电力系统的两种结构形式的分析介绍

第三节　电力系统

电气系统的各种设备和设置，虽然在器件的连接方式上显出五花八门的结构形式，但归纳起来却只有两种：串联和并联。这个划分的根据，与划分电气元件一样，都是以电压和电流的关系为根据，因为电压和电流是度量一切电磁运动的两个基本物理量。在电气系统中，流过同一个电流的各个器件之间，属于串联；承受同一个电压的各个器件之间，属于并联。

串联的结构形式具有特殊的功能。串联能够强化器件之间的结合关系。在串联回路中，能量和信息的流转只有一条通道，一旦这个系统中有一个器件出了故障，则整个系统（串联回路）内的能量传输和信息交换就会中断。因此，在串联结构中的各个环节都是相依为命的，比如，把电路中的开关元件串联在电源和负载之间，就是为了加强它们之间的联系。如果它们之间联系性较弱，则很难实行有效的控制作用。

串联的环节越多，则整个串联系统的可靠性越低。以串联中的每个环节（器件）按0．9来计算它的可靠性因数，如果有两个串联环节，则可靠性因数就是（0．9）²＝0．81；如果串联环节增加到三个，则可靠性因数就下降到0．729；如果串联环节增加到10个以上，则可靠性因数就会小于0．1，实际上很不可靠了。因此，实际电路中串联的环节都是很有限的。日常生活中使用的电气，都不采用串联供电，否则，一个电器坏了，则其余的电气也跟着断电了。

串联的环节越多，串联系统的可靠性越低，这个规律性的现象，也是可资利用的。比如，保险柜都至少要两把钥匙同时使用，才能打开它。这种串联控制结构，就把每种钥匙对于锁的控制权利，限制到1／2以内，这种串联结构就提高了保险柜的可靠性。贵重的大容量电器设备，一般都设置好几道开关，这种串联结构也是为了保护设备，防止失误。

并联的结构也具有特殊的功能，并联能够弱化器件之间的结合关系。并联的各个器件之间不形成电流循环，它们分别同电源电路形成电流通路，并联结构中的各个部分是一条支路。无论从能量输送来看，还是从信息传递来看，各条并联支路都具有相对独立性，并不会因为左邻右舍的故障，而中断了自己的正常运行。它们可以看作是一个大系统中的各个独立的小系统，或叫子系统。就像海港码头上，有许多条缆绳来拴住一只船，并不会因为某几条缆绳断裂，造成船舶漂流。各个子系统的并联结构，有助于提高母系统（整个大系统）的可靠性。

并联结构的可靠性通常都用事故因数来计算。如果每个并联结构的子系统其可靠性因数为0．9，那么它的事故因数就是0．1；若是两个子系统并联，则母系统的事故因数就是（1－0．9）²＝（0．1）2＝0．01；若并联子系统增加到三个，则母系统的事故因数就下降到0．001，即母系统的可靠性因数，从99%上升到99．9%。因此，并联的子系统越多，则母系统的可靠性越大，可见，并联结构与串联结构刚好相反。一切电力系统均无例外的一律采取并联供电，所以可靠性很高。

实际运行中的电气系统，其结构形式都很复杂，往往形成串联和并联相互交错的复联结构。就拿供电系统来说，远方发电厂送来的高压电是220千伏，经过市郊的一次变电所，电源变压器把它降为10千伏，再送进市内各个地区的二次变电所，电源变压器把它降为380伏的低压电，再送到各个厂家用户的柱上变电器，配成单相220伏市电，这就是一个复联结构。其中，一次变电所、二次变电所、柱上变压器和负载之间，这个纵向系统均属于串联结构，而每一个层次内的横向联系均属于并联结构，整个复联系统形成一个金字塔形结构。

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输配电系统图

20世纪中期，电力系统中的动力容量越来越大，工艺流程趋于高速运行，生产环节之间的衔接要求非常有机。随着统一供电电网的形成，社会化大生产显示出整体性联系。这个时期的信息运用技术表现出很大的落后性，不能与能量的运用技术相适应。在传统工业中，人一直是系统的控制中心，由于人类思维活动的低速特点，无法干预高速过程，这就形成了动力容量扩大和工艺流程高速化的主要障碍，电子计算机就是适应这一需要而诞生的。具有逻辑功能的电脑突破了一般电子仪器的功能局限性，能够对多种信息进行综合分析，能够对整个系统进行全自动化控制。现代电脑主要用于程序控制和数据处理，而计算任务退居次要地位（美国在80年代统计，电脑的计算任务占1／7）。电子计算机与一般电子仪器相比，已不再是人类耳目感官的延长，而是大脑神经中枢的延长。

电脑应用于生产工程中，完成了全自动化的程序控制，使电子系统由电力系统中分离出来以后又复归于统一。这是个否定之否定的过程，以弱电去控制强电，使弱电和强电得到了谐调的统一。20世纪60年代，可控硅元件的出现，就可以看作是弱电和强电相结合的产物。外形像鸡蛋那么大的可控硅元件，它有两个回路，其中主回路可通过几百安培的大电流，而控制回路却只有毫安级，它是弱电驾驭强电的典型代表。可控硅元件是半导体三极管向大功率方向发展的衍生物，从某种意义上，可以说它是个巨型三极管。

电气系统结构示意图

总之，一切电力系统都存在着两个性质不同的循环过程，一个是能量流转的闭合回路，另一个是信息流转的闭合回路。从最简单的电灯电路，到最复杂的电脑遥控系统，从最庞大的电力系统到小巧玲珑的电子仪器，只要这个系统是相对独立完整的，在实际运行过程中都是由这两个循环过程来维持着自身的统一。在电磁运动以外的其他领域，也可以看到这种共同性规律。

一切系统，特别是复杂形态的运动系统，诸如生命、社会等，都存在着这样两种性质不同的循环过程。生命过程中一刻也不能停止同化作用和异化作用，而调节生命系统自身平衡，和它与环境相适应的控制过程，确是一个信息流转过程。