电力基础知识入门.docx

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电力基础知识入门

电力基础知识入门

什么是电？

在日常生活和生产中，几乎到处都要用到电。

如电灯通电会发光，电动机通电会旋转。

电究竟是怎样一回事？

在电线里有什么东西通到电灯、电视机里去？

要了解物体带电的根本原因，首先必须了解物体的内部结构。

自然界的一切物质是分子组成的，而分子又是由原子组成。

每个原子，都是由一个带正电电荷的原子核和一定数量带负电电荷的电子所组成。

这些电子，分层围绕原子核作高速旋转。

正电荷与负电荷有同性相斥异性相吸的特性。

不同的物质有不同的原子，它们所具有的电子数目也是不一样的，例如铝原子有13个电子。

在通常情况下，原子核所带的正电荷和电子所带的负电荷在数量上相等，所以物体就不显示带电现象。

原子核吸引电子的吸力大小与距离平方成反比。

如果由于某种外力的作用，使离原子核较远的外层电子摆脱原子核的束缚，从一个物体跑到另一个物体，这样就使物体带电，失去电子的物体带正电，获得电子的物体带负电。

一个带电体所带电荷的多少可以用电子数目来表示，不过在实用上这个单位的大小，我们常以库伦作为电量的单位。

1库伦=6.24×1018个电子电荷

电量的符号用Q表示。

当电荷积聚不动时，这种电荷称为静电，如果电荷处在运动状态，我们就叫它动电。

直流电和交流电知识

把一节电池的头（正极）对着另一节的尾（负极）装在手电筒中，手电筒就亮了：

如果倒过来，头对头或尾对尾，手电筒就不亮。

这是因为电池所产生的电流总是朝一个方向流动，所以叫做直流电。

通过输电线或电缆送入家中的电，不是直流电，而是交流电。

因为这种电流一会儿朝某个方向、一会儿又朝相反的方向流动。

尽管交流电“变化多端”，但它比起直流电来，有一个最大的优点，就是可以使用变压器，根据需要来升高或降低交流电电压。

因为发电厂产的电，都要输送到很远的地方，供用户使用。

电压越高，输送中损失越小。

当电压升高到3.5万伏或22万伏，甚至高达50万伏时，输送起来就更加经济。

无论什么地方要使用电，为适应其特定的用途，又都得把电压降低。

例如家庭用电只要220伏，而工厂常用380伏，等等。

直流电也有它的优点，在化学工业上，像电镀等，就非要直流电不可。

开动电车，也是用直流电比较好。

为了适应各种电器的特定用途，也可把交流电变成直流电，这叫整流。

一些半导体收音机或录音机上，都可用外接电源。

通过一个方块形装置，把交流电变成直流电来使用。

这个降压和整流用的装置，叫电源变换器。

什么是电力网（ElectricNetwork/PowerGrid）？

电力网是（ElectricNetwork/PowerGrid）电力系统的一部分，是由各种电压等级的输电线路和各种类型的变电所连接而成的网络。

电力网以变换电压（变电）输送和分配电能为主要功能，是协调电力生产、分配、输送和消费的重要基础设施。

由发电、输电、变电、配电、用电设备及相应的辅助系统组成的电能生产、输送、分配、使用的统一整体称为电力系统。

由输电、变电、配电设备及相应的辅助系统组成的联系发电与用电的统一整体称为电力网。

也可描述为电力系统是由电源、电力网以及用户组成的整体。

它包括所有的变、配电所的电气设备以及各种不同电压等级的线路组成的统一整体。

它的作用是将电能转送和分配给各用电单位。

电能的生产是产、供、销同时发生，同时完成，既不能中断又不能储存。

电力系统是一个由发、供、用三者联合组成的一个整体。

其中任意一个环节配合不好，都不能保证电力系统的安全、经济运行。

电力系统中，发、供、用之间始终是保持平衡的。

电力系统介绍

一、电力系统的构成

一个完整的电力系统由分布各地的各种类型的发电厂、升压和降压变电所、输电线路及电力用户组成，它们分别完成电能的生产、电压变换、电能的输配及使用。

电力系统运行特点：

电能不能大量存储；各环节组成的统一整体不可分割；过渡过程非常迅速（百分之几秒到十分之几秒）；电力系统的地区性特点较强；对电能质量的要求颇为严格；与国民经济各部门和人民生活关系极其密切。

