第一章 概论.docx

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第一章概论

工厂供用电

第一章概论-1-

§1－1工厂供电的意义、要求及课程任务-1-

§1－2工厂供电的有关知识-2-

一、工厂供电系统的概况-2-

二、发电厂和电力系统简介-5-

§1-3电力系统的电压-7-

一、概述-7-

二、额定电压和电压调整-8-

三、工厂供电系统配电电压的选择-13-

四、电压波动及其抑制-15-

五、高次谐波及其抑制-17-

§1-4电力系统的中性点运行方式-19-

一、概述-19-

二、电源中性点不接地电力系统-19-

三、电源中性点经消弧线圈接地的电力系统-21-

四、电源中性点直接接地的电力系统-23-

§1-5工厂供电设计的一般知识-25-

一、一般设计原则-25-

二、工厂供电设计的内容-25-

三、工厂供电设计的程序与要求-26-

思考题-28-

习题-29-

第一章概论

本章概述工厂供电的一些基本知识和基本问题。

首先简要说明工厂供电在工业生产中的作用、对工厂供电工作的基本要求以及本课程的任务，其次简介典型的各类工厂供电系统及发电厂、电力系统的基本知识，然后重点论述关系供电系统全局的两个基本问题，即电力系统的电压和电力系统的中性点运行方式，最后概述工厂供电设计的一般知识。

§1－1工厂供电的意义、要求及课程任务

工厂供电（electricpowersupplyforindustrialplants），就是指工厂所需电能的供应和分配问题。

众所周知，电能是现代工业生产的主要能源和动力。

电能即易于由其他形式的能量转换而来，又易于转换为其它形式的能量以供应用；它的输送和分配既简单经济，又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程自动化。

因此，电能在现代工业产生及整个国民经济生活中应用极为广泛。

在工厂里，电能虽然是工业产生的主要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重（除电化工业外）一般很小。

例如在机械工业在供电设备上的投资，也仅占产品成本的5%左右。

从投资额来看，有些机械工厂在供电设备上的投资，也仅占总投资的5%左右。

所以电能在工业生产中的重要性，并不在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重多少，而在于工业生产实现电气化以后，可以大大增加产量，提高产品质量，提高劳动生产率，降低生产成本，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，有利于实现生产过程自动化。

从另一方面来说，如果工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。

例如某些对供电可靠性要求很高的工厂，即使是极短时间的停电，也会引起重大的设备损坏，或引起大量产品报废，甚至可能发生重大的人身事故，给国家和人民带来经济上甚至政治上的重大损失。

因此，搞好工厂供电工作对于发展工业生产，实现工业现代化，具有十分重要的意义。

而能源节约对于国家经济建设是一项具有战略意义的工作，也是工厂供电工作的一项重要任务。

因此，搞好工厂供电工作，对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。

工厂供电工作要很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，并搞好能源节约，就必须达到一下基本要求：

1.安全——在电能的供应、分配和使用中，不应发生人身事故和设备事故。

2.可靠——应满足电能用户对供电可靠性的要求。

3.优质——应满足电能用户对电压质量和频率等方面的要求。

4.经济——供电系统的投资要少，运行费用要低，并即尽可能地节约电能和减少有色金属消耗量。

此外，在供电工作中，应合理的处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照顾局部和当前的利益，又要有全局观点，能顾全大局，适应发展。

例如计划供应电的问题，就不能只考虑一个单位的局部利益，更要有全局观念点。

本课程的任务，主要是讲述中小型机械类工厂内部的电能供应和分配问题，使学生初步掌握中小型工厂供电系统运行维护和设计计算所必须的基本理论和基本知识，为今后从事工厂供电技术工作奠定一定的基础。

§1－2工厂供电的有关知识

一、工厂供电系统的概况

一般中型工厂的电源进线电压是6～10kV，电能先经过高压配电所集中，再由高压配电线路将电能分送给各车间变电所。

车间变电所。

车间变电所内装设有电力变压器，将6～10kV的高压降低成一般用电设备所需的电压（如220/380V）然后低压配电线路将电能分送给各用电设备使用；而某些高压用电设备，则由高压配电所直接配电。

