电工学(七版-秦曾煌)-第12章-工业企业供电及安全用电

第12章

工业企业供电与安全用电第12章工业企业供电与安全用电12.1发电和输电概述12.2工业企业配电12.3安全用电12.4节约用电

本章主要概述发电、输电、工业企业供配电、安全用电和节约用电等内容，作为本课程的基本常识。第12章工业企业供电与安全用电电力系统概述

电力是现代工业的主要动力，在各行各业中都得到了广泛的应用。电力系统是发电厂、变电站、配电所直到各个用户等环节所组成的电能生产消费系统。

电力系统由发电、输电和配电系统组成。发电厂变电所输电线配电设备用电设备(电灯电动机等)变电站大型工厂商店学校小型电能用户输电线发电厂变电站小型配电站配电站住宅乡村12.1发电和输电概述发电厂按能源种类可分为：水力、火力、风力、核能、太阳能、沼气、生物能发电等。主要是火力发电和水力发电。发电厂中的发电机几乎都是三相同步发电机。其组成定子：机座、铁心和三相绕组+转子1.发电发电机组发出的电压一般为6~10kV。三相同步发电机的原理水力发电励磁机发电机水轮机水轮发电机模型小浪底电站水轮机组安装三峡电站首台机组安装三峡水电站效果图长江三峡水电站坝长2335m，坝高185m，水头175m，总库容393亿立方米，总装机容量22.5GW（32×700MW+2×50MW）年发电量86.5TW·h。世界第一大发电站（水电站）。长江三峡水电站24MW发电机转子在吊装10000kW水轮机转子葛洲坝三峡向家坝溪洛渡乌东德白鹤滩乌东德水电站葛洲坝27孔泄洪闸葛洲坝水电站葛洲坝水电站共有机21台机组，总装机容量271.5万千瓦，年发电量157亿度。电站以500kV和220kV输电线路并入华中电网，并通过500kV直流输电线路向距离1000km的上海输电120万千瓦。伊泰普水电站是二十世纪最大的水电站

，位于巴西和巴拉圭交界处的巴拉那河上，从1974年5月开始修建，于1991年5月竣工，由巴西与巴拉圭共建。总装机容量14GW（20×700MW），年发电量900亿度。水电站坝身长7.7公里，坝高196米（相当于65层楼的高度）。广州抽水蓄能电站为目前世界上最大的抽水蓄能电站，是为大亚湾核电站安全经济运行而建设的配套工程，同时还承担着广东、香港电网的调峰填谷和事故备用的任务。电站总装机总装机容量2.4GW（8×300MW），设计水头535m。中国在建已建十大水电站，单站5万kW以上的大中型水电站是中国水电的主力，经过五十余年的开发建设，已建成230余座，其中百万kW级以上的水电站25座，五十万kW级以上的40余座.三峡（2250）溪洛渡（1260），白鹤滩（1200），乌东德（750）向家坝（600）龙滩（630）糥扎渡（585）锦屏二级（480）小湾(420)两家人（400）拉西瓦（372）锦屏一级（360）单位为万千瓦潮汐发电示意图

法国郎斯潮汐电站示意图

法国朗斯潮汐电站

法国郎斯电站1967年建成，位于法国圣马洛湾郎斯河口。一道750米长的大坝横跨郎斯河。坝上是通行车辆的公路桥，坝下设置船闸、泄水闸和发电机房。郎斯潮汐电站机房中安装有24台双向涡轮发电机，涨潮、落潮都能发电。总装机容量24万千瓦，年发电量5亿多度，输入国家电网。

江厦潮汐电站是中国第一座双向潮汐电站，位于浙江省温岭市乐清湾北端江厦港。1980年5月第一台机组投产发电。电站装有双向贯流式机组6台，总装机容量3200干瓦，年发电量600万度，可昼夜发电14～15小时

。规模仅次于法国郎斯潮汐电站、加拿大芬地湾安娜波利斯潮汐电站，居世界第三。火力发电励磁机发电机汽轮机燃烧室燃料锅炉的炉膛循环水汽轮机发电机3600r/min升压变压器超热高压蒸汽电能输出电能的产生600MW汽轮发电机

