第1章工厂供电概述

工厂供电主编第1章工厂供电概述1.1工厂供电的基本知识1.2电力系统的额定电压和电能质量1.3电力系统的中性点运行方式1.1工厂供电的基本知识1.1.1工厂供电的定义、要求及课程的性质工厂供电系统是电力系统的重要组成部分，它是电能的主要用户。(1)安全：在电能的供应、分配和使用中，必须保证人身安全和设备安全，不应发生人身事故和设备事故。(2)可靠：即满足电能用户对供电连续性的要求，不应出现违背用户意愿的中断供(3)优质：应满足电能用户对电压和频率等质量的要求。(4)经济：就是供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能采用新技术和其他能源的综合利用。1.1.2工厂供电系统概述1.1工厂供电的基本知识工厂供电系统既复杂又重要，其主要特点是供电范围广，负荷类型多而操作频繁，厂房环境（建筑物、管道、道路、高温及尘埃等）复杂，低压线路较长等。1)工厂从公共电网取得电源，电能先经高压配电所集中，再由高压配电线路将电能分配到各车间变电所，经车间变电所将高压电能转换为用电设备所需要的低压电能(如220/380V)，如图1-1所示。1.1工厂供电的基本知识2)对于大型工厂或电源进线电压在35kV及以上的中型工厂，一般经过两次降压，首先经工厂总降压变电所，其中装有较大容量的电力变压器，将35kV及以上的电能降为6～10kV的配电电压，然后通过高压配电线路将电能送到各车间变电所，或经高压配电所再送到车间变电所，经过再次降压供电给用电设备，如图1-2所示。图1-1中型工厂供电系统简图1.1工厂供电的基本知识图1-2采用两次降压的工厂供电系统简图1.1工厂供电的基本知识3)如果是小型工厂，负荷的容量不大于1000kV·A，也没有重要负荷，可以只设置一个降压变电所，将6～10kV的电源降为用电设备所需的低压电源，如图1-3所示。4)有的35kV进线的工厂，可以采用高压深入负荷中心的直配方式，既将35kV的线路直接引入靠近负荷中心的车间变电所，经一次降压，这样可以省去一级中间变压，从而简化供电系统的接线，降低电压损耗和电能损失，节约材料和设备，提高供电质量。1.1工厂供电的基本知识图1-3只设置一个降压变电所的工厂供电系统简图a)装有一台主变压器b)装有两台主变压器1.1工厂供电的基本知识图1-4采用高压深入负荷中心直配方式的工厂供电系统简图1.1工厂供电的基本知识5)对于比较小的工厂，当其所需的容量不大于160kV·A时，可以采用由公共低压电网直接接线获得所需要的低压电源，如图1-5所示。1.1.3发电厂和电力系统简介电能的生产、输送、分配和使用的全过程，实际上是在同一瞬间实现的，因此我们除了了解工厂供电系统概况外，还需了解工厂供电系统电能的生产过程。图1-5低压进线的小型工厂供电系统简图1.1工厂供电的基本知识图1-6水力发电示意图1—引水管2—发电机3—水轮机4—尾水管1.1工厂供电的基本知识1.发电厂发电厂又称发电站，是将自然界蕴藏的各种一次能源转换成电能(二次能源)的工厂。(1)水力发电厂：水力发电厂简称水电厂或水电站，它是利用水流的位能来生产电能。(2)火力发电厂：火力发电厂简称火电厂，它是利用燃料的化学能来生产电能。1.1工厂供电的基本知识图1-7火力发电示意图1.1工厂供电的基本知识(3)核能发电厂：又称核电站，它是利用原子核的裂变来生产电能。图1-8压水堆型核电站发电示意图1.1工厂供电的基本知识2.电力系统在电力工业的初期，电能是直接由电力用户附近的发电站(或称发电厂)生产的，各发电厂孤立运行的，随着工农业生产和城市的发展，电能的需求量迅速增加，而热能资源(如煤田)和水能资源丰富的地区往往远离电能使用集中的工矿企业和城市，为了解决这个矛盾，就需要在动力资源丰富的地区建立大型的发电厂，然后将电能输送到距离遥远的电能用户。图1-9动力系统、电力系统及电力网示意图1.1工厂供电的基本知识1)减少系统的总装机容量。2)可以装设大容量的机组。3)能充分利用动力资源。4)提高供电的可靠性。5)提高电能的质量。