供配电基础知识.docx

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供配电基础知识

第一节供配电系统基本知识

一、电力系统

电力系统是由发电厂、电力网和电能用户组成的一个发电、输电、变电、配电和用电的整体。

电能的生产、输送、分配和使用的全过程，实际上是同时进行的，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。

　　发电机生产电能，在发电机中机械能转化为电能；变压器、电力线路输送、分配电能；电动机、电灯、电炉等用电设备使用电能。

在这些用电设备中，电能转化为机械能、光能、热能等等。

这些生产、输送、分配、使用电能的发电机、变压器、电力线路及各种用电设备联系在一起组成的统一整体，就是电力系统，如图7-1所示。

　　与电力系统相关联的还有“电力网络”和“动力系统”。

电力网络或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；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。

所以，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，这三者的关系也示于图7-1。

图7-1动力系统、电力系统、电力网络示意图

1.发电厂

发电厂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。

发电厂有很多类型，按其所利用的能源不同，分为火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂以及风力、地热、太阳能、潮汐发电厂等类型。

目前在我国接入电力系统的发电厂最主要的有火力发电厂和水力发电厂，以及核能发电厂（又称核电站）。

（1）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，主要由水库、水轮机和发电机组成。

水库中的水具有一定的位能，经引水管道送入水轮机推动水轮机旋转，水轮机与发电机联轴，带动发电机转子一起转动发电。

其能量转换过程是：

水流位能→机械能→电能。

（2）火力发电厂，简称火电厂或火电站

它利用燃料的化学能来生产电能，其主要设备有锅炉、汽轮机、发电机。

我国的火电厂以燃煤为主。

为了提高燃料的效率，现代火电厂都将煤块粉碎成煤粉燃烧。

煤粉在锅炉的炉膛内充分燃烧，将锅炉的水烧成高温高压的蒸汽，推动汽轮机转动，使与之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。

（3）核能发电厂通常称为核电站

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）代替了燃煤锅炉，以少量的核燃料代替了煤炭。

其能量转换过程是：

核裂变能→热能→机械能→电能。

（4）风力发电、地热发电、太阳能发电简介

风力发电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。

地热发电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。

太阳能发电厂是利用太阳光能或太阳热能来生产电能，它应建在常年日照时间长的地方。

2.变配电所

变电所的任务是接受电能、变换电压和分配电能，即受电―变压―配电。

配电所的任务是接受电能和分配电能，但不改变电压，即受电－配电。

变电所可分为升压变电所和降压变电所两大类：

升压变电所一般建在发电厂，主要任务是将低电压变换为高电压；降压变电所一般建在靠近负荷中心的地点，主要任务是将高电压变换到一个合理的电压等级。

降压变电所根据其在电力系统中的地位和作用不同，又分枢纽变电站、地区变电所和工业企业变电所等。

3.电力线路

电力线路的作用是输送电能，并把发电厂、变配电所和电能用户连接起来。

水力发电厂须建在水力资源丰富的地方，火力发电厂一般也多建在燃料产地，即所谓的“坑口电站”，因此，发电厂一般距电能用户均较远，所以需要多种不同电压等级的电力线路，将发电厂生产的电能源源不断地输送到各级电能用户。

通常把电压在35kV及以上的高压电线路称为送电线路，而把10kV及以下的电力线路，称为配电线路。

电力线路按其传输电流的种类又分为交流线路和直流线路；按其结构及敷设方式又可分为架空线路、电缆线路及户内配电线路。

4.电能用户

电能用户又称电力负荷。

在电力系统中，一切消费电能的用电设备均称为电能用户。

用电设备按电流可分为直流设备与交流设备，而大多数设备为交流设备；按电压可分为低压设备与高压设备，1000V及以下的属低压设备，高于1000V的属高压设备；按频率可分为低频（50Hz以下）、工频（50Hz）及中、高频（50Hz以上）设备，绝大部分设备采用工频；按工作制分为连续运行、短时运行和反复短时运行设备三类；按用途可分为动力用电设备（如电动机）、电热用电设备（如电炉、干燥箱、空调器等）、照明用电设备、试验用电设备、工艺用电设备（如电解、电镀、冶炼、电焊、热处理等）。