电力系统的组成示意图：

二、电力系统的额定电压

电网电压是有等级的，电网的额定电压等级是根据国民经济发展的需要、技术经济的合理性以及电气设备的制造水平等因素，经全面分析论证，由国家统一制定和颁布的。

1.用电设备

用电设备的额定电压和电网的额定电压一致。

实际上，由于电网中有电压损失，致使各点实际电压偏离额定值。

为了保证用电设备的良好运行，国家对各级电网电压的偏差均有严格规定。

显然，用电设备应具有比电网电压允许偏差更宽的正常工作电压范围。

2.发电机

发电机的额定电压一般比同级电网额定电压高出5%，用于补偿电网上的电压损失。

3.变压器

变压器的额定电压分为一次和二次绕组。

对于一次绕组，当变压器接于电网末端时，性质上等同于电网上的一个负荷（如工厂降压变压器），故其额定电压与电网一致，当变压器接于发电机引出端时（如发电厂升压变压器），则其额定电压应与发电机额定电压相同。

对于二次绕组，额定电压是指空载电压，考虑到变压器承载时自身电压损失（按5%计），变压器二次绕组额定电压应比电网额定电压高5%，当二次侧输电距离较长时，还应考虑到线路电压损失（按5%计），此时，二次绕组额定电压应比电网额定电压高10%。

三、电力系统的中性点运行方式

在电力系统中，当变压器或发电机的三相绕组为星形联结时，其中性点可有两种运行方式：

中性点接地和中性点不接地。

中性点直接接地系统称为大电流接地系统，中性点不接地和中性点经消弧线圈（或电阻）接地的系统称为小电流接地系统。

中性点的运行方式主要取决于单相接地时电气设备绝缘要求及供电可靠性。

下图列出了常用的中性点运行方式。

图中，电容C为输电线路对地分布电容。

中性点直接接地方式：

当发生一相对地绝缘破坏时，即构成单相短路，供电中断，可靠性降低。

但是，该方式下非故障相对地电压不变，电气设备绝缘水平可按相电压考虑。

此外，在380/220V低压供电系统中，线对地电压为相电压，可接入单相负荷。

中性点不接地方式：

当发生单相接地故障时，线电压不变，而非故障相对地电压升高到原来相电压的√3倍，供电不中断，可靠性高。

四、供电质量的主要指标

决定用户供电质量的指标为电压、频率和可靠性。

1.电压

理想的供电电压应该是幅值恒为额定值的三相对称正弦电压。

由于供电系统存在阻抗、用电负荷的变化和用电负荷的性质等因素，实际供电电压无论是在幅值上、波形上还是三相对称性上都与理想电压之间存在着偏差。

1）电压偏差：

电压偏差是指电网实际电压与额定电压之差，实际电压偏高或偏低对用电设备的良好运行都有影响。

2）电压波动和闪变：

电网电压的均方根值随时间的变化称为电压波动，由电压波动引起的灯光闪烁对人眼脑的刺激效应称为电压闪变。

当电弧炉等大容量冲击性负荷运行时，剧烈变化的负荷电流将引起线路压降的变化，从而导致电网发生电压波动。

3）高次谐波：

当电网电压波形发生非正弦畸变时，电压中出现高次谐波。

高次谐波的产生，除电力系统自身背景谐波外，在用户方面主要由大功率变流设备、电弧炉等非线性用电设备所引起。

高次谐波的存在降导致供电系统能耗增大、电气设备绝缘老化加快，并且干扰自动化装置和通信设施的正常工作。

4）三相不对称：

三相电压不对称指三个相电压的幅值和相位关系上存在偏差。

三相不对称主要由系统运行参数不对称、三相用电负荷不对称等因素引起。

供电系统的不对称运行，对用电设备及供配电系统都有危害，低压系统的不对称运行还会导致中性点偏移，从而危及人身和设备安全。

2.频率

我国规定的电力系统标称频率（俗称工频）为50Hz，国际上标称频率有50Hz和60Hz两种。

由电力系统供电的交流用电设备的工作频率应与电力系统频率相一致。

为了达到某种特殊目的，有的用电设备需在其它频率下工作，则可配以专用变频电源供电，如高频加热、电动机变频调速等。

当电能供需不平衡时，系统频率会偏离其标称值。

频率偏差不仅影响用电设备的工作状态、产品的产量和质量，更重要的影响到电力系统的稳定运行。

用户供电系统的电压频率是由电力系统保证的。

我国国标规定，电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz，当系统容量较小时，偏差值可以放到±0.5Hz。

