一、供配电技术基础知识

1.1 国内外供配电技术发展概况及电力系统的组成

1.1.1 国内外供配电技术发展概况

20世纪三相交流电发明之后，供配电技术就朝着1大机组；2大电网；3超高压；4高自动化的方向不断发展，截至2007年底，全国发电装机容量达到71329万千瓦，同比增长14.36%，其中水电达到14526万千瓦，占20.36%，火电装机达55442万千瓦，占77.73%，核电达885万千瓦，同比增长29.2%，并网生产风电设备容量达到403万千瓦，同比增长94.4%。

为满足经济增长对电力的需求，国家加大电力建设投资，计划全国每年发电规模在1500万千瓦以上。预计2020年，装机容量将达到10亿千瓦，全社会用电量达到4.6万亿千瓦时。

中国电力跨越式发展，使得发电装机容量和发电量先后超过法国、德国、加拿大、英国、俄罗斯、日本、跃居全球第二，近低于美国。

西电东送、南北互供、全国联网的发展战略为我国电力系统的发展带来了极大的空间。

世界范围内，电力工业正在进行以打破垄断、引进竞争为特征的电力体制改革，2008世界电力工业概况统计显示：

日本首次量产发电效率全球最高的燃料电池，并正在开发高效家用燃料电池热电联产系统；

德国靠“秘密技术”让太阳和地热水发电；

印度核电技术瞄准提高单位核燃料的发电量；

菲律宾拟利用意大利援助的资金采用海流发电；

奥地利将加大水电开发以推动节能减排；

英国拟建水上太阳能板；

罗斯研制出新一代核电厂挑战通用电气抢占国际电力市场

1.1.2 电力系统的组成

电力系统的组成：发电厂、输电网、配电网、电力用户。

电力系统的功能就是完成电能的生产、输送和分配。

电力系统的生产特点：发电、供电、用电同时完成、电能不能存储。

对电力系统的要求：安全、可靠、持续。

1. 电力系统的基本概念

动力系统＝电力系统＋动力装置＋热能系统

由电力系统加上发电厂的动力部分及其热能系统和热能用户组成的电能与热能的整体就是动力系统。

动力系统是电能、热能的生产与消费联系起来的纽带。

电力网＝变压器＋输配电线路＋电能用户

按供电范围的大小和电压等级的高低，电力网可分为地方电力网、区域电力网和超高压输电网三种类型。一般情况下，地方电力网的电压不超过35kV，区域电力网电压为110～220kV，电压为330kV及以上的为超高压远距离输电网。

2. 电力系统的结构

电力系统通常由许多发电厂并列起来组成。

电力系统按供电范围的大小和电压等级的高低，电力网可分为地方电力网、区域电力网和超高压输电网三种类型。一般情况下，地方电力网电压不超过35kV，区域电力网电压为110～220kV，电压为330kV及以上的为超高压远距离输电网。

变电站分为升压变电站和降压变电站两类，但按其作用和地位又可分为枢纽变电站、区域枢纽变电站和终端变电站。

3. 电力系统的额定电压

第一类：100V以下额定电压，用于蓄电池和安全照明用具等电气设备。

第二类：大于100V、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：电力网的额定电压分有500KV、220KV、110KV、63KV、35KV、10kV。为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. 电力系统的特性

（1）电力系统是一个有机的整体，其中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）发电厂发出的交流电不能直接储存，决定了电能的生产、输送、分配和使用必须同时进行。因此要时刻保持电力系统有功功率和无功功率的平衡。

（3）电力系统的运行状态是时时变化的动态，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。

1.2 发电厂、变电所的类型

凝汽式火电厂：这类火电厂仅向用户供出电能，通常建在能源附近。利用燃煤(或石油、天然气)燃烧使汽轮机转动。

生产过程：化学能、热能、机械能、电能

热电厂：热电厂不仅向用户供出电能，同时还向用户供蒸汽或热水，由于供热距离不宜太远，所以热电厂大多建在城市和用户附近。

水电站：利用水的流量和落差使水轮机转动。

生产过程：水能、机械能、电能

核电站：利用原子能在反应堆的核裂变使汽轮机转动。

生产过程：原子能、机械能、电能。

风力发电站：风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大約是每秒三公尺的微风速度，便可以开始发电。

