电力系统

电力系统是用于供应、传输和使用电力的电气组件网络。电力系统的一个例子是为广大区域内的家庭和工业提供电力的电网。电网大致可分为提供电力的发电机、将电力从发电中心输送到负荷中心的输电系统以及向附近家庭和工业供电的配电系统。

工业、医院、商业建筑和家庭中也发现了较小的电力系统。单线图有助于表示整个系统。这些系统大多数依赖于三相交流电——这是现代世界大规模电力传输和分配的标准。飞机、电力铁路系统、远洋客轮、潜艇和汽车中都有并不总是依赖三相交流电源的专用电源系统。

历史

1881 年，两名电工在英国戈德尔明建造了世界上第一个电力系统。它由两个水轮提供动力，产生交流电，进而为 7 个 250 伏西门子弧光灯和 34 个40 伏白炽灯供电。然而，灯的供应是间歇性的，1882 年托马斯·爱迪生和他的公司爱迪生电灯公司在纽约市珍珠街开发了第一座蒸汽动力发电站。珍珠街车站最初为 59 名客户提供约 3,000 盏灯。该电站产生直流电并以单一电压运行。直流电无法轻松或有效地转换为最大限度地减少长距离传输过程中的功率损耗所需的更高电压，因此发电机和负载之间的最大经济距离仅限于半英里 (800 m) 左右。

同年，Lucien Gaulard和John Dixon Gibbs在伦敦展示了“次级发电机”——第一个适合在实际电力系统中使用的变压器。1884 年，Gaulard 和 Gibbs 的变压器的实用价值在都灵得到了证明，该变压器通过一台交流发电机为 40 公里（25 英里）长的铁路照明。尽管该系统取得了成功，但两人还是犯了一些根本性错误。也许最严重的问题是将变压器的初级串联起来，这样有源灯就会影响线路中其他灯的亮度。

1885年，Ottó Titusz Bláthy与Károly Zipernowsky和Miksa Déri合作完善了Gaulard和Gibbs的二次发电机，为其提供了封闭的铁芯和现在的名称：“变压器”。三名工程师随后在布达佩斯国家综合展览会上展示了一个电力系统，该系统实现了一位英国科学家提出的并联交流配电系统[a]，其中多个电力变压器的初级绕组从高压电源并联馈电。 - 电压分配线。该系统点亮了1000多盏碳丝灯，并于当年5月至11月成功运行。

同样在 1885 年，美国企业家乔治·威斯汀豪斯 (George Westinghouse)获得了 Gaulard-Gibbs 变压器的专利权，并将其中的一些变压器与西门子发电机一起进口，并让他的工程师对它们进行试验，希望改进它们以用于商业电源系统。1886年，西屋公司的一位工程师威廉·斯坦利（William Stanley）独立地认识到串联而不是并联变压器的问题，并意识到将变压器的铁芯制成全封闭回路将改善次级绕组的电压调节。利用这些知识，他于 1886 年建立了一个基于多电压变压器的交流电力系统，为马萨诸塞州大巴灵顿的多个家庭和企业提供服务。然而，该系统不可靠且寿命短暂，主要是由于世代问题。然而，基于该系统，西屋公司将在当年晚些时候开始安装交流变压器系统，与爱迪生公司竞争。1888 年，西屋公司授权尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla)的多相交流感应电机和变压器设计专利。特斯拉在西屋电气制造公司进行了一年的咨询，但西屋工程师又花了四年时间开发出可行的多相电机和传动系统。

到1889年，电力工业蓬勃发展，电力公司在美国和欧洲建造了数千个电力系统（直流电和交流电）。这些网络实际上致力于提供电力照明。在此期间，托马斯·爱迪生和乔治·威斯汀豪斯公司之间的竞争已发展成为一场关于哪种传输形式（直流电或交流电）更优越的宣传运动，一系列事件被称为“电流之战”。

1891 年，西屋公司在科罗拉多州特柳赖德安装了第一个主要电力系统，旨在驱动 100 马力 (75 kW) 同步电动机，而不仅仅是提供电力照明。在大西洋的另一边，Mikhail Dolivo-Dobrovolsky和Charles Eugene Lancelot Brown建造了第一条长距离（175 公里（109 英里））高压（15 kV，当时的记录）三相输电从内卡河畔劳芬到美因河畔法兰克福的线路，参加法兰克福电气工程展览会，电力用于照明灯和运行水泵。在美国，当爱迪生通用电气被他们的主要交流竞争对手汤姆森-休斯顿电气公司接管并组建通用电气时，交流/直流竞争结束了。1895年，经过漫长的决策过程，最终选择交流电作为输电标准，西屋公司在尼亚加拉大瀑布建造了亚当斯一号发电站，通用电气公司建造了三相交流电力系统，为布法罗供电，电压为11 kV 。

