供电技术2B.ppt

供电技术2009 9 第三讲 2 3用户变电所一 变电所的作用与组成企业供电系统是由外部送电线路提供电能的 用户变电所的作用就是向用户分配电能 电压水平的计算和变压器分接头选择 导线和电缆截面构选择 供电电源的数量和容量的确定 网路的电压和结线方式的选择 用户变电所是由企业总降压变压器 企业内部高低压网路和车间变电站所组成 实际上根据企业大小并非所用户的供电系统是统一模式 求得计算负荷后需要解决以下问题 企业供电系统的外部送电线路 这是企业与电力系统相联络的高压进线 从电力系统受电 向企业总降压变压器供电 电压范围 6 110KV 低压配电网路 从车间变电站以380 220V的电压向各车间各用电设备供电 企业内部高压网路经过一次降压 以6 10KV电压向车间变电站或高压设备供电 1 总降压变压器 进线为高压 用电设备绝大多数为低压 必须通过变压器降压 变压器降压程式 来自电网的电压 若跨越省市地区的 通常为35 100kV 若市区内部的 通常为6 10kV 2 高低压开关用以电能控制与分配以及监视与保护 工业企业供电系统与电力系统比较其特点是供电范围小 配电距离短 输送容量小 但电网概念很相似 计算方法也相似 工业企业电力网络的基本要求 其他 配电系统既要考虑正常生产时的负荷分配 也要考虑检修和检查事故时的的负荷分配 运行经济 尽量简化电力网络的结线 减少供电层次 操作简便 运行安全灵活 不间断供电的可靠程度 根据不同电荷级别进行投入 供电可靠性 在技术经济合理的前提下 应尽量采用高压线深入负荷中心 工厂变电所是企业供电的核心 是否需要建立总降压变电所和配电所和建立变电所的数量取决于外部电源到工厂的距离 工厂总负荷和车间的分布情况 各自相对位置 二 变电所的设置 1 总降压变电所和总配电所 如果负荷不大的小型企业可将总配电所与某个车间变电所合并扩充为变配电所 进线电压为35kV以上 一般考虑设置变电所 如果厂内没有高压设备 可以不设置总降压变电所 采用35 0 4kV变压器直接供电 变电所用户供电系统的核心 变电所的设置取决于企业厂房的布局 负荷分布 相对位置等因素 可以设置1 2台变压器 进线电压为10 6 kV以上 一般考虑设置变电所 如果厂内有多台高压设备 可以设置总配电所 思考 弄清变电与配电的区别 2 车间变电所 10或6KV 是否要设置车间变电所主要取决于车间之间的距离 车间之间的联动要求和经济效果 车间负荷小时 可以考虑合建一个车间变电所 车间负荷较大时 可以考虑建立独立车间变电所 连带附近零散负荷 车间负荷很大时 可以考虑一个建立几个车间变电所 三 变电所位置的确定 动力负荷 照明负荷 基本原则 接近负荷中心 有色金属材料消耗少 线路电能损耗少 另外还适当考虑周边环境的影响 进出线 设备运输的方便 确定负荷中心的负荷指示图根据厂房布局 列出负荷位置 负荷容量 负荷性质 1 总降压变电所或总配电所 根据不同电压与负荷性质 按照负荷大小 采用作图比例表示负荷规模 有色金属消耗的体积量 在全厂负荷分布图上任选一个坐标点 x y 作为变电所位置 负荷圆直径 负荷圆的计算公式 求有色金属消耗的体积量 令 按上述公式计算出变电所位置 有色金属消耗最少 功率损耗最小 计算示例 已知 x1 0 42km y1 0 84km x2 0 96km y2 0 64km 求 变电所的位置 解 将已知参数代入公式 2 10 6 KV变电所这类变电所的位置应深入到低压负荷中心 故受到生产工艺和建筑的约束 进出线与运输的便利性 有几种类型 1 独立变电所 2 附设变电所 3 箱式变电所 4 地下变电所 缺点是投资大 通风不良 但有利于防空 民用建筑多采用此方式 常见于居民住宅区 广场 路灯等场合 