目录

    1. 世界电力发展简史

    2. 交流电基础

    3. 单相电与三相电

    4. 城市供电

    （附录） 世界各国交流电参数

1. 世界电力发展简史 [1]

 1.1 电的产生

 1.1.1 磁，静电

    通常所说的摩擦起电，在公元前人们只知道它是一种现象。很长时间里，关于这一种现象的认识并没有进展。

    而罗盘则在13世经就已经在航海中得到了应用。那时的罗盘是把加工成针形的磁铁矿石放在秸秆里，使之能浮在水面上。到了14世纪初，又制成了用绳子把磁针吊起来的航海罗盘。这种罗盘在1492年哥伦布发现美洲新大陆以及1519年麦哲伦发现环绕地球一周的航线时发挥了重要的作用。

    1.1.1.1 磁，静电与吉尔伯特

        英国人吉尔伯特是伊丽莎白女王的御医，他在当医生的同时，也对磁进行了研究。他总结了多年来关于磁的实验结果，于1600年出了一本取名为《论磁学》的书。书中指出地球本身就是一块大磁石，并且阐述了罗盘的磁倾角问题。
        吉尔伯特还研究了摩擦琥珀吸引羽毛的现象，指出这种现象不仅存在于琥珀上，而且存在于硫磺，毛皮，陶瓷，火漆，纸，丝绸，金属，橡胶等是摩擦起电物质系列。把这个系列中的两种物质相互摩擦，系列中排在前面的物质将带正电，排在后面的物质将带负电。
        那时候，主要的研究方法就是思考，而他主张真正的研究应该以实验为基础，他提出这种主张并付诸实践，在这点上，可以说吉尔伯特是近代科学研究方法的开创者。

    1.1.1.2 雷和静电
        在公元前的中国，打雷被认为是神的行为。说是有五位司雷电的神仙，其长者称为雷祖，雷祖之下是雷公和电母。打雷就是雷公在天上敲大鼓，闪电就是电母用两面镜子把光射向下界。

        到了亚里斯多德时代就已经比较科学了。认为雷的发生是由于大地上的水蒸气上升，形成雷雨云，雷雨云遇到冷空气凝缩而变成雷雨，同时伴随出现强光。

        认为雷是静电而产生的是英国人沃尔，那是1708年的事。1748年，富兰克林基于同样的认识设计了避雷针。能不能用什么办法把这种静电收集起来？这个问题很多科学家都考虑过。1746年，莱顿大学教授缪森布鲁克发明了一种存贮静电的瓶子，这就是后来很有名的“莱顿瓶”。
        缪森布鲁克本来想像往瓶子里装水那样把电装进瓶子里，他首先在瓶子里灌上水，然后用一根金属丝把摩擦玻璃棒扔到水里。就在他的手接触到瓶子和棒的一瞬间，他被重重地“电击”了一下。据说他曾这样说过：“就算是国王命令，我也不想再做这种可怕的实验了”。
        富兰克林联想到往莱顿瓶里蓄电的事，于1752年6月做了一个把风筝放到雷雨云里去的实验。其结果，发现了雷雨云有时带正电有时带负电的现象。这个风筝实验很有名，许多科学家都很感兴趣，也跟着做。

        通过用各种金属进行实验，意大利帕维亚大学教授伏打证明了锌，铅，锡，铁，铜，银，金，石墨是个金属电压系列，当这个系列中的两种金属相互接触时，系列中排在前面的金属带正电，排在后面的金属带负电。他把铜和锌做为两个电极置于稀硫酸中，从而发明了伏打电池。电压的单位“伏特”就是以他的名字命名的。
        19世纪初，正是法国大革命后进入拿破仑时代。拿破仑从意大利归来，在1801年把伏打召到巴黎，让他做电实验，伏打也因此获得了拿破仑授予的金质奖章和莱吉诺-多诺尔勋章。

    1.1.1.3 伏打电池的利用与电磁学的发展
        伏打电池发明之后，各国利用这种电池进行了各种各样的实验和研究。德国进行了电解水的研究，英国化学家戴维把2000个伏打电池连在一起，进行了电弧放电实验。戴维的实验是在正负电极上安装木炭，通过调整电极间距离使之产生放电而发出强光，这就是电用于照明的开始。
        1820年，丹麦哥本哈根大学教授奥斯特在一篇论文中公布了他的一个发现：在与伏打电池连接了的导线旁边放一个磁针，磁针马上就发生偏转。俄罗斯的西林格读了这篇论文，他把线圈和磁针组合在一起，发明了电报机（1831年），这可说是电报的开始。其后，法国的安培发现了关于电流周围产生的磁场方向问题的安培定律（1820年），法拉第发现了划时代的电磁感应现象（1831年），电磁学得到了飞速发展。

 1.2 电力设备的产生

    可以说，1820年奥斯特所发现的电磁作用就是电动机的起源。而1831年法拉第所发现的电磁感应就是发电机的变压器的起源。

 1.2.1 发电机
    1832年，法国人毕克西发明了手摇式直流发电机，其原理是通过转动永磁体使磁通发生变化而在线圈中产生感应电动势，并把这种电动势以直流电压形式输出。
    1866年，德国的西门子发明了自励式直流发电机。
    1869年，比利时的格拉姆制成了环形电枢，发明了环形电枢发电机。这种发电机是用水力来转动发电机转子的，经过反复改进，于1847年得到了32KW的输出功率。
    1882年，美国的戈登制造出了输出功率447KW，高3米，重22吨的两相式巨型发电机。
    美国的特斯拉在爱迪生公司的时候就决心开发交流电机，但由于爱迪生坚持只搞直流方式，因此他就把两相交流发电机和电动机的专利权卖给了西屋公司。
    1896年，特斯拉的两相交流发电机在尼亚拉发电厂开始劳动营运，3750KW，5000V的交流电一直送到40公里外的布法罗市。
    1889年，西屋公司在俄勒冈州建设了发电厂，1892年成功地将15000伏电压送到了皮茨菲尔德。

 1.2.2 电动机
    1834年，俄罗斯的雅可比试制出了由电磁铁构成的直流电动机。1838年，这种电动机开动了一艘船，电动机电源用了320个电池。此外，美国的文波特和英国的戴比德逊也造出了直流电动机（1836年），用作印刷机的动力设备。由于这些电动机都以电池作为电源，所以未能广泛普及。
    1887年，前面所讲过的特斯拉两相电动机作为实用化感应电动机的发展计划开始启动。

    1897年，西屋公司制成了感应电动机，设立专业公司致力于电动机的普及。

 1.2.3 变压器
    发电端在向外输送交流电的时候，要先把交流电压升高，到了用电端，又得把送来的交流电压降低。因此，变压器是必不可少的。
    1831年，法拉第发现磁可以感应生成电，这就是变压器诞生的基础。
    1882年，英国的吉布斯获得了“照明与动力用配电方式”专利，其内容就是将变压器用于配电，当时所用的变压器是磁路开放式变压器。
    西屋引进了吉布斯的变压器，经过研究，于1885年开发出了实用的变压器。此外，在此前一年的1884年，英国的霍普金森制成了闭合磁路式变压器。

 1.3 电力工业兴起

    电力工业就是将一次能源如煤炭、石油、天然气、核燃料、水能、风能、太阳能等经发电设施转换成电能，再通过输电、变电与配电系统供给用户作能源的工业部门。

    1850年，马克思在看到一台电力机车模型后，就曾预言：“蒸汽大王在前一个世纪中翻转了整个世界，现在它的统治已到末日，另外一个更大得无比的革命力量──电力将取而代之。”100多年来的历史充分证实了马克思预言的正确。

    1875年，巴黎北火车站建成世界上第一座火电厂,安装经过改装的格拉姆直流发电机,为附近照明供电 。

    1879年，美国旧金山实验电厂开始发电，这是世界上最早出售电力的电厂。

    1882年，美国建成纽约珍珠街电厂,装有6台直流发电机,总容量900马力（约670千瓦），以110伏直流电供电灯照明。这是世界上第一座较正规的电厂。

    在此前后，世界各国陆续建成几座容量为千千瓦级的电厂。其中，著名的有伦敦德特福德火电厂。

    1881年在英国的戈德尔明建成世界上第一座水电站。

    1882年，美国在威斯康星州的福克斯河上建成第二座水电站，水头3米,装机容量10.5千瓦。

    进入90年代，水电站的规模发展到万千瓦级以至十万千瓦级。如美国尼亚加拉水电站（1895），设计容量14.7万千瓦，这是商业性水电站的发端。

    20世纪巴西和巴拉圭合建的伊泰普水电站 ，中国的三峡电站没有建的时候这里是世界上最大的水电站,装机1400万千瓦,年发电量986亿千瓦时。

    20世纪初，为适应电力工业发展的需要，电工制造业生产出万千瓦级的机组,如瑞士勃朗－鲍威力有限公司生产的1.5万千瓦机组(1902),美国西屋电气公司的1万千瓦机组

    到1912年，汽轮发电机组的容量达到 2.5万千瓦。进入20年代，美国已制成10万千瓦的机组。电力工业已从萌芽发展到初具规模。

    1913年,全世界的年发电量已达500亿千瓦时。电力工业已作为一个独立的工业部门，进入人类的生产活动领域。

 1.4 电力系统的发展趋势

    2013年中国的GDP增长率为7.7%,高于年初所制定的7.5的发展目标，在宏观经济企稳回升的背景下，全年发电量增长为7.3%，增速较2012年提高了1.9个百分点。

