電工學(xué)第三章教案

第三章電能的傳輸和分配3.1電力系統(tǒng)的構(gòu)成目前已有華東、華北、華中、東北、西北、西南等地區(qū)性電網(wǎng)，以及廣東、云南、貴州等省級(jí)電網(wǎng)。一、電力系統(tǒng)的優(yōu)越性（1）減少系統(tǒng)中的總裝機(jī)容量（2）合理使用動(dòng)力資源，充分發(fā)揮水力發(fā)電廠的作用（3）提高供電的可靠性（4）提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性二、對(duì)電力系統(tǒng)的要求（1）電力系統(tǒng)的建設(shè)必須優(yōu)先于其它工業(yè)部門，其容量及電力設(shè)備必須充分滿足其它工業(yè)部門發(fā)展的需要。（2）保證供電的可靠性。首先是要保證系統(tǒng)中所有設(shè)備隨時(shí)都處于良好的工作狀態(tài)，定時(shí)進(jìn)行巡檢和維修，其次是要防止誤操作發(fā)生事故。同時(shí)根據(jù)不同的用電要求采取不同的可靠供電措施，對(duì)于第一類用戶，如礦井、連續(xù)生產(chǎn)的化工廠和冶煉廠，停電將帶來(lái)人身危險(xiǎn)，設(shè)備損壞，產(chǎn)品報(bào)廢等后果，因此必須有二個(gè)或二個(gè)以上的獨(dú)立電源供電，以保證供電不會(huì)中斷。第二類用戶如大型生產(chǎn)企業(yè)，城市公用事業(yè)及大型商務(wù)樓、商場(chǎng)等，停電會(huì)引起社會(huì)不安定影響人民生活。第三類用戶如工廠附屬車間、一般性工商企業(yè)、非農(nóng)忙及抗災(zāi)時(shí)期的農(nóng)用電，短時(shí)停電相對(duì)影響較小，所以一旦系統(tǒng)發(fā)生事故而供電不足時(shí)，可首先切除第三類用戶，保證第一類，二類用戶的供電。（3）保證電能的質(zhì)量，即維持供電電壓在額定值的5％范圍內(nèi)，供電頻率在500.2Hz范圍內(nèi)。（4）保證電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。即電能的生產(chǎn)、輸送及分配過(guò)程必須高效率、低損耗、合理調(diào)負(fù)荷，降低電能成本。3.2交流輸電系統(tǒng)交流輸電技術(shù)的發(fā)展是以增加輸送容量、提高輸電線路電壓等級(jí)以及增加輸送距離為標(biāo)志的。與各電壓等級(jí)相適應(yīng)的輸送功率和輸送距離見表3.2.1表3.2.1與各輸電線電壓等級(jí)相適應(yīng)的輸送功率和輸送距離電壓等級(jí)（kV）1035110220330500輸送功率（MW）2.010.050.05008001500輸送距離（km）20501503006008503.2.1交流輸電線一、架空線路1．用于地區(qū)間的輸電，一般電壓較高、距離較長(zhǎng)。2．架空線路由導(dǎo)線、避雷線、桿塔、接地裝置、絕緣子和金具等部分構(gòu)成導(dǎo)線用以傳輸電流，一般采用鋼芯鋁絞線。避雷線主要用于防止遭受雷擊引起事故，避雷線架設(shè)在輸電線的上方。一般采用鋼絞線。桿塔是架空線路的支撐結(jié)構(gòu)，由鋼筋混凝土或鋼材構(gòu)成，根據(jù)使用目的和受力的要求其結(jié)構(gòu)有普通直線桿塔、耐張桿塔、轉(zhuǎn)角桿塔、終端桿塔、跨越桿塔、換位桿塔等。絕緣子用來(lái)把夾持導(dǎo)線的金具固定在桿塔上，并保持導(dǎo)體與桿塔之間的良好絕緣。絕緣子由陶瓷制成，單個(gè)絕緣子的耐壓等級(jí)有限，一般不超過(guò)20kV，所以一般用單個(gè)懸式絕緣子串接組成絕緣子鏈來(lái)使用3．高壓架空輸電線路在周圍空間到大地表面的范圍內(nèi)會(huì)感應(yīng)出強(qiáng)電場(chǎng)，導(dǎo)線通電時(shí)又會(huì)在周圍空間產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，線路走廊或高壓走廊，土地可用于耕作和綠化，但不能用于建設(shè)居住用房。