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电力系统基础知识寸草塔煤矿机电队张超1电力系统概述2电力负荷的计算3变电所位置及变压器台数和容量选择4变配电所高低压一次设备5变配电所的主电路图6低压供配电线路的接线方式7供电系统的防雷与接地1电力系统概述1.1电力系统的构成1）一个完整的电力系统由分布各地的各种类型的发电厂、升压和降压变电所、输电线路及电力用户组成，它们分别完成电能的生产、电压变换、电能的输配及使用。2）电力网络或电网指电力系统中除发电机和用电设备之外的部分,即电力系统中各级电压的电力线路及其联系的变配电所。3）动力系统指电力系统加上发电厂的“动力部分”。“动力部分”――包括水力发电厂的水库、水轮机，热力发电厂的锅炉、汽轮机、热力网和用电设备，以及核电厂的反应堆等等。总结：电力网络是电力系统的一个组成部分，而电力系统又是动力系统的一个组成部分，这三者的关系也示于图1-1。图1-1动力系统、电力系统、电力网络示意图1.21.根据受电设备和供电设备的额定电压，国标GB/T156—2007《标准电压》规定了交流电力网和电力设备的额定电压等级。1）电网(电力线路)的额定电压电网的额定电压是确定其它一切电力设备额定电压的基本依据，它是国家根据国民经济发展的需要以及电力工业的现有水平，经过全面的技术分析后确定的。三相交流电网和电力设备常用的额定电压如表1.1所示。表1.1我国交流电力网和电气设备的额定电压电力变压器额定电压/KV分类电网和用电设备电压/KV发电机额定电压/KV一次绕组二次绕组低压0.380.660.400.690.380.660.400.69高压3610—35661102203305007503.156.310.513.8,15.75,18,20,22,24,263及3.156及6.310及10.513.8,15.75,18,20,22,24,2635661102203305007503.15及3.36.3及6.610.5及11—38.572.61212423635508202）电力设备的额定电压用电设备的额定电压规定与同级电网的额定电压相同。发电机的额定电压规定高于同级电网额定电压的5％，以补偿线路上的电压损失。变压器的额定电压分为一次绕组额定电压和二次绕组额定电压。（1）变压器一次绕组额定电压分两种情况：当变压器直接与发电机相连时，如图1.2中的变压器T1，其额定电压与发电机额定电压相同，即高于同级电网额定电压的5％；当变压器连接在线路上时，如图1.2中的变压器T2，成为电网上的一个负荷，其一次绕组额定电压与电网额定电压相同。图1.2电力变压器的额定电压说明（2）变压器的二次绕组额定电压也分两种情况：当变压器二次侧供电线路较长时，如图1.2中的变压器T1，其额定电压应高于同级电网额定电压的10％，5%用来补偿变压器二次绕组的内阻抗压降，5%用来补偿线路上的电压损失；当变压器二次侧供电线路不太长时，如图1.2中的变压器T2，其额定电压只需高于电网额定电压的5％即可，用于补偿变压器内部的电压损耗。图1.2电力变压器的额定电压说明2.电压分类及高低电压的划分按国标规定，额定电压分为三类：第一类额定电压为100V及以下，如12V、24V、36V等，主要用于安全照明、潮湿工地建筑内部的局部照明及小容量负荷。第二类额定电压为100V以上、1000V以下，如127V、220V、380V、600V等，主要用作低压动力电源和照明电源。第三类额定电压为1kV以上，有6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV等，主要用于高压用电设备、发电及输电设备。在电力系统中，通常把1kV以下的电压称为低压，1kV以上的电压称为高压，220kV以上的电压称为超高压，1000kV以上的电压称为特高压。三相电力设备的额定电压不作特别说明时均指线电压。1.31．供电系统的高压配电电压主要取决于当地供电电源电压以及高压用电设备的电压、容量和数量等因素。