十九世纪以后，电力系统的发展仍在继续。1936 年，第一条使用汞弧阀的实验性高压直流(HVDC) 线路在斯克内克塔迪和纽约州梅卡尼克维尔之间建成。高压直流输电以前是通过串联直流发电机和电动机（Thury 系统）实现的，尽管这存在严重的可靠性问题。第一个适用于一般电源用途的固态金属二极管是由 Ernst Presser 在 TeKaDe 于 1928 年开发的。它由涂在铝板上的一层硒组成。1957年，通用电气研究小组开发了第一个适用于电力应用的晶闸管，引发了电力电子领域的革命。同年，西门子展示了固态整流器，但直到 20 世纪 70 年代初，固态器件才成为 HVDC 的标准，此时 GE 成为基于晶闸管的 HVDC 的顶级供应商之一。 1979 年，包括西门子、Brown Boveri & Cie 和 AEG 在内的欧洲财团实现了从卡布拉巴萨到约翰内斯堡的创纪录的高压直流输电线路，长度超过 1,420 公里（880 英里），在 533 kV 下承载 1.9 GW 的电力。

近年来，许多重要的发展都来自于将信息和通信技术（ICT）领域的创新扩展到电力工程领域。例如，计算机的发展意味着潮流研究可以更有效地运行，从而可以更好地规划电力系统。信息技术和电信的进步还允许对电力系统的开关设备和发电机进行有效的远程控制。

电力基础

电力是两个量的乘积：电流和电压。这两个量可以随时间变化（交流电源），也可以保持在恒定水平（直流电源）。

大多数冰箱、空调、泵和工业机械使用交流电源，而大多数计算机和数字设备使用直流电源（插入电源的数字设备通常具有内部或外部电源适配器，用于将交流电源转换为直流电源）。交流电的优点是易于在电压之间转换，并且能够由无刷机械产生和利用。直流电仍然是数字系统中唯一实用的选择，并且在非常高的电压下进行长距离传输会更经济（请参阅HVDC）。

轻松变换交流电源电压的能力非常重要，原因有两个：首先，电力可以在较高电压下长距离传输，且损耗较小。因此，在发电点距离负载较远的电力系统中，需要升高（升高）发电点的电源电压，然后降低（降低）负载附近的电压。其次，安装产生比大多数电器使用的电压更高的电压的涡轮机通常更经济，因此轻松转换电压的能力意味着可以轻松管理电压之间的这种不匹配。

固态器件是半导体革命的产物，可以将直流电转换为不同的电压，构建无刷直流电机以及在交流电和直流电之间进行转换。然而，采用固态技术的设备通常比传统设备更昂贵，因此交流电源仍然得到广泛使用。

电力系统的组成

补给

所有电力系统都有一个或多个电源。对于某些电力系统，电源位于系统外部，但对于其他系统，电源是系统本身的一部分 - 本节其余部分讨论的正是这些内部电源。直流电源可以由电池、燃料电池或光伏电池提供。交流电通常由涡轮发电机装置中在磁场中旋转的转子提供。用于旋转涡轮机转子的技术多种多样，从使用化石燃料（包括煤炭、天然气和石油）或核能加热的蒸汽到落水（水力发电）和风力（风力发电）。

转子旋转的速度与发电机极数共同决定了发电机产生的交流电的频率。单个同步系统（例如国家电网）上的所有发电机都以相同速度的约数旋转，因此以相同频率产生电流。如果系统上的负载增加，发电机将需要更多的扭矩才能以该速度旋转，并且在蒸汽发电站中，必须向驱动发电机的涡轮机提供更多的蒸汽。因此，使用的蒸汽和消耗的燃料与供应的电能的量直接相关。对于采用电力电子设备（例如无齿轮风力涡轮机）或通过异步连接（例如HVDC链路）连接到电网的发电机来说，存在一个例外 - 这些发电机可以在独立于电力系统频率的频率下运行。

根据极的供电方式，交流发电机可以产生可变数量的电力。相数越多，电力系统运行效率越高，但也增加了系统的基础设施要求。[24]电网系统连接多台以相同频率运行的发电机：最常见的是 50 或 60 Hz 的三相发电机。

