电力系统图解及说明

电力系统及电力网【附杆式，放射式，混合式配电图表及其他图表】2009-08-0417:00电力系统(PowerSystem)：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。电力网(PowerNetwork)：电力系统中各级电压的电力线路及其联系的变电所。低压，是指1kV以下的电压。1kV及以上的电压称为高压。一般还把3、6、10kV等级的电压称为配电电压，把高压降为这些等级电压的降压变压器称为配电变压器；接在35kV及以上电压等级的变压器称为主变压器。因此，配电网是由10kV及以下的配电线路和配电变压器所组成的，它的作用是将电力分配到各类用户。安全：在电能的供应、分配和使用中，不应当发生人身及设备事故。可靠：应满足电能用户对供电可靠性的地要求。优质：应满足电能用户对电压质量和频率等方面的要求。经济：供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。（一）电力网的电压等级电力网的电压等级是比较多的，不同的电压等级有不同的作用。从输电的角度看，电压越高则输送的距离就越远，传输的容量越大，电能的损耗就越小；但电压越高，要求绝缘水平也越高，因而造价也越高。目前，我国电力网的电压等级主要有0.22、0.38、3、6、10、35、110、220kV共8级。1、电网(电力线路)的额定电压：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：规定与同级电网的额定电压相同。3、发电机的额定电压：规定高于同级电网额定电压的5％。(1)一次绕组的额定电压：当变压器直接与发电机相连时(如T1)，其一次绕组的额定电压应与发电机的额定电压相同，即高于同级电网额定电压的5％。当变压器不与发电机相连，而是连接在线上(如T2)，则可看作是线路的用电设备，因此其一次绕组的额定电压应与电网额定电压相同。(2)二次绕组的额定电压若变压器二次侧供电线路较长(如为较大的高压电网)时，则变压器二次侧的额定电压，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，故它要比电网额定电压高10％(如T1)。如果变压器二次侧线路不太长(如为低压电网或直接供电给高/低压用电设备时额定电压)时，则变压器二次侧的额定电压，只需高于电网额定电压的5％，仅考虑补偿变压器内部的5％的电压降(如T2)。用电负荷的分类一级负荷：中断供电将造成人员伤亡、重大政治影响者、重大经济损失、公共场所秩序严重混乱。二级负荷：中断供电将造成较大政治影响、较大经济损失、公共场所秩序混乱。三级负荷：凡不属一级和二级负荷者。在智能楼宇用电设备中，属于一级负荷的设备有：消防控制室、消防水泵、消防电梯、防排烟设施、火灾自动报警、自动灭火装置、火灾事故照明、疏散指示标志和电动的防火门窗、卷帘、阀门等消防用电设备；保安设备；主要业务用的计算机及外设、管理用的计算机及外设；通信设备；重要场所的应急照明。属于二级负荷的设备有：客梯、生活供水泵房等。空调、照明等属于三级负荷。典型楼宇供配电系统中大型楼宇的供电电压一般采用10kV，有时也可采用35kV，变压器装机容量大于5000kVA。为了保证供电可靠性，应至少有两个独立电源，具体数量应视负荷大小及当地电网条件而定。两路独立电源运行方式，原则上是两路同时供电，互为备用。此外，必要时还需装设应急备用发电机组。(一)负荷分布及变压器的配置高层建筑的用电负荷一般可分为空调、动力、电热、照明等类。对于全空调的各种商业性楼宇，空调负荷属于大宗用电，约占40％-50％。冷热源设备一般放在大楼的地下室、首层或下部。动力负荷主要指电梯、水泵、排烟风机、洗衣机等设备。普通建筑的动力负荷都比较小，随着建筑高度的增加，在超高层建筑中，由于电梯负荷和水泵容量的增大，动力负荷的比重将会明显的增加。