工厂供配电技术(A)

工厂供配电技术

一、概论内容提要：本章概述工厂供电有关的基本知识和基本问题。首先扼要说明工厂供电的意义、要求及本课程的任务，然后简介典型的各类工厂供电系统及发电机、电力系统和工厂自备电源的基本知识，接着重点讲述电力系统的电压和电能质量问题，最后讲述电力系统的中性点运行方式及低压配电系统的接地方式。概论s绪论1.1电力系统的基本概念1.2工厂供配电系统1.3工厂供配电电压1.4供电质量的主要指标小结1.1电力系统的基本概念

1.1.1发电厂1.1.2变配电所1.1.3电力网1.1.4高压直流输电1.1.5电能用户1.1.6电力系统的中性点运行方式1.1电力系统的基本概念

一切大规模现代化工农业生产、交通运输和人民生活都需要电能。电能是由发电厂生产，但发电厂往往距离城市和工业中心很远，这就需要将电能经过线路输送到城市或工业企业。为了减少输电时的电能损耗，输送电能时要升压，采用高压输电线路将电能输送给用户，同时为了满足用户对电压的要求，输送到用户之后还要经过降压，而且还要合理地将电能分配到用户或生产车间的各个用电设备。

为了提高供电的可靠性和经济性，将各发电厂通过电力网连接起来，并联运行，组成庞大的联合电力系统。将各种类型发电厂中的发电机、升压降压变压器、输电线路以及各种用电设备组联系在一起构成的统一的整体就是电力系统，用以实现完整的发电、输电、变电、配电和用电，图1.1为电力系统的示意图。1.1电力系统的基本概念

图1.1电力系统示意图

发电厂生产的电能，受发电机制造电压（6.3～20kV）的限制，不能远距离输送。通常将发电机的电压经过升压至220～500kV，通过超高压远距离输电网送往远离发电厂的城市或工业集中地区，再经区域降压变电所将电压降到35～110kV，然后再经35～110kV的高压供电线路将电能送至工厂，并经工厂总降压变电所降至6～10kV，配电至车间或终端变电所，车间变电所将电压降至380/220V

配电给用电设备。

图1.2从发电厂到用户的送电过程示意图

1.1电力系统的基本概念

1.1.1发电厂

1.1电力系统的基本概念

发电厂是生产电能的工厂。它把其它形式的能源，如煤炭、石油、天然气、水能、原子核能、风能、太阳能、地热、潮汐能等等，通过发电设备转换为电能。我国以火电发电为主，其次是水电和原子能发电。

供用电环节电能的生产变压输配电使用1.1电力系统的基本概念

火力发电厂

水力发电厂

原子能发电厂发电厂

火力发电厂是指用煤、油、天然气等为燃料的发电厂。将燃料燃烧加热锅炉中的水，利用高温高压的水蒸气推动汽轮机，带动与它联轴的发电机发电。

水力发电厂是把水的位能和动能转变成电能的发电厂。主要可分为堤坝式和引水式水力发电厂。

原子能发电厂又称核电站，是利用核裂变能量转化为热能，再按火力发电厂方式利用原子核反应堆发电。1.1.1发电厂

1.1电力系统的基本概念

1.1.2变配电所

变电所起着变换电能电压、接受电能与分配电能的作用，是联系发电厂和用户的中间环节。如果变电所只用以接受电能和分配电能，则称为配电所。。

变电所有升压和降压之分。升压变电所多建在发电厂内，把电能升高后，再进行长距离输送。降压变电所多设在用电区域，将高压适当降低后，对某地区或用户供电。降压变电所地区降压变电所

终端变电所

工厂降压变电所及车间变电所

地区降压变电所又称为一次变电站。位于一个大用电区或一个大城市附近，从220kV～500kV的超高压输电网或发电厂直接受电，通过变压器把电压降为35～110kV，供给该区域的用户或大型工厂用电。