二、電纜線路應(yīng)用于城市內(nèi)的輸電，電纜線路一般埋設(shè)在地下，線路電壓為35kV或10kV，也有380V/220V的低壓。3.2.2變壓器一、變壓器的主要結(jié)構(gòu)1．油箱熱量經(jīng)由箱壁上的散熱管發(fā)散到空氣中，同時(shí)變壓器油又隔絕了繞組與空氣，提高了絕緣強(qiáng)度，避免了空氣中的水汽及其它氣體對(duì)繞組絕緣的腐蝕作用。2．鐵心，鐵心通常用表面涂有絕緣漆的0.35mm硅鋼片疊成或卷成，近來(lái)已采用低損耗的冷軋硅鋼片，其厚度達(dá)0.2mm，以進(jìn)一步降低損耗和發(fā)熱。鐵心結(jié)構(gòu)有心式和殼式二種，心式通常用于高壓、小電流的場(chǎng)合；殼式結(jié)構(gòu)常用于低電壓、大電流的場(chǎng)合。3．繞組是由絕緣銅線或鋁線繞制而成，是線圈的組合，它構(gòu)成了變壓器的電路部分。二、變壓器的運(yùn)行性能1．外特性曲線當(dāng)電源電壓和負(fù)載功率因數(shù)固定時(shí)，輸出電壓和負(fù)載電流的關(guān)系曲線。2．電壓調(diào)整率通常把變壓器在電源電壓額定，由空載達(dá)到額定運(yùn)行時(shí)的輸出電壓相對(duì)變化率稱為電壓調(diào)整率，即=一般變壓器的電壓調(diào)整率很小，在規(guī)定的功率因數(shù)條件下，不超過(guò)5%。3．效率η變壓器運(yùn)行時(shí)具有鐵心磁滯損耗及渦流損耗（稱為鐵損）及繞組導(dǎo)線中的電阻損耗（稱為銅損），相應(yīng)地效率η可用下式表示中小型變壓器的效率為95～98%，大容量變壓器效率可達(dá)99～99.5%。三、變壓器的額定值1．額定頻率變壓器應(yīng)接交流電源的頻率，我國(guó)規(guī)定為50Hz.2．額定電壓、，對(duì)三相變壓器，額定電壓都指線電壓。3．、，對(duì)三相變壓器都是指線電流。4．額定容量。對(duì)單相變壓器，=。對(duì)三相變壓器，=。3.2.3變電站變電站中的主要設(shè)備除了各個(gè)電壓等級(jí)的大容量變壓器外，還應(yīng)有（1）高壓控制開關(guān)包括高壓隔離開關(guān)（只能在線路空載時(shí)接通、斷開電路）、高壓斷路器（又稱負(fù)荷開關(guān)，容許帶負(fù)荷斷開或接通電路）（2）測(cè)量和監(jiān)視設(shè)備包括測(cè)量輸電線路中電壓、電流和功率的儀表，各種遙測(cè)轉(zhuǎn)換設(shè)備以及遠(yuǎn)傳裝置。（3）各種線路及變壓器運(yùn)行保護(hù)電器當(dāng)監(jiān)視設(shè)備檢測(cè)到故障時(shí)，按照規(guī)定的處理原則即能自動(dòng)地迅速斷開開關(guān)設(shè)備，以切除故障并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。（4）無(wú)功功率補(bǔ)償裝置采用自動(dòng)投切電力電容器或其它大容量的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，以調(diào)整輸入線路的功率因數(shù)達(dá)到0.95左右。（5）各種操作、控制、顯示裝置這些裝置通常都安裝在變電站的控制室中，控制操作的目的是斷開、接通電力線路、變壓器，改變線路的接線方式。在控制室通過(guò)遙控方式使在現(xiàn)場(chǎng)的各種開關(guān)動(dòng)作并把開關(guān)的狀態(tài)返回到控制室，在控制屏上顯示出來(lái)。3.3直流輸電系統(tǒng)3.3.1采用直流輸電的原因一、交流輸電的局限1．系統(tǒng)中還要求所有的發(fā)電機(jī)必須保持同步運(yùn)行，在電網(wǎng)受到各種事故及故障干擾時(shí)必須有足夠的穩(wěn)定性；2．輸電線路中要有合理的無(wú)功功率補(bǔ)償，以保證系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。3．