任务1 供配电系统基本概念

【任务描述】

本任务概述工厂供配电技术的一些基本知识和基本问题。首先，介绍供配电系统的基本情况，主要介绍工厂内供电系统的构成，各主要构成环节的作用及名称；其次，介绍典型的各类工厂供配电系统及相关知识，主要介绍电力系统中性点运行方式；最后，介绍工厂供配电电压等级和电网及用电设备、变压器的额定电压等级。

【知识链接】

1.1 绪论

电能在人们日常生活中扮演着越来越重要的角色，社会的各行各业都离不开电能。电能有很多优点，它能够转换为其他形式的能量（机械能、热能、光能、化学能等）。电能的输配易于实现。电能可以做到比较精确的控制、计算和测量，应用灵活。因此，电能在工业、交通运输业，以及人们的日常生活中得到越来越多的应用。作为一名工业电气技术人员应该掌握安全、可靠、经济、合理地供配电能和使用电能的技术。

在工厂里，电能虽然是工业生产的主要能源和动力，但是它在产品成本中所占的比重一般很小（除电化工业外）。例如，在机械工业中，电费开支占产品成本的5%左右。从投资额来看，一般机械类工厂在供电设备上的投资，也仅占总投资的5%左右。电能在工业生产中的重要性，并不在于它在产品成本中或投资额中所占比重的多少，而在于工业生产实现电气化以后可以大大增加产量，提高产品质量，提高劳动生产率，降低劳动成本，减轻工人劳动强度，改善工人的劳动条件，有利于实现生产过程自动化。从另一方面说，如果工厂的电能供应突然中断，则对工业生产可能造成严重的后果。例如，某些对供电可靠性要求很高的工厂，即使是极短时间的停电，也会引起重大设备损坏，或引起大量产品报废，甚至可能发生重大的人身事故，给国家和人民带来经济上的重大损失。

因此，工厂供配电工作对于发展工业生产，实现工业现代化，具有十分重要意义。由于能源节约是工厂供配电工作的一个重要方面，而能源节约对于国家经济建设具有十分重要的战略意义，因此，必须做好工厂供配电工作。

工厂供配电工作要很好地为工业生产服务，切实保证工厂生产和生活用电的需要，并做好节能工作，就必须达到以下基本要求。

（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和频率的要求。

（4）经济：供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少有色金属消耗量。

此外，在供电工作中，应合理地处理局部和全局、当前和长远等关系，既要照顾局部和当前利益，又要有全局观点，能照顾大局，适用发展。例如，计划供用电的问题，就不能只考虑一个单位的局部利益，更要有全局观点。

1.2 工厂供配电系统的基本概念

1.电力系统的组成

电能是由发电厂生产的，但发电厂往往距离城市和工业中心很远，这就需要将电能经过线路输送到城市或工业企业。为了减少输电的电能损耗，输送电能时要升压，采用高压输电线路将电能输送给用户，同时为了满足用户对电压的要求，输送到用户之后还要经过降压，而且还要合理地将电能分配到用户或生产车间的各个用电设备。

为了提高供电的可靠性和经济性，将发电厂通过电力网连接起来并联运行，组成庞大的联合动力系统。将各种类型发电厂中的发动机、升压降压变压器、输电线路，以及各种用电设备组联系在一起构成的统一的整体就是电力系统，用于实现完整的发电、输电、变电、配电和用电，图1-1为电力系统的示意图。

电能是一种使用方便、清洁、易于控制和转换的优质能源，由一次能源转换而来，电能的传输、转换和分配是通过电力系统得以实现的。因此，在学习供配电技术之前，首先要掌握电力系统的相关知识。

由于电能的生产、输送、分配和使用是在同一时间完成，又不能大量存储，因此，各个环节必须连接成为一个整体。由发电机、升压变电站，高压输电网、降压变电站、高压配电网和电能用户组成的发电、输电、变配电和用电的整体称为电力系统，如图1-2所示。

2.电力系统的基本概念

（1）动力系统。随着电能应用的普及，电力部门通常要把不同类型的发电厂在公共电网上并联运行。由电力系统、发电厂动力部分及热能系统组成的整体称为动力系统。动力系统是将电能、热能的生产与消费联系起来的纽带。

（2）电力系统。电力系统是动力系统的一部分，由发电机、配电装置、变电站、输配电线路及用电设备组成。电力系统的功能是完成电能的生产、输送和分配。

（3）电力网。电力网是电力系统的一部分，由各类变电站和各种不同电压等级的线路连接起来组成的统一网络，其作用是输送和分配电能。

电力网按其功能的不同可分为输电网和配电网：

输电网的电压等级一般在110kV以上，是输送电能的通道；配电网的电压等级一般在110kV及以下，是分配电能的通道。

3.电力系统额定电压

第一类：100V以下的额定电压，用于蓄电池和安全照明用具等电气设备。

第二类：大于100V而小于1000V的额定电压用于一般工业和民用电气设备。

第三类：1000V以上的额定电压，用于高压电气设备。

国家规定电力网的额定电压为500kV、220kV、110kV、63kV、35kV、10kV保证电力设备端电压不超过额定电压的±5%，通常允许发电机额定电压比电网额定电压高±5%，末端受电变电站端电压比电网额定电压低±5%。