    按发电技术划分，化石燃料发电量占全球总发电量的比重为70%（如上图），与2012年的70.5%相比略有下降。水电和核电发电量占比分别为14.2%和10.9%。而新能源发电在2013年延续了高速增长的趋势，年发电量同比增速达到了3%，占全球发电量总额的5.2%，与整体发电量增速缓慢形成了鲜明对比。这主要是由以风电和光伏发电为主的新能源发电技术水平不断提高、发电成本不断下降、上下游产业更加成熟、应用方式更加灵活多样所导致的，预计未来这一趋纠等持续并加速。

    在新能源发电领域，2013年光伏新增装机容量首次超过风电新增装机容量(如下图)。受美国生产税抵免政策(ProductionTax Credit, PTC)中断影响，2013年全球风电新增装机容量仅为35.1GW，而光伏新增装机容量则达到38.7GW,超过风电3.6GW。其中，光伏发电最大的增长动力来自中国和日本，除中国在2013年实现了12GW的光伏新增装机容量外，日本在“新能源改革计划”的推动下，光伏新增装机容量也达到了6.7GW。相比风电和光伏，其他新能源技术2013年的新增装机容量增长均较为有限：生物质及垃圾发电55Gw、地热发电1.1GW。

    总之， 目前世界各国都在未来电力工业的发展，首先关心的是非再生一次能源和发电技术。

    欧盟出于环境保护的考虑，在哥本哈根气候峰会要求CO2排放量到2020年比1990年减少30%，所以很多国家倾向于天然气发电，但天然气成本较高，储量有限，不可能取代燃煤，大功率的燃气轮机(10-15万kW)作为大的电力系统中的高峰负荷机组最有竞争力，设有注水装置或干式低NO2燃烧器的机组可减步排放的污染。

    目前较多注意联合循环的燃气轮机，火力发电厂中烧煤和烧油仍占很大比例。烧煤电厂的技术改造受到各国重视，如松煤发电厂的烟气处理、循环流化床、加压流化床燃烧等。煤的气化可取代不足的天然气井满足环境要求，但投资费用很高。

    对核能发电有安全的顾虑，意大利就曾停止了部分核电厂的建设，前苏联切尔诺贝利核电厂发生事故后，也部分关闭和改造。随着安全保护措施的提高，核电仍有很多国家优先考虑，法国的发电量中有70%以上为核电，并正在发展一种法德方案的欧洲压水堆(EPR)。意大利将重新考虑发展核电，到2020年计划达到2500万kW，其次关心的是节能措施，热电联供可节省一次能源，减少环境污染。

    在再生能源方面，当前仍以水电为主。但一些发达国家的水力资源己濒临殆尽，水电在整个电力工业中的比重越来越小。太阳能、风能和潮汐能到2020年还只能占很小比例。电力系统间的跨地区和跨国互联将进一步得到重视和发展。

2. 交流电基础 [2]

 2.1 交变电流

 2.1.1 交流电定义 [2]

    电流方向随时间作周期性变化，且在一个周期内的平均电流为零[3]，这样的电流叫做交变电流（alternating current），简称交流（AC）。

    方向不随时间变化的电流称为直流（direct current，DC）。

    在生产和生活中使用的电能，几乎都是交流电能，即使是电解、电镀、电讯等行业需要直流供电，大多数也是将交流电能通过整流装置变成直流电能。在日常生产和生活中所用的交流电，一般都是指正弦交流电。

    因为交流电能够方便地用变压器改变电压，用高压输电，可将电能输送很远，而且损耗小；交流电机比直流电机构造简单，造价便宜，运行可靠。所以，现在发电厂所发的都是交流电，工农业生产和日常生活中广泛应用的也是交流电。

    优点[4]：简单、安全、适合半导体器件供电。

        （1）交流电可以用变压器变压，便于远距离输电。

        （2）交流电机比同功率直流电机构造简单，造价低。

        （3）可以用整流装置，将流交电变成所需的直流电。

        （4）无线电通讯中交流信号可放大、传送、变换。

 2.1.2 交变电流的产生

    常见交流电类型：（如下图）[5]

    • 正弦交流电：大小和方向均随时间按正弦规律变化的电压或电流称为正弦交流电。 

    • 非正弦交流电：一系列正弦交流电叠加合成的结果。

    2.1.2.1 产生正弦交流电的设备 [5]

    交流电可以由交流发电机提供，也可由振荡器产生。（详情请搜索LC振荡，在此我不做过多讲述）

    交流发电机主要是提供电能，振荡器主要是产生各种交流信号。

    2.1.2.2 正弦交流电的产生过程 [5]

    矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴转动。上图中线圈所在平面被称为中性面，此时B⊥S（如下图）

    ab和cd边都不切割磁感线，

    磁通量Φ最大,E＝0,

    线圈经中性面时，电流将改变方向一次。

    线圈转动一周，电流方向改变两次。

    当B//S时，如下图：

    ab、dc边垂直切割磁感应线。

    Φ=0， ,

    I 最大,感应电流方向b到a。

 2.1.3 交变电流的变化规律 [2][5]

    对于上文所示的发动机，根据法拉第电磁感应定律可以导出，它的电动势e随时间的变化规律为：

    式中Em是个常数，上文也有提到，它表示电动势可能达到的最大值，叫做电动势的峰值（peak value），ω是发动机转动的角速度。

    由于电动势按正弦规律变化，所以当负载为纯电阻用电器时，负载两端的电压u、流过的电流i，也按正弦规律变化，即：

    式中Um和Im分别为电压和电流的峰值，而e、u、i则是这几个量的瞬时值。

 2.2 描述交变电流的物理量 [2]

    上面讲到交变电流的大小和方向都随时间变化，谈到它的电流或电压时要区分它的峰值和瞬时值。

    此外，还有几个物理量，在描述交变电流时也常用到。

2.2.1 周期和频率 [2]

    与任何周期性过程一样，交变电流也可以用周期或频率表示其变化的快慢。在上一节的图中，线圈转动一周，电压、电流都发生一次周期性变化。我们把交变电流完成一次周期性变化所需的时间，叫做它的周期（period），通常用T表示，单位是秒。

    交变电流在1s内完成周期性变化的次数叫做它的频率（frequency），通常用f表示，单位是赫兹（hertz），简称赫，符号是Hz。频率是供电质量的重要指标。根据定义可以知道，周期和频率互为倒数，即：

    根据三角函数的知识可以知道，在上面“交变电流的变化规律”的公式中，ω等于频率的2π倍，即ω=2πf。因此，有的书里将ω称为角频率。

 2.2.2 峰值和有效值 [2]

    交变电流的峰值Im或Um是它能达到的最大数值，可以用来表示电流的强弱或电压的高低。例如，把电容器接在交流电路中，就需要知道电压的峰值。电容器所能承受的电压要高于交流电压的峰值，否则电容器就可能被击穿。

    让交流与恒定电流分别通过大小相同的电阻，如果在交流的一个周期内它们产生的热量相等，而这个恒定电流是I、电压是U，我们就把I、U叫做这个交流的有效值（effective value）。

    理论计算表明，正弦式交变电流的有效值I、U与峰值Im、Um之间有如下的关系：

    人们通常说家庭电路的电压是220V，指的便是有效值。使用交流的电气设备上，标出的额定电压和额定电流都是有效值，一般交流电压表测量的数值也是有效值。但凡提到交变电流的数值，且没有特殊说明的，都指有效值。

 2.2.3 相位 [2]

    上图画出了两支交流的电压与时间关系的图像。这两支交流的周期相等，但它们的瞬时值并不同时达到最大。交流电压甲达到峰值、变为0的时间，总比交流电压乙早一些。这种情况下，我们说，它们的“相位”不同。

    用代数式表示，这两支交流的瞬时电压与时间的关系分别为：

    正弦符号“sin”后面的量“ωt+φ”叫做交变电流的相位（phase），φ是t=0时的相位，叫做交变电流的初相位，又叫做初相。两支交流的相位之差叫做它们的相位差。如果它们的频率相同，但初相位不同，即：

    那么相位差（ωt+φ2）-（ωt+φ1）=φ2-φ1 是个常数，不随时间变化，这时我们说，这两支交流“具有确定的相位差”。

    相位差是个很重要的物理量。例如，不同的交流发电机在向同一个电网供电时，它们的相位必须完全相同，即相位差必须保持为0，不然的话，轻则会使输电效率降低，严重时会损坏输电设备。

3. 单相电与三相电

 家用电源一般是单相交流电，电压 为 220 伏；工业用电源是三相交流电，电压为 380 伏。

 3.1 单相电

    单相交流电是电能的一种输送形式，简称为单相电（single-phase electric power），是指一根相线（俗称火线）和一根零线构成的电能输送形式，必要时会有第三根线（地线），用来防止触电。

 3.1.1 电源线

    电线单位是平方毫米，分铜芯线（即所谓的铜芯线）、铝芯线两种，一般家庭装修用的是铜芯线。

 3.1.2 地线

    接地设施分为两种，一种是工作接地,就是将电器的带电部分与大地连接起来的接地，比如三相电变压器低压点中性线的接地；一种是保护接地，就是防止电器的绝缘层损坏而使外壳带电或其它不带电工作的金属部件带电伤人而作的接地。