生产过程：风能、机械能、电能

潮汐发电站：生产过程：潮汐能、机械能、电能

潮汐发电是利用潮汐能。

潮汐发电必须具备两个物理条件：①潮汐的幅度必须大，至少要有几米；②海岸地形必须能储蓄大量海水，并可进行土建工程。

潮汐发电的工作原理与一般水力发电的原理相近，即在河口或海湾筑一条大坝，以形成天然水库，水轮发电机组就装在拦海大坝里。潮汐电站可以是单水库或双水库。

世界上所有国家，主要发电形式仍为火力发电、水利发电和核能发电，其他除潮汐和风力发电外还有以地热、风力、潮汐、太阳能等为一次能源的发电厂（站）容量较小，分布在离这些一次能源较近的区域，发电量占总发电量的极小一部分。

1.2.2 变电所类型

发电厂通常建立在距离一次能源丰富或传输便利的地域，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，距离用户较近时须把传送的高压降低，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，向用电单位输送和分配电能。

从规模上分：变电所有枢纽变电所、地区重要变电所和一般变电所。

枢纽变电所：枢纽变电所的一次电压通常为330kV和500kV，二次电压为220kV或110kV。

地区重要变电所：地区重要变电所的一次电压通常为220kV和330kV，二次电压为110kV、35kV或10kV。

一般变电所：一般变电所的一次电压大多为110kV，二次电压为10kV或以下等级。

一般变电所均设在负荷中心，尽可能靠近用户，如果变电所远离用户，不仅电能损耗大，造成用户端电压不足，而且极易使电源频率不稳定而影响供电质量。

1.3 电力系统中性点运行方式

电力系统中性点是指发电机、变压器星形接线中性点。

电力系统中性点的运行方式共三种：中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地、中性点不接地。

中性点直接接地方式

中性点直接接地方式就是把电源中性点直接与“地”相接，我国110kV及以上电压等级的电力系统均属于这种大接地电流系统。

该系统运行中若发生一短路，立即造成系统中流过很大的单相接地电流。依靠系统中继电保护装置跳闸可迅速切除故障。再用重合闸恢复正常供电。

优点：操作过电压均比中性点绝缘电网低，系统不易过电压。

缺点：短路大接地电流对通讯系统造成的干扰影响较大。

中性点不接地方式

中性点不接地系统适用于10kV架空线路为主的辐射形或树状形的供电网络。该接地方式在运行中若发生单相接地故障，流过故障点电流仅为电网对地电容中通过的电流，其值是正常运行的单相对地电容电流的3倍，称为小接地电流系统。

优点：中性点不接地系统由于故障时接地电流很小，瞬时故障一般可自动熄弧，非故障相电压升高不大，不会破坏系统的对称性，故可带故障连续供电2h，供电的可靠性相对提高。

缺点：中性点不接地方式的中性点绝缘，在发生弧光接地时，电弧的反复熄灭与重燃，相当于电容反复充电。由于对地电容中的能量不能释放，可造成电压升高，从而对设备绝缘造成威胁。

中性点经消弧线圈接地方式

中性点经消弧线圈接地方式利用消弧线圈的电感电流对接地电容电流进行补偿，使通过故障点的电流减小到能自行熄弧范围。利用对消弧线圈无载分接开关的操作，使其在一定范围内达到过补偿运行，从而实现减小接地电流的目的。使电网持续运行时间延长，相对提高了供电可靠性。此方式也是小接地电流系统。

在各级电压网络中，当单相接地故障时，通过故障点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3kV～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22kV～66kV电网，故障点总电容电流超过10A。

1.4 电力系统的供电质量及其改进措施

用户对供电质量的基本要求

安全性指标;可靠性指标;优质性指标;经济性指标

从上述指标来看，保证对用户不间断地供给充足、优质而又经济的电能，是现代工矿企业对供配电系统的基本要求。

供配电的电能质量

评价供配电系统电能质量的主要指标有：

①电压偏差;供配电系统改变运行方式和负荷缓慢地变化会使供配电系统各点的电压也随之变化，这时各点实际电压与系统标称电压之差与系统标称电压之比ΔU称为电压偏差。电压偏差ΔU也常用与系统标称电压的百分比表示。即：