电源的设计需要考虑一系列因素。这些范围很明显：

发电机应该能够提供多少功率？
启动发电机可接受的时间长度是多少（有些发电机可能需要几个小时才能启动）？
电源的可用性是否可以接受（某些可再生能源仅在阳光明媚或有风时可用）？
更技术性的问题是：发电机应该如何启动（有些涡轮机的作用就像电动机一样，可以使自己达到速度，在这种情况下，它们需要适当的启动电路）？
涡轮机的机械运行速度是多少，因此所需的极数是多少？
什么类型的发电机适合（同步或异步）以及什么类型的转子（鼠笼转子、绕线转子、凸极转子或圆柱转子）？

负载

电力系统向执行功能的负载提供能量。这些负载的范围从家用电器到工业机械。大多数负载都期望有一定的电压，对于交流电设备来说，也有一定的频率和相数。例如，住宅环境中的设备通常以 50 或 60 Hz 的单相运行，电压在 110 至 260 伏之间（取决于国家标准）。较大的集中式空调系统存在例外，因为这些系统现在通常是三相的，因为这使它们能够更有效地运行。所有电器都有额定功率，它指定设备消耗的电量。在任何时候，电力系统上负载消耗的净电量必须等于电源产生的净电量减去传输中损失的功率。

确保向负载提供的电压、频率和电量符合预期是电力系统工程的巨大挑战之一。然而，这并不是唯一的挑战，除了负载用于做有用功的功率（称为有功功率）之外，许多交流电设备还使用额外的功率，因为它们会导致交流电压和交流电流略微超出-of-sync（称为无功功率）。像有功功率一样的无功功率必须平衡（即系统上产生的无功功率必须等于消耗的无功功率）并且可以由发电机提供，但是从电容器提供此类功率通常更经济（参见“电容器”）和反应堆”，了解更多详情）。

关于负载的最后一个考虑因素与电能质量有关。除了持续的过压和欠压（电压调节问题）以及系统频率的持续偏差（频率调节问题）之外，电力系统负载还可能受到一系列暂时问题的不利影响。这些包括电压骤降、骤降和骤升、瞬态过压、闪烁、高频噪声、相位不平衡和功率因数不良。[29]当负载的电源偏离理想状态时，就会出现电能质量问题。当涉及专业工业机械或医院设备时，电能质量问题尤其重要。

导体

导体将电力从发电机传送到负载。在电网中，导体可分为输电系统和配电系统，输电系统以高压（通常超过 69 kV）从发电中心向负荷中心输送大量电力，配电系统则输送少量电力。以较低电压（通常低于 69 kV）从负荷中心向附近的家庭和工业提供电力。

导体的选择基于成本、传输损耗和金属的其他所需特性（如拉伸强度）等考虑。铜的电阻率比铝低，曾经是大多数电力系统选择的导体。然而，在相同的载流能力下，铝的成本较低，因此现在通常是首选的导体。架空线路导线可以用钢或铝合金加固。

外部电力系统中的导体可以放置在架空或地下。架空导线通常是空气绝缘的，并由瓷器、玻璃或聚合物绝缘体支撑。用于地下传输或建筑布线的电缆采用交联聚乙烯或其他柔性绝缘材料进行绝缘。导体通常采用绞合方式，以使其更加灵活，从而更易于安装。

导体的额定电流通常是在给定的环境条件温升下所能承载的最大电流。当流过导体的电流增加时，导体就会升温。对于绝缘导体，额定值由绝缘层决定。对于裸导体，额定值由导体下垂变得不可接受的点确定。

电容器和电抗器

典型交流电源系统中的大部分负载是感性负载；电流滞后于电压。由于电压和电流异相，这导致出现一种“虚”形式的功率，称为无功功率。无功功率不做可测量的功，而是每个周期在无功电源和负载之间来回传输。这种无功功率可以由发电机本身提供，但通过电容器提供通常更便宜，因此电容器通常放置在感性负载附近（即，如果不是在最近的变电站现场），以减少电力系统的电流需求（即提高功率因数）。

电抗器消耗无功功率并用于调节长输电线路上的电压。在轻负载条件下，传输线上的负载远低于浪涌阻抗负载，实际上可以通过切换电抗器来提高电力系统的效率。串联安装在电力系统中的电抗器也限制电流冲击，因此小型电抗器几乎总是与电容器串联安装，以限制与电容器切换相关的电流冲击。串联电抗器还可用于限制故障电流。

