电工电子技术-17

１７.１发电和输电概述发电是将火力、水力、风力、沼气和核能等非电能转换成电能的过程.我国以水利和火力发电为主,近几年也在发展核能发电.火力发电是指利用煤炭、石油、天然气等固体、液体、气体燃料燃烧时产生的热能来加热水,产生高温高压的水蒸气,利用水蒸气压力推动汽轮机旋转,热能转化为机械能,然后汽轮机带动发电机旋转,将机械能转化为电能.水力发电是指利用河流、湖泊等位于高处具有位能的水流至低处,带动水轮机旋转,将其包含的势能转换成水轮机的机械能,再利用水轮机推动发电机旋转,将机械能转化为电能.风力发电是指利用风力带动风车叶片旋转,再通过调速机构将旋转的速度提升,来促使发电机发电,产生交流电经过整流变为直流电后对蓄电瓶充电,将电能转为化学能,再经过有保护电路的逆变电源,把电瓶里的化学能转化为稳定的电能并入电网.下一页返回１７.１发电和输电概述沼气发电技术是集环保和节能于一体的能源综合利用新技术.它是利用工业、农业或城镇生活中的大量有机废弃物(例如酒糟液、禽畜粪、城市垃圾和污水等),经厌氧发酵处理产生的沼气,驱动沼气发电机组发电,并可充分将发电机组的余热用于沼气生产.核能发电是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式,它与火力发电极其相似.核反应堆在反应容器中进行核裂变释放出热能,流经反应容器的冷却水(第一回路)吸收热能,温度升高后进入蒸汽发生器,将热量传给第二回路的水,同时温度降低,流回反应容器重新吸热.第二回路的水变成水蒸气,然后进入汽轮机,推动汽轮机旋转,汽轮机带动发电机转子旋转发电.无论采用何种发电形式,发电机一般都采用三相同步发电机,按照原动机的不同可分为汽轮发电机和水轮发电机两种;按照与原动机的连接方式有两种:立式发电机和卧式发电机.汽轮发电机均为卧式的,水轮发电机两种形式都有.上一页下一页返回１７.１发电和输电概述三相同步发电机的基本结构由定子和转子组成,定子由铁芯、定子绕组(又称电枢绕组,为三相对称绕组,通入的为三相对称电流)、机座及端盖等部件组成.其主要的作用是完成交流电能与机构能的交换,也要产生旋转磁场,故称电枢.转子是由铁芯、励磁绕组等组成,是产生磁场的部分.同步发电机的转子是磁极,根据结构的不同分为隐极式和凸极式两种,如图１７-１所示.隐极式转子呈圆柱形,细而长,转子上没有凸出的磁极,气隙比较均匀,励磁绕组分布在转子大半个表面的槽中,它的转速高、磁极对数少,一般都是用于汽轮发电机;凸极式转子大多数为圆饼状,转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈,转速低、磁极对数多,一般都是用于水轮发电机.国产三相同步发电机的电压等级有４００V/２３０V和３.１５kV、６.３kV、１０.５kV、１３.８kV、１５.７５kV及１８kV等多种.上一页下一页返回１７.１发电和输电概述输电即电能的传输,它和变电、配电、用电一起,构成电力系统的整体功能,如图１７-２所示.通过输电,把相距甚远的(可达数千千米)发电厂和负荷中心联系起来,使电能的开发和利用超越地域的限制.和其他能源的传输(如输煤、输油等)相比,输电的损耗小、效益高、灵活方便、易于调控、环境污染少;输电还可以将不同地点的发电厂连接起来,实行峰谷调节.输电是电能利用优越性的重要体现,在现代化社会中,它是重要的能源动脉.为保证供电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.输电网是由３５kV及以上的输电线路与其相连接的变电所组成,它是电力系统的主要网络.输电是联系发电厂和用户的中间环节.上一页下一页返回１７.１发电和输电概述输电过程中,一般将发电机组发出的６~１０kV电压经升压变压器变为３５~５００kV高压,通过输电线可远距离将电能传送到各用户,再利用降压变压器将３５kV高压变为６~１０kV高压.目前我国的电压等级有１０kV、３５kV、２２０kV、３３０kV、５００kV等几个等级,送电距离越远,要求输电的电压越高.