电压和输电配电

目录

输电线路的理想电压

提高输电电压的利弊

电压等级（KV）

发电机

输电网

配电线路

电力系统的电压与输电容量和输电距离

额定电压

电力网

 变电站

输电线路的参数

电阻

电抗：反映载流导线的磁场效应。

电导

电纳：反映带电导线周围电场效应

电缆线路的参数

 电力线路的数学模型

一般线路的等值电路（集中参数）

长距离输电线路的输电线路（分布参数）

波阻抗和自然功率

电力线路无功、有功和电压

架空线路的换位问题

输电线路

架空线路

导线

杆塔

 绝缘子

电力电缆

接线方式

无备用接线  

有备用接线

适用场所

中性点接地方式（小接地方式和大接地方式）

 大电流接地系统（220V/380V和110KV以上）

家庭配电

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输电线路的理想电压

三相交流输电线路传输的有功功率为：

当输送功率一定时，

如下图所示，图中C1为年电能损耗费（万元/年），C2为归算到运行年的年投资费用（万元/年），C为输电线路的年费用。

对应于一定的输送距离和输送容量存在一个电压，在该电压下运行，输电线路的经济性最好，此电压就是其理想电压。

电压等级越多，越有利于输电线路选择接近理想电压的额定电压；但额定电压等级越多，越不利于电气设备的规模化生产。

电力系统额定电压就是综合使用和制造两方面的要求，经经济技术比较确定，并由国家颁布实行的。

提高输电电压的利弊

减小载流截面和线路电抗，利于提高线路功率极限和稳定性

增加绝缘成本

电压等级（KV）

0.4，10，35，110，220，330，500，750（60，154已不再发展）

110kV以下的电压级差一般应超过3倍，如110、35、10kV；110kV以上的电压级差以2倍左右为宜，如110、220、500kV

发电机

3.15，6.3，10.5，15.75，23.0

输电网

电压等级在110kV及以上的电力网主要用于电能的远距离输送，称为输电网。

直流：±800KV（特高压）、 ±500KV

交流：

110、220：高压。

110：区域网，小电力系统的主干线、大电力系统的二次网络                            

220：大电力系统主干线

330、500、750:超高压    大电力系统主干线      

>750:特高压

配电线路

35kV及以下的电力网主要用于向用户配送电能，称为配电网（有些负荷密度较大的大城市也采用110kV）。

• 高压配电线路：110kV

 35kV   大城市或大工业企业内部配电网络；农村电网

• 中压配电线路：10kV    最常用的低压配电电压
• 低压配电线路：380V、220V

电力系统的电压与输电容量和输电距离

线路电压(kv)	输送容量(MV)	输送距离(km)
6	0.1~0.2	4~15
10	0.2~2.0	6~20
35	2~10	20~50
110	10~50	50~150
220	100~500	100~300
330	200~800	200~600
500	1000~1500	250~850

额定电压

发电机、变压器、用电设备等正常运行时具有最大经济效益的电压

由于电网中有电压损失，致使各点实际电压偏离额定值。某一级的额定电压是以用电设备为中心而定的。

• 输电线路允许的电压损耗

用电设备端压允许在额定电压UN的5%内波动，沿线路的电压降落一般不超过10％

• 用电设备的额定电压

用电设备的额定电压和系统的额定电压相等。

• 电力线路的额定电压

电力线路的额定电压和系统的额定电压相等。

线路始端电压不高于额定值的105％，末端电压不低于额定值的95％

• 发电机的额定电压

发电机往往接在线路始端，因此： UN(1+5%)

• 变压器的额定电压

  1. 一次侧相当于用电设备

        当变压器直接连在线路上时，额定电压就是用电设备额定电压：U1N = UN

        当变压器接于发电机引出端时，额定电压应与发电机额定电压相同： U1N = UN(1+5%)

        2. 二次侧相当于发电机           

        考虑到变压器承载时自身电压损失(按5%计)，并且考虑到线路电压损失(按5%计)，二次绕组额定电压应比电网额定电压高10%：U2N = UN(1+10%)

        空载：U2N = UN(1+5%)

        变压器短路电压<7%或直接连负载时：U2N = UN(1+5%)

• 例题

确定图中电力系统各元件的额定电压

• G:10.5kv
• T1:10.5/121kv   T2:110/38.5/11kv
   T3:35/6.3kv       T4:10kv/400v
• M: 6kv               L:380v

 

