供 配 电 技 术第一章 供电系统

供配电

技

术什么是供电技术？供电，就是指所需电能的供应和分配，亦称配电。供电技术就是研究电力的供应和分配问题。是一门研究工矿企业如何安全有效地利用电能来进行生产活动的学科。是一门实用性很强的专业课。它以工矿企业35kV及以下供电系统的设计、运行、安全技术为重点。作为一门课程，其综合性很强，包含电力系统很多专业性概念，有的章节其实是一门专业课。本课程学习任务了解电力用户的电力供应和分配问题；掌握供电系统设计计算、运行维护所需的基础知识和基础理论。具有工矿企业变电所初步设计能力，具有电气设备运行维护和常见故障分析处理的初步能力。本课程主要内容第一章：供电系统第二章：负荷计算第三章：短路电流计算第四章：高压电气设备选择第五章：电力线路及选择第六章：继电保护第七章：过电压及其保护第八章：特殊行业的安全供电第1章供电系统1.1电力系统基础1.2供电系统的接线方式1.3典型企业供电系统1.4电网中性点运行方式一、电力系统发电厂、电力网和用户组成的统一整体称为电力系统,起着电能生产、变换、输送、分配和消费的作用。发电厂一般建在燃料、水力等丰富的地方，与用户距离一般很远。为降低输电线路的电能损耗，发电厂的电能经过升压变压器再经输电线路传输（高压输电）；经高压输电线路送到距用户较近的降压变电所，经降压分配给用户。连接发电厂和用户之间的环节称电力网，由各级变电所和电力线路组成。

第一节电力系统基础

用户

火力发电站——由燃煤或碳氢化合物获得热能的热力发电站(将热能转变为电能的发电站)。（一）发电厂（站）——由建筑物、能量转换设备和全部必要的辅助设备组成的生产电能的工厂。是电力系统的核心。生产电能，将一次能源转换成二次能源（电能），分为火、水、核、风、太阳、地热等发电厂。

火力发电过程为：燃料充分燃烧后，使锅炉内的水变成高温高压的蒸汽，推动汽轮机转动，带动与之联轴的发电机旋转发电。水电站——将水流能量转变为电能的电站。

发电过程为：有落差的水流冲动水轮机，带动与之连轴的发电机旋转发电。核电站——由核反应获得热能的热力发电站。

发电过程为：反应堆中的核燃料发生核裂变时释放出的能量，使水变成高温高压的蒸汽，推动汽轮机转动，带动与之联轴的发电机旋转发电。

其他：太阳能电站、风力电站、地热电站、潮汐电站等。

其他：太阳能电站、风力电站、地热电站、潮汐电站等。（二）电力网

电力网——输电、配电的各种装置和设备、变电站、电力线路的组合。电力线路——电力系统两点间用于输配电的导线、绝缘材料和附件组成的设施。变电站——电力系统的一部分，它集中在一个地方，主要包括输电或配电线路的终端、开关设备及控制设备、变压器和建筑物，通常还包括电力系统安全和控制所需的设施（例如保护装置）。

电力网由不同电压等级的输电线路和变压器组成，可分为地方电力网、区域电力网及超高压远距离输电网三种类型。地方电力网：电压为110kV以下的电力网（如35kV、10kV等）区域电力网：电压为110kV以上的电力网（如220kV）超高压远距离输电网：电压为330～500kV及以上的电力网110kV属于地方网还是区域网，要视其在电力系统中的作用而定

（三）电力用户一般由配电网供电的电能使用者称为电力用户。（四）电力系统的构成图高压输电线一次系统（高电压）：在工程实际中，常把发电、输变电和配电等环节叫做一次系统。二次系统（低电压）：保证一次系统安全/可靠/经济运行的信息系统及其操作机构。包括继电保护、测量、信号、操作电源和调度等环节。