除了采用交流输电外,还有直流输电,其结构原理图如图１７-３所示,高压直流输电与交流输电相比具有以下优点:直流架空线仅适用１根或２根导线,输送相同功率时,线路造价低,线路有功损耗小;直流输电不受输电距离的限制,能限制系统的短路电流,通过晶闸管换流器能够方便、快速地调节有功功率和实现潮流翻转,适宜海底输电.上一页返回１７.２工业企业配电配电是指在电力网中起电能分配作用的网络,通常是指电力系统中二次降压变压器低压侧直接或降压后给用户供电的网络,它是电力系统中直接与用户相连并向用户分配电能的环节.工业企业配电网的主要功能是从输电网接收电能,并逐级分配到各个车间,即将高压电能降低至方便运行又适合企业各车间需要的各种电压,组成多层次的配电网,再由企业车间变电所或配电箱将电能分配给各种终端用电设备.工业企业高压配电线的额定电压有３kV、６kV和１０kV三种,供电系统的高压配电电压,主要取决于当地供电系统电源电压及工厂高压用电设备的电压和容量等因素.例如对于大型工厂和某些电力负荷较大的中型工厂,设备容量在２０００~５００００kV

A,输送电能距离在２０~１５０km以内的,可采用３５~１１０kV电压供电.下一页返回１７.２工业企业配电对于中小型工厂,设备容量在１００~２０００kV·A,输送电能距离在４~２０km以内的,可采用６~１０kV电压供电.对于采用６~１０kV电压作为高压配电电压的工厂,应首选１０kV电压供电.在输送功率和输送距离一定时,选用电压越高,线路电流越小,线路所采用的导线或电缆截面也小,从而可减少线路的初投资和有色金属消耗量,且可减少线路的电压损耗和电能损耗.工业企业供电系统的低压配电电压,主要取决于低压用电设备的电压,通常采用３８０/２２０V.其中线电压３８０V接三相动力设备,相电压２２０V供电给照明及其他２２０V的单相设备.在某些场合采用６６０V甚至更高的１１４０V(只用于矿井下)作为低压配电电压.低压配电线路是由配电室(配电箱)、低压线路、用电线路组成.上一页下一页返回１７.２工业企业配电通常一个低压配电线路的容量在几十千伏安到几百千伏安的范围,负责几十个用户的供电.为了合理地分配电能,有效地管理线路,提高线路的可靠性,一般都采用分级供电的方式.即按照用户地域或空间的分布,将用户划分成供电区和片,通过干线、支线向片、区供电.整个供电线路形成一个分级的网状结构.低压配电线路的结构按其连接方式分为放射式和树干式两种.放射式配电线路供电可靠性高,便于操作和维护,但配电导线用量大,投资成本高.放射式配电线路如图１７-４所示.放射式配电结构适用场合:负载点比较分散,而每个点的用电量又较大,变电所居于各负载点的中央.树干式配电线路开关设备少,导线的消耗量也较少,系统的灵活性好,但干线上发生故障时,影响范围大,供电可靠性较低.其配电线路如图１７-５所示.上一页下一页返回１７.２工业企业配电树干式配电结构适用场合:负载比较集中,各负载点位于变电所或配电箱的同一侧时,如图１７-５(a)所示;负载比较均匀地分布在一条线上时,如图１７-５(b)所示.放射式和树干式这两种配电线路现在都被广泛采用.放射式供电可靠,但投资较高.树干式供电灵活性较大,但可靠性相对较低.放射式与树干式相比较,前者导线细,但总线路长,而后者相反.上一页返回１７.３安全用电１７.３.１触电对人体的危害触电是指当人体触及带电体承受过高的电压而导致死亡或局部受伤的现象.一旦发生触电事故,就会有电流通过人体,可能使人体受到各种不同的伤害,根据伤害性质可分为电击和电伤两种.电击是指电流通过人体,影响呼吸系统、心脏和神经系统,造成人体内部组织的破坏乃至死亡.电伤是指在电弧作用下或熔断丝熔断时,对人体外部组织的伤害,如烧伤、金属溅伤等.通过对大量触电事故进行科学分析,影响人体受伤害程度的因素很多,主要有:人体电阻的大小、电流在人体内流经的途径、电流通过时间的长短、电流的频率、电流的大小、电压的大小、带电体接触的面积和压力等.下一页返回１７.３安全用电１.人体电阻的大小人体的电阻越大,通过的电流越小,伤害程度也就越轻.根据研究结果,当皮肤有完好的角质外层并且很干燥时,人体电阻为１０４~１０５Ω.当角质外层破坏时,则降到８００~１０００Ω.