第9章 工业企业供电与安全用电

杨凌《电工电子技术》第6章工业企业供电与用电安全技术技术化学工业出版社供电系统概述电能是现代工业生产的主要动力，一般工业企业消耗的电能占其总能源消耗的90%左右，因此合理安排供配电及安全用电是十分重要的，本章将简要介绍电力供电系统及用电安全技术。6.1供电系统概述发电厂按照所利用的能源种类分为水力、火力、风力、核能、太阳能、沼气等几种。现在世界各国建造最多的主要是水力和火力发电厂，近年来,核电站和风力发电站的发展也很快。大中型发电厂大多建在产煤地区或水力资源丰富的地区附近，距离用电地区往往是几十、几百甚至上千公里，为了减少6.1供电系统概述输电线路上的损耗，电能从发电厂经高压输电线输送至用电地区，然后在降压分配给各用户。目前,我国交流输电有10kV、35kV、220kV、330kV、500kV等几个等级，送电距离越远，要求输电线的电压越高。一、供电系统的组成一个供电系统，通常包括一次电路和二次电路两部分组成。一次电路又称主结线路，用来传输、分配和控制电能，通常包括有电力降压变压器、各种主开关电器、母线和电力传输线等;二次线路则是辅助性线路，用来测量和监视用电情况，以及保护和控制主电路电器工作。6.1供电系统概述C380/220VQ36～10kV高压母线高压干线低压母线低压干线配电室（所）低压用电设备Q2Q1电网进线35～110kVM～M～供电系统的具体结构形式要根据用电负荷的大小、负荷等级等具体情况而定。以主结线路为例，对于大型用电企业，采用的是电网35～110kV的进线方式，因此，在企业中常设立二级降压方案,见右图.6.1供电系统概述由设置在总降压变电所的电力变压器，将35～110kV的电压降至6～10kV的电压等级，通过高压母线和高压干线，传送到下一级的各变电所，由电力变压器变换成380/220V电压，再经过低压母线和干线传送到配电室或配电柜上，分配给具体的用电设备。上页图中的Q1、Q2、Q3是不同电压等级的隔离开关，在各条干线上还有各种负荷开关、自动开关等，图中没有画出。企业中如有高压电动机或高压电力电容器，可通过高压干线直接接在高压母线上。对于中小型用电企事业单位，进线电压一般是6～10kV，6.1供电系统概述因此只设一级变电所，高一级的变电所由供电部门统一设置和管理。通常，为了供电的可靠性，可以用来自不同的高一级的变电所提供6～10kV的电源进线，用隔离开关并联连接后送到电力变压器的输入端。对于小型用电单位，一般只设一个简单的降压变电所。而用电量在100kW以下的单位，供电部门采用380/220V低压供电方法，因此用户只需设置一个低压配电室。二、企业变配电所及一次系统变电所的任务是接受电能、变换电压；而配电所的任务是接受电能和分配电能。两者的区别主要是有无电力变压器。6.1供电系统概述在供电系统中，把1kV以下的电压称为低压，1kV以上的电压称为高压。因此，对末一级电力变压器给出的380/220V的低压电实行再分配、控制的集中场所叫做低压配电所或配电室。习惯上人们把从电网进线到低压配电室为止的供电主结线路称为一次系统，有时也包括配电室中的主要大容量负荷的赔电线路，主结线路形式的典型配置如下。1.单回路供电方式下页图所示是只有一路电源进线，一台降压变压器和一段低压母线的主结线路，它是最简单也是最基本的，适用于具有二、三类负荷性质的中小型企事业单位的供电系统。6.1供电系统概述单回路供电系统的典型配置4321987653101—跌落式熔断器；2—高压电缆线；2—高压隔离开关；4—高压断路器；5—变压器；6—低压断路器；7—低压隔离开关；8—低压母线；9—低压断路器；10—避雷针2.双回路供电方式当具有两路电源进线，至少有两台降压变压器时，可以在两路之间的相同电压等级点上用隔离开关或用断路器搭“桥”。P4图所示的隔离开关Q1、Q2、Q3即为跨接的桥路，桥式连接方式比两路独立的单母线分段接线简化，可以节省一些电路器件，而且当有故障时切换也比较灵活。