一般不采用并列運行，這是為了減小短路電流，降低短路容量，否則，低壓斷路器的斷開容量就要加大。
（5）220/380V低壓配電系統進線、母聯、大負荷出線與低壓聯絡線因容量較大，一般一路（1個斷路器）占用一個低壓柜。根據供電負荷電流大小不同，一個低壓開關柜內有兩路出線（安裝兩個斷路器），四路出線（安裝四個斷路器），以及五、六、八與十路出線，不象高壓配電系統一個斷路器占用一個開關柜。因此低壓監控單元就要有用于一路、兩路或多路之分，設計時要根據每個低壓開關的出線回路數與低壓監控單元的規格來進行設計。
（6）低壓斷路器除手動操作外，還可以選用電動操作。大容量低壓斷路器一般均有手動與電動操作，設計時應選用帶遙控的低壓監控單元，小容量低壓斷路器，設計時，大多數都選用只有手動操作的斷路器，這樣低壓監控單元的遙控出口就可以不接線，或選用不帶遙控的低壓監控單元。
2）220/380V低壓配電系統微機監控系統的設計
（1）220/380V低壓配電系統微機監控系統首先根據一次系統及用戶要求進行遙測、遙信及遙控設計。
（2）測量回路設計
A 測量部分的二次接線與高壓一樣，電流回路串聯于電壓互感器二次回路，電壓回路并聯于電壓測量回路。由于220/380V低壓配電系統沒有電壓互感器，電壓測量可以直接接到220/380V母線上，和電度表電壓回路一樣一般可以不加熔斷器保護，但柜內接線應盡量短，有條件時最好加熔斷器保護，以便于檢修。
B 電度測量可選用自帶電源有脈沖輸出的脈沖電度表，對于有計算功率與電度功能的低壓監控單元，只作為內部計費時，可以不再選用脈沖電度表。
C 選用有顯示功能的低壓監控單元，可以不再設計電流、電壓表，選用不帶顯示功能的低壓監控單元時還應設計電流或電壓表，不應兩種都設計。
（3）信號回路設計
設計時，低壓斷路器要增加一對常開接點接到低壓監控單元開關狀態輸入端子上。有事故跳閘報警輸出接點的，再將其接到低壓監控單元事故預告端子上。
（4）遙控回路設計
低壓監控系統的遙控設計比較簡單，電動操作的低壓斷路器都有一對合分閘按鈕，只要將低壓監控單元合分閘輸出端子分別并在合分閘按鈕上即可，必要時，可設計一個就地與遙控操作轉換開關，防止就地檢修開關時，遙控操作引起事故。
（5）供電電源與通信電纜設計
低壓監控單元電源為交流220V供電，耗電量一般只有幾瓦，設計時將其電源由端子上引到一個220V/5A兩極低壓斷路器上，再引到開關柜端子上，然后統一用KVV—3×1.0電纜集中引到低壓柜一路小容量出線上。需要時可加一個UPS電源。
通信電纜一般距離不超過200米可選用KVV—3×1.0普通屏蔽控制電纜，超過200米時應選用屏蔽雙絞線（最好選帶護套型）或計算機用通信電纜。
8.變配電站綜合自動化系統
1）系統組成
高壓采用微機保護，低壓采用監控單元，再用通信電纜將其與計算機聯網之后就可以組成一個現代化變配電站管理系統——變配電站綜合自動化系統。
2）變配電站綜合自動化系統設計內容
A高壓微機保護單元（組屏或安裝在開關柜上）選型及二次圖設計。
B低壓微機監控單元（安裝在開關柜上）選型及二次圖設計。
C管理計算機（放在值班室，無人值班時可放在動力調度室）選型。
D模擬盤（放在值班室或調度室）設計。
E上位機（與工廠計算機或電力部門調度聯網）聯網方案設計。
F通信電纜設計（包括管理計算機與上位機）。
3）管理計算機
管理計算機可根據系統要求進行配置。
4）模擬盤
用戶要求有模擬盤時，可以設計模擬盤，小系統可以用掛墻式，大系統用落地式，模擬盤尺寸根據供電系統一次圖及值班室面積來決定。模擬盤采用專用控制單元，將其通信電纜引到管理計算機處。模擬盤還需要一路交流220V電源，容量只有幾十瓦，設計時應與管理計算機電源一起考慮。
5）變配電站綜合自動化系統主要功能
變配電站綜合自動化系統的管理計算機通過通信電纜與安裝在現場的所有微機保護與監控單元進行信息交換。管理計算機可以向下發送遙控操作命令與有關參數修改，隨時接受微機保護與監控單元傳上來的遙測、遙信與事故信息。管理計算機就可通過對信息的處理，進行存盤保存，通過記錄打印與畫面顯示，還可以對系統的運行情況進行分析，通過遙信可以隨時發現與處理事故，減少事故停電時間，通過遙控可以合理調配負荷，實現優化運行，從而為實現現代化管理提供了必須的條件。
管理計算機軟件要標準化，操作要簡單方便，人機界面好，組態方便，用戶使用與二次開發簡單，容易掌握。
9.變配電站組成和安全要求
變配電站是接受、變換和分配電能的環節，是企、事業單位的動力樞紐。變配電站一旦發生事故必將帶來重大損失。再者，變配電站裝有大量高壓設備和低壓設備，而且密集度很高，安全問題比較特殊。因此，保證變配電站的安全運行是十分重要的。
在線工具 
