第1章 概论

供配电工程,山东农业大学电气工程系2005年10月制作,第1章 概论,山东农业大学电气工程系,第1章 概论,1.1 供配电系统的一般概念1.2 电力系统的额定电压1.3 电力系统中性点运行方式1.4 电能的质量1.5 供配电设计的内容程序与要求1.6 本课程的特点及学习要求,山东农业大学电气工程系,1.1 供配电系统的一般概念, 工厂供电：工厂所需电能的供应和分配。 课程任务：掌握和了解中小型工厂供电系统的运行维护， 设计计算的基本理论和知识。 对工厂供电系统基本要求：安全、可靠、优质、经济,安全：在电能的供应、分配和使用中，不应当发生人身及设备事故。,可靠：应满足电能用户对供电可靠性的地要求。,优质：应满足电能用户对电压质量和频率等方面的要求。,经济：供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。,山东农业大学电气工程系,1.1 供配电系统的一般概念,变配电系统：包括变电（降压）、配电（包括短距离输电）和用电三部分。 一个完整的电力系统由各种不同类型的发电厂、变电所、输电线路及电力用户组成。图1-7,一、电力系统（electrical power system） 由各级电压的电力线路将一些发电厂、变电所和电力用户联系起来的一个发电、输电、变电、配电和用电的整体，称为电力系统。,山东农业大学电气工程系,电能 2003年，全国总装机容量39141万kW2004年底，全国发电装机容量达到4.4亿KW ，发电量为21870亿千瓦小时，居世界第二位。 其中：火电，78 水电，21 核电，12005年全國電力裝機總容量達到50,800萬千瓦預計2006、2007及2008年分別將達到60,000萬千瓦、65,000萬千瓦及74,000萬千瓦預計2020年將會達到123,000萬千瓦, 其中水電佔29,000萬千瓦, 而其它如:核電及風電將達到7,000萬千瓦,山东农业大学电气工程系,预计到2050年，全国总装机容量可达15 18亿kw,每年总发电量可达7 8万亿kwh。,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,1.1 供配电系统的一般概念,1发电厂（generating plant）,发电厂将一次能源转换成电能。,按一次能源介质划分为火力发电厂、水力发电站、核电站等，此外，还有小容量的太阳能发电厂、风力发电厂、地热发电厂和潮汐发电厂等，正在研究的还有磁流体发电和氢能发电等。 火力发电厂将煤、天然气、石油的化学能转换为电能。我国火力发电厂燃料以煤炭为主，随着西气东输，将逐步扩大天然气燃料的比例。,山东农业大学电气工程系,1.1 供配电系统的一般概念,水力发电厂将水的位能转换成电能。其原理是水流驱动水轮机转动，带动发电机旋转发电。按提高水位的方法，电厂有堤坝式水电厂、引水式水电厂和混合式水电厂三类。,火力发电的原理：燃料在锅炉中充分燃烧，将锅炉中的水转换为高温高压蒸汽，蒸汽推动汽轮机转动，带动发电机旋转发出电能。彩图1-1,山东农业大学电气工程系,1.1 供配电系统的一般概念,2变电所（substation） 变电所是变换电能电压和接受分配电能的场所。如果仅用以接受电能和分配电能，则称为配电所（站），仅用以把交流电能变换成直流电能，则称为变流所。变电所,核能发电厂利用原子核的核能生产电能。核燃料在原子反应中堆裂变释放核能，将水转换成高温高压的蒸汽，蒸汽推动汽轮机转动，带动发电机旋转发出电能、其生产过程与火电厂基本相同。彩图1-1,电力建设方针：大力发展火电，积极发展水电，适当发展核电。,山东农业大学电气工程系,升压变电 6、10、15kv 升110、220、500kv 降压变电 110、220、500kv降6、10、kv3电力网（electrical power network） 电力系统中各级电压的电力线路及其联系的变电所，称为电力网。 通常将220kV及以上的电力线路称为输电线路，110kV及以下的电力线路称为配电线路。配电线路又分为高压配电线路（110kV）、中压配电线路（635kV）和低压配电线路（380/220V）。 区域电网：供电电压在220kV及以上（彩图5 山东电网） 地方电网：供电电压小于等于110kV,山东农业大学电气工程系,4电能用户 凡取用电能的所有单位均称为电能用户 ，其中工业企业用电量约占我国全年总发电量的64%，是最大的电能用户。 