图1-1是一个比较典型的中型工厂供电系统的系统图。

图1-2是上述工厂供电系统的平面布线示意图。

为了使图形简单清晰，供电系统的系统图、平面布线图以及后面将大量涉及的主电路图，一般都只用一根线来表示三相线路，即绘成单线图（single-linediagram）的形式。

还必须说明，这里绘出的系统图末绘出各种开关电器（除母线和低压联络线上装设的开关外）。

图1-1中型工厂供电系统的系统图

绘制各种电气图，应遵循国家标准GB4728《电气图用图形符号》和GB6988《电气制图》等的有关规定。

要注意所有电气元件均按无电压、无外力作用的正常状态绘出。

从图1-1可以看出，这个厂的高压配电所有两条6~10可kV的电源进线，分别接在高压配电所的两段母线上。

这两面段母线间装有一个分段隔离开关，形成所谓“单母线分段制”。

在任一条电源进线发生故障或进行检修而被切除后，可以利用分段隔离开关来恢复对整个配电所（特别是其重要负荷）的供电，即分段隔离开关闭合后由另一

图1-2中型工厂供电系统的平面布线示意图

条电源进线供电给整个配电所。

但最常见的运行方式

是：

分段隔离开关通常闭合，整个配电所由一条电源进线供电（正常情况下由公共电网来电），而另一条电源进线备用（通常由邻近单位取得备用电源）。

这个高压配电所有四条高压配电线，

供电给三个车间变电所，其中No.1车间变电所No.3车间变电所都只装有一台电力变压器，而No.2车间变电所装有两台，并分别由两段母线供电，其低压侧又采用单母线分段制，因此对重要的用电设备可由两段母线交叉供电。

车间变电所的低压侧，设有低压联络线相互连接，以提高供电系统运行的可靠性和灵活性。

此外，该配电所有一条高压线，直接供电给一组高压电动机；另有一条高压线，直接与一组并联电容器相连。

No.3车间变电所低压母线上也连接有并联电容器。

这些并联电容器都是用来补偿无功功率，提出高功率因数用的。

对于小型工厂，一般只设一个简单的降压变电所，其容量只相当于图1-1中的一个车间变电所。

用电设备容量在250kW及以下的小型工厂，通常采用低压进线，因此只需用设置一个低压配电室就行了，其系统图如图1-3所示。

对于大型工厂及某些电源进线电压为35kV及以上的中型工厂，一般经过两次降压，也就是电源进厂以后，先经总降压变电所，其中装设有较大容量的电力变压器，将35kV及以上的电源电压降为6~10kV的配电电压，然后

通过高压配电线交电能送到各个车间变电所，也有的经高压配电所再送到某些车间变电所，最后降到一般低压用电设备所需的电压，其系统图如图1-4所示。

但也有的35kV进线的工厂，只经一次降压，直接降为低压，供用电设备使用。

这种供电方式，叫做高压深入负荷中心的直配电方式。

由以上分析可知，配电所的任务是接受电能和分配电能，变电所的任务是接受电能、变换电压和分配电能，而工厂供电系统实际上就是工厂的变配电系统，包括从电源进厂起到用电设备入端的整个电路。

二、发电厂和电力系统简介

由于电能的生产、输送、分配和使用的全过程，实际上是在同一瞬间实现的。

这个全过程中的各个环节是一个紧密联系的整体。

所以这里除了要简述工厂供电系统的概况外，还简介发电厂和电力系统的基本知识，使大家了解工厂供电系统电源方面的情况，有利于更好地作好工厂供电工作。

（一）发电厂

发电厂（powerplant）又称发电站，是将自然界蕴藏的各种一次能源转换为电能（二次能源）的工厂。

发电厂按它所利用的能源不同，可分为水力发电厂、火力发电厂、核能发电厂以及风力发电厂、太阳能发电厂等类型。

水力发电厂，简称水电厂或水电站。

它利用水流的位能来生产电能。

控制水流的闸门打开时：

水流沿进水管进入水轮机蜗壳室，冲动水轮机，带动发电机发电。

其能量转换过程是：

水流位能→机械能→电能。

由于水电站的发电量容量与水电站所在地点上下游的水位差（即落差，也称水头）和流过水电站水轮机的水量（即流量）的乘积成正比，所以建设水电站，必须用人工的办法来提高水位。