电力网

按电压等级的高低、供电范围的大小的分类

• 地方电力网：电压等级在35kV及以下，供电半径在20～50km以内
• 区域电力网：电压等级在35kV以上（一般为110kV、220kV），供电半径超过50km，联系较多发电厂的网络
• 超高压远距离输电网：电压等级为330kV～500kV的网络，其主要任务是把远处发电厂生产的电能输送到负荷中心，同时还联系若干区域电力网形成跨省、跨地区的大型电力系统

我国发电厂的发电机组输出额定电压为~20KV，随着大型发电厂的建成投产及输电距离的增加，为了减少线路能耗、压降，以及节约有色金属和降低线路工程造价，必须经发电厂中的升压变电所升压至35~500KV，再由高压输电线传送到受电区域变电所，降压至6~10KV，经高压配电线送到用户配电变电所降压至220/380V 低压，供用电设备使用。 

 

 

 变电站

• 

1.枢纽变电所

枢纽变电所通常有两个及以上的电源汇集，进行电能的分配和交换，形成电能的枢纽。这类变电所规模较大，采用三绕组变压器以获得不同级别的电压，送到不同距离的地区。高压侧一般为330～1000KV，且有大量110 ～220KV出线。

2.中间变电所

作为长距离输电线路的分段，起“承上启下”作用。

• 3.地区变电所

供给一个地区用电，通常也采用三绕组变压器，高压受电，中压转供，低压直配。高压侧一般为110～220KV。

4.终端变电所

电网末端变电所，直接给用户供电，通常采用双绕组变压器。高压侧一般 为35～110KV，经降压后直接向用户变、配电所供电。

 

输电线路的参数

单位长度电力线路一相的等值电路：

电阻

• 反映线路通过电流时产生有功功率损失效应，实际上就是导体对电流的阻碍作用

取值

交流电阻一般大于直流电阻。原因：集肤效应和临近效应；多股绞线比导线的实际长度长2％～3％；计算用的标称截面积略大于实际截面

电阻率（W·mm2/km）	铜	铝
直流电阻率	17.5	28.5
导线的计算用电阻率	18.8	31.5

电阻的温度修正：导线的电阻值还会受到环境温度变化的影响，运行中导线的变化范围很小，多取20℃时的值。但计算精度要求较高时，可以根据实际温度进行修正：rt＝r20[1+α(t-20)]

集肤效应：电荷总是集中到导体表面流动，导体表面电流密度比中心大。

电抗：反映载流导线的磁场效应。

导体通过电流时在导体内部及其周围产生磁场，电流磁场在导线中所产生的感应电动势对电流的阻碍作用。电抗会导致压降。

①自感：线圈中电流的变化，引起穿过线圈自身的磁通量发生变化，使线圈出现感应电动势。

②互感：导体A与导体B相邻，A中电流的变化引起B中磁通量的变化，从而在线圈B中产生感应电动势。

• 单导线（一相一根导体

r 为导线的计算半径，μr 为导线材料的相对导磁系数，铝和铜的μr =1, 钢的μr >>1 

三相导线间的几何均距Dm：

三相电流之和为0，三相导线越接近，产生的磁场就越能抵消，电抗就越小；但是距离太小，会导致空气击穿。

在远距离输电线路中，限制输送容量主要是线路的电抗，为减小电抗可以通过增加导线截面和缩小导线之间的距离来实现。

取f =50Hz，对Cu，Al等，取ur=1时

几何均距Dm越大，则x1越大，即高压线路的电抗大，低压线路的电抗小；架空线路的电抗大，电缆线路的电抗小。

• 分裂导线（一相多根导体）

分裂导线采用了改变导线周围的磁场分布，等效地增加了导线半径，从而减少了导线电抗。将每相导线分裂成很多根， 并将它们布置在半径为的圆周上， 则决定每相导线电抗的将不再是每根导体的半径， 而是圆的半径 req。

d12  d13……d1n —某根导线与其余 n—1 根导线间的距离

• 取值

电抗与相间距离(Dm) 、导线截面积(r/req) 、分裂间距(d)等参数为对数关系，因此，架空线路的电抗数值变化并不大。一般，可取如下数值：

单导线	0.40 Ω/km
双分裂	0.33 Ω/km
三分裂	0.30 Ω/km
四分裂	0.28 Ω/km

电导

沿绝缘子的泄露损耗，和电晕损耗，与导线材料无关

• 泄露损耗：一般线路绝缘良好，泄漏电流很小，可以将它忽略
• 电晕损耗：强电场作用下导线周围空气的电离现象。当实际运行电压过高或气象条件变坏时，导线表面的电场强度超过空气的击穿强度（临界电压），使空气中原有的离子具备了足够的动能，撞击其它不带电分子，使后者也离子化，最后形成空气的部分导电，产生局部放电，造成有功功率损失。

