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工业供电与配电 发电与输电发电与输电 工业供配电系统工业供配电系统 概述概述 返回 概述 1、电力系统的构成 在电力系统中，普遍采用三相制。 三相制交流电的优点： 1、从发电看：三相发电机的结构并不比单相发电机复 杂，且使用和维护也比较方便，运行成本低； 2、从输电看：在相同距离下传输同等功率时，三相输 电比单相输电节约25%左右的材料成本，效率高； 3、从供电形式看，三相制可以实现不同的供电方式（ 例如星形供电或三角形供电），且能满足大功率设备的 用电需求； 4、从用电看，三相交流电比单相交流电应用更为广泛 ，既可适用于三相制用电设备，也可取其中一相交流电 用于照明和其他用电等单相设备。 电能是通过人为加工而取得的二次能源。将自然转变 为电能的过程称为发电，这一过程一般在发电厂进行 。而发电厂与用电用户之间往往相距很远，这就需要 用电力线路来输送电能。将发电厂的电能送到负荷中 心的线路称为输电线路，将负荷中心的电能送到各用 户的电力线路称为配电线路。 在输送与分配电能的过程中，为了减少电能损耗可以 提高电压减少线路电压降落、功率损耗和电能损耗。 将电能用高电压输电线路送到负荷中心的变电所，然 后经降压、分配和控制，再用配电线路送到用电用户 。 三相交流电从发电厂到用户的传输过程 大型电力系统简图 2、电力系统的电压等级 按国家标准规定，按电压高低及使用范围分为三类： 1、100V及以下的额定电压 这类额定电压主要用于安全动力、照明、蓄电池及其他特殊设备 。其中交流36V只作为潮湿环境的局部照明及其他特殊电力负荷 。 主要用于动力及照明设备，其应用最广，数量最多。 2、100以上，1000V以下的额定电压 用于电力系统的发电、输电、配电及高压用电设备。 3、 1000V及以上的额定电压 通常1kV以下的电压称为低压，高于1kV而低于330kV的电 压称为高压，330kV以上的电压称为超高压。 发电与输电 1、发电厂基本知识 发电厂（又称“一次能源”）是把各种天然能源，转换 成电能（又称“二次能源”）的工厂。 发电厂是电力系统的中心环节，根据一次能源形式的 不同，可分为火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂 、地热发电厂、潮汐发电厂、风力发电厂等。 发电厂发出的电能一般由变电所升压，经高压输出电 线路输送出去，电能输送到用电区域后，为了适应用 电设备的电压要求，还需通过各级变电站（所）利用 变压器将电压降低为各类电器所需要的电压值。 （1）水力发电厂 水力发电厂也称水电厂或水电站。它是将水的位能和动能转换 为电能的工厂。 水电厂能量转换过程 按照水力枢纽布置的不同，水电厂又分为堤坝式水电厂、径 流式水电厂和抽水蓄能电厂。 火力发电厂是将燃料（如煤、天然气等）的化学能 转换成电能的工厂。 （2）火力发电厂 火力发电厂能量转换过程 火力发电厂又分凝汽式和供热式，通常凝汽式火力发电厂称 为火电厂，而供热式火力发电厂称为热电厂。 （3）核能发电厂 核能发电厂又称原子能发电厂或核电站，它是利用原子 核的裂变能来生产电能的工厂。 核电厂能量转换过程 核能发电厂生产过程与火电厂基本相同，只是以核反应堆代 替了燃煤锅炉，以核燃料代替了煤燃料。核电厂能取得较大 的经济效益，且所需原料极少。 2、变电所的类型和作用 变电所是联系发电厂和用电用户的中间环节，其作用是变换 电压，接受和分配电能。 1） 枢纽变电所 枢纽变电所位于电力系统的枢纽点，电压等级一般为330kV及其 以上，连接电力系统电压和中压的几个部分，汇集着多个电源， 出线回路多，变电容量大。 2） 中间变电所 中间变电所位于电力系统主干环行线路或系统主要干线的接口 处，电压等级一般为330220kV，汇集23个电源和若干线路， 高压侧以交换功率为主，或使长距离输电线路分段，且同时降 压向地区用户供电。 