最常用的办法，就是在河流上建筑一个很高的拦河坝，形成水库，提高上游水位，使坝上下游形成尽可能大的落差。

电站就建在堤坝的后面。

这种水电站，叫做坝后式水电站。

我国一些大型水电站大都有属于这种类型。

另一种提高水位的办法，是在具有相当坡度的弯曲河段上游，筑一低坝，拦住河水，然后利用沟渠或隧道，将水直接引至建在河段末端的水电站，这种水电站，叫做引水式水电站。

还有一种水电站，是上述两种方式的综合，由高坝和引水渠道分别提高一部分水位。

这种水电站叫做混合式水电站。

火力发电厂，简称火力电厂或火电站。

它利用燃料的化学能来生产电能。

我国的火电厂以燃煤为主。

为了提高燃料效率，现代火电厂都有把煤块粉碎成煤粉燃烧。

煤粉在锅炉的炉膛内充分燃烧，将锅炉内的水烧成高温高压的蒸汽，推动汽轮机转动，使与它联轴的发电机旋转发电。

其能量转换过程是：

燃料的化学能→热能→机械能→电能。

现代火电厂一般都考虑了“三废”（废渣﹑废水﹑废汽）的综合利用，并且不仅发电，而且供热。

这种兼供热能的火电厂，称为热电厂或热电站。

核能发电厂又称为原子能发电厂，简称为核电厂或核电站。

它主要是利用原子核的裂变能来生产电能。

它的生产过程与火电厂基本相同，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：

核裂变能→热能→机械能→电能。

由于核能是极其巨大的能源，而且核电站的建设具有重要的经济和科研价值，所以世界上很多国家都很重视核电站的建设，核电发电量的比重正在逐年增长。

我国也确定要适当发展核电，并开始兴建一批大中型核电站。

（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造水电站，而在有燃料资源的地方建造火电厂。

但是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路进行远距离输电，如图1-5所示。

由各种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，叫做电力系统（powersystem）。

图1-6是一个大型电力系统的系统图。

电力系统中各级电压的电力线路及其联系的变电所，叫做电力网，简称电网（powernetwork）。

但习惯上，电网或系统往往按电压等级来区分，如说10kV电网或10KV系统。

这里所说的电网或系统，实际指的是某一电压的相互连接的整个电力线路。

电网可按电压高低和供电范围大小分为区域电网和地方电网。

区域电网的范围大，电压一般在220kV级以上。

地方电网的范围小，电压一般为35～110kV。

工厂供电系统就属于地方电网的一种。

建立大型电力系统，可以更经济合理地利用动力资源（首先是充分利用水力资源），减少电能损耗，降低发电成本，保证供电质量（即电压和频率合乎规范要求），并大大提高供电的可靠性，有利于整个国民经济的发展。

§1-3电力系统的电压

一、概述

电力系统中的所有电气设备，都是在一定的电压和频率下工作。

电力系统的电压和频率，直接影响电气设备的运行。

可以说，电压和频率是衡量电力系统电能质量的两个基本参数。

《全国供用电规则》（1983）规定，一般交流电力设备的额定频率（ratedfrequence）为50Hz，此频率一般称为“工频”，频率偏差一般不得超过±0.5Hz，如电力系统容量达3000MW或以上时，频率偏差不得超过±0.2Hz。