热电厂1煤传送带2加煤机3粉碎机4锅炉5煤渣6空气预热器7静电除尘8烟囱9汽轮机10冷凝器11变压器12冷却塔13发电机14输电线火电厂全景火电厂夜景内蒙古大唐国际托克托发电公司总装机容量540万千瓦，是目前亚洲最大在役火力发电厂。该公司8台60万千瓦亚临界火电机组通过500千伏升压站接入京津唐电网，2台30万千瓦机组通过220千伏升压站接入蒙西电网。每年的发电量接近北京用电总负荷的1/3。浙江北仑发电厂是我国目前第二现代化火力发电厂，总装机容量为300万千瓦(5×600MW)，年发电量167亿度，为浙江省各类发电厂发电总量的四分之一。北仑发电厂主控制室北仑发电厂汽轮机房

张家口发电总厂，发电厂总装机容量240万千瓦（8×300MW），通过500kV双回线向北京供电，同时兼顾地方用电，担负着北京地区1/4电力负荷的供电任务。张家口发电总厂夜景厂区景色汽轮机房国电山东费县电厂规划总装机容量为720万千瓦。费县电厂总体规划装机容量7200MW，按亚洲最大的火力发电厂规模规划建设，其中一期工程（目前正在建设）安装2台国产600MW超临界凝气式燃煤发电机组，二期安装2台1000MW超临界凝气式燃煤发电机组，三期安装4台1000MW超临界凝气式燃煤发电机组；一期工程装机容量2×1000MW机组计划2007年投产发电，二期工程计划2×1000MW机组计划2009年投产发电。机组全部建成后将是亚洲最大的火力发电厂和全国最大的火力发电基地。现代火电厂一般都考虑了“三废”（废渣、废水、废气）的综合利用；有的火电厂不仅发电，而且供热。兼供热能的火电厂，称为热电厂。火电厂与同容量的水电站相比，具有建设工期短、工程造价低、投资回收快等特点，但是火电成本高，而且对环境要造成一定的污染，因此火电建设要受到环境的一定制约。火电建设的重点是煤炭基地的坑口电厂的建设。对于远离煤炭产地的火电厂，宜采用高热值的动力煤。对位于酸雨控制区和二氧化硫控制区特别是大城市附近的火电厂，应采用低硫煤，或对原煤先进行脱硫处理。对严重污染环境的低效小型火电厂，应按照国家“节能减排”的要求予以关停。现在国外已研究成功将煤先转化为气体再送入锅炉内燃烧发电的新技术，从而大大减少了直接燃煤而产生的废气废渣对环境的污染，这称之为洁净煤发电新技术。核反应堆

3.核能发电厂核能发电厂，又称为原子能发电厂，通称核电站，它是利用某些核燃料的原子核裂变能来生产电能，其生产过程与火电厂大体相同，只是以核反应堆（俗称原子锅炉）代替了燃煤锅炉，以少量的核燃料代替了大量的煤炭。其能量转换过程是：热能机械能电能汽轮机发电机核裂变能大亚湾核电站

大亚湾核电站位于深圳市东部大亚湾畔，为我国目前最大的核电站。大亚湾核电站是我国引进国外资金、设备和技术建设的第一座大型商用核电站。核电站安装有两台单机容量为900MW的压水堆反应堆机组。1987年8月7日工程正式开工，1994年2月1日和5月6日两台机组先后投入商业营运。大亚湾核电站每年发电量超过100亿度，其中七成电力供应香港，三成电力供应广东电网。大亚湾核电站电站设备秦山核电站位于东海之滨美丽富饶的杭州湾畔，是中国第一座依靠自己的力量设计、建造和运营管理的压水堆核电站，总装机容量2×300MW。1985年3月动工，1991年12月首次并网发电。它的建成使我国成为继美、英、法、前苏联、加拿大、瑞典之后世界上第七个能够自行设计、建造核电站的国家。秦山核电站主控制室秦山核电站汽轮机房秦山核电站德国伊萨尔核电站一、已经建成的9座：

