浏览：次 2019-01-28 20:38
电力系统
一、电力系统和供配电系统概述
电力系统是由锅炉、反应堆、汽轮机、水轮机、发电机等生产电能的设备，变压器、电力线路等交换、输送、分配电能的设备，电动机、电热电炉、电灯等各种消耗电能的设备，以及测量、保护、控制装置乃至能量管理系统所组成的统一整体。它包括了从发电、输电、变电、配电直到用电这样一个全过程。而把由配电线路及由它所联系起来的各类变电站总称为电力网络，简称电网。由变压器、电力线路等变换、输送、分配电能设备所组成的部分常称为电力网络。电网按其在电力系统中的作用不同，又分为输电网络和配电网络。输电网络是以高电压或超高压将发电厂、变电站及变电站之间通过联络线连接在一起的送点网络。直接将电能送到用户用电设备的网络称为配电网络。配电网络中根据用户用电设备需要的电压等级分为高压配电网（一般为35kV及以上电压等级）、中压配电网（一般指6~10kV电压等级）和低压配电网（220V和380V）。
二、电力系统运行方式
星形联结变压器或发电机的中性点，即电力系统的中性点的运行方式。它是一个十分复杂的问题。电力系统的中性点的运行方式主要分为两类，即直接接地和不接地。直接接地系统供电可靠性低。中性点不接地方式包括中性点经小电阻或消弧线圈接地。
三、电能的质量指标及负荷分类
电能质量包含电压质量、频率质量和波形质量三个方面。电压质量和频率质量一般都以偏移是否超过给定值来衡量，例如给定的允许电压偏移为额定值的±5%，给定的允许频率偏移为±0.2~0.5Hz等。波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。畸变率是指各次谐波有效值平方和的方根值与基波有效值的百分比。
负荷分类：
第一级负荷。对这一级负荷中断供电，将造成人身事故，设备损坏，将产生废品，使生产秩序长期不能恢复，人民生活发生混乱等。
第二级负荷。对这一级负荷中断供电，将造成大量减产，将使人民生活受到影响等。
第三级负荷。不属于第一、二级的负荷，如工厂的附属车间，小城镇等。
电力负荷及其计算
一、负荷的特性及曲线
电力系统负荷的运行特性可分两大类，即负荷随时间而变化的规律—负荷曲线和负荷随电压或频率而变化的规律—负荷特性。
负荷曲线反映了某一时间段内负荷随时间而变化的规律。这种曲线能够帮我们掌握电力系统的运行，为制定各发电厂发电负荷计划提供依据。负荷曲线取决于各行业的生产制度。
负荷特性指负荷功率随负荷端电压或系统频率变化而变化的规律。负荷特性取决于各行业负荷中各类用电设备的比重。
二、用户负荷的计算方法
电力负荷的变化是受多种因素制约的，难以用简单的计算公式来表示。在实际的工程计算工作中，通常采用的方法有需要系数法、利用系数法、二项式系数法、单位产品耗电量法等进行工业企业供电设计中的电力负荷计算。
1.利用系数法
以平均负荷为基础，利用概率论分析出最大负荷与平均负荷的关系。
2.单位产品耗电量法
在初步设计阶段对供电方案作比较时，可根据车间的单位产品耗电定额，产品的年产量和年工作小时数来估算。
三、功率因数及无功功率的计算
电网中的电气设备如变压器、电动机等属于既有电感又有电阻的电感性负载，电感性负载的电压和电流的向量间存在着一个相位差，相位差的余弦cosφ既是功率因数，它是有功功率和视在功率之比，即cosφ，P=S•cosφ。
四、功率因数对供配电系统的影响及提高功率因数的方法
1、功率因数对供电系统的影响
在供电系统中输送的有功功率维持恒定的情况下，无功功率增大，即供电系统的功率因数降低将会引起：
（1）增加电力网中输电线路上的有功功率损耗和电能损耗。若设备的功率因数降低，在保证输送同样的有功功率时，无功功率就要增加，这样势必就要在输电线路中传输更大的电流，使得此输电线路上有功功率损耗和电能损耗增大。