电力系统示意图,例 某一办公楼各种能源比例： 电力84%（照明插座42%，一般动力21%，空调机14%，冷冻机7%,例 我国居民用电: 1996年1130亿kwh 2000年1690亿kwh 2005年2700亿kwh 2010年3920亿kwh,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,工厂供配电系统由总降压变电所、高压配电线路、车间变电所、低压配电线路及用电设备组成。 1总降压变电所 总降压变电所负责将35110kV的外部供电电压变换为610kV的厂区高压配电电压，给厂区各车间变电所或高压电动机供电。 2车间变电所 车间变电所将610kV的电压降为380/220V，再通过车间低压配电线路，给车间用电设备供电。 3配电线路 配电线路分为厂区高压配电线路和车间低压配电线路。,二、供配电系统,山东农业大学电气工程系,典型的工厂供电系统用户负荷在1000kVA以下，称为小型工厂供电系统用户负荷在1000kVA10000kVA，称为中型工厂供电系统用户负荷在10000kVA以上，称为大型工厂供电系统1、具有高压配电所的工厂供电系统（中型）图1-1电能输送过程：2、具有总降变的工厂供电系统（大中型）图1-3 电能输送过程：,山东农业大学电气工程系,3、高压深入负荷中心的供电方式 图1-44、只有车间变电所的工厂供电系统（小型）图1-5 配电所与变电所的区别 工厂供电系统范围：从电源进线进厂到高低压用电设备进线端止的整个电路，包括厂内的变配电所和高低压配电线路。,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,1.2 电力系统的额定电压,电气设备的额定电压：能使电气设备长期运行时获得最好经济效果的电压。,电力网的电压等级是比较多的，不同的电压等级有不同的作用。,从输电的角度看，电压越高则输送的距离就越远，传输的容量越大，电能的损耗就越小；但电压越高，要求绝缘水平也越高，因而造价也越高。 目前，我国电力网的电压等级主要有0.22、0.38、3、6、10、35、110、220、330、500、750、1000kV等。,山东农业大学电气工程系,1.2 电力系统的额定电压,1、电网(电力线路)的额定电压：额定电压 是确定各类电力设备额定电压的基本依据。,2、用电设备的额定电压： 规定与同级电网的额定电压相同。,3、发电机的额定电压： 规定高于同级电网额定电压的5。,用于补偿线路上的电压损失,？,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,1.2 电力系统的额定电压,4、电力变压器的额定电压：,+5%,+10%,+0%,+5%,(1)一次绕组的额定电压：,当变压器直接与发电机相连时(如T1)，其一次绕组的额定电压应与发电机的额定电压相同，即高于同级电网额定电压的5。,当变压器不与发电机相连，而是连接在线上(如T2)，则可看作是线路的用电设备，因此其一次绕组的额定电压应与电网额定电压相同。,山东农业大学电气工程系,变压器的二次绕组对于用电设备而言，相当于供电设备。第一种情况若变压器二次侧供电线路较长(如为较大的高压电网)时，则二次侧额定电压，比用电设备额定电压高10% 第二种情况变压器二次侧线路不太长(如为低压电网或直接供电给高/低压用电设备时额定电压)时，二次侧比用电设备额定电压高5%,1.2 电力系统的额定电压,变压器的一次绕组：相当于是用电设备，所以规定变压器一次绕组的额定电压与受电设备额定电压相同。,注意：但当变压器一次绕组直接与发电机相连时，变压器一次绕组的额定电压与发电机额定电压相等。,其中5%用于补偿变压器满载供电时，一、二次绕组上的电压损失； 另外5%用于补偿线路上的电压损失，因此适用于变压器供电距离较长时的情况。,当变压器供电距离较短时，可以不考虑线路上的电压损失，只需要补偿满载时变压器绕组上的电压损失即可。,山东农业大学电气工程系,1.2 电力系统的额定电压,线路的平均额定电压 线路的平均额定电压（average rated voltage）指线路始端最大电压（变压器空载电压）和末端用电设备额定电压的平均值。由于线路始端最大电压比电网额定电压高10%，因而线路的平均额定电压比电网额定电压高5%。各级分别为： 0.4kV，3.15kV，6.3kV,10.5kV,37kV，63kV，115kV，230kV，346kV，525kV。