终端变电所又称二次变电站，多位于用电的负荷中心，高压侧从地区降压变电所受电，经变压器降到6～10kV，对某个市区或农村城镇用户供电。

工厂降压变电所又称工厂总降压变电所，与终端变电所类似，它是对企业内部输送电能的中心枢纽。车间变电所接受工厂降压变电所提供的电能，将电压降为220/380V，对车间各用电设备直接供电。

1.1电力系统的基本概念

1.1.3电力网

电力系统中各级电压的电力线路及与其连接的变电所，总称为电力网，简称电网。。

电力网是电力系统的一部分，是输电线路和配电线路的统称，是输送电能和分配电能的通道。电网由各种不同电压等级和不同结构类型的线路组成，从电压的高低可将电力网分为低压网、中压网、高压网和超高压网等。。

电压在1kV以下的称低压网；1kV到10kV的称中压网；高于10kV低于330kV的称高压网；330kV及以上的称超高压网。

电网按电压高低和供电范围大小可分为区域电网和地方电网。区域电网的供电范围大，电压一般在220kV及以上；地方电网的供电范围小，电压一般为35～110kV。电网也往往按电压等级来分类，如说10kV电网或10kV系统，就是指相互连接的整个10kV电压的电力线路。根据供电地区的不同有时也将电网称为城市电网和农电网。

1.1电力系统的基本概念

1.1.3电力网

1.1电力系统的基本概念

1.1.4高压直流输电1．远距离输电及跨海输电（海底电缆）2．联接两个不同频率的电网，并可实现定电流控制，限制短路电流。3、高压直流输电（HVDC），是利用稳定的直流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电。

1.1电力系统的基本概念

1.1.4高压直流输电1.远距离输电及跨海输电

跨海输电及远距离输电容量大，如采用交流输电，由于距离远，线路感抗大，从而限制了输送容量，而且系统运行不稳定；另外，由于交流线路存在分布电抗和对地分布电容，会引起线路电压在很大范围内发生变化，必须投入无功补偿设备，使投资增加。若采用直流输电，则不存在此类问题。直流输电线路具有架设方便、能耗小、导线截面可得到充分利用及绝缘强度高等优点，使其更适宜于远距离大容量输电。世界上第一条商业化的高压直流输电线路1954年诞生于瑞典，用于连接瑞典本土和哥特兰岛。

1.1.4高压直流输电

直流输电技术的主要优点是不增加系统的短路容量便于实现两大电力系统的非同期联网运行和不同频率的电力系统的联网;利用直流系统的功率调制能提高电力系统的阻尼，抑制低频振荡，提高并列运行的交流输电线的输电能力。它的主要缺点是直流输电线路难于引出分支线路绝大部分只用于端对端送电。国内已建成的HVDC线路：宁波－舟山群岛（100kV，50MW，1988年投运）上海－嵊泗群岛（±50KV，60MW，2002年投运）葛洲坝－上海（500kV，1200MW，1989年投运）天生桥－广州（500kV，1800MW，2001年双极投运）三峡左岸－常州（500kV，3000MW，2003年投运）三峡－广东（500kV，3000MW，2004年投运）贵州－广东（500kV，3000MW，2004年投运）灵宝背靠背（西北－华中联网工程，2005年投运）三峡－上海（500kV，3000MW，2007年投运）贵州－广东二回（500kV，3000MW，2007年投运）金沙江向家坝、溪洛渡外送工程澜沧江水电外送工程……2013年4月18日我国1100KV1.1电力系统的基本概念

1.1.4高压直流输电2．联接两个不同频率的电网，并可实现定电流控制，限制短路电流。直流输电一般由整流站、直流线路和逆变站三部分组成。在输送功率的过程中，整流站把系统的三相交流电变为直流电，通过直流电路送到用户，再通过逆变站把直流电转变为交流电，供给用户。直流输电是以交流电力系统为基础，在直流输电网的两端是两个换流站和交流系统，如图1.3所示。若将电能从交流系统A输送到交流系统B，则换流装置Ⅰ把交流整流成直流，通过直流电网输送给换流装置Ⅱ，换流装置Ⅱ再把直流逆变为与交流系统B同频率同相位的交流电供送给交流系统B。

