高职高专轨道交通类新型教材电工与电子技术/张磊

模块1供电与安全用电 随着社会生产力的发展和人们生活水平的提高，电能的生产和应用已成为一个国家工业化发展的重要标志。电力生产的特点是发电、供电、用电同时进行，中间任一环节出现故障都将影响整个电力系统。 1. 知识目标 (1) 了解电能的产生、输送与分配的方式。 (2) 熟悉安全用电、触电急救和电气灭火的相关知识。 (3) 掌握触电急救方法。 2. 能力目标 (1) 能够对电气火灾进行现场急救。 (2) 能够进行口对口人工呼吸。 (3) 能够进行胸外按压。 3. 素质目标 (1) 培养学生利用网络自学的能力。 (2) 在学习过程中培养学生严谨认真的态度、企业经济效率意识、创新和挑战意识。 (3) 能客观、公正地进行自我评价及对小组成员的评价。 1.1电能的产生、输送与分配 由发电厂、变电所、输配电线路和电力用户连接而成的统一整体，称为电力系统，该系统起着电能的生产、输送、分配和消耗的作用。 电能(electrical energy)是指电以各种形式做功的能力(所以有时也叫电功)。日常生活中使用的电能主要来自各种形式能量的转换，包括水能、内能（俗称热能、火力发电）、核能、风能、化学能及光能等。电能也可转换成其他所需能量形式。它可以靠有线或无线的形式作远距离的传输。电能被广泛应用在动力、照明、冶金、化学、纺织、通信、广播等各个领域，是科学技术发展、国民经济飞跃的主要动力。 1. 电能的产生 目前，电能的产生广泛采用火力发电、水力发电、核能发电三种方式。 1) 火力发电 火力发电是利用石油、煤炭、天然气等化石燃料燃烧后发出的热量加热水，使水变成高温高压的蒸气，推动汽轮机产生机械能，带动发电机转动而产生电能。 火力发电建厂快，投资少，但消耗大量燃料，发电成本高，对环境污染严重。目前，我国以火力发电为主。为控制污染，我国已将“洁净煤发电”列为中长期科技发展规划重点。 2) 水力发电 水力发电是利用河流、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处，将其中所含势能转换成水轮机的动能，再以水轮机为原动力，推动发电机产生电能。水力发电经济、无污染，并可以实现水资源综合利用，但投资大，建站速度慢，且受自然条件的影响较大。 我国水力资源丰富，长江三峡水电站工程的落成，使我国的水力发电量得到极大的提高。 3) 核能发电 核能发电是用中子冲击铀235使其原子核裂变，产生巨大的热量和热水，使水变成水蒸气，推动汽轮机并带动发电机发电。 核能发电消耗燃料少，发电成本低，但投资大、周期长、建站要求高。我国现有秦山、大亚湾、岭澳、田湾、宁德、红沿河、阳江等16座核电站，47台机组运行发电，另有13台核电机组在建，核发电能力将逐年增加(统计数据截至2019年12月)。 火力发电、水力发电和核能发电是目前发电的主力军。除此之外，人们还在研究更多地利用各种资源发电的方法，如 风力发电、太阳能发电、海浪发电、地热发电、磁流体发电等，它们都无环境污染，有很好的发展前景。除了在地面建立太阳能发电站外，还拟建立太空发电站。 2. 电能的输送 由于发电厂一般都建在能源产地或交通运输方便的地方，故需用主干输电线长距离输送电能给各用电单位。为提高供电质量、增强用电的可靠性，目前都将一个国家或一个大地区的发电厂、各变电站、输配电线路组成一个电力网，简称电网。电网结构示意图如图11所示。 图11电网结构示意图 从发电站发出的电能，经过升压变压器后，进行远距离输送，到达目的地后，经过降压变压器降压后得到各种等级的电压，供给不同的用电部门和负荷。各发电站和变电所通过联络线相连，组成一个强大的电力网，以保证供电的可靠性。各变电所的任务是升压与降压，集中与分配电能，适当调整电源电压和进行电网的保护，使输出电压基本稳定在额定电压的允许范围内，并确保电网安全运行。 1) 输电 电网都采用高电压、小电流输送电力。根据焦耳—楞次定律(Q=I2Rt)可知，电流通过导体所产生的热量Q，是与通过导体的电流I的平方成正比的。在相同输送功率和输送距离下，因为P=UI，所选用的电压等级越高，线路电流越小，则导线截面和线路中的功率损耗、电能损耗就越小。但是，电压等级越高，线路的绝缘要求也相应提高，杆塔的尺寸也要随导线间及导线对地距离的增加而加大，变电所的变压器和开关设备的造价也要随电压的增高而增加。因此，采用过高的电压不一定恰当，在设计时需根据输电容量和线路投资等综合因素考虑其技术经济指标，决定所选用输电电压等级的高低。一般来说，传输的功率越大，传输距离越远时，选择较高的电压等级比较有利。 近30年，我国主要采用500kV为主的超高压输电网络。为减少输电线路的输电损耗，我国近些年成功破解了特高压(1000kV以上)输电世界难题，目前已建成世界上电压等级高、输送容量大、技术先进的“两交两直”特高压工程。随着特高压输电等先进技术的全面推广应用，电网不仅是传统意义上的电能输送载体，还是功能强大的能源转换、高效配置和互动服务平台。