3 ） 地区变电所 地区变电所是一个地区和一个中、小城市的主要变电所，电压等 级一般为110220kV，是以对地区用户供电为主的变电所。 4） 企业变电所 企业变电所是大、中型工矿企业的专用变压所，电压等级为 35220kV。 5 ） 终端变电所 终端变电所位于配电线路的终端，在负荷点附近，电压等级一 般为110kV，经降压后向用户供电。 3、电力系统的中性点运行方式 电力系统的中性点是指电力系统中作星形联结的变压器 和发电机的中性点。 1）中性点不接地的运行方式 系统正常运行时，系统的三个相电压 、是对称的， 则流过电容的三个电流、也是对称的，此时，所以没有电流 流过大地。 在中性点不接地的三相系统中，当发生单相接地故障，设W相因 故完全接地，系统的线电压没有改变。此时W相对地的电压为零 ，而中性点N对地的电压，即中性点N对地的电压不再为零。此时 U相、V相对地的电压、分别为 即此时U相、V相对 地的电压由原来的相 电压升高为线电压 由于W相接地，此时三相对地的电容电流的相量和不再为零 中性点不接地系统发生单相接地故障时由于线电压不 变，用户可继续工作，提高了供电的可靠性。为防止 由于接地点的电弧及伴随产生的过电压，这种系统中 必须安装交流绝缘监察装置。电力系统规定发生单相 接地时，允许继续运行的时间不得超过2小时。 单相接地时由于非故障相的对地电压升高到线电压， 故在这种系统中电气设备和线路的对地绝缘必须按线 电压来考虑。 中性点不接地的系统，高压多用于310kV系统，低压 则用于三相三线制的IT系统。 2、中性点经消弧线圈接地的运行方式 在中性点不接地的系统中，如果接地电流较大，容易 在接地点产生断续电弧，使线路有可能发生谐振过电 压现象。 正常运行时， 中性点对地的 电压为零，所 以消弧线圈中 没有电流流过 。 当系统发生单相接地故障时，设W相发生单相接地，此时 中性点对地的电压 ，U相、V相对地的电压升 高为线电压，系统的线电压仍然保持不变。 消弧线圈在电压 的作用下 ，将产生一个电流 ，这个电流 必流过接地点，所以接地点处的电流为接地电容电流 与消弧 线圈电流 的相量和。由相量分析可知， 超前 90，消弧 线圈电流 滞后电压 90，即 和 的相位相差180， 和 相互抵消。适当选择消弧线圈的匝数，可使接地点处的电流变 得很小或等于零。 中性点以消弧线圈 接地的系统与不接 地的系统一样，在 发生单相接地故障 时，可继续供电2小 时，提高了供电的 可靠性。 3、中性点直接接地或经低电阻接地的运行方式 这种系统正常运行时，三相系统对称，中性点的对地 电压为零，中性点没有电流流过。 当单相接地时，由于接地相通过大地与电源构成单相短 路，所以称这种故障为单相接地短路。 单相短路电流 比线路正 常负荷电流在得多，对系 统危害很大。因此这种系 统中装设的短路保护装置 将立即动作，切断线路， 切除故障部分，使系统的 其他部分恢复正常运行。 以电缆为主体的城市电网，由于电缆线路的对地电容 较大，单相接地电容电流也随之增大，采用消弧线圈 补偿的方法达不到抑制单相接地电流的要求，可采用 经低电阻接地的运行方式。 采用中性点经低电阻接 地方式运行时，为限制 接地相的电流，减少对 周围通信线路的干扰， 中性点接地电阻的大小 以限制接地相电流不超 过6001000A的范围内 为宜。 低压配电系统广泛采用中性点直接接地的运行方式， 而且引出中性线（N线）、保护线（PE线）或保护中 性线（PEN线）： 4 、低压配电系统的接地型式 （1）中性线：中性线的功能有以下三个方面：一是用来接采用额 定电压为系统相电压的单相用电设备的，二是用来传导三相系统 中的不平衡电流和单相电流，三是减小负荷中性点的电位偏移。 （2）保护线： 是为了保障人身安全、防止发生触电事故用的 接地线。