,山东农业大学电气工程系,发电机G的额定电压：UNG=1.05UNL1=1.0510=10.5（kV） 变压器T1的额定电压： U1NT1=UN.G=10.5（kV） U2NT1=1.1UNL2=1.1110=121(kV)变压器T1的变比为：10.5/121kV变压器T2的额定电压：U1NT2=UNL2=110（kV） U2NT2=1.05UNL3=1.056=6.3(kV)变压器T2的变比为：110/6.3kV,例1.2.1 已知图1.2.1所示系统中电网的额定电压，试确定发电机和变压器的额定电压。,变压器直接与电动机相连，供电距离较短，可以不考虑线路上的电压损失。,变压器T1的一次绕组与发电机直接相连，所以其一次绕组的额定电压取发电机的额定电压,山东农业大学电气工程系,1.3 电力系统中性点运行方式,电力系统的中性点是指星形联结的变压器或发电机的中性点。,小电流接地系统,大电流接地系统,电力系统中性点有三种运行方式：中性点直接接地中性点不接地中性点经消弧线圈接地,山东农业大学电气工程系,一、 中性点不接地方式,系统正常运行时，线电压对称，各相对地电压对称，等于各相的相电压，中性点对地电压为零，各相对地电容电流也对称，其电容电流的相量和为零，相量图如图1-7b所示。,图1-7 正常运行时的中性点不接地电力系统 a）电路图 b）相量图,山东农业大学电气工程系,一、 中性点不接地方式发生单相接地故障时：中性点不接地系统发生单相接地故障时，故障相电压降为0，非故障相对地电压升高到原来相电压的 倍 即线电压线电压不变，不影响三相用电设备的正常运行但不允许长时间运行（一般不超过2小时），防止另外再有一相绝缘被击穿，形成两相接地短路。图1-14单相接地电流等于正常时单相对地电容电流的三倍。,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,二、 中性点经消弧线圈接地方式,当电容Ic（或称接地电容电流）大于一定数值，接地点将出现断续电弧，引起过电压危害系统绝缘，所以要采用中性点经消弧线圈接地，当发生单相接地故障时，线圈可提供一感性电流IL抵消Ic使接地电流减小，电弧就不会发生了。,单相接地电容电流的计算（估算）,UN 系统额定电压； loh 架空线路长度（km）；lcab电缆线路长度（km）,山东农业大学电气工程系,二、 中性点经消弧线圈接地方式,消弧线圈,消弧线圈对电容电流的补偿可以有三种方式：（1）全补偿；（2）欠补偿；（3）过补偿。,在电力系统中一般不采用完全补偿的方式，而采用过补偿运行方式,Why?,山东农业大学电气工程系,消弧线圈对电容电流的补偿有三种方式： （1）全补偿IL=IC ；（2）欠补偿ILIC ；（3）过补偿ILIC。 实际上都采用过补偿，以防止由全补偿引起的电流谐振，损坏设备或欠补偿由于部分线路断开造成全补偿。 中性点经消弧线圈接地系统，发生单相接地时，各相对地电压和对地电容电流的变化情况与中性点不接地系统相同。,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,三、 中性点直接接地方式 当发生单相接地故障时，形成回路，短路电流很大，保护装置动作，切除故障。图1-16,由于中性点直接接地，发生单相接地时，中性点对地电压仍为零，非接地相对地电压也不发生变化.,结论： 电气设备绝缘水平可按相电压考虑。对于110KV及以上的高压电器很有经济意义。,山东农业大学电气工程系,直接接地 特 点：供电可靠性低，比较经济； 故障时：如发生接地故障，则构成短路回路，接地相电流 很大；适用范围：110KV以上系统。,小电流接地系统 特 点：供电可靠性高，绝缘费用高；故障时：如发生接地故障，不必切除接地相，但非接地相 对地电压为 相电压 适用范围：60KV以下系统,山东农业大学电气工程系,中性点的运行方式主要取决于单相接地时电气设备绝缘要求及对供电可靠性要求。,我国应用情况： 363kV系统，一般采用中性点不接地运行方式。当310kV系统接地电流大于30A； 2063kV系统接地电流大于10A时，应采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。 110kV及以上系统和1kV以下低压系统采用中性点直接接地运行方式。,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,四、 低压配电系统的接地形式 我国220/380V低压配电系统，采用中性点直接接地的运行方式。