1.广东大亚湾核电站（94年）

2.浙江秦山第一核电站（94年）

3.广东岭澳核电站（2002年）

4.浙江秦山第二核电站（2002年）

5.浙江秦山第三核电站(2003年)

6.江苏连云港田湾核电站（2006年）

7.台湾3座

二、正在建设之中的3座：

1.辽宁瓦房店核电站一期工程（暂停）

2.台湾2座

三、即将破土开工的4座：

1.广东阳江核电站

2.浙江台州三门核电站

3.山东海阳核电站

4.广东岭澳核电站二期工程一、已经建成的9座：

1.广东大亚湾核电站（94年）

2.浙江秦山第一核电站（94年）

3.广东岭澳核电站（2002年）

4.浙江秦山第二核电站（2002年）

5.浙江秦山第三核电站(2003年)

6.江苏连云港田湾核电站（2006年）

7.台湾3座

二、正在建设之中的3座：

1.辽宁瓦房店核电站一期工程（暂停）

2.台湾2座

三、即将破土开工的4座：

1.广东阳江核电站

2.浙江台州三门核电站

3.山东海阳核电站

4.广东岭澳核电站二期工程排名国家和地区运营核电站

数量在建核电站

数量筹建核电站

数量1

美国1041112

法国58113

俄罗斯3310174

韩国(ROK)23455

印度207186

加拿大17327

英国16048

中国大陆1525519

乌克兰150210

瑞典100011

德国90012

西班牙80013

比利时70014

捷克60215

中国台湾62116

瑞士500世界各国核电站数量排名

(2)轻水反应堆它用2%~3%的低浓缩铀作燃料，高压轻水（即普通水）作慢化剂和冷却剂。目前世界上的核电站，85%以上为轻水堆型，其中绝大多数又为压水堆型。我国已经建成并安全运行多年的大亚湾核电站和秦山核电站（一、二期工程）都是压水堆型。核电站的反应堆类型主要有：

(1)石墨慢化反应堆它采用石墨作慢化剂，它又分气冷堆型和水冷堆型。新型的高温气冷堆型，采用2.5%~3%的低浓缩铀作燃料。石墨水冷堆型以石墨作慢化剂，轻水作冷却剂。1986年4月发生严重核泄漏事故的前苏联切尔诺贝利核电站就采用这种堆型。该电站已于2000年底全面关闭，这种堆型已不再使用。

(3)重水反应堆它用重水（D2O,含氘的水）作慢化剂和冷却剂，用天然铀作燃料。我国于2002年11月投入并网发电的秦山核电站三期工程扩建的2台70万千瓦反应堆就是这种重水堆型。

(4)快中子增殖反应堆简称快堆。它是利用快中子来实现可控链式裂变反应和核燃料增殖的反应堆。由于核能是巨大的能源，而且核电具有安全、清洁和经济的特点，所以世界上很多国家都很重视核电建设，核电在整个发电量中占的比重逐年增长。我国在上世纪80年代就确定了“要适当发展核电”的电力建设方针，并已兴建了浙江秦山、广东大亚湾、广东岭澳等多座大型核电站。风轮机及升速装置4.风力发电、地热发电及太阳能发电简介风力发电是利用风力的动能来生产电能。我国西北地区的风力资源比较丰富，已装设了一些风力发电装置。在“西部大开发”战略决策的推动下，风力发电也将有更大的发展。机械能电能发电机风能蓄能装置全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。宁夏青铜峡邵岗风电场装机容量可达50万千瓦内蒙古克什克腾旗塞罕坝风电场装机容量可达30万千瓦达板城风力发电厂装机容量12.5万千瓦NO1.宁夏青铜峡邵岗风电场