动力负荷中的水泵、洗衣机等亦大部分放在下部，因此，就负荷的竖向分布来说，负荷大部分集中在下部，因此将变压器设置在建筑物的底部是有利的。但在40层以上的高层建筑中，电梯设备较多，此类负荷大部分集中于大楼顶部。竖向中段层数较多，通常设有分区电梯和中间泵站。在这种情况下，宜将变压器按上、下层配置或者按上、中、下层分别配置。供电变压器的供电范围大约为15—20层。为了减少变压器台数，单台变压器的容量一般都大于1000kVA。由于变压器深入负荷中心而进入楼内，从防火要求考虑，不应采用一般的油浸式变压器和油断路器等在事故情况下能引起火灾的电气设备，而应采用干式变压器和真空断路器。负荷中心是供配电设计一个重要的概念。变电所应尽量设在负荷中心，便于配电，节省导线，也有利于施工。负荷中心实际上是一种最佳配电点，它需要按所要达到的优化目标不同的计算条件而列出的目标函数来确定。事实上，负荷的大小不是恒定不变的，因此负荷中心常会变动。在设计时也往往由于各种实际因素而不能将配电点布置在计算而得的负荷中心上。只有在负荷比较平稳的部门，才可将变电所设在负荷中心或大负荷的近旁。(二)供电系统的主结线电力的输送与分配，必须由母线、开关、配电线路、变压器等组成一定的供电电路，这个电路就是供电系统的一次结线，即主结线。智能楼宇由于功能上的需要，一般都采用双电源进线，即要求有两个独立电源，常用的供电方案如图所示。图a为两路高压电源，正常时一用一备，即当正常工作电源事故停电时，另一路备用电源自动投入。此方案可以减少中间母线联络柜和一个电压互感器柜，对节省投资和减小高压配电室建筑面积均有利。这种结线要求两路都能保证100％的负荷用电。当清扫母线或母线故障时，将会造成全部停电。因此，这种接线方式常用在大楼负荷较小，供电可靠性要求相对较低的建筑中。图b为两路电源同时工作，当其中一路故障时，由母线联络开关对故障回路供电。该方案由于增加了母线联络柜和电压互感器柜，变电所的面积也就要增大。这种接线方式是商用性楼宇、高级宾馆、大型办公楼宇常用的供电方案。当大楼的安装容量大，变压器台数多时，尤其适宜采用这种方案，因为它能保证较高的供电可靠性。当变压器台数较少时，尚可从邻近楼宇高压配电室以放射式向该楼宇变压器供电。我国目前最常用的主结线方案如图所示，采用两路l0kV独立电源，变压器低压侧采取单母线分段的方案。对于规模较小的建筑，由于用电量不大，当地获得两个电源又较困难，附近又有400V的备用电源时，可采用一路10kV电源作为主电源，400V电源作为备用电源的高供低备主结线方案，如图所示。智能楼宇高压供电只是将高压电源移至大楼附近而已，大楼内的用电设备仍是以低压为主。(三)低压配电方式低压配电方式是指低压干线的配线方式。低压配出干线一般是指从变电所低压配电屏分路开关至各大型用电设备或楼层配电盘的线路。用电负荷分组配电系统是指负荷的分组组合系统。智能楼宇由于负荷的种类较多，低压配电系统的组织是否得当，将直接影响大楼用电的安全运行和经济管理。低压配电的结线方式可分为放射式和树干式两大类。放射式配电是一独立负荷或一集中负荷均由一单独的配电线路供电，它一般用在下列低压配电场所：①供电可靠性高的场所。②单台设备容量较大的场所。③容量比较集中的地方。对于大型消防泵、生活水泵和中央空调的冷冻机组，一是供电可靠性要求高，二是单台机组容量较大，因此考虑以放射式专线供电。对于楼层用电量较大的大厦，有的也采用一回路供一层楼的放射式供电方案。树干式配电是一独立负荷或一集中负荷按它所处的位置依次连接到某一条配电干线上。树干式配电所需配电设备及有色金属消耗量较少，系统灵活性好，但干线故障时影响范围大，一般适用于用电设备比较均匀，容量不大，又无特殊要求的场合。图示分别是放射式和树干式接线图。国内外智能楼宇低压配电方案基本上都采用放射式，楼层配电则为混合式。混合式即放射一树干的组合方式，如图所示。有时也称混合式为分区树干式。在高层住宅中，住户配电箱多采用单极塑料小型开关：一种自动开关组装的组合配电箱。