4.电力系统特性

（1）电力系统是一个有机的整体，电力系统任何一个主要设备运行情况的改变，都将影响整个电力系统的正常运行。

（2）电力系统时刻处在动态平衡的相对稳定之中。发电厂发出的交流电不能直接存储，决定了电能的生产、输送分配和使用波形同时进行，而且要保持动态平衡。由于能量的转换是以功率的形式表现出来的，所以，要时刻保持电力系统的有功功率和无功功率的平衡。

有功功率平衡：发电厂发出的有功功率，扣除厂用电和网损之后，要与用户消耗的有功功率完全相等。如果有功功率多了，系统频率就会升高；反之就会降低。

我国规定频率标准为50Hz、装机容量在3000MW以上的电网，频率偏差不得超过±0.2Hz。

无功功率平衡：无功功率产生于“容性装置”中（如发动机、调相器、电力电容器高压输电线路的充电电容）消耗在“感性装置”中（如异步电动机、电抗器、输电线路的电抗等）。无功功率的平衡体现在电压水平上，无功功率过剩电压升高，无功功率不足电压降低。

（3）随机变化、实时调整。电力系统的运行状态是不断变化的动态，除了设备的计划停送电外，异常和事故对系统的冲击是随机的。正常情况下电力系统的负荷和机组出力的变化也是随机的。

电力系统的总负荷是由千千万万个电能用户的用电负荷叠加起来构成的。用电高峰（上午和晚上）和低谷（中午和夜间），负荷之差可达最大负荷30%～50%。

（4）发电出力的随机性。发电机组的出力不是固定不变的，有时需要人为调整。

1.3 发电厂、变配电所

发电厂是生产电能的工厂。它把其他形式的能源，如煤炭、石油、天然气、水能、原子能、风能、太阳能、地热、潮汐能等，通过发电设备转换为电能。我国以火力发电为主，其次是水力和原子能发电。

1.发电厂类型

1）火力发电厂

火力发电厂，简称火电站或火电厂，是指用煤、油、天然气等为燃料的发电厂，我国的火电厂以燃煤为主，为了提高燃料的热效率，现代火电厂都将煤块粉碎成煤粉燃烧，煤粉可以在炉膛内充分燃烧，将水烧成高温高压的水蒸气，推动汽轮机转动，带动与它连轴的发电机发电。其能量转换过程：燃料的化学能→热能→机械能→电能。

现代火电厂一般都考虑了“三废”（废水、废气、废渣）的综合利用，并且不仅发电，而且供热。这类兼供热能的火电厂称为热电厂或热电站。

2）水力发电厂

水力发电厂，简称水电厂或水电站，它是把水的位能和动能转变成电能的发电厂，主要是分为堤坝式水力发电厂和引水道式水力发电厂。

当控制水流的闸门打开时，水流沿着进水管进入水轮机室，冲动水轮机，带动发电机发电。其能量转换过程：水流位能→机械能→电能。

我国一些大型水电厂有葛洲坝、三门峡、三峡等水电站都属于这种类型。三峡水电站建成后坝高为185m，水位为175m，总装机容量为1820万千瓦，年发电量847亿千瓦时（度），居世界首位。

3）原子能发电厂

原子能发电厂又称为核电站，如我国的秦山、大亚湾、连云港核电站，是利用核裂变能量转化为热能，再按火电厂方式发电，只是它的“锅炉”为原子能反应堆，以少量的核燃料代替大量的煤炭。

其能量转换过程：核裂变能→热能→机械能→电能。由于核能是巨大的能源，而且核电站的建设具有重要的经济和科研价值，所以世界上很多国家都很重视核电站的建设，核电占整个发电量的比重逐年增长。

4）其他类型发电厂

以地热、风力、潮汐等为一次能源的发电厂容量较小，分布在离这些一次能源较近的区域。另外，太阳能电站是一种较新型的电站，太阳能是一种绿色能源，取之不尽。但是已有的太阳能电站往往都很小，并受天气影响较大，发电量占总发电量的极小一部分。

2.变配电所类型

发电厂通常建立在距离一次能源丰富或传输便利的区域，与电力用户有一定的距离。为了经济、可靠、快速地把电能从发电厂输送至用户，必须经过变电所升高电压，因此，升压变电所一般安装在发电厂中，不另设变电所。由于高压危险，距离用户较近时还须使经过变电所传送的高压降低，电网中的降压变电所的作用就是在传递电能的同时降低电压。所以，变电所是电力供应的中间转运站，用来提高或降低电压，向用电单位传送和分配电能。

1）枢纽变电所

位于电力系统中汇集多个和多条重要的线路的枢纽点，在电力系统中具有极其重要的单位。高压侧多为220～550kV，其高压侧各线路之间往往有巨大的交换功率。

2）地区变电所

地区变电所是供电给一个地区的主要供电点。一般从2～3个输电线路受电，受电电压通常为35～110kV，供电给中低压下一级变电所。

3）工厂降压变电所及车间变电所

工厂降压变电所：一般大型工业企业均设工厂降压变电所，把35～110kV电压降为6～10kV电压向车间变电所供电。为了保证供电的可靠性，工厂降压变电所大多设置两台变压器，由单条或多条进线供电，每台变压器容量可从几千伏安到几万伏安。供电范围由供电容量决定，一般在几千米以内。