6)提高运行的经济性。1)电能不能大量储藏。2)电力系统的电磁变化过程非常迅速。3)电能与国民经济各部门及人民的日常生活关系密切。1.1.4工厂的自备电源1.1工厂供电的基本知识图1-10采用柴油发电机组作为备用电源的主接线1.1工厂供电的基本知识1.柴油发电机组是利用柴油机作为原动力来拖动发电机进行发电的，如图1-10所示。1)柴油发电机组操作简便，起动迅速。2)柴油发电机组效率高、功率范围大、体积小、重量轻、搬运和安装方便。图1-11不间断电源(UPS)组成示意图1.1工厂供电的基本知识1M11.tif3)柴油发电机组燃料的储存和运输方便。4)柴油发电机组的运行可靠，维修方便。1.1工厂供电的基本知识2.交流不间断电源(UPS)交流不间断电源(UPS)主要由整流器(UR)、逆变器(UI)和蓄电池(E)等三部分组成，如图1-11所示。1.2电力系统的额定电压和电能质量1.2.1电力系统的电压1.额定电压的意义为了使电力设备的生产实现标准化、系列化，为了各元件合理配套，电力系统中发电机、变压器、电力线路及各种设备等，都是按规定的额定电压进行设计和制造的，所谓额定电压，就是指能使各类电气设备处在设计要求的额定或最佳运行状态的工作电压。1.2电力系统的额定电压和电能质量表1-1我国标准规定的三相交流电网和电力设备的额定电压(单位：kV)2.额定电压的分类我国现阶段各电力设备的额定电压分三类：第一类额定电压为100V以下，这类电压主要用于安全照明、蓄电池及开关设备的操作电源。1.2电力系统的额定电压和电能质量3.三相交流电网和电力设备的额定电压(1)电网(电力线路)的额定电压：在电力系统中，应尽可能地简化电压等级，减少变电层次，以节约投资与降低运行费用。图1-12用电设备和发电机额定电压说明a)集中负荷b)均匀分布负荷(2)用电设备的额定电压：用电设备的额定电压一般允许在其额定1.2电力系统的额定电压和电能质量电压±5%以内变化，而线路全长的电压损耗一般应不超过额定电压的10%，这样在运行时线路首端电压应比其额定电压高5%，末端电压才可能不低于5%。(3)发电机的额定电压：发电机是输出电能的设备，接于线路的首端，所以发电机的额定电压应该比所连接的线路的额定电压高5%，例如，线路的额定电压为10kV时，接在线路首端的发电机的额定电压应为10.5kV。(4)电力变压器的额定电压：电力变压器的额定电压情况稍显复杂些。1)电力变压器一次绕组的额定电压。2)电力变压器二次绕组的额定电压。4.电压偏差和电压调整1.2电力系统的额定电压和电能质量(1)电压偏差：电力系统在运行的过程中，由于各种因素的作用，使得电力系统的各元件上的实际电压与其额定电压产生偏差。(2)电压的调整：为了满足用电设备对电压偏差的要求，工厂供电系统可以采取以下相应的措施。1)正确选择无载调压型变压器的电压分接头和采用有载调压型变压器。2)合理地减少系统的阻抗。1.2电力系统的额定电压和电能质量图1-13电力变压器的分接开关接线图1.2电力系统的额定电压和电能质量3)尽量使系统的三相负荷平衡。4)合理改变系统的运行方式。5)采用无功补偿装置。5.电压波动及其抑制电力系统电压的短时而快速的变动叫电压波动。1)对负荷变动剧烈的大型用电设备，采用专门的供电线路或专用变压器单独供电。2)设法增大系统的容量和减少系统的阻抗。3)在系统出现严重的电压波动时，减少或切除引起电压波动的负荷。4)在条件许可的情况下，对于大型电弧炉和炉用变压器的受电电压，最好采用较高的电压，减小电压的波动。1.2电力系统的额定电压和电能质量5)对于大型冲击负荷，采取上述措施仍达不到要求，可装设能“吸收”冲击无功功率的静止型无功补偿装置(SVC)。表1-2电压波动允许值1.2电力系统的额定电压和电能质量表1-3闪变电压δ6.工厂供配电电压的选择(1)低压配电电压的选择：工厂的低压配电电压，一般采用220/380V，其中380V的线电压供电给三相动力设备或380V的单相设备，相电压220V供电给一般的照明灯具或其他220V的单相设备。