２.电流在人体内流经的途径电流的路径通过心脏会导致精神失常、心跳停止、血液循环中断,危险性最大.一般电流从手到手经胸部通过或从手到脚经过神经组织最多处通过,都是危险的电流途径,其中电流从右手到左脚的路径是最危险的.３.电流通过时间的长短随着电流在人体内通过的时间越长,对人体造成的伤害就越严重.上一页下一页返回１７.３安全用电４.电流的频率直流电以及频率为２５~３００Hz的交流电对人体伤害最严重,电流频率增大反而更安全.实践证明,直流电对血液有分解作用.高频电流不仅对人体没有危害作用,有些高频电流还可以起到医疗保健作用.５.电流的大小工频危险电流为５０mA,即通过人体的电流在５０mA以上时,就有生命危险.对于工频交流电,按照人体对所通过大小不同的电流所呈现的反应,通常可将电流划分为三级:感知电流、摆脱电流和致命电流.男子的感知电流约为１.１mA,摆脱电流约为９mA;女子的感知电流约为０.７mA,摆脱电流约为７mA;致命电流大小与电流在人体通过时间有关.上一页下一页返回１７.３安全用电６电压的大小触电电压越高,通过人体的电流越大就越危险.一般地,接触３６V以下的电压时,通过人体的电流不致超过５０mA,故把３６V的电压作为安全电压.工厂进行设备检修使用的手灯及机床照明一般都采用安全电压.在潮湿的环境中,安全电压还要低一些,通常是２４V和１２V.１７.３.２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(图１７-６).这时人体处于相电压下,危险较大.通过人体电流大小约为:上一页下一页返回１７.３安全用电式中:UP为电源相电压(２２０V);R０为接地电阻(≤４Ω);RP为人体电阻(１０００Ω).２)电源中性点不接地的单相触电人体接触某一相时,通过人体的电流取决于人体电阻RP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(R０较小),甚至有一相接地,这时人体中就有电流通过,如图１７-７所示.３)双相触电如图１７-８所示,为人体双相触电案例,这时人体处于线电压下,通过人体的电流为上一页下一页返回１７.３安全用电式中:Ul为电源线电压(３８０V);RP为人体电阻(１０００Ω).从计算的结果可以看出,双相触电比单相触电的后果更为严重.４)高压电弧触电高压电弧触电是指人靠近高压线(高压带电体),造成弧光放电而触电.电压越高,对人身的危险性越大,高压输电线路的电压高达几万伏甚至几十万伏,即使不直接接触,也能使人致命.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.为防止这种情况发生,对电气设备采用保护接地和保护接零的保护装置.上一页下一页返回１７.３安全用电３.跨步电压触电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.当人体接近接地点时,两脚之间承受跨步电压而触电,如图１７-９所示.跨步电压的大小与人和接地点的距离、两脚之间的跨距、接地电流大小等因素有关.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.１７.３.３触电的预防发生触电事故的原因是多方面的,但其中因疏忽大意或因对电器安全缺乏正确认识而引起的事故占据着相当大的百分比.为了有效地防止发生触电事故,保障人身及设备安全,必须严格用电制度,加强安全用电知识教育.针对触电事故发生的原因,为了保证使用者的人身安全及保证电气设备的正常运行,要求电气设备采取接地措施.上一页下一页返回１７.３安全用电接地是指将电气设备的某一部分通过接地装置同大地连接起来.接地装置由接地体和接地线组成,埋入地下直接与大地接触的金属导体,称为接地体,连接接地体和电气设备接地螺栓的金属导体称为接地线.接地体的对地电阻和接地线电阻的总和,称为接地装置的接地电阻.按照国家有关部门的规定,接地电阻的阻值应小于４～１０Ω.按接地目的的不同,接地主要可分为工作接地、保护接地和保护接零三种,如图１７-１０所示.１.