電工學第三章教案

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)中的總裝機容量（2）合理使用動力資源，充分發(fā)揮水力發(fā)電廠的作用（3）提高供電的可靠性（4）提高運行的經(jīng)濟性二、對電力系統(tǒng)的要求（1）電力系統(tǒng)的建設必須優(yōu)先于其它工業(yè)部門，其容量及電力設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)中所有設備隨時都處于良好的工作狀態(tài)，定時進行巡檢和維修，其次是要防止誤操作發(fā)生事故。同時根據(jù)不同的用電要求采取不同的可靠供電措施，對于第一類用戶，如礦井、連續(xù)生產(chǎn)的化工廠和冶煉廠，停電將帶來人身危險，設備損壞，產(chǎn)品報廢等后果，因此必須有二個或二個以上的獨立電源供電，以保證供電不會中斷。第二類用戶如大型生產(chǎn)企業(yè)，城市公用事業(yè)及大型商務樓、商場等，停電會引起社會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)忙及抗災時期的農(nóng)用電，短時停電相對影響較小，所以一旦系統(tǒng)發(fā)生事故而供電不足時，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)濟運行。即電能的生產(chǎn)、輸送及分配過程必須高效率、低損耗、合理調(diào)負荷，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以及增加輸送距離為標志的。與各電壓等級相適應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相適應的輸送功率和輸送距離電壓等級（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。2．架空線路由導線、避雷線、桿塔、接地裝置、絕緣子和金具等部分構(gòu)成導線用以傳輸電流，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。絕緣子用來把夾持導線的金具固定在桿塔上，并保持導體與桿塔之間的良好絕緣。絕緣子由陶瓷制成，單個絕緣子的耐壓等級有限，一般不超過20kV，所以一般用單個懸式絕緣子串接組成絕緣子鏈來使用3．高壓架空輸電線路在周圍空間到大地表面的范圍內(nèi)會感應出強電場，導線通電時又會在周圍空間產(chǎn)生強磁場，線路走廊或高壓走廊，土地可用于耕作和綠化，但不能用于建設居住用房。二、電纜線路應用于城市內(nèi)的輸電，電纜線路一般埋設在地下，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，同時變壓器油又隔絕了繞組與空氣，提高了絕緣強度，避免了空氣中的水汽及其它氣體對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，近來已采用低損耗的冷軋硅鋼片，其厚度達0.2mm，以進一步降低損耗和發(fā)熱。鐵心結(jié)構(gòu)有心式和殼式二種，心式通常用于高壓、小電流的場合；殼式結(jié)構(gòu)常用于低電壓、大電流的場合。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、變壓器的運行性能1．外特性曲線當電源電壓和負載功率因數(shù)固定時，輸出電壓和負載電流的關(guān)系曲線。2．電壓調(diào)整率通常把變壓器在電源電壓額定，由空載達到額定運行時的輸出電壓相對變化率稱為電壓調(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5%。3．效率η變壓器運行時具有鐵心磁滯損耗及渦流損耗（稱為鐵損）及繞組導線中的電阻損耗（稱為銅損），相應地效率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99～99.5%。三、變壓器的額定值1．額定頻率變壓器應接交流電源的頻率，我國規(guī)定為50Hz.2．額定電壓、，對三相變壓器，額定電壓都指線電壓。3．、，對三相變壓器都是指線電流。4．額定容量。對單相變壓器，=。對三相變壓器，=。3.2.3變電站變電站中的主要設備除了各個電壓等級的大容量變壓器外，還應有（1）高壓控制開關(guān)包括高壓隔離開關(guān)（只能在線路空載時接通、斷開電路）、高壓斷路器（又稱負荷開關(guān)，容許帶負荷斷開或接通電路）（2）測量和監(jiān)視設備包括測量輸電線路中電壓、電流和功率的儀表，各種遙測轉(zhuǎn)換設備以及遠傳裝置。（3）各種線路及變壓器運行保護電器當監(jiān)視設備檢測到故障時，按照規(guī)定的處理原則即能自動地迅速斷開開關(guān)設備，以切除故障并發(fā)出相應的報警信號。（4）無功功率補償裝置采用自動投切電力電容器或其它大容量的無功補償設備，以調(diào)整輸入線路的功率因數(shù)達到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。在控制室通過遙控方式使在現(xiàn)場的各種開關(guān)動作并把開關(guān)的狀態(tài)返回到控制室，在控制屏上顯示出來。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)電機必須保持同步運行，在電網(wǎng)受到各種事故及故障干擾時必須有足夠的穩(wěn)定性；2．