供配电系统是电力系统的电力用户，由总降压变电所、高压配电线路、车间变电所、低压配电线路及用电设备组成。

1）．总降压变电所

总降压变电所负责将35～110kV的外部供电电压变换为6～10kV的厂区高压配电电压，给厂区各车间变电所或高压电动机供电。

2）．车间变电所

车间变电所将6～10kV的电压降为380/220V，再通过车间低压配电线路，给车间用电设备供电。

3）．配电线路

配电线路分为厂区高压配电线路和车间低压配电线路。

供配电系统主要电气设备符号电力变压器(T)隔离开关(QS)不允许带电流操作

负荷开关(QL)只能分断工作电流断路器(QF)能分断任何电流电流互感器(TA)相当于一个电流源，二次最大输出电流为5A，为电流表、功率表、电度表等提供电流。电压互感器(TV)相当于一个小型变压器，二次最高输出100V标准电压。母线(WB)是解决一个电源与多个负荷之间供电的好办法，又叫汇流排。在原理上母线是电路上的一个电气接点，起着接受、集中和分配电能的作用。二、电力负荷及其对供电可靠性的要求（一）．电力负荷

1、负荷：系统中所有电力用户的用电设备所消耗的电功率总和。也称电力系统的综合用电负荷。是所有用户的负荷总加。2、负荷分类（按负荷性质分类）：工业、农业、交通运输业、商业、生活等。3、电力系统的供电负荷：综合用电负荷加上电力网的功率损耗。4、电力系统的发电负荷：供电负荷加上发电厂厂用电消耗的功率。（二）电力负荷分类及其对供电的要求级别一级二级三级停电影响人身伤亡，重大设备损坏，政治、经济上重大损失政治、经济造成较大损失，设备局部损坏大量减产等不属于一级、二级的负荷允许停电时

间备用电源投入时间，特别重要负荷不允许停电允许短时停电几分钟停电影响不大对供电电源要求两个独立电源供电双回路供电无特殊要求举

例炼钢厂的炼钢炉、医院、人民大会堂纺织厂，化工厂

（三）用户对供电的基本要求安全：包括设备安全及人身安全。在电能的供应、分配和使用中，不应发生人身事故和设备事故。可靠:保证不间断的供电。应满足电力用户对供电可靠性的要求优质：电能质量。应满足电力用户对电压和频率等供电质量的要求经济：应使供配电系统的投资少、运行费用低，并尽可能地节约电能和减少有色金属消耗量。电气设备的额定电压，就是能使电气设备长期运行时获得最好经济效果的电压。三、电力系统的额定电压电力网额定电压等级是根据国民经济发展的需要、技术经济上的合理性、电机电器制造工业的水平等因素，经全面研究分析，由国家制定颁布的。从电气设备制造的角度和电力工业的发展来看，额定电压等级不宜过多。

用电设备用电设备的额定电压和电网的额定电压一致。发电机发电机的额定电压一般比同级电网的额定电压高出5%，用于补偿线路上的电压损失。电网（线路）额定电压等级低压：380V,660V

高压：3，6，10，35，110，220，330，500kV变压器的二次绕组对于用电设备而言，相当于供电设备。第一种情况比用电设备额定电压高10%

第二种情况比用电设备额定电压高5%变压器变压器的一次绕组：相当于是用电设备，所以规定变压器一次绕组的额定电压与受电设备额定电压相同。注意：但当变压器一次绕组直接与发电机相连时，变压器一次绕组的额定电压与发电机额定电压相等。其中5%用于补偿变压器满载供电时，一、二次绕组上的电压损失；另外5%用于补偿线路上的电压损失，因此适用于变压器供电距离较长时的情况。当变压器供电距离较短时，可以不考虑线路上的电压损失，只需要补偿满载时变压器绕组上的电压损失即可。表1-2电力系统额定电压等级线路(电网)电力设备(kV)发电机(kV)变压器电压(kV)额定电压额定电压一次二次33.153及3.153.15及3.366.36及6.36.3及6.61010.510及10.510.5及11353538.5110110121220220242330330363500500550线路的平均额定电压

线路的平均额定电压指线路始端最大电压（变压器空载电压）和末端用电设备额定电压的平均值。由于线路始端最大电压比电网额定电压高10%，因而线路的平均额定电压比电网额定电压高5%。各级分别为：0.4kV，3.15kV，6.3kV,10.5kV,37kV，63kV，115kV，230kV，346kV，525kV。发电机G的额定电压：UN·G=1.05UN·L1=1.05×10=10.5（kV）变压器T1的额定电压：U1N·T1=UN.G=10.5（kV）

