供电技术 第5版 同向前余健明苏文成编 2018年版.pdf

普通高等教育“十一五”国家级规划教材普通高等教育电气工程与自动化类“十三五”规划教材供 电 技 术第 5 版同向前 余健明 苏文成 等编机 械 工 业 出 版 社本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材，是在 供电技术（第 4 版）的基础上修订编写的。本版根据电工电能技术的发展、产品的更新、新标准的制定，阐明了供用电工程设计的基本原理和计算方法，对电能质量问题及其新型补偿设备做了较前版更为全面和深入的讨论，同时论述了近年来新兴的用户电力新技术。全书共分八章，包括用户供电系统设计，供电系统的短路电流计算、保护与自动装置、保护接地与防雷、电能质量、经济运行、用户电力新技术等。本书可作为高等院校电气工程与自动化专业的教材，也可供从事供用电系统设计、供用电设备开发、供用电系统运行与维护的工程技术人员参考。图书在版编目（CIP）数据 供电技术（2018.9重印）/同向前等编.5 版.北京：机械工业出版社，2017.10普通高等教育“十一五”国家级规划教材普通高等教育电气工程与自动化类“十三五”规划教材ISBN 978-7-111-58025-6.供.同.供电-技术-高等学校-教材.TM72中国版本图书馆 CIP 数据核字（2017）第 227980 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：王雅新 责任编辑：王雅新 张珂玲 王小东责任校对：郑 婕 封面设计：马精明责任印制：李 昂河北鹏盛贤印刷有限公司印刷2018 年 9 月第 5 版第 2 次印刷184mm260mm15.5 印张374 千字标准书号：ISBN 978-7-111-58025-6定价：38.00 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务服务咨询热线：010-88379833读者购书热线：010-88379649封面无防伪标均为盗版网络服务机 工 官 网：机 工 官 博： 4 版）出版已有十年。十年来，电网升压、增容、设备更新、直流输电和新能源发电等措施的综合运用，使得电力工业规模得到较大发展，电能短缺和供电紧张的情况基本得到缓解。与此同时，用户供电系统中的新兴电力技术得到长足发展，新设备、新技术不断涌现，尤其是电能质量标准进一步完善，基于电力电子技术的电能质量控制技术与分布式可再生能源发电技术已趋于成熟，及时反映供用电领域的这些新成果是本书修订再版的主要动因。掌握供电系统的基本设计方法和内容，对从事电气系统的设计施工、技术改造和运行维护都是必要的。此外，在维护供电系统安全可靠运行的前提下，如何改善供电系统的电能质量，如何降低供电网络的电能损耗，如何提高终端用电的能效水平，是用户电气工程师需要进一步关注的用电问题。本书内容分为三大部分。前五章为基础部分，以供电系统的设计为导向，内容涵盖基本概念、系统设计、短路计算、保护配置、设备选型到安全接地，内容安排并不局限于已有的设计规范，重在阐明电气设计计算的方法、原理、原则与应用条件。第六章和第七章为提高部分，着重于用户供电系统在运行过程中的电能质量和经济性，系统地阐述了电能质量的基本概念、评价指标、评估方法及其改善措施，分析了影响电网经济性的因素与节电增效途径。第八章为新技术展望部分，概括性地介绍了电压源变流器技术及其在供电系统中的应用，主要有电能质量控制新技术、分布式电源技术和微电网技术。本书是在 供电技术（第 4 版）的基础上修订增补而成的。修订方案和内容由西安理工大学同向前教授、余健明教授和苏文成教授共同讨论，余健明统阅全书初稿，同向前负责最终统稿。其中，第一、二、三、六章由同向前修订，第四章由段建东修订，第五章由同向前和倪峰修订，新增补的第七、八章由同向前、黄晶晶、王倩、王海燕共同编写。在本书的编写过程中，参考了国内外专家、学者编撰的论著、教材、标准和手册，中国兵器西北工业集团公司黄晴明高级工程师对修订工作提出了宝贵意见，在此一并表示衷心的感谢。电气工程是当今世界快速发展的工程技术领域之一，供用电设备与技术日新月异，作者对新技术的理解有限，在编撰中难免存在偏差和不足，恳请广大读者指正。作 者本书常用字符表一、电气设备的文字符号文字符号中文含义文字符号中文含义APD备用电源自动投入装置APF有源电力滤波器ARD自动重合闸装置ATSE自动转换开关电器B母线汇流排C电容器DG分布式发电装置DES分布式储能装置DVR动态电压恢复器F避雷器FC固定电容器FU熔断器FR热继电器温度继电器G发电机电源HL指示灯信号灯K继电器KA电流继电器KG气体继电器KL闭锁继电器KM中间继电器接触器KO合闸接触器KS信号继电器KT时间继电器KV电压继电器L电感或电抗器M电动机MCR磁控电抗器N中性线或中性导体PA电流表PE保护线或保护导体PEN保护中性线或保护中性导体PJ电能表PV电压表PWM脉冲宽度调制Q开关低压断路器QF断路器QK刀开关QL负荷开关QS隔离开关R电阻SA控制开关选择开关SB按