供配电技术第1章

第1章概论第1章概论1.1电力系统和供配电系统概述1.2电力系统的电压1.3电力系统中性点的运行方式1.4供电系统的质量指标1.5电力负荷的分级及其对供电的要求基本技能训练电力系统图的阅读思考题与习题第1章概论1.1电力系统和供配电系统概述1.1.1电力系统电能是由发电厂生产的。为了充分利用动力资源，降低发电成本，发电厂大多建在一次能源丰富的偏远地区，而电能用户一般在大中城市和负荷集中的大工业区，因此发电厂生产出的电能要经过高压远距离输电线路输送，才能到达各电能用户。从发电厂到用户的送电过程示意图如图1-1所示。第1章概论图1-1从发电厂到用户的送电过程示意图第1章概论在图1-1中，发电机生产电能，电力线路输送电能，变压器变换电压，电动机、电灯等用电设备使用电能，这些设备联系起来就组成了一个电力系统。电力系统就是由各种电压的电力线路将发电厂、变电所和电力用户联系起来，实现电能的生产、输送、分配、变换和使用的统一整体。电力生产具有不同于一般商品生产的特点，其生产、输送、分配和使用的全过程几乎在同一瞬间完成。典型电力系统的系统图如图1-2所示。第1章概论图1-2典型电力系统的系统图第1章概论电力系统将分散于各地的众多发电厂连接起来并联工作，并通过电力网将分散在各地的负荷中心的用户联系起来，从而实现电能的大容量、远距离输送。随着负荷的不断增长和电源建设的不断发展，将一个电力系统与邻近的电力系统互连已成为历史发展的必然。建立大型电力系统可以经济合理地利用一次能源，降低发电成本，减少电能损耗，提高电能质量，还可实现电能的灵活调节和调度，从而大大提高供电的可靠性。下面我们将对电力系统的各主要部分作一介绍。第1章概论1.发电厂发电厂是将煤、石油、水能、核能、风能、太阳能等各种一次能源转变成电能的一种特殊工厂。根据利用的一次能源的不同，发电厂可分为火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂、风力发电厂、潮汐发电厂等。此外，还有地热发电、太阳能发电、垃圾发电和沼气发电等能源转换方式。目前，我国和世界大多数国家仍以火力发电、水力发电和核能发电为主。(1)火力发电厂是利用煤、石油、天然气等作为燃料来生产电能的工厂。其主要设备有锅炉、汽轮机、发电机等。其基本生产过程为：燃料在锅炉的炉膛中燃烧，加热锅炉中的水使之变成高温高压蒸汽，进入汽轮机，推动汽轮机的转子旋转，汽轮机带动联轴的发电机旋转发电。其能量转换过程为：燃烧的化学能→热能→机械能→电能。第1章概论(2)水力发电厂是利用江河水流的位能来生产电能的工厂。水力发电厂主要由水库、水轮机和发电机组成。其基本生产过程为：从河流较高处或水库内引水，利用水的压力或流速使水轮机旋转，水轮机带动发电机旋转发电。其能量转换过程为：水流位能→机械能→电能。(3)核能发电厂是利用原子核的裂变能来生产电能的工厂。主要设备有反应堆、汽轮机、发电机等。其生产过程与火力发电厂基本相同，只是用核反应堆代替了燃煤锅炉，以少量的核燃料代替了煤炭。其能量转换过程为：核裂变能→热能→机械能→电能。第1章概论2.变电所变电所的功能是接受电能、变换电压和分配电能。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，将其分为升压变电所和降压变电所。升压变电所通常紧靠发电厂，降压变电所通常远离发电厂而靠近负荷中心。根据变电所在电力系统中所处的地位和作用，可将其分为枢纽变电所、地区变电所和用户变电所。枢纽变电所位于电力系统的枢纽点，联系多个电源，出线回路多，变电容量大，电压等级一般为330kV或330kV以上；地区变电所一般用于地区或中、小城市配电网，其电压等级一般为110～220kV；用户变电所位于配电线路的终端，接近负荷处，高压侧为10～110kV第1章概论3.电力网电力网是由变电所和不同电压等级的输电线路组成的，其作用是输送、控制和分配电能。按供电范围、输送功率和电压等级的不同，电力网可分为地方网、区域网和远距离网三类。