U2N·T1=1.1UN·L2=1.1×110=121(kV)变压器T1的变比为：10.5/121kV变压器T2的额定电压：U1N·T2=UN·L2=110（kV）

U2N·T2=1.05UN·L3=1.05×6=6.3(kV)变压器T2的变比为：110/6.3kV例1.已知下图所示系统中电网的额定电压，试确定发电机和变压器的额定电压。

变压器直接与电动机相连，供电距离较短，可以不考虑线路上的电压损失。变压器T1的一次绕组与发电机直接相连，所以其一次绕组的额定电压取发电机的额定电压供电质量包括电能质量和供电可靠性两方面。电能质量是指电压、频率和波形的质量。电能质量的主要指标有：频率偏差、电压偏差、电压波动和闪变、高次谐波（电压波形畸变）及三相电压不平衡度等。四、电能的质量指标

频率的质量是以频率偏差来衡量。我国规定，电力系统的额定频率为50Hz，频率的允许偏差不得超过±0.5Hz，容量大于3000MW的用户，频率偏差不得超过±0.2Hz。四、电能的质量指标电压偏差是指用电设备的实际电压与额定电压之差，用占额定电压的百分数来表示频率偏差额定频率：50Hz允许偏差：正常允许偏差为±0.2Hz，当容量较小时可放宽到±0.5Hz

电压偏差电压偏差的危害白炽灯：电压低时，寿命延长，但发光效率降低，照度下降；电压高时，发光效率增加，但使用寿命大大缩短。

，电压低时，转矩将急剧减小，电流由于电动机：增大，使电动机绕组绝缘过热受损，缩短使用寿命。电压偏差的允许值35kV及以上电压供电的用户：±5%

10kV及以下高压供电和低压电力用户：±7%低压照明用户：+5%～–10%电压波动与闪变

电压波动是指电网电压短时、快速的变动，用电压最大值与最小值之差对电网额定电压的百分比表示，即正确选择变压器的电压分接头或采用有载调压变压器；合理减少系统的阻抗；尽量保持系统三相负荷平衡；改变系统的运行方式；采用无功功率补偿设备等。电压调整的措施电压波动产生的原因：是由负荷急剧变动引起的。

闪变是指人眼对因电压波动引起灯闪的一种主观感觉，引起灯闪的电压称为闪变电压。使电动机无法正常起动，引起同步电动机转子振动；使某些电子设备无法正常工作；使照明灯发生明显的闪烁现象等。电压波动的危害对负荷变动剧烈的大型电气设备，采用专线或专用变压器供电；增大供电容量，减小系统阻抗；增加系统的短路容量或提高供电电压；在电压波动严重时减少或切除引起电压波动的负荷；对大型冲击性负荷，可装设能吸收冲击无功功率的静止型无功补偿装置（SVC）。电压波动的抑制谐波谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解后所得到的频率为基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波。谐波产生的原因：是由于电力系统中存在各种非线性元件

。

波形畸变程度的几个特征量第h次谐波电压含有率：

第h次谐波电流含有率：谐波电压总含量：

谐波电流总含量：

电压总谐波畸变率：

电流总谐波畸变率：

使变压器和电动机的铁芯损耗增加，引起局部过热，同时振动和噪声增大，缩短使用寿命；使线路的功率损耗和电能损耗增加，并有可能使电力线路出现电压谐振，产生过电压，击穿电气设备的绝缘；使电容器产生过负荷而影响其使用寿命；使继电保护及自动装置产生误动作；使变压器使计算电费用的感应式电能表的计量不准；对附近的通信线路产生信号干扰，使数据传输失真等。谐波的危害三相整流变压器采用Y，d或D，y接线；增加整流器的相数；在谐波源处装设专用滤波器；限制晶闸管整流设备投入电网的容量；在大型整流设备附近装设静止型无功补偿装置。谐波的抑制三相不平衡指三相系统中三相电压（或电流）的不平衡程度，用电压（或电流）负序分量有效值与正序分量有效值的百分比来表示，即使电动机产生一个反向转矩，降低输出转矩，同时总电流增大，绕组温升增高，加速绝缘老化，缩短使用寿命。使变压器的容量得不到充分利用。使整流设备产生更多的高次谐波，进一步影响电能质量。使作用于负序电流的继电保护装置产生误动和拒动。产生原因：三相负荷不对称

