课题1供配电系统基本知识(天津城建电气)

课题1 供配电系统基本知识1.1 供配电系统概述1.2 额定电压及供电质量1.3 电力系统中性点运行方式1.1 供配电系统概述电能是现代人们生产和生活的重要能源。 建筑供配电就是指建筑所需电能的供应和分 配问题。 电力系统是由发电厂、电力网和电能用户组 成的一个发电、输电、变配电和用电的整体。图 1.1所示是电力系统的组成。电力系统中的各级电压线路及其联系的变配 电所，称为电力网。 1.1.1 电力系统的基本概念及组成1.发电厂发电厂是生产电能的工厂，它是把非电形式的能量转换成电能。发电厂的种类很多，一般根据所利用能源的不同分为火力发电厂、水力发电厂、原子能发电厂。此外，还有风力、地热、潮汐、太阳能等发电厂。2.变、配电所变电所是接受电能、变换电压和分配电能的 场所，由电力变压器和配电装置组成。变电所按变压的性质和作用又可分为升压变 电所和降压变电所两大类。升压变电所的任务是 将低电压变换为高电压，以利于电能的传输。降 压变电所的任务是将高电压变换到一个合理的电 压等级，一般建在靠近用电负荷中心的地点。 3.电力线路电力线路又称输电线。电力线路的作用是输 送电能，并把发电厂、变配电所和电能用户连接 起来。电力线路按其用途及电压等级分为输电线路 和配电线路。电压在35 kV及以上的电力线路称 为输电线路；电压在10 kV及以下的电力线路称为配电线路。电力线路按其架设方法可分为架空 线路和电缆线路；按其传输电流的种类又可分为 交流线路和直流线路。4.电能用户电能用户又称电力负荷。在电力系统中，一 切消费电能的用电设备均称为电能用户。用电设备按其用途可分为动力用电设备(如电 动机等)、工艺用电设备(如电解、电镀、冶炼、 电焊、热处理等)、电热用电设备(如电炉、干燥 箱、空调器等)、照明用电设备和试验用电设备等，它们将电能转换为机械能、热能和光能等不同 形式，以满足生产、生活的不同需要。图1.1 电力系统的组成建筑供配电系统是指所需的电力能源从进入建筑物（或小区）开始到所有用电设备终端的整个电路。建筑供配电系统由总降压变电所(或高压配电所)、高压配电线路、分变电所、低压配电线路及用电设备组成。1.1.2 供配电系统的组成1.二次变压的供电系统大型建筑群和某些负荷较大的中型建筑，一般采用具有总降压变电所的二次变压供电系 统，如图1.2所示。 图1.2 二次变压供电方式 2.一次变压的供电系统(1) 具有高压配电所的一次变压系统一般中型建筑或建筑群多采用610 kV电源进线，经高压配电所将电能分配给各分变电所， 由分变电所将610 kV电压降至380/220 V，供低压用电设备使用。同样，高压用电设备直接由高 压配电所的610 kV母线供电，如图1.3所示。(2) 高压深入负荷中心的一次变压系统对于某些中小型建筑或建筑群，如果本地电 源电压为35 kV，且各种条件允许时，可直接采用35 kV作为配电电压，将35 kV线路直接引入靠近负荷中心的变电所，再由车间变电所一次变压 为380/220 V，供低压用电设备使用，如图1.4所示。(3) 只有一个变电所的供电系统对于小型建筑或建筑群，由于用电较少，通 常只设一个将610 kV电压降为380/220 V电压的变电所，如图1.5所示。3.低压供电的小型供电系统某些小型建筑或建筑群也采用380/220 V低压电源进线，只需设置一个低压配电室，将电能直 接分配给各低压用电设备使用，如图1.6所示。图1.3 具有高压配电所的供电系统图1.4 高压深入负荷中心的一次变压系统图1.5 只有一个降压变电所的供电系统 (a) 装有一台电力变压器;(b) 装有两台电力变压器 图1.6 低压进线的小型供电系统 （1） 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。（2） 可靠应满足电能用户对供电可靠性的要求。（3） 优质应满足电能用户对电压质量和频率等方面的要求。