供配电技术 本章要求 1 了解和掌握电力系统和供配电系统的概念2 掌握电力系统的额定电压3 掌握电力系统中性点的运行方式4 掌握电能的质量指标和电力负荷的基本知识 第1章电力系统概论 1 1电力系统和供配电系统概述 1 1 1电力系统一 电力系统定义由发电厂 变电所 电力线路和电力用户连接起来的一个发电 输电 变电 配电和用电的整体 如示意图所示 电力是现代工业生产的主要能源和动力 是现代文明的物质技术基础 是工业现代化 国民经济的现代化的基础 是信息化和网络化的基础 电力系统的示意图 升压变电所 220kV 地区枢纽所 10kV 至用户 配电所 10kV 10kV 升压变电所 220kV 220kV 220kV 输电线路 220kV 10kV 为保证供电的可靠性和安全连续性 电力系统将各地区 各种类型的发电机变压器 输电线 配电和用电设备等连成一个环形整体 二 电力的生产和输送过程 2 变电所 变电所的功能是接受电能 变换电压和分配电能 1 发电厂 发电厂将一次能源转换成电能 3 电力线路 电力线路将发电厂 变电所和电力用户连接起来 完成输送电能和分配电能的任务 4 电力用户 所有消耗电能的用电设备或用电单位称为电力用户 按行业可分为工业用户 农业用户 市政商业用户和居民用户 发电机组发出的电压一般为6 10KV 1 1 2供配电系统 供配电系统由总降压变电所 配电线路 车间变电所或建筑物变电所和用电设备组成 如下图所示 HSS STS 工厂供配电系统图 1 1 3供配电的要求和课程任务 1 基本要求 1 安全 在电力的供应 分配和使用中 不应发生人身事故和设备事故 2 可靠 应满足电力用户对供电可靠性即连续供电的要求 3 优质 应满足电力用户对电压质量和频率质量等方面的要求 4 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 应合理地处理局部与全局 当前与长远的关系 额定电压是能使电气设备长期运行在经济效果最好的电压 是国家根据国民经济发展的需要 电力工业的水平和发展趋势 经全民技术经济分析后确定的 我国国家标准GBl56 1993 标准电压 规定的三相交流电网和电力设备 含用电设备和发电机 电力变压器 的额定电压 如表1 1所示 见书P4页 1 2电力系统的额定电压 讲述工厂供配电系统电能供应和分配的基本知识和理论 使学生掌握供配电系统的设计和计算方法 管理和运行技能 为学生今后从事工厂供配电技术工作奠定基础 2 本课程的任务 1 电网 线路 的额定电压 该电压UN只能选择国家规定的额定电压 如表1 1所示 它是确定各类电气设备电压的基本依据 2 用电设备的额定电压UM UM UN 用电设备和发电机的额定电压说明 3 发电机的额定电压UGUG 1 05UN 2 变压器二次绕组的额定电压1 UN 2T 1 05UN 连接线路短 2 UN 2T 1 1UN 连接线路长 如下图所示 4 变压器的额定电压 1 变压器一次绕组的额定电压1 UN 1T 1 05UN 与发电机直接相联 2 UN 1T UN 连接在线路上 例1 已知下图所示系统中线路的额定电压 试求发电机和变压器的额定电压 UG UN1 1T 1 05 6KV 6 3KV UN2 1T 1 1 110KV 121KV UN1 2T 110KVUN2 2T 1 1 10KV 11KV 1 3电力系统的中性点运行方式 1 3 1中性点不接地的电力系统 小接地电流系统 1 系统正常运行时的电路图和相量图 由图知 因此没有电流在地中流过 各相对地电压均为相电压 2 系统发生单相接地故障时的电路图和相量图 假设C相接地 即 由图知 系统的接地电流 电容电流 为 由于 而 因此 由于线路对地电容C难于准确确定 所以IC0和IE也不好根据C来准确计算 在工程中通常采用下列经验公式来计算 1 3 2中性点经消弧线圈接地的电力系统 当单相接地电容电流IC大于一定值时 3 10KV系统Ic 30A 20KV及以上系统IC 10A时 