电容器和电抗器由断路器切换，导致无功功率发生相当大的阶跃变化。对此的解决方案是采用同步调相机、静态无功补偿器和静态同步补偿器。简而言之，同步调相机是自由旋转以产生或吸收无功功率的同步电机。[静态无功补偿器的工作原理是使用晶闸管接通电容器，而不是允许电容器在单个周期内接通和断开的断路器。这提供了比断路器开关电容器更加精细的响应。静态同步补偿器更进一步，仅使用电力电子设备实现无功功率调整。

电力电子技术

电力电子设备是基于半导体的设备，能够切换从几百瓦到几百兆瓦的功率。尽管它们的功能相对简单，但它们的运行速度（通常为纳秒）意味着它们能够完成传统技术难以或不可能完成的各种任务。电力电子设备的经典功能是整流，或将交流电转换为直流电，因此几乎所有由交流电源供电的数字设备中都可以找到电力电子设备，或者作为插入墙壁的适配器或作为设备内部的组件。高功率电力电子设备还可用于将交流电转换为直流电，以便在称为高压直流 ( HVDC)的系统中进行长距离传输。使用高压直流输电是因为事实证明，对于长距离（数百至数千公里），它比类似的高压交流系统更经济。HVDC 也适合互连，因为它允许频率独立，从而提高系统稳定性。电力电子对于任何需要产生交流输出但本质上产生直流输出的电源来说也是必不可少的。因此它们被光伏装置使用。

电力电子技术还具有广泛的更奇特的用途。它们是所有现代电动和混合动力汽车的核心，用于电机控制和无刷直流电机的一部分。几乎所有现代汽油动力车辆中都配备了电力电子设备，这是因为仅由汽车电池提供的电力不足以在汽车的使用寿命内提供点火、空调、内部照明、收音机和仪表板显示。因此，电池必须在行驶时充电——这一任务通常是使用电力电子设备来完成的。

一些电气化铁路系统也使用直流电，因此利用电力电子设备向机车提供电网电力，并且通常用于机车电机的速度控制。在二十世纪中叶，整流机车很流行，它们使用电力电子设备将铁路网络的交流电转换为直流电机使用。如今，大多数电力机车均由交流电源供电并使用交流电机运行，但仍然使用电力电子设备来提供合适的电机控制。除了整流之外，使用电力电子技术来协助电机控制和启动器电路，是电力电子技术在各种工业机械中出现的原因。电力电子设备甚至出现在现代住宅空调中，成为变速风力涡轮机的核心。

防护装置

电力系统包含保护装置，以防止故障时受伤或损坏。典型的保护装置是保险丝。当通过保险丝的电流超过特定阈值时，保险丝元件熔化，在产生的间隙上产生电弧，然后电弧熄灭，中断电路。鉴于保险丝可以作为系统的薄弱点，因此保险丝是保护电路免受损坏的理想选择。然而，保险丝有两个问题：首先，保险丝失效后，必须更换，因为它们无法重置。如果保险丝位于远程站点或者手边没有备用保险丝，这可能会带来不便。其次，保险丝通常不足以作为大多数电力系统中的唯一安全装置，因为它们允许的电流远远超过对人类或动物致命的电流。

第一个问题是通过使用断路器来解决的，断路器是在切断电流后可以重置的设备。在使用功率小于约 10 kW 的现代系统中，通常使用微型断路器。这些器件将启动跳闸的机制（通过感测过大电流）与断开电流的机制结合在一个单元中。一些微型断路器仅基于电磁作用进行操作。在这些微型断路器中，电流流经螺线管，并且在电流过大的情况下，螺线管的磁力足以强制打开断路器的触点（通常通过跳闸机构间接打开）。

在更高功率的应用中，检测故障并启动跳闸的保护继电器与断路器是分开的。早期继电器的工作原理类似于上一段中提到的电磁原理，现代继电器是专用计算机，可根据电力系统的读数确定是否跳闸。不同的继电器将根据不同的保护方案启动跳闸。例如，如果任何相上的电流超过特定阈值，过流继电器可能会启动跳闸，而如果一组差动继电器之间的电流总和表明可能有电流泄漏到地面，则一组差动继电器可能会启动跳闸。高功率应用中的断路器也有所不同。空气通常不再足以熄灭触点被迫打开时形成的电弧，因此使用了多种技术。最流行的技术之一是让封闭触点的腔室充满六氟化硫(SF 6 )——一种具有良好灭弧特性的无毒气体。参考文献中讨论了其他技术。