图1.3直流输电系统结构示意图

1.1电力系统的基本概念

1.1.5电能用户

所有的用电单位均称为电能用户，其中主要是工业企业。我国工业企业用电占全年总发电量的60%以上，是最大的电能用户。工业企业的电力负荷种类多，容量相差悬殊，运行特征也是各不相同。用电设备的这些不同特征关系到供电技术措施的确定。工厂内广泛使用的空压机、通风机、水泵、破碎机、球磨机、搅拌机、制氧机以及润滑油泵等机械的拖动电动机，不论其功率大小（从不足1kW到几千kW）及电压高低（从380V到10kV），一律为三相交流电动机，它们都是恒速持续运行工作的用电设备。这些设备在正常运行时，负荷基本上均匀而且三相对称，功率因数也很稳定，一般可达0.8～0.85。1.1电力系统的基本概念

1.1.5电能用户烧结机、连续铸管机、卷取机、回转窑等设备要增加变流环节，而且功率因数也会降低。提升机、高炉卷扬机、各种轧钢机以及工厂大量使用的各类吊车、起重机等的拖动电机，呈周期性工作，其负荷时刻变化，经常处于低负载状态，功率因数也偏低，一般在0.5～0.6以下。工业用电炉在精炼期间，三相负荷均匀对称，起始熔炼期间，电流可达其额定值的3.0～3.5倍，以致引起很大的网路电压波动。电解设备工作时负荷均匀稳定，功率因数较高（0.8～0.9），且不允许停电。电焊设备工作时负荷情况不匀称，功率因数很低。工厂的照明设备功率因数很高，通常为0.95～1.0。1.1电力系统的基本概念

1.1.6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常称大电流接地系统，中性点不接地和中性点经消弧线圈(或电阻)接地的系统称小电流接地系统。图1.4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

1.1电力系统的基本概念

1.1.6电力系统的中性点运行方式1．中性点直接接地方式

优点：非故障相对地电压不变，电气设备绝缘按相电压考虑，降低了设备对绝缘的要求，也减小了触电的危险程度。该系统如为三相四线制配电，可提供380／220V两种电压，供电方式更为灵活。

缺点：一相对地绝缘损坏时，就构成了单相短路，使供电中断，供电可靠性低。

110kV及以上的系统：

采用中性点直接接地方式；设备绝缘按相电压设计，可降低系统造价；单相接地跳闸停电，采用重合闸提高供电可靠性。

三相系统中性点的运行方式取决于供电可靠性、工作要求和设备的制造。

1.1电力系统的基本概念

1.1.6电力系统的中性点运行方式

2．中性点不接地方式

优点：系统正常运行时，各相对地分布电容相同，三相对地电容电流对称且其相量和为零，各相对地电压均为相电压。系统发生一相接地故障时，线间电压不变。

缺点：发生一相接地故障时，非故障相对地电压升高到原来相电压的

倍。故障相电容电流增大到原来的3倍。电气设备的绝缘要按线电压来选择。

3～66kV系统：

中性点不接地；

设备绝缘按线电压设计；

单相接地后可短时运行2h；

接地电流大于规定值应经消弧线圈接地。

1.1电力系统的基本概念

1.1.6电力系统的中性点运行方式

3．中性点经消弧线圈接地方式

在中性点不接地系统中，当单相接地电流超过规定数值时，电弧不能自行熄灭。一般采用经消弧线圈接地措施来减小接地电流，使故障电弧自行熄灭。消弧线圈L是一个具有铁心的电感线圈，线圈本身电阻很小，感抗却很大。通过调节铁心气隙和线圈匝数改变感抗值，以适应不同系统中运行的需要。

