第三章-供电系统

《工厂供电技术》高等教育出版社第三章

供电系统内容提要：本章介绍了供电系统的组成以及供电系统电压的选择，变电所接线方式。第一节供电系统概述3.1工厂供电系统概述1、工厂供电系统

工厂供电系统是指从工厂所需电力电源线路进场起，到厂内高低压用电设备进线端止的整个供电系统。第二节供电系统电压的选择3.2供配电电压的选择

(一）一个集中负荷线路的电压损失

每相电压损失：△Uφ＝UA-UB线电压损失：

△U一、线路电压损失供配电电压的高低对供电系统方案、电能质量、电能节约及有色金属消耗等有重大影响。线路电压损失是选择电压等级时要考虑的一个主要因素。电压损失的百分值：（二）带多个集中负荷线路的电压损失

总的电压损失：

若以各负载功率来计算，则公式变换为：

若线路全长采用同一截面的电线或电缆,则：由于受导线截面的限制和线路电压损失的要求，每一标称电压下线路的输电能力是有限的。

通常用户供电系统所用的导线最大标称截面为240mm2，其承载电流的能力限制了某一电压下输送功率的大小。对截面为A的导线，设在满足经济性条件下其可承载的最大电流为Imax，则其可输送的最大功率为：按线路电压损失要求(一般不应大于5％)，在额定电压UN下，对某一截面导线的负荷矩限制如下：二、电压与负荷容量和输送距离的关系1、供电电压的选择输送功率一定情况下，若提高供电电压，就能减少电能损耗，提高用户端电压质量。若本地具有两种以上的电源电压可供选择，应按照一下原则选择：负荷大小和距离电源远近（负荷距）

考虑有关因素：①用电设备对电压的要求；②负荷的均衡度；③功率因数高低；④导线截面积；⑤年折旧费及贷款利息；⑥电价制度；三、电压的选择2、工厂高压配电电压的选择该地区原有电源电压的条件及工厂可能获得的第二备用电源电压；工厂高电压电动机及其他高压用电设备的电压等级、数量及分布情况；3、低压配电电压的选择1000V以下的电压，除非因为安全所规定的特殊电压外，对于供给用户直接使用的交流动力及照明电压，我国是380／220V。对于矿山和油田等特殊场合，由于负荷分散，供电距离长，为了保证电压质量，动力用电可采用660／380V或1140/660V。电力用户可由多种电源供电，以满足不同设备对电力和供电可靠性的需要。直接来自电力系统的电源是绝大多数电力用户的主要电能来源，它为用户提供了满足长期稳定持续供电需要的大宗电能，属于正常电源。除正常电源外，用户根据需要可以设置一些应急电源，以备正常电源故障中断时的急需之用。譬如，独立于正常电源的备用发电机组、独立于正常电源的备用馈电线路、蓄电池组、不间断电源（UPS）等。四、电源的选择各级用电负荷的供电电源和供电方式，应根据负荷对供电可靠性的要求和地区供电条件，按下列原则考虑确定：（1）一级负荷应由两个独立电源供电，有特殊要求的一级负荷，两个独立电源应来自两个不同的地点。两个供电电源应在设备的控制箱内实现自动切换，切换时间应满足设备允许中断供电的要求。除正常电源外，还需增设应急电源。（2）二级负荷应由两回线路供电，并可在配电装置内实现切换，当一回线路故障时，应不影响另一回线路供电。当负荷较小或取得两回线路有困难时，可由一回专用线路供电。小容量负荷可以采用一路电源加不间断电源，或一路电源加设备自带的蓄电池组在末端实现切换。（3）三级负荷对供电方式无特殊要求，但在不增加投资或经济允许的情况下，也应尽量提高供电可靠性。第三节变电所的设置和变压器的选择3.3变电所的设置和变压器的选择变配电所的任务变电所：受电、变压、配电的任务配电所：受电、配电的任务变电所的类型工厂变电所：总降压变电所车间变电所：车间附设变电所车间内变电所一、变电所位置的选择变电所位置的确定（1）变电所位置选择的原则变配电所的位置应接近负荷中心以减小低压供电半径、降低电缆投资、节约电能损耗、提高供电质量；进出线方便；设备运输方便；接近电源侧；并注意防尘、防腐、防水、防火、防爆等；不应设在有爆炸危险环境的正上方或正下方，且不宜设在有火灾危险环境的正上方或正下方；保证供电安全，便于今后发展;负荷指示图注：1．圆中带斜线者为动力负荷，不带斜线者为照明负荷