 3.1.3 实质

    事实上，我们生活中经常跟单相电打交道。我们上学时（指大学以下，不包括大学）学到的交流电的知识，全部都是单相电的。家庭用电也都是单相电，我们日常使用的家用220V的电表上都写着“单相电能表”呢！所以，单相电又被称为“照明电”。

 3.2 三相电 [6]

    三相交流电是电能的一种输送形式，简称为三相电（three-phase alternating current）。三相交流电源，是由三个频率相同、振幅相等、相位依次互差120°的交流电势组成的电源。

    三相交流电的用途很多，工业中大部分的交流用电设备，例如电动机，都采用三相交流电。而在日常生活中，多使用单相电源，也称为照明电。当采用照明电供电时，使用三相电其中的一相给用电设备供电，例如家用电器，而另外一根线是三相四线之中的第四根线，也就是其中的零线，该零线从三相电的中性点引出。

 3.2.1 简介

    我国发电厂和电力网生产、输送和分配的交流电都是三相交流电。这是因为三相交流电具有许多优点。在发电设备方面，三相交流发电机比同样尺寸的单相交流发电机输出功率大；在输电方面，三相供电制也较单相供电制节省材料；从用电方面，生产中广泛使用的三相交流电动机与直流电动机及其他类型的交流电动机相比，有性能优良、结构简单、价格低廉等优点。

    以下是一个理想的三相交流电电动势的数学表达式：

    其中，Em是电动势最大值。

 3.2.2 原理

    交流发电机的原理是：在发电机内部有一个由发动机带动的转子(旋转磁场)。

    磁场外有一个子绕组，绕组有3组线圈(三相绕组)，三相绕组彼此相隔120°电角。当转子旋转时，旋转磁场使固定的定子绕组切割磁力线(或者说使电动势绕组中通过的磁通量发生变化)而产生电动线圈所能产生的电动势的大小，和线圈通量的强弱、磁极的旋转速度成正比。

    把3组线圈以(120°)进行配置，就可以得到互差120°的相同电压、相同频率的三相交流电。

 3.2.3 特征

    把三个大小相等、频率相同、初相位相差120°的交流电合在一起就组成一个三相交流电。实际的三相交流电是由三相发电机产生的，在发电机中有三个相同的绕组按空间相差120°均匀分布。这样，发电机旋转就可以产生满足上述条件的三个单相交流电，由于初相位相差120°，在各条导线中流过的电流存在一个时间差，这样就不需要六条导线供电，而只需在发电机内部把三个绕组按一定方式联接起来，用三条或四条导线供电。发电机每个绕组发出的一个交流电叫做三相交流电中的一相，就是我们所使用的单相交流电。

    发电机三相绕组分别称为A相绕组，B相绕组和C相绕组。

    我们把一个绕组的尾端与另一个绕组的首端接在一起，另一个绕组的尾端再与下一个绕组的首端接在一起，三个绕组接成一圈，从每个接点接出一条线称为三角形接法，把三个绕组的尾端接在一起，每个首端接出一条线称为星型接法。

 3.2.4 三相电负载接法

    分为三角形接法(符号△)和星形接法(又称Y形接法，符号Y)。

    1、将各负载的尾端与中性线N相接，各负载头端分别与相线相接就构成星形连接。在电工技术中，我们将负载接成单相220V电压的形式，比如220V的照明灯、单相电动机、单相电炉等。用电设备都以星形接法接入电路中，应考虑将设备均匀分布于三相电源的相线上，保持三相负载平衡分布。若不这样，断路器可能会跳闸断开，以示负载不平衡，初次操作的电工人员应注意这点。

    2、所谓负载的三角形(△)连接，就是将三相负载中的相的头与另一相的尾相接。这种接法的负载，三个相电流，三个线电流均为数值相等、相位互差120°的三相对称电流，并且线电流等于(√3)倍的相电流。

 3.2.5 与单相电源区别

    三相电源与单相电源的区别：

    1、在单相正弦交流电路中，单相交流电压、单相交流电流和单相交流电动势都是按照正弦规律变化，也可以形象地说，三相交流电就是三个单相交流电对电路的整体作用。

    2、三相交流电有很多优点：制造三相交流发电机、变压器比单相的节省材料，而且构造简单、性能优良；在同样条件下输送同样大的功率时，三相输电线比单相输电线节省有色金属25%，电能损耗也少；三相电动机比单相电动机性能优良，等等。

 3.2.6 相关概念

    3.2.6.1 零线（N）

        零线亦称“中性线”。三相电路中，零线是由星型连接的中性点引出的线路，零线上的电压为零；不对称三相电路中，由于接触电阻的存在，零线上的电压通常不为零。

    3.2.6.2 地线（PE）

        地线是用来将电流引入大地的导线;电气设备漏电或电压过高时，电流通过地线进入大地。

     3.2.6.2.1 供电地线

        从变压器中性点接地后引出主干线，根据标准每间隔20~30m重复接地，在电路中起安全保护作用。在漏电的情况下，用电者和地线形成了一个并联电路，由于地线的电阻比较小，电流会迅速流入大地，可使用电者避免因触电而导致伤残。

     3.2.6.2.2 电路地线

        在电路设计时，主要是防止干扰与提高无线电波的辐射效率。地线被广泛作为电位的参考点，为整个电路提供一个基准电位。此时，地线未必与真正的大地相连，而往往与输入电源线的一根相连(通常是零线)，其电位也与大地电位无关。

    3.2.6.3 三相四线制

        在低压配电网中，输电线路一般采用三相四线制，其中三条线路分别代表A，B，C三相，另一条是中性线N（区别于零线，在进入用户的单相输电线路中，有两条线，一条我们称为火线，另一条我们称为零线，零线正常情况下要通过电流以构成单相线路中电流的回路，而三相系统中，三相自成回路，正常情况下中性线是无电流的），故称三相四线制。

        在三相四线制的供电系统中，如果零线接地不好或者接地端断了，其后果是在三相负载不平衡时使零线的电位不等于0，也就是说中性点发生偏移。具体零线电位多少与三相负载不平衡度有关，越不平衡，中性点偏移就越大，零线的电位就越高。零线电位偏移后三相的相电压一般就不是220V了。有的相可能超过220V，有的相则可能低于220V。 当中性点偏移量太大，三相的相电压增加的相就可能使其用电电器烧毁，三相的相电压减少的相就可能使其用电电器不能工作。零线的电位升高后，达到一定的值时触地线将会造成触电事故危险。

有的场合也可以用来进行零序电流检测，以便进行三相供电平衡的监控。

    3.2.6.4 三相五线制

        三相五线制是指A、B、C、N和PE线，其中，PE线是保护地线，也叫安全线，是专门用于接到诸如设备外壳等保证用电安全之用的。PE线在供电变压器侧和N线接到一起，但进入用户侧后绝不能当作零线使用，否则，发生混乱后就与三相四线制无异了。但是，由于这种混乱容易让人丧失警惕，可能在实际中更加容易发生触电事故。

4. 城市供电

 简介[7]：城市供电系统（power supply system）由城市供电电源，输配电网、变电所、配电所和电能用户组成的总体。是为现代城市提供能源的基础设施之一。城市供电系统由供电电源、各级电压的电力网络组成的系统，城市供电系统规划是城市总体规划的组成部分。

 特点[8]：

    大、中城市和大型工矿区通过电力网络向用户输送和分配电能。其电力网络称为城市电网。

    城市供电特点主要有以下 3点：

    ①城市工业集中，用电量大，负荷密度高而且增长迅速。对未来负荷的增长规划中要留有充分的发展余地。

    ②大城市集中了政府机关、重要的科学研究机构、管理单位和各种工厂、市政公共设施，其中重要用户一旦供电中断会造成严重后果。因此，要求电网提供安全可靠、高质量的电能。

    ③市区内人口稠密,道路交通拥挤,所以线路走廊和变电所用地受到严格的限制，往往不得不采用地下结构。

    此外还要考虑与环境保护有关的条件，如防止大气污染、防止噪声干扰、美化市容和搞好绿化等方面对供电设施提出的要求和限制。

 4.1 供电电源

    城市供电电源——为城市提供电能来源的发电厂和接受市域外电力系统电能的电源变电所总称。城市电源工程主要有城市电厂、区域变电所(站)等电源设施。城市电厂是专为本城市服务：火力发电厂、水力发电厂(站)；区域变电所(站)是区域电网上供给城市电源所接入的变电所(站)[7]。

 4.2 城市电网

 电网组成[8]：

    城市电网一般由110~220千伏电压的送电网、35~110千伏的高压配电网和10千伏及以下的配电网3层电网组成。

 4.2.1 输电网 [9]

    输电网（Transmission network）是将发电厂、变电所或变电所之间连接起来的送电网络，主要承担输送电能的任务。根据输电电压的不同又可以分为高压输电网（110~220kv）、超高压输电网（330~750kv）和特高压输电网（1000kv及以上）。

    输电网是由输电设备和变电设备构成的。输电设备主要有输电线、杆塔、绝缘子串、空线路等；变电设备主要有变压器、电抗器、电容器、断路器、接地开关、避雷器、电压互感器、电流互感器以及电力保护、监视、控制、通信系统。