中、小型工厂采用的高压配电电压通常为6～10kV，从技术经济指标来看，最好采用10kV配电电压。由于同样的输送功率和输送距离条件下，配电电压越高，线路电流越小，线路所采用的导线或电缆截面越小，因而采用10kV配电电压可以减少线路的初投资和金属消耗量，还可以减少线路的电能损耗和电压损耗。从设备的选型及将来的发展来说，10kV更优于6kV。对于一些厂区面积大、负荷大且集中的大型厂矿，如厂区的环境条件允许，可采用35～220kV架空线直接深入工厂负荷中心配电，这样可以分散建立总降压变电所，简化供电环节，节约有色金属，降低功率损耗和电压损失。2．低压配电电压的选择供电系统的低压配电电压一般采用220/380V的标准电压等级，但在某些特殊的场合如矿井，因负荷中心远离变电所，为保证负荷端的电压水平故采用660V电压作为配电电压，这样不仅可以减少线路的电压损耗，降低线路有色金属消耗量，而且能够增加配电半径，提高供电能力，简化供配电系统。另外，在某些场合，由于安全的原因，可以采用特殊的安全低电压配电。1.41．国家标准GB12325—2008《电能质量供电电压偏差》规定了不同电压等级的允许电压偏差的限值：35kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压±7%220V单相供电电压偏差为标称电压的+7%、-10%。对供电点容量较小，供电距离较长以及对供电电压偏差有特殊要求的用户，由供、用电双方协议确定。2．我国规定的额定电压频率为50Hz，大容量系统允许的频率偏差为±0.2Hz，中、小容量系统允许的频率偏差为±0.5Hz。频率的调整主要由发电厂进行。电力系统的频率指标由电力系统给予保证。3．供电的可靠性要求保证供电系统的安全可靠性是电力系统运行的基本要求。所谓供电的可靠性，是指确保用户能够随时得到供电。这就要求供配电系统的每个环节都安全、可靠运行，不发生故障，以保证连续不断地向用户提供电能。不同的用户对供电可靠性的要求是不一样的。根据对供电可靠性的要求及中断供电造成的损失或影响的程度，将电力用户负荷分为三类。1）一级负荷是指中断供电将造成人身伤亡危险，或造成重大设备损失且难以修复，或给国民经济带来重大损失，或在政治上造成重大影响的电力负荷。矿井一级电力负荷有主要通风机、井下主排水设备、下山开采的采区排水设备升降人员的主井提升机、抽放瓦斯设备（包括井下移动抽放泵站设备）。一级负荷要求由两个独立电源供电，当其中一个电源发生故障时，另一个电源应不致同时受到损坏。对一级负荷中特别重要的负荷，除上述两个电源外，还必须增设应急电源。常用的应急电源有：独立于正常电源的发电机组、专门的供电线路、蓄电池、干电池等。2）二级负荷二级负荷是指中断供电将在政治、经济上造成较大损失的电力负荷，如主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。矿井的二级电力负荷有主井提升机、经常升降人员的斜井提升设备、副井井口及井底操车设备、主要空气压缩机、主井装卸设备、大巷带式输送机、井下主要电机车运输设备、井下运输信号系统、矿井信息系统、安全监测及生产监控设备、综合机械化采煤及其运输设备、矿灯充电设备、矿井行政通信及调度通信设备、井筒保温及其供热设备、有热害矿井的制冷站设备、运煤索道的驱动机、配有备用泵的消防泵、无事故排出口的矿井污水泵、地面生产系统、生产流程中的照明设备、铁路装车设备、单台蒸发量为4t/h以上的锅炉。二级负荷要求由双回路供电，供电变压器也应有两台，当其中有一条回路或一台变压器发生常见故障时，二级负荷应不致中断供电，或中断供电后能迅速恢复供电。3）三级负荷三级负荷为一般电力负荷，所有不属于上述一、二级负荷者均为三级负荷。由于三级负荷为不重要的一般负荷，因而它对供电电源无特殊要求。2电力负荷的计算2.11.计算负荷的概念根据用电设备的安装容量，采用一定的计算方法得出的负荷，称为计算负荷。计算负荷是一个假想负荷，其热效应和实际负荷产生的热效应相等。