2．分线值为示例，分子为动力负荷，分母为照明负荷负荷分布示意图

(2)确定负荷中心的方法

负荷指示图负荷指示图是将负荷按一定的比例，以负荷圆的面积表明负荷大小的图形。负荷圆半径为：

式中:n为负荷圆的比例系数，单位为kW／mm2。根据全厂各车间的负荷图，可以直观地确定工厂的负荷中心的位置。结合位置选择原则，拟定几个方案，择优选择变电所位置。

负荷功率矩法这是一种近似定量的计算方法，以负荷圆的圆心为负荷点，用求物体重心的方法确定负荷中心。图11.3.1所示为3个负荷点的负荷矩示意图。有功功率P1～P3分布于直角坐标系中，一般负荷中心为：因此，总负荷中心为P(x,y)。

3个负荷点的负荷矩示意图负荷电能矩法负荷矩法也称静态负荷中心计算法，它只考虑负荷的容量和位置，如再考虑各负荷点的工作时间，便成为用电能矩法确定负荷中心的方法：总降压变电所数量应尽可能的少，尽可能的只设一个变电所，这样投资少又便于管理。对于企业中一级、二级负荷所占比重大，或虽为三级负荷，但负荷容量大而集中的变电所，应装设两台变压器。对于第三级负荷供电的总降压变压电所，或者有少量一、二级负荷，可知装设一台变压器，其额定容量SN满足：

SN>S30二、总降压变电所的设置（1）车间变电所的主要类型独立变电所具有独立完整的变电所建筑。附设变电所附设变电所利用厂房一面或两面墙壁建造，如下图所示。当厂房生产面积有限、生产环境特殊或因生产工艺要求设备经常变动时，宜采用外附式，否则应采用内附式箱式变电所箱式变电所集配电变压器和开关电器于一体，装配在箱内，整体可独立置于户外，具有体积小、安装灵活、无需建筑等特点，适用于小型工业企业、居民小区、广场和道路照明等场合。地下变电所地下变电所设于地下，通风不良，投资较大，用于有防空等特殊要求的场合，此外，民用高层建筑的变电所常设置在地下室内。

三、车间变电所的设置和所中变压器的选择车间变电所的类型

1、2内附式，3、4外附式，5车间内式，6露天或半露天式，7独立式，8杆上，9地下式，10楼上式（2）变电所主变压器台数的选择选择主变压器台数时应考虑下列原则：

应满足用电负荷对供电可靠性的要求。对供有大量一、二级负荷的变电所，宜采用两台变压器，当一台变压器发生故障或检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电。对只有二级而无一级负荷的变电所，也可以只采用一台变压器，但必须在低压侧敷设与其它变电所相连的联络线作为备用电源。

对季节性负荷或昼夜负荷变动较大而宜于采用经济运行方式的变电所，可考虑采用两台变压器。

（3）变电所主变压器容量的选择只装一台主变压器的变电所主变压器容量ST应满足全部用电设备总计算负荷S30的需要，即：

装有两台主变压器的变电所每台变压器的容量ST应同时满足以下两个条件：1）任一台变压器单独运行时，宜满足总计算负荷S30的大约60％～70％的需要，即：2）任一台变压器单独运行时，应满足全部一、二级负荷S30(Ⅰ+Ⅱ)的需要，即：

3)车间变电所主变压器单台容量的选择车间变电所主变压器的单台容量，一方面受到低压断路器断流能力和短路稳定度的限制，另一方面考虑到应使变压器更接近于车间负荷中心，因此容量一般不宜大于1250kVA。

例3-1某工业企业拟建造一座10/0.38kV变电所，所址设在厂房建筑内。已知总计算负荷为1800kVA，其中一、二级负荷900kVA，COSφ＝0.8。试初选其主变压器的型式、台数和容量。

选用SCB10型10/0.4kV电力变压器。无载调压，分接头±5%，联接组别Dyn11，带风机冷却并配置温控仪自动控制，带IP20防护外壳。

每台变压器容量SNT≈0.7×1565kVA≈1096kVA，且SNT≥783kVA，因此初选每台变压器容量为1000kVA。解1.选择变压器型式因有较多的一、二级负荷，故初选两台主变压器。

无功补偿后的总计算负荷Sc＝1800kVA×0.8／0.92＝1565kVA，其中Sc（Ⅰ＋Ⅱ）＝900kVA×0.8／0.92＝783kVA。2.选择变压器台数