用电设备分别将电能转换为机械能、热能和光能等不同形式的适于生产、生活需要的能量。

二、供配电系统概况

供配电系统由总降压变电所（高压配电所）、高压配电线路、车间变电所、低压配电线路及用电设备组成。

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7-2a所示为装有一台电力变压器的车间变电所，图7-2b所示为装有两台电力变压器的车间变电所。

图7-2　有一个降压变电所的一次变压供配电系统

a）装有一台电力变压器的车间变电所b）装有两台电力变压器的车间变电所

（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6～10kV母线供电，如图7-3所示。

图7-3　具有高压配电所的供电系统

（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7-4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7-4　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7-5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6～10kV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6～10kV母线供电。

这种供配电方式称为二次变压的供配电方式。

图7-5　两次变压的供配电系统图7-6低压进线的供配电系统

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7-6所示。

三、供电的基本要求

为了切实保证生产和生活用电的需要，并做好节能工作，供配电工作必须达到以下基本要求：

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即供电连续性的要求。

3.优质　应满足电能用户对电压和频率等方面的质量要求。

4.经济　应使供配电系统的投资少、运行费用低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。

此外，在供电工作中，应合理地处理局部和全局、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。

第二节电力系统的电压

一、额定电压的国家标准

由于三相功率S和线电压U、线电流I之间的关系为：

S＝

UI，所以在输送功率一定时，输电电压愈高，输电电流愈小，从而可减少线路上的电能损失和电压损失，同时又可减小导线截面，节约有色金属。

而对于某一截面的线路，当输电电压愈高时，其输送功率愈大，输送距离愈远；但是电压愈高，绝缘材料所需的投资也相应增加，因而对应一定输送功率和输送距离，均有相应技术上的合理输电电压等级。

同时，还须考虑设备制造的标准化、系列化等因素，因此电力系统额定电压的等级也不宜过多。

按照国家标准GB156－1993《标准电压》规定，我国三相交流电网、发电机和电力变压器的额定电压见表7-1。

表7-1三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/kV

发电机额定电压/kV

电力变压器额定电压/kV

一次绕组

二次绕组

低压

高压

3610－3566110220330500

，，18，20－－－－－－

3及6及10及，，18，203566110220330500

及及及11－121242363550

1.电力线路的额定电压

电力线路（或电网）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，经全面技术经济分析后确定的。

它是确定各类用电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，电力线路上要有负荷电流流过，因而在电力线路上引起电压损耗，造成电力线路上各点电压略有不同，如图7-7的虚线所示。

但成批生产的用电设备，其额定电压不可能按使用地点的实际电压来制造，而只能按线路首端与末端的平均电压即电力线路的额定电压U来制造。

所以用电设备的额定电压规定与同级电力线路的额定电压相同。

3.发电机的额定电压

由于电力线路允许的电压损耗为±5%，即整个线路允许有10%的电压损耗，因此为了维护线路首端与末端平均电压的额定值，线路首端（电源端）电压应比线路额定电压高5%，而发电机是接在线路首端的，所以规定发电机的额定电压高于同级线路额定电压5%，用以补偿线路上的电压损耗，如图7-7所示。

　图7-7用电设备和发电机的额定电压

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 有两种情况：

1）当电力变压器直接与发电机相连，如图7-8中的变压器T1，则其一次绕组的额定电压应与发电机额定电压相同，即高于同级线路额定电压5%。

2）当变压器不与发电机相连，而是连接在线路上，如图7-8中的变压器T2，则可将变压器看作是线路上的用电设备，因此其一次绕组的额定电压应与线路额定电压相同。

（2）变压器二次绕组的额定电压

变压器二次绕组的额定电压，是指变压器一次绕组接上额定电压而二次绕组开路时的电压，即空载电压。

而变压器在满载运行时，二次绕组内约有5%的阻抗电压降。

因此分两种情况讨论：

图7-8　电力变压器一、二次额定电压说明图　　

1）如果变压器二次侧供电线路很长（例如较大容量的高压线路），则变压器二次绕组额定电压，一方面要考虑补偿变压器二次绕组本身5%的阻抗电压降，另一方面还要考虑变压器满载时输出的二次电压要满足线路首端应高于线路额定电压的5%，以补偿线路上的电压损耗。

