第一章 供配电的基础知识.docx
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第一章供配电的基础知识
第一章供配电技术的基本知识
供配电系统是电力系统的电能用户，因此，了解和掌握电力系统和供配电系统的概念、电力系统的额定电压、电力系统中性点的运行方式、电能的质量指标和电力负荷等基本知识，对学习供配电技术是很重要的。
1.1电力系统和供配电系统概述
电能是一种使用方便、清洁的二次能源。
由于电能不仅便于输送和分配，易于转换为其它的能源，而且便于控制、管理和调度，易于实现自动化，因此，电能已广泛应用于国民经济、社会生产和人民生活的各个方面。
绝大多数电能都由电力系统中发电厂提供，到2003年底，我国发电机装机容量达38450万千瓦，发电量达19080亿度，居世界第2位。
工业用电量已占全部用电量的50～70%，是电力系统的最大电能用户，供配电系统的任务就是用户所需电能的供应和分配，供配电系统是电力系统的重要组成部分。
用户所需的电能，绝大多数是由公共电力系统供给的，故在介绍供配电系统之前，先介绍电力系统的知识。
1.1.1动力系统、电力系统、电力网
电能的生产、输送、分配和使用的全过程，实际上是同时进行、在同一时间完成，但不能大量储存，因此各环节必须连成一个整体，即发电厂任何时刻生产的电能等于该时刻用电设备消耗的电能与输送、分配中损耗的电能之和。
1.电力系统
电力系统是由发电厂、变电所、电力线路和电能用户组成的一个整体，它的功能是完成电能的生产、输送和分配。
电力系统的发电厂并列运行，共同向电力系统提供电能。
电力系统示意图，如图1-1所示。
图1-1电力系统示意图
2.电力网络（或电网）
电网是指电力系统中除发电机和用电设备之外的部分，即电力系统中各级电压的电力线路及其联系的变配电所，它的功能是输送和分配电能。
（1）区域电网和地方电网
电力网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以上。
地方电网的范围小，最高电压不超过110kV，地方电网又分城市电网（城网）、农村电网（农网）。
（2）开式电网和闭式电网
电力网按其结构方式可分为开式电网和闭式电网。
用户从单方向得到电能的电网称为开式电网；用户从两个及两个以上（多端）方向得到电能的电网称为闭式电网。
（3）低压和高压电网
电力网按电压等级分为低压（1kV及以下）电网、高压（1~330kV电网）、超高压（330~1000kV）电网和特高压（1000kV以上）电网几种
3.动力系统
动力系统是指电力系统加上发电厂的“动力部分”，所谓“动力部分”，包括水力发电厂的水库、水轮机，热力发电厂的锅炉、汽轮机、热力网和用电设备，以及核电厂的反应堆等等，它是将电能、热能的生产与消费联系起来的纽带。
电力网络是电力系统的一个组成部分，而电力系统又是动力系统的一个组成部分，这三者的关系示意图，如图1-2所示。
（a）动力系统、电力系统、电力网关系图
（b）动力系统各模块单元图
图1-2动力系统、电力系统、电力网示意图
为了能充分利用动力资源，降低发电成本，发电厂往往远离城市和电能用户，例如，火力发电厂大都建在靠近一次能源的地区，水力发电厂建在水利资源丰富的远离城市的地方，核能发电厂厂址也受种种条件限制。
因此，这就需要输送和分配电能，将发电厂发出的电能经过升压、输送、降压和分配，送到用户，如图1-3所示。
图1-2从发电厂到用户的发、输、配电过程
（1）发电厂
发电厂将一次能源转换成电能。
（2）变电所
变电所的功能是接受电能、变换电压和分配电能。
为了实现电能的远距离输送和将电能分配到用户，需将发电机电压进行多次电压变换，这个任务由变电所完成。
变电所由电力变压器、配电装置和二次装置等构成。
按变电所的性质和任务不同，可分为升压变电所和降压变电所，除与发电机相连的变电所为升压变电所外，其余均为降压变电所。