工作接地采用三相四线制供电的电力系统将配电变压器的中性点接地,这种接地方式称为工作接地.从配电变压器(或发电机)的中性点引出的线叫中线(亦称工作零线).上一页下一页返回１７.３安全用电在中性点接地的系统中,发生单相接地后,将引起较大的单相接地短路电流,能使保护装置迅速动作,有效地切除故障设备.而在中性点不接地的系统中,一相接地时,由于导线和地面存在电容和绝缘电阻,产生的接地电流很小,不足以使保护装置动作,接地故障很难被发现,容易造成隐患,并且当一相接地,而人体触及另外两相之一时,人体所承受的触电电压将是线电压(相电压的３倍).但对于中性点接地的系统,在上述情况下,触电电压就降低到等于或接近相电压.与中性点不接地系统相比,触电电压降低了,因而可降低电气设备和输电线的绝缘水平,降低成本,节省了投资.上一页下一页返回１７.３安全用电２.保护接地保护接地是指为保证人身安全,防止人体接触设备外露部分而触电的一种接地形式.保护接地适用于中性点不接地的低压电网.在中性点不接地系统中,设备外露部分(金属外壳或金属构架),必须与大地进行可靠电气连接,即保护接地.将外壳接地,人体与接地体相当于电阻并联,流过每一通路的电流值将与其电阻的大小成反比.人体电阻通常为６００~１０００Ω,接地电阻通常小于４Ω,流过人体的电流很小,这样就完全能保证人体的安全.如图１７-１１为中性点接地系统采用保护接地的错误接地措施.保护接地的错误接地措施在中性点接地电网中,如果采用保护接地,当电气设备的绝缘损坏时,假设接地电阻R０＝R′０＝４Ω,相电压UP＝２２０V,则接地电流为上一页下一页返回１７.３安全用电此电压对人体不安全,因而在中性点接地的系统中,保护接地不能完全避免人体发送触电的危险,在此情况下应采用保护接零.３.保护接零保护接零是指在电源中性点接地的系统中,将设备需要接地的外露部分与电源中性线直接连接,相当于设备外露部分与大地进行了电气连接.当设备正常工作时,外露部分不带电,人体触及外壳相当于触及零线,无危险.当某一相绕组的绝缘损坏而与外壳相接时,就形成单相短路,迅速将这一相中的熔丝熔断,因而外壳便不再带电.即使在熔丝熔断前人体触及外壳时,也由于人体电阻远大于线路电阻,通过人体的电流也是极为微小的.采用保护接零时,应注意不能将保护接地和保护接零混用,而且中性点工作接地必须可靠.上一页下一页返回１７.３安全用电４.重复接地在中性点接地系统中,如果只采用保护接零措施,当零线在A处断开时,如果此时某一相绕组的绝缘损坏而与外壳相接时,就形成单相短路,对人体安全来说是很危险的.采用重复接地措施因此,为了避免不必要的损失,在中性点接地的系统中除了采用保护接零外,还要采用重复接地,如图１７-１２所示,就是将零线相隔一定距离多处进行接地.采用重复接地之后,多处重复接地的接地电阻并联,外壳对地电压大大降低,减小了危险程度.为了确保安全,零干线必须连接牢固,开关和熔断器不许装在零干线上,尽量避免中性线或接地线出现断线的现象.上一页下一页返回１７.３安全用电５.工作零线和保护零线在三相四线制系统中,由于负载往往不对称,工作零线(中线)通常有电流,因而工作零线对地电压不为零,距电源越远,电压越高,但一般在安全值以下,无危险性.为了能使保护的作用更安全,确保设备外壳对地电压为零,有关部门规定:在采用保护接零的同时,还应专设一条保护零线,如图１７-１３所示.工作零线在进建筑物入口处(配电盘)要接地,进户后再另设一保护零线,因此对三相用电设备供电时,将有五条入户线,即三条火线(相线)、一条中线、一条保护零线.对单相负载供电时,有三条入户线,即一条火线(相线)、一条中线、一条保护零线.所有接零设备都要通过三孔插座接到保护零线上.正常时,工作零线中有电流,保护零线中不应有电流.上一页返回１７.４节约用电工厂和企业在现代社会中是用电的主要用户,工厂企业的电能节约对于社会主义现代化经济的发展具有十分重要的战略意义,对于工厂企业来说,节约电能有利于减少成本、促进发展,同时,节约电能也是一项艰巨、长期的任务.对于工厂企业的节约用电工作,需要从技术设备和管理两个方面进行.１.技术设备合理选择设备容量,发挥设备潜力,