电压偏差对系统和用户的影响

电压偏差过大会对供配电系统的正常运行产生以下不利影响：

1．对感应电动机的影响：由于电动机转矩与电压的平方成正比，当电压出现正偏差时，电动机机端电压升高，激磁电流和温升增加，绝缘受到过电压和过热的威胁；当电压出现负偏差时，转矩下降转速降低，同时负荷电流会增加，都将影响电动机的使用寿命。

2．对照明设备的影响：照明设备的发光效率与电压的关系极大，当电压降低时会引起照明设备的效率降低，造成照度不足，影响照明效果，同时还会导致气体放电光源的照明器不能正常点燃；当电压偏高时，光源寿命缩短很多。

3．对电子设备的影响：对于大规模自动控制系统计算中心来说，电压偏差会造成系统的工作紊乱，数据损坏；对于精密机床、机器人等，电压偏差可能造成无法保持对由其驱动过程的精确控制。

4．电压偏差对无功补偿的影响电压过低会引起补偿电容器组输出无功减少，不能满足补偿要求。

电压偏差的允许值

35kV及35kV以上电压供配电，电压正、负偏差的绝对值之和不应超过额定值的10%；10kV及10kV以下三相供配电，为额定值的±7%；220V单相供配电为额定值的＋7%、－10%。在供配电系统非正常情况下，用户受电端的电压最大允许偏差不应超过额定值的±10%。

电压偏差的改善措施

（1）就地进行无功功率补偿：无功负荷的变化在电网各级系统中均产生电压偏差，是产生电压偏差的源，及时调整补偿量，从源上解决问题，是最有效的措施。（2）调整同步电动机的励磁电流：调整后使同步电动机产生超前或滞后的无功功率，使网络负荷的功率因数得到改善，达到调整电压偏差的目的。（3）采用有载调压变压器，是最经济有效地措施之一。

供配电的电能质量

评价供配电系统电能质量的主要指标有：①电压偏差；②电压波动和闪变

电压在某一段时间内急剧变化而偏离额定值的现象，称为电压波动；周期性电压急剧变化引起电源光通量急剧波动而造成人的视觉感官不舒适的现象，称为闪变。电压波动和电压闪变是由电弧炉、轧机、电弧焊机等波动负荷引起的。

电压波动和闪变的限制措施;

① 采用单独回路供电② 降低共用配电线路阻抗③ 提高供电电压

④ 增加短路容量⑤ 采用静止型无功功率补偿装置

评价电能质量的主要指标：①电压偏差；②电压波动和闪变；③谐波；

由于电力系统中存在大量的非线性供用电设备，使得电压波形偏离正弦波，这种现象称为电压正弦波畸变。电压波形的畸变程度用电压正弦波畸变率来衡量，也称为电压谐波畸变率。

谐波的改善措施

① 加强系统承受谐波的能力；② 提高供、用电设备抗谐波干扰的能力；

③ 限制谐波的产生；④ 装设交流滤波器吸收谐波。

评价供配电系统电能质量的主要指标有：①电压偏差；

②电压波动和闪变；③谐波；④频率偏差

频率偏差是指供电的实际频率与电网的额定频率的差值。

我国电网的标准频率为50Hz，又叫工频。频率偏差一般不超过±0.25Hz，当电网容量大于3000MW时，频率偏差不超过±0.2Hz。

频率偏差改善措施; 调整频率的办法是增大或减小电力系统发电机有功功率。

1.5 供配电电压的选择

工厂供配电电压的高低，对电能质量及降低电能损耗均有重大的影响。在输送功率一定的情况下，若提高供电电压，就能减少电能损耗，提高用户端电压质量。从另一方面讲，电压等级越高，对设备的绝缘性能要求也越高，投资费用相应增加。因此，供配电电压的选择主要取决于用电负荷的大小和供电距离的长短。

供配电系统电力变压器的额定电压;

①电力变压器连接于线路上时，其一次绕组的额定电压应与配电网的额定电压相同，高于供电电网额定电压5%；

②电力变压器的二次绕组额定电压是指变压器的一次绕组加额定电压，二次绕组开路时的空载电压。考虑到变压器在满载运行时，二次绕组内约有5%的电压降，另外二次侧供电线路较长等原因，变压器的二次绕组端电压应高于供电电网电压10%。

