1.2 工厂供电系统和电力系统概论

1.2.1 工厂供电系统

一般中型工厂的电源进线电压是6～10kV。电能先经高压配电所（high-voltage distribution substation，缩写HDS）集中，再由高压配电线路将电能分送到各车间变电所（shop transformer substation，缩写STS），或由高压配电线路直接供给高压用电设备。车间变电所内装设有配电变压器，将6～10kV的高压降为一般低压用电设备所需的电压如220/380V（220V为相电压，380V为线电压），然后由低压配电线路将电能分送给低压用电设备使用。

图1-1是一个比较典型的中型工厂供电系统简图。该图未绘出各种开关电器（除母线和低压联络线上装设的联络开关外），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1-1可以看出，该厂的高压配电所有两条10kV的电源进线，分别接在高压配电所的两段母线上。这两段母线间装有一个分段隔离开关（又称联络隔离开关）形成所谓“单母线分段制”。在任一条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的闭合，由另一条电源进线恢复对整个配电所特别是其重要负荷的供电。这类接线的配电所通常的运行方式是：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，通常从邻近单位取得备用电源。

图1.1  中型工厂供电系统简图 

图1-1所示高压配电所有四条高压配电线，供电给三个车间变电所。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，其低压侧又采取单母线分段制，因此对重要的低压用电设备可由两段母线交叉供电。各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；另有一条高压配电线，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以提高功率因数用的。

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，一般经两次降压，也就是电源进厂以后，先经总降压变电所，其中装有较大容量的电力变压器，将35kV及以上的电源电压降为6～10kV的配电电压，然后通过高压配电线将电能送到各个车间变电所，也有的中间经高压配电所再送到车间变电所，最后车间变电所经配电变压器降为一般低压用电设备所需的电压。其简图如图1-2所示。

图1-2  具有总降压变电所的工厂供电系统简图

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1-3所示。这种供电方式，称为高压深入负荷中心的直配方式。这种直配方式，可以省去一级中间变压，从而简化了供电系统接线，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。然而这要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，否则不能采用，以确保供电安全。

图1-3  高压深入负荷中心的工厂供电系统简图

对于小型工厂，由于其容量一般不大于1000kVA或稍多，因此通常只设一个降压变电所，将6～10kV降为低压用电设备所需的电压如图1-4所示

图1-4  只设一个降压变电所的小型工厂供电系统简图

a) 装有一台变压器       b）装有两台主变压器

如果工厂所需容量不大于160kVA时，一般采用低压电源进线，直接由公共低压电网供电。因此工厂只需设一个低压配电间，如图1-5所示。

                                  图1-5  低压进线的小型工厂供电系统简图

由以上分析可知，配电所的任务是接受电能和分配电能，不改变电压；而变电所的任务是接受电能、变换电压和分配电能。供电系统中的母线（busbar），又称汇流排，其任务是汇集和分配电能。而工厂供电系统，是指从电源线路进厂起到高低压用电设备进线端止的整个电路系统，包括工厂内的变配电所和所有的高低压供配电线路。

1.2.2 发电厂和电力系统

由于电能的生产、输送、分配和使用的全过程，实际上是在同一瞬间实现的，彼此相互影响，因此我们除了了解工厂供电系统概况外，还需了解工厂供电系统电源方向的发电厂和电力系统的一些基本知识。