NO2.内蒙古克什克腾旗塞罕坝风电场

NO3.新疆达坂城柴窝堡风电场

NO4.河北围场红松洼风电场

NO5.内蒙古察右中旗辉腾锡勒风电场

NO6.甘肃玉门三十里井子风电场

NO7.河北尚义大满井风电场

NO8.内蒙古克什克腾旗达里风电场

NO9.河北张北白不洛风电场

NO10.内蒙古翁牛特旗孙家营风电场地热发电是利用地球内部蕴藏的大量地热能来生产电能。它建在有足够地热资源的地方。地热是地表下面10公里以内储存的天然热源，主要来源于地壳内的放射性元素蜕变过程所产生的热量。地热发电的热效率不高，但不消耗燃料，运行费用低。它不象火力发电那样，要排出大量灰尘和烟雾，因此地热还是属于比较清洁的能源。但地下热水和蒸汽中大多含有硫化氢、氨、砷等有害物质，因此对排出的热水要妥善处理，以免污染环境。地热发电的能量转换过程是：地热能机械能电能汽轮机发电机地球的内部是一个高温高压的世界，是一个巨大的热库。据估计，即便是在地球表层10km厚这样薄薄的一层，全世界地热资源的总量约为1.45×1026J，相当于4.948×1015t标准煤燃烧时所发出的热量。如果将地球上贮存的全部煤炭燃烧时所放出的热量作为标准计算，那么，石油的贮存量约为煤炭的3%；目前可利用核燃料的贮存量约为煤炭的15%；而地热能的总贮存量则为煤炭的1.7亿倍。

羊八井电厂是我国最大的地热电厂，总装机容量为25.18MW，水温约150℃，担负拉萨地区50%的供电任务。电站由5眼地热井供水，单井产量为75～160立方米／小时。羊八井地热电厂

羊八井地热温泉我国目前已发现地热点2000多处，已经进行过不同程度勘察的有739处，以低于150℃的中低温地热资源为主。高于150℃的地热资源主要分布在西藏、云南和台湾。西藏羊八井硫磺矿地区打出一口高温地热井，温度高达329.8℃。已装有9台机组并网发电，总装机容量达25MW。随着“西部大开发”战略的实施，我国的地热发电也将得到更大的发展。背压式汽轮发电机凝汽式汽轮发电机热水型地热发电

热水型地热发电是地热发电的主要方式。目前热水型地热电站有两种循环系统：

a、闪蒸系统。当高压热水从热水井中抽至地面，于压力降低部分热水会沸腾并“闪蒸”成蒸汽，蒸汽送至汽轮机做功；而分离后的热水可继续利用后排出，当然最好是再回注入地层。

b、双循环系统。地热水首先流经热交换器，将地热能传给另一种低沸点的工作流体，使之沸腾而产生蒸汽。蒸汽进入汽轮机做功后进入凝汽器，再通过热交换器而完成发电循环。地热水则从热交换器回注入地层。这种系统特别适合于含盐量大、腐蚀性强和不凝结气体含量高的地热资源。发展双循环系统的关键技术是开发高效的热交换器。太阳能发电就是利用太阳的光能或热能来生产电能。利用太阳的光能发电，是通过光电转换元件如光电池等直接将太阳的光能转换为电能。这已广泛应用在人造地球卫星和宇航装置上。利用太阳的热能发电，可分直接转换和间接转换两种类方式。温差发电、热离子发电和磁流体发电，都属于热电直接转换。太阳能通过集热装置和热交换器，给水加热，使之变为蒸汽，推动汽轮发电机组发电，与火力发电原理相同，属于间接转换发电。太阳能是一种十分安全、经济、无污染而且是取之不尽的能源。太阳能发电装置建在常年日照时间长的地方。我国的太阳能资源也相当丰富，特别是我国的西藏、新疆、内蒙古等地区，常年日照时间达250~300天，属于太阳能丰富区。我国的80%地区均可利用太阳能发电。太阳电池的种类，主要有硅电池、流化镉电池、砷化镓电池、砷化镓－砷化铝镓电池等。常用的太阳电池是单晶硅电池，它的转换效率一般可达13％～17％。20世纪60年代开始，太阳电池就在人造卫星上作主电源使用。在空间应用的基础上，太阳电池在地面的应用也获得了发展，逐步成为一种特殊场合的辅助能源。太阳能发电系统的组成太阳能电池板：将太阳的辐射能转换为电能。太阳能控制器：控制整个系统的工作状态，对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。蓄电池：在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。逆变器：将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能。