    4.2.1.1 输电网的接线方式

    输电网接线的基本方式可分为无备用开式接线方式、有备用开式接线方式、简单闭式接线方式与复杂闭式接线方式4类。

     （1）无备用开式接线方式

    电源和负荷之间采用单回供电线路的接线方式称无备用开式接线方式，开式接线的形式可分为放射型和干线型，如下图所示。放射型的可靠性高于干线型，但放射型的经济性低于干线型。

     （2）有备用开式接线方式

    电源和负荷之间采用双回供电线路的接线方式称有备用开式接线方式，如下图所示。有备用开式接线的形式同样可分为放射型和干线型。因各负荷点均由双回线路或两台变压器供电，供电可靠性显著提高。

     （3）简单闭式接线方式

    简单闭式接线有单侧电源环型和双侧电源干线型两种形式，如下图所示。该类接线中每个负荷点的两回电源进线来自不同的方向，尤其是双侧电源干线型接线来自不同的电源点，因而相对于有备用的开式接线有更高的供电可靠性。而且一般情况下，该类接线的线路长度较短，可节约线路投资。

     （4）复杂闭式接线方式 

    由多环型和其他多种接线形式复合构成的接线方式称为复杂闭式接线方式，如下图所示。 

    4.2.1.2 输电网应用概述

     为满足日益增长的电能需求，电力系统及输电技术也得到了迅速发展，主要体现在以下两个方面。

     (1)电力系统越来越大，结构越来越复杂，在人类消耗的各种形式的能量中，由电力系统供给的电能所占比例越来越高。自从十几年前中国发电装机容量第一次登上l亿kW的台阶后，电力建设就以每年新增装机容量1000万kW以上的超常规速度加快发展。

     (2)为了满足远距离及大容量电能输送的要求，输电电压越来越高。因为我国一次能源分布不均，电厂和负荷中心往往相距甚远，尤其是一次能源主要集中在西部而负荷中心主要在东部，因此必须采用高压远距离输电。虽然直流系统在远距离输电、异域联网、系统互联、跨海输电等方面有相当的优势，但考虑到造价高和控制灵活等方面的因素，高压远距离交流输电和直流输电将会长期并存，相互竞争。

     此外，因目前国内电力需求的迅速增加和电网负荷不均衡矛盾的日益突出，现代电力系统已逐步发展成为跨地域互联的大规模高电压系统，从而使得系统规模和覆盖范围越来越大。为了实现全国联网的目标，对电网的调度、安全性、监控的要求就会非常高，对于整个电网系统也提出了较高的要求。在国家加大电网投资，大力推进“西电东送、全国联网”的政策背景下，高电压长距离输送电力越来越明显。

     传统高压直流输电在大电网领域已经得到了广泛的应用，迄今为止的几十个柔性直流工程都是在输电网领域中的应用。近些年了，随着经济的发展，我国的电力工业建设也发展迅猛，输电容量增长迅速，高压直流在远距离输电中的应用已经较为普遍，800kV特高压直流输电技术也投入了应用。另外，随着风力发电和光伏发电的兴起，可再生能源接入电网的需求，也使得柔性直流技术的应用得到了扩展。

 4.2.2 配电网 [10]

    城市配电网（Urban Distribution Network）直接面向广大电力用户，是供电企业与电力用户联系的纽带。随着我国电力系统配电网设备的不断发展，国家在城乡电网建设和改造中，要求高压直接进入负荷中心，形成高压受电—变压器降压—低压配电的供电方式。

    简介：

     随着社会经济发展和人民生活质量的提高，城市配电网发展规模越来越大，网络结构越来越复杂，对供电可靠性、电能质量和服务质量等主要生产经营指标提出了越来越高的要求。供电企业在面临市场经济的竞争中，也迫切需要提高自身的经济效益。配电网常规、传统的管理方法和手工管理手段已经难以满足这些要求。在加强城市配电网规划和建设的同时，必须提升城市配电网的自动化水平和管理水平，提高供电可靠性和电能质量，提高对用户的服务质量，提高供电企业自身的经济效益。正是在这种背景下，应用计算机、通信及网络技术和现代化管理手段对配电网进行管理，即配电管理系统(Distribution Management System，DMS)，在国内外迅速发展起来。

    4.2.2.1 配电管理系统 [11]

     配电管理系统是一个涉及供电企业运行管理、设备管理、用户服务等各个方面的计算机网络系统。

     概述：

     以配电自动化实时环境、地理信息系统、综合性数据库系统等为基础，组成多个相对独立的应用功能子系统，包括配网自动化（DA）、配电工作管理（DWM）、故障投诉管理（TCM）、自动作图(AM)和设备管理(FM)、负荷管理（LM）、配网分析系统（DAS）等。以实现配电网的管理自动化，优化配网运行、提高供电可靠性、为用户提供优质服务。

     主要功能：

     （1）配电自动化DA（Distribution Automation）

        实现配网的运行、监控、故障诊断、故障隔离与网络重构决策。

     （2）负荷管理LM (Load Management)

        提供大用户负荷采集、控制功能。

     （3）故障投诉管理TCM (Trouble Complaint Management)

        投诉电话处理、故障定位与恢复供电。

     （4）配网分析系统DAS (Deep Analysis System)

        网络建模与网络拓朴、状态估计、配网潮流、网损与压降分析、短路电流、电压/无功控制、负荷预测等。

     （5）配电工作管理DWM (Distribution Work Management)

        配网运行工作、统计报表管理；配电设计、施工、检修管理。

     （6）图纸管理AM / FM / GIS (Automated Mapping/Facilities Management/Geographic Information System)

        配电图纸管理系统是基于地理信息系统(GIS)的自动作图(AM)和设备管理(FM)系统。它把标明有各种电力设备和线路的街道地理位置作为配电网管理和维修电力设备以及寻找和排除设备故障的有力工具。

    4.2.2.2 配电网设施设备

     智能箱式变电站是社会经济发展和城市建设的必然产物，近二十多年的经济发展，城市供电的格局发生了较大的变化，过去那种集中降压、长距离配电的方式已经大大制约了城市供电，并降低了供电企业的经济效益。原因是供电半径过大，线路损耗随着用电负荷的增加而大大增加，同时供电质量也大大降低。要减少线路损耗，保证供电质量，就得提高供电电压，这是众所周知的事实。为此，国家在城网建设中，要求高压直接进入市区，深入负荷中心。有资料显示，将供电电压从380V上升到10kV，可以减少线路损耗60%，减少总投资和用铜量52%，其经济效益相当可观。

     与此同时，由于信息化、网络化和智能化住宅小区发展，因此不仅要求箱式变电站安全可靠，同时要求具有“四遥”(遥测、遥讯、遥调、遥控)的智能化功能。这种智能箱式变电站环网供电时，在特定自主软件配合下，能完成故障区段自动定位、故障切除、负荷转带、网络重构等功能，从而保证在短时间内恢复送电。是当今配电系统中最经济、最实惠、最科学、最安全的新型配电装置之一，它是集高压开关柜、变压器、低压开关柜于一体，具有成套性强、体积小、结构紧凑、可靠性高、现场安装工作量小、安装调试周期短以及可移动等特点，是城乡电网建设与改造中理想的新型成套设备。适当改变其壳体的外形和颜色，使之与环境相适应，还可以起到美化环境的作用。

    4.2.2.3 配电网规划注意事项

     第一、配网规划既要切合实际，又要适当超前，应具有前瞻性、可靠性和可操作性。

     第二、正确处理近期建设与远期发展关系，同时还要考虑社会、经济、环境的综合效益。

     第三、配网规划要充分考虑110 kV及以上电压等级的主网规划，切实考虑110 kV变电站之间的10 kV环网(外环)的重要性。

     第四、配网规划应该得到城建规划部门认可，纳入城市建设总体规划，才能顺利实施。使规划既有权威性，又有灵活性，在实施中既要严格执行，又要结合实际适当调整。

     第五、配网自动化建设目前尚缺乏成熟经验，可以按照先试点、后推广原则进行。一般城市可以先做好准备工作，特别是建立配网地理信息管理系统(GIS)，不仅对日后的配网自动化必不可少，对当前的运行管理也十分有用，能够收到立竿见影的效果。

    4.2.2.4 配电网示范工程——重庆

     2013年1月28日，作为西部地区“城市配电网示范工程”唯一试点单位，重庆城市配电网示范工程已通过国家电网公司验收。在示范区内，用户平均故障停电时间从33分钟下降到4.557分钟，并首次实施“检修线路和旁路系统合环投切负荷”新项目，真正实现旁路作业“零停电”。

     据介绍，重庆城市配电网示范区建成后，供电可靠率从99.96%提高到99.9915%，电压合格率从99.629%提高到99.875%，供电能力、供电可靠性等综合指标得以全面优化，设备健康水平显著提高，线路负荷转供能力明显增强，城市居民用电满意度大幅提升。

4.3 变电所 [12]

    变电所(substation)，顾名思义，就是改变电压的场所。是电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所。

    为保证电能的质量以及设备的安全，在变电所中还需进行电压调整、潮流（电力系统中各节点和支路中的电压、电流和功率的流向及分布）控制以及输配电线路和主要电工设备的保护。

    按用途可分为电力变电所和牵引变电所（电气铁路和电车用）。在国家标准GB 50053-94《10kv及以下变电所设计规范》里面规定的术语定义是“10千伏及以下交流电源经电力变压器变压后对用电设备供电”，符合这个的就是变电所。

