4 电气工程基础
北京建筑工程学院
电气工程与自动化系
李英姿
2004年 3月
全国注册电气工程师考试 ——专业基础部分
4.1 电力系统基本知识
考试大纲
1.1 了解电力系统运行特点和基本要求
1.2 掌握电能质量的各项指标
1.3 了解电力系统中各种结线方式及特点
1.4 掌握我国规定的网络额定电压与发电机、
变压器等元件的额定电压
1.5 了解电力网络中性点运行方式及对应的电
压等级
4.1.1 电力系统运行特点和基本要求
1,电力系统的组成
由发电厂的发电机、升压及降压变电设备、电力网
及电能用户（用电设备）组成的系统统称为电力系统。
（ 1）发电厂：生产电能。
（ 2）电力网：变换电压、传送电能 。
由 变电所和电力线路组成 。
（ 3） 配电系统：将系统的电能传输给电力用户 。
（ 4） 电力用户,高压用户额定电压在 1kV以上, 低
压用户额定电压在 1kV以下 。
（ 5） 用电设备,消耗电能 。
4.1.1 电力系统运行特点和基本要求
2．电能的特点
（ 1）电能不能储存
电能的生产、输送、分配和使用同时完成。
（ 2）暂态过程非常迅速
电能以电磁波的形式传播，传播速度为
300km／ ms。
（ 3）和国民经济各部门间的关系密切 。
4.1.1 电力系统运行特点和基本要求
3．对电力系统提出的要求
（ 1）保证供电可靠性
（ 2）保证电能质量
（ 3）提高电力系统运行的经济性
（ 4）环境保护问题
4.1.2 衡量电能质量的指标
1,电压偏差 （ 移 ）
电压偏差 （ 移 ） 指当供配电系统改变运行方式或负荷
缓慢地变化使供配电系统各点的电压也随之改变, 各点
的实际电压与系统额定电压之差, 通常用与系统额定电
压的百分比值数表示 。 用公式表示为
（ 4-1-1）
式中 —— 用电设备的额定电压, kV；
—— 用电设备的实际端电压, kV。
%100% ???
N
N
U
UUU
NU
U
4.1.2 衡量电能质量的指标
2,电压波动
一系列的电压变动或电压包络线的周期性变动,
电压的最大值与最小值之差与系统额定电压的比
值以百分数表示, 其变化速度等于或大于每秒
0.2％ 时称为电压波动 。 波动的幅值为：
（ 4-1-2）
式中 —— 用电设备端电压的最大波动值, kV；
—— 用电设备端电压的最小波动值,kV。
%100% m inm a x ????
NU
UUU
maxU
minU
4.1.2 衡量电能质量的指标
3,电压闪变
负荷急剧的波动造成供配电系统瞬时电压升
高，照度随之急剧变化，使人眼对灯闪感到不
适，这种现象称为电压闪变。
4．不对称度
不对称度是衡量多相负荷平衡状态的指标，
多相系统的电压负序分量与电压正序分量之比
值称为电压的不对称度，电流负序分量与电流
正序分量之比值称为电流的不对称度，均以百
分数表示。
4.1.2 衡量电能质量的指标
5,正弦波形畸变率
当网络电压波形中出现谐波 （ 有时为非谐波 ）
时网络电压波形就要发生畸变 。 谐波干扰是由于
非线性系统引起的 。 它产生出不同于网络频率的
电压波, 或者具有非正弦形的电流波 。
（ 1） n次谐波电压, 电流含有率
（ 4-1-3）
%100
1
?? UUH R U nn
%100
1
?? IIH R I nn
4.1.2 衡量电能质量的指标
5,正弦波形畸变率
（ 2） 电压, 电流总谐波畸变率
（ 4-1-4）
式中, —— n次谐波电压, 电流的方均根值, kV,A；
,—— 基波电压 （ 50Hz）, 电流的方均根值,
kV,A。
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1
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4.1.2 衡量电能质量的指标
（ 3） 谐波电压的总平均畸变系数
（ 4-1-5）
式中 —— 谐波电压的总平均畸变系数；
—— 变化时间, ＝ 3s；
—— n次谐波电压的方均根值, kV；
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2
21 ）（?