光电板控制器逆变器配电线路负载蓄电池光电(太阳能电池）模块光电模块将太阳能转换成电能。变换器(电力调节器）变换器将光电模块产生的直流电转换成交流电并自动控制整个系统。室内配电盘配电盘向家用电器输送适当的电负载。电度表青海省格尔木光伏电站EnbridgeInc.和FirstSolarInc.位于加拿大安大略省西南部的80兆瓦世界上运营中最大的光伏电站。发电站镜子所反射的太阳光能使塔周围的温度达到摄氏538℃

(二)电力系统

为了充分利用动力资源，减少燃料运输，降低发电成本，因此有必要在有水力资源的地方建设水电站，而在有燃料资源的地方建设火电厂，但这些有动力资源的地方，往往离用电中心较远，所以必须用高压输电线进行远距离输电，如图1-8所示。图1-8从发电厂到用户的送电过程示意图电力系统与电力网电力系统电力系统电力系统电力系统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（powersystem）。图1-9大型电力系统简图电力系统中各级电压的电力线路及其联系的变电所，称为电力网或电网（powernetwork）。但习惯上，电网或系统往往以电压等级来区分，如说10kV电网或10kV系统。这里所说的电网或系统，实际上是指某一电压的相互联系的整个电力线路。电力系统的示意图~水力发电厂升压变电所220kV地区枢纽所10kV至用户配电所10kV10kV升压变电所220kV220kV220kV输电线路220kV35kV35kV负荷变电所35kV~火力发电厂10kV为保证供电的可靠性和安全连续性，电力系统将各地区、各种类型的发电机变压器、输电线、配电和用电设备等连成一个环形整体。区域电网的供电范围大，电压一般在220kV及以上。地方电网的供电电压一般不超过110kV。我国目前已有华东、华北、华中、东北、西北、南方等地区性电网。区域电网和地方电网国家电网公司南方电网公司华能集团国电集团大唐集团华电集团中电投集团两大电网：五大发电集团:中新社北京2月25日电(记者闫晓虹)，中电联（中国电力企业联合会）25日透露2013年底我国发电装机达12.5亿kW左右，发电装机容量首次跃居世界第一，全国电力供需总体平衡。其中：水电2.8亿kW火电8.6亿kW核电1478万kW并网风电7500万kW

并网太阳能600万kW左右。直流输电结构原理图发电升压直流输电降压配电整流逆变直流输电能耗小，无线电干扰小，输电线路造价较低，但逆变和整流部分较复杂。3.配电

配电由10kV及以下的配电线路和配电(降压)变压器所组成。它的作用是将电能降为380/220V低压再分配到各个用户的用电设备。电力网的电压等级高压：1kV及以上的电压称为高压。有1kV,3kV,6kV,10kV,35kV,110kV,330kV，550kV等。低压：1kV及以下的电压称为低压。有220V，380V。安全电压：36V以下的电压称为安全电压。我国规定的安全电压等级有：12V、24V、36V等。12.2工业企业配电从车间变电所或配电箱到用电设备线路属于低压配电线路。其连接方式主要是放射式和树干式两种。低压供电系统的有两种接线方式。(1)放射式供电线路变电所配电箱放射式配电线路(1)放射式供电线路