如以计算负荷连续运行，根据计算负荷选择的电气设备和导线电缆其发热温度不会超过允许值。导体通过电流达到稳定温升的时间大约为(3～4)τ，τ为发热时间常数。截面在16mm2及以上的导体，其τ≥10min。因此，载流导体大约经30min后可达到稳定温升值，计算负荷也就是半小时最大负荷。分别用P30、Q30、S30和I30表示有功计算负荷、无功计算负荷、视在计算负荷和计算电流。计算负荷是分析和设计供电系统的基础，是选择供电系统导线、变压器、开关电器等设备的依据。如计算负荷过大，则将使电器和导线电缆选得过大，造成投资和有色金属的浪费；如计算负荷过小，又将使电器和导线电缆处于过负荷下运行，增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至烧毁。因此，正确确定计算负荷意义重大。2.采用需要系数法确定计算负荷时，首先要知道设备的容量Pe。设备容量与设备的工作制有关，设备容量不一定就是设备铭牌上所标定的额定容量。因此，当统计设备的安装容量时，不能将铭牌上的额定功率直接相加，而应按不同的工作性质将用电设备分组，再将不同负荷持续率下的额定功率换算为统一持续率下的功率，这就是设备容量。1）采用长期连续运行工作制的设备工作时间长，连续运行，绝大多数用电设备都属于这一类设备，如风机、泵类、机床、照明等。这类设备的设备容量就是设备铭牌上的额定容量。2）采用短时运行工作制的设备工作时间短，停歇时间长，如船闸电动机、机床中的辅助电动机等，其设备容量按铭牌额定容量计算。3）继续周期工作制也称反复短时工作制，采用这种工作制的设备时而工作，时而停歇，反复运行，如吊车用电动机、电焊机等，其设备容量是将所有设备在不同负载持续率下的铭牌额定容量换算到一个统一的负荷持续率下的功率之和。断续周期工作制的用电设备常用的有电焊机和吊车电动机。2.21.用电设备组是由工艺性质相同、需要系数相近的用电设备合并组成的。用电设备组的计算负荷是指用电设备组从供电系统中取用的半小时最大负荷，其基本公式为ed30PKP（2.1）Kd为需要系数，反映用电设备组中投入运行的设备性质、容量、线路损耗、设备效率及操作人员的技能等诸多因素，是一个综合系数。用电设备组设备台数较少时，Kd值适当取大些，如只有1～2台设备时，取Kd＝1。当只有一台电动机时，P30=PN/η,PN为电动机额定容量，η为电动机的效率。Pe为用电设备组中各设备容量之和（不包括备用设备）。在求出有功计算负荷P30后，可按下列各式分别求出无功计算负荷、视在计算负荷和计算电流。无功计算负荷为tan3030PQ（2.2）式中：tanφ为对应于用电设备组cosφ视在计算负荷为cos3030PS（2.3）式中：cosφ为用电设备组的平均功率因数。计算电流为N30303USI（2.4）式中:UN为用电设备组的额定电压。负荷计算中常用的单位：有功功率为“千瓦”(kW)，无功功率为“千乏”(kvar)，视在功率为“千伏安”(kVA)，电流为“安”(A)，电压为“千伏”(kV)。2．多组用电设备计算负荷的确定确定拥有多组用电设备的干线上或车间变电所低压母线上的计算负荷时，应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的情况。因此，在确定多组用电设备的计算负荷时，应结合具体情况对其有功负荷和无功负荷分别计入一个同时系数K∑p、K∑q，则计算负荷为ipPKP,3030iqQKQ,303023023030QPSN30303USI（2.5）以上两式中的∑P30,i和∑Q30,i分别为各组设备的有功和无功计算负荷之和。对车间干线取K∑p=0.85～0.95，K∑q=0.90～0.97；对车间母线取K∑p=0.90～0.95，K∑q=0.93～0.97。注意：由于各组设备的功率因数不一定相同，因此总的视在计算负荷和计算电流一般不能用各组的视在计算负荷或计算电流之和来计算。此外，在计算多组设备总的计算负荷时，为了简化和统一，各组的设备台数不论多少，各组的计算负荷均按供电设计手册所列的计算系数来计算，而不必考虑设备台数少