  4.3.1 定义

    电力网中的线路连接点，用以变换电压、交换功率和汇集、分配电能的设施。变电所中有不同电压的配电装置，电力变压器，控制、保护、测量、信号和通信设施，以及二次回路电源等。有些变电所中还由于无功平衡、系统稳定和限制过电压等因素，装设并联电容器、并联电抗器、静止无功补偿装置、串联电容补偿装置、同步调相机等。

  4.3.2 基本要求

    变电所基本要求主要有： 

     ①根据电力网规划明确变电所的类型和作用，以及远期和近期建设规模(包括线路回路数和变压器容量)，使变电所的建设能起到加强电力网的作用和满足供电的需要。

     ②变电所的建设要求少占土地，不占或少占耕地，并尽量利用荒地。在配电装置布置和变电所总平面布置上， 都要采取少占土地的措施。

     ③根据变电所的类型、建设规模和在电力网中的作用确定电气主接线，以提高供电可靠性，并要尽量采用简单的电气主接线，以降低建设费用和运行费用。

     ④变电所中的设施须能满足运行安全和检修方便的要求，凡容易发生误操作的电气设备均需装设闭锁装置，以保证人员和设备的安全。

  4.3.3 变电所的分类

    1：按照作用分类，有：升压变电所、降压变电所或者枢纽变电所、终端变电所等等。

    2：按管理形式分类，有：有人值班的变电所、无人值班的变电所。

    3：按照结构形式室内外分，有：户外变电所、户内变电所。

    4：按照地理条件分,有：地上变电所、地下变电所。 [1]  　变电所的主要设备构成和连接方式，按其功能和环境不同而会有所差异。

    在国家标准GB50053-94《10kv及以下变电所设计规范》里面规定的术语定义，按变压器装设位置和环境不同，从室内外、户内外来分，变电所定义为：

     变电所：“10千伏及以下交流电源经电力变压器变压后对用电设备供电”，符合这个的就是变电所。

     露天变电所：变压器位于露天地面之上的变电所；

     半露天变电所：变压器位于露天地面之上的变电所，但变压器上方有顶板或挑檐；

     附设变电所：变电所的一面或数面墙与建筑物的墙共用，且变压器室的门和通风窗向建筑物外开；

     车间内变电所：位于车间内部的变电所，且变压器室的门向车间内开；

     独立变电所：为一独立建筑物；

     室内变电所：附设变电所，独立变电所和车间内变电所的总称；

     贮油池：油流入后不致被外部已燃烧的物质延燃的设施；

     挡油设施：使燃烧的油不致外溢的设施。

    此外，国家关于其它名词术语定义还有：

     终端变电所：单独建造的终端变电所，是用电单位或者用户前端的第一个变电所，变电所出来的电直接就可以供给用户用电设备使用，而不需再次经过变压的。通常是指10千伏降压至380伏的最末一级变电所。

     杆上式变电所：安装在一根或者多根电杆上的户外变电所。

     预装式变电所（站）：预装的并经过型式试验的成套设备，通常由高压配电装置、变压器、低压配电装置组成，并组合在一个或数个箱体内。又简称为“箱式变”。

    例如：在我国有些农村地区居民用电，用两根电线杆（或台式）架起来的变压器变电，这既是一个小型简易安装的“露天式变电所”，也是一个“杆上式变电所”，同时也是一个“终端变电所”。

  4.3.4 主要设施

    变电所主要设施包括配电装置、电力变压器、控制设备、保护自动装置、通信设施与补偿装置等。

  （1）配电装置

    交换功率和汇集、分配电能的电气装置的组合设施。它包括有母线、断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器和避雷器等。

    配电装置是按照变电所电气主接线的要求进行布置的， 其布置方式有屋外式和屋内式两种，屋外式布置中又有中型、半高型和高型等不同型式。

    6～10 kV配电装置通常采用屋内式， 35 kV配电装置可以根据具体情况采用屋内式或屋外式，110 kV及以上配电装置通常采用屋外式。在污秽地区或场地狭窄处， 110～220 kV配电装置则采用屋内式。

    气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)则同时具有占地少和防污秽等优点， 它也有屋内式和屋外式两种。

  （2）电力变压器

    变换电压的设备。它连接着不同电压的配电装置，习惯称为变电所的主变压器。

    凡降低电压向地区或用户供电的变压器称作降压变压器; 凡升高电压向电力网送电的变压器称作升压变压器。变电所中有两种或三种电压的配电装置时， 则分别采用双绕组或三绕组降压变压器。在发电厂中，发电机均连接在升压变压器的低压绕组上。

    当单台发电机容量大于200 MW时，需采用双绕组升压变压器;当单台发电机容量小于100 MW时，可以采用双绕组变压器或三绕组变压器。当不同电压配电装置之间需交换功率时，可以采用联络变压器。联络变压器一般为自耦变压器或双绕组变压器， 如果需要从联络变压器取得自用电电源时，则需采用三绕组变压器，从其低压绕组上引接自用电电源。

    变电所自用电源也可以直接从自耦变压器的低压绕组上引接。

  （3）控制、测量、信号、保护和自动装置

    它们是保证电气设备安全运行的监控和保护手段。

    控制有一对一控制和选线控制等方式， 其电源有强电 (110～220V) 和弱电 (48 V及以下) 之分。保护有主设备保护和线路保护、母线保护几类。测量有常规测量和选择测量两类，可显示各种所需的电气计量。信号有声响信号和灯光信号两种，也有强电和弱电之分。

    当电气设备出现不正常运行情况时， 自动装置就能及时自动完成保证安全运行的操作， 例如备用电源自动投入装置和自动重合器等。上述各种设施一般设在变电所主控制楼(室)内。330 kV及以上的变电所一般建有主控制楼，通常为三层建筑物;220 kV及以下的变电所一般建设单层主控制室; 无人值班变电所一般只建设简易的控制小室。

    控制和保护设施均由变电所二次回路电源供电。二次回路电源包括有蓄电池直流电源、复式整流电源、电容储能电源和交流二次电源几种。220 kV及以上变电所中采用蓄电池直流电源，110 kV及以下不重要的变电所中通常采用其他种类的二次回路电源。

  （4）通信设施

    有微波通信、载波通信和光纤通信几种。330 kV及以上变电所中通常设置微波通信、载波通信和光纤通信，220 kV及以下变电所中只设载波通信和光纤通信。在变电所中一般不建单独的通信楼，通信设施放在主控制楼 (室) 的通信室内。

  （5）补偿装置

    电力网内无功功率要求就地平衡。为了平衡变电所供电范围内的无功功率， 在变电所内装设并联电容器组或同步调相机; 为了补偿远距离输电线路的充电功率，需要在变电所内装设并联电抗器;为了增强系统稳定性，提高线路输电能力，有时还需要在变电所中装设串联电容器组。

  4.3.5 维护要点

    1、高压绝缘套管、支柱绝缘子表面的维护

     多雾、尘污及积污绝缘子上有积雪，会降低支柱绝缘子的绝缘性能，其表面会发生闪络，严重者还会发生高压电对地的短路事故，直接影响供用电。

     维护高压绝缘套管、支柱绝缘子表面的清洁，可用毛巾（绝对禁止采用棉纱纱头）揩擦绝缘子去除尘污，之后再刷涂一层绝缘硅胶油。

    2、隔离开关操作机构的维护

     户外式隔离开关经常受到风、霜、雨、雪、雾的影响，工作环境差。因此，对户外式隔离开关的要求较高，一般应具有破冰能力和较高的机械强度。若操作机构不灵活，或操作者在寒冷的天气下操作不利索，将会造成“要断电一时断不了”的危急局面，很可能会使事故进一步蔓延扩大。

     操作机构应操作灵活，重视隔离开关日常的维护保养，要做到：

        ①轴承座密封，座内润滑脂清洁，无杂质侵入，保证良好的润滑状态；

        ②转轴及其手动操作箱内机构运转灵活，无障碍卡阻；

        ③交叉连杆联动机构调整适当，联动灵活。

    3、跌落式高压熔断器防止误跌落

     冬季风大，对于装配不良、操作马虎、未合紧的熔断器，一遇大风，稍受振动就会造成误跌落。因此，在装配时应注意适当调整熔丝管两端钢套距离，使之能与固定部分的尺寸相配合；操作时应试合数次，观察配合情况，可用绝缘棒触及操作环并轻微晃动数次，检验确定合紧便可。

    4、变压器运行中的正常油位与补油

     变压器油枕上装有油位表，用来监视油位是否正常。油位的高低除了与变压器运行温度、负荷轻重、油箱渗漏等情况有关外，还与环境的温度有密切的关系。冬季户外气温低，往往使油位低于油位表的低限刻度，油位不正常时，应及时加油。对运行中的变压器补油，应注意补油前将重瓦斯保护改接至信号装置，防止误跳闸；补油后要检查瓦斯继电器，及时放出气体，24 h无问题才能将重瓦斯保护投入。禁止从变压器下部放油阀补油，以防止变压器底部污物进入变压器体内。