,工作接地：为保证电力系统或电气设备的正常运行而进行的接地（N线）,保护接地：低压用电设备的外壳及外露可导电部分通过保护线（PE线）接地,低压配电系统，按其保护接地形式分为TN、TT、IT系统。注：T代表接地，第一个字母T代表电源中性点直接接地；第二个字母T代表电气设备外壳各自直接接地；I表示电源中性点不接地。,山东农业大学电气工程系,2、TT系统（图1-19）：设备外露可导电部分均各自经PE线单独接地。3、IT系统：中性点不接地或经阻抗接地，设备外壳经各自PE线接地。,1、TN系统（图1-17） ：外露可导电部分经公共PE线接地（1）TNC系统：N、PE线合用，称为保护中性线（2）TNS系统：N、PE线分开（3）TNCS系统：前一部分N、PE线合用，后一部分N、PE线分开,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,1.4 电能质量,电能的质量指标是指电压质量、频率质量、波形质量和供电可靠性等。,一、供电可靠性 -根据用电负荷的性质及中断供电在政治上、经济上造成的损失或影响的程度提出的不中断供电的要求,供电可靠性是以对用户停电的时间及次数来衡量。它常用供电可靠率Kre1表示，即实际供电时间与统计期全部时间的比值的百分数表示：,山东农业大学电气工程系,Ty-为统计期实际供电时间之和（h）；Ts-为统计期全部时间（h）；Tt-为统计期内停电时间之和（h）；Ti-为统计期内每次停电时间（h）。,停电时间应包括： 事故停电、计划检修停电及临时性停电时间。,山东农业大学电气工程系,负荷分类：,电力负荷按其对供电可靠性的要求及中断供电在政治上、经济上造成的损失或影响的程度划分为三级,1一级负荷 一级负荷为中断供电将造成人身伤亡者；中断供电将在政治上、经济上造成重大损失者，如重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废，国民经济中重点企业的连续性生产过程被打乱而需要长时间恢复等；中断供电将影响有重大政治、经济影响的用电单位的正常工作的负荷。,山东农业大学电气工程系,特别重要的负荷： 在一般负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷，称为特别重要的负荷。,所谓独立电源，就是当一个电源发生故障时，另一个电源应不致同时受到损坏。 在一级负荷中的特别重要负荷，除上述二个独立电源外，还必须增设应急电源。为保证对特别重要负荷的供电，严禁将其它负荷接入应急供电系统。 应急电源一般有：独立于正常电源的发电机组；干电池；蓄电池；供电网络中有效地独立于正常电源的专门馈电线路。,供电要求： 一级负荷应由两个独立电源供电。,山东农业大学电气工程系,2二级负荷,二级负荷为中断供电将在政治上、经济上造成较大损失者，如主要设备损坏、大量产品报废，连续性生产过程被打乱需较长时间才能恢复，重点企业大量减产等；中断供电系统将影响重要用电单位正常工作的负荷者；中断供电将造成大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要公共场所秩序混乱者。,二级负荷应由两回线路供电，供电变压器亦应有两台。（两台变压器不一定在同一变电所）。做到当电力变压器发生故障或电力线路发生常见故障时，不致中断供电或中断后能迅速恢复。,山东农业大学电气工程系,3三级负荷,三级负荷为不属于一级和二级负荷者。对一些非连续性生产的中小型企业，停电仅影响产量或造成少量产品报废的用电设备，以及一般民用建筑的用电负荷等均属三级负荷。,三级负荷对供电电源没有特殊要求，一般由单回电力线路供电。,山东农业大学电气工程系,电力负荷分类 小结,山东农业大学电气工程系,1.4 电能质量,二、电压 -电压质量是以电压偏离额定电压的幅度、电压波动与闪变和电压波形来衡量。,1、 电压偏差 电压偏差是电压偏离额定电压的幅度，一般以百分数表示：,山东农业大学电气工程系,电压偏差,U%-电压偏差百分数；U -实际电压；UN -额定电压,山东农业大学电气工程系,供电电压允许偏差，见表1-2 要求供电电压的电压偏差不超过允许偏差。,表1-2 供电电压允许偏差,山东农业大学电气工程系,电压调整措施合理选择变压器的电压比和电压分接头合理减少系统阻抗合理补偿无功功率尽量使系统的三相负荷平衡变压器采用有载调压型,2、 电压波动和闪变,电压波动是指电压的急剧变化。电压变化的速率大于每秒1%的即为电压急剧变化。