輸電線路中要有合理的無功功率補償，以保證系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。3．在大容量高電壓遠距離輸電時，輸電線路對周圍環(huán)境及生態(tài)的影響，以及對其它線路的干擾也更加嚴重。已經(jīng)成功地把葛洲壩水電站發(fā)出的電能通過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政平換流站。二、直流輸電線的優(yōu)點1．在同樣電壓等級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)簡單，線路造價低、投資省，線路走廊窄。因不存在交變電磁場，所以對通信線路及周圍環(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。線路不需要無功功率補償。3．線路所聯(lián)系的二個交流電力系統(tǒng)不需要同步運行，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)定無關(guān)。4．線路功率損耗小運行費用節(jié)省。發(fā)生事故時的影響范圍小。5．由于線路上僅輸送有功功率，利用對換流裝置的控制，可以方便地實現(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。換流站的造價遠大于交流變電站的造價。2．系統(tǒng)（1）采用雙極性系統(tǒng)，采用兩端中心點接地方式可以節(jié)省一根導線，利用大地作為導體，固定兩端的中心點電位，形成二組直流供電回路。在理想情況下，二組回路參數(shù)對稱，電流相同，在兩個接地點之間的回路電流相互抵消，大地中沒有電流通過。但是實際上總會有少量的不平衡電流通過,對沿線埋設在地下的金屬管線及基礎設施發(fā)生電化腐蝕，另外也會影響沿線的地磁分布。為此可以采取送電端中性點接地受電端中性點懸空的方式，以杜絕大地中的不平衡電流，或是用一根低絕緣的接地導線把兩端中性點聯(lián)接起來，但這樣做要增加不少投資，一般應用較少。（2）采用雙極性系統(tǒng)的優(yōu)點是二根輸電線對地電壓平衡，降低了電壓等級。另外在一根輸電線或換流設備發(fā)生故障時，可以利用另一根輸電線與大地構(gòu)成的回路臨時輸送一半電力待故障排除后再恢復全功率輸電。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的控制開關(guān)及保護裝置構(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．保護零線。該零線由三相電源中點引出并獨立敷設，不能與中性線合用。保護零線在敷設過程中不經(jīng)過開關(guān)，并可多次接地以保持其零電位。這樣單相供電時應為單相三線，三相混合供電時應為三相五線。2．電線顏色：其中黃、綠、紅分別表示A、B、C三相相線，藍色則表示中性線，保護零線為黃綠雙色線。3.4.2樓宇供電1．樓宇用電負荷：有照明設備，交通運輸設備（電梯、自動扶梯等），給排水設備（各種水泵），采暖設備（如鍋爐及配套設施），通風空調(diào)設備，通信、廣播、電視設備，安全監(jiān)控及保安設備，消防設備，計算機房以及其它功能性設施如廚房，洗衣房，娛樂場所。2．樓宇用電負荷的用電要求：根據(jù)樓宇的主要用途應考慮其功能設備的用電要求，如醫(yī)療設備、倉庫設備、商場設備、放映或演出設備等。3．樓宇用電負荷分類：根據(jù)用電設備的運行特點可以將各種設備分成保障性、保安型、及舒適型等幾種。保障性負荷是指照明、給排水設備，電梯專用設備，通信及計算機設備，生活設施，鍋爐等。按其重要程度又可分為一級及二級負荷。保安性負荷是指消防、通風、事故照明等設備，即保證建筑物及人身安全的用電，平時不用，在火警、進水等事故情況下應能立即投入運行。舒適型用電是季節(jié)性用電負荷如空調(diào)制冷系統(tǒng)及采暖系統(tǒng)，其重要程度不如前二種負荷。4．樓宇用電負荷的保障方法：為了保障樓宇中各個重要負荷的不間斷用電，樓宇中應安裝二臺或多臺配電變壓器，并分別從城市電力系統(tǒng)的不同變電站取得電能。二臺變壓器平時分別對規(guī)定的負荷供電，在事故情況下，可以切除一臺變壓器，由另一臺變壓器對所有重要負荷供電。考慮到外部電網(wǎng)發(fā)生故障的最嚴重情況，外來電源全部切斷，樓宇應該備有應急發(fā)電設備作為備用電源，向最重要的負荷提供事故用電。如事故照明、通信設備、電梯、鍋爐、給排水等。備用電源應在5~10s內(nèi)自動起動。對于不能中斷供電的計算機房及相關(guān)設備，應采用不停電電源（UPS）供電。3.4.3住宅供電一、居民住宅供電的組成1．供電線路的建設必須以峰值負荷作為依據(jù)，并留有余地。2．供電用的變壓器應盡可能安裝在負荷中心。對于高層住宅，應安裝在專門的變電室內(nèi)，對于多層住宅可在戶外空地上（綠化區(qū)域）設置箱式變電站。應選用環(huán)氧樹脂澆封的干式變電器，以減少火災的危險。3．由變電站到住宅的供電線路應采用埋設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每層樓面的配電間，通過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)配電箱應由進戶總空氣開關(guān)、漏電保護器以及多個分路單極空氣開關(guān)組成，漏電保護器用以檢測室內(nèi)線