1.2电力系统的额定电压和电能质量(2)高压配电电压的选择：工厂供电系统的高压配电电压，主要取决于当地供电电源的电压及工厂高压用电设备的电压、容量和数量等因素。表1-4各级电压电力线路合理的输送功率和距离1.2.2电网谐波及其抑制1.谐波基本定义与规定国际上公认的谐波含义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整倍数”。1.2电力系统的额定电压和电能质量(1)谐波电压总含量：所谓谐波电压总含量，就是各次谐波的平方和开方。(2)电压总谐波畸变率：电压总谐波畸变率THDu按式(1-3)计算为(3)谐波电压含有率：第h次谐波电压含有率HRUh，按式(1-4)计算。表1-5公用电网谐波电压(相电压)限值2.谐波产生的原因在电能的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。1)具有铁磁饱和特性的铁心设备，如变压器、电抗器等。1.2电力系统的额定电压和电能质量2)以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等。3)以电力电子器件为基础的开关电源设备或装置，如各种电力交流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置、大容量的电力晶闸管可控开关设备等。3.谐波的危害1)谐波会大大增加供配电系统发生谐波的可能，从而造成很高的过电流或过电压而引发事故的危险性。2)谐波电压可使变压器的磁滞及涡流损耗增加，使绝缘材料承受的电气应力加大，而谐波电流使变压器的铜损增加，从而使铁心过热，加速绝缘老化，缩短变压器的使用寿命。1.2电力系统的额定电压和电能质量3)谐波电流可能使电容器过负荷和出现不允许的温升，可使供电线路电能损耗增加，还可能使供配电系统发生电压谐振，损坏设备绝缘。4)谐波电流流过供配电线路时，可使其电能损耗增加，导致电缆过热而损坏。5)谐波电流可使电动机铁损明显增加，并使电动机转子出现振动现象，严重影响机械加工的产品质量。6)谐波可使计费的感应式、电子式电能表的计量不准。7)谐波影响设备正常工作，可使继电保护和自动装置发生误动和拒动，可使计算机失控、电子设备误触发、电子元器件的测试无法进行。1.2电力系统的额定电压和电能质量8)谐波可干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备。1.2.3三相电压不平衡度1.基本定义与规定1)电力系统公共连接点，正常时三相电压不平衡度允许值为2%，短时不超过4%。2)接于系统公共连接点的每个用户，三相电压不平衡度一般不得超过1.3%。2.危害三相电压不平衡度偏高，说明电压的负序分量偏大。3.降低不平衡度的措施由于造成三相电压不平衡的主要原因是单相负荷在三相系统中的容量分配和接入位置不合理、不均衡。1)均衡负荷。1.2电力系统的额定电压和电能质量2)正确接入照明负荷。1.2.4电压暂降与短时间中断1.基本定义与规定电压暂降与短时间中断通常是相关联的电能质量问题。2.危害电压暂降与中断并不是一个新问题，但由于以往的绝大多数用电设备对电压的短时突然变化不敏感，因此末引起人们关注。1.3电力系统的中性点运行方式1.3.1高压电力系统中性点运行方式在高压电力系统中，作为供电系统的发电机和变压器的三相绕组为三相星形联结时，其中性点有三种运行方式：中性点不接地、中性点经消弧线圈（阻抗或电阻）接地和中性点直接接地。图1-14电力系统中性点运行方式a)中性点直接接地b)中性点不接地c)中性点经消弧线圈接地d)中性点经阻抗接地1.3电力系统的中性点运行方式图1-15中性点不接地系统正常运行的电力系统a)电路图b)相量图1.中性点不接地的运行方式如图1-15所示。1.3电力系统的中性点运行方式图1-16单相接地时的中性点不接地的电力系统a)电路图b)相量图1.3电力系统的中性点运行方式2.中性点经消弧线圈的接地方式由上面的分析可知，在中性点不接地的系统中，当一相接地时如果接地电流过大，将会在故障点出现断