现象：发出咝咝声，并产生臭氧，夜间还可看到紫色的晕光，阴雨天气电晕现象比较明显。

后果：放电消耗电能，110kV以上线路与电压有关的有功功率损耗主要由电晕损耗引起；发出的脉冲电磁波对无线电和高频通信有干扰；放电所产生的臭氧对导线及金属元件有腐蚀作用。

采用分裂导线时，电晕Ucr的经验公式:

导线表面状况m1，天气因素m2， 空气相对密度δ，导线半径 req，导线间距 D

• 防止和减小电晕损耗的方法

增大导线半径。在设计时，对220kV以下的线路通常按避免电晕损耗的条件选择导线半径；对220kV及以上的线路，为了减少电晕损耗，常常采用分裂导线来增大每相的等值半径

• 取值

由于泄露通常很小，线路时已按在晴朗天气下不发生电晕校验导线截面积，因此，通常取电导＝0，即一般都可忽略电晕损耗

电纳：反映带电导线周围电场效应

线路导线相与相之间、导线与大地之间的存在相位差，形成容性电流和容性功率，与此对应的参数即电纳。导线电容越大，向外发出无功越多；因为99%负载是感性的，所以希望导线电容希望大一点好。正常情况下三相电容电流为0。

分裂导线改变了导线周围的电场分布，等效地增大了导线的半径，因而增大了每相导线的电纳。

• 取值

架空线路电纳数值变化不大，一般可取为：2.85×10-6 S/km

电缆线路的参数

一般，电缆线路的电阻略大于相同截面积的架空线路，而电抗则小得多，因为三相包在一起，几何间距小。由于电缆的相间距较小，且绝缘的介电常数较大，所以电缆线路电容比架空线路大的多。城市地区多市电缆，所以负载轻的情况下，城市电压会增大

 电力线路的数学模型

稳态分析中电力线路的数学模型是指以电阻、电抗、电纳和电导表示的等值电路。输电线路的参数通常可以认为是沿全长均匀分布的。

① 用单相等值电路代表三相：一方面假设三相对称运行方式，另一方面也因设架空线路都已经整循环换位。

②线路电导忽略不计

• 一般线路的等值电路（集中参数）

不考虑线路的分布参数特性，只用将线路参数简单地集中起来的电路表示。

• 1.短线路（<35kv，<100km的架空线路、短电缆线路）

由于线路电压低，长度短，所以线路导纳的影响小，可略去

2.中等长度线路（ 110~330kv，100~300km架空线路、<100km电缆线路）

长距离输电线路的输电线路（分布参数）

220kV以上, >300km架空线路、>100km电缆线路

• 波阻抗和自然功率

无损导线：超高压线路电阻远远小于电抗，取r1=0，g1=0，线路上没有有功损耗。无损导线的特性阻抗和传播系数：

自然功率：无损线路末端负荷阻抗等于波阻抗时，该负荷消耗的功率。

无损导线传输自然功率时的传输特点 ：

结论：无损耗线路末端的负荷阻抗为波阻抗时

• 全线电压有效值相等，电流有效值相等
• 全线任意一点的电压与电流同相，即功率因数＝1
• 线路传输中既没有有功损耗，也没有无功损耗
• 电流流过电抗消耗的无功恰好等于电纳发出的无功，从而输电线路各点的电压均相等
• 任意两点电压之间的相差正比于两点之间的距离，比例系数是相位系数。

电压等级	导线形式	波阻抗	自然功率
220kV	单导线	400Ω	120MW
500kV	四分裂导线	260Ω	1000MW

• 电力线路无功、有功和电压

电力线路上的无功功率损耗分两部分，即并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。前者与线路电压的平方成正比，后者与负荷电流的平方成正比，呈感性。因此，线路作为电力—个元件究竟消耗容性或感性无功功率就不能肯定。

可以用无损导线的特性估计超高压线路运行特性

• 当传输功率=自然功率时，发无功=吸无功，末端电压=首端电压
• 当传输功率>自然功率时，发无功<吸无功，末端电压<首端电压
• 当传输功率<自然功率时，发无功>吸无功，末端电压>首端电压

注意：输电线路的电抗吸无功，对地电容发无功。这里默认无功是感性无功

一般，通过110kV及以下线路输送的功率往往大于自然功率；通过500kV线路输送的功率大致等于自然功率。通过220kV线路输送的功率则因线路长度而异，线路较长时，小于自然功率；线路较短时，大于自然功率