车间变电所：车间变电所将6～10kV的高压配电电压降为380/220V，对低电压用电设备供电。供电范围一般在500m以内。

4）终端变电所

终端变电所又称为二次变电站，多位于用电负荷中心，尽可能靠近用电多的地方。高压侧从地区降压变电所受电，经变压器降到6～10kV，对某个市区或农村城镇用户供电。

3.工厂供配系统的组成系统图

1）中型工厂供电系统的系统图

一般中型工厂电源进线电压是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，或高压配电线路供给高压用电设备。车间变电所内装设有电力变压器，将6～10kV的高压降为低压用电设备所需的电压（380/220V），然后由低压配电线路分送给各用电设备使用。

图1-3是一个比较典型的具有高压配电所的中型工厂供电系统的系统图。本图未绘出各种开关电器（除母线和低压联络线上装设的开关外），而且只用一根线来表示三相线路，即绘成单线图的形式。

从图1-3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两段母线上。这两段母线间装设有一个分段隔离开关，形成了“单母线分段制”。在任一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的供电，即分段隔离开关闭合后由另一条电源进线供给整个配电所。这类接线的配电所通常的运行方式：分段隔离开关闭合，整个配电所由一条电源进线供电，其电源通常来自公共电网（电力系统），而另一条电源进线作为备用。通常由邻近的电源线路取得备用电源。

图1-3所示高压配电所有四条高压配电线，供给三个车间变电所，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，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，对重要低压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。图1-4是图1-3所示的工厂供电系统的系统平面布线示意图。

2）大型工厂供电系统的系统图

对于大型工厂及某些电源进线电压为35kV及以上的中型工厂，一般经过两次降压。也就是电压进厂以后，先经总降压变电所，其中装有较大容量的电力变压器，将35kV及以上的电压降为6～10kV的配电电压，然后通过高压配电线将电能送到各车间变电所，也有的经高压配电所再送到车间变电所最后经配电变压器降为一般电压用电设备所需的电压，其系统图如图1-5所示。

3）高压深入负荷中心的一次变配电系统图

有的35kV进线的工厂，只经一次降压，即35kV线路直接引入靠近负荷中心的车间变电所，经车间变电所的配电变压器直接降为低压用电设备所需的电压，如图1-6所示。这种供电方式，称为高压深入负荷中心的直配式。这种直配方式，可以省去一级中间变压，从而简化供电系统接线，节约了投资和有色金属，降低了电能损耗和电压损耗提高了供电质量。而且适应电力负荷的发展。然而这要求根据厂区的环境条件是否满足35kV架空线路深入负荷中心的“安全走廊”要求而定，否则不易采用，以确保供电安全。

4）小型工厂供电系统的系统图

对于小型工厂，由于所需容量不大于1000kV·A或稍多，因此，通常只设一个降压变电所，将6～10kV电压降为用电设备所需的电压，如图1-7所示。

如果工厂所需容量不大于160kV·A时，一般采用低压电源进线，因此，工厂只需设一低压配电间，如图1-8所示。

5）输送电网

电力系统中各级电压的电力线路及与其连接的变电所总称为电力网，简称电网。电力网是电力系统的一部分，是输电线路和配电线路的统称，是输送电能和分配电能的通道。电力网是把发电厂、变电所和电能用户联系起来的纽带。

1.4 电力系统中性点的运行方式

在电力系统中，当变压器或发电机的三相绕组为星形连接时，其中性点可有两种运行方式：中性点接地和中性点不接地。中性点直接接地系统常称为大电流接地系统，中性点不接地和中性点经消弧线圈（或电阻）接地的系统称为小电流接地系统。

我国220/380V低压配电系统，广泛采用中性点直接接地的运行方式，而且引出有中性线（代号N）、保护线（代号PE）或保护中性线（代号PEN）。

中性线（N线）：一是用来提供额定电压为相电压的单相用电设备电能；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线）：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（指正常不带电压但故障情况下能带电压的易被触及的导电部分，如金属外壳、金属构架等）通过保护线（PE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线）兼有中性线（N线）和保护线（PE线）的功能：这种保护中性线在我国称为“零线”，俗称“地线”。

中性点运行方式的选择主要取决于单相接地时电气设备绝缘要求及供电可靠性。图1-9所示列出了常用的中性点运行方式，图中电容C为输电线路对地分布电容。

1.中性点直接接地方式

中性点直接接地方式发生一相对地绝缘破坏时，就构成单相短路，供电中断，可靠性会降低。但是这种方式下的非故障相对地电压不变，电气设备绝缘按相电压考虑，降低设备要求。此外，在中性点直接接地的低压配电系统中，如三相四线制供电，可提供380V或220V两种电压，供电方式更为灵活。中性点直接接地系统主要有以下几个特点：

（1）当发生单相接地故障时，形成单相短路，由于短路电流较大，保护装置动作，立即切断电源，使系统中非故障部位迅速恢复正常运行。

为了减少单相接地故障引起停电次数，在高压系统中普遍采用的是自动重合闸装置。当发生单相接地故障时，在保护装置下跳闸，经过一段时间后自动合闸送电，若为瞬间单相接地故障，则用户供电即可得到恢复；若为永久性单相接地故障，则保护动作再次跳闸停电并被锁住。