系统中所有设备的外露可导电部分通过保护线接地， 或在设备发生接地故障时减小触电危险。 （3）保护中性线：它兼有中性线和保护线的功能，PEN线也 称为零线。 低压配电系统，按其中电气设备的外露可导电部分保护 接地的型式不同，分为TN系统、TT系统和IT系统。 1. TN系统 TN系统就是电源中性点直接接地，并引出N线，所有设备的外 露可导电部分经公共的PE线或PEN线接地，属三相四线制系统 。按PE线的形式又分为TN-C系统、TN-S系统和TN-C-S系统三 种： （1）TN-C系统 TN-C系统不适 用于安全要求较 高的场合。 （2）TN-S系统 由于N线和PE线完全分开，PE线上没有电流流过，不会产生 电磁干扰。而且PE线断开时，不会使设备的外露可导电部分 带电，比较安全，所以这种系统也适用于安全要求较高的场 合。由于N线和PE线完全分开，消耗的材料较多，成本高。 （3）TN-C-S系统 这种系统的前面部分为TN-C系统，后面部分为TN-S系统，它 是TN-C系统和TN-S系统的组合，兼有TN-C系统和TN-S系统 的优点，对安全要求较高和对抗电磁干扰要求较高的场所，采 用TN-S系统，其他场所采用TN-C系统。这种系统比较灵活。 2. TT系统 TT系统的电源中性点直接接地，与TN系统一样，也从中性点 引出一条中性线（N线），用以通过三相不平衡电流和单相相 电流，但设备的外露可导电部分则经各自的PE线单独接地。由 于各设备的PE线之间没有直接的电气联系，互相之间不会发生 电磁干扰，适合于对抗电磁干扰要求较高的场合。 这种系统中必须安装灵敏的漏电保护装置 IT系统的电源中性点不接地，或经高阻抗（约1000） 接地，没有中性线，所有设备的外露可导电部分经各自 的PE线单独接地 3. IT系统 这种系统主要用于对连续供电要求较高，或对抗 电磁干扰要求较高及有易燃易爆危险的场所。 我国电力系统标称频率（工频）为50Hz。在电力系统正常频率 偏差允许值为0.2Hz，电网装机容量在300万kW以下的，偏差 值可放宽到0.5Hz。 1）供电频率和频率偏差 5、 供电质量要求 正常运行情况下，用电设备端子处的电压偏差允许值应符合下列 要求 2）电压偏差及其允许值 （1）电动机 规定为5%。 （2）电气照明 在一般工作场所为5%；对于远离变电所的小 面积一般工作场所、难以满足上述要求时，可为+5%、10%； 应急照明、道路照明和警卫照明等为+5%、10%。 电气设备只有在额定电压下运行才能获得最佳的经济效果。例 如白炽灯，如果电压偏高，则光效高，但其使用寿命将大大缩 短；如果电压偏低，则光效严重下降，照度明显降低。 电压波动是指电网电压的快速变动或电压包络线的周期性快速变 动。 3） 电压波动和闪变 电压波动是由于电网中存在急剧变动的冲击性负荷（如电动机 的起动等）引起的。负荷的急剧变化，使电网的电压损耗相应 变动，从而使用户公共连接点的电压了现波动现象。 电压波动会引起灯光的闪烁，严重影响视觉。电压波动还会影响 电动机的正常起动，严重时可能使电动机无法起动。 闪变是指人眼对灯闪的主观感觉。闪变是由于照明灯的端电压出 现电压波动而引起的。 4）电网谐波 电力系统中的三相交流电压，一般可认为是50Hz的正弦波。但由 于系统中存在各种非线性元件，会使线路中出现谐波，使电压或 电流波形发生畸变。谐波对电气设备的危害很大。例如谐波通过 变压器，将使变压器的铁芯损耗明显增加，使变压器铁芯过热， 使用寿命缩短。 5. 三相电压不平衡 在三相供电系统中，如果三个相电压或电流幅 值或有效值不等，或三个相电压或电流的相位差 不为120，则称此三相电压或电流不平衡或不对 称。 三相不对称主要是由系统运行参数不对称、三相用电负 荷不对称等因素引起的。供电系统的不对称运行，对用 电设备及供配电系统都有危害，低压系统的不对称运行 还会导致中性点偏移，从而危及人身和设备安全。 工业供配电系统 1、电力负荷及其计算 电力负荷是指用电设备或用电单位所消耗的电功率或电流的大小。 