优点 灵活 体积小 占用土地少 在受到厂房限制 又力求接近负荷中心 而利用厂房墙壁或钢梁进行设置 受到环境局限 负荷比较分散时考虑的方式 四 变压器的选择 变压器的台数 变压器的过载能力和经济运行是变压器的选择中需要棕合考虑范畴 一 变压器的过载能力正常运行时 变压器负荷不应超过额定容量 但是变压器并非总是在最大允许的负荷下工作 在不下降寿命指标时具有一定的短期超负荷能力 有两种超负荷运行现象 若在夏季最大运行负荷小于变压器额定容量 每降低1 则在冬季可过负荷1 但最大负荷 15 通常夏季处于低负荷运行 冬季允许一定的过负荷运行 温度是决定负荷大小的重要因素 因为温升太高容易引起绝缘加速老化 1 正常过负荷 表2 2给出填充系数 最大负荷持续时和允许过负荷百分比的关系 变压器昼夜负荷而允许的过负荷是由变压器日运行负荷曲线的填充系数和最大负荷持续时数所决定 某台变压器最大负荷100KVA 昼夜平均负荷为68KVA 则填充系数0 68 按0 7查表 变压器可在超载17 情况下连续运行2小时 下表给出变压器允许的事故急救过负荷数值和时间表3 3列出变压器允许的事故负荷数值与时间 2 事故急救过负荷变压器正常过负荷情况下 绝缘老化的自然损坏率的80 余量20 是为了满足急救过负荷而储备 当供电系统发生故障或并列运行变压器中一台发生故障运行时 另运行变压器一台可在急救过负荷下运行一段时间 二 变压器的经济运行 磁损耗 由于主磁通 m在变压器内的有功和无功损耗 m仅与外加电压有关与负荷电流无关 所以磁损耗是一个常数 电损耗 指负荷电流在变压器绕组中产生有功功率损耗 P和无功功率损耗 Q 变压器的功率损耗可归纳为磁损和电损 电力变压器的功率损耗概念 变压器的经济运行条件 有功损耗最小 此时的电能损耗最小 运行费用最低 变压器是变电所主要耗电设备 当变电所装有两台以上变压器时 经常需要投入或切换 那么变电所的经济运行性能就是指变压器的损耗最小的运行方式 1 变压器的台数的选择原则 1 车间变电所 特殊场合可选用多台变压器 如井下变电所遇到运输不方便 空间 当车间负荷昼夜变化大向几个负荷曲线差异明显的车间供电 用一台变压器不经济 可以考虑采用两个容量一大一小的采用两个电源变压器 如果车间一二级负荷比重大则必须采用两个电源变压器 当出现故障时可以通过联络线互相切换 保证不断电 一般生产车间尽可能用一台变压器 2 企业总降压变电所 明备用 每台变压器按100 负荷来选择 其中一台工作 另一台备用 暗备用 正常运行时 两台变压器各承担50 负荷但按70 80 负荷计算 3 两个变压器互为备用的方式 企业大多数负荷为三级负荷 可装设一台变压器 如企业一二级负荷比重大 则必须采用两个变压器 以做备用 防止一台变压器出事故或检修时另一台变压器继续承担一二级负荷 分期建设的大型企业 存在会引起电网严重波动的设备可以增设专用变压器 使得变压器台数增加 2 变压器的容量选择变压器的额定容量是指在规定的环境温度下 露天装设的变压器在正常使用期限内所能持续输的容量 Kv A 根据国家 GB1094 79 标准规定国产变压器的使用环境温度 30 40 使用寿命25年 变压器的使用寿命取决于绝缘的老化程度 这和环境温度的变化以及负荷大小有密切关系 变压器容量选择首先满足计算负荷下能长期可靠运行单台变压器 两台并列运行变压器 SNTi 变压器额定容量 Sc1 Sc2 一级 二级负荷的计算负荷 2 20某工厂35kV总降压变电所 拟选用两台等容量变压器 已知工厂总计算负荷为5000KVA 其中一 二级负荷容量为3000KVA 试选择变压器的容量 解 根据 2 36 公式 其中 Sc1 Sc2 3000KVA 在并列运行时 暗备用 按全部最大容量的70 