适用场合：负载点比较分散，而每个点的用电量又较大，变电所又居于各负载点的中央。

特点：供电可靠性高，便于操作和维护。但配电导线用量大，投资高。变电所配电箱放射式配电线路(2)树干式供电线路

适用场合：用电点比较集中，各用电点居于变电所同一侧时。负载比较均匀地分布在一条线上。

特点：

供电可靠性差。但配电导线用量小，投资费用低，接线灵活性大。变电所配电室树干式配电线路某校实验楼树干式配供电线路示意图去教学区去办公区干线干线干线

2#办公区配电柜

1#教学区配电柜

3#实验区配电柜实验楼总配电箱……X室配电箱Ｙ室配电箱分支线分支线分支线2层配电箱11层配电箱1层配电箱

1#主配电柜10kV去报告厅报告厅配电变压器配电柜……12.3安全用电

触电事故是指人体由于不慎触及带电体，使人体受到伤害。按人体所受伤害方式的不同，触电事故可分为电击和电伤。电击主要是电流通过人体内部，影响呼吸、心脏和神经系统，造成人体内部组织的破坏，乃至死亡。电伤主要是指在电弧的作用下，或熔丝熔断时，对人体的伤害，如烧伤、金属溅伤等。12.3.1电流对人体的危害电击所引起的伤害程度与下列因素有关：1．人体电阻的大小；皮肤干燥时约10~100k。2．电流通过时间长短；3．电流的大小；小于50mA时安全；4．电流的频率。为防止触电事故而采用的由特定电源供电的电压系列称为安全电压。通用接触电压极限：人体允许长期承受的电压极限值。常规环境下：交流(15~100Hz)电压为50V直流电压为120V。潮湿环境下：交流(15~100Hz)电压为25V直流电压为60V。通常认为36V以下为安全电压。选用安全电压是防止触电的安全措施。

注意：安全电压的供电电源除采用独立电源外，其输入与输出电路必须实行电路上的隔离。工作在安全电压下的电路必须与其他电气系统和任何无关的可导电部分实行电气上的隔离。12.3.3

触电方式1.接触正常带电体

(1)电源中性点接地的单相触电R0通过人体电流:式中:

UP:电源相电压(220V)Ro:接地电阻4Rb:人体电阻1000这时人体处于相电压下，危险较大。(2)电源中性点不接地系统的单相触电R'对地绝缘电阻Ib人体接触某一相时，通过人体的电流取决于人体电阻Rb与输电线对地绝缘电阻R'的大小。若输电线绝缘良好，绝缘电阻R'较大，对人体的危害性就减小。但导线与地面间的绝缘可能不良（R'较小），甚至有一相接地，这时人体中就有电流通过。(3)双相触电双相触电触电后果更为严重通过人体的电流：2.接触正常不带电的金属体当电气设备内部绝缘损坏而与外壳接触，将使其外壳带电。当人触及带电设备的外壳时，相当于单相触电。大多数触电事故属于这一种。这时人体处于线电压下，Ib3.跨步电压触电U电位分布接地点20m0.8m跨步电压在高压输电线断线落地时，有强大的电流流入大地，在接地点周围产生电压降。如图所示。当人体接近接地点时，两脚之间承受跨步电压而触电。跨步电压的大小与人和接地点距离，两脚之间的跨距，接地电流大小等因素有关。双脚跨步一般在20m之外，跨步电压就降为零。如果误入接地点附近，应双脚并拢或单脚跳出危险区。12.3.4接地和接零为了人身安全和电力系统工作的需要，要求电气设备采取接地措施。按接地目的的不同，主要分为工作接地、保护接地和保护接零。1.工作接地R0即将中性点接地。目的：(1)降低触电电压(2)迅速切断故障在中性点接地的系统中，一相接地后的电流较大，保护装置迅速动作，断开故障点。(3)降低电气设备对地的绝缘水平要求2.保护接地R'C'IbIe当电气设备内部绝缘损坏发生一相碰壳时：由于外壳带电,当人触及外壳,接地电流Ie

将经过人体入地后,再经其它两相对地绝缘电阻R及分布电容C回到电源。当R值较低、C较大时，Ib

将达到或超过危险值。对地绝缘电阻分布电容电气设备外壳未装保护接地时:接地装置一般要求接地电阻≤4Ω。M接地线接地体保护接地:电气设备外壳有保护接地时通过人体的电流：

Rb与Ro并联，且

R