（4） 经济应使供电系统的投资少、运行费用低，并尽可能地节约电能和减少有色金属的消 耗量。1.1.3 供配电的基本要求1.2 额定电压及供电质量1.2.1 额定电压所谓额定电压，就是用电设备、发电机、变压 器正常运行并具有最经济的工作电压，也就是正常 情况下所规定的电压。国家标准规定的三相交流电网和电气设备的额 定电压如表1.1所示（见P5）。 1.电力线路的额定电压电力线路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。2.用电设备的额定电压用电设备运行时，电力线路上要有负荷电流 流过，因而在电力线路上引起电压损耗，造成电 力线路上各点电压略有不同，如图1.7所示。但成批生产的用电设备，其额定电压不可能按使用地 点的实际电压来制造，而只能按线路首端与末端 的平均电压即电力线路的额定电压UN来制造。所以用电设备的额定电压与同级电力线路的额定 电压是相等的。3.发电机的额定电压由于同一等级电压的线路允许电压损耗为±5，即整个线路允许有10的电压损耗，因此，为了维持线路首端与末端平均电压的额定值，线 路首端(电源端)电压应比线路额定电压高5，而发电机是接在线路首端的，所以规定发电机的额 定电压高于同级线路额定电压5，用以补偿线路上的电压损耗，如图1.7所示。4.电力变压器的额定电压（1）变压器一次绕组的额定电压 当变压器直接与发电机相连，如图1.8中变压 器T1，则其一次绕组的额定电压应与发电机额定 电压相同，即高于同级线路额定电压5；当变压器不与发电机相连，而是连接在线路上，如图 1.8中变压器T2，则可将变压器看做是线路上的用电设备，因此其一次绕组额定电压应与线路额 定电压相同。（2） 变压器二次绕组的额定电压变压器二次绕组的额定电压是指变压器一次 绕组接上额定电压而二次绕组开路时的电压，即 空载电压。变压器在满载运行时，二次绕组内约 有5的阻抗电压降，因此分两种情况讨论。如果变压器二次侧供电线路很长(例如较大容 量的高压线路)，则变压器二次绕组额定电压一方 面要考虑补偿变压器二次绕组本身5的阻抗电 压降，另一方面还要考虑变压器满载时输出的二 次电压要满足线路首端应高于线路的额定电压5 ，以补偿线路上的电压损耗。 如果变压器二次侧供电线路不长(例如为低压线路或直接供电给高、低压用电设备的线路)，则变压器二次绕组的额定电压只需高于其所接线路 额定电压的5，即仅考虑补偿变压器内部5的阻抗电压降，如图1.8中变压器T2。 综上所述，在同一电压等级中，电力系统中 各个环节(发电机、变压器、电力线路、用电设备)的额定电压数值并不都相同。图1.7 用电设备和发电机的额定电压图1.7 用电设备和发电机的额定电压图1.8 电力变压器的额定电压 图1.8 电力变压器的额定电压 1.供电质量的主要指标（1） 电压额定电压是指用电设备处在最佳运行状态的 工作电压。当施加于用电设备两端的电压与用电 设备的额定电压差别较大时，将对用电设备产生 较大危害。对电动机而言，当电压降低时，其转 矩急剧减小，使得转速降低，甚至停转，从而导 致产生废品，甚至引起重大事故。用电设备除对 供电电压的高低有要求之外，还要考虑供电电压 波形畸变的问题。1.2.2 供电质量（2） 频率我国采用的工业频率(简称工频)为50 Hz。当电力网低于额定频率运行时，所有电力用户的电动机转速都将相应降低，因而用户将受到不同程度的影响。电力网频率的变化对供电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 要求更严格，频率的变化范围不应超过±0.5 Hz。2.电压偏移和电压调整（1） 电压偏移电压偏移是指用电设备端电压U与用电设备额定电压UN差值与UN的百分比，即U%=(U-UN)/UN×100 (1.1)电压偏移是由于供电系统改变运行方式或电力负荷缓慢变化等因素引起的，其变化是相当缓慢的。