通过这个平台，能够连接大型能源基地和负荷中心，实现电力远距离、大规模、高效率输送，在更大范围内优化能源配置； 能够与互联网、物联网、智能移动终端等相互融合，满足客户多样化的需求，服务智能家居、智能社区、智能交通、智慧城市发展，是我国未来的能源互联网平台。 目前，在我国电力系统中，220kV及以上电压等级多用于大型电力系统的主干线； 110kV多用于中、小型电力系统的主干线及大型电力系统的二次网络； 35kV多用于大型工业企业内部电力网，也广泛用于农村电力网； 10kV是城乡电网较常用的高压配电电压，当负荷中拥有较多的6kV高压用电设备时，也可考虑采用6kV配电方案； 3kV仅限于工业企业内部采用，380/220V多作为工业企业的低压配电电压。 电网的输电线目前一般都采用架空输电，为了不受雷击、风雨、冰雪等气候条件的影响，超高压输电线采用地下电缆输电，一般放在管路和隧道中跨越港湾、海峡、河流等。 2) 变电 变电即变换电网的电压等级。要使不同电压等级的线路联成整个网络，需要通过变电设备统一电压等级来进行衔接。在大型电力系统中，通常设有一个或几个变电中心，称为中心变电站。变电中心的使命是指挥、调度和监视整个电网(或一大区域)的电力运行，进行有效的保护，并有效地控制故障的蔓延，以确保整个电网的运行稳定与安全。 变电分为输电电压的变换和配电电压的变化，前者通常称为变电站，或称为一次变电站，主要是为输电需要进行电压变换，但也兼有变换配电电压的设备； 后者通常称为变配电站(所)，或称为二次变电站，主要是为配电需要而进行电压变换，它将电压为35kV~110kV或6kV~10kV的高电压变换为电压为1kV以下的低电压，作为各种低压电器或装置的电源，并对变电或配电所的电器设备进行控制、测量、指示，保护变电设备的正常运行。变配电站(所)一般只设置变换配电电压的设备； 如果只具备配电功能而无变电设备的，则称为配电站(所)。变电站馈送的电力在到达用户前(或进入用户后)，通常尚需再进行一次电压变换，这级变电是电网中的*后一级变电。 电力从电厂到用户，电压要经过多级变换。经过变电而把电压升高的，称为升压； 把电压降低的，称为降压。用来升压、降压的变压器称为电力变压器。习惯上高压配电线路末端变电的电力变压器，称为配电变压器。 目前，国内外还在开发、研制和应用高压直流输电技术。高压直流输电技术在降低传输线路损耗方面远胜于高压交流输电技术，它能够有效地在几千千米内以及水下长距离输送电力，可实现水力发电厂的远距离电力传输、离岸风电与太阳能并网及不同地区之间点对点的相互连接。 3. 工厂配电 电力的分配简称配电。为配电服务的设备和线路，分为配电设备和配电线路； 配电线路上的电压等级，简称配电电压。工业、企业都有中央变电所和车间变电所(小规模的企业往往只有一个变电所)，中央变电所接收送来的电能，然后分配到各车间，再由车间变电所或配电箱将电能分配给各用电设备。 配电电压的高低，通常决定了用户的分布、用电性质、负载密度和特殊要求等情况。常用的高压配电电压有3kV、6kV和10kV三种，大多数用户是由10kV或6kV高压供电，用电量大的用户，也有需用35kV高压或110kV超高压直接供电的。低压配电电压为380/220V。 1) 电力负荷等级 供电部门根据用电部门的重要性和中断供电时在政治上、经济上、生活上所造成的损失程度，将用电部门分为三级，并对其采用不同的供电方式，以保证供电质量。 (1) 一级负荷： 突然停电将会造成人员伤亡或主要设备将遭受损坏且长期难以修复，或对国民经济带来巨大损失的，如医院、地铁以及政治、军事、交通、通信、经济等部门，称为一级负荷。对一级负荷用户应采用两个独立的电源系统供电。 (2) 二级负荷： 突然停电将会造成较大经济损失，或因处理不当而发生人身和设备事故的部门，如炼钢厂、化工厂、大型商场、重要科研单位等部门，称为二级负荷。对二级负荷用户，一般应采用两路电源线进行供电。 (3) 三级负荷： 除一、二级负荷以外的其他用户，均属于三级负荷。对三级负荷所提供的电力，允许因电力输配电系统出现故障而暂时停电。供电时，一般采用单路电源供电。 2) 低压配电连接方式 企业生产车间的配电，从车间变电所或配电箱到用电设备的线路属于低压配电线路，根据负载的不同，常用放射式和树干式两种连接方式。 (1) 放射式配电。放射式配电如图12(a)所示，对每一个独立负载或一组集中负载都用单独的配电线路供电，适用于负载比较分散而各个负载点又具有相当大的集中负载情况，如水泵(独立负载)或车间照明(集中负载)。放射式配电可靠性高，某一线路的故障不会影响到其他线路，但经济性相对较差。 (2) 树干式配电。树干式配电如图12(b)所示，将每一个独立负载或一组集中负载按其所在位置，依次接到某一个配电干线上，适用于负载集中，同时各个负载点位于变电所或配电箱的同一侧，其间距较短或负载比较均匀地分布在一条线路上。树干式配电的经济性较好，但可靠性和机动性较差，当干线发生故障时，接在干线上的所有设备都要受到影响。 在实际中，经常把这两种方式结合起来运用。 图12常用低压配电方式