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4.1.2 衡量电能质量的指标
6,频率偏差
频率偏差是指供电的实际频率与电网的额
定频率的差值 。
我国电网的标准频率为 50Hz,又叫工频 。
频率偏差一般不超过 ± 0.25Hz，当电网容
量大于 3000MW时，频率偏差不超过 ± 0.2Hz。
调整频率的办法是增大或减小电力系统发
电机有功功率。
4.1.2 衡量电能质量的指标
7,供电可靠性
供电可靠性指标是根据用电负荷的等
级要求制定的。
衡量供电可靠性的指标，用全年平均
供电时间占全年时间百分数表示。
4.1.3 电网接线方式与特点
电力系统的接线方式大致分为两大类：
（ 1） 无备用电源接线
（ 2） 有备用电源接线
具体表现型式有
（ 1） 放射式
（ 2） 树干式
（ 3） 混合式
（ 4） 环网式
4.1.3 电网接线方式与特点
1,无备用接线 （ 开式电力网 ） 方式
无备用接线包括：
（ 1） 单回放射式
（ 2） 树干式
（ 3） 链式网络
a）放射式 b）干线式 c）链式
4.1.3 电网接线方式与特点
2,有备用接线 （ 闭式电力网 ） 方式
有备用接线方式包括
（ 1） 双回放射式
（ 2） 树干式
（ 3） 链式
（ 4） 环式
（ 5） 两端供电网络
a）放射式 b）干线式 c）链式 d）环式 e）两端供电网络
4.1.3 电网接线方式与特点
有备用接线的双回放射式, 树干式和
链式网络用于一, 二级负荷 。
环式接线, 供电经济, 可靠, 但运行
调度复杂, 线路发生故障切除后, 由于
功率重新分配, 可能导致线路过载或电
压质量降低 。
两端供电接线方式必须有两个独立的
电源 。
4.1.4 额定电压
1,电网的额定电压
线路首末两端电压的平均值应等于电网额定电
压 。
此电压做为确定其他电力设备额定电压的依据 。
2,用电设备的额定电压
用电设备的额定电压等于电网额定电压。
3,发电机的额定电压
发电机的额定电压规定比同级电网电压高 5％。
补偿电压损失。
4.1.4 额定电压
4,电力变压器的额定电压
电力变压器的一次绕组的额定电压根据连接
情况不同分为两种：当变压器直接与发电机相连
时, 其一次绕组的额定电压与发电机的额定电压
相同, 即高出同级电网额定电压 5％ ；
当变压器直接与电网相连时, 其一次绕组的
额定电压与电网的额定电压相同, 即等于同级电
网额定电压 。
4.1.4 额定电压
电力变压器的二次绕组的额定电压是指一次绕组在额
定电压作用下，二次绕组的空载电压。
当变压器满载时，变压器的一、二次绕组的阻抗将引
起变压器自身的电压降（大约相当于电网额定电压的 5
％），从而使二次绕组的端电压小于空载电压。为了弥
补线路中的电压损失，变压器的二次绕组的额定电压应
高于电网额定电压 5％，因此变压器二次绕组的额定电
压规定比同级电网额定电压高 10％；
若变压器靠近用户，供电半径较小时，由于线路较短，
线路的电压损失可以忽略不计，这时变压器的二次绕组
的额定电压应高于电网额定电压 5％，用以补偿变压器
自身的电压损失。
4.1.5 电力系统的中性点运行方式
1,中性点不接地系统
系统中性点不接地是指系统中性点对地绝缘 。
当系统发生单相接地故障后系统的三相对称关系
并未破坏, 仅中性点及各相对地电压发生变化,
中性点的电压上升到相电压, 非故障相对地电压
值增大为倍相电压, 故对于该中性点不接地系统
可以带故障继续运行 2小时 。 故障相接地点的对
地故障电流为正常运行时对地电容电流的 3倍 。
在我国配电网电压在 10～ 35kV之间的架空线路
多采用此接地方式。
4.1.5 电力系统的中性点运行方式
2,中性点直接接地系统
系统中性点经一无阻抗 （ 金属性 ） 接地
线接地的方式成为中性点直接接地 。
此接地系统一般应用在接有单相负载
的低压 （ 380/220V） 配电系统和电力系
统高压 （ 110kV以上 ） 输电线路上 。