优缺点：除消弧线圈有电流IL外，同中性点不接地系统。全补偿IL＝IC，易发生电磁谐振；欠补偿IL＜IC，部分线路退出运行，易形成全补偿；

过补偿IL＞IC

，实用的补偿方式。1.2工厂供配电系统1.2.1工厂降压变电所1.2.2车间变电所1.2.3工厂配电线路1.2工厂供配电系统

(以二次变压的工厂供电系统为例)1.2.1工厂降压变电所

工厂总降压变电所，把35～110kV电压降为6～10kV，再向车间变电所供电。

为了保证供电的可靠性，工厂总降压变电所多设置两台变压器，由单条或多条进线供电，每台变压器容量可从几千到几万千伏安。供电范围由供电容量决定，一般在几千米以内。

1.2工厂供配电系统

1.2.2车间变电所

车间变电所将6～10kV的电压降为220/380V，对低压用电设备供电。供电范围一般只在500m以内。

车间变电所一般设1～2台变压器，单台变压器的容量通常为1000kVA及以下，最大不宜超过2000kVA。

1.2.3工厂配电线路主要作为工厂内输送、分配电能之用。

户外敷设的低压配电线路目前多采用架空线路。

在厂房或车间内部则应根据具体情况确定，或采用明线配电线路，或采用电缆配电线路。

在厂房或车间内，由动力配电箱到电动机的配电线路一律采用绝缘导线穿管敷设或采用电缆线路。

下图即为工厂二次变压供电方式（多采用于大型工厂和某些电力负荷较大的中型工厂）：

该供电系统，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，再由6~10kV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。380~220V总降压变电所6~10kVM车间变电所C35~110kV电源电源1.3电力系统的电压与电能质量

1.3.1概述1.3.2三相交流电网和电力设备的额定电压1.3.3

电压偏差与电压调整1.3电力系统的电压与电能质量

1.3.1概述电力系统中的所有设备都是在一定的电压和频率下工作的。电压和频率是衡量电能质量的两个基本参数。一般交流电力设备的额定频率为50Hz，此频率通称为“工频”。在电力系统正常情况下，工频的频率偏差一般不得超过0.5Hz。如果电力系统容量达到3000MW或以上时，频率偏差则不得超过0.2Hz在电力系统非正常状况下，频率偏差则不应超过1Hz。频率的调整主要依靠发电厂来调节发电机的转速。1.3电力系统的电压与电能质量

1.3.2三相交流电网和电力设备的额定电压

表1.1我国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0.380.400.380.400.660.690.660.69高压33.153,3.153.15,3.366.36,6.36.3,6.61010.510,10.510.5,11---13.8,15.75,18,20,22,2613.8,15.75,18,20,22,26---35---3538.566---6672.5110---110121220---220242330---330363500---5005501.电网（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。5%-5%G~UN线路首端线路末端(1)相数。电力变压器大多采用三相变压器来直接满足输配电的要求；小型变压器多制成单相；特大型变压器为满足运输的要求，可做成三相变压器组。

(2)额定容量。铭牌上标注的额定容量是变压器的额定视在功率，一般用kVA表示，是在额定电压、额定电流下连续运行时所输出的容量。

(3)额定电压。变压器的额定电压是指设计的加到一次侧绕组的电压，一般为变压器接入电源的额定电压值，单位为V或kV。

1.3电力系统的电压与电能质量

1.3.2三相交流电网和电力设备的额定电压

4.电力变压器的额定值：2.用电设备的额定电压与同级电力线路的额定电压相等。

3.发电机的额定电压由于同一电压的线路允许电压损耗为，即整个线路允许有10%的电压损耗；规定发电机的额定电压高于所供电网额定电压的5%，用以补偿线路上的电压损耗。MT1T2UN+5%+10%±0%+5%G~图1.6电力变压器的额定电压

二次线圈：所供线路较长时，

高出电网额定电压10%。所供线路较短时，高出电网额定电压5%。一次线圈：位于线路首端时，比电网的额定电压高5%。位于线路末端时，与电网额定电压相同。1.3电力系统的电压与电能质量