6.1供电系统概述除上述两种基本的主结线路以外，对于大型企业供电系统，还可采用双母线方式、多回路供电方式等等。但不论什么接线方式，其共同之处在于都是由变压器为核心的高压侧开关电路和低压侧开关电路所构成。三、低压配电系统低压配电屏集中安装在配电室或大型车间、企事业单位内。从低压配电屏的输出用电缆或电线接到各用电设备端所构成的线路称为低压配电系统，低压配电线路的联接方式有以下几种。1.放射式配电线路6.1供电系统概述右图为低压放射式配电线路。它的特点是发生故障时互不影响，供电的可靠性高。但一般情况下，导线消耗量较大，所需的开关控制设备也较多，故而投资较高。这种配电方式多用于对供电可靠性要求较高，特别是用于负载点比较分散而各个负载点又有相当大的集中负载的场合。380/220V6～10kV6.1供电系统概述2.树干式配电线路右图为低压树干式配电线路。它的特点是采用的开关设备少，一般情况下导线的消耗量也较少，系统灵活性好。但干线发生故障时，影响范围大，故供电可靠性较低。它比较适用于供电容量小而负载分布较均匀的场合。380/220V6～10kV6.1供电系统概述3.环形配电线路380/220V6～10kV380/220V6～10kV上图分别为两台和一台变压器供电的低压环形配电线路。6.1供电系统概述一个企业的全部变压器的低压侧都可以通过低压联络线相互接成环形。环形供电方式可靠，任一段线路发生故障或检修时，都不致造成供电中断，或者只是暂时中断，只要完成切换电源的操作，就能恢复供电。环形配电线路的另一优点时损耗和电压损失减少，既节约电能，又容易保证电压质量，但它的保护装置及其整定配合相当复杂，如配合不当，容易发生误动作，反而扩大故障停电范围。6.2安全用电一、电流对人体的伤害人触及带电物体时将有电流流过人体，从而造成对人体的伤害。电流对人身的伤害程度与电流在人体内流经的途径、持续的时间，电流的频率以及人体健康等因素有关。实验表明，25～300Hz的交流电对人体的伤害最为严重。在工频电流作用下，一般成年男子身上通过的电流超过1.1mA以上就有感觉；成年女子对0.7mA的电流就有感觉。人触电后能够自主摆脱电源的最大电流值：男性约10mA，女性约6mA。通过人体的电流超过30mA，通电时间超过数秒到数分钟，心脏跳动就会不规则，血压升高并伴有强烈痉挛或昏迷，时间6.2安全用电再长会引起心室颤动；电流若超过100mA，心脏将停止跳动导致死亡。在中国一般认为，30mA是人可以忍受的极限电流值，并规定为“安全电流”的数值。人体触电时，致命的因素是通过人体的电流，而不是电压,但当电阻一定时，触及的带电体的电压越高，通过人体的电流就越大，危险性也就越大，安全电压决定于人体允许的电流和人体电阻值。影响人体电阻阻值的因素是很复杂的，在皮肤干燥的情况下，人体的电阻相当大，可达104～105Ω，但皮肤潮湿、出汗、外伤使皮肤角质破坏后，人体电阻就会显著下降到6.2安全用电800～1000Ω。一般情况下,人体电阻可按1000～2000Ω考虑,若安全电流按30mA计算,则作用在人体上允许的电压值为几十伏。所以我国规定的安全电压等级为12V,24V,36V三种。二、常见的触电方式当直接触及带电部位，或接触设备正常不应带电的部位，但由于绝缘损坏出现漏电而产生触电时，都会有电流流过人体，造成一定的伤害，常见的触电方式有以下几种。1.单相触电是指人体触及三相四线制电源中的一根相线。其危险程度与电源中点是否接地有关。6.2安全用电在电源中点接地的情况下，人体上作用着三相电源的相电压，如下图所示。这时，通过人体的电流为PrrUIRIr人体电阻Rr的大小不仅与人体本身有关也与环境有关，在脚与地面接触良好（垫有橡皮绝缘垫或穿绝缘鞋）时，电阻就很大，这时通过人体的电流就很小。相反，若赤脚着地，电阻Rr就很小，这将是很危险的，因此，绝对禁止赤脚站在地面上接触电气设备。6.2安全用电当三相电源的中点不接地时，如右图所示。