  4.3.6 防雷措施

    （1）采用避雷针或避雷线对变压器作防直击雷保护；

    （2）采用阀型避雷器对变压器作防雷电侵入波保护；

    （3）利用变压器工作接地兼作避雷针和避雷器的防雷措施；

    （4）将配电室进、出线处架空线绝缘子铁脚与变电所工作接地体相连接作防雷电侵入波保护。

  4.3.7 发展趋势

    1949年前，中国只有东北地区有少数154、220 kV变电所。1949年后， 随着电力建设的发展，各地区都相继建设了220 kV电力系统，并于1972年在西北地区建成了330 kV变电所，1981年在华中地区建成了第一座500 kV变电所。

    国际上，美国、加拿大、苏联等国均已建成750(765)kV变电所，苏联并于1985年建成第一个1150 kV输电工程，日本的1000 kV变电所也已于1992年建成。

    随着用电负荷的不断增长和负荷密度的加大， 变电所的电压等级和容量不断提高， 不仅变压器单台容量增大，台数也在增加，对供电可靠性的要求也越来越高。同时由于环境方面的要求，变电所所址选择、线路走廊都越来越困难， 因此要求变电所既可靠又尽量少占用地。有些情况下，如大城市中心区变电所往往要考虑建于地下。

    为尽量满足这些要求，发展趋势是：

     首先简化电压层次，用高电压深入负荷密集地区，如将220kV直接降至35 kV或以下的电压，以减少变电所数量、建设投资和电能损耗。

     其次是在设备方面向高可靠性和小型化、智能化方向发展，并力求其备防潮、防火性能和适应环境温度变化的要求，以及尽量延长设备的检修周期和减少检修工作量，达到免维修的要求，如各种电压等级的气体绝缘金属封闭开关设备的使用已日益广泛。

    由于设备可靠性的提高，变电所的主接线和辅助设施也逐步趋于简化和典型化，为变电所小型化、智能化、少占用地、甚至建设地下变电所创造条件，并配合系统中的遥控、遥测等手段，以及所内自动化设施如设备状态监测、事故顺序记录、故障录波、重要参数制表打印等，使变电所实现无人值班。

 4.4 配电所 [13]

    所谓的配电所就是对电能进行接收、分配、控制与保护，不对电能进行变压。

 简介：

    配电所不一定变压或输入电压相对较低，主要侧重于对用户供电的分配、控制与保护。配电所的容量相对较小。

    现代社会中，人们的生活工作是离不开电力的，对电网的安全稳定提出了更高的要求。变电所及配电所是电网的重要组成部分，其设计的合理性对于供电质量的提高有明显的影响；同时，也是工程建设中极为普通又非常重要的一项工作，其规范性和技术性都很强，许多方面涉及到国家强制性条文的贯彻落实。

  4.4.1 配电所的位置

    变、配电所的位置应符合供电、建筑、安全的基本原则。从供电角度考虑，变、配电所应接近负荷中心，以降低有色金属的消耗和电能损耗；变、配电所进出线应方便等。从生产角度考虑，变、配电所不应妨碍生产和厂内运输；变、配电所宜设在企业的上风侧，并不得设在容易沉积粉尘和纤维场所；变、配电所不应设在人员密集的场所。变、配电所的选址和建筑还应考虑到灭火、防蚀、防污、防水、防雨、防震以及防止小动物钻入的要求。高压配电室耐火等级不应低于二级；低压配电室耐火等级不应低于三级；油浸电力变压器室应为一级耐火建　筑；对于不易取得钢材箅水泥的地区，可以采用三级耐火等级的独立单层建筑。 [2] 

  4.4.2 安全设置

    （1）联锁装置

        为了避免注意力不集中造成事故，应当采用必要的联锁装置。如油断路器与隔离开关操动机构之间的联锁装　置。电力电容器的开关与其放电负荷之间的联锁装置，禁区门上的联锁装置等。还可以安装指示灯或其他位号装置。

    （2）电气设备正常运行

        保持电气设备正常运行包括观察电流电压、功率因数、油量、油色、温度指示、接点状态等是否正常，观察　设备和线路有无损坏，是否严重脏污以及观察门窗、围栏等辅助设施是否完好，听其声音是否正常，注意有无放电声等异常声响；闻有无焦糊味及其他异常气味。

    （3）安全用具和灭火器材

        变、配电所应备有绝缘杆、绝缘夹钳、绝缘靴、绝缘手套、绝缘垫、绝缘站台、各种标示牌、临时接地线、　验电器脚扣、安全带、梯子等各种安全用具，具体内容详见第九章。变、配电所应配备可用于带电灭火的灭火器材，如二氧化碳灭火器、干粉灭火器等。

  4.4.3 配电所与变电所的区别

    所谓的配电所就是对电能进行接收、分配、控制与保护，不对电能进行变压。而变电所除了有着配电所的功能外，它关键是把进来的电进行变压分配出去，所以他还具有电网输入电压监视、调节、分配等功能。此外，变电所的容量相对较大。

 4.5 输电线路 [14]

简介：

    输电线路（Electricity Transmission Line）是用变压器将发电机发出的电能升压后，再经断路器等控制设备接入输电线路来实现。结构形式，输电线路分为架空输电线路和电缆线路。

    架空输电线路由线路杆塔、导线、绝缘子、线路金具、拉线、杆塔基础、接地装置等构成，架设在地面之上。按照输送电流的性质，输电分为交流输电和直流输电。19世纪80年代首先成功地实现了直流输电。但由于直流输电的电压在当时技术条件下难于继续提高，以致输电能力和效益受到限制。19世纪末，直流输电逐步为交流输电所代替。交流输电的成功，迎来了20世纪电气化社会的新时代。

  4.5.1 输电种类

    广泛应用三相交流输电，频率为50赫（或60赫）。20世纪60年代以来直流输电又有新发展，与交流输电相配合，组成交直流混合的电力系统。

    按照输送电流的性质，输电分为交流输电和直流输电。

    19世纪80年代首先成功地实现了直流输电。但由于直流输电的电压在当时技术条件下难于继续提高，以致输电能力和效益受到限制。

    19世纪末，直流输电逐步为交流输电所代替。交流输电的成功，迎来了20世纪电气化社会的新时代20 世纪 60年代以来直流输电又有新发展， 与交流输电相配合， 组成交直流混合的电力系统。

  4.5.2 电压等级

    输电的基本过程是创造条件使电磁能量沿着输电线路的方向传输。线路输电能力受到电磁场及电路的各种规律的支配。以大地电位作为参考点(零电位）,线路导线均需处于由电源所施加的高电压下,称为输电电压。

    输电线路在综合考虑技术、经济等各项因素後所确定的最大输送功率，称为该线路的输送容量。

    输送容量大体与输电电压的平方成正比。因此，提高输电电压是实现大容量或远距离输电的主要技术手段，也是输电技术发展水平的主要标志。

    从发展过程看，输电电压等级大约以两倍的关系增长。当发电量增至4倍左右时,即出现一个新的更高的电压等级。

    通常将 35~220KV的输电线路称为高压线路（HV）,330～750KV的输电线路称为超高压线路（EHV），特高压电网是使用±800千伏及以上的直流电或1000千伏及以上交流电输电的电网，也称为特高压线路（UHV）。一般地说，输送电能容量越大，线路采用的电压等级就越高。采用超高压输电，可有效的减少线损，降低线路单位造价，少占耕地，使线路走廊得到充分利用。

    我国第一条世界上海拔最高的“西北750KV输变电示范工程”——青海官亭至甘肃兰州东750KV输变电工程，于2005年9月26日正式投入运行。

    “1000KV交流特高压试验示范工程”——晋东南—南阳—荆门1000KV输电线路工程，于2006年8月19日开工建设。该工程起自晋东南1000KV变电站，经南阳1000KV开关站，止于荆门1000KV变电站，线路路径全长650.677Km。

    此外，还有±500kV高压直流输电线路、±800kV特高压直流输电示范工程。

    ±500kV主要有葛洲坝---上海南桥线、天生桥---广州线、贵州---广东线、三峡---广东线。

    向家坝-上海±800kV特高压直流输电示范工程是我国首个特高压直流输电示范工程。工程由我国自主研发、设计、建设和运行，是世界上运行直流电压最高、技术水平最先进的直流输电工程 。

  4.5.3 线路保护

    输电线路的保护有主保护与后备保护之分。

   （1）主保护

      主保护一般有两种纵差保护和三段式电流保护。而在超高压系统中主要采用高频保护。

   （2）后备保护

      后备保护主要有距离保护，零序保护，方向保护等。

    电压保护和电流保护由于不能满足可靠性和选择性一般不单独使用一般是二者配合使用。且各种保护都配有自动重合闸装置。而保护又有相间和单相之分。如是双回线路则需要考虑方向。

    在整定时则需要注意各个保护之间的配合。还要考虑输电线路电容，互感，有无分支线路。和分支变压器，系统运行方式，接地方式，重合闸方式等。还有一点重要的是在220KV及以上系统的输电线路，由于电压等级高故障主要是单相接地故障，有时可能会出现故障电流小于负荷电流的情况。而且受各种线路参数的影响较大。在配制保护时尤其要充分考虑各种情况和参数的影响。

  4.5.4 存在问题

  （1）雷击

    雷雨季节遭受雷击机会很多。线路遭受雷击有三种情况：

     一是雷击于线路导线上，产生直击雷过电压；

     二是雷击避雷线后，反击到输电线上；

     三是雷击于线路附近或杆塔上，在输电线上产生感应过电压。无论是直击雷过电压还是感应过电压，都使得导线上产生大量电荷，这些电荷以近于光的速度（每秒30万公里）向导线两边传播，这就是雷电进行波。