3.选择每台变压器的容量第四节变电所的电气主结线3.4变电所的一次接线一次接线的概念

是指由电力变压器、各种开关电器及配电线路，按一定顺序连接而成的表示电能输送和分配路线的电路，亦称主电路。

一次接线的表示

常用主接线图（主电路图）表示，是用国家标准规定的电气设备图形符号并按电流通过顺序排列，表示供电系统、电气设备或成套装置的基本组成和连接关系的功能性简图。由于交流供电系统通常是三相对称的，故一次接线图一般绘制成单线图。一、一次接线的概念及基本要求一次接线的基本要求（1）安全性：设备安全及人身安全。（2）可靠性：一次接线应符合一、二级负荷对供电可靠性的要求。（3）灵活性：用最少的切换来适应各种不同的运行方式，检修时操作简便，另外，还应能适应负荷的发展，便于扩建。（4）经济性：尽量做到接线简化、投资省、占地少、运行费用低。

1.线路—变压器组接线适用场合：变压器只有一路进线，只设一台变压器且变电所没有高压负荷和转送负荷的情况。

主要特点：一回电源进线经过一台主降压变压器供电到厂内配电母线上。二、总压降变电所的主结线线路－变压器组单元接线当用户有两回电源进线时，可采用双回线路一变压器组接线配以单母线分段制，用于对一、二级负荷供电，如右图所示。如继电保护和自动装置无要求，母线分段开关可仅设隔离开关。

图2双回线路－变压器组单元接线2.桥式接线桥式接线图a)内桥b)外桥桥形接线可用于给一、二级负荷供电。内桥接线适用于线路较长或不需经常切换变压器的情况，而外桥接线适用于供电线路较短或需要经常切换变压器的情况。桥形接线线路复杂，高压设备多，操作不便，投资大，在用户供电系统中应用很少。母线母线是从配电变压器或电源进线到各条馈出线路之间的电气主干线，它起着从电源接收电能和给各馈出线分配电能的作用。母线制是指电源进线与各馈出线之间的连接方式。常用母线制主要有三种：单母线制、单母线分段制和双母线制。三、单母线和母线分段制1、单母线制单母线制的可靠性和灵活性都较低，母线或直接连接于母线上的任一开关发生故障或检修时，全部负荷都将中断供电。图a一路电源应用：一般供三级负荷，两路电源进线的单母线可供二级负荷。图b两路电源一用一备联锁2、单母线分段制单母线分段制在可靠性和灵活性方面较单母线制有所提高，可满足二类负荷和部分一类负荷的供电要求。当双回路同时供电时，母线分段开关正常是打开的，一条回路故障或一段母线故障将不影响另一段母线的正常供电。此外，检修亦可采用分段检修方式，不致使全部负荷供电中断。单母线分段的缺点是，某分段上的母线或母线隔离开关发生故障或检修时，该段母线上的负荷将中断供电，而且电源只能通过一回进线供电，供电功率较低。单母线分段接线图3、双母线制双母线制的优点：①轮流检修母线或母线隔离开关，不致引起供电中断；②在工作母线发生故障时，通过备用母线能迅速恢复供电。双母线制的缺点：开关数目增多，联锁机构复杂，切换操作繁琐，造价高。对用户供电系统不推荐采用双母线制。双母线制10(6)kV变电所供电线路往往较短，并考虑环境美化因素，常采用电缆配电。四、10(6)kV变电所的主接线由电缆供电的10(6)kV变电所典型主接线当10(6)kV变电所由架空线供电时：

由架空线供电的10(6)kV变电所典型主接线变电所低压馈出线的典型接线方式1.只装有一台主变压器的小型变电所主电路图只有一台主变压器的小型变电所，其高压侧一般采用无母线接线。高压侧采用隔离开关－断路器的变电所主电路如图11.5.5所示。这种主电路由于采用了高压断路器，因而变电所的停、送电操作十分灵活方便。同时，高压断路器都配有继电保护装置，在变电所发生短路和过负荷时均能自动跳闸。由于只有一路电源进线，因而此种接线一般只用于三级负荷；如果变电所低压侧有联络线与其它变电所相连，则可用于二级负荷。