乍看起来，似乎电源中性点不接地时，不能构成电流通过人体的回路。其实不然，此时，通过人体的电流经大地及由输电线对地绝缘电阻Rj和对地电容Cj构成的阻抗Zj形成回路。通过人体的电流与阻抗Zj有关。当输电线绝缘情况良好（Rj很高）且输电线路较短（Cj较小）时，阻抗Zj较高，人体触电后的危险性较小，相反，若输电线路很长（Cj较大）时，阻抗Zj下降，这时触电将是很危险的。RjCj6.2安全用电2.两相触电两相触电是指人体同时触及三相电源的两根线，如右下图所示。此时人体上作用着电源的线电压，这是很危险的一种触电情况。3.接触正常不带电的金属体触电的另一种情形是接触电气设备正常不应带电的部分，譬如，电机的外壳本来是不带电的，由于绕组绝缘损坏而与外壳相接触，使它也带电。人6.2安全用电手触及带电的电机（或其他电气设备）外客，相当于单相触电，大多数触电事故属于这一种。为了防止这种触电事故，对电气设备常采用保护接地和保护接零（接中性线）技术。三、接地和接零电气接地和接零技术是防止人身触电及限制事故范围的有效措施。接地与接零的种类很多，按其不同的作用，主要可分为工作接地、保护接地和保护接零三种。1.工作接地三相四线制380/220V低压电网的中线（零线）在变电所都是连同变压器的外壳做成直接接地，称为工作接地，如下6.2安全用电图所示。图中的接地体是埋入地中并且直接与大地接触的金属导体(通常接地体为钢管或角铁,接地电阻不允许超过4Ω)。工作接地有以下作用。（1）降低触电电压在中性点不接地的系统中，当一相因故接地而人体触及另外两相之一时，触电电压为线电压380V；而在中性点接地的系统中，触电电压就就降低到相电压220V。零线低压侧高压侧6.2安全用电（2）迅速切断故障设备在中性点不接地的系统中，当一相接地时，接地电流很小（导线和地面间存在电容和绝缘电阻），不足以使保护装置动作而切断电源，接地故障不易被发现，将长时间持续下去，对人身不安全。而在中性点接地的系统中，一相接地后的接地电流较大（接近单相短路），保护装置迅速动作，断开故障点。（3）降低电气设备对地的绝缘水平在中性点不接地的系统中，一相接地时将使另外一相的对地电压升高到线电压。而在中性点接地的系统中，则接近于相电压，故可降低对电气设备和输电线绝缘水平的要求，节省投资。6.2安全用电2.保护接地电气设备的金属外壳等，由于绝缘损坏有可能带电，为了防止这种带电后的电压危及人身安全而设置的接地称为保护接地，如下图所示，它适用于中性点不接地的低压系统中。下面分两种情况来讨论。I0IrR0Rj低压侧高压侧（1）当电气设备运行正常时，不带电的金属外壳或框架漏电而外壳未接地时，人体触及外壳，相当于单相触电，这时，流经人体6.2安全用电的电流Ir的大小，决定于人体电阻Rr和绝缘电阻Rj，当系统的绝缘性能下降时，就有触电的危险。（2）当电气设备出现漏电而外壳接地时，人体触及外壳时，由于人体电阻Rr和接地电阻R0并联，通常RrR0，所以通过人体的电流很小，不会有危险。3.保护接零保护接零就是将电气设备的金属外壳接到零线（中性线）上，如下页图所示，它适用于中性点接地的低压系统中。当电动机外壳接零后，如果电机绝缘损坏而与外壳相接时，就形成单相短路，迅速将该相中的熔丝熔断，从而使设6.2安全用电备与电源断开，消除触电危险，下面讨论相关的两个问题。（1）为什么中性点接地的系统中不采用保护接地呢？IeIr低压侧高压侧6.2安全用电因为采用保护接地时，当电气设备的绝缘损坏时，接地电流Pe00UIRR'式中，UP为系统的相电压，R0和R′0分别为保护接地和工作接地的接地电阻。如果系统系统电压为380/220V，R0=R′0=4Ω，则接地电流e22027.5A44I为了保证保护装置能可靠地动作，接地电流不应小于继电保护装置动作电流的1.5倍或熔丝额定电流的3倍。因此，27.5A6.2安全用电的接地电流只能保证断开动作电流不超过27.5/1.5=18.3A的继电保护装置或额定电