按变电所的地位和作用不同，又分为枢纽变电所、地区变电所和一般变电所。
①枢纽变电所
枢纽变电所的一次电压通常为330kV和500kV，二次电压为220kV或1lOkV。
②地区重要变电所
地区重要变电所的一次电压通常为220kV和330kV，二次电压为1lOkV、35kV或lOkV。
③一般变电所
一般变电所的一次电压大多是1lOkV，二次电压为lOkV或以下等级。
为了提高系统的供电质量，通常变电所一般应建在负荷中心，并尽可能靠近用电多的地方。
如果变电所远离用户，不仅电能损耗大，造成用户端电压不足，而且频率会不稳定，影响供电质量。
仅用于接受电能和分配电能的场所称为配电所，而仅用于将交流电流转换为直流电流或反之的电流变换场所称为换流站。
变电所中主要设备有变压器T、母线WB、断路器QF、隔离开关QS等，如图1-3所示，其他还有保护和测量装置以及所用电操作电源等设备。
母线是汇集受电电源和配出负荷线路的设备，常用的母线材料是钢芯铝绞线和矩形铝板。
断路器用作线路主开关，有性能较好的灭弧装置，用来切、合负荷及事故电流，决定线路的运行状态。
隔离开关因没有灭弧装置，不能切断负荷电流和事故（短路等）电流，故主要在检修等情况下用来隔离电源，通过其明显的断口结构，保证操作人员的安全。
图1－3 变电所的主要设备及符号
（3）电力线路
电力线路将发电厂、变电所和电能用户联接起来，完成输送电能和分配电能的任务。
电力线路有各种不同的电压等级。
①输电线路
220kV及以上的电力线路称输电线路。
②配电线路
110kV及以下的电力线路称为配电线路。
配电线路又分为高压配电线路（110kV）、中压配电线路（35～6kV）和低压配电线路（380/220V）。
高压配电线路一般作为城市配电网骨架和特大型企业供电线路；中压配电线路为城市主要配网和大中型企业供电线路；低压配电线路一般为城市和企业的低压配网。
除了上述交流输电线路，还有直流输电线路。
直流输电主要用于远距离输电，连接两个不同频率的电网和向大城市供电。
它具有线路造价低、损耗小、调节控制迅速简便和无稳定性问题等优点，但换流站造价高。
（4）电能用户
电能用户又称电力负荷，所有消耗电能的用电设备或用电单位称为电能用户。
电能用户按行业可分为工业用户、农业用户、市政商业用户和居民用户等。
与电力系统相关联还有电网，电网是指电力系统中除发电厂和电能用户外的部分。
1.1.2供配电系统
供配电系统是电力系统的电能用户，也是电力系统的重要组成部分。
它由总降变电所、高压配电所、配电线路、车间变电所或建筑物变电所和用电设备组成。
图1-4是供配电系统结构框图。
图1-4供配电系统结构框图
（1）总降变电所
总降变电所为企业电能供应的枢纽。
它将35kV～110kV的外部供电电源电压降为6～10kV高压配电电压，供给高压配电所、车间变电所和高压用电设备使用。
（2）高压配电所
高压配电所集中接受6～10kV电源电压，再分配到附近各车间变电所或建筑物变电所和高压用电设备。
一般负荷分散、厂区大的大型企业设置高压配电所。
（3）配电线路
配电线路分为6～10kV厂内高压配电线路和380/220V厂内低压配电线路。
高压配电线路将总降变电所与高压配电所、车间变电所或建筑物变电所和高压用电设备联接起来。
低压配电线路将车间变电所的380/220V电压送各低压用电设备。
（4）车间变电所或建筑物变电所
车间变电所或建筑物变电所将6～10kV电压降为380/220V电压，供低压用电设备用。
（5）用电设备
用电设备按用途可分为动力用电设备、工艺用电设备、电热用电设备、试验用电设备和照明用电设备等。
应当指出，对于某个具体的供配电系统，可能上述各部分都有，也可能只有其中的几个部分，这主要取决于电力负荷的大小和厂区的大小。
不同的供配电系统，不仅组成不完全相同，而且相同部分的构成也会有较大的差异。
通常大型企业都设总降变电所，中小型企业仅设全厂6～10kV变电所或配电所，某些特别重要的企业还设自备发电厂作为备用电源。