3.可靠性

可靠性即根据用电负荷的性质和突然中断其供电在政治或经济上造成损失和影响的程度，对用电设备提出的不允许中断供电的要求。

按照供电可靠性要求，用电负荷分为下列三级：

1）一级负荷：

突然停电将造成人身伤亡，或在经济上造成重大损失，或在政治上造成重大不良影响者。

如重要交通和通信枢纽用电负荷、重点企业中的重大设备和连续生产线、政治和外事活动中心等。

2）二级负荷：

突然停电将在经济上造成较大损失，或在政治上造成不良影响者。

如突然停电将造成主要设备损坏或大量产品报废或大量减产的工厂用电负荷，交通和通信枢纽用电负荷，大量人员集中的公共场所等。

3）三级负荷：

不属于一级和二级负荷者。

五、电气主接线方式

主接线图（亦称原理接线图）表示电能由电源分配给用户的主要电路，图中表示出所有的电气设备及其联接关系。

1.母线制

常用的母线制主要有三种：

单母线制、单母线分段制和双母线制，工厂供电系统一般不采用双母线制。

1）单母线

单母线制如下图所示，一般用于只有一回进线的情况。

2）单母线分段制

六、电力系统的稳定

1.电力系统的静态稳定是指电力系统受到小干扰后不发生非周期性失步，自动恢复到起始运行状态。

2.电力系统的暂态稳定是指系统在某种运行方式下突然受到大的扰动后，经过一个机电暂态过程达到新的稳定运行状态或回到原来的稳定状态。

3.电力系统的动态稳定是指电力系统受到干扰后不发生振幅不断增大的振荡而失步。

主要有：

电力系统的低频振荡、机电耦合的次同步振荡、同步电机的自激等。

4.电力系统的电压稳定是指电力系统维持负荷电压于某一规定的运行极限之内的能力。

它与电力系统中的电源配置、网络结构及运行方式、负荷特性等因素有关。

当发生电压不稳定时，将导致电压崩溃，造成大面积停电。

5.频率稳定是指电力系统维持系统频率与某一规定的运行极限内的能力。

当频率低于某一临界频率，电源与负荷的平衡将遭到彻底破坏，一些机组相继退出运行，造成大面积停电，也就是频率崩溃。

七、电力系统的负荷

电力系统的负荷大致分为：

同步电动机负荷；异步电动机负荷；电炉、电热负荷；整流负荷；照明用电负荷；网络损耗负荷等类型。

1）有功负荷的频率特性：

同（异）步电动机的有功负荷：

与频率变化的关系比较复杂，与其所驱动的设备有关。

当所驱动的设备是：

球磨机、切削机床、往复式水泵、压缩机、卷扬机等设备时，与频率的一次方成正比。

当所驱动的设备是：

通风机、静水头阻力不大的循环水泵等设备时，与频率的三次方成正比。

当所驱动的设备是：

静水头阻力很大的给水泵等设备时，与频率的高次方成正比。

电炉、电热；整流；照明用电设备的有功负荷：

与频率变化基本上无关。

网络损耗的有功负荷：

与频率的平方成正比。

2）有功负荷的电压特性：

同（异）步电动机的有功负荷：

与电压基本上无关（异步电动机滑差变化很小）。

电炉、电热；整流；照明用电设备的有功负荷：

与电压的平方成正比（其中：

照明用电负荷与电压的1.6次方成正比，为简化计算，近似为平方关系）。

网络损耗的有功负荷：

与电压的平方成反比（其中：

变压器的铁损与电压的平方成正比，因所占比例很小，可忽略）。

3）无功负荷的电压特性：

异步电动机和变压器是系统中无功功率主要消耗者，决定着系统的无功负荷的电压特性。

其无功损耗分为两部分：

励磁无功功率与漏抗中消耗的无功功率。

励磁无功功率随着电压的降低而减小,漏抗中的无功损耗与电压的平方成反比,随着电压的降低而增加。

输电线路中的无功损耗与电压的平方成反比,而充电功率却与电压的平方成正比。

照明、电阻、电炉等因为不消耗无功,所以没有无功负荷电压静态特性。

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