所以，变压器二次绕组的额定电压要比线路额定电压高10%，见图7-8中变压器T1。

2）如果变压器二次侧供电线路不长（例如为低压线路或直接供电给高、低压用电设备的线路），则变压器二次绕组的额定电压，只需高于其所接线路额定电压5%，即仅考虑补偿变压器内部5%的阻抗电压降，见图7-8中变压器T2。

二、供电电能的质量

电力系统中的所有电气设备都必须在一定的电压和频率下工作。

电气设备的额定电压和额定频率是电气设备正常工作并获得最佳经济效益的条件。

因此电压、频率和供电的连续可靠是衡量电能质量的基本参数。

1.电压及波形

交流电的电压质量包括电压的数值与波形两个方面。

电压质量对各类用电设备的工作性能、使用寿命、安全及经济运行都有直接的影响。

（1）电压偏移电压偏移又称电压偏差，是指用电设备端电压与用电设备额定电压之差对额定电压的百分数，即

（7-1）

加在用电设备上的电压在数值上偏移额定值后，对于感应电动机，其最大转矩与端电压的平方成正比，当电压降低时，电动机转矩显著减小，以致转差增大，从而使定子、转子电流都显著增大，引起温升增加，绝缘老化加速，甚至烧毁电动机；而且由于转矩减小，转速下降，导致生产效益降低，产量减少，产品质量下降。

反之，当电压过高，激磁电流与铁损都大大增加，引起电机的过热，效率降低。

对电热装置，这类设备的功率与电压平方成正比，所以电压过高将损伤设备，电压过低又达不到所需温度。

电压偏移对白炽灯影响显著，白炽灯的端电压降低10%，发光效率下降30%以上，灯光明显变暗；端电压升高10%时，发光效率将提高1/3，但使用寿命将只有原来的1/3。

电压偏移是由于供电系统改变运行方式或电力负荷缓慢变化等因素引起的，其变化相对缓慢。

我国规定，正常情况下，用电设备端子处电压偏移的允许值为：

　　电动机±5%；

照明灯一般场所±5%；在视觉要求较高的场所+5%,%；

其它用电设备无特殊规定时±5%；

（2）波形畸变

近年来，随着硅整流、晶闸管变流设备、微机及网络和各种非线性负荷的使用增加，致使大量谐波电流注入电网，造成电压正弦波波形畸变，使电能质量大大下降，给供电设备及用电设备带来严重危害，不仅使损耗增加，还使某些用电设备不能正常运行，甚至可能引起系统谐振，从而在线路上产生过电压，击穿线路设备绝缘；还可能造成系统的继电保护和自动装置发生误动作；并对附近的通讯设备和线路产生干扰。

2.频率

我国采用的工业频率（简称工频）为50Hz。

当电网低于额定频率运行时，所有电力用户的电动机转速都将相应降低，因而工厂的产量和质量都将不同程度受到影响。

频率的变化还将影响到计算机，自控装置等设备的准确性。

电网频率的变化对供配电系统运行的稳定性影响很大，因而对频率的要求比对电压的要求更严格，频率的变化范围一般不应超过±。

3.可靠性

供电的可靠性是衡量供配电质量的一个重要指标，有的把它列在质量指标的首位。

衡量供配电可靠性的指标，一般以全年平均供电时间占全年时间的百分数来表示，例如，全年时间为8760小时，用户全年平均停电时间小时，即停电时间占全年的1%，则供电可靠性为99%。

三、电压调整

为了减小电压偏移，保证用电设备在最佳状态下运行，供配电系统必须采用相应的电压调整措施，通常有下列几种：

1.合理选择变压器的电压分接头或采用有载调压器变压器，使之在负荷变动的情况下，有效地调节电压，保证用电设备端电压的稳定。

2.合理地减少供配电系统的阻抗，以降低电压损耗，从而缩小电压偏移范围。

3.尽量使系统的三相负荷均衡，以减小电压偏移。

4.合理地改变供配电系统的运行方式，以调整电压偏移。

5.采用无功功率补偿装置，提高功率因数，降低电压损耗，缩小电压偏移范围。

四、供配电系统配电电压的选择

1.高压配电电压的选择

目前，我国电力系统中，220kV及以上电压等级多用于大型电力系统的主干线；110kV电压既用于中、小型电力系统的主干线，也用于大型电力系统的二次网络；35kV则多用于电力系统的二次网络或大型工厂的内部供电网络；一般工厂内部多采用6～10kV的高压配电电压。