电力系统中性点就应改为经消弧线圈接地的运行方式 由图知 消弧线圈对电容电流有补偿作用 1 3 3中性点经电阻接地的电力系统 1 中性点经高电阻接地该方式一线直接低电流为目的 电阻值一般为数百至数千欧姆 中性点经高电阻接地可以消除大部分谐振过电压 对单相间隙弧光接地过电压有一定的限制作用 但对系统绝缘水平要求较高 主要用于发电及回路 2 中性点经低电阻接地城市6 35KV配电网络主要有电缆线路构成 其单相接地故障电流较大 可达100 1000A 若采用中性点经消弧线圈接地方式 无法完全消除接地故障点的电弧和抑制谐振过电压 可采用中性点经低电阻接地方式 该方式具有切除单相接地故障快 过电压水平低的优点 该方式适用于以电缆线路为主 不容易发生瞬时性单相接地故障且系统电容电流比较大的城市电网 发电厂厂用电系统及企业配电系统 1 3 4中性点直接接地的电力系统 中性点直接接地的电力系统中发生单相接地时 相间电压的对称关系被破坏 但未发生接地故障的两完好相的对地电压不会升高 仍维持相电压 因此中性点直接接地的系统中供用电设备的相绝缘只需按相电压来考虑 所以110kv及以上的电力系统通常都采取中性点直接接地的运行方式 4 低压配电系统的接地型式 3 IT系统 1 TN系统 2 TT系统 1 4电能的质量指标 1 4 1电压质量指标 1 电压偏差 指电压离额定电压的幅度 用 允许偏差值见表1 2 2 电压波动与闪变 1 电压波动 指电压的急剧变化 用 允许波动值见表1 3 4 电压偏差的危害与调节见P268 273 2 闪变 指周期性电压急剧变化应其光源光通量急剧波动而造成人眼视觉不舒适的现象 电压波动 闪变与抑制见P273 276 3 电压波形 波形的质量是以正弦波形畸变率来衡量的 公用电网谐波电压 相电压 限值见表1 5 1 4 2频率质量指标 频率的质量是以频率偏差来衡量的 在正常情况下 频率的允许偏差师根据电网的装机容量而定的 事故情况下 频率允许偏差更大 频率允许的偏差见表1 6 1 4 3供电可靠性指标 供电可靠性是以对用户停电的时间及次数来衡量的 常用供电可靠率表示 谐波与抑制见P276 282 1 5电力负荷 电力负荷又称电力负载 有两种含义 一是指耗用电能的用电设备或用户 一是指用电设备或用户耗用的功率或电流大小 一 工厂电力负荷的分级及其对供电电源的要求 一 工厂电力负荷的分级 1 一级负荷 重要负荷或特别重要的负荷 2 二级负荷 比较重要负荷 3 三级负荷 一般电力负荷 所有不属于上述一 二级负荷者均属三级负荷 二 各级电力负荷对供电电谭的要求 1 一级负荷对供电电源的要求 要求由两路电源供电 对特别重要的负荷 除上述两路电源外 还必须增设应急电源为保证对特别重要负荷的供电 严禁将其他负荷接入应急供电系统 2 二级负荷对供电电源的要求 一般要求由两回路供电 特殊情况下可采用一回路6kv及以上的专用架空线路供电 3 三级负荷对供电电源的要求 由于三级负荷为不重要的一般负荷 因此它对供电电源无特殊要求 二 工厂用电设备的工作制 1 连续工作制 2 短时工作制 3 断续周期工作制 断续周期工怍制的设备 可用 负荷持续率 来表示 其定义如下 本章要求 1 了解符荷曲线的概念及其有关物理量2 掌握各类设备容量的确定方法3 学会负荷计算 尖峰电流计算的方法4 掌握功率损耗和电能损耗的计算方法5 学会功率因数和无功功率补偿等 第2章负荷计算 负荷曲线是表征电力负荷随时间变动情况的一种图形 反映了用户用电的特点和规律 它绘在直角坐标系上 纵坐标表示负荷 横坐标表示对应的时间 2 1负荷曲线 二 负荷曲线的分类 2 实际负荷远小于设备总容量 三 负荷曲线的绘制 1 一班制工厂的日有功负荷曲线 一 工厂电力负荷的特点 1 负荷的大小是时刻在变的 1 依点连成的负荷曲线 即折线形 2 阶梯形负荷曲线 2 年负荷曲线 1 年负荷持续时间曲线 按负荷大小依次排列 全年按8760h计 2 年每日最大负荷曲线 年负荷持续时间曲线 年每日最大负荷曲线 