下面分别介绍几种不同类型的供配电系统。
1.一次变压的供配电系统
（1）只有一个变电所的一次变压供配电系统。
对于用电量较少的小型工厂或生活区，通常只设一个将6～10kV电压降为380／220V
电压的变电所，这种变电所通常称为车间变电所。
图1-5（a）所示为装有一台电力变压器的车间变电所，图1-5（b）所示为装有两台电力变压器的车间变电所。
（a）装有一台变压器的变电所（b）装有两台变压器的变电所
图1-5有一个降压变电所的一次变压供配电系统
（2）拥有高压配电所的一次变压供配电系统。
一般中、小型工厂，多采用6～10kV电源进线，经高压配电所将电能分配给各个车间变电所，由车间变电所再将6～10kV电压降至380／220V，供低压用电设备使用；同时，高压用电设备直接由高压配电所的6～l0kV母线供电，如图1-6所示。
（a）供电系统简图
（b）供电系统平面布线图
图1-6具有高压配电所的供配电系统
（3）高压深入负荷中心的一次变压供配电系统。
某些中小型工厂，如果本地电源电压为35kV，且工厂的各种条件允许时，可直接采用35kV作为配电电压，将35kV线路直接引入靠近负荷中心的工厂车间变电所，再由车间变电所一次变压为380／220V，供低压用电设备使用。
图1-7所示的这种高压深入负荷中心的一次变压供配电方式，可节省一级中间变压，从，而简化了供配电系统，节约有色金属，降低电能损耗和电压损耗，提高了供电质量，而且有利于工厂电力负荷的发展。
图1-7高压深入负荷中心的供配电系统
2.二次变压的供配电系统
大型工厂和某些电力负荷较大的中型工厂，一般采用具有总降压变电所的二次变压供电系统，如图1-8所示。
该供配电系统，一般采用35～110kV电源进线，先经过工厂总降压变电所，将35～110kV的电源电压降至6—10kV，然后经过高压配电线路将电能送到各车间变电所，再将6～l0kV的电压降至380／220V，供低压用电设备使用；高压用电设备则直接由总降压变电所的6～l0kV母线供电。
这种供配电方式称为二次变压的供配电方式。
图1-8二次变压的供配电系统
3．低压供配电系统
某些无高压用电设备且用电设备总容量较小的小型工厂，有时也直接采用380／220V低压电源进线，只需设置一个低压配电室，将电能直接分配给各车间低压用电设备使用，如图1-9所示。
图1-9低压进线的供配电系统
1.2发电厂简介
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。
根据发电厂所利用的一次能源的不同，有火力发电厂、水力发电厂和核能发电厂，此外，还有风力发电厂、地热发电厂、潮汐发电厂和太阳能发电厂等类型。
1.火力发电厂
火力发电厂简称火电厂，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。
为了提高燃煤效率，都将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，推动汽轮机叶片旋转，带动发电机旋转发电，煤产生的废气从烟囱排出，火力发电的模型，如图1-10所示。
图1-10火力发电的模型
火力发电能量转换过程是：
火力发电能量转换过程，如图1-11所示。
图1-11火力发电能量转换过程
现代火电厂一般都根据环保要求，考虑了“三废”（废水、废汽、废渣）的综合利用；有的不仅发电，而且供热。
兼供热能的火电厂，称为热电厂。
热力发电能量转换过程，如图1-11所示。
图1-11热力发电能量转换过程
2.水力发电厂
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。
当控制水流的闸门
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：
水力发电的过程，如图1-12所示。
图1-12水力发电的过程