电力负荷分为以下三级 一级负荷：是指中断供电将造成人身伤亡者；或中断供电将在 政治、经济上造成重大损失者。 二级负荷：是指中断供电将在政治、经济上造成较大损失 者，或者造成公共场所秩序混乱者。 三级负荷： 所有不属于一级和二级负荷者都属于三级负荷。 用电设备的工作制 工厂的用电设备按其工作制分为以下三类： 连续工作制： 这类设备在恒定负荷下长期连续运行 ，负荷比较稳定。 短时工作制： 这类设备的工作时间较短，而停歇时 间相对较长。 断续周期工作制： 这类设备周期性地工作、停歇，如 此反复运行。 计算负荷是指用统计计算求出的、用来按发热条件选 择供配电系统中各元件的负荷值 三相用电设备组计算负荷的确定 负荷计算方法有：需要系数法、二项式系数法、利用 系数法 1. 用需要系数法确定计算负荷 需要系数法就是将用电设备的设备容量乘以该设备的需要系数 ，所得结果即是计算负荷。 例: 某车间的金属切削机床组，拥有电压为380V的三 相交流电动机15kW的2台，7.5kW的5台，4kW的10台 ，1.5kW的12台。试求其计算负荷。 解 : 该机床组的设备总容量为 查表得：“小批量生产的金属冷加工机床电动机”的 取0.2；，求得，从而可求得 2. 多组用电设备计算负荷的确定 确定拥有多组用设备的干线上或车间变电所低压母线上的计算负 荷时，先将性质相同，且具有相同需要系数和功率因数的用电设 备分组，求出每组用电设备的计算负荷。同时，考虑到各用电设 备组的最大负荷一般不同时出现，将各用电设备组总的有功计算 负荷、无功计算负荷分别乘以一个同时系数 ， 一般取0.71。即多 组用电设备总计算负荷为 3 . 按二项式法确定三相用电设备的计算负荷 用二项式法确定三相用电设备的计算负荷的基本公式为 式中b、c为二项式系数 为为用电设备组电设备组 的平均负负荷, 为为用电设备组电设备组 的设备总设备总 容量 为为x台最大容量设备设设备设 入运行时时增加的附加负负荷， 为为x台最大容量设备设备 的设备总设备总 容量， 各组设备中最大的一组附加负荷 各组平均负荷 为各组的平均有功负荷之和 为为各组组有功附加负负荷中的最大值值 为各组的平均无功负荷之和 各组无功附加负荷中的最大值 最大附加负荷设备组的平均功率因数角的正切值 采用二项式法确定多组用电设备的总计算负荷时，也应考虑 各组设备的最大负荷不同时出现的因素 4. 4. 单相用电设备组计算负荷的确定单相用电设备组计算负荷的确定 在实际应用中，除了三相设备外，还有许多的单相设备， 如电炉、照明灯等。当有多台单相设备时，应将它们尽可能地 均匀分配，力求三相负荷平衡 当单相设备的总容量不超过三相设备总容量的15%时，不论单 相设备如何分配，均可按三相负荷平衡计算；如果单相设备的 总容量超过三相设备总容量的15%时，则应将单相设备容量换 算成等效三相设备容量，再与三相设备一起计算。 单相用电设备换算为三相等效设备容量的方法如下： （1）单相设备接于相电压时 当单相设备接于相电压时，等效三相设备容量 应按最大负 荷相所接单相设备容量 的3倍计算。 （2）单相设备接于同一线电压时 当容量为 的单相设备接在线电压上时，其等效的三相设备容量为 （3）当单相设备既有接于线电压又有接于相电压时 此时，首先应将接于线电压的单相设备容量换算为接于相电压 的设备容量，然后再分相计算各相的设备容量，取最大负荷相 设备容量的3倍作为等效的三相负荷容量。 2 2、 低压配电线路的接线方式低压配电线路的接线方式 1. 放射式接线 这种接线方式是由变压器低压母 线上引出若干条回路，再分别配 电给各配电箱或用电设备。其特 点是：其配电引出线发生故障或 检修时互相不影响，供电可靠性 较高，但变电所低压侧引出线多 ，有色金属消耗量大，采用的开 关设备也较多。放射式接线方式 多用于设备容量较大或对供电可 靠性要求较高的场合。 2