四 负荷曲线的有关物理量 1 年最大负荷和年最大负荷利用小时 1 年最大负荷Pmax Pmax是指全年中负荷最大的工作半内 为防偶然性 这样的工作半至少要在最大的月份出现2 3次 30分钟平均功率的最大值 故又称30分钟最大负荷P30 Tmax是一个假想时间 在此时间内 电力负荷按年最大负荷Pmax 或P30 持续运行所消耗的电能 恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能 2 年最大负荷利用小时Tmax 即 年最大负荷和年最大负荷利用小时 Tmax是反映工厂负荷是否均匀的一个重要参数 2 平均负荷和负荷系数 1 平均负荷Pav Pav就是电力负荷在一定时间t内平均消耗的功率 即 年平均负荷是指电力负荷在年内平均消耗的功率 如用Wa表示全年实际消耗的电能 则年平均负荷为 2 负荷系数KL KL又称负荷率 它是用电设备的平均负荷Pav与其最大负荷P最大的比值 即 负荷系数又称负荷率或负荷充填稀疏 它表征负荷曲线不平坦的程度 对用电设备来说 负荷系数就是设备的输出功率P与设备额定容量PN的比值 即 它表征该设备或设备组的容量是否被充分利用 2 2用电设备的设备容量 一 设备容量的定义 不同工作条件下 用电设备铭牌上的额定功率经过换算至统一规定的工作制下的 额定功率 用Pe表示 二 设备容量的确定 1 长期工作制和短时工作制的用电设备 对单台设备 对多台设备 2 反复短时工作制的用电设备 1 电焊机和电焊机组 要求统一换算到 100 是的额定功率 即 2 起重机 吊车电动机 要求统一换算到 25 是的额定功率 即 3 电炉变压器组 设备容量是指在额定视在功率下的有功功率 即 4 照明设备 1 不用镇流器的照明设备 如白炽灯 碘钨灯 2 用镇流器的照明设备 如荧光灯等 对荧光灯 对高压汞灯 金属卤化物灯 3 照明设备的容量还可按建筑物的单位面积容量法估算 2 3负荷计算的方法 一 定义 计算负荷是指导体中通过一个等效负荷时 导体的最高温升正好和通过实际的变动负荷时其产生最高温升的相等 该等效负荷就称为计算负荷 实际上 Pc与30min最大负荷 亦即年最大负荷 基本相当 因此有以下定义 三 计算负荷的方法 二 计算负荷的目的和意义 为供配电设计选择提供基本依据 1 估算法 1 单位产品耗电量法 2 负荷密度法 有功计算负荷为 企业全年电能 单位耗电量 年产量 年最大负荷小时 a Tmax 值可查表2 1 2 2 2 3或相关表格 2 需要系数法 需要系数的概念 需要系数表达式 同时系数 负荷系数 由此可见 影响需要系数的因素为 1 与用电设备组的工作性质 设备台数 设备效率和线路损耗等因素有关 2 与操作人员的技能和生产组等多种因素有关3 与用电设备的类别和工作状态关系极大如果为一台三相电动机 则可认为Kd 1 于是P30 Pe PN Q30 S30 I30均随之改变 1 单组用电设备组的计算负荷 基本公式 应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素 需结合具体情况对其有功负荷和无功负荷分别计入一个同时系数 即 2 多组用电设备计算负荷的确定 注意 由于各组设备的功率因数不一定相同 因此总的视在计算负荷和计算电流一般不能用各组的视在计算负荷或计算电流之和来计算 对车间干线 取 1 由用电设备组计算负荷直接相加来计算时 取 2 由车间干线计算负荷直接相加来计算时 取 对低压母线 分两种情况 例 某机修车间380V线路上 接有金属切削机床电动机20台共50kw 其中较大容量电动机有7 5kwl台 4kw3台 2 2kw7台 通风机2台共3kw 电阻炉1台2kW试确定此线路上的计算负荷 解 先求各组的计算负荷 1 金属切削机床组 查表A 1 取故 2 通风机组 查表A 1 取故 3 电阻炉组 查表A 1 取故 因此总的计算负荷为 在实际工程设计说明书中 为了使人一目了然 便于审核 常采用计算表格的形式 如下