4.1.5 电力系统的中性点运行方式
3,中性点经阻抗接地系统
在系统中性点与大地之间用一阻抗相连的接地方式
称为中性点经阻抗接地 。 根据接地电阻器电阻值的
大小, 接地系统分为高电阻接地和低电阻接地 。
（ 1） 高电阻接地：此种方式接地电流较小, 通常
在 5～ 10A范围内, 但至少应等于系统对地的总电容
电流 。 保护方式需要配合接地指示器或警报器, 保
证故障时线路立即跳脱 。
（ 2） 低电阻接地：增大接地短路电流, 使保护迅
速动作, 切除故障线路 。 电阻值的大小, 必须使系
统具有足够的最小接地故障电流 （ 大约 400A以上 ）,
保证接地继电器准确动作 。
目前我国大城市 10kV配电网的接地方式大多采用
经低电阻接地的方式。
思考题、习题
1-1,电力网, 电力系统和动力系统的定义是什么？
1-2,对电力系统运行的基本要求是什么？
1-3,电力系统的电气 接线图和地理接线图有何区别？
1-4,何为电力系统的 中性点？ 其运行方式如何？ 它们有
什么特点？ 我国电力系统中性点运行情况如何？
1-5,中性点不接地的电力系统发生单相接地故障时, 各
相对地电压有什么变化？ 单相接地电流的性质如何？ 怎
样计算？
1-6,消弧线圈的工作原理是什么？ 补偿方式有哪些？ 电
力系统一般采用哪种补偿方式？ 为什么？
思考题、习题
1-7,电力系统的额定电压是如何确定的？ 系统各元件
的额定电压如何确定？
1-8,目前我国电力系统的额定电压等级有哪些？ 额定
电压等级选择确定原则有哪些？
1-9,电力系统的接线方式有哪些？ 各自的优, 缺点有
哪些？
1-10,联合电力系统的优越性有哪些？
1-11,某一 60kV电力线路长为 100km,每相导线对地电
容为 0.005μF/km,当电力线路末端发生 单相接地故障
时, 试求接地电容电流值 （ 60kV系统中性点经 消弧线
圈接地 ） 。 (解答 Id=16.324 A)
北京建筑工程学院
电气工程与自动化系
李英姿
2004年 3月
全国注册电气工程师考试 ——专业基础部分
4.1 电力系统基本知识
考试大纲
1.1 了解电力系统运行特点和基本要求
1.2 掌握电能质量的各项指标
1.3 了解电力系统中各种结线方式及特点
1.4 掌握我国规定的网络额定电压与发电机、
变压器等元件的额定电压
1.5 了解电力网络中性点运行方式及对应的电
压等级
4.1.1 电力系统运行特点和基本要求
1,电力系统的组成
由发电厂的发电机、升压及降压变电设备、电力网
及电能用户（用电设备）组成的系统统称为电力系统。
（ 1）发电厂：生产电能。
（ 2）电力网：变换电压、传送电能 。
由 变电所和电力线路组成 。
（ 3） 配电系统：将系统的电能传输给电力用户 。
（ 4） 电力用户,高压用户额定电压在 1kV以上, 低
压用户额定电压在 1kV以下 。
（ 5） 用电设备,消耗电能 。
4.1.1 电力系统运行特点和基本要求
2．电能的特点
（ 1）电能不能储存
电能的生产、输送、分配和使用同时完成。
（ 2）暂态过程非常迅速
电能以电磁波的形式传播，传播速度为
300km／ ms。
（ 3）和国民经济各部门间的关系密切 。
4.1.1 电力系统运行特点和基本要求
3．对电力系统提出的要求
（ 1）保证供电可靠性
（ 2）保证电能质量
（ 3）提高电力系统运行的经济性
（ 4）环境保护问题
4.1.2 衡量电能质量的指标
1,电压偏差 （ 移 ）
电压偏差 （ 移 ） 指当供配电系统改变运行方式或负荷
缓慢地变化使供配电系统各点的电压也随之改变, 各点
的实际电压与系统额定电压之差, 通常用与系统额定电
压的百分比值数表示 。 用公式表示为
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式中 —— 用电设备的额定电压, kV；
—— 用电设备的实际端电压, kV。
