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供电工程概述
工厂供电
第一章概论
第一节：
工厂供电的意义、要求
工厂供电：
就是指工厂所需电能的供应和分配。
做好工厂供电工作对于发展工业生产，实现工业现代化具有十分重要的意义；对于节约能源、支援国家经济建设，也具有重大的作用。
要做好工厂供电工作，就必须达到如下的基本要求：
（1）安全：
在电能的供应、分配和使用过程中，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的可靠性要求。
（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：
供电系统的投资要少，运行费用低。
第二节：
工厂供电系统的有关知识
一、工厂供电系统概况（以一般中型工厂为例）
一般中型工厂的电源进线电压是6~10KV，电能先经高压配电所集中，再由高压配电线路将电能分送到各车间变电所，或由高压配电线路直接供给高压用电设备。
车间变电所内装设有电力变压器，将6~10KV的高压将为一般低压，用电设备所需的电压（如220/380V），然后由低压配电线路将电能分送给各用电设备使用。
图1-1是一个比较典型的中型工厂的供电系统的系统图。
图1-1
从图中可以看出，该厂的高压配电所有两条6~10KV的电源进线，分别接在高压配电所的两段母线上，这两段母线间装有一个分段隔离开关，形成所谓“单母线分段制”。
在任一条电源进线发生故障或进行检修而被切除后，可以利用分段隔离开关来恢复对整个配电所（特别是其重要负荷）的供电，即分段隔离开关闭合后由另一条电源进线供电给整个变电所。
这类接线的配电所通常的运行方式是：
分段隔离开关闭合，整个配电所由一条电源进线供电，其电源来自电力系统，而另一条电源进线作为备用。
这个高压配电所有四条高压配电线，供电给三个车间变电所，其中1号车间变电所和3号车间变电所都只装有一台配电变压器，而2号车间变电所装有两台配电变压器，并分别由两段母线供电，其低压侧又采用单母线分段制，因此对重要的用电设备可由两段母线交叉供电。
车间变电所的低压侧，设有低压联络线相互连接，以提高供电系统运行的可靠性和灵活性。
此外，该高压配电所还有一条高压配电线，直接供电给一组高压电动机，另有一条高压线直接与一组并联电容器相连。
3号车间变电所低压母线上也连接有一组并联的电容器，这些并联电容器都是用来补偿无功功率，提高功率因数的。
由以上分析可知，配电所的任务是接受电能和分配电能，而变电所的任务是接受电能、变换电压和分配电能。
以上所讲的变配电所中的母线，又称汇流排，其任务是汇集和分配电能，而工厂供电系统是指从电源线路进厂起到高低压用电设备进线端止的整个电路系统，包括厂内的变配电所和所有高低压供配电线路。
二、发电厂和电力系统简介
由于电能的生产、输送、分配和使用的全过程，实际上是在同一
瞬间实现的，因此除了了解工厂供电系统的概况外，还需要了解工厂供电系统的电源方向的发电厂和电力系统。
（一）发电厂：
发电厂又称发电站，是将自然界蕴藏的各种一
次能源转换为电能（二次能源）的工厂。
发电厂按其所利用的能源不同，一般分为：
水力发电厂、火力发电厂、风力发电厂、核能发电厂、地热发电厂、太阳能发电厂等。
（二）电力系统
为了充分利用动力系统，减少燃料运输，降低发电成本，因此有必要在有水力资源的地方建造水电厂，而在有燃料的地方建造火电厂等等。
但这些有动力资源的地方，往往离用电中心较远，所以必须用高压输电线路进行远距离输电。
由各种电压的电力线路将一些发电厂、变电所和电力用户联系起来的一个发电、输电、变电、配电和用电的整体，称为电力系统。
电力系统中各级电压的电力线路及其联系的变电所，称为电力网或电网。
习惯上，电网或系统往往以电压等级来区分，如说10KV电网或10KV系统。
这里所指的电网或系统，实际上是指某一电压的相互联系的整个电力线路。
第三节：
电力系统的电压
一、概述
电力系统中的所有电气设备，都是在一定的电压和频率下工作的。
电气设备的额定频率和额定电压，是指其正常工作里能获得最佳经济效果的频率和电压。
频率和电压是衡量电能质量的两个基本参数。
一般交流电力设备的额点频率为50Hz（中国），此频率通常称为“工频”，其频率偏差一般不得超过±0.5Hz.其频率的调整，主要依靠发电厂调节发电机的转速。
对工厂供电系统来说，提高电能质量主要是提高电压质量的问题。
电压质量是按照国家标准对电力系统电压的偏差、波动和波形的一种质量评估。