但是频率的调整主要依靠发电厂。

对于工厂供电系统来说，提高电能质量主要是提高电压质量的问题，因此这里主要讨论电力系统的电压。

电气设备都是设计在额定电压（ratedvoltage）下工作的。

电气设备的额定电压就是保证设备正常运行且能获得最佳经济效果的电压。

如果设备的端电压与其额定电压有偏差（即电压偏移，其定义是式后面式（1-1））时，则设备的工作性能和使用寿命将受到影响，总的经济效果将会下降。

（1）对感应电动机的影响当感应电动机的端电压比其额定电压低10％时，由于转矩与端电压平方成正比，因此其实际转矩将只有额定转矩的81％，而负荷电流将增大5～10％以上，温升将提高10~15%以上，绝缘老化程度将比规定增加一倍以上，从而明显地缩短电机的使用寿命。

而且由于转矩减小，转速下降，不仅会降低生产效率，减少产量，而且还会影响产品质量，增加废次品。

当其端电压偏高时，负荷电流和温升也一般也要增加，绝缘也要受损，对电机也是不利的，但不像电压偏低时那么严重。

（２）对同步电动机的影响　当同步电动机的端电压偏高或偏低时，转矩也要按电压平方成正比变化。

因此，同步电动机的端电压偏移，除了不会影响其转速外，其它如对转矩、电流和温升等的影响，是与感应电动机时相同的。

（３）对电光源的影响　电压偏移对白炽灯的影响最为显著。

当白炽灯的端电压降低10%时，灯泡的使用寿命将延长2~3倍，但发光效率将下降30%以上，灯光明显变暗，照度降低，严重影响人的视力健康，降低工作效率，还可能增加事故发生率。

当其端电压升高10%时，发光率将提高1/3，但其使用寿命将大大缩短，只有原来的1/3。

电压偏移对荧光灯等气体放电灯的影响不像对白炽灯那么明显，但也有一定的影响。

当其端电压偏低时，灯管不易起燃。

如果多次反复起燃，则灯管寿命将大受影响。

而且电压降低时，照度下降，影响视力或工作。

当其电压偏高时，灯管寿命又要缩短。

由此可见，电力系统的电压偏移对电气设备的影响很大，因此有必要研究电压调整问题，以使电气设备端电压的偏移在允许范围以内。

但是电压质量，有不单指电压偏移，而且包括电压波动以及电压波形是否畸变，即是否含有高次谐波成分，因此也需予以讨论。

下面先介绍我国三相交流电网和电力设备额定电压的国家标准及电压调整问题，然后讲述工厂供电系统高低压配电电压的选择，最后分别讨论电力系统中的电压波动和高次谐波问题。

二、额定电压和电压调整

（一）额定电压的国家标准

我国标准规定的三相交流电网和电力设备常用的额定电压，如表1-1所示。

下面结合此表分别对电网和各类电力设备的额定电压作一些说明。

表1-1　我国三相交流电网和电力设备的额定电压

分类

电网和用电设备额定电压

发电机额定电压

电力变压器额定电压/kV

kV

kV

一次绕组

二次绕组

低压

0.22

0.38

0.66

0.23

0.40

0.69

0.22

0.38

0.66

0.23

0.40

0.69

高压

3

6

10

—

35

3.15

6.3

10.5

13.8，15.75，18，20

—

3及3.15

6及6.3

10及10.5

13.8，15.75，18，20

35

3.15及3.3

6.3及6.6

10.5及11

—

38.5

（续）

分类

电网和用电设备额定电压

发电机额定电压

电力变压器额定电压/kV

kV

kV

一次绕组

二次绕组

高压

63

110

220

330

500

—

—

—

—

—

63

110

220

330

500

69

121

242

363

550

1.电网（电力线路）的额定电压

电网的额定电压等级是国家根据国民经济发展的需要及电力工业的水平，经全面的技术经济分析研究后确定的。

它是确定各类电力设备额定电压的基本依据。

2.用电设备的额定电压

由于用电设备运行时线路上要产生电压降，所以线路上各点的电压都略有不同，如图1-7中的虚线所示。

但是成批生产的用电设备，其额定电压不可能按使用处的实际电压来制造，而只能按线路首端与末端的平均电压即电网的额定电压UN来制造。

所以用电设备的额定电压规定与同级电网的额定电压相同。

3.发电机的额定电压

由于同一电压的线路一般允许的电压偏移是±5%，即整个线路允许有10%的电压损耗值，因此为了维持线路的平均电压在额定值，线路首端（即电源端）的电压应较电网额定电压高于5%，而线路末端则可较电网额定电压低5%，如图1-7所示。