来考虑 则选择变压器的容量 所以每台变压器的容量 5000 70 3500KVA 符合规定 五 变电所主要电气设备及其作用 2 高压开关的二次电气设备 包括开关的操作控制系统 继电器保护系统 测量与通信系统 为了便于维修 必须用配电开关把各馈出线用开关柜分列 3 配置各用电设备的馈出线及相应操作开关 2 操作安全 供电安全 设备安全 根据变电所的功能 1 灵活的负荷控制与配置 1 高电压开关柜为变电所的主要一次电气设备 变电所的电气设备分为一次设备和二次设备 高压开关是指用于电力系统发电 输电 配电 电能转换和消耗起通断 控制或保护等作用 主要包括高压断路器 隔离开关与接地开关等 高压自动重合与分段器 高压操作机构 高压防爆配电装置和高压开关柜等几大类 高压断路器 隔离开关 降压变压器 电流互感器 避雷器 1 高压开关柜 关于电弧与灭弧 在了解开关电器的结构和工作情况之前 首先来看看其是如何产生和熄灭的 作用 电弧是高温高导电率的游离气体 它不仅对触头有很大的破坏作用 而且使断开电路的时间延长 产生 电弧当用开关电器断开电流时 如果电路电压不低于10 20伏 电流不小于80 100mA 电器的触头间便会产生电弧 在两极间产生强烈而持久的气体放电现象 叫电弧 开关触头分离时 触头间距离很小 电场强度E很高 E U d 当电场强度超过3 106V m时 阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头空间的自由电子 这种游离方式称为强电场发射 触头间电弧燃烧的间隙称为弧隙 电弧形成后 弧隙间的高温使阴极表面的电子获得足够的能量而向外发射 形成热电场发射 同时在高温的作用下 电弧中心部分维持的温度可达10000 以上 两个电极在一定电压下由气态带电粒子 如电子或离子 维持导电的现象 激发试样产生光谱 气体中性质点的不规则热运动速度增加 当有足够动能的中性质点相互碰撞时 被游离形成电子和正离子 该种现象称为热游离 气体电弧的电极之间有明亮的斑点 温度足以将触头金属材料汽化 热游离度大 电流密度大 104A cm2 电位梯度分阴极区 阳极区 弧柱区 危害 灭弧方法 在开断电路的瞬间 燃弧时间在0 20ms内 将电弧熄灭 主要目的是将能导电的弧柱间隙转换为能耐压的绝缘间隙 1 用机械的方法拉长电弧 2 用金属片将电弧分割成很多串联的短弧 提高冷却条件 非控制下產生的电弧对输电系统 配电系统以及电子设备造成损坏 例如 在配电线路中 开关触点间产生的电弧会融化开关触点 因此在电气系统中力求防止 或者消除电弧 3 用磁场将电弧赶到耐弧材料中进行冷却 4 借助外力 用高速流体吹弧 2 高压断路器 开关 常见的断路器 油断路器 空气断路器 SF6断路器 正常运行时用于通断负荷电流 线路故障时 用来切断短路电流 断路器应具备灭弧能力 少油断路器 将灭弧室和触头安装在瓷套等绝缘筒内 a 油断路器 b 空气断路器在持有触头的灭弧室里利用喷口将外部的压缩空气约束成气流 使之产生高速气体 在触头分离瞬间吹走电弧能量 空气断路器的绝缘与开断性能较好 但结构复杂 c 真空断路器作为断路器 用于发电机保护断路器的特大容量真空断路器 短路开断电流高达63 80kA 标准型真空断路器 短路开断电流25 50kA 经济型真空断路器 16 25kA 频繁型真空断路器 操作次数5 6万次 真空断路器发展很快 的原因很多 但有两条是基本的 真空灭弧室技术的进步 是操动机构技术的进步 真空灭弧室是真空断路器的心脏 触头材料从CuBi转变成CuCr 提高了开断能力 并降低了截流值 同时磁场从横磁场转向纵磁场 提高了开断能力 减少了触头的烧损 c SF6断路器利用六氟化硫 SF6 