电压偏差是指电气设备的端电压与其额定电压之差，通常以其对额点电压的百分值来表示。
电压波动是指电网电压的幅值（或有效值）的快速波动。
电压波动值以用户公共供电点的相邻最大与最小电压方均根之差对电网额定电压的百分值表示：
电压波动的频率用单位时间内被电压波动（变化）的次数来表示。
电压波形的好坏用其对正弦波形畸变的程度来衡量。
二、三相交流电网和电力设备的额定电网
按照国家标准GB156《标准电压》规定，我国三相交流电网和
电机的额定电压如下表所示：
表1-1
我国三相交流电网和用电设备的额定电压
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
0.38
0.40
0.38
0.40
0.66
0.69
0.66
0.69
高压
3
3.15
3及3.15
3.15及3.3
6
6.3
6及6.3
6.3及6.6
10
10.5
10及10.5
10.5及11
（一）电网（线路）的额定电压
电网的额定电压等级是国家根据国民经济发展的需要和电
力工业的水平，经全面的技术经济分析后确定的。
它是确定各类电力设备额定电压的基本依据。
（二）用电设备的额定电压
由于线路运行时要产生电压降，所以线路上各类的电压都略有不
同，如图1-2中虚线所示：
图1-2（用电设备和发电机的额定电压说明）
但是成批生产的用电设备，其额定电压不可能按使用处线路的实际电压来制造，而只能按线路首端与末端的平均电压即电网的额定电压UN来制造。
因此用电设备的额定电压规定为与同级电网的额定电压相同。
（三）发电机的额定电压
由于电力线路允许的电压偏差一般为±5%，即整个线路允许有
10%的电压损耗值，因此为了维持线路的平均电压在额定值，线路首端（电压侧）的电压可较线路额定电压高5%，而线路末端（用户侧）则可较线路额定电压低5%，所以发电机额点电压规定高于同级电网额定电压5%。
（四）电力变压器的额定电压
1、电力变压器一次绕组的额定电压
分两种情况：
①当变压器直接与发电机相连时，如图1-3所示的
图1-3（电力变压器的额定电压说明）
变压器T1，其一次绕组额定电压应与发电机额定电压相同，即高于同级电网额定电压5%。
②当变压器不与发电机相连而是连接在线路上时，如图1-3中的变压器T2，则可看作是线路的用电设备，因此其一次绕组额定电压应与电网额定电压相同。
2、电力变压器二次绕组的额定电压
亦分两种情况：
①变压器二次侧供电线路较长时，如图1-3中的
变压器T1，其二次绕组额定电压应比相连电网额定电压高10%，其中5%是用于补偿变压器满负荷运行时绕组内部约5%的电压降，此外变压器满足负荷时输出二次电压还要高于所联电网额定电压5%，以补偿线路上的电压降。
②变压器二次侧供电线路不长时，如图1-3中的变压器T2，其二次绕组额定电压只需高于所联电网额定电压的5%，仅补偿变压器满负荷工作时绕组内部的5%电压降。
（五）电压高低的划分
电力系统电压高低的划分，因着眼点不同而有不同的划分方法。
以人身安全角度出发，规定：
低压——指设备对地电压在250V及以下者；
高压——指设备对地电压在250V以上者。
而我国的一些设计、制造和安装规程通常一般规定：
低压——指额定电压在1000V及以下者；
高压——指额定电压在1000V以上者。
三、电压偏差与电压调整
（一）电压偏差
1、电压偏差的含义及其计算：
电压偏差或称电压偏移，是指给定瞬间设备的端电压U与设
备额定电压UN之差。
通常用它对额定电压UN的百分值来表示，即：
△U%=（U-UN/UN）×100%（公式1-1）
2、电压偏差对设备运行的影响
（1）对感应电动机的影响：
当感应电动机的端电压比其额定电
压低10%时，由于转矩与端电压平方成正比（M∝U2），因此其实际转矩将只有额定转矩的81%，而负荷电流将增大5%~10%以上，温升将增高10%~15%以上，绝缘老化程度将此规定增加一倍以上，从而明显缩短电机的寿命。
当其电压升高时，负荷电流和温升也将增加，绝缘相应受损，对电机也是不利的，同样缩短电机的寿命。
（2）对同步电机的影响：
同感应电动机
（3）对电光源的影响：
（仅以白炽灯为例）电压偏差对白炽灯的影响最为明显。
当电压下降10%时，灯泡的寿命将延长2-3倍，但发光效率将下降30%以上。
灯泡明显变暗，照度降低。
当电压升高10%时，发光效率升高1/3，但是寿命将大大缩短，只有原来的1/3。
3、允许的电流偏差
10KV及以下三相供电电压允许偏差为±7%；
220V单相供电电压允许偏差为+7%，-10%。
用电设备：
①电动机为±5%；②照明：