额定电压（kv）	导线分裂数	波阻抗范围	波阻抗（欧）	自然功率（MW）
220kV	1	385~415	380	127
220kV	2	285~305	300	160
330kV	2	285~305	300	353
500kV	3	275~285	280	893
500kV	4	255~265	260	962

 

架空线路的换位问题

如果三相导线之间的距离不同，则互感磁通大小不一样，三相线路的电抗不同；三相导线的电容也不同。减少三相参数的不平衡的措施有：

• 三相导线对称布置（等边三角形布置）
• 三相线路全换位

整换位循环：指一定长度内有两次换位而三相导线都分别处于三个不同位置，完成一次完整的循环。

换位方式：滚式换位和换位杆塔换位

 

输电线路

架空线路

由导线、绝缘子、避雷线、杆塔、横担、金具、接地装置组成

导线

在输电线路中，输电线路铁塔最顶端的为两根细细的地线（也叫避雷线），地线下方的叫导线。

• 钢芯铝绞线

钢的机械强度高，铝的导电性能好，导线的内部有几股是钢线，以承受拉力；外部为多股铝线，以传导电流。由于交流电的集肤效应，电流主要在导体外层通过，这就充分利用了铝的导电能力和钢的机械强度，取长补短，互相配合。目前架空输电线路导线几乎全部使用钢芯铝线。作为良导体地线和载波通道用的地线，也采用钢芯铝线。

绞线的相邻两层绕向相反，一则不易反劲松股，再则每层导线之间距离较大，增大线径，有利于降低电晕损耗

 线路电压超过220kV时，为减小电晕损耗或线路电抗，常需采用直径很大的导线。但就载流容量而言，却又不必采用如此大的截面积。可以采用扩径导线和分裂导线

• 分裂导线

每相导线由几根直径较小的分导线组成，各分导线间隔一定距离并按对称多角形排列。增加导线的计算半径，与此同时，线路电容也将増大。

原理：分裂导线附近电磁场变化了，每相电荷分布在该相的各根分导线上，这样就等效于加大了该相导线的半径，减小了导线表面电荷密度,因而降低导线表面电场强度,从而抑制电晕放电。

交流线路的导线有3相，所以导线呈3的倍数时为交流线路，3根线叫一回，6根线叫两回，12根线就叫四回；

分裂根数大于4根时，电抗下降减缓，实际应用中分裂根数不大于4根

直流线路的导线通常是2相，所以导线呈2的倍数时是直流线路。

• 扩径导线

扩大导线直径，但不增加载流部分截面积。不同之处在于支撑层仅有6股，起支撑作用。扩径导线和普通钢芯铝绞线的区别在于支撑层并不为铝线所填满

杆塔

杆塔的作用是将导线举升至空中，保持导线与地面之间、相与相导线之间的安全距离，使电能沿着导线传输，而不至于形成其他的回路。

可以根据铁塔的形状来快速识别交流与直流。直流输电线路的铁塔大部分呈“T”字型或者“干”字形结构。

                                T字型                                                干字型

交流输电线路的铁塔种类繁多，有酒杯型、猫头型、上字型、鼓型、拉V型、干字型等结构。

                   酒杯型                                    猫头型                                       上字型

                       鼓型                                 拉V型                           干字型

 绝缘子

绝缘子将输电导线固定在直立于地面的杆塔上。为避免导线由于杆塔的连接建立与大地之间的回路，需要保证导线与杆塔之间的绝缘且能形成对导体的有效支撑，这就是绝缘子的主要功能

按结构形式主要分针式绝缘子和悬式绝缘子

• 针式绝缘子适用于35kV以下的线路
• 悬式绝缘子用于35kV及以上的线路
• 近年来开始广泛使用瓷横担

根据悬式绝缘子串上绝缘子的片数可以大致判断线路的电压等级：

10kV电压等级的绝缘子一般需要1~2片绝缘子片，35kV电压等级需要约3片， 110kV电压等级需要约7片，220kV需要14~15片，500kV电压等级需要23~25片，750kV电压等级需要32片。