（2）中性点直接接地后，中性点经常保持零电位。在发生单相接地时，其他非故障两相电压不会升高，因此，用电设备的相对地绝缘可只需要按照相电压考虑，从而降低设备和电网造价，网络电压越高，其经济效益越显著。

（3）单相接地时，短路电流很大，这将引起电压降低，以至于影响整个系统的稳定，这在高压系统比较明显。

根据以上特点，我国110kV及其以上电网多采用中性点直接接地的运行方式。

2.中性点不接地方式

1）中性点不接地系统的正常运行

中性点不接地系统正常运行时，电力系统的三相导线之间及各相对地之间，沿导线全长都分布有电容，这些电容在电压作用下将有附加电容电流流过。为了便于分析，可认为三相系统是对称的，对地电容电流可集中线路中央的电容来代替，相间电容可不予考虑，因为三相对地电容电流是平衡的，因此，三个相的电容电流的矢量和为零，没有电流在地中流动。各相对地电压，就等于各相的相电压，如图1-10所示。

2）系统发生单相接地

当中性点不接地系统由于绝缘损坏发生单相接地时，各相对地电压和电容电流的情况都发生明显变化。我们以金属性接地故障为例进行分析。

金属性接地又称完全接地。设C在K点（图1-11）发生单相接地，此时C相对地电压为零。而中性点对地电压不再为零，即

B相对地电压为

A相对地电压为

中性点不接地系统单相接地情况如图1-11所示。

显然，中性点不接地系统发生单相接地故障时，线电压不变而非故障相对地电压升高到原来相电压的倍，即升至为线电压数值。因此，非故障相对地电压的升高，又造成对地电容电流相应增大，各相对地电容电流分别升至为 、、，C相在K的对地短路电流为，而 0=，则在相位上正好超前90°；而在数值上，由于，

而

因此

结论：单相接地时接地点的短路电流是正常运行的单相对地电容电流的3倍。

3）中性点不接地系统的适用范围

中性点不接地方式一直是我国配电网采用最多的一种方式。该接地方式在运行中如发生单相接地故障时，线电压不变，非故障相对地电压升高到原来相电压的3倍，故障电容电流增大到原来的3倍。因此，当中性点不接地系统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，因为修路的线电压无论相位还是数值均未发生变化，因此，三相设备仍能正常运行（当35kV、10kV电网限制在10A以下时，若是接地电流很小的瞬间，故障一般能自动消除）。但是这种线路不允许在单相接地故障下长期运行，一般要求不超过2h。因为如果再有一相又发生接地故障时，就形成流向短路，短路电流很大，这是不允许的。因此，对中性点不接地的电力系统，注意电气设备的绝缘要按照线电压来选择。而且应该专门装设单相保护接地或绝缘监视装置，在系统发生单相接地故障时给予报警信号，提醒值班人员注意，及时处理。

目前，我国中性点不接地的适用范围如下：

（1）电压等级在500V以下的三相三线制系统；

（2）3～10kV系统接地电流小于或等于30A时；

（3）20～35kV系统接地电流小于或等于10A时；

（4）与发电机有直接电气联系的3～20kV系统，如要求发电机带单相接地故障运行，则接地电流应小于或等于5A时。

3.中性点经消弧线圈接地系统

中性点经消弧线圈接地系统如图1-12所示。

当系统发生单相接地（设C相）短路故障时，C相对地电流为，流过消弧线圈的电流为，且。

因此

由此可知，单相接地短路电流是电感电流与其他两相对地电容电流之差，选择适当大小消弧线圈电感L，可使值减小。

中性点采用消弧线圈接地方式，就是在系统发生单相接地故障时，消弧线圈产生电感补偿单相接地电容电流，以使通过接地点电流减小从而能自动灭弧。消弧线圈接地方式在技术上不仅拥有了中性点不接地系统的所有优点，而且还避免了单相故障可能发展为两相或多相故障，产生过电压损坏电气设备绝缘和烧毁电压互感器等危险。

在各级电压网络中，当单相接地故障时，通过故障点的总的电容电流超过下列数值时，必须尽快安装消弧线圈：

（1）对3～6kV电网，故障点总电容电流超过30A；

（2）对10kV电网，故障点总电容电流超过20A；

（3）对22～66kV电网，故障点总电容电流超过10A。

4.低压配电系统的中性点运行方式

低压配电系统，按保护接地形式，分为TN系统、TT系统和IT系统。

（1）TN系统：系统中所有设备的外露可到导电部分均接公共保护线（PE线）或公共的保护中性线（PEN线）。这种接公共PE线或PEN线的方式就是前面所称的“接零”。如果系统中的N线与PE线全部合为PEN线，则称此系统为TN-C系统，如图1-13（a）所示。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1-13（b）所示。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线则全部或部分分开，则此系统称为TN-C-N系统，如图1-13（c）所示。

（2）TT系统：TT系统中所有设备的外露可导电部分均各自经PE线单独接地，如图1-14所示。

（3）IT系统：IT系统中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1-15所示。它与TT系统不同的是，其电源中性点不接地或经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、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。