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4.1.2 衡量电能质量的指标
2,电压波动
一系列的电压变动或电压包络线的周期性变动,
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值以百分数表示, 其变化速度等于或大于每秒
0.2％ 时称为电压波动 。 波动的幅值为：
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3,电压闪变
负荷急剧的波动造成供配电系统瞬时电压升
高，照度随之急剧变化，使人眼对灯闪感到不
适，这种现象称为电压闪变。
4．不对称度
不对称度是衡量多相负荷平衡状态的指标，
多相系统的电压负序分量与电压正序分量之比
值称为电压的不对称度，电流负序分量与电流
正序分量之比值称为电流的不对称度，均以百
分数表示。
4.1.2 衡量电能质量的指标
5,正弦波形畸变率
当网络电压波形中出现谐波 （ 有时为非谐波 ）
时网络电压波形就要发生畸变 。 谐波干扰是由于
非线性系统引起的 。 它产生出不同于网络频率的
电压波, 或者具有非正弦形的电流波 。
（ 1） n次谐波电压, 电流含有率
（ 4-1-3）
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4.1.2 衡量电能质量的指标
5,正弦波形畸变率
（ 2） 电压, 电流总谐波畸变率
（ 4-1-4）
式中, —— n次谐波电压, 电流的方均根值, kV,A；
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kV,A。
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4.1.2 衡量电能质量的指标
（ 3） 谐波电压的总平均畸变系数
（ 4-1-5）
式中 —— 谐波电压的总平均畸变系数；
—— 变化时间, ＝ 3s；
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4.1.2 衡量电能质量的指标
6,频率偏差
频率偏差是指供电的实际频率与电网的额
定频率的差值 。
我国电网的标准频率为 50Hz,又叫工频 。
频率偏差一般不超过 ± 0.25Hz，当电网容
量大于 3000MW时，频率偏差不超过 ± 0.2Hz。
调整频率的办法是增大或减小电力系统发
电机有功功率。
4.1.2 衡量电能质量的指标
7,供电可靠性
供电可靠性指标是根据用电负荷的等
级要求制定的。
衡量供电可靠性的指标，用全年平均
供电时间占全年时间百分数表示。
4.1.3 电网接线方式与特点
电力系统的接线方式大致分为两大类：
（ 1） 无备用电源接线
（ 2） 有备用电源接线
具体表现型式有
（ 1） 放射式
（ 2） 树干式
（ 3） 混合式
（ 4） 环网式
4.1.3 电网接线方式与特点
1,无备用接线 （ 开式电力网 ） 方式
无备用接线包括：
（ 1） 单回放射式
（ 2） 树干式
（ 3） 链式网络
a）放射式 b）干线式 c）链式
4.1.3 电网接线方式与特点
2,有备用接线 （ 闭式电力网 ） 方式
有备用接线方式包括
（ 1） 双回放射式
（ 2） 树干式
（ 3） 链式
（ 4） 环式
（ 5） 两端供电网络
a）放射式 b）干线式 c）链式 d）环式 e）两端供电网络
4.1.3 电网接线方式与特点
有备用接线的双回放射式, 树干式和
链式网络用于一, 二级负荷 。
环式接线, 供电经济, 可靠, 但运行
调度复杂, 线路发生故障切除后, 由于
功率重新分配, 可能导致线路过载或电
压质量降低 。
两端供电接线方式必须有两个独立的
电源 。
4.1.4 额定电压
1,电网的额定电压
线路首末两端电压的平均值应等于电网额定电
压 。
此电压做为确定其他电力设备额定电压的依据 。
2,用电设备的额定电压