电压为110kV及110kV以下的电力网，其电压较低，输送功率小，线路距离短，主要供电给地方变电所，称为地方网；电压在110kV以上的电力网，其传输距离和传输功率都比较大，一般供电给大型区域性变电所，称为区域网；供电距离在300km以上，电压在330kV及330kV以上的电力网，称为远距离网。如果仅从电压的高低来划分，则电力网可分为低压网(1kV以下)、中压网(1~20kV)、高压网(35~220kV)及超高压网(330kV及330kV以上)。第1章概论4.电能用户所有消耗电能的单位均称为电能用户，从大的方面可将其第1章概论1.1.2供配电系统供配电系统是工业企业供配电系统和民用建筑供配电系统的总称。供配电系统是电力系统的重要组成部分，是电力系统的电能用户。对用电单位来讲，供配电系统的范围是指从电源线路进入用户起到高低压用电设备进线端止的整个电路系统，它由变配电所、配电线路和用电设备构成。图1-2中虚线框1、2为供配电系统示意图。本书主要介绍电能用户的供配电系统。对不同容量或类型的电能用户，供配电系统的组成是不相同的。第1章概论对大型用户及某些电源进线电压为35kV及35kV以上的中型用户，供配电系统一般要经过两次降压，也就是在电源进厂以后，先经过总降压变电所，将35kV及35kV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路将电能送到各个车间变电所，也有的经高压配电所再送到车间变电所，最后经配电变压器降为一般低压用电设备所需的电压。图1-3所示为具有总降压变电所的供配电系统简图。第1章概论图1-3具有总降压变电所的供配电系统简图第1章概论对电源进线电压为6～10kV的中型用户，一般电能先经高压配电所集中，再由高压配电线路将电能分送到各车间变电所，或由高压配电线路直接供给高压用电设备。车间变电所内装有电力变压器，可将6～10kV的高压降为一般低压用电设备所需的电压(如220／380V)，然后由低压配电线路将电能分送给各用电设备使用。图1-4所示为具有高压配电所的供配电系统简图。第1章概论图1-4具有高压配电所的供配电系统简图第1章概论对于小型用户，由于所需容量一般不超过1000kV·A或比1000kV·A稍多，因此通常只设一个降压变电所，将6～10kV电压降为低压用电设备所需的电压，如图1-5所示。当用户所需容量不大于160kV·A时，一般采用低压电源进线，此时用户只需设一个低压配电间，如图1-6所示。第1章概论图1-5(a)装有一台变压器；(b)装有两台变压器第1章概论图1-6低压进线的供配电系统简图第1章概论1.2电力系统的电压1.2.1三相交流电网和电力设备的额定电压电力系统的额定电压是我国根据国民经济发展的需要以及电力工业的现有水平，经过全面的技术分析后确定的。电力系统的额定电压分为不同的等级。按照国家标准GB156—2003《标准电压》规定，我国三相交流电网和电力设备的额定电压等级如表1-1第1章概论第1章概论1.电网的额定电压电网的额定电压必须符合国家规定的电压等级。当电网的电压选定后，其他各类电力设备的额定电压即可根据电网的电压来确定。2.用电设备的额定电压由于线路通过电流时要产生电压降，因此线路上各点的电压都略有不同，如图1-7中虚线所示。但是成批生产的用电设备，其额定电压不可能按使用处线路的实际电压来制造，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。因此规定用电设备的额定电压与同级电网的额定电压相同。第1章概论图1-7用电设备和发电机的额定电压说明第1章概论3.发电机的额定电压电力线路允许的电压偏差一般为±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(电源端)电压可较线路额定电压高5％，而线路末端电压则可较线路额定电压低5％，如图1-7所示。所以规定发电机额定电压高于同级电网额定电压的5％。