     直击雷过电压，轻则引起线路绝缘子闪烙，从而引起线路单相接地或跳闸，重则引起绝缘子破裂、击穿、断线等事故，造成线路较长时间的供电中断。雷电进行波顺线路侵入到变电站，威胁电气设备的绝缘，造成避雷器爆炸、主变压器绝缘损坏等事故，直接影响了变电站的安全运行。

  （2）覆冰

    在低温雨雪天气里，天气寒冷时，由于湿度高，大量水气凝聚在导线表面造成覆冰，容易造成电力系统的冰冻灾害。

    覆冰时保杆两侧的张力不平衡，会出现导线断落冲击荷载造成倒杆；结冰的电线遇冷会收缩，风吹引起震荡，电线有时会因不胜重荷而断裂，即使不断舞动时间过长，也会使导线、塔杆、绝缘子和金具等受到不平衡冲击而疲劳损伤。

    由覆冰、舞动引起的输电线路倒杆(塔)、断线及跳闸事故会给电力系统的输电线路造成重大的损害，更会威胁到电网的安全稳定运行和供电系统运行的可靠性。

  （3）外力破坏

    外力破坏电力线路引起的故障越来越多，情况也较复杂，分布面广。在山区，开山炸石很容易炸伤绝缘子、炸断导线；在线路经过的下方燃烧农作物，火焰和浓烟易导致线路跳闸；在线路保护区内施工的大型吊车、挖掘机有时会碰断导线，撞坏塔杆等；还有些不法分子受到经济利益的驱使盗窃塔材、拉线等电力设施；以及在输电线路下钓鱼、违章施工等。

  4.5.5 常用术语

    输电线路常用专业术语主要有：杆塔高度、杆塔呼称高度、悬挂点高度、线间距离、根开、架空地线保护角、杆塔埋深、跳线、导线的初伸长、档距、分裂导线、弧垂、限距、水平档距、垂直档距、代表档距、导线换位、导(地)线振动、杆塔。

    1、杆塔高度：杆塔最高点至地面的垂直距离，称为杆塔高度。用H1表示。

    2、杆塔呼称高度：杆塔最下层横担至地面的垂直距离称为杆塔呼称高度，简称呼称高，用H2表示。

    3、悬挂点高度：导线悬挂点至地面的垂直距离，称为导线悬挂点高度，用H3表示。

    4、线间距离：两相导线之间的水平距离，称为线间距离，用D表示。

    5、根开：两电杆根部或塔脚之间的水平距离，称为根开。用A表示。

    6、架空地线保护角：架空地线和边导线的外侧连线与架空地线铅垂线之间的夹角，称为架空地线保护角。

    7、杆塔埋深：电杆(塔基)埋入土壤中的深度称为杆塔埋深。用h0表示。

    8、跳线：连接承力杆塔(耐张、转角和终端杆塔)两侧导线的引线，称为跳线，也称引流线或弓子线。

    9、导线的初伸长：当导线初次受到外加拉力而引起的永久性变形(延着导线轴线伸长)，称为导线初伸长。

    10、档距：相邻两基杆塔之间的水平直线距离，称为档距，一般用L表示。

    11、分裂导线：一相导线由多根(有2根、3根、4根)组成型式，称为分裂导线。它相当于加粗了导线的“等效直径”，改善导线附近的电场强度，减少电晕损失，降低了对无线电的干扰，及提高送电线路的输送能力。

    12、弧垂：对于水平架设的线路来说，导线相邻两个悬挂点之间的水平连线与导线最低点的垂直距离，称为弧垂或弛度。用f表示。

    13、限距：导线对地面或对被跨越设施的最小距离。一般指导线最低点到地面的最小允许距离，常用h表示。

    14、水平档距：相邻两档距之和的一半，称为水平档距

    15、垂直档距：相邻两档距间导线最低点之间的水平距离，称为垂直档距。

    16、代表档距：一个耐张段里，除弧立档外，往往有多个档距。由于导线跨越的地形、地物不同，各档距的大小不相等，导线的悬挂点标高也不一样，各档距的导线受力情况也不同。而导线的应力和弧垂跟档距的关系非常密切，档距变化，导线的应力和弧垂也变化，如果每个档距一个一个计算，会给导线力学计算带来困难。但一个耐张段里同一相导线，在施工时是一道收紧起来的，因此，导线的水平拉力在整个耐张段里是相等的，即各档距弧垂最低点的导线应力是相等的。我们把大小不等的一个多档距的耐张段，用一个等效的假想档距来代替它，这个能够表达整个耐张力学规律的假想档距，称之为代表档距或称为规律档距，用LO表示。

    17、导线换位：送电线路的导线排列方式，除正三角形排列外，三根导线的线间距离是不相等。而导线的电抗取决于线间距离及导线半径，因此，导线如不进行换位，三相阻抗是不平衡的，线路愈长，这种不平衡愈严重。因而，会产生不平衡电压和电流，对发电机的运行及无线电通信产生不良的影响。送电线路设计规程规定“在中性点直接接地的电力网中，长度超过100km的送电线路均应换位”。一般在换位塔进行导线换位。

    18、导(地)线振动：在线路档距中，当架空线受到垂直于线路方向的风力作用时，就会在其背风面形成按一定频率上下交替的稳定涡流，在涡流升力分量的作用下，使架空线在其垂直面内产生周期性振荡，称为架空线振动。

    19、杆塔：杆塔是支承架空线路导线和架空地线，并使导线与导线之间，导线和架空地线之间，导线与杆塔之间，以及导线对大地和交叉跨越物之间有足够的安全距离。

    常规杆塔型号表示方法：

     (1)按杆塔用途分类代号含义：

     (2)按杆塔外形或导线布置型式代号含义：

  4.5.6 注意问题

  （1）路径选择

    路径选择和勘测是整个线路设计中的关键，方案的合理性对线路的经济、技术指标和施工、运行条件起着重要作用。为了做到既合理的缩短路径长度、降低线路投资又保证线路安全可靠、运行方便，一条线路有时需要徒步往返3～5趟才能确定出最佳方案，所以线路勘测工作是对设计人员业务水平、耐心和责任心的综合考验。

    在工程选线阶段，设计人员要根据每项工程的实际情况，对线路沿线地上、地下、在建、拟建的工程设施进行充分搜资和调研，进行多路径方案比选，尽可能选择长度短、转角少、交叉跨越少，地形条件较好的方案。综合考虑清赔费用和民事工作，尽可能避开树木、房屋和经济作物种植区。

    在勘测工作中做到兼顾杆位的经济合理性和关键杆位设立的可能性（如转角点、交跨点和必须设立杆塔的特殊地点等），个别特殊地段更要反复测量比较，使杆塔位置尽量避开交通困难地区，为组立杆塔和紧线创造较好的施工条件。

  （2）杆塔选型

    不同的杆塔型式在造价、占地、施工、运输和运行安全等方面均不相同，杆塔工程的费用约占整个工程的30%～40%，合理选择杆塔型式是关键。

    对于新建工程若投资允许一般只选用1～2种直线水泥杆，跨越、耐张和转角尽量选用角钢塔，材料准备简单明了、施工作业方便且提高了线路的安全水平。

    对于同塔多回且沿规划路建设的线路，杆塔一般采用占地少的钢管塔，但大的转角塔若采用钢管塔由于结构上的原因极易造成杆顶挠度变形，基础施工费用也会比角钢塔增加一倍，直线塔采用钢管塔，转角塔采用角钢塔的方案比较合理，能够满足环境、投资和安全要求。

    针对多条老线路运行十几年后出现对地距离不够造成隐患的情况，在新建线路设计中适当选用较高的杆塔并缩小水平档距可提高导线对地距离。在线路加高工程中设计采用占地小、安装方便的酒杯型（Y型）钢管塔，施工工期可由传统杆塔的3～5天缩短为1天，能够减少施工停电时间。

  4.5.7 基础设计

    杆塔基础作为输电线路结构的重要组成部分，它的造价、工期和劳动消耗量在整个线路工程中占很大比重。其施工工期约占整个工期一半时间，运输量约占整个工程的60%，费用约占整个工程的20%～35%，基础选型、设计及施工的优劣直接影响着线路工程的建设。