用电设备的额定电压等于电网额定电压。
3,发电机的额定电压
发电机的额定电压规定比同级电网电压高 5％。
补偿电压损失。
4.1.4 额定电压
4,电力变压器的额定电压
电力变压器的一次绕组的额定电压根据连接
情况不同分为两种：当变压器直接与发电机相连
时, 其一次绕组的额定电压与发电机的额定电压
相同, 即高出同级电网额定电压 5％ ；
当变压器直接与电网相连时, 其一次绕组的
额定电压与电网的额定电压相同, 即等于同级电
网额定电压 。
4.1.4 额定电压
电力变压器的二次绕组的额定电压是指一次绕组在额
定电压作用下，二次绕组的空载电压。
当变压器满载时，变压器的一、二次绕组的阻抗将引
起变压器自身的电压降（大约相当于电网额定电压的 5
％），从而使二次绕组的端电压小于空载电压。为了弥
补线路中的电压损失，变压器的二次绕组的额定电压应
高于电网额定电压 5％，因此变压器二次绕组的额定电
压规定比同级电网额定电压高 10％；
若变压器靠近用户，供电半径较小时，由于线路较短，
线路的电压损失可以忽略不计，这时变压器的二次绕组
的额定电压应高于电网额定电压 5％，用以补偿变压器
自身的电压损失。
4.1.5 电力系统的中性点运行方式
1,中性点不接地系统
系统中性点不接地是指系统中性点对地绝缘 。
当系统发生单相接地故障后系统的三相对称关系
并未破坏, 仅中性点及各相对地电压发生变化,
中性点的电压上升到相电压, 非故障相对地电压
值增大为倍相电压, 故对于该中性点不接地系统
可以带故障继续运行 2小时 。 故障相接地点的对
地故障电流为正常运行时对地电容电流的 3倍 。
在我国配电网电压在 10～ 35kV之间的架空线路
多采用此接地方式。
4.1.5 电力系统的中性点运行方式
2,中性点直接接地系统
系统中性点经一无阻抗 （ 金属性 ） 接地
线接地的方式成为中性点直接接地 。
此接地系统一般应用在接有单相负载
的低压 （ 380/220V） 配电系统和电力系
统高压 （ 110kV以上 ） 输电线路上 。
4.1.5 电力系统的中性点运行方式
3,中性点经阻抗接地系统
在系统中性点与大地之间用一阻抗相连的接地方式
称为中性点经阻抗接地 。 根据接地电阻器电阻值的
大小, 接地系统分为高电阻接地和低电阻接地 。
（ 1） 高电阻接地：此种方式接地电流较小, 通常
在 5～ 10A范围内, 但至少应等于系统对地的总电容
电流 。 保护方式需要配合接地指示器或警报器, 保
证故障时线路立即跳脱 。
（ 2） 低电阻接地：增大接地短路电流, 使保护迅
速动作, 切除故障线路 。 电阻值的大小, 必须使系
统具有足够的最小接地故障电流 （ 大约 400A以上 ）,
保证接地继电器准确动作 。
目前我国大城市 10kV配电网的接地方式大多采用
经低电阻接地的方式。
思考题、习题
1-1,电力网, 电力系统和动力系统的定义是什么？
1-2,对电力系统运行的基本要求是什么？
1-3,电力系统的电气 接线图和地理接线图有何区别？
1-4,何为电力系统的 中性点？ 其运行方式如何？ 它们有
什么特点？ 我国电力系统中性点运行情况如何？
1-5,中性点不接地的电力系统发生单相接地故障时, 各
相对地电压有什么变化？ 单相接地电流的性质如何？ 怎
样计算？
1-6,消弧线圈的工作原理是什么？ 补偿方式有哪些？ 电
力系统一般采用哪种补偿方式？ 为什么？
思考题、习题
1-7,电力系统的额定电压是如何确定的？ 系统各元件
的额定电压如何确定？
1-8,目前我国电力系统的额定电压等级有哪些？ 额定
电压等级选择确定原则有哪些？
1-9,电力系统的接线方式有哪些？ 各自的优, 缺点有
哪些？
1-10,联合电力系统的优越性有哪些？
1-11,某一 60kV电力线路长为 100km,每相导线对地电
容为 0.005μF/km,当电力线路末端发生 单相接地故障
时, 试求接地电容电流值 （ 60kV系统中性点经 消弧线
圈接地 ） 。 (解答 Id=16.324 A)