由于水电站的发电容量与水电站所在地点上下游的水位差（即落差，又称水头）及流过水轮机的水量（即流量）的乘积成正比，所以建造水电站，必须用人工的办法来提高水位。
最常用的提高水位的办法，是在河流上建筑一道很高的拦河坝，形成水库，提高上游水位，使坝的上下游形成尽可能大的落差，电站就建在堤坝的后面。
这类水电站，称为坝后式水电站。
我国一些大型水电站包括正在建设中的长江三峡水电站都属于这种类型。
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，将上游水流直接引至建在弯曲河段末端的水电站。
这类水电站，称为引水式水电站。
还有一类水电站，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。
这类水电站，称为混合式水电站。
3．核能发电厂
核能（原子能）发电厂通称核电站，它主要是利用原子核的裂变能来生产电能。
其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）代替燃煤锅炉，以少量的核燃料代替大量的煤炭，核子反应炉心内的釉原料分裂产生巨大热能，气体或液体冷却剂可将这些热量带到蒸汽发电机。
压水式核子反应炉是核能发电厂最常用的反应炉，这种反应炉以水作为冷却剂，其模型，如图1-13所示
（a）外壳模型（b）内部结构模型
图1-13压水式核子反应炉模型
其能量转换过程是：
其核裂变过程，当中子撞击铀原子核的原子时，会产生核裂变，原子核会分裂成碎片而释放出大量能量，分裂的结果又产生更多中子，因此造成更多的铀原子分裂，连锁分裂反应产生，巨大的能量也因此产生。
如图1-14所示。
图1-14核裂变过程
由于核能是巨大的能源，而且核电也是相当安全和清洁的能源，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的比重逐年增长，我国在20世纪80年代就确定
要适当发展核电，并已陆续兴建了秦山、大亚湾、岭澳等几座大型核电站。
4．风力发电厂
风力发电厂利用风力的动能来生产电能。
它建在有丰富风力资源的地方。
电力电子技术在风力发电技术中起到了重要作用，尤其是电力电子技术对于恒定速度／可变速度风力涡轮机和与电网的接口技术至关重要。
变速风力发电动机组根据风速变化，使机组保持最佳叶尖速比，从而获得最大风能，另外变速风力发电动机组与电网实现了柔性连接，大大减少了机械冲击和对电网的冲击，采用变速风力发电动机组已成为风力发电动机组的主流。
（1）同步发电动机并网系统
同步发电动机的转速和电网频率是硬性连接，可是风力资源有较大的随机性，因此，发动机和电网之间使用交流-直流-交流变换器可使风机在较大转速范围内运行，交流—直流—交流同步风力发电系统，如图1-15所示。
图1-15交流—直流—交流同步风力发电系统
同步发电动机具有独立的励磁回路，无需提供再生能量，因此，交流—直流—交流变换器不需要四象限运行。
小功率的发电动机也可采用永磁发电动机，但由于同步发电动机在低风速时输出电压较低，无法将能量反馈至电网，因此，实用的电路往往在直流侧加入一个Boost升压电路，如图1-16所示。
在低速时升压电路先将整流器输出的直流电压提升，采用此电路可使风力发电动机在非常宽的调速范围运行，另外Boost电路还可以调节整流器输入端（即发电动机轴出端）的电流波形，以改善输入电流的谐波失真和功率因数。
这种电路结构在中小型并网系统中有着广泛的应用前景。
图1-16具有升压功能的交流—直流—交流同步风力发电系统
（2）双馈型风力并网发电系统
双馈发电动机在结构上与绕线型感应电动机相似，即定子、转子均为三相对称，转子绕组电流由滑环引入，其电气原理如图1-17所示。
发电动机的定子通过接触器投入电网，转子通过四象限交流-直流-交流变换器与电网连接。
该系统是通过调节转子电流的频率、相位及功率来调节定子侧输出功率，使之与风轮输出功率相匹配，使风机运行在最大功率点附近。
图1-17双馈异步发电动机系统