五、车间（或小型工厂）变电所的一次接线高压侧采用隔离开关－断路器的变电所主电路

2.装有两台主变压器的小型变电所主电路图高压侧无母线、低压侧单母线分段的变电所主电路如图11.5.6所示。这种主电路的供电可靠性较高。当任一主变压器或任一电源线停电检修或发生故障时，该变电所通过闭合低压母线分段开关，即可迅速恢复对整个变电所的供电。这种主电路可供一、二级负荷。

高压侧单母线、低压侧单母线分段的变电所主电路如图11.5.7所示。这种主电路适用于装有两台及以上主变压器或具有多路高压出线的变电所，其供电可靠性也较高。当任一主变压器检修或发生故障时，通过切换操作，可很快恢复整个变电所的供电，此电路可供二、三级负荷；有联络线时，可供一、二级负荷。高压侧无母线、低压侧单母线分段的变电所主电路

高压侧单母线、低压侧单母线分段的变电所主电路

变电所主接线图应说明：①电源电压、电源进线回路数和线路结构；②变电所的接线方式和运行方式；③高压开关柜和低压配电屏的类型和电路方案；④高低压电气设备的型号及规格；⑤各条馈出线的回路编号、名称及容量等。五、变电所一次接线的绘制第五节变电所二次接线3.5变电所二次接线一次设备

一次设备是指直接生产、输送和分配电能的设备，主电路中的变压器、高压断路器、隔离开关、电抗器、并联补偿电力电容器、电力电缆、送电线路以及母线等设备都属于一次设备。一、二次接线的概念二次设备对一次设备的工作状态进行监视、测量、控制和保护的辅助电气设备称为二次设备。变电所的二次设备包括测量仪表、控制与信号回路、继电保护装置以及远动装置等。它们相互间所连接的电路称为二次回路或二次接线。二次回路二次回路按照功用可分为控制回路、合闸回路、信号回路、测量回路、保护回路以及远动装置回路等；按照电路类别分为直流回路、交流回路和电压回路。反映二次接线间关系的图称为二次回路图。二次回路的接线图按用途可分为原理接线图、展开接线图和安装接线图3种形式。变电所二次系统与一次系统的关系对于测量仪表的要求：1)测量精度应满足测量要求，并不受环境温度、湿度和外磁场等外界条件的影响。2)仪表本身消耗的功率应越小越好。3)仪表应有足够的绝缘强度、耐压和短时过载能力，以保证安全运行。4)应有良好的读数装置。二、测量回路变电装置各部分仪表的配置：1、电源进线2、母线6~10kV母线的电压测量及绝缘监视接线原理图TV－电压互感器S－联锁开关Q－电压切换开关KV－电压继电器KS－信号继电器3、6～10KV的高压配电线路4、低压配电线路5、并联补偿电容器三、断路器控制与信号回路断路器的控制与信号回路一般分为控制保护回路、合闸回路、事故信号回路和预告信号回路等。断路器控制与信号回路分析：1.手动储能合闸

采用弹簧操动机构的断路器在首次合闸前需先储足能量。按钮旋钮指示灯行程开关3412储足能量后，就可进行合闸操作。

3412

2.手动跳闸3412

3.自动跳闸3412

断路器自动跳闸后，而控制开关SA仍处于“合闸后”位置，这种情况称为“不对应”关系。

事故跳闸信号回路接通，使中央信号装置发出事故音响信号。

事故信号的解除：将SA转至“预备跳闸”→“跳闸”→“跳闸后”位，使其与断路器恢复对应关系。

4.电气防跳利用SA的闭锁触点。3412在变电所运行的各种电气设备，随时都可能发生不正常的工作状态。在变电所装设的中央信号装置，主要用来示警和显示电气设备的工作状态，以便运行人员及时了解、采取措施中央信号装置按用途分有事故信号、预告信号和位置信号。四、信号装置

下图是不能重复动作的中央事故信号装置回路图，为便于分析其工作原理，将变配电所的所有断路器事故跳闸信号回路绘在一起列于图右。

下图是不能重复动作的中央预告信号装置回路图，为便于分析其工作原理，将配电装置的预告信号回路列于图右。五、操作电源操作电源应满足如下基本要求：1)正常情况下，提供信号、保护、自动装置、断路器跳合闸以及其他二次设备的操作控制电源。2)在事故状态下，当电网电压下降甚至消失时，应能提供继电保护跳闸和应急照明电源，避免事故扩大。1.直流操作电源所用变压器的接线方式2.交流操作电源交流操作电源下断路器保护跳闸原理接线图第六节高压配电网的接线方式工厂企业供电系统的配电网主要是10(6)kV高压配电网和380V低压配电网。配电网常用的典型配电方式分为放射式、树干式和环式。3.6高压配电网的接线方式放射式的优点是：供电可靠性高，故障发生后影响范围小；继电保护装置简单且易于整定；便于实现自动化；运行简单，切换操作方便。放射式的缺点是：配电线路和高压开关柜数量多，投资大一、放射式接线