1.5 电能用户与用电负荷的分类

所有的用电单位均称为电能用户，其中主要是工业企业。我国工业企业用电占全年发电量的60%以上，是最大的电能用户。

工业企业的电力负荷种类多，容量相差悬殊，运行特征也各种各样，用电设备的这些不同特征关系到供电技术措施的确定。

工厂内广泛采用使用的空压机、通风机、破碎机、水棒、球磨机、搅拌机、制氧机及润滑油棒等机械的拖动电动机，不论其功率大小（从几十瓦到几千千瓦）及电压的高低（380V～10kV），一律为三相交流电动机，它们都是恒速持续运行各种的用电设备。这些设备在正常运行时，负荷基本上均匀而且对称，功率因数也很稳定，一般可达0.8～0.85。

有一些生产机械，如烧结机、连续铸管机、回转窑等，它们的拖动电动机也是持续运行的，负荷性质基本上稳定。但是这些机械在运转中要求调速，多采用易调速的直流电动机拖动系统，因此，这些设备要增加变流环节，而且功率因数也会变低。

提升机、高炉卷扬机、各种轧钢机及工厂大量使用的行车等的拖动电动机，各种运转时间与停转或空转时间交互更替，这类设备呈周期性工作，其负荷时刻在变化，是供电系统的不稳定负荷，经常处于低负载状态，功率因数也偏低，一般在0.5～0.6以下，这类用电设备属于供电系统不良用户。

工业用电炉分为电弧炉、电阻炉和感应电炉。电弧炼钢炉是工厂常用的一种大容量用电设备，单台容量可达10000～20000kW。在精炼期间，三相负荷均匀对称。电弧炉的负荷性质基本上接近于阻性，功率因数也很高，一般可达0.85以上。

电解设备是提炼有色金属的主要设备，容量可达数万千瓦，是工业中耗用电能最大的用户。工作负荷均匀稳定，功率因数较高（0.8～0.9），且不允许停电。

电焊设备分为交流电焊和直流电焊两种，交流电焊有单相和三相之分，常用的交流电焊设备是工频单相电焊机，它主要用于弧焊和点焊，供电电压为380V或220V，工作时负荷情况不均匀功率因数很低。电焊设备为移动性设备，使用时皆为临时接线供电。

工厂的照明设备有固定式和移动式之分，但均为单相而恒定的负荷，照明负荷的功率因数很高，通常为0.9～1.0，照明虽然属于稳定负荷，但整个地区或企业的照明设备同时集中接电也会造成系统出现尖峰负荷，故应重视节约照明用电。

1.6 电力系统供电质量和改进措施

1.供电质量的主要指标

对工厂用户而言，衡量供电质量的主要指标是指交流电的电压和频率。

1）电压

交流电的电压质量包括电压数值与波形两个方面。电压质量对各类用电设备的工作性能、使用寿命、安全及经济运行都有直接的影响。用电设备在其额定电压下工作，既能保证设备正常运行，又能获得最大的经济效益。

电网的电压偏差过大时，不仅影响电力系统的正常运行，而且对用电设备的危害很大。

以照明的白炽灯为例，当加在灯泡上的电压低于其额定电压时，发光效率降低，使人身体健康受到影响，降低劳动生产率。白炽灯的端电压降低10%，发光效率下降30%以上，灯光明显变暗；端电压升高10%时，发光效率将提高1/3，但使用寿命将只有原来的1/3。例如，某车间由于夜间电压比额定电压高5%～10%，致使灯泡损坏率达30%以上电压偏差对荧光灯等气体放电灯的影响不像白炽灯那么明显，但也会影响起燃，同样影响照度和寿命。

感应电动机的最大转矩与端电压的平方成正比，当电压降低时，转矩急剧减小，以致转差率增大，从而使定子、转子电流都显著增大，引起温升增加，绝缘迅速老化，甚至烧毁电动机。例如，当电压降低20%，转矩降低到额定值的64%，电流增加30%～35%，温度升高12%～15%。由于转矩减小，使电动机转速降低，甚至停转，导致工厂产生废品，甚至导致重大事故。

电热装置的功率与电压平方成正比，电压过高将损伤设备，电压过低又得不到所需温度。

对于三相系统来说，三相电压与电流的不对称也影响电能质量。这种不对称运行对发电设备、用电设备、自动控制及保护系统、通信信号等都会产生不良影响。低压供电系统发生三相不对称会造成中性点偏移，甚至危及人身及设备安全。

电力系统的供电电压（或电流）的波形畸变，使电能质量下降，产生高次谐波，谐波电流增加了电网的能量损耗，降低旋转电动机、变压器、电缆等电气元件的寿命，还将影响电子设备的正常工作，使自动化、通信都受到干扰。

2）频率

我国工业标准电流频率为50Hz。

根据GB/T15945—1995规定：在电力系统正常工作情况下，电能频率的允许偏差：电网装机容量为300万千瓦以上时，为±0.2Hz；电网装机容量为300万千瓦以下时，为±0.5Hz；在电力系统非正常情况下，供电频率允许偏差不应超过±1.0Hz。