1.3.2三相交流电网和电力设备的额定电压

试确定下图所示供电系统中变压器T1和线路WL1、WL2的额定电压。

G6.3kVWL2T2WL1T1110/38.5kV由于电力变压器T1一次侧电压与发电机相同，所以T1一次侧电压：由于电力变压器T2一次侧电压与同级电网额定电压相同，所以：由于电力变压器T1二次侧属于远距离电能输送，因此：电力线路WL2属于远距离电能输送，因此：（即WL2的终端电压）G6.3kVWL2T2WL1T1110/38.5kV6.3/121kV110kV35kV1.3工厂供配电电压

1.3.2工厂供配电电压的选择线路电压(kV)输送功率(kW)输送距离(km)0.38361035110220

100以下100-1000100-1200200-20002000-1000010000-50000100000-500000

0.61-34-156-2020-5050-150100-300

表1.2常用各级电压的经济输送容量与输送距离

1.3工厂供配电电压

1.3.2工厂供配电电压的选择

1．工厂供电电压的选择

对于一般没有高压用电设备的小型工厂，设备容量在100kVA以下，输送距离在600m以内，可选用380/220V电压供电。对于中小型工厂，设备容量在100～2000kVA，输送距离在4～20km以内的，可采用6～10kV电压供电。对于中大型工厂，设备容量在2000～50000kVA，输送距离在20～150km以内的，可采用35～110kV电压供电。（这样就很经济）2．工厂配电电压的选择

工厂的高压配电电压为6～10kV。一般选10kV作为高压配电电压，如工厂供电电源的电压就是6kV，或工厂使用的6kV电动机多且分散，可采用6kV的配电电压。工厂的低压配电电压，一般采用380/220V。380V为三相配电电压，供电给三相用电设备及380V单相用电设备。220V作为单相配电电压，供电给一般照明灯具及220V单相用电设备。矿山等部门也有采用660V配电电压的。

1.4供电质量的主要指标

1.4.1电压1.4.2频率1.4.3可靠性1.4供电质量的主要指标1.4.1电压电压质量是按照国家标准或规范对电力系统电压的偏差、波动和波形的一种质量评估。1.电压偏差

电压偏差是指电气设备的端电压与其额定电压之差的百分数，即

式中ΔV%为电压偏差百分数，U为实际电压，UN为额定电压。

我国规定了供电电压的允许偏差，对35kV及以上系统为±5%；10KV及以下系统为±7%；220V单相系统为＋7%、－10%。

一般运行情况下，用电设备端子处电压偏差的允许值为±5%。

1.4供电质量的主要指标1.4.1电压2.电压波动

电压波动是指电压的急剧变化，电压变化的速率大于每秒1%的即为电压急剧变化。电压波动的程度用公共供电点相邻最高与最低电压之差对电网额定电压的百分数表示，即δU%=

式中，δU%为电压波动百分数；Umax、Umin为电压波动的最大值和最小值（kV）；UN为额定电压（kV）。

电压波动的允许值，10kV及以下系统为2.5%；对35～110kV系统为2%；220V单相系统为1.6%。

一般运行情况下，要求不低于每秒0.2%

。

1.4供电质量的主要指标1.4.1电压3.电压波形电压波形的好坏用其对正弦波形畸变的程度来衡量。在理想情况下，电压波形为正弦波，但电力系统中有大量非线性负荷，使电压波形发生畸变，除基波外还有各次谐波。下表是我国规定的公用电网电压波形畸变率。公用电网谐波电压限值（相电压）

电网额定电压（kV）电压谐波畸变率（%）各项谐波电压含有率（%）奇次偶次0.385.04.02.06104.03.21.635663.02.41.21102.01.60.8说明电网电压越高畸变越小，原因是高电压受电网的传输设备影响小。1.4供电质量的主要指标1.4.1电压

4.电压调整的措施（1）正确选择无载调压型变压器的电压分接头或采用有载调压型变压器；（有载调压变压器能在不停电的情况下，带负荷调整电压；而无载调压变压器却需要停电后手工调整电压）。

（2）合理减少系统阻抗；（3）合理改变系统的运行方式；（4）尽量使系统的三相负荷均衡；（5）采用无功功率的补偿装置。1.4.2频率

频率的变化对电力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严格得