气体作为灭弧介质和绝缘介质的一种断路器 简称SF6断路器 六氟化硫用作断路器中灭弧介质始于20世纪50年代初 由于这种气体的优异特性 使这种断路器单断口在电压和电流参数方面大大高于压缩空气断路器和油断路器 在60 70年代 SF6断路器已广泛用于超高压大容量电力系统中 80年代初已研制成功363千伏单断口 550千伏双断口和额定开断电流达80 100千安的SF6断路器 2 负荷开关 负荷开关 顾名思义就是能切断负荷电流的开关 要区别于高压断路器 负荷开关没有灭弧能力 不能开断故障电流 只能开断系统正常运行情况下的负荷电流 负荷开关由此而得名 负荷开关的构造与隔离开关相似 只是加装了简单的灭弧装置 它也是有一个明显的断开点 有一定的断流能力 可以带负荷操作 但不能直接断开短路电流 如果需要 要依靠与它串接的高压熔断器来实现 3 隔离开关 4 根据不同结构类型的具体情况 可用来分 合一定容量变压器的空载励磁电流 3 可用来分 合线路中的小电流 双母线换接时的环流等 2 根据运行需要 换接线路 1 分闸后 建立可靠的绝缘间隙 以保证检修人员和设备的安全 刀闸的主要特点是无灭弧能力 只能在没有负荷电流的情况下分 合电路 主要作用是 隔离开关是高压开关中使用最多的一种电器 它本身的工作原理及结构比较简单 但使用量大 可靠性要求高 对变电所 电厂的设计 建立和安全运行的影响均较大 4 高压熔断器 在过负荷或短路时 切断线路 保护系统避免损坏扩大 5 电流互感器 将主回路中的大电流变换成小电流 供计量和继电保护 6 电压互感器 将主回路中的高电压变换成低电压 供计量和继电保护 7 避雷器 抑制雷电过电压和操作过电压 用于保护电气设备免于受损 8 静电电容器 又称电力电容器作用 补偿功率因数 9 变电所用的变压器 提供变电所内的动力 照明和操作所需的电源 降压是它的主要任务 升压仅发生在发电厂送电到电网的环节 10 变电所用的母线 母线是汇集和分配电流的主要环节 由钢芯铝绞线 户外 35kV及以上 或矩形铝 或铜 导线 2 4变电所的电气主接线 经济 尽量减少初期投资和年运行费用 灵活 利用最少的切换适应不同的运行方式 可靠 满足各级负荷的不中断供电要求 安全 设备安全和人身安全 必须按照国标规定和设计规范正确选择电气设备和正常情况下的监视和故障情况下的保护系统 主接线图 又称原理接线图 表示电能由电源分配给用户的主要电路 对变电所的电气主接线基本要求 安全 可靠 灵活 经济 一 主接线及其要求 三 母线制 缺点 可靠性和灵活性差 母线或连接于母线上的任意开关发生故障或检修时 都将影响全部负荷用电 优点 结构简单 1 单母线制 只有一路进线 母线制指变压器或电源进线与各条馈出线之间的连接方式 其作用是 从电源接受电能 给各条馈出线分配电能 母线 从变电所的变压器或配电所的电源进线到各条馈出线路之间的电气主干线 2 单母线分段制 缺点 某分段的母线 母线分段开关有故障时 供电功率下降部分用户停电 进行修理时该段用户失去备用 优点 当双回路供电时 一条回线或一段母线故障不影响另一条母线的正常供电 检修时不会引起全部负荷中断 有二路进线 母线分段用开关隔离 除了需要带负载操作或继电保护和自动装置要求时 需要采用熔断器之外 可以只采用隔离开关 3 双母线制 适用于特别重要的负荷 采用单母线制也满足不了可靠性时才使用 双母线制的缺点 设备复杂 造价高 双母线制的优点 1 轮流检修母线并不会中断供电 2 工作母线发生故障时 通过备用母线可以迅速恢复供电 四 总降压变电所的主接线35 110 6 10kV总降压变电所的主接线有两类 线路 变压器组方式 桥形接线方式 图 a 变压器两侧均设有断路器 若变压器内部发生故障时 继电保护装置驱动QF1跳闸 