从技术经济指标来看，最好采用10kV。

由于同样的输送功率和输送距离条件下，配电电压越高，线路电流越小，因而线路所采用的导线或电缆截面越小，从而可减少线路的初投资和金属消耗量，且可减少线路的电能损耗和电压损耗。

而从适应发展来说，10kV更优于6kV。

由表7-2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。

但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，则可考虑采用6kV电压作为工厂的高压配电电压。

2.低压配电电压的选择

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。

对于容易发生触电或有易燃易爆的个别车间或场所，可考虑采用220/127V作为工厂的低电配电电压。

但某些场合宜采用660V甚至更高的1140kV（只用于矿井下）作为低压配电电压。

例如矿井下，因负荷中心往往离变电所较远，所以为保证负荷端的电压水平而采用比380V更高的配电电压。

表7-2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

6610103566110220

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≤1000≤3000≤2000≤50002000～100003500～3000010000～50000100000～500000

≤≤≤10≤85-20≤1020～5030～10050～150200～300

第三节电力系统中性点运行方式

电力系统的中性点是指发电机或变压器的中性点。

考虑到电力系统运行的可靠性、安全性、经济性及人身安全等因素，电力系统中性点常采用不接地、经消弧线圈接地、直接接地和经低电阻接地四种运行方式。

下面分别讲述这几种运行方式的特点和应用。

一、中性点不接地的电力系统

中性点不接地的运行方式，即电力系统的中性点不与大地相接。

　　我国3～66kV系统，特别是3～10kV系统，一般采用中性点不接地的运行方式。

　　图7-9是电源中性点不接地的电力系统在正常运行时的电路图和相量图。

　　　　　　　　　a）电路图　　　　　　　　　　　　b）相量图

　　　　　　　　　图7-9　正常运行时中性点不接地的电力系统

为讨论问题简化起见，假设图7-9a中所示三相系统的电源电压和电路参数都是对称的，而且将相与地之间存在的分布电容用一个集中电容C来表示，线间电容电流数值较小，可不考虑。

系统正常运行时，三个相电压

、

、

是对称的，三个相的对地电容电流

也是对称的，其相量和为零，所以中性点没有电流流过，各相对地电压就是其相电压。

当系统发生单相接地时，例如C相接地，如图7-10a所示，这时C相对地电压为零,非接地相A相对地电压

=

+（-

）=

B相对地电压

=

+（-

）=

如图7-10b所示。

由向量图可见，当一相接地时，非接地两相对地电压均升高

倍，变为线电压。

而且，该两相对地电容电流ICO也相应的增大

倍。

当C相接地时，系统的接地电流（电容电流）为非接地两相对地电容电流之和。

因此

　　　　　（7-2）

由图7-10b的相量图可知，

在相位上正好超前

90；而在量值上，由于

，而

，因此

a）　电路图　　　　　　　　　　　　　　　b）相量图

图7-10　一相接地时的中性点不接地系统

　　　　　　　　　　　　（7-3）

即一相接地的电容电流为正常运行时每相对地电容电流的3倍。

由于线路对地的电容C不好准确确定，因此Ico和IC也不好根据C来精确计算。

通常采用下列经验公式来确定中性点不接地系统的单相接地电容电流，即

　　　　（7-4）

式中,

为系统的单相接地电容电流（A）；

为系统的额定电压（kV）；

为同一电压

具有电气联系的架空线路总长度（km）；

为同一电压

的具有电气联系的电缆线路（cableline）总长度（km）。

必须指出：

这种单相接地状态不允许长时间运行，因为如果另一相又发生接地故障，就形成两相接地短路，产生很大的短路电流，从而损坏线路及其用电设备；此外，较大的单相接地电容电流会在接地点引起电弧，形成间歇电弧过电压，威胁电力系统的安全运行。

