电工技术-第十章

10.1发电和输电概述10.1.1发电发电厂是电力系统中的电能生产环节,其功能是将一次能源(如煤、石油、水力、天然气等天然能源)转换为电能。发电厂按照所利用的能源种类可分为火电厂、水电厂、核电厂及其他类型(风能、太阳能、地热能等几种)的发电厂。火电厂利用锅炉和汽轮机将煤、石油和天然气的化学能转换为机械能,再利用发电机将机械能变为电能。在我国,火电厂中以煤电厂为主,约占85%。图10-1为煤电厂生产过程示意图。水电厂利用拦河坝将水位抬高形成水流落差,冲动水轮机将水的势图10-1煤电厂生产过程示意图能转换为机械能,再利用发电机将机械能变为电能。图10-2为水电厂生产过程示意图。截至2013年底,我国全国火电总装机容量约为8.6亿kW,水电总装机容量约为2.8亿kW。核电厂利用核反应堆,使铀235核裂变和重氢核聚变产生热能带动汽轮机,再带动发电机发电。下一页返回10.1发电和输电概述图10-3为核电厂生产过程示意图。我国核电厂正处于发展阶段,目前已建成浙江秦山、广东大亚湾和江苏田湾三个核电基地。截至2013年底,我国共有17台核电机组相继运行,总装机容量约1475万千瓦。各种发电厂中的发电机几乎都是三相同步发电机,由定子和转子两个基本部分组成。定子由机座、铁心和三相绕组等组成,与三相异步电动机或三相同步电动机的定子基本一样。同步发电机的定子常称为电枢。上一页下一页返回10.1发电和输电概述同步发电机的转子绕有励磁绕组,直流励磁电流通入励磁绕组产生磁极,分为凸极和隐极两种。按磁极凸、隐划分,将发电机分为凸极发电机和隐极发电机,如图10-4所示。目前已采用半导体励磁系统,即将交流励磁机(也是一台三相发电机)的三相交流经三相半导体整流器变换为直流,供励磁用。发电机产生三相对称电压的原理在三相电路一章中讲述过。凸极式同步发电机的结构较为简单,但是机械强度较低,宜用于低速(通常n=1000r/min以下)。水轮发电机(原动机为水轮机)和柴油发电机(原动机为柴油机)皆为凸极式。例如,安装在三峡电站的国产700MW水轮发电机的转速为75r/min(极数为80),其单机容量是目前世界上最大的。隐极式同步发电机的制造工艺较为复杂,但是机械强度较高,宜用于高速(n=3000或1500r/min)。汽轮发电机(原动机为汽轮机)多半是隐极式的。上一页下一页返回10.1发电和输电概述国产三相同步发电机的电压等级有400V/230V3.15kV,6.3kV,10.5kV,13.8kV,15.75kV,18kV及20kV等多种。10.1.2输电大、中型发电厂大多建在产煤地区或水力资源丰富的地区附近,距离用电地区往往是几十公里、几百公里甚至一千公里以上。所以,发电厂生产的电能要用高压输电输送到负荷中心,再经较低电压等级的电压输送至各用户。输电的主要设备是变压器和输电线路,为了保证输电的经济性,减少输电损耗,采用高压输电;同时,为了保证供电的可靠、持续性和发电机组的稳定性,提高各发电厂的设备利用率,合理调配各发电厂的负载,同一电压等级的输电线相互连接形成网状,称为电力网。上一页下一页返回10.1发电和输电概述除交流输电外,还有直流输电,其结构原理如图10-5所示。整流是将交流变换为直流,逆变则反之。直流输电的能耗较小,无线电干扰较小,输电线路造价也较低,但逆变和整流部分较为复杂。目前,我国已建成投运多条±800kV线路,仅贵州就有两条向广西、广东送电。从高压输电到低压配电用电,电力系统分为多个电压等级,我国规定的国家标准额定电压等级为0.4kV、3kV、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV、1000kV。目前,国内电力系统的最高电压等级为1000kV,额定频率为50Hz。发电、变电(电压变换)、输电、用电这一连续过程的电器设备构成一个统一的整体,成为电力系统。图10-6为电力系统和电力网络示意图。上一页返回10.2工业企业配电10.2.1配电系统配电系统是电力系统的重要组成部分,由不同电压等级的配电线路、变压器和开关组成。按电压等级分为高压配电系统(35~110kV)、中压配电系统(6~10kV)、低压配电系统(220~380V);按供电区域分为城市配电网、农村配电网和工业企业配电网。图10-7为配电系统示意图。下一页返回10.2工业企业配电工业企业配电系统在电力系统中相当于一个电力负荷,从输电线末端的变电所将电能分配给各工业企业和城市。工业企业设有中央变电所和车间变电所(小规模的企业往往只有一个变电所,甚至一个变压器)。