第1章概论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为两种情况：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的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，则可看做是线路的用电设备，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为两种情况：当变压器二次侧供电线路较长时，如图1-8中变压器T1，其额定电压高于同级电网额定电压的10％，以此补偿变压器二次绕组内阻抗压降和线路上的电压损失；当变压器二次侧供电线路不太长时，如图1-8中变压器T2，其额定电压只需高于电网额定电压的5％即可，以此来补偿变压器内部5％的电压损耗。第1章概论图1-8电力变压器的额定电压说明第1章概论【例1-1】已知如图1-9所示电力系统中线路的额定电压，试求发电机和变压器的额定电压。图1-9例1-1供电系统图第1章概论解：(1)发电机G的额定电压应高出同级电网WL3额定电压的5％，UN.G=1.05UN.WL3=1.05×10=10.5kV(2)计算变压器T1的额定电压。一次绕组的额定电压应等于发动机的额定电压，即U1N.T1=UN.G=10.5kV二次绕组的额定电压应高出远距离输电线路WL1额定电压的10％，即U2N.T1=1.1UN.WL1=1.1×35=38.5kV因此，变压器T1的额定电压为10.5/38.5kV。第1章概论(3)计算变压器T2的额定电压。一次绕组的额定电压应等于线路WL1的额定电压，即UIN.T2=UN.WL1=35kV二次绕组的额定电压应高出线路WL2额定电压的10％，即U2N.T2=1.1UN.WL2=1.1×6=6.6kV因此，变压器T2的额定电压为35/6.6kV。第1章概论(4)计算变压器T3的额定电压。一次绕组的额定电压应等于线路WL3的额定电压，即U1N.T3=UN.WL3=10kV二次绕组的额定电压应高出线路WL4额定电压5％，即U2N.T3=1.05UN.WL4=1.05×0.38=0.40kV因此，变压器T3的额定电压为10/0.40kV。第1章概论1.2.2电压的分类及高低电压的划分1.电压的分类按国标规定，额定电压分为三类：第一类额定电压为100V及100V以下，如12V、24V、36V等，主要用于安全照明、潮湿工地建筑内部的局部照明及小容量负荷的电源；第二类额定电压为100V以上、1000V以下，如127V、220V、380V、660V等，主要用作低压动力电源和照明电源；第三类额定电压为1000V以上，如6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV等，主要用作高压用电设备、发电及输电设备的额定电压。第1章概论2.电压高低的划分我国的一些设计、制造和安装规程通常以1000V为界来划分电压高低，即低压指额定电压在1000V及1000V以下者；高压指额定电压在1000V以上者。此外，将330kV以上的电压称为超高压，将1000kV以上的电压称为特高压。第1章概论1.2.3供配电系统电压的选择供配电系统电压的选择包括供电电压的选择和高、低压配电电压的选择。1.供电电压的选择供电电压是指供配电系统从电力系统所取得的电源电压。供电电压的选择主要取决于以下三方面的因素。(1)电力部门所能提供的电源电压。例如，某一中小型企业可采用10kV供电电压，但附近只有35kV电源线路，而要取得远处的10kV供电电压投资较大，因此只有采用35kV供电电压。(2)企业负荷大小及电源线路远近。每一级供电电压都有其合理的供电容量和供电距离。当负荷较大时，相应的供电距离就会减小。当企业距离供电电源较远时，为了减少能量损耗，可采用较高的供电电压。第1章概论(3)企业大型设备的额定电压决定企业的供电电压。例如，某些制药厂或化工厂的大型设备的额定电压为6kV，因此必须采用6kV电源电压供电。当然也可采用35kV或10kV再降为6kV厂内配电电压供电。影响供电电压的因素还有很多，比如导线的截面积、负荷的功率因数、电价制度等。在选择供电电压时，必须进行