。三相电压或电流不平衡的危害改善三相电压不平衡的措施在三相系统中合理分配不对称负荷；将不对称负荷分散接于不同的供电点；采用高一级电压供电；采用特殊接线的平衡变压器供电及加装三相平衡装置。

暂时过电压和瞬态过电压暂时过电压：包括工频过电压和谐振过电压，其特征为在其持续时间范围内无衰减或弱衰减；瞬态过电压：包括操作过电压和雷击过电压，其特征为振荡或非振荡衰减，且衰减很快，持续时间只有几毫秒或几十微秒。过电压的危害：使电力设备故障、影响电力安全运行。过电压是指峰值电压超过系统正常运行的最高峰值电压时的工况。一、供电系统接线方式的要求安全可靠规定条件和规定时间内保证不中止供电的能力操作方便，运行灵活能适应系统或本厂所的各种运行方式且运行方式相互转换灵活。经济合理

投资费用和运行费用。便于发展

具有初期—终期—扩建的灵活方便性第二节供电系统的接线方式二、供电系统的接线方式1.单回路放射式

这种供电方式的特点是供电线路独立，当任意一回线路故障时，不影响其它回路供电，可靠性较高，且操作灵活方便，易于实现保护和自动化。但出线回路数较多，设备和投资也多。可用于对容量较大、位置较分散的三级负荷供电。此种网络结构在中压和低压系统中均比较常见。

2.单回路树干式

如下图所示，树干式网络结构就是由电源端向负荷端配出干线，在干线的沿线引出数条分支线向用户供电。

一般用于向三级负荷供电。3.双回路放射式对于重要的用户，为保证供电回路故障时，不影响对用户供电，可采用双回路放射式接线，如下图所示。 一次投资较大，因此一般仅用于确需高可靠性的用户，并可将双回路的电源端接于不同的电源，以保证电源和线路同时得以备用，可向一、二级负荷供电。此种网络结构在中压和低压系统中均常见。4.双回路树干式

对于要求高可靠性的用户，采用双回路干线，使线路互为备用，同时可将双回路引自不同的电源，如图所示，实现电源和线路的两种备用，达到向一、二级负荷供电的目的。这种结构在中、低压系统中均广泛应用。

5.环式网络结构

环式网络结构一般用于中压系统或高压系统，尤其在城市供配电网络中得到广泛应用。可用于对二、三级负荷供电。如图所示，电源可为多个或一个，通常采用开环运行方式。三、变电所的主接线

变电所的电气主接线是由电力变压器、各种开关电器、电流互感器、电压互感器、母线、电力电缆或导线、移相电容器、避雷器等电气设备以一定次序相连接的接受和分配电能的电路。（一）有汇流母线的主接线

母线（bus）实质上是主接线电路中接受和分配电能的一个电气联结点，形式上它将一个电气联结点延展成一条线，以便于多个进出线回路的联结。 有汇流母线的主接线是我国目前广泛采用的接线形式，按母线设置组数的不同，又可分为单母线接线和双母线接线两大类。

1．单母线接线常用的单母线接线方式有单母线制和单母线分段制。单母线制

单母线制形式如图所示，是有汇流母线的主接线中结构最为简单的一类。在这种接线中所有电源和引出线回路都连接于同一母线上。 单母线制的可靠性和灵活性都较低，母线或连接于母线上的任一隔离开关发生故障或检修时，都将影响全部负荷的用电。

单母线分段接线

为了提高单母线接线的供电可靠性和灵活性，可采用断路器分段的单母线接线，如图所示，图中的QF3称为分段断路器。2.双母线接线

对于特别重要的负荷，当采用单母线分段接线，可靠性不能满足要求时，可考虑采用双母线接线，如图所示。W1为工作母线，W2为备用母线，其间通过断路器QF连接起来，QF称为母联断路器。(二）无汇流母线的主接线