二、电压等级划分及适用范围

1. 高、低压的划分

按照电力行业标准DL408-1991《电力安全工作规范（发电厂和变电所电气部分）》规定：

低压：指设备对地电压在250V及250V以下；

高压：指设备对地电压在250V以上。

2. 电压的适用范围

220kV及其以上电压为输电电压，用来完成电能的远距离输送。110kV及以下电压，一般为配电电压，完成对电能进行降压处理并按一定的方式分配至电能用户。

35～110kV配电网为高压配电网；10～35kV配电网为中压配电网；1kV以下为低压配电网。

3kV、6kV、10kV是工矿企业高压电气设备的供电电压。

企业对配电电压的选择：

工矿企业用户的供配电电压有高压和低压两种，高压供电通常指6～10kV及以上的电压等级。

中、小型企业通常采用6～10kV的电压等级，当6kV用电设备的总容量较大，选用6kV就比较经济合理；

大型工厂宜采用35～110kV电压等级，以节约电能和投资。

低压供配电是指采用1kV及以下的电压等级。大多数低压用户采用380/220V的电压等级，在某些特殊场合，例如矿井下，因用电负荷往往离变配电所较远，为保证远端负荷的电压水平，要采用660V电压等级。

提倡提高低压供配电的电压等级，不但是节电的一项有效措施，经济效益明显，而且已成为世界上的一种发展趋势。

三、工厂供配电系统的构成及布置

1. 工厂供配电系统的负荷

一级负荷：若对此负荷停电，将会造成人的生命危险及设备损坏，打乱复杂的生产过程，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。因此要求一级负荷由两个独立的电源供电，而对特别重要的一级负荷，应由两个独立的电源点供电。

二级负荷：若对此种负荷停电，将会造成工厂生产机器部分停止运转，或生产流程紊乱且难以恢复，致使产品大量减产，工厂内部交通停顿，造成一定的经济损失，或使城市居民的正常生活受到影响。二级负荷在工矿企业中占有的比例最大，应由两个回路供电，也可以由一回专用架空线路供电。

三级负荷：所有不属于一、二级负荷的其他负荷均属于三级负荷。通常三级负荷对供电无特殊要求，较长时间停电也不会直接造成用户的经济损失，因此，三级负荷可采用间单回路供电。

2. 企业供配电系统设备组成

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。

电力变压器

电力变压器在供配电系统中的作用是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户。变电所或配电房中的电力变压器，通常是将高压电能转变为低压电能，馈电给用电设备。

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。作用：接受和分配电能。

四、工厂供配电系统的布置

1. 户内配电室的组成

户内式变配电所主要由三部分组成：高压配电室、变压器室、低压配电室。此外，有的还设有高压电容器室和值班室。

与户内变配电室相边的户外电气设备安装在屋外，一般用于35KV及以上电压级。

2. 户外配电装置

户外配电装置根据电器设备和导体的布置高度及重叠情况，分为中型、半高型和高型几种布置型式。

户外配电装置的特点：①土建工作量和费用较小，建设周期短；

②扩建比较方便；③相邻设备之间距离较大，便于带电作业；

④占地面积大；⑤受外界环境影响，设备运行条件较差，需加强绝缘；⑥不良气候对设备维修和操作有影响。

3. 供配电布置的总体要求

①便于运行维护和检修：值班室一般应尽量靠近高低压配电室，特别是靠近高压配电室，且有直通门或与走廊相通。

②运行要安全：变压器室的大门应向外开并避开露天仓库，以利于在紧急情况下人员出入和处理事故。门最好朝北开，不要朝西开，以防“西晒”。

③进出线方便：如果是架空线进线，则高压配电室宜位于进线侧。户内供配电的变压器一般宜靠近低压配电室。

④节约占地面积和建筑费用：当供配电场所有低压配电室时，值班室可与其合并。但这时低压电屏的正面或侧面离墙不得小于3m.

⑤高压电力电容器组应装设在单独的高压电容器室内，该室一般临近高压配电室，两室之间砌防火墙。低压电力电容器柜装在低压配电室内。

⑥留有发展余地，且不妨碍车间和工厂的发展。在确定供配电场所的总体布置方案时应因地制宜，合理设计，通过几个方案的技术经济比较，力求获得最优方案。