在大容量高電壓遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，輸電線路對(duì)周圍環(huán)境及生態(tài)的影響，以及對(duì)其它線路的干擾也更加嚴(yán)重。已經(jīng)成功地把葛洲壩水電站發(fā)出的電能通過(guò)500kV的直流輸電線路送到上海南橋換流站，把三峽水電站發(fā)出的電能送到江蘇武進(jìn)政平換流站。二、直流輸電線的優(yōu)點(diǎn)1．在同樣電壓等級(jí)及輸送相同功率條件下，直流輸電線路僅需二根輸電線，線路桿塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，線路造價(jià)低、投資省，線路走廊窄。因不存在交變電磁場(chǎng)，所以對(duì)通信線路及周圍環(huán)境的影響小。2．輸電線路沿線電壓分布平穩(wěn)，沒有電容損耗電流及電感電壓降落。線路不需要無(wú)功功率補(bǔ)償。3．線路所聯(lián)系的二個(gè)交流電力系統(tǒng)不需要同步運(yùn)行，也就不存在穩(wěn)定性的相互影響。輸送容量及距離與電網(wǎng)的穩(wěn)定無(wú)關(guān)。4．線路功率損耗小運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省。發(fā)生事故時(shí)的影響范圍小。5．由于線路上僅輸送有功功率，利用對(duì)換流裝置的控制，可以方便地實(shí)現(xiàn)定電流、定功率的調(diào)節(jié)。3.3.2直流輸電系統(tǒng)的組成1．結(jié)構(gòu)交流電力系統(tǒng)I作為送電端，送出交流功率給換流站I（整流站）的換流變壓器1，變壓器1輸出到整流器，把交流功率轉(zhuǎn)換成直流功率。經(jīng)直流輸電線傳輸?shù)綋Q流站II(逆變器)逆變器將直流功率變成交流功率再經(jīng)換流變壓器2，把交流功率送入受電端的交流電力系統(tǒng)II。換流站的造價(jià)遠(yuǎn)大于交流變電站的造價(jià)。2．系統(tǒng)（1）采用雙極性系統(tǒng)，采用兩端中心點(diǎn)接地方式可以節(jié)省一根導(dǎo)線，利用大地作為導(dǎo)體，固定兩端的中心點(diǎn)電位，形成二組直流供電回路。在理想情況下，二組回路參數(shù)對(duì)稱，電流相同，在兩個(gè)接地點(diǎn)之間的回路電流相互抵消，大地中沒有電流通過(guò)。但是實(shí)際上總會(huì)有少量的不平衡電流通過(guò),對(duì)沿線埋設(shè)在地下的金屬管線及基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生電化腐蝕，另外也會(huì)影響沿線的地磁分布。為此可以采取送電端中性點(diǎn)接地受電端中性點(diǎn)懸空的方式，以杜絕大地中的不平衡電流，或是用一根低絕緣的接地導(dǎo)線把兩端中性點(diǎn)聯(lián)接起來(lái)，但這樣做要增加不少投資，一般應(yīng)用較少。（2）采用雙極性系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是二根輸電線對(duì)地電壓平衡，降低了電壓等級(jí)。另外在一根輸電線或換流設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以利用另一根輸電線與大地構(gòu)成的回路臨時(shí)輸送一半電力待故障排除后再恢復(fù)全功率輸電。3.4低壓配電系統(tǒng)3.4.1配電方式一、配電系統(tǒng)1．定義：配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)向用戶分配電能的重要環(huán)節(jié)。低壓配電系統(tǒng)是指1KV以下電壓的配電系統(tǒng)。2．構(gòu)成：通常由配電變壓器、低壓配電線路以及相應(yīng)的控制開關(guān)及保護(hù)裝置構(gòu)成。3．低壓供電方式：三相三線制，三相四線制，單相二線制等。二、低壓配電系統(tǒng)中的電線1．保護(hù)零線。該零線由三相電源中點(diǎn)引出并獨(dú)立敷設(shè)，不能與中性線合用。