变压器二次侧母线发生故障时 继电保护装置驱动QF2跳闸 隔离开关QS1 QS2和熔断器在检修时断开 图 b 与 a 不同处是电源侧去掉断路器 若变压器内部发生故障时 必须继电保护装置驱动执行 并且隔离开关QS1是可以在空载时拉闸 省去QF1为了减少造价 但必须满足以下条件 1 变压器由专用电源供电 2 供电线路短 上级变电所具备继电保护装置 3 变压器容量小 允许隔离开关空载时拉闸 图 c 适用直接降压变电所 35 0 4kV 它增加一台熔断断路器而减去一台空气断路器和隔离开关 主要造价低 变压器的过电流和内部发生故障由跌落式熔断器保护 低压母线发生故障时 由变压器二次侧断路器跳闸保护 1 线路 变压器组方式 在双回线路 变压器组接线中某一路元件之一若发生故障时则同一路的其他元件也不能工作 所以发生故障时线路和变压器得不到充分利用 2 桥形接线方式 桥形接线分内桥和外侨 共性为一次侧进线用桥臂相连 处在短路器之下称内桥 处在短路器之上称外桥 运行原理 如果变压器T1故障时 可以切除T1 l1 l2可以并联 减少线耗 如果l1故障时 则切除l1 用l2同时向T1 T2供电 充分利用变压器并减少变压器能耗 内桥 外桥 五 10 6 kV配电所的主接线只有在大中型企业才设置配电所 属于厂内电能中转站 10 6 kV配电所接受电源或总降压变电所的电能并分配给各馈出线的用户 每个配电所的馈出线有4 5回路 在配电母线上常设有电压互感器 避雷器 静电电容器 变压器等 配电所的配电母线是单母线或单母线分段制 1 10 6 kV馈出线 馈出线的常用接线方式如图 a 适用于向负荷大或需要频繁操作的下一级配电所或高压用电设备配电 如变压器 电动机 电炉 并联电容器等 反之适用于向负荷较小的则按图 b 图 c 图 d 均为负荷小的馈出线 六 车间变电所的主接线常用方案车间变电所线路的特点是 线路短 要考虑环境美化 配用电缆为主 图 a 变压器高压侧不设开关 操作与保护由上位变电所实现 低压侧母线故障由低压侧断路器保护 图 b 图 c 当需要在车间变电所操作空载变压器 当车间变电所由架空线供电时 变压器容量 630kVA选用图 a 图 b 变压器容量较大时 选用图 c 车间变电所低压馈电线必须满足安全隔离 短路和过流保护 图 a 图 b 图 c 适用于非频繁操作的线路 图 d 图 e 图 f 适用于频繁操作的线路如交流接触器控制的电动机等 线路中刀开关起隔离电源的作用 低压短路器和熔断器起过流和短路的保护作用 热继电器起过流的保护作用 2 6高低压配电网 图 a 单回路放射式 适用于容量大 分散型三级负荷 特点 配电母线上每条馈出线仅给车间变压器 高压电动机 高压配电所的配电母线等设备单独供电 配电线路通常采用电缆 1 放射式 用户供电系统主要为10 6 KV高压配电网和380V低压配电网 常用的典型配电方式有 放射式 树干式 环式 一 配电网的接线方式 图 b 双回路放射式 适用于容量大的设备和车间变电所 图 c 带有公共备用线路的放射式 适用于比较分散的二级负荷 适用对象 容量大 用电分散的三级负荷 一 二级负荷可采用双回路放射式供电 缺点 一旦线路或开关发生故障 该回路供电中断难以恢复 线路多 高压开关多 造价高 优点 供电可靠 继电保护简单 便于自动化 运行简单 2 树干式 缺点 可靠性差 每条线路连接的变压器不宜超过3台 总容量不宜超过3000Kva 为满足重要符合的需求 可以运用双树干配电方式 优点 馈出线回路少 简单 投资少 特点 一条配电线路走线T接多个用户 通常采用空架线 适用三级负荷 环式 这是树干式的另一种形式 但是可靠性提高了 运行灵活了 可以对付二 三级负荷 当环中任意点发生故障 只要经过短时 倒闸操作 