电压波动程度以电压最大值与最小值之差或其百分数表示,U-电压波动；U%-电压波动百分数；Umax为电压波动的最大值和最小值（kV）Umin为额定电压（kV）,山东农业大学电气工程系,电压波动的允许值见表1-3。,表1-3 电压波动允许值（GB12326-90）,山东农业大学电气工程系,电压波动抑制措施 对负荷变化剧烈的大型设备，采用专用线或专用变压器单独供电。 设法增大供电容量，减少系统阻抗。 在系统出现严重的电压波动时，减少或切除引起电压波动的负荷。 对大型电弧炉和变压器的受电电压，如有多种电压选择方案，宜选择较高的电压。 对大型冲击性负荷可采用电抗器或静止型无功补偿装置(SVC)。,山东农业大学电气工程系,通常用电压调幅波中不同频率的正弦波分量的均方根值等效为10Hz正弦电压波动值的1min平均值等效闪变值U10来表示，其允许值见表1-4。,闪变:周期性电压急剧变化引起光源光通量急剧波动而造成人眼视觉不舒适的现象，称为闪变。,表1-4 U10允许值（GB12326-90）,山东农业大学电气工程系,3.波形波形的质量是以正弦电压波形畸变率来衡量的。,在理想情况下，电压波形为正弦波，但电力系统中有大量非线性负荷，使电压波形发生畸变，除基波外，还有各项谐波。 表1-5是我国规定的公用电网电压波形畸变率。,山东农业大学电气工程系,谐波对电网的影响:谐波对旋转设备和变压器的主要危害是引起附加损耗和发热增加,此外谐波还会引起旋转设备和变压器振动并发出噪声,长时间的振动会造成金属疲劳和机械损坏。谐波对线路的主要危害是引起附加损耗。 谐波可引起系统的电感、电容发生谐振,使谐波放大。当谐波引起系统谐振时,谐波电压升高,谐波电流增大,引起继电保护及安全自动装置误动,损坏系统设备(如电力电容器、电缆、电动机等),引发系统事故,威胁电力系统的安全运行。谐波可干扰通信设备,增加电力系统的功率损耗(如线损),使无功补偿设备不能正常运行等,给系统和用户带来危害。,山东农业大学电气工程系,表1-5 公用电网谐波电压限值（相电压）,公用电网谐波电压允许值电网额定电压0.38kv 总谐波畸变率5电网额定电压10kv 总谐波畸变率4,山东农业大学电气工程系,抑制的措施增加整流变压器二次侧的相数。装设交流滤波器。宜采用Dyn11联结组别的三相配电变压器。装设SVC. 电压质量为电压的偏差、波动和波形三方面。,山东农业大学电气工程系,我国采用的额定频率为50HZ。在正常情况下，频率的允许偏差，根据电网的装机容量而定；事故情况下，频率允许偏差更大。 频率的允许偏差见表1-6,三、频率 -频率的质量是以频率偏差来衡量。,山东农业大学电气工程系,表1-6 电力系统频率的允许偏差,山东农业大学电气工程系,三、电压高低的划分从设计安装角度：电压1000V为高压，电压1000V为低压,四、工厂配电电压的选择,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,山东农业大学电气工程系,1.5 供配电设计的内容程序与要求,一、建筑电气设计的一般原则 适用 安全 经济 美观,山东农业大学电气工程系,1.5 供配电设计的内容程序与要求,二、 内容 输电线路设计变配电所设计电气照明设计电力设计防雷与接地设计电气信号与自动控制设计,山东农业大学电气工程系,三 程序与要求1.方案设计 凡国家及省市重点工程项目，规模较大的高层建筑以及有特殊要求的大型民用建筑及工业建筑，必须提出方案设计。一般高层建筑也都应提出方案设计。 在方案设计阶段，电气设计和弱电设计文件主要是设计说明书及必要的简图。其深度应满足设计方案优选和设计投标的要求。,1.5 供配电设计的内容程序与要求,山东农业大学电气工程系,3.施工图设计 施工图设计应根据已批准的初步设计进行编制，内容以图纸为主，应包括封面、图纸目录、设计说明(或首页)、图纸、工程概算等等。,1.5 供配电设计的内容程序与要求,2.初步设计 初步设计文件根据设计任务书进行编制，由设计说明书(包括设计总说明和专业的设计说明书)、设计图纸、主要设备及材料表和工程概算书等四部分组成。,山东农业大学电气工程系,1.6 本课程的特点及学习要求,本课程的性质和任务本课程的特点学习要求,山东农业大学电气工程系,小 结 本章介绍了电力系统和供配电系统的概念，讲述了电能的质量指标和电力负荷，重点讨论了电力系统中各种电力设备的额定电压，电力系统中性点的运行方式。,1电力系统是指由发电厂、变电所、电力线路和用户组成的