在一般工作场所为±5%；对于远距离变电所的小面积一般工作场所，难以满足上述要求时，可为+5%，-10%。
③其它用电设备：
无特殊规定时为±5%。
（二）电压调整
为了满足用电设备对电压偏差的要求，供电系统必须用相应的
电压调整措施。
（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；
（2）合理减少系统的阻抗（比如加大线路面积）；
（3）合理改变系统的运行的方式；
（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。
四、电压波动及其拟制
1、电压波动的含义及其计算
电压波动是指电网电压的快速变动。
电压波动值以用户公共供电
点的最大与最小电压方均根值Umax与Umin之差对电网额定电压UN百分值来表示即：
△U%=（Umax-Umin/UN）×100%（公式1-2）
2、电压波动的产生及其危害
电压波动是由于负荷急剧变动的冲击性负荷所引起的。
负荷急剧
变动，使电网的电压损耗相应变动，从而使用户公共供电点的电压出现波动现象。
电压波动可影响电动机的正常起动，甚至使电动机无法起动；对于同步电动机还可引起转子振动；可使电子设备和计算机无法正常工作；可使照明灯发生明显的闪烁，严重影响人们的正常工作和学习。
2、闪变
闪变是指人眼对灯闪的主观感觉。
引起灯光闪变的波动电
压，称为闪变电压。
五、电网谐波及其抑制
1、电网谐波的含义
谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅立叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波，而基波是指其频率与工频（50Hz）相同的分量。
向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备，称为谐波源。
2、谐波的产生与危害
电网谐波的产生，主要在于电力系统中存在各种非线性元件。
因
此即使电力系统中电源的电压为正弦波，但由于非线性元件的存在，结果在电网中总有谐波或电压存在。
产生谐波的元件很多：
（1）荧光灯及气体放电灯
（2）感应电动机
（3）电焊机、变压器
（4）感应电炉
（5）大型晶闸管变温设备及大型带电弧炉
谐波对电气设备的危害很大：
（1）谐波电流通过变压器，可使变压器的铁芯损耗明显增加，从
而使变压器出现过热，缩短使用寿命。
（2）谐波电流通过交流电动机，不仅会使电动机的铁芯损耗明显
增加，而且还要使电动机转子发生振动现象。
（3）谐波对电容器的影响更为突出，谐波电压加在电容器两端
时，由于电容器对谐波的阻抗很小，因此电容器很容易发生过负荷甚至烧毁。
等等。
3、电网谐波的抑制
可采用下列措施：
（1）三相整流变压器采用Y，d或D，y的接线；
（2）增加整流变压器二次侧的相数；
（3）使各台整流变压器二次侧互有相角差；
（4）装设分流滤波器（R——L——C回路）等等。
第四节电力系统的中性点运行方式
一、概述
在三相交流电力系统中，作为供电电源的发电机和变压器的中性点有三种运行方式：
一种是电源中性点不接地；一种是电源中性点经阻抗接地；再有一种是中性点直接接地。
前两种合称为小接地电流系统或中性点非直接接地系统，后一种中性点直接接地系统，称为大接地电流系统，亦称中性点有效接地系统。
我国3~10KV系统，一般采用中性点不接地的运行方式。
如单相接地电流大于一定数值时（30A），则采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。
我国220/380V低压配电系统，广泛应用中性点直接接地的运行方式，而且引出有中性线（N线）、保护线（PE线）或保护中性线（PEN线）
中性线（N）的动能：
一是用来接用额定电压为相电压的单相用电设备；二是用来传导三相系统中的不平衡电流和单相电流；三是减小负荷中性点的电位偏移。
保护线（PE）的功能：
是为保障人身安全、防止发生触电事故用的接地线。
系统中所有设备的外露可导电部分通过保护线接地，可在设备发生接地故障时减小触电危险。
保护中性线（PEN）兼有中性线（N）和保护线（PE）的功能，这种保护中性线通称为“零线”，俗称地线。
低压配电系统的，按保护接地形式，分为TN系统，TT系统和IT系统。
TN系统中的所有设备的外露可导电部分均接公共保护线（PE）或公共的保护中性线（PEN）。
这种按公共PE线或PEN线也称“接零”。
如果系统中的N线和PE线全部合为PEN线，则此系统称为TN-C系统，如图1-4所示：