拉开故障点两侧隔离开关就可以全部恢复供电 三种配电方式各其特点 应结合实际情况分析 确定设计方案 2 6高低压配电网的结构和导线截面选择一 电网的结构 普通的电网线路是户外架空线和电缆 架空线 一般采取裸线形式 其电网线路导线的选择应考虑载流能力和机械强度 导线常用的材料 铜 铜锡合金 铝 铝合金和钢等 简单 成本低 因暴露在空中 容易维护 利用空气作绝缘 方便施工 但是架空线占据空间多 影响厂区美观 架空线 按照供电电压与用户的重要程度 架空线路分三级 铜 导电性好 抗腐蚀能力强 焊接性好 但造价高 铝 导电性不如铜 但造价明显低 产量大 而铝不易焊接 抗拉性差 为了提高机械强度可以采用钢性铝线 电缆 1 直接埋地 2 敷设在混凝土内 3 敷设在电缆沟中 敷设方法对散热影响大 实际载流能力必须根据敷设方法乘以必要的修正系数 上述的电缆敷设方法通常指的是室外条件 而室内电缆敷如车间内的电缆敷设可以沿墙或桥架 近年来汇线桥架应用广泛 汇线桥架结构简单 安装灵活 类型多 可任意走向 导电部分和绝缘部分一体化 结构问题归结为敷设方法 可以管道暗敷 本身有较好的绝缘包皮 占地空间少 但是缺乏架空线的优点 二 供电线路的电阻和电抗1 电阻按物理原理 r0 导线单位长度的电阻 供电技术中导线单位长度的电阻 高压为 km 低压为 m 3 温度对电力线路的电阻影响 2 电力线路的实际截面积略小于标称截面积 1 电力线路多由绞线制成 实际长度是外形长度的1 02 1 03倍 导线材料的电阻率修正 2 电抗 Dav三相导线的平均距离 cm r 导线的外径 cm r 导线材料的相对磁导率 如有色金属的 r 1 导线电抗与导线的几何尺寸 三相导线的排列方法及相间距离有关 简化式 参见附录表10 11 12 13 导线单位长度的电抗 关于三相线间距当导线排列不对称时 各相导线电抗实际数值不等 会引起各相电压降不等 消除此现象架空线的各相需要换位 电抗与导线截面积大小影响不大 三相电缆间距小感抗也小但容抗增加 三相线是平行布线的 三相线间距的确立主要服从相线之间的绝缘性 三相线间距对导线的感抗有影响 三 导线截面的选择导线截面的选择应从安全运行原则出发 落实到满足机械强度和最高允许温度以及允许电压损失三个方面 一 导线与电缆的发热及其允许电流设有持续电流I A 通过电阻R 的导体 则在导体上产生的功耗 功率损耗变换成热能 一部分热量被导体吸收 另一部分热量与周围环境介质存在温差而散发 最后达到热平衡 其中 G 导体的重量 kg c 导体的比热 J kg d 导体在dt时间内的温升 Ks 散热系数 W cm2 F 导体的散热面积 cm2 导体高出环境介质的温升 解微分方程 导体的散热时间常数 导体的稳定温升 本身不再吸热 导体的温升为曲线1 在自稳定温升停止加热则温升下降为曲线2 若导体的稳定温升 w已知 可根据 w的关系式求出其允许持续电流Iy 2 7用户供电系统的电能损耗与节约节能减排是当前基本国策 电能节约通常是从电力系统的用户中考虑 采用科学的方法对特定的供电系统进行理论分析 计算出电能损耗与消耗 提出提高用电效率的措施 一 电能节约的途径1 降低能量转换的损耗2 提高电能传输效率3 提高用电设备的功率因数 二 供电系统的电能损耗与节约供电系统中的电能损耗来自变压器和线路供电系统中的节约立足于变压器和线路的经济运行 供电系统中的负荷调配与功率因数补偿 1 变压器的电能损耗与经济运行 1 变压器的功率损耗有功功率损耗无功功率损耗 P0 T 空载有功功率损耗 Q0 T 空载无功功率损耗 PCu N T 额定负载有功功率损耗 QN T 额定负载无功功率损耗 Sc 计算负荷 SNT 额定容量 铭牌参数计算 2 变压器的电能损耗固定损耗