    根据工程实际地质情况每基塔的受力情况逐地段逐基进行优化设计比较重要，特别对于影响造价较大的承力塔，由四腿等大细化为两拉两压或三拉一压才是经济合理的。

  4.5.8 架线施工

    在以往66kV及以上输电线路架线施工中，经常遇到个别导线由于施工中各种原因造成磨损，需要处理，为施工造成不便。

     1. 装卸、运输过程中导线磨损

      导线在装卸、运输过程中易发生磨损的情况和防磨措施：

      1.1. 导线线轴变形、线轴板丢失、线轴外保护层脱落

        采取措施：装卸、运输前需外观检查。

      1.2. 线轴在运输车辆中滚动、翻转，与四周碰撞

        采取措施：运输过程中在线轴下方加设垫木等锚固措施，保证线轴不能随意滚动翻转，并保证线轴要立着摆放，不能水平倒放。

      1.3. 装卸过程中吊装导线方法不当

        采取措施：采用吊车吊装导线线轴，轻装轻放，不得碰撞，且吊索长度要适当以免轮轴受吊索挤压变形。注意线轴侧板是否有损坏，及时处理防止磨伤导线。

     2. 放线过程中导线磨损

      导线在张力放线过程中易发生磨损的情况和防磨措施：

      2.1. 导线与线轴车摩擦

        采取措施：放线过程中，随时派专人看护线轴车，发现有摩擦情况随时停车变换线轴车方向或采取软物垫起等措施。

      2.2. 导线换轴时，蛇皮套与导线接触损伤

        采取措施：蛇皮套使用前检查其质量，看是否有易划伤导线的硬物，并且在使用时做到轻拿轻放。

      2.3. 导线放线过程中与放线档内跨越物摩擦

        采取措施：在张力放线施工前，必须计算架线张牵力，保证对跨越物和跨越架距离，在计算不能保证对其摩擦的情况下，则需采取如：下导线上提等措施。

      2.4. 导线与牵引绳、导引绳摩擦

        采取措施：展放导线和导引绳、牵引绳应避免摩擦，排定展放顺序。确定导线展放与导引绳、牵引绳展放弛度保持互相无接触，派专人在放线过程中在各个塔位对放线过程进行监控。

      2.5. 牵引板翻等情况过耐张塔导线磨损

        采取措施：耐张塔两侧高差较大的，双滑车应不等高悬挂。为保证辆花车受力一直，应注意其意为、定位和钢绳套连接长短，根据高差、档距、张力及转角度数进行计算后再施工。如耐张塔上扬，可在地面根据转角大小，倒挂一个或两个滑车。放、紧线施工调整导线张力要平稳防止冲击，放线过程中严格监视各档情况。发现钱详细检查旋转连接器质量，转动灵活程度。

      2.6. 升空操作，牵引绳索与导线摩擦、导线互磨、释放压线钢绳、升空时导线在滑车中跳槽等过程磨损导线

        采取措施：升空应根据导线升空后方位，先升远方导线并依次升空，防止牵引绳索或导线之间较差碰撞。释放到西安压绳应用软绳并防止导线与压绳相互摩擦，升空前压接时应根据沿线各档交叉跨越对地情况，尽量减少导线余线长度，使升空后导线保持对地安全净空距离。

      2.7. 导线地面锚线部分与工器具之间磨损

        采取措施：导线与工器具之间需使用防磨措施，比如锚线过程中锚线钢锚、临锚钢绳、卡线器采用挂胶处理，导线套胶管。

      2.8. 导线与地面接触磨损

        采取措施：导线落地前地面应铺设彩条布、草垫、苫布等保护隔离设施，保护导线不与地面直接接触，并在下方垫设支架使其离开地面并设专人保护。

     3. 附件安装过程中导线磨损

      3.1. 导线起吊工具与导线磨损

        采取措施：使用已挂胶的起吊绳及吊钩，吊钩与导线接触长度大于50mm。

      3.2. 间隔棒安装过程中导线磨损

        间隔棒安装过程中飞车安装护线胶管，飞车速度不宜过快，要平稳匀速前进，飞车下坡过程中刹车按速度使用，过悬垂线夹时两人操作，在活门出入口处导线上预先安装护线胶管。

 4.6 城市供电系统各要素的作用及其相互联系 [7]

    4.6.1 供电电源的作用：

    供电电源为城市提供电能资源，满足城市用电负荷，保证城市的用电需求。城市电源工程具有自身发电或从区域电网上获取电源，为城市提供电源的功能。

    4.6.2 输配电网的作用：

        ①  输电网，具有将城市电源输入城区，并将电源变压进入城市配电网的功能，担负着从电源或区域性大电网输电给城市的任务；

        ② 配电网，由高压、低压配电网等组成。高压配电网电压等级为1～10kV，含有变配电所(站)、开关站、1～10kV高压配电线路。高压配电网具有为低压配电网变、配电源的功能，联接供电网和用户之间电路，担负着配电给用户的任务。

    4.6.3 电能用户的作用：消耗电能，进行各种生产生活活动

    4.6.4 监控系统和配电网管理系统的作用：

        监控系统和管理系统收集城市电网的运行信息，监控电网运行状况，及时发现电网运行中出现的故障并加以修复。电力监控系统在变配电监控中发挥了核心作用，可以帮助企业消除孤岛、降低运作成本，提高生产效率，加快变配电过程中异常的反应速度。配电网管理系统对配电网进行自动化管理，有着使配电企业在远方以实时方式监视、协调和操作配电设备，提高终端用电效率和改变用电方式，提供企业管理所需信息以支持企业的生产经营和决策等作用，通过调整网络中的开关的闭合，以达到优化网络运行结构、降低网损、平衡负荷、提高电压质量等目的。

    4.6.5 各要素相互之间的联系：

        在这个系统中，要素与要素之间存在着一定的有机联系，从而在系统的内部和外部形成了一定的结构和秩序。供电电源提供的电能通过输配电网输送分配到电能用户，使得电能用户可以顺利地使用电能进行各种生产生活活动。而电能用户的规模和分布也影响着供电电源和输配电网这两个要素。例如要根据对城市用电量、负荷的预测和电力网的特点确定电力网结构，同时对各级电压网络、变电站、电网接线方式等进行合理的选择和布置，根据城市的街道分布及其安全要求等条件确定变电站的分布位置。

        城市供电电源的数量和类型也要根据城市规模和性质等条件选择。例如对大城市和重要城市一般应采取多电源的供电方式。区域性火力发电厂规模较大，燃料消耗量、用水量、占地、贮灰场地较大，升压站的规模也较大，输电线路多，厂址应尽量选用荒地、空地，可以离开市区，但交通运输要方便，水源要充足，架空输电线路走廊要畅通。靠近生活居住用地的电厂，应布置在常年主导风向的下风向，并用卫生防护地带同居住区隔开。

        电力监控系统和配电网管理系统则不间断地收集各项信息，监控供电系统中的异常和故障，随时反馈给供电电源和输配电网，从而随时对整个网络的运行进行调节，合理进行供配电，提高用电效率，优化网络结构。

 4.7 系统的特征 [7]

    4.7.1 整体性：

        系统目标、规律及功能的整体性。系统的整体性首先体现在建立系统目标时，要求系统整体的最佳化。城市供电系统的目标即构建安全、经济、优质的电力网络体系，满足国民经济各部门的用电需求。达到整个供电系统的最优才能达成这一目标，体现了系统的整体性特征。其次，系统的整体性又体现为系统的运动规律是整体的规律，组成供电系统的各个要素之间的联系和作用都离不开整体的协调。再次，城市供电系统功能也具有整体性，系统要素的功能都服从于整个供电系统整体的功能。

        系统整体联系的整体性。城市供电系统是由供电电源、供配电网、电能用户、供电设施、监控系统、管理系统、城市环境等许多子系统组成的集合体,各个要素之间保持着有机的关联，形成了一定的结构，从而使整个城市供电系统保持整体性。各个子系统从属于这个整体，而整个城市供电系统又是更庞大的城市系统中的一个子系统。

    4.7.2 相关性：

        城市供电系统内部各子系统要素之间存在着一定的有机联系，又是相互依存又相互作用的。在城市供电系统中，任何一个要素与存在于这个系统的其他要素都是互相关联又相互制约的。供电电源提供的电源通过输配电网到达电能用户，而电能用户的用电状况和输配电网的运行状况又通过监控系统和管理系统传递给管理者，从而调节整个网络，合理供配电。如果某一要素发生了变化，那么就要其他相关联的要素作相应的改变和调整，例如电网出现故障，则需对输配电网络进行调整；电能用户分布变化则需重新布置供配电网，从而保持系统整体处于最佳状态。

    4.7.3 目的性：

        城市供电系统具有特定的目的：构建安全、经济、方便、优质、技术先进的城市供电网络体系，满足国民经济各部门用电增长的要求，为国民经济和人民生活提供电力。人们用各种调节和控制手段将系统导向预定的目标，从而达到系统整体最优的目的。

    4.7.4 环境适应性：

        城市供电系统处于社会环境之中，受周围城市环境的影响和制约，并与周围的环境相协调。例如：一些大城市的用电量和负荷在成倍增长，因此一些城市开始采用高压电力网络深入城市的供电方案，以减少电能消耗，提高电能质量和电网供电的可靠性。而供电系统的调整也影响着城市环境，高压网络深入城市也带来了对通信的干扰，同建筑物的安全距离不足，占用城市用地较多等问题。

参考资料：

[1] 溜溜球 . 百度文库 . 世界电力发展简史 . 2018

[2] 人民教育出版社 . 高中物理选修3-2 . 2019

[3] 百度百科 . 词条：交流电

[4] 徐金玉 . 百度文库 . 交流电的基础知识 . 2018

[5] wzh002200 . 百度文库 . 第一节 交流电的产生 . 2019

[6] 百度百科 . 词条：三相电

[7] 百度文库 . 城市供电系统的基本组成分析

[8] 百度百科 . 词条：城市供电

[9] 百度百科 . 词条：输电网

[10] 百度百科 . 词条：配电网

[11] 百度百科 . 词条：配电管理系统

[12] 百度百科 . 词条：变电所

[13] 百度百科 . 词条：配电所

[14] 百度百科 . 词条：输电线路