频率调整主要依靠发电厂调节发电机的转速来实现，在供配电系统中，频率是不可调的，只能通过提高电压的质量来提高供配电系统的电能质量。

2.额定电压的国家标准

工厂电网和电气设备额定电压可以是不同的电压等级，但均应符合国家关于额定电压的规定。根据我国国民经济发展的需要和技术经济上的合理性，为使电气设备实现标准化和系列化，国家规定了交流电网和电力设备的额定电压等级，见表1-1。

从表1-1中我们可以看出下列特点：

（1）用电设备的额定电压和电网的额定电压是一致的，由于用电设备运行时要在线路中产生电压损耗，造成线路上各点的电压略有不同，如图1-16所示，但是成批生产的用电设备，其额定电压只能按照线路首端与末端的平均电压即电网的额定电压来制造。所以用电设备额定电压规定与电网额定电压相同。

（2）由于同一电压的线路，一般允许的电压偏差是±5%，即整个线路允许有10%的电压损耗。因此，为了保护线路首端与末端的平均电压在额定值，线路首端应比电网的额定电压高5%，如图1-17所示。而发电机接在线路首端，所以规定发电机的额定电压高于所供电网额定电压5%，用于补偿线路电压损失。

（3）变压器的一次线圈连接在某一级额定电压线路的末端，可将变压器看作是线路上的用电设备，因此，在一次侧额定电压与用电设备（或该电网）的额定电压相同，如图1-17中的变压器T2。但如果变压器直接与发电机相连时，其一次侧额定电压就应与发电机额定电压相同，即比电网得到的电压要高5%，如图1-17中的变压器T1。

（4）变压器的二次侧线圈向负荷供电，相当于应该供电电源，其二次绕组额定电压也应高出线路额定电压5%。又由于变压器二次绕组额定电压规定为变压器的空载电压，而变压器通过额定负荷电流时，其逆变绕组会有5%的电压损失。因此，如果变压器二次侧供电线路较长（如为大容量的高压电网），则变压器而绕组的额定电压，一方面要考虑补偿变压器内部5%的电压损失，另一方面要考虑变压器满载时输出的二次电压还要高于线路的额定电压的5%，以补偿线路上的电压损耗，所以它要比线路额定电压高出10%，如图1-17中的变压器T1。如果变压器二次侧线路不太长（如低压电网），则变压器二次侧额定电压只需高于线路额定电压的5%，仅考虑补偿变压器逆变压降，如图1-17中的变压器T2。

3.提高电能质量的措施

电能质量的提高，在工矿企业中通常采用以下措施：

（1）就地进行无功功率补偿，及时调整无功功率补偿量。

（2）调整同步电动机的励磁电流，使其超前或滞后运行，产生超前或滞后的无功功率，以达到改善系统功率因素和调整电压偏差的目的。

（3）正确选择有载或无载调压变压器的分接头（开关），以保证设备端电压稳定。

（4）尽量使系统的三相负荷平衡，以降低电压偏差。

（5）采用电抗值最小的高低压配电线路方案。架空线的电抗约为0.4Ω/km；电缆线路的电抗约为0.8Ω/km。条件许可下，应尽量优先采用电缆线路供电。

工矿企业抑制电压波动的措施如下：

（1）对负荷变动剧烈的大型电气设备，采用专用线路或专用变压器单独供电。

（2）减小系统阻抗。使系统电压损耗减小，从而减小负载变化时引起的电压波动。

（3）在变、配电所配电线路出口加装限流电抗器，限制线路故障时的道路电流，减小电压波范围。

（4）对大型电动机进行个别补偿，使其在整个负荷范围内保持良好的功率因数。

（5）在低压供配电系统中采用电力稳压器稳压，确保用电设备的周期运行。

目前，随着电力电子技术、控制技术、网络技术的发展与应用，利用计算机实现对供配电系统的实时监控，从而能够在计算机屏幕上自动显示电压波动信息、波动幅值及频率、电压波动地点及抑制措施等。

4.工厂供配电电压的选择

1）工厂供电电压的选择

地区变电所向工厂供电的电压及工厂内部的供配电电压的选择与很多因素有关，但主要取决于地区电力网的电压、工厂用电设备的容量和输送距离等。提高送电电压可以减少电能损耗，提高电压质量，节约有色金属，但却增加了线路及设备投资，所以对应一个电压等级要有一个合理的输送容量与输送距离。常用各级电压的经济输送容量与输送距离的关系见表1-2。

工厂供电电压基本上只能选择地区原有电压，自己另选电压等级的可能性不大，具体选择时参考表1-2，即：

（1）对于一般没有高压用电设备的小型工厂，设备容量在100kW以下，输送距离在600m以内的，可选用380/220V电压供电。

（2）对于中、小型工厂，设备容量在100～2000kW，输送距离在4～20km以内的可采用6～10kV电压供电。

（3）对于大型工厂，设备容量在2000～50000kW，输送距离在20～150km以内的，可采用35～110kV电压供电。

2）工厂配电电压的选择

工厂的高压配电电压一般选用6～10kV。6kV与10kV比较，在变压器、开关设备的投资大致相等，传输相同功率情况下，10kV线路可以减少投资，节约有色金属，减少线路电能损耗和电压损耗，更适应发展，所以工厂内一般选用10kV作为高压配电电压。但是如果工厂供电电源电压就是6kV，或工厂使用的6kV电动机多而且分散，可以采用6kV的配电电压。3kV的电压等级太低，作为配电电压不经济。