第二个问题是熔断器不足以作为大多数电力系统中唯一的安全装置，最好的解决方法可能是使用剩余电流装置(RCD)。在任何正常工作的电器中，有源线上流入电器的电流应等于中性线上流出电器的电流。剩余电流装置的工作原理是监视有源线路和中性线路，并在发现差异时使有源线路跳闸。漏电保护装置每相都需要单独的中性线，并且能够在损害发生之前的一段时间内跳闸。在大多数住宅应用中，这通常不是问题，其中标准接线为每个设备提供有源线和中性线（这就是为什么您的电源插头总是至少有两个钳子）并且电压相对较低，但是这些问题限制了 RCD 的有效性。其他应用，例如工业。即使安装了 RCD，接触电力仍然可能致命。

SCADA系统

在大型电力系统中，监控和数据采集(SCADA) 用于执行诸如打开发电机、控制发电机输出以及接通或断开系统元件以进行维护等任务。第一个实施的监控系统由受控工厂附近中央控制台上的一组灯和开关组成。灯提供有关设备状态的反馈（数据采集功能），开关允许对设备进行调整（监控功能）。如今，SCADA 系统更加复杂，并且由于通信系统的进步，控制工厂的控制台不再需要位于工厂本身附近。相反，现在工厂通常使用类似于台式计算机（如果不相同）的设备进行控制。通过计算机控制此类工厂的能力增加了对安全性的需求——已有报道称此类系统受到网络攻击，对电力系统造成了严重破坏。

实践中的电力系统

尽管电源系统的组件很常见，但其设计和运行方式却存在很大差异。本节介绍一些常见的电源系统类型并简要说明其操作。

住宅电力系统

住宅几乎总是由经过住宅的低压配电线或电缆供电。这些设备的工作电压为 110 至 260 伏（相对地），具体取决于国家标准。几十年前，小型住宅将使用专用的两芯服务电缆（一芯用于有源相，一芯用于中性回路）进行单相供电。然后，有源线路将穿过保险丝盒中的主隔离开关，然后分成一个或多个电路，为房屋内的照明和电器供电。按照惯例，照明和电器电路是分开的，因此电器故障不会让住宅的居住者陷入黑暗。所有电路都将根据该电路所用的电线尺寸使用适当的保险丝进行熔断。电路将同时具有有源线和中性线，照明和电源插座并联连接。插座还将配备保护接地。这将可供电器连接到任何金属外壳。如果这个外壳带电，理论上来说，接地会导致 RCD 或保险丝跳闸，从而防止未来操作该设备的人员触电。接地系统因地区而异，但在英国和澳大利亚等国家，保护接地线和中性线将在主隔离开关之前在保险丝盒附近一起接地，中性线再次接地回到配电变压器。

多年来，住宅布线的实践发生了一些细微的变化。发达国家的现代住宅电力系统与旧式住宅电力系统的一些最重要的差异包括：

为了方便起见，现在保险丝盒中几乎总是使用微型断路器来代替保险丝，因为它们可以很容易地被居住者重置，并且如果是热磁型断路器，可以更快地对某些类型的故障做出响应。
出于安全原因，RCD现在经常安装在电器电路上，甚至越来越多地安装在照明电路上。
过去的住宅空调可能由连接到单相的专用电路供电，而需要三相电源的大型集中式空调现在在一些国家变得越来越普遍。
现在，保护性接地与照明电路一起运行，以允许金属灯座接地。
越来越多的住宅电力系统采用微型发电机，尤其是光伏电池。

商业电力系统

购物中心或高层建筑等商业电力系统的规模比住宅系统更大。大型商业系统的电气设计通常针对负载流量、短路故障水平和电压降进行研究。研究的目的是确保设备和导体尺寸合适，并协调保护装置，以便在故障清除时将造成的干扰降至最低。大型商业设施将有一个有序的子面板系统，与主配电板分开，以实现更好的系统保护和更高效的电气安装。

通常，在炎热气候下连接到商用电力系统的最大设备之一是 HVAC 装置，确保该装置供电充足是商用电力系统中的一个重要考虑因素。商业机构的法规对商业系统提出了住宅系统未提出的其他要求。例如，在澳大利亚，商业系统必须符合应急照明标准 AS 2293，该标准要求在市电断电时应急照明至少维持 90 分钟。