中央变电所接收送来的电能,然后分配到各个车间,再由车间变电所或配电箱(配电屏)将电能分配给各用电设备。高压配电系统的额定电压有35kV、110kV;中压配电系统的额定电压有3kV、6kV和10kV3种;低压配电线的额定电压是380V/220V。用电设备的额定电压多半是220V和380V,大功率电动机有电压是3000V和6000V的,机床局部照明的电压是36V。上一页下一页返回10.2工业企业配电10.2.2配电系统的接线不管是高压配电网、中压配电网,还是低压配电网,其接线方式根据供电可靠性的要求分为有备用和无备用两大类。如图10-8所示,图10-8a、b、c是无备用接线方式,图10-8d~h是有备用接线方式。从车间变电所或配电箱(配电屏)到用电设备的线路属于低压配电线路。低压配电线路的连接方式主要是放射式(见图10-9)和树干式(见图10-10)两种。当负载点比较分散而各个负载点又具有相当大的集中负载时,则采用放射式配电线路较为合适。上一页下一页返回10.2工业企业配电在下述情况下采用树干式配电线路:1)负载集中,同时各个负载点位于变电所或配电箱的同一侧,其距离较短,如图10-10a所示。2)负载比较均匀地分布在一条线上,如图10-10b所示。放射式和树干式这两种配电线路现在都被采用。放射式供电可靠,但敷设投资较高。树干式供电可靠性较低,因为一旦干线损坏或需要修理时,就会影响连在同一干线上的负载,但是树干式灵活性较大。另外,放射式与树干式比较,前者导线细,但是线路长,而后者则相反。上一页返回10.3安全用电10.3.1电流对人体的危害不慎触及带电体而发生的触电事故,会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,使内部器官组织受到损伤。如果受害者不能迅速摆脱带电体,最后会造成死亡事故。电伤是指在电弧作用下或熔丝熔断时,对人体外部造成的伤害,如烧伤、金属溅伤等。大量触电事故资料的分析和实验证实,电击所引起的伤害程度与下列各种因素有关。下一页返回10.3安全用电1.人体电阻的大小人体的电阻越大,通入的电流越小,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.电流通过时间的长短电流通过人体的时间越长,则伤害越严重。3.电流的大小如果通过人体的电流在0.05A以上,就有生命危险。一般说,接触36V以下的电压时,通过人体的电流不致超过0.05A,故把36V的电压作为安全电压。如果在潮湿的场所,安全电压还要规定得低一些,通常是24V和12V。上一页下一页返回10.3安全用电4.电流的频率直流和频率为工频50Hz左右的交流对人体的伤害最大,而20kHz以上的交流对人体无危害,高频电流还可以治疗某些疾病。此外,电击后的伤害程度还与电流通过人体的路径以及带电体接触的面积和压力等有关。10.3.2触电方式1.接触正常带电体1)电源中性点接地系统的单相触电,如图10-11所示。这时人体处于相电压之下,危害性较大。如果人体与地面的绝缘较好,危害性可以大大减小。上一页下一页返回10.3安全用电2)电源中性点不接地系统的单相触电,如图10-12所示。这种触电也有危险。乍看起来,似乎电源中性点不接地,不能构成电流通过人体的回路。其实不然,要考虑导线与地面间的绝缘可能不良(对地绝缘电阻为R'),甚至有一相接地,在这种情况下人体中就有电流通过。在交流的情况下,导线与地面间存在的电容也可构成电流的通路。3)两相触电,如图10-13所示,人体处于线电压下,后果比单相触电严重,但这种情况不常见。上一页下一页返回10.3安全用电2.接触正常不带电的金属体触电的另一种情形是接触正常不带电的部分。譬如,电机的外壳本来是不带电的,由于绕组绝缘损坏而与外壳相接触,使它也带电。人手触及带电的电机(或其他电气设备)外壳,相当于单相触电,如图10-14所示。大多数触电事故属于这一种。为了防止这种触电事故,对电气设备常采用保护接地和保护接零(接中性线)的保护装置。10.3.3接地和接零为了人身安全、设备安全和电力系统工作的需要,电气设备应采取接地措施。按接地目的的不同,主要可分为工作接地、保护接地和保护接零3种,如图10-15所示。图中的接地体是埋入地中并且直接与大地接触的金属导体。上一页下一页返回10.3安全用电1.工作接地电力系统由于运行和安全的需要,常将中性点接地,这种接地方式称为工作接地。工作接地有下列目的。(1)降低触电电压在中性点不接地的系统中,当一相接地而人体触及另外两相之一时,触电电压将为相电压的3倍,即为线电压。而在中性点接地的系统中,则在上述情况下,触电电压就降低到等于或接近相电压。