所以发电机额定电压规定高于同级电网额定电压5%。

4.电力变压器的额定电压

（1）电力变压器一次绕组的额定电压分两种情况：

当变压器直接与发电机相连时，如图1-8中的变压器T1，其一次绕组额定电压应与发电机额定电压相同，即高于同级电网额定电压5%。

当变压器不与发电机相连，而是连接在线路上时，如图1-8中的变压器T2，则可看作是线路的用电设备，因此其一次绕组额定电压应与电网额定电压相同。

（2）电力变压器二次绕组的额定电压也分两种情况：

但首先要明确，变压器二次绕组的额定电压，是指变压器一次绕组加上额定电压而二次绕组开路的电压，即为空载电压；而在满载时，二次绕组内约有5%的阻抗电压降。

因此，如果变压器二次侧供电线路较长（如为较大的高压电网）时，则变压器二次侧额定电压；一方面要考虑补偿变压器满载时内部5%的电压降，另一方面要考虑变压器满载时输出的二次电压还要高于电网额定电压5%，以补偿线路上的电压降，所以它要比电网额定电压高10%，如图1-8中变压器T1。

如果变压器二次侧供电线路不太长（如为低压电网，或直接供电给高低压用电设备）时，则变压器二次绕组的额定电压，只需高于电网定电压5%，仅考虑补偿变压器内部的5%的电压降，如图1-8中变压器T2。

（二）允许的电压偏移及电压调整的措施

按照《工业与民用供配系统设计规范》（GBJ52修订本）规定：

正常运行情况下，用电设备端子处电压偏移的允许值为

电动机±5%；

照明灯在一般工作场所±5%；在视觉要求较高的屋内场所+5%、-2.5%；在远离变电所的小面积一般工作场所，难以满足上述要求时，+5%、-10%；

其他用电设备无特殊规定时±5%。

这里所说的电压偏移是以额定电压的百分值来表示的，即

（1-1）

式中△U——电压偏移；

U——设备的端电压；

UN——设备的额定电压。

为了满足用电设备对电压的偏移的要求，工厂供电系统必须采取相应的电压调整措施：

（1）正确选择无载调压型变压器的电压分接头或采用有载调压型变压器。

我国工厂供电系统中应用的6～10kV电力变压器，一般为无载调压型，其高压绕组（即一次绕组）有UN±5%的电压分接头,并装设有无载调压分接开关，如图1-9所示。

如果设备端电压偏高，则应将分接开关换接到+5%的分接头，以降低设备端电压。

如设备端电压偏低，则应将分接开关换接到-5%的分接头，以升高设备端电压。

但这只是改变了用电设备端的电压水平，使之更接近于设备的额定电压，从而缩小电压偏移的范围。

如果用电负荷中有的设备对电压要求严格，采用无载调压型变压器满足不了要求而这些设备单独装设调压装置在技术经济上又为合理时，可采用有载调压型变压器，使之在负荷情况下自动地调节电压，保证设备端电压的稳定。