放射式接线图a)单回路放射式b)双回路放射式c)带有公共备用线路的放射式树干式的优点是：变配电所的馈出线回路数少、投资小、结构简单。树干式的缺点是：可靠性差、线路故障影响范围大。为减小干线故障时的停电范围，每条线路连接的变压器台数不宜超过5台，总容量不超过3000kVA。二、树干式接线单树干式接线图a)架空线b)电缆双回路树干式接线图三、环形接线环式接线的供电可靠性较高，运行方式灵活，可用于对二、三级负荷供电。当环中任一点发生故障时，只要查明故障点，经过短时停电“倒闸操作”，拉开故障点两侧隔离开关，即可全部恢复供电。环式接线图四、高压配电网的设计

考虑因素：供电可靠性的要求、车间配电变压器的容量及分布、地理环境等。配电级数不宜多于两级。一般用户高压配电网宜采用放射式。对一般负荷及容量在1000kVA及以下的变压器，宜采用普通环式接线。对于重要负荷，可采用双回路放射式，或采用工作电源接线为放射式、备用电源接线为树干式的组合形式，根据情况，也可采用拉手环式接线。对于三级负荷，为节省投资可采用树干式，负荷较大时则可采用分区树干式接线。

例3-2：已知某工厂设有一座35/10kV总降压变电所HSS和4座10/0.38kV车间变电所STS1～STS4。STS1设两台变压器（二级负荷占70％），STS2设一台变压器（二级负荷占10％），STS3和STS4均设一台变压器（为三级负荷）。试设计该工厂高压配电网接线图。第七节低压配电系统3.7低压配电系统适用场合：①每个设备负荷不大，比较集中，且位于变电所的不同方向；②车间内负荷配置较稳定；③单台用电设备容量较大，但数量不多；④车间内负荷排列不整齐；⑤车间内为有爆炸危险的厂房，必须由车间隔离的房间引出线路；一、低压放射式供电系统低压放射式接线适用场合：开关设备较少二、低压树干式供电系统低压树干式接线(a)低压母线放射式接线；

(b)“变压器－干线组”接线

低压链式接线(a)连接配电箱；

(b)连接电动机

三、低压环式供电系统四、低压配电网的设计

应满足用电设备对供电可靠性和电能质量的要求，同时应注意接线简单、操作方便安全，具有一定灵活性。配电系统的层次不宜超过三级。正常环境的车间或建筑物内，当大部分用电设备为中小容量，且无特殊要求时，宜采用树干式配电。用电设备为大容量，或负荷性质重要，或在有特殊要求的车间、建筑物内，宜采用放射式配电。部分用电设备距供电点较远，而彼此相距很近、容量很小的次要用电设备，可采用链式配电。高层建筑物内，当向楼层各配电点供电时，宜采用分区树干式配电；部分较大容量的集中负荷或重要负荷，应从低压配电室以放射式配电。某高层住宅低压配电系统图（竖向配电系统图）第八节高低压配电网的结构和导线截面积的选择3.8高低压配电网得出结构和导线截面积的选择组成：导线、电杆、绝缘子、线路、金具等。1、架空线路的导线裸导线：单股、多股如钢芯铝绞线2、电杆、横担和拉线3、线路绝缘和金具4、架空线的敷设严格遵守有关规范，选择好路经及导线排列方式，注意线路的档距、弧垂及相邻构件的距离。一、架空线路的结构及敷设架空线路的结构

1低压导线，2针式绝缘子，3横担，4低压电杆，5横担，6高压悬式绝缘子串，7线夹，8高压导线，9高压电杆，10避雷线←各种杆型在低压架空线路上的应用高压线路绝缘子

a)针式b)蝴蝶式c)悬式d)瓷横担

架空线路的档距和弧垂

a)平地上b)坡地上1、5、11、14终端杆，2、9分支杆，3转角杆，4、6、7、10直线杆(中间杆)，8分段杆(耐张杆)，12、13跨越杆缺点：架空线路也存在以下问题：①需占一定的空间，导线距地高度及距邻近建筑物的距离根据电压高低都有