上一页下一页返回10.3安全用电(2)迅速切断故障设备在中性点不接地的系统中,当一相接地时,接地电流很小(因为导线和地面间存在电容和绝缘电阻,也可构成电流的通路),不足以使保护装置动作而切断电源,接地故障不易被发现,将长时间持续下去,形成安全隐患。而在中性点接地的系统中,一相接地后的接地电流较大(接近单相短路),保护装置能够迅速动作,断开故障点。(3)降低电气设备对地的绝缘水平在中性点不接地的系统中,一相接地时将使另外两相的对地电压升高到线电压。而在中性点接地的系统中,一相接地时就不会跳闸而发生停电事故。另外,一相接地故障可以允许短时存在,以便寻找故障和修复。上一页下一页返回10.3安全用电2.保护接地保护接地就是将电气设备的金属外壳(正常情况下是不带电的)接地,宜用于中性点不接地的低压系统中。图10-16a是电动机的保护接地电流分布图,可分两种情况来分析。1)当电动机某一相绕组的绝缘损坏使外壳带电而外壳接地的情况下,人体触及外壳,相当于单相触电。这时接地电流Ie(经过故障点流入地中的电流)的大小决定于人体电阻Rb

和绝缘电阻R'。当系统的绝缘性能下降时,就有触电的危险。2)当电动机某一相绕组的绝缘损坏使外壳带电而外壳接地的情况下,人体触及外壳时,由于人体的电阻Rb与接地电阻R0并联,而通常Rb≫R0,所以通过人体的电流很小,不会有危险。这就是保护接地保证人身安全的原理。上一页下一页返回10.3安全用电3.保护接零保护接零就是将电气设备的金属外壳接到零线(或中性线)上,宜用于中性点接地的低压系统中。图10-16b所示的是电动机的保护接零电流分布图。当电动机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,因而外壳不带电。即使在熔丝熔断前人体触及外壳时,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。为什么在中性点接地的系统中不采用保护接地呢?因为若采用保护接地时,当电气设备的绝缘损坏时,接地电流为上一页下一页返回10.3安全用电4.保护接零与重复接地在中性点接地系统中,除采用保护接零外,还要采用重复接地,就是将零线相隔一定距离多处进行接地,如图10-17所示。这样,在图中当零线在×处断开而电动机一相碰壳时:1)如无重复接地,人体触及外壳,相当于单相触电,是有危险的(见图10-11)。2)如有重复接地,由于多处重复接地的接地电阻并联,使外壳对地电压大大降低,减小了危险程度。上一页下一页返回10.3安全用电为了确保安全,零干线必须连接牢固,开关和熔断器不允许装在零干线上。但引入住宅和办公场所的一根相线和一根零线上一般都装有双刀开关,并都装有熔断器(见图10-18)以增加短路时熔断的机会。5.工作零线与保护零线在三相四线制系统中,由于负载往往不对称,零线中有电流,因而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。为了确保设备外壳对地电压为零,专设保护零线E,如图10-18所示。工作零线在进建筑物入口处要接地,进户后再另设一保护零线,这样就成为三相五线制。所有的接零设备都要通过三孔插座(L、N、E)接到保护零线上。在正常工作时,工作零线中有电流,保护零线中不应有电流。上一页下一页返回10.3安全用电10.3.4电气防火防爆电气设备发生事故时,很容易造成火灾或爆炸。电气线路、开关、熔丝、照明器具、电动机、电炉及电热器具等设备在出现事故或使用不当时,会产生电火花、电弧或发热量大大增加,此时当接近或接触可燃物体,就会引起火灾。电力变压器、互感器、电力电容器等设备,除可能引起火灾以外,还可能发生爆炸。一般来说引起电气火花或爆炸主要有这样一些原因:电气设备内部出现短路;电气设备严重过载;电路中的触点接触不良;电气设备或线路的绝缘损坏或老化;电气设备中的散热部件或通风设施损坏等。上一页下一页返回10.3安全用电对于有火灾或爆炸危险的场所,在选用和安装设备时,应选择合理的类型,如防爆型、密封型、防尘型等。为防止火灾或爆炸,应严格遵守安全操作规程和相关规定,确保电气设备的安全、正常运行。同时,安排定期检查,确保通风良好,排除事故隐患;装设通用或专用消防设备。10.3.5静电的防护静电荷的积累堆积形成静电,电荷越多电位越高。绝缘体之间相互的摩擦会产生静电,日常生活中静电现象一般不会造成危害。上一页下一页返回10.3安全用电工业上有不少场合会产生静电,如石油、塑料、化纤、纸张等在生产和运输的过程中,由于固体的摩擦、气