(一) 发电厂

发电厂（power plant）又称发电站，是将自然界蕴藏的各种一次能源转换为电能（二次能源）的工厂。

发电厂按其所利用的能源不同，分为水力发电厂、火力发电厂、核能发电厂以及风力发电厂、地热发电厂、太阳能发电厂等类型。

1. 水力发电厂

水力发电厂简称水电厂或水电站，它利用水流的位能来生产电能。当控制水流的闸门打开时，水流沿进水管进入水轮机蜗壳室，冲动水轮机，带动发电机发电。其能量转换过程是：

由于水电站的发电容量与水电站所在地点上下游的水位差（即落差，又称水头）及流过水轮机的水量（即流量）的乘积成正比，所以建造水电站，必须用人工的办法来提高水位。最常用的提高水位的办法，是在河流上建造一道很高的拦河坝，形成水库，提高上游水位，使坝的上下游形成尽可能大的落差，水电站就建在坝的后边。这类水电站，称为坝后式水电站。我国一些大型水电站包括长江三峡水电站就属于这种类型。另一种提高水位的办法，是在具有相当坡度的弯曲河段上游，筑一低坝，拦住河水，然后利用沟渠或隧道，将上游水流直接引至建设在弯曲河段末端的水电站。这类水电站，称为引水式水电站。还有一类水电站，是上述两种方式的综合，由高坝和引水渠道分别提高一部分水位。这类水电站，称为混合式水电站。

水电建设的初投资较大，建设周期较长，但发电成本较低，仅为火电发电成本的1/3～1/4；而且水电属于清洁、可再生的能源，有利于环境保护；同时水电建设，通常还兼有防洪、灌溉、航运、水产养殖和旅游等多项功能。而我国的水力资源十分丰富（特别是我国的西南地区），居世界首位。因此我国确定要大力发展水电，并实施“西电东送”工程，以促进整个国民经济的发展。

2. 火力发电厂

火力发电厂简称火电厂，它利用燃料的化学能来生产电能。我国的火电厂以燃煤为主。为了提高燃煤效率，都将煤块粉碎成煤粉燃烧。煤粉在锅炉的炉膛内充分燃烧，将锅炉内的水烧成高温高压的蒸汽，推动汽轮机带动发电机旋转发电。

现代火电厂一般都根据节能减排和环保要求，考虑了“三废”（废水、废汽、废渣）的综合利用或循环使用。有的不仅发电，而且供热。兼供热能的火电厂，称为热电厂。

火电建设的重点，是煤炭基地的坑口电站。我国一些严重污染环境的低效火电厂，已按节能减排的要求陆续予以关停。我国火电发电量在整个发电量中的比重已逐年降低。

3. 核能发电厂

核能（原子能）发电厂通称核电站，它主要是利用原子核的裂变能来生产电能。其生产过程与火电厂基本相同，只是以核反应堆（俗称原子锅炉）代替燃煤锅炉，以少量的核燃料代替大量的煤炭。

由于核能是巨大的能源，而且核电也是相当安全和清洁的能源，所以世界上很多国家都很重视核电建设，核电在整个发电量中的比重逐年增长。我国在上世纪80年代就确定要适当发展核电，并已陆续兴建了秦山、大亚湾、岭澳等多座大型核电站。

4. 风力发电、地热发电和太阳能发电简介

(1) 风力发电：它建在有丰富风力资源的地方，利用风力的动能来生产电能。风能是一种取之不尽的清洁、价廉和可再生的能源，因此我国确定要大力发展。但是风能的能量密度较小，因此单机容量不可能很大；而且它是一种具有随机性和不稳定性的能源，因此风力发电必须配备一定的蓄电装置，以保证其连续供电。

(2) 地热发电：它建在有足够地热资源的地方，利用地球内部蕴藏的大量地热资源来生产电能。地热发电不消耗燃料，运行费用低。它不象火力发电那样，要排出大量灰尘和烟雾，因此地热还是属于比较清洁的能源。但是地下水和蒸气中大多含有硫化氢、氨和砷等有害物质，因此对其排出的废水要妥善处理，以免污染环境。

由于核能是巨大的能源，而且核电也是相当安全和清洁的能源，所以世界上很多国家都很重视核电建设，核电在整个发电量中的比重逐年增长。我国在上世纪80年代就确定要适当发展核电，并已陆续兴建了秦山、大亚湾、岭澳等多座大型核电站。

4. 风力发电、地热发电和太阳能发电简介

(1) 风力发电：它建在有丰富风力资源的地方，利用风力的动能来生产电能。风能是一种取之不尽的清洁、价廉和可再生的能源，因此我国确定要大力发展。但是风能的能量密度较小，因此单机容量不可能很大；而且它是一种具有随机性和不稳定性的能源，因此风力发电必须配备一定的蓄电装置，以保证其连续供电。