保護(hù)零線在敷設(shè)過(guò)程中不經(jīng)過(guò)開關(guān)，并可多次接地以保持其零電位。這樣單相供電時(shí)應(yīng)為單相三線，三相混合供電時(shí)應(yīng)為三相五線。2．電線顏色：其中黃、綠、紅分別表示A、B、C三相相線，藍(lán)色則表示中性線，保護(hù)零線為黃綠雙色線。3.4.2樓宇供電1．樓宇用電負(fù)荷：有照明設(shè)備，交通運(yùn)輸設(shè)備（電梯、自動(dòng)扶梯等），給排水設(shè)備（各種水泵），采暖設(shè)備（如鍋爐及配套設(shè)施），通風(fēng)空調(diào)設(shè)備，通信、廣播、電視設(shè)備，安全監(jiān)控及保安設(shè)備，消防設(shè)備，計(jì)算機(jī)房以及其它功能性設(shè)施如廚房，洗衣房，娛樂(lè)場(chǎng)所。2．樓宇用電負(fù)荷的用電要求：根據(jù)樓宇的主要用途應(yīng)考慮其功能設(shè)備的用電要求，如醫(yī)療設(shè)備、倉(cāng)庫(kù)設(shè)備、商場(chǎng)設(shè)備、放映或演出設(shè)備等。3．樓宇用電負(fù)荷分類：根據(jù)用電設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)可以將各種設(shè)備分成保障性、保安型、及舒適型等幾種。保障性負(fù)荷是指照明、給排水設(shè)備，電梯專用設(shè)備，通信及計(jì)算機(jī)設(shè)備，生活設(shè)施，鍋爐等。按其重要程度又可分為一級(jí)及二級(jí)負(fù)荷。保安性負(fù)荷是指消防、通風(fēng)、事故照明等設(shè)備，即保證建筑物及人身安全的用電，平時(shí)不用，在火警、進(jìn)水等事故情況下應(yīng)能立即投入運(yùn)行。舒適型用電是季節(jié)性用電負(fù)荷如空調(diào)制冷系統(tǒng)及采暖系統(tǒng)，其重要程度不如前二種負(fù)荷。4．樓宇用電負(fù)荷的保障方法：為了保障樓宇中各個(gè)重要負(fù)荷的不間斷用電，樓宇中應(yīng)安裝二臺(tái)或多臺(tái)配電變壓器，并分別從城市電力系統(tǒng)的不同變電站取得電能。二臺(tái)變壓器平時(shí)分別對(duì)規(guī)定的負(fù)荷供電，在事故情況下，可以切除一臺(tái)變壓器，由另一臺(tái)變壓器對(duì)所有重要負(fù)荷供電?？紤]到外部電網(wǎng)發(fā)生故障的最嚴(yán)重情況，外來(lái)電源全部切斷，樓宇應(yīng)該備有應(yīng)急發(fā)電設(shè)備作為備用電源，向最重要的負(fù)荷提供事故用電。如事故照明、通信設(shè)備、電梯、鍋爐、給排水等。備用電源應(yīng)在5~10s內(nèi)自動(dòng)起動(dòng)。對(duì)于不能中斷供電的計(jì)算機(jī)房及相關(guān)設(shè)備，應(yīng)采用不停電電源（UPS）供電。3.4.3住宅供電一、居民住宅供電的組成1．供電線路的建設(shè)必須以峰值負(fù)荷作為依據(jù)，并留有余地。2．供電用的變壓器應(yīng)盡可能安裝在負(fù)荷中心。對(duì)于高層住宅，應(yīng)安裝在專門的變電室內(nèi)，對(duì)于多層住宅可在戶外空地上（綠化區(qū)域）設(shè)置箱式變電站。應(yīng)選用環(huán)氧樹脂澆封的干式變電器，以減少火災(zāi)的危險(xiǎn)。3．由變電站到住宅的供電線路應(yīng)采用埋設(shè)在暗管中的電纜或絕緣線，其截面積要留有一定余量以適應(yīng)日后用電量的增加。4．住宅供電線經(jīng)住宅樓的垂直穿線管到達(dá)每層樓面的配電間，通過(guò)樓面配電板上為每戶居民安裝的空氣開關(guān)、熔斷器及電度表后，再連接到每戶室內(nèi)配電箱。5．室內(nèi)配電室：內(nèi)配電箱應(yīng)由進(jìn)戶總空氣開關(guān)、漏電保護(hù)器以及多個(gè)分路單極空氣開關(guān)組成，漏電保護(hù)器用以檢測(cè)室內(nèi)線