（3）低速永磁同步发电动机直接驱动系统
同步发电动机并网系统和双馈型风力并网发电系统都采用了增速齿轮箱，通过增速齿轮箱将发电机的低速变为高速工频。
在发电过程中，齿轮箱工作产生了巨大噪声，而且齿轮箱工作时消耗能量，降低了风能的利用率，因此新型的风力发电机采用多极低速永磁同步发动机，通过功率变换器直接并入电网，这就省去了增速齿轮箱，使系统效率大大提高，噪声也进一步降低。
如图1-18所示为没有齿轮箱的风力发电机系统。
图1-18低永磁同步发电动机直接驱动系统
5.地热发电厂
地热发电厂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。
6.太阳能发电厂
太阳能发电厂是利用太阳光能或太阳热能采生产电能。
利用太阳光能发电，是通过光电转换元件如光电池等直接将太阳光能转换为电能，这已广泛应用于人造地球卫星和宇航装置上。
利用太阳热能发电，可分直接转换和间接转换两种方式。
温差发电、热离子发电和磁流体发电，均属于热电直接转换。
而通过集热装置和热交换器，加热给水，使之变为蒸汽，推动汽轮发电机发电，与火电厂的发电原理相同，属间接转换发电。
太阳能发电厂应建在常年日照时间长的地方。
光伏发电原理，如图1-19所示。
太阳能电池阵列通过正弦波脉宽调制逆变器向电网传送电能，逆变器送给电网的电力由阵列功率和当时当地的日照条件决定。
逆变器除了具有直流—交流转换功能外，还具有光伏阵列的最大功率跟踪功能和各种保护功能。
图1-19光伏发电原理图
光伏发电并网运行还必须考虑公用电网停电时的工作状况。
常规的光伏发电并网系统，在公用电网停电时逆变器就停止工作。
若在白天，其光伏阵列其实仍能继续发电，如图1-20所示为市电断电时的单独运行方式。
图1-20市电断时的单独运行方式
其工作原理是：
如果公用电网断电，此时电网侧相当于短路状态，并网运行的逆变器会由于过载而自动保护，若微处理器检测过载时，除封锁SPWM信号外，还将断开继电器KA。
此时若光伏阵列有能量输出，逆变器会在单独运行状态下运行。
1.3电力负荷及对供电的要求
1.3.1电力负荷
电力负荷是电力系统中所有用电设备消耗功率的总和。
对于某一用电单位，它所设置的用电设备包括电源线路都是电力负荷。
用电设备可分为电动机、电热电炉、整流设备、照明及家用电器等若干类。
在不同的行业中，各类用电设备所占总负荷的比例也不同。
例如异步电动机在纺织工业中约占总负荷的95％以上，在大型机械厂和综合性中小企业中则占80％左右，对于矿山企业，异步电动机亦占90％左右；电热电炉在钢铁工业中约占70％；整流设备则在电解铝、电解铜等电化行业中约占85％；同步电动机在化肥厂、焦化厂等企业约占44％。
将各工业部门消耗的电功率与农业、交通运输业、通讯业和市政生活等所消耗的电功率相加即为电力系统的综合用电负荷，该负荷再加上电力网中损耗的功率就是系统中各发电厂应提供的功率，称为电力系统的供电负荷。
供电负荷再加上各发电厂本身消耗的功率（厂用电），就是系统中各发电机应发出的功率，称为电力系统的发电负荷。
1.3.2电力负荷分级及其对供电的要求
在用电单位中，各类负荷的运行特点和重要性不一样，它们对供电的可靠性和电能质量的要求程度也不相同。
为了合理地选择供电电源及拟定供电系统，我国电力负荷有两类
1.按其对供电可靠性的要求不同划分为三个等级。
（1）一级负荷
这类负荷若供电突然中断将造成对人员的生命危害，或造成重大设备损坏且难以修复，或打乱复杂的生产过程并使大量产品报废，给国民经济带来极大损失。
例如冶金企业的炉体冷却水泵、浇铸车间、连续轧钢生产线，矿山企业的主排水泵、主扇风机，化工企业的反应炉、建材行业的水泥回转窑、医院以及国家重要的铁路枢纽、通信枢纽、国防设施等，均属于一级负荷。
特殊重要的一级负荷通常称为保安负荷。
对保安负荷必须备有应急使用的可靠电源。
以便当工作电源突然中断时，保证企业安全停产。
一级负荷要求由两个独立电源供电。