对一般照明及小容量插座采用树干式接线，即住户配电箱中每一分路开关带几盏灯或几个小容量插座；而对电热水器、窗式空调器等大宗用电量的家电设备，则采用放射式供电。供配电系统监测供配电系统是智能大楼的命脉，因此电力设备的监控和管理是至关重要的。由监控系统对供配电设备的运行状况进行监视，并对各参量进行测量，如电流、电压、频率、有功功率、功率因数、用电量、开关动作状态、变压器的油温等等。管理中心根据测量所得的数据进行统计、分析，以查找供电异常情况、预告维护保养，并进行用电负荷控制及自动计费管理。电网的供电状况随时受到监视，一旦发生电网全部断电的情况，控制系统作出相应的停电控制措施，应急发电机将自动投入，确保消防、保安、电梯及各通道应急照明的用电，而类似空调、洗衣房等非必要用电负荷可暂时不予供电。同样，复电时控制系统也将有相应的复电控制措施。供配电系统监测内容：①各自动开关、断路器状态监测②三相电压、电流检测③有功、无功功率及功率因数检测④电网频率、谐波检测⑤变压器温度检测及故障状态报警⑥用电量(kWh)检测(一)高、低压端电压及电流自动检测对6—10kV高压线路的电压及电流测量方法如图所示。低压端(380／220V)的电压及电流测量方法与高压侧基本相同，只不过是电压和电流互感器的电压等级不同。(二)功率、功率因数的检测通过测量电压与电流的相差可测得功率因数，有了功率因数、电压、电流数值即可求得有功功率和无功功率。因此，可以先测量功率因数，然后间接得出功率数据，这是一种间接的测量功率的方法。比较精确的测量功率方法是采用模拟乘法器构成的功率变送器，或者用数字化测量的方法(高速采样电压、电流数据，再对数字信号进行处理)，直接测量功率数据。(三)供电品质的监测供电品质的指标通常是电压、频率和波形，其中尤以电压和频率最为重要。电压质量包括电压的偏移、电压的波动和电压的三相不平衡度等。1．频率:在电气设备的铭牌上都标有额定频率。我国电力工业的标准频率为50Hz。由于频率直接影响电子设备的正常工作，因此对于频率的偏差要求很严格，国家规定电力系统对用户的供电频率偏差范围为土0.5％。对电网频率的检测可在低压侧进行，在电网的频率偏差超过允许值时，监测系统应予报警，必要时应切断市电供电，改用备用电源或应急发电机供电。2．电压偏移:各种电气设备的铭牌都标有它的额定工作电压。但在实际运行中由于电力系统负荷的变化或用户本身负荷的变化等原因，往往使用电设备的端电压偏离额定值。电压低于额定值往往是发生在高峰负荷时长线路的末端，电压高于额定值往往是发生在低负荷时线路的始端。当电压过高或过低时，监测系统应予报警，同时需采取系统或局部的调压及保护措施。对电压偏移的改善一般要求在电网的高压侧采取措施，使电网的电压随负荷的增大而升高，反之负荷减少电压降低。对于重要的负荷，宜在受电或负荷端设置调压及稳压器。3．电压波动及谐波:电动机启动，电梯、电焊类冲击负荷的工作，将引起供配电系统中的电压时高时低，这种短时间的电压变化称为电压波动。电力系统中交流电的波形从理论上讲应该是正弦波，但实际上由于三相电气设备的三相绕组不完全对称，带有铁心线圈的励磁装置，特别是大型晶闸管装置、电力电子设备的应用，在电力系统中产生了与50Hz基波成整数倍的高次谐波，于是电压的波形发生畸变成为非正弦波。电压波动及谐波对电气设备的运行是有害的。照明和电子设备对电压波动比较敏感。谐波不仅严重影响电气设备的安全正常运行，而且对通信系统和计算机系统等也有较大影响，因此消除／抑制谐波是十分重要的。4．电压的不平衡度:在低压系统中一般采用Yy0三相四线制，单相负荷接于相电压上。由于单相负荷在三相系统中不可能完全平衡，因而三个相电压不可能完全平衡。电压的不平衡度可以通过测量三个相电压及三个相电流的数据，再经相互比较其差值来检测。差值越大则不平衡度越大。当这个不平衡电压加于三相电动机时，由于相电压的不平衡使得电动机中的负序电流增加，因而增加了转子内的热损失。在设计中应尽量使单相负荷平衡地分配在三相中，对相电压不平衡敏感的