前面分析的各种有母线的主接线形式中所采用的断路器数目一般都大于连接回路的数目，造成整个配电装置占地面积大，建设成本高。对于一些对经济性要求较高的场合，在满足主接线可靠性要求的前提下，可考虑采用无汇流母线的主接线。 常见的有单元式接线和桥式接线。

1.单元式接线——线路-变压器组接线

单元式接线用于只有一回进线和一回出线的场合，只有一种运行方式，如图所示。这种这主接线形式只适用于向三级负荷供电。2.桥式接线

当只有两台变压器和两条线路时，可以采用桥式接线。桥式接线是单母线分段接线中进出线回路数相同，且取消进线或出线断路器时的特殊情况，将此时的母线分段断路器称为桥断路器。

桥式接线可分为：内桥式接线外桥式接线全桥式接线

桥断路器在进线断路器的内侧（即变压器侧），则称为内桥式接线，如图(a)所示。内桥式接线的特点是：线路的投切比较方便，变压器的投切比较复杂，所以内桥式接线适用于进线线路较长，负荷比较平稳，变压器不需要经常投切的场合。

(1)L1故障

仅QF1跳闸，T1及其它回路继续运行(2)T1检修

①断开QF3、QF1，再拉开QS1，出线l1停电②关合QF和QF1，恢复L1供电。QF1QF2QF3T1T2QS1L1L2

桥断路器在进线断路器的外侧（即进线侧），则称为外桥式接线，如图(b)所示。

外桥式接线的特点和内桥相反：它适用于进线线路较短、负荷变化较大，变压器需要经常切换的场合。 (1)L1故障①QF3和QF1同时自动跳闸，T1被切除②断开QS2，合QF1和QF3，恢复T1运行。(2)T1检修仅停QF1和QS1QF1QF2QF3QS1QS2T1T2L1L2跨接桥居中，进线回路与变压器均装有断路器，称为全桥式接线。特点：适应性强，供电可靠性高，操作方便，运行灵活，容易扩展成单母线分段的中间变电所；缺点是设备多，投资大，占地面积大。适用于负荷较大，对供电要求较高的大型终端变电所。第三节典型企业供电系统一、大型企业35/（6-10）kV供电系统二、车间（6-10）/0.4kV供电系统35kV变电所运行方式的优化方案

大中型企业35kV变电所的最佳运行方式为全分列运行，即35kV电源线路、主变压器、6～10kV母线均为分列运行的方案。此时，QFI、QFII都分闸运行。该方案无论从经济运行与节约设备初期投资的角度，还是从供电性能与过流保护设置的角度都优于一路（台）使用、一路（台）备用以及并联运行的方案。全分列运行可作为企业35kV变电所的主要（正常）运行方式，它也能保证当检修需要或故障时转换成以下运行方式继续供电。第四节电网中性点运行方式

电力系统中性点有三种运行方式：中性点直接接地中性点不接地中性点经消弧线圈接地小电流接地系统大电流接地系统电力系统的中性点：星形连接的变压器或发电机的中性点。特点：三相对称交流系统中性点电位为零。中性点运行方式的选择：主要取决于单相接地时电气设备绝缘要求及供电可靠性。一、中性点不接地方式

负荷ABCCCCICa.电路图0UAUBUCIB0IC0IA0b.矢量图正常运行时UA＋UB＋UC＝0IA＋IB＋IC＝0结论：三相电压对称，三相导线对地电容电流也是对称的，三相电容电流相量之和为零，这说明没有电容电流经过大地流动。适用范围3kV~60kV的电力系统单相金属性接地故障时(C相)ICAICAICBICBICCICCIPEABC

C相接地时，系统的接地电流为A、B两相对地电容电流之和。即一相接地的电容电流为正常运行时每相对地电容电流IC0的3倍。中性点不接地系统单相接地故障的结论故障相对地电压降为零；非故障相对地电压升高为线电压，且相位相差600。因此，线路及各种电气设备的绝缘要按线电压设计，绝缘投资所占比重加大，显而易见，电压等级越高绝缘投资越大。三相之间的线电压仍然对称，用户的三相用电设备仍能照常运行，但允许继续运行