工厂的低压配电电压，除因安全所规定的特殊电压外，一般采用380/220V。380V为三相配电电压，供电给三相用电设备及380V单相用电设备，220V作为单相配电电压，供电给一般照明灯具及220V单相用电设备。对矿山及化工等部门，因其负荷中心离变电所较远，为了减少线路电压损耗和电能损耗，提高负荷端的电压水平，也有采用660V配电电压。

1.7 工厂供配电系统的构成及布置

根据用户对供配电系统的基本要求，合理选择和布置工厂配电系统的电气设备、继电保护、控制方式和测量仪表，可最大限度地提高供配电系统运行的经济性和可靠性。

1.工厂配电系统的构成

1）用电负荷分类

为了合理地选择供电电源及设计供电系统，以适应不同的要求，我国将工业企业的电力负荷按其对可靠性要求的不同划分为一级负荷、二级负荷和三级负荷。

（1）一级负荷。一级负荷在供电突然中断时将造成人身伤亡的危险，或造成重大设备损坏且难以修复，或给国民经济带来极大损失。因此，一级负荷应要求两个独立电源供电。而对特别重要的一级负荷，应由两个独立电源点供电。

两个独立电源是指当采用两个电源向工厂供电时，如果任一电源因故障而停止供电，另一电源不受影响，能继续供电，那么这两个电源每一个都称为独立电源。凡同时具备下列两个条件的发电厂、变电站的不同母线均属于独立电源：

① 每段母线的电源来自不同的发电机。

② 母线段之间无联系，或虽有联系，但当其中一段母线发生故障时，能自动断开联系，不影响其余母线继续供电。

例如，省级以上计算机中心、交通和通信枢纽，高等学校重要实验室、监狱、电解加工厂、电炉炼钢厂、大型化工企业。

（2）二级负荷。二级负荷如果突然断电，将造成生产设备局部破坏，或生产流程紊乱且难以恢复，工厂内部运输停顿，出现大量废品或减产，因而在经济上造成一定损失。这类负荷允许短时停电几分钟，它在工业企业内部占的比例最大。

例如，省级以上政府办公楼、高层住宅、热力或煤气站、手术室、大型商业中心。

供电要求：应由两回路线供电，这两回路线应尽可能引自不同的变压器或母线，当采用两回路线有困难时，允许由一回专用路线供电。

（3）三级负荷。所有不属于一级负荷和二级负荷的电力用户均属于三级负荷。

三级负荷对供电无特殊要求，允许较长时间停电，可采用单回路供电。

2）企业配电系统的组成

供配电系统一般由电力变压器、配电装置、保护装置、操作机构、自动装置、测量仪表及附属设备构成。

（1）电力变压器。在供配电系统中的作用：将一种电压的电能转变为另一种或几种电压的电能供给用电单位。变电所或配电房中的电力变压器，通常是将高压转变为低压电能，馈电给用电设备。

（2）配电装置。其作用是接受和分配电能。配电装置包括母线、开关、断路器、操作机构、自动装置、测量仪表、仪用互感器等。供配电系统中的保护装置也属于配电装置，按其工作电压的不同又可分为高压配电装置和低压配电装置。

2.工厂配电系统布置

配电所与变电所的区别主要是没有电力变压器，只是接受和分配同级电压。

大型工厂因用电量大，其进线电压通常为35～110kV，一般需要设两级变电，第一级是将35～110kV变为10kV，进行高压配电；第二级是将6～10kV变为400V（即220/380V）低压，供给各用电设备。

对于中小型用户，工厂变电所进线电压多为6～10kV，只需要一级变电。对低压（通常电压小于1000V的电网称为低压系统，电压高于1000V的电网称为高压系统）系统来说，我国广泛采用电源中性点直接接地的三相系统，称为三相四线制系统。

在该系统中，台电力变压器的二次侧可以获得两种电压220V和380V（这里220V是指三相线路的相电压，380V是指线电压）。

1）工厂变电所的分类

工厂变电所按其结构不同主要分为以下两种：

（1）户内式。变压器及一、二次侧电气设备和控制装置均装设于室内。一般6～10kV级的工厂变配电所大都采用这种形式。

（2）户外式。变压器及其一次侧高压电气设备均装设于室外，其二次侧电气设备和控制装置仍装设于室内。35kV及以上的变电所属于此种形式。有时将用电量不大的（一般为315kW以下）的6～10kV电力变压器装在户外电杆的专设台架上，称为杆上变电站。

工厂变电所按其所处位置不同，也可分为以下几种：独立变电所、内附变电所、外附变电所、车间内变电所，如图1-18所示。

图1-18 车间变电所类型

工厂变配电所多采用独立变电所形式，一般靠近主要负荷中心（车间）。也有采用外附设形式的。变电所的高压6～10kV，低压（220/380V级）配电装置及电力变压器都设置在室内。由高压配电室、变压器室、低压配电室（含功率因数补偿）、值班室等组成。