（2） 电压调整为了减小电压偏移，保证用电设备在最佳状 态下运行，供电系统必须采取相应的电压调整措 施，即: 合理选择变压器的电压分接头或采用有载调压型变压器，使之在负荷变动的情况下有效地 调节电压，保证用电设备端电压的稳定。 合理地减少供电系统的阻抗，以降低电压损耗，从而缩小电压偏移范围。 尽量使系统的三相负荷均衡，以减小电压偏移。 合理地改变供电系统的运行方式，以调整电压偏移。 采用无功功率补偿装置，提高功率因数，降低电压损耗，缩小电压偏移范围。1.高压供电电压的选择供电系统的高压配电电压主要取决于当地供 电系统电源电压及高压用电设备的电压和容量等 因素。对于大型工厂和某些电力负荷较大的中型工 厂，设备容量在200050000 kV·A、输送电能距 离在20150 km的，可采用35110 kV电压供电 。 对于中小型工厂，设备容量在1002000 kV·A、输送电能距离在420 km的，可采用6 10 kV电压供电。1.2.3 电压的选择确定高压供电电压时，应对各种方案的技术 和经济指标进行全面比较。表1.2（见P7）列出了各级电压线路合理的输送功率和输送距离。 采用10 kV作为高压供电电压的用电单位，如果有6 kV的高压用电设备(如6 kV高压电机)，则可通过专用的10/6.3 kV变压器单独供电。2.低压配电电压的选择供电系统的低压配电电压主要取决于低压用 电设备的电压，通常采用380/220 V。其中线电压380 V接三相动力设备，相电压220 V供电给照明及其他220 V的单相设备。对于容易发生触电或有易燃易爆的个别部位，可考虑采用220/127 V作为低压配电电压。对于一些有特殊要求的场所，应根据国家有关规定，局部采用安全电压供电。1.3 电力系统中性点运行方式选择电力系统中性点接地方式是一个综合性 问题。它与电压等级、单相接地短路电流、过电 压水平、保护配置等有关，直接影响电网的绝缘 水平、系统供电的可靠性和连续性、主变压器和 发电机的运行安全以及对通信线路的干扰等。考虑到电力系统运行的可靠性、安全性、经 济性及人身安全等因素，电力系统中性点常采用 不接地、经消弧线圈接地、高电阻接地和直接接 地等运行方式。1.3.1 电力系统中性点的运行方式1.中性点不接地的电力系统 中性点不接地方式即电力系统的中性点不与大地相接。电力系统中的三相导线之间和各相导线对地之间都存在着分布电容。设三相系统是对称的， 则各相对地均匀分布的电容可由集中电容C表示，线间电容电流数值较小，可不考虑，如图 1.9(a)所示。 系统正常运行时，三个相电压1、2、3是对称的，三相对地电容电流 C1、C2、C3也是对称的，其相量和为零，所以中性点没有电流流过。各相 对地电压就是其相电压，如图1.9(b)所示。当系统任何一相绝缘受到破坏而接地时，各相对地电压、对地电容电流都要发生改变。当故 障相(假定为第3相)完全接地时，如图1.10(a)所示接地的第3相对地电压为零，即U3'=0，但线间电压并没有发生变化。非接地相 第1相对地电压U1'=U1+(-U3)=U13第2相对地电压U2'=U2+(-U3)=U23即非接地两相对地电压均升高 3倍，变为线电压，如图1.10(b)所示。当第3相接地时，由于第1、2两相对地电压升高 3倍，使得这两相对地电容电流也相应地增大3倍，即从图1.10(b)的相量图可知，第3相接地点接地电容电流为即中性点不接地系统单相接地电容电流为 正常运行时每相对地电容电流的3倍。从图1.10(b)的相量图还可看出，系统的三个线电压无论相位和量值均未发生变化，因此系统中所有用电设备仍可继续运行。 中性点不接地系统发生一相接地时有以下特点： 经故障相流入故障点的电流为正常时本电压等级每相对地电容电流的3倍。 中性点对地电压升高为相电压。 非故障相的对地电压升高为线电压。 线电压与正常时的相同。2.中性点经消弧线圈接地的电力系统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