（2）系统中输送的总电流增加，使得供电系统中的电气元件，如变压器、电气设备、导线等容量增大，从而使工厂内部的起动控制设备、测量仪表等规格尺寸增大，因而增大了初投资费用。
（3）功率因数过低还将使线路的电压损耗增大，结果负荷端的电压就要下降，甚至会低于允许偏移值，从而严重影响异步电动机及其它用电设备的正常运行。特别在用电高峰季节，功率因数太低会出现大面积地区的电压偏低，将给工农业生产，造成很大的损失。
（4）使电力系统内的电气设备容量不能充分利用，因为发电机或变压器都有一定的额定电压和额定容量（亦即额定电流），在正常情况下，这些参数是不容许超过的，若功率因数降低，则有功出力也将随之降低，使设备容量不能得到充分利用。如一台30kVA的变压器，当cosφ=0.9时，输送的有功负荷的能力为：P=S cosφ=30*0.9=27（kW），而当cosφ=0.6时，变压器的输送有功功率的能力仅为P=S cosφ=30*0.6=18（kW）。
目前供电部门征收电费将用户的功率因数高低作为一项重要的经济指标，《全国供用电规则》规定：高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，以及100kVA(kW)及以上的电力用，户功率因数为0.90以上，其他功率因数不低于0.85。
2、提高功率因数的方法
●并联电容器
●发电机
●调相机(仅发无功功率的同步发电机)补偿
●静止无功补偿
例2-6 如某一工厂的计算负荷为2400kW，平均功率因数为0.67。要使其平均功率因数提高到0.9（在10kV侧固定补偿），问需要装设多大容量的并联电容器？如果采用BWF-10.5-40-1型电容器，需装设多少个？
解： tgφav1=tg(arccos0.67)=1.1080
tgφav2=tg(arccos0.9)=0.4843
Qcc=Pav（tgφav1－tgφav2）
=0.75×2400×(1.1080-0.4843)＝1122.66kvar
n= Qcc /qcN=1122.66/40=28
考虑三相均衡分配，应装设30个，每相10个，此时并联电容器的实际值为30×40=1200kvar，此时的实际平均功率因数为0.91,满足要求。
五、补偿后的负荷计算和功率因数计算
P= UI cosφ
电气设备的选择
一、变压器的选择
变压器容量的选择对综合投资效益有很大影响。变压器容量选得过大，出现"大马拉小车"现象，不仅一次性投资大，空载损耗也大。变压器容量选得过小，变压器负载损耗增大，经济上不合理，技术上也不可行。变压器的最佳负载率(即效率最高时的负载率)，不是在额定状态下，而是在40%～70%之间，负载率过高，损耗明显增大；另一方面，由于变压器容量裕度小，负荷稍有增加，便需更换大容量箱变，频繁增容势必会增加投资，影响供电。
二、变压器运行中的维护与检查及故障与事故处理
1、变压器的日常维护与检查内容：
（1）变压器的运行声响与以往比较有无异常，如声响增大或有异常新的声响等；
（2）变压器油枕油位是否正常；
（3）变压器各侧套管表面是否清洁，有无破损、裂纹及放电痕迹；
（4）变压器各侧接线端子或连接金具是否完整、紧固，有无过热痕迹；
（5）检查调压分头位置指示是否正确；
（6）压力释放装置的指示导杆是否突出，有无喷油痕迹。
（7）检查呼吸器中的硅胶是否变红；
2、故障与事故处理
（1）变压器自动跳闸的处理
为了保证变压器的安全运行及操作方便，变压器高、低压侧都有装保护装置。当发生熔断器熔断时，应对变压器进行检查后进行试投运。如果再次发生熔丝熔断，要对变压器进行吊壳检查。
（2）变压器着火的处理
变压器着火时，不论何种原因，应首先拉开各侧断路器，切断电源。并迅速采取有效措施进行灭火。