因此，我国电力规程规定，中性点不接地的电力系统发生单相接地故障时，单相接地运行时间不应超过2小时。

中性点不接地系统一般都装有单相接地保护装置或绝缘监测装置，在系统发生接地故障时，会及时发出警报，提醒工作人员尽快排除故障；同时，在可能的情况下，应把负荷转移到备用线路上去。

二、中性点经消弧线圈接地的电力系统

在中性点不接地系统中，当单相接地电流超过规定数值时（3～10kV系统中，接地电流大于30A，20kV及以上系统中接地电流大于10A时），将产生断续电弧，从而在线路上引起危险的过电压，因此须采用经消弧线圈接地的措施来减小这一接地电流，熄灭电弧，避免过电压的产生。

这种接地方式称为中性点经消弧线圈接地方式，如图7-11所示。

a）电路图　　　　　　　　　　　　　　　　　b）相量图

图7-11　一相接地时的中性点经消弧线圈接地系统

在正常情况下，三相系统是对称的，中性点电流为零，消弧线圈中没有电流通过。

当系统发生单相接地时，流过接地点的电流是接地电容电流

与流过消弧线圈的电感电流

之和。

由于

超前

90°，而

滞后

90°，所以

与

在接地点互相补偿。

如果消弧线圈电感选用合适，会使接地电流减到小于发生电弧的最小生弧电流时，电弧就不会发生，从而也不会产生过电压。

中性点经消弧线圈接地系统，与中性点不接地系统一样，当发生单相接地故障时，接地相电压为零，三个线电压不变，其它两相电压也将升高

倍。

因此，发生单相接地故障时的运行时间也同样不允许超过2小时。

三、中性点直接接地的电力系统

这种系统的单相接地，即通过接地中性点形成单相短路，单相短路电流比线路的正常负荷电流大许多倍，如图7-12。

因此，在系统发生单相短路时保护装置应动作于跳闸，切除短路故障，使系统的其它部分恢复正常运行。

图7-12　一相接地时的中性点直接接地系统

中性点直接接地的系统发生单相接地时，其它两完好相的对地电压不会升高，这与上述中性点不直接接地的系统不同，因此，凡中性点直接接地的系统中的供电设备的绝缘只需按相电压考虑，而无需按线电压考虑。

这对110kV以上的超高压系统是很有经济技术价值的。

高压电器的绝缘问题是影响电器设计和制造的关键问题。

电器绝缘要求的降低，直接降低了电器的造价，同时改善了电器的性能。

目前我国110kV以上电力网均采用中性点直接接地方式。

我国380/220V低压配电系统也采用中性点直接接地方式，而且引出中性线（N线）、保护线（PE线）或保护中性线（PEN线）这样的系统，称为TN系统。

中性线（N线）的作用，一是用来接相电压为220V的单相用电设备；二是用来传导三相系统中的不平衡电流和单相电流；三是减少负载中性点的电压偏移。

保护线（PE线）的作用是保障人身安全，防止触电事故发生。

在TN系统中，当用电设备发生单相接地故障时，就形成单相短路，使线路过电流保护装置动作，迅速切除故障部分，从而防止人身触电。

TN系统可因其N线和PE线的不同形式，分为TN-C系统、TN-S系统和TN-C-S系统，如图7-13所示。

系统

这种系统的N线和PE线合用一根导线PEN线，所有设备外露可导电部分（如金属外壳等）均与PEN线相连，如图7-13a所示。

保护中性线（PEN线）兼有中性线（N线）和保护线（PE线）的功能，当三相负荷不平衡或接有单相用电设备时，PEN线上均有电流通过。

这种系统一般能够满足供电可靠性的要求，而且投资较省，节约有色金属，过去在我国低压配电系统中应用最为普遍。

但是当PEN断线时，可使设备外露可导电部分带电，对人有触电危险。

所以，现在在安全要求较高的场所和要求抗电磁干扰的场所均不允许采用。

系统

这种系统的N线和PE线是分开的，所有设备的外露可导电部分均与