（2）合理地减少系统的阻抗供配电系统中电压损耗是与其中各元件（包括变压器和线路）的阻抗成正比的。

因此，可考虑减少系统的变压级数，增大导线或电缆的截面，或以达到电压调整的目的。

但是增大导线或电缆截面以及采用电缆供电，要增加线路投资，所以应作技术经济的分析比较，合理时才宜于采用。

（3）尽量使系统的三相负荷均衡在有中性线的低压配电系统中，如三相负荷分布不均衡，则将使负荷中性点电位偏移，造成有的相电压升高，从而增大了线路电压偏移。

为此，应使三相负荷分布尽可能地均衡，以降低电压偏移。

（4）合理地改变系统的运行方式在生产为一班制或两班制的工厂中，工作班的时间内，负荷重，往往电压偏低，因而需要将变压器高压线圈的分接头调在-5%的位置上。

但这样一来，到夜间负荷轻时，电压就会过高。

这时如能切除变压器，改用低压联络线供电（参看图1-1），既可减少这台变压器的电能损耗，又可由于投入低压联络线而增加线路的电压损耗，从而降低所出现的过高电压。

对于两台变压器并列运行的变电所，在负荷轻时切除一台变压器，同样可起到降低过高电压的作用。

（5）采用无功功率的补偿装置系统中由于存在大量的感性负荷（如感应电动机、高频炉、荧光灯等等），加上系统中感抗很大的变压器，从而使系统产生大量相位滞后的无功功率，降低功率因数，增加系统的电压损耗。

为了提高功率因数，降低系统的电压损耗，可采用并联电容器或同步补偿机，使之产生相位超前的无功功率，以补偿一部分相位滞后的无功功率。

这些专用于补偿无功功率的并联电容器和同步补偿机，统称为无功补偿设备。

由于采用并联电容器补偿较之采用同步补偿有更大的优越性，因此并联电容器在工厂供电系统中获得了广泛的应用，这将在后面进一步讨论。

不过也必须指出，采用专门的无功补偿设备，虽然电压调整的效果显著，但是毕竟增加额外投资，因此在进行电压调整时，首先应考虑前面所述的各项措施，以提高供电系统的经济效果。

三、工厂供电系统配电电压的选择

（一）高压配电电压的选择

工厂供电系统的高压配电电压，主要取决于当地供电电源电压及工厂高压用电设备的电压和容量、数量等因素。

工厂采用的高压配电电压通常为6～10kV。

从技术经济指标来看，最好采用10kV。

由于电压越高，在同样的输送功率和输送距离条件下，线路电流越小，所以电压越高的线路采用的导线或电缆截面越小，从而可减少线路的初投资和有色金属消耗量，且可减少线路的电能损耗和电压损耗。

而实际使用的6kV开关设备的型号规格与10kV的基本上是相同的，因此采用10kV电压级后，在开关设备的投资方面也不会比采用6kV电压级有多少增加。

另外，从供电的安全性和可靠性来说，6kV与10kV也差不多。

而从适应发展来说，10kV还优于6kV。

由表1-2所列各级电压线路合理的输送功率和输送距离可以看出，采用10kV电压较之采用6kV电压更适应于发展，输送功率更大，输送距离更远。

至于配电电压级对用电设备配电的适应性问题，则取决于用电设备本身。

如果工厂拥有相当数量的6kV用电设备，或者供电电源的电压就是6kV（例如工厂直接从邻近发电厂的6.3kV母线取得电源），则可考虑采用6kV电压作为工厂的高压配电电压。

如果不是这种情况，6kV用电设备数量不多，则应选择10kV作为工厂的高压配电电压，而6kV設备可通过专用的10／6.3kV的变压器单独供电。

3kV作为高压配电电压的技术经济指标很差，不能采用。

如果工厂有3kV用电设备时，也可采用10／3.15kV的变压器单独供电。

表1－2各级电压电力线路合理的输送功率和输送距离

线路电压/kV

线路结构

输送功率/kW

输送距离/kM

0.38

0.38

6

6

10

10

35

63

110

220

架空线

电缆线

架空线

电缆线

架空线

电缆线

架空线架空线

架空线

架空线

≤100

≤175

≤2000

≤3000

≤5000

2000～15000

3500～30000

10000～50000

100000～500000

≤0.25

≤0.35

3～10

≤8

5～15

≤10

20～50

3100

50～150

200～300

如果当地的电源电压为35kV，而厂区环境条件和设备条件又允许采用35kV架空线路和较经济的电气设备时，则可考虑采用35kV作为高压配电电压深入工厂各车间负荷中心，并经车间变电所直接降为低压用电设备所需的电压。

这种高压深入负荷