（3）变压器的紧急退出
（a）变压器声响较正常时有明显增大，而且极不均匀或为沉重的异常声，内部有爆裂的放电声。
（b）严重漏油，油位下降已至最低油标。
（c）套管发现有严重破损和放电现象。
三、变压器高、低压熔断器及熔丝的选择
（1）熔断器的选择
户外跌落式熔断器的型号标志为RW。R表示熔断器、W表示户外型。这种跌落式熔断器适用于周围空间没有导电尘埃和腐蚀气体等、没有易燃易爆危险及剧烈振动的户外场所，即可作6～10kV交流电力线路和电力变压器的短路保护。例如：RW4-10熔断器。
低压熔断器有RM系列的和RT系列的管式熔断器、RL系列的螺塞式熔断器。低压熔断器型号中的第一个字母是R表示是熔断器。第二位字母：C——瓷插式；L——螺旋式；M——熔体密封；T——熔管内有填料；S——快速熔断；X——报警信号。第三位数字：设计序号。
选用熔断器的原则，其额定电压符合线路电压；其额定电流满足安全条件和工作条件的要求；其极限分段电流大于线路上可能出现的最大故障电流；熔丝额定电流不得大于熔管的额定电流。上下级熔断器的熔断体额定电流只要符合国标和IEC标准规定的过电流选择比为1.6:1 的要求，即上级熔断体额定电流不小于下级的该值的1.6 倍，就视为上下级能有选择性切断故障电流；
（2）熔丝的选择
变压器一次侧熔丝是作为变压器本身和二次侧出线故障的后备保护，与变电所出线开关继电保护的动作时间相配合，必须小于变电所出口断路器的开断时间，要求熔丝熔断而出口断路器不动作。变压器容量在100kV．A以下，其一次侧熔丝可按2～3倍额定电流选用；在100kV．A及以上的配变，其一次侧熔丝可按1.5～2倍额定电流选用。
对于电动机，熔体额定电流按下式选取：
IF=(1.5～2.5) IM
式中 IF-熔体额定电流，A；
IM-电动机额定电流，A。
对于电动机，熔体额定电流按下式选取：
IF=(1.5～2.5) IMM+
式中 IMM-最大一台电动机的额定电流，A；
Ii-其余各台电动机的额定电流，A；
n-电动机台数。
以上两式中，如系轻载启动或减压启动，应取用较小的计算系数；如系重载启动或全压启动，应取用较大的计算系数。
四、低压断路器的选择、保护定值及上下级保护配合
1 概述
低压断路器(曾称自动开关)是一种不仅可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，还可以接通和分断短路电流的开关电器。低压断路器在电路中除起控制作用外，还具有一定的保护功能，如过负荷、短路、欠压和漏电保护等。低压断路器可以手动直接操作和电动操作，也可以远方遥控操作。
低压断路器的分类方式很多，按使用类别分，有选择型(保护装置参数可调)和非选择型(保护装置参数不可调)；按结构型式分，有万能式(又称框架式)和塑壳式断路器；按灭弧介质分，有空气式和真空式(目前国产多为空气式)；按操作方式分，有手动操作、电动操作和弹簧储能机械操作；按极数分，可分为单极、二极、三极和四极式；按安装方式分，有固定式、插入式、抽屉式和嵌入式等。低压断路器容量范围很大，最小为4A，而最大可达5000A。
低压断路器广泛应用于低压配电系统各级馈出线，各种机械设备的电源控制和用电终端的控制和保护。
2 低压断路器的结构
低压断路器由触头、灭弧装置、操作机构和保护装置等组成。
2.1 触头系统
触头(静触头和动触头)在断路器中用来实现电路接通或分断。
触头的基本要求为：
(1)能安全可靠地接通和分断极限短路电流及以下的电路电流；
(2)长期工作制的工作电流；
(3)在规定的电寿命次数内，接通和分断后不会严重磨损。
常用断路器的触头型式有，对接式触头、桥式触头和插入式触头。对接式和桥式触头多为面接触或线接触，在触头上都焊有银基合金镶块。大型断路器每相除主触头外，还有副触头和弧触头。