2）工厂变配电所位置的选择

工厂变配电所的位置，必须根据工厂电力负荷的类型、大小和分布情况、工厂发展规划，以及厂区的内部环境特征等，经全面分析后才能确定。选择通常必须符合以下原则：

（1）尽量接近负荷中心，以减少配输电线路的长度与导线的截面，减少有色金属消耗量，降低配电系统的电压损耗、电能损耗，保证电能质量。

（2）接近电源侧。

（3）电源进、出线方便。

（4）设备运输、安装方便。

（5）避开剧烈震动、高温场所，避开多尘、有腐蚀性气体场所，避开有爆炸、火灾危险的场所。

（6）尽量使高压配电所与车间变电所合建。

（7）为工厂的负载和负荷的增加留有扩建的余地。

实操训练1 参观发电厂和变配电所

1.参观准备

联系参观单位，安排电气技术人员为学生介绍参观内容，组织学生集中行动，发放安全帽，提出参观要求和安全注意事项。

2.供配电系统参观

1）参观目的

通过参观，使学生初步了解发电厂的发电、变电及输送电过程，了解电力变电所或工厂企业变配电所的结构及布置方式，辨识发电厂和变、配电所电气设备的外形和名称，对供配电系统形成初步的感性认识。

2）参观内容

（1）参观火力发电厂的发电机主厂房、主控制室、配电装置、主变压器室；参观变电所屋内配电装置和屋外配电装置。由电厂或变、配电所电气工程师或技术人员介绍发、配电过程或变、配电所的整体布置情况及电气一次系统图，电气一次设备实际布置和连接情况。

（2）参观工厂企业配电室的高压开关柜和低压配电屏运行情况；参观开关厂生产的高、低压开关柜内开关电气设备及其连接方式。由企业电气工程师或技术人员介绍高压配电室、低压配电室、变压器室及高压开关设备等供配电系统一次设备的工作情况、倒闸操作过程、运行维护内容及故障处理措施。

3）注意事项

参观时一定要服从指挥注意安全，未经允许不得进入禁区，不允许随便触摸任何电气按钮，以防发生意外。

1.8 问题与思考

一、判断题（正确的打√，错误的打×）

1.电力系统就是电网。（　　）

2.发电厂与变电所距离较远，一个是电源，一个是负荷中心，所以频率不同。（　　）

3.火力发电是将燃料的热能转变为电能的能量转换方式。（　　）

4.中性点不接地的电力系统在发生单相接地故障时，可允许继续运行2h。（　　）

5.三级负荷对供电无特殊要求。（　　）

6.我国采用的中性点工作方式有中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地和中性点不接地。（　　）

7.我国110V及以上电网多采用中性点不接地的运行方式。（　　）

8.我国低压配电系统常采用TT的中性点连接方式。（　　）

9.原子能发电厂的发电过程是核裂变能—机械能—电能。（　　）

10.车间变电必须要设置两台变压器。（　　）

11.车间内电气照明线路和动力线路可以合并使用。（　　）

12.事故照明必须有可靠的独立电源供电。（　　）

13.在工厂中，一、二级负荷所占的比例较大。（　　）

14.变压器二次侧额定电压要高于后面所带电网额定电压的5%。（　　）

15.工厂配电电压常用10kV。（　　）

二、选择题（选择正确的选项填入括号内）

16.我国低压配电系统常用的中性点连接方式是（　　）。

A.TT系统

B.TN系统

C.IT系统

D.ON系统

17.工厂低压三相配电电压一般选择（　　）。

A.380V

B.220V

C.110V

D.660V

18.图1-19所示的电力系统，变压器T3一次侧额定电压为（　　），二次侧额定电压为（　　）。

A.110kV

B.121kV

C.10kV

D.11kV

19.车间变电所的电压变换等级一般为（　　）。

A.把220～550kV降为35～110kV

B.把35～110kV降为6～10kV

C.把6～10kV降为220/380V

20.单台变压器容量一般不超过（　　）。

A.500kV·A

B.1000kV·A

C.2000kV·A

21.6～10kV系统中，如果发生单相接地事故，可（　　）。

A.不停电，一直运行

B.不停电，只能运行2h

C.马上停电

22.选择正确的表示符号填入括号内。中性线（　　），保护线（　　），保护中性线（　　）。

A.N

B.PE

C.PEN

23.请选择下列设备可能的电压等级：发电机（　　），高压输电线路（　　），电气设备（　　），变压器二次侧（　　）。

A.10kV

B.10.5kV

C.380V

D.220kV

E.11kV

24.对于中、小型工厂，设备容量在100～2000kW，输送距离在4～20km以内，可采用（　　）电压供电。

A.380/220V

B.6～10kV

C.35kV

D.110kV及以下

三、技能题

25.什么是动力系统？什么是电力系统？什么是电力网？

26.电力系统为什么要求“无功功率平衡”？如果不平衡，会出现什么情况？

27.一次能源包括哪些？电能是一次能源吗？

28.枢纽变电所和一般变电所有哪些区别？

29.电力系统中性点接地方式有哪几种？采用中性点不接地系统有什么优缺点？

30.衡量电能质量的两个重要指标是什么？

31.用户电能的频率是通过什么环节进行调整的？在供配电系统中频率可调吗？