电力电缆

包括三部分：导体、绝缘层、保护层

电力电缆常用于城市地下电网、发电站引出线路、工矿企业内部供电及过江海水下输电线。

• 优点: 无需架设杆塔，占地小；供电可靠，极少受外力破坏；对人身较安全；美观，等等。
• 缺点：造价高，检修工作量大；电压越高，绝缘成本增幅越大

电缆分为单芯电缆和多芯电缆。多芯电缆就是电缆外包绝缘保护层中有多根相互绝缘导体的电缆。对于单芯电缆，当输送较大功率时，要求的截面积就比较大，此时如使用多芯电缆，可以有效减少集肤效应的影响，大大提高电缆芯的利用率。

直流电缆的绝缘在运行中承受恒定电场的持续作用，更容易导致绝缘损坏，这是直流电缆制造与使用过程中面临的关键问题。

 

接线方式

无备用接线  

每一负荷只能靠一条线路获得电能，又称开式网络

• 单回路放射式、干线式和链式网络等
• 特点：简单、经济、运行方便灵活。
• 供电可靠性差，电能质量差
• 干线式和树状网络中，当线路较长时，线路末端的电压往往偏低

有备用接线

每一个负荷点至少可以通过两条线路从不同方向取得电能，又称闭式网络。

• 双回路式、单环式、双环式和两端供电式等
• 供电可靠，电能质量高
• 环形接线运行调度复杂，故障或检修切除一侧线路时，电压质量差，供电可靠性下降
• 双回路放射式结线对每一负荷都以两回路供电， 每回路分担的负荷不大， 而在较高电压级网络中， 往往由于避免发生电晕等原因，不得不选用大于这些负荷所需的导线截面积， 经济性差。
• 两端供电式受电源分布限制、运行复杂

（a） 双回路放射式   （b） 双回路干线式    （c）双回路链式   

                     （d） 环式   （e）  两端供电网络

 

适用场所

无备用接线方式通常用于对供电可靠性要求不高的三类负荷的供电，在采取一定的提高供电可靠性的措施后（例如采用组合开关电气、线路装设重合闸装置等）也可用于对二类负荷的供电。

有备用接线方式通常用于对供电可靠性较高的一类负荷和二类负荷的供电。对于一类负荷供电时应有两个以上相互独立的电源。

 

 

中性点接地方式（小接地方式和大接地方式）

电力系统的中性点是指三相电力系统中作星形连接的变压器或发电机绕组的中性点。

小电流接地系统（10KV，35KV）

中性点不接地，或经消弧线圈接地，或经高阻抗接地的系统

优点:一相接地时，不构成短路回路，接地相电流是容性的，不大，不必切除接地相，可以带故障运行2个小时（供电不中断），可靠性高。

缺点:中性点电压升高为相电压，非故障相的对地电压升高为相电压的√3倍，系统中的相绝缘必须按线电压考虑，绝缘成本高。

• 经消弧线圈接地

当线路较长，线路对地电容较大，或电源电压较高时，单相接地时流过接地点的电流可能较大，当电流超过限制值时，有可能使接地点电弧不能自行熄灭并引起弧光接地过电压，甚至发展成严重的系统性事故。

消弧线圈是由电阻很小的电感线圈和铁芯构成。消弧线圈在短路回路中产生感性电流，抵消或削弱接地点的容性电流，从而消除接地处的电弧以及由它所产生的危害。一般采取过补偿，即感性电流大于容性电流。

一般认为，对3～60kV网络，容性电流超过以下数值时，中性点应装设消弧线圈：3-6kV为30A，30kV为20A，35kV为10A

 大电流接地系统（220V/380V和110KV以上）

中性点直接接地，或中性点经小阻抗（小电阻）接地的系统

缺点: 一相接地时，出现了除中性点外的另一个接地点，构成了短路回路，接地相电流很大，为了防止损坏设备，必须迅速切除接地相甚至三相，因此可靠性低。

优点: 该方式下非故障相对地电压不变，电气设备绝缘水平可按相电压考虑，绝缘成本低。

在电压等级较髙的系统中， 绝缘费用在设备总价格中占相当大比重， 降低绝缘水平带来的经济效益很显著， 所以一般采用中性点直接接地方式， 而以其它措施提高供电可靠性，比如继电保护。

 

 

家庭配电

供电公司来的10kV电缆到了小区后，通过变压器降压到400V。该变压器低压侧采用星型接法，中性点接地。从中性点引出PEN线，到达配电箱后分成零线和地线。假设有三户人家，则零线和地线分别分成3支，分配每一户；每一相分别给每一户供电，这就是火线。如果户数多于3家，那么接线的时候，尽量让三相负载对称。

从火线与中线之间的电压叫做相电压，火线与火线之间的电压叫做线电压。家里用的是相电压，220V。零线和地线之间的电压为0。