断路器触头的动作顺序是，断路器闭合时，弧触头先闭合，然后是副触头闭合，最后才是主触头闭合；断路器分断时却相反，主触头承载负荷电流，副触头的作用是保护主触头，弧触头是用来承担切断电流时的电弧烧灼，电弧只在弧触头上形成，从而保证了主触头不被电弧烧蚀，长期稳定的工作。
2.2 灭弧系统
灭弧系统用来熄灭触头间在断开电路时产生的电弧。灭弧系统包括两个部分：一为强力弹簧机构，使断路器触头快速分开；一为在触头上方设有灭弧室。
2.3 操动机构
断路器操动机构包括传动机构和脱扣机构两大部分。
(1)传动机构：
按断路器操作方式不同可分为：手动传动、杠杆传动、电磁铁传动、电动机传动；按闭合方式可分为：贮能闭合和非贮能闭合。
(2)自由脱扣机构：
自由脱扣机构的功能是实现传动机构和触头系统之间的联系。
2.4 保护装置
断路器的保护装置由各种脱扣器来实现。
断路器的脱扣器型式有：欠压脱扣器、过电流脱扣器、分励脱扣器等。过电流脱扣器还可分为过载脱扣器和短路脱扣器。
欠压脱扣器用来监视工作电压的波动，当电网电压降低至70%～35%额定电压或电网发生故障时，断路器可立即分断，在电源电压低于35%额定电压时，能防止断路器闭合。带延时动作的欠压脱扣器，可防止因负荷陡升引起的电压波动，而造成断路器不适当地分断。延时时间可为1s、3s和5s。
分励脱扣器用于远距离遥控或热继电器动作分断断路器。
过电流脱扣器用于防止过载和负载侧短路。
一般断路器还具有短路锁定功能，用来防止断路器因短路故障分断后，故障未排除前再合闸。在短路条件下，断路器分断，锁定机构动作，使断路器机构保持在分断位置，锁定机构未复位前，断路器合闸机构不能动作，无法接通电路。
2.5 其它
断路器除上述四类装置外，还具有辅助接点，一般有常开接点和常闭接点。辅助接点供信号装置和智能式控制装置使用。还有框架(万能式断路器)和塑料底座和外壳(塑壳式断路器)。
3 常用低压断路器
3.1 万能式断路器(标准型式为DW)
万能式断路器容量较大，可装设多种脱扣器，辅助接点的数量也多，不同的脱扣器组合可形成不同的保护特性，故可作为选择性或非选择性或具有反时限动作特性的电动机保护。它通过辅助接点可实现远方遥控和智能化控制。其额定电流为630～5000A。一般用于变压器400V侧出线总开关、母线联络开关或大容量馈线开关和大型电动机控制开关。
我国自行开发的万能式断路器系列有DW15、DW16、CW系列；引进技术的产品有德国AEG公司的ME系列(DW17)，日本寺崎公司的AH系列(DW914)，日本三菱公司的AE系列(DW19)，西门子公司的3WE系列等，以及目前国内各生产厂以各自产品命名高新技术开关。
3.2 塑壳式断路器(标准型式为DZ)
塑壳式断路器的主要特征是，所有部件都安装在一个塑料外壳中，没有裸露的带电部分，提高了使用的安全性。新型的塑壳断路器也可制成选择型。小容量的断路器(50A以下)采用非贮能式闭合，手动操作；大容量断路器的操作机构采用贮能式闭合，可以手动操作，亦可由电动机操作。电动机操作可实现远方遥控操作。额定电流一般为6A～630A，有单极、二极、三极和四极。目前已有额定电流为800A～3000A的大型塑壳式断路器。
塑壳断路器一般用于配电馈线控制和保护、小型配电变压器的低压侧出线总开关，动力配电终端控制和保护，及住宅配电终端控制和保护，也可用于各种生产机械的电源开关。
我国自行开发的塑壳式断路器系列有：DZ20系列、DZ25系列、DZ15系列，引进技术生产的有日本寺崎公司的TO、TG和TH-5系列、西门子公司的3VE系列、日本三菱公司的M系列、ABB公司的M611(DZ106)和SO60系列，施耐德公司的C45N(DZ47)系列等，以及生产厂以各自产品命名的高新技术塑壳断路器。