图1-4（TN-C系统）
如果系统中的N线与PE线全部分开，则此系统称为TN-S系统，如图1-5所示：
图1-5（TN-S系统）
如果系统的前一部分，其N线与PE线合为PEN线，而后一部分线路，N线与PE线则全部或部分地分开，则此系统称为TN-C-S系统，如图所示：
图1-6（TN-C-S系统）
TT系统中的所有设备的外露可导电部分均各自经PE线单独接地，如图1-7所示：
图1-7（TT系统）
IT系统中的所有设备的外露可导电部分也都各自经PE线单独接地，如图1-8所示：
图1-8（IT系统）
它与TT系统不同的是，其电源中性点不接地而经1000Ω阻抗接地，且通常不引出中性线。
凡引出有中性线的三相系统，包括TN系统和TT系统，属于三相四线制系统。
没有中性线的三相系统，如IT系统，属于三相三线制系统。
电力系统中电源中性点的不同运行方式，对电力系统的运行，特别是在系统发生单相接地故障时有明显的影响，而且将影响系统二次侧的继电保护及监测仪表的选择与运行。
二、中性点不接地的电力系统
图1-9（正常运行时的中性点不接地的电力系统电路图）
图1-10（正常运行时的中性点不接地的电力系统相量图）
为了讨论问题简化，假设图1-9种所示的三相系统的电源电压和线路参数（R、L、C）都是对称的，而且将相与地之间存在的分布电容用一个集中电容C来表示，由于相间存在的电容对所讨论的问题无影响而予以略去。
系统正常运行时，三个相的相电压
A、
B、
C是对称的，三个相的对地电容电流
CO也是平衡的，因此三个相的电容电流的相量和为零，没有电流在地中流动，各相对地的电压，就等于各相的相电压。
系统发生单相接地时，例如C相接地时，如图1-11所示：
图1-11（单相接地时中性点不接地的电力系统电路图）
这时C相对地的电压为0。
而A相对地电压
A=
AC，B相对地电压
B=
BC，可见C相接地时，完好的A、B两相对地电压都由原来的相电压升高到线电压，即升高为原对地电压的√3倍。
C相接地时，系统的接地电流
C应为A、B两相对地电容电流之和，由计算可知IC=3ICO，即一相接地的电容电流为正常的运行时角相对地电容电流的3倍。
由于线路对地的电容C不好准确确定，因此ICO和IC也不好根据C来精确计算。
通常采用下列经验公式来确定中性点不接地系统的单相接地电容电流，即IC=UN（Lon+35Lcab）／350（公式1-3）
式中:
IC——系统的单相接地电容电流（A）
UN——系统的额定电压（V）
Lon——同一电压UN的具有电的联系的架空线路总长度（Km）
Lcab——同一电压UN的具有电的联系的电缆线路总长度（Km）
当系统发生不完全接地时，故障相的对地电压值将大于零而小于相电压，而其它完好相的对地电压值则大于相电压而小于线电压，接地电容电流值也小于3ICO。
必须指出：
当电压中性点不接地的电力系统中发生单相接地时，三相用电设备的正常工作并未受到影响，因为线路的线电压无论其相位和量值均未发生变化。
但是这种线路不允许在单相接地故障情况下长期运行，因为如果再有一相又发生接地故障时，就形成两相接地短路，短路电流很大，这是不能允许的。
因此在中性点不接地系统中，应该装设专门的单相接地保护或绝缘监视装置，在系统发生单相接地故障时，给与报警信号，提醒供电值班人员注意，及时处理；当危机人身和设备安全时，单相接地保护则应动作于跳闸。
三、中性点经消弧线圈接地的电力系统
在上述中性点不接地的电力系统中，有一种情况是比较危险的，即在发生单相接地时，如果接地电流较大，将出现断续电弧，这就可能使线路发生电压谐振现象。
（R——L——C串联谐振）。
从而使线路上出现危险的过电压（可达相电压的2.5~3倍），这可能导致线路上绝缘薄弱地点的绝缘击穿。
为了防止单相接地时接地点出现断续电弧，引起过电压，因此在单相接地电容电流大于一定值的电力系统中，电源中性点必须采取经消弧线圈接地的运行方式。
由于该系统我们接触的很少，在此不多讲。
四、中性点直接接地的电力系统
这种系统当发生单相接地时，单相短路电流比线路的正常负荷电流大的多。
因此在系统发生单相短路时，保护装置应动作于跳闸，切除短路故障，使系统的其他部分恢复正常运行。
中性点直接接地的系统发生单相接地时，其它两完好相的对地电压不会升高，这与上述中性点不直接接地的系统不同。
因此，凡中性点直接接地的系统中的供用电设备的绝缘只需要按相电压考虑。
如图1-12所示：
图1-12（中性点直接接地的电力系统在发生单相接地时的电路）
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