对特殊重要的一级负荷，必须由两个独立电源供电。
独立电源是指不受其它电源的影响与干扰的电源。
具备下列两个条件的发电厂或变电所的不同母线段均属独立电源：
①每段母线的电源来自不同的发电机，且以后的输、变、配电各环节叉均为分列运行；
②母线段之间无联系，或虽有联系但当其中一段母线发生故障时，能自动断开联系，不影响其余母线段继续供电。
如果企业只具有一个总降压变电所，则对企业内的一级负荷只能算是具有一个独立电源，只有具备两个及以上总降压变电所，或一个总降压变电所加一个自备发电厂时，对企业内的一级负荷才能保证有两个独立电源供电。
（2）二级负荷
这类负荷若突然断电，将造成生产设备局部损坏，或生产流程紊乱且恢复较困难，企业内部运输停顿，或出现大量废品或大量减产，因而在经济上造成较大的损失。
这类负荷一般允许短时停电几分钟，它在工业企业中占的比例最大。
二级负荷应由两回线路供电，两回线路应尽可能引自不同的变压器或母线段。
当取得两回线路确有困难时，允许由一回专用架空线路供电。
（3）三级负荷
凡不属于一、二级负荷的用电设备，均列为三级负荷。
三级负荷对供电无特殊要求，允许较长时间停电，可用单回线路供电。
在大型工业企业中，一、二级负荷约占总负荷的60％以上，因此即使是短时停电所造成的损失也是很大的。
此外，各级负荷不能孤立地看待，一个企业中只要有一个一级负荷，则该企业的总降压变电所对于上级供电部门来说就是一级负荷。
在掌握了负荷分级及其对供电的要求后，在设计新建企业的供电系统时可以根据实际情况来进行方案的拟定和分析比较，使确定的供电方案在技术经济上最合理。
按工作制的负荷分类
2.按其工作制电力负荷可分为四类。
（1）连续工作制负荷
连续工作制负荷是指长时间连续工作的用电设备，其特点是负荷比较稳定，连续工作发热使其达到热平衡状态，其温度达到稳定温度，用电设备大都属于这类设备。
如泵类、通风机、压缩机、电炉、运输设备、照明设备等。
（2）短时工作制负荷
短时工作制负荷是指工作时间短、停歇时间长的用电设备。
其运行特点为工作时其温度达不到稳定温度，停歇时其温度降到环境温度，此负荷在用电设备中所占比例很小。
如机床的横梁升降、刀架快速移动电动机、闸门电动机等。
（3）反复短时工作制负荷
反复短时工作制负荷是指时而工作、时而停歇、反复运行的设备，其运行特点为工作时温度达不到稳定温度，停歇时也达不到环境温度。
如起重机、电梯、电焊机等。
反复短时工作制负荷可用负荷持续率（或暂载率）ε来表示。
（1-9）
式中，tw为工作时间，to为停歇时间，T为工作周期。
（4）高层建筑用电负荷
①给排水动力负荷
主要为生活水泵,由贮水池向高位水池输水,以供生活和消防喷淋用水。
水泵容量占设备总容量约25%。
专用消防水泵按一级负荷供电，其余为二级负荷。
②空调机组动力负荷
高层建筑均安装中央空调系统,夏季制冷，冬季制热，空调机组容量占设备总容量约28%。
空调机组一般为三级负荷。
③电梯负荷
在高层建筑中,一般都配备电梯,有客梯、货梯、工作电梯和消防电梯。
消防电梯为一级负荷，其余为二级负荷。
④电扶梯负荷
在现代化商场、宾馆、金融中心等人口密集而流动性大的场合都设置上、下电扶梯。
电扶梯一般为二、三级负荷。
⑤照明负荷
五星级宾馆客房的照明负荷,高层建筑物内部的疏散诱导照明灯，工作场所的事故照明灯，楼梯内的事故照明灯，消火栓内的按钮控制消防水泵起动的控制电源，都应视为一级负荷。
一般工作场所的工作照明为二级或三级负荷。
⑥通风机负荷
通风机有送风机、排风机、消防系统使用的防烟和排烟风机。
消防系统使用的防烟和排烟风机为一级负荷，其余为二、三级负荷。
⑦弱电设备负荷
在高层建筑中,弱电设备种类多，主要有防灾中心用电负荷、办公自动化系统用电负荷、通信及传真系统用电负荷、安保系统用电负荷、卫星电视及广播系统用电负
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