(2) 地热发电：它建在有足够地热资源的地方，利用地球内部蕴藏的大量地热资源来生产电能。地热发电不消耗燃料，运行费用低。它不象火力发电那样，要排出大量灰尘和烟雾，因此地热还是属于比较清洁的能源。但是地下水和蒸气中大多含有硫化氢、氨和砷等有害物质，因此对其排出的废水要妥善处理，以免污染环境。

（二）电力系统

由各级电压的电力线路将一些发电厂、变电所和电力用户联系起来的一个发电、输电、变电、配电和用电的整体，称为电力系统（power system）。图1-6为从发电厂到用户的送电过程，图1-7是一个大型电力系统简图。

图1-6从发电厂到用户的送电过程示意图

图1-7大型电力系统简图

1.1.3 工厂的自备电源简介

对于工厂的重要负荷，一般要求在正常供电电源之外，设置应急自备电源。最常用的自备电源是柴油发电机组。对于重要的计算机系统等，则还须另设不停电电源（亦称不间断电源，uninterrupted power supply，缩写UPS）。

(一) 采用柴油发电机组的自备电源

采用柴油发电机组作应急自备电源具有下列优点：

(1) 柴油发电机组操作简便，启动迅速。当公共电网供电中断时，一般能在10～15s的短时间内启动并接上负荷，这是汽轮发电机组无法作到的。

(2) 柴油发电机组效率较高（其热效率可达30%～40%），功率范围大（从几千瓦至几千千瓦），且体积较小，重量较轻，便于搬运和安装。特别是在高层建筑中，采用体型紧凑的高效柴油发电机组作备用电源是最为合适的。

(3) 柴油发电机组的燃料是柴油，它储存和运输都很方便。这是以煤为燃料的汽轮发电机组所无法相比的。

(4) 柴油发电机组运行可靠，维护方便。作为应急的备用电源。可靠性是非常重要的指标。运行如果不可靠，就谈不上“应急”之需。

柴油发电机组也有运行中噪声和振动较大、过载能力较小等缺点。因此在柴油发电机房的选址和布置上，应该考虑减小其对周围环境的影响，尽量采取减振和消声的措施。在选择机组容量时，应根据应急负荷的要求留有一定的裕量；投运时，应避免过负荷和特大冲击负荷的影响。

柴油发电机组按启动控制方式分，有普通型、自启动型和全自动化型等型。作为应急电源，应选自启动型或全自动化型。自启动型柴油发电机组在公共电网停电时，能自行启动；全自动化型，则不仅在公共电网停电时能自行启动，而且在公共电网恢复供电时能使柴油发电机组自动退出运行。

图1-8是采用快速自启动型柴油发电机组作备用电源的主接线图，正常供电电源为10kV公共电网。

图1-8 采用柴油发电机组作备用电源的主接线图

(二) 采用交流不停电电源的自备电源

交流不停电电源（UPS）主要由整流器（UR）、逆变器（UV）和蓄电池组（GB）等三部分组成，其示意图如图1-9所示。

图1-9 不停电电源（UPS）组成示意图

公共电网正常供电时，交流电源经晶闸管整流器UR转换为直流，对蓄电池组GB充电。当公共电网突然停电时，电子开关QV在保护装置作用下进行切换，使UPS投入工作，蓄电池组GB放电，经逆变器UV转换为交流，恢复对重要负荷的供电。

不停电电源（UPS）较之柴油发电机组，具有体积小、效率高、无噪声、无振动、维护费用低、可靠性高等优点，但其容量相对较小，主要用于电子计算机中心、工业自动控制中心等重要场所。

要求频率和电压质量较高的场合，宜采用高精度的稳频稳压式不停电电源作备用电源。其稳频稳压系统主要是通过逆变器来实现的。稳频工作由逆变器中触发电路的稳频触发系统来实现。当采用晶体振荡器为振荡源组成分频式触发电路时，可使逆变器具有相当稳定的输出频率。而交流输出电压的稳定工作则多从对逆变器进行调制性控制来实现。单脉冲脉宽调制法最为简便实用，因而被广泛应用。