钮SPD电涌保护器SVC静止无功补偿器SVG静止无功发生器T变压器TA电流互感器TAN零序电流互感器TCR晶闸管控制电抗器TSC晶闸管投切电容器TV电压互感器U变流器整流器V晶体管晶闸管VD二极管VSC电压源变流器XB连接片YR跳闸线圈（脱扣器）YO合闸线圈二、物理量下角标的文字符号文字符号中文含义文字符号中文含义a年a有功，有效附加的al允许av平均c计算d需要ql，ph平衡dql，bp不平衡e，et设备eq等效的re返回S系统sh冲击st起动sp跨步T变压器t时间TA电流互感器tou人体接触TV电压互感器k短路LR电感、电抗器L负荷l导线，线路M电动机N额定，标称op动作，整定rl实际的温度0零，空，每（单位）起始的，周围的，环境的，零序l基波h，H谐波+正序，增量-负序前言第一章 绪论1 第一节 电力系统的基本概念1 第二节 用户供电系统的特点和决定供电质量的主要指标6 第三节 课程主要内容及其关系7 习题与思考题7第二章 用户供电系统的设计9 第一节 电力负荷与负荷计算9 第二节 供电电压与电源的选择20 第三节 用户变电所及其主要电气设备25 第四节 用户变电所的电气主接线31 第五节 变电所的二次接线与操作电源38 第六节 高低压配电网及导线截面积选择44 第七节 供电系统的方案比较53 习题与思考题54第三章 供电系统的短路电流计算56 第一节 短路的基本概念56 第二节 无限大容量电源系统供电时短路过程的分析57 第三节 无限大容量电源条件下短路电流的计算60 第四节 低压配电网中短路电流的计算65 第五节 不对称短路电流的分析计算方法67 第六节 感应电动机对短路电流的影响72 第七节 电气设备的选择及校验73 习题与思考题81第四章 供电系统的继电保护与自动装置83 第一节 继电保护的基本概念83 第二节 单端供电网络的保护87 第三节 电力变压器的保护99 第四节 低压配电系统的保护106 第五节 供电系统的微机保护112 第六节 自动重合闸装置120 第七节 备用电源自动投入装置123 习题与思考题125第五章 供电系统的保护接地与防雷128 第一节 供电系统的保护接地128 第二节 供电系统的防雷保护138 习题与思考题145第六章 供电系统的电能质量146 第一节 电能质量的基本概念146 第二节 电压偏差及其调节148 第三节 电压波动和闪变152 第四节 电压暂降与短时中断161 第五节 电力谐波166 第六节 供电系统的三相不平衡178 习题与思考题183第七章 供电系统的经济运行185 第一节 供电系统的电能损耗与节约185 第二节 用电负荷特性对电网电能损耗的影响188 第三节 用电负荷的优化调整191 第四节 用户供电系统的无功功率补偿195 习题与思考题199第八章 用户电力新技术201 第一节 基于电压源变流器的电能质量控制技术201 第二节 分布式电源技术215 第三节 微电网技术225 习题与思考题229附录230参考文献240 电能属于二次能源，与煤炭、天然气、石油、风力、太阳能等一次能源相比，具有易于转化、输配简单、使用方便、洁净、调控精准等优点，电能早已成为当前工农业生产和人民生活所用的不可或缺的主要能源。如何保证供电的可靠、安全、经济、高质量，以满足工农业生产与人民生活的需要，如何高效合理地使用电能，是电力科技工作者的长期而艰巨的任务。第一节 电力系统的基本概念一、电力系统的构成与发展如图 1-1 所示，电力系统由各种不同类型的电源、输电网、配电网及电力用户组成。它们分别完成电能的生产、输送、分配及使用。图 1-1 电力系统示意图在目前的电力系统中，主要的发电厂为以煤、石油和天然气作为燃料的火力发电厂、利用水力发电的水力发电厂和利用核能发电的原子能发电厂。近年来，在节能减排要求的推动下，随着电力科技的进步，可再生能源发电发展迅速，发电比重逐年上升，百兆1瓦级风电场和光伏电站已有一定规模，以光伏发电为主并接入到配电网的分布式电源亦在高速增长。输电网络的作用是将各个发电厂通过高压（如 220kV、330kV、500kV 甚至 1000kV）线路相互连接，使所有同步发电机之间并列运行，并同时将发电厂发出的电能送到各个负荷中心。由于每条线路输送功率大小以及传输距离不同，在同一个输电网络中可能存在几种不同等级的电压，这就要求在输电网络中采用各种不同容量的升、降压变电站。电能传输的方式有交流输电和直流输电两种形式，各有优势和适应的场合。交流输电简单经济、电压变换简易，但是存在大容量长距离输电的稳定性问题和线路分布电容造成的电压升高问题。因此，在大容量超长距离输电和跨海电缆输电的情况下，高压直流输电更具优势。配电网是影响电力用户供电可靠性和电能质量的关键环节之一。如何在复杂的配电网发生故障时能够及时切除故障以保护配电设备的安全，如何在配电网故障切除后能够自动恢复尽量多的健全区域的供电，如何在配电网故障切除后能够尽量快速地自动恢复供电，如何在主供电源故障后还能保障重要设备不断电，这些都是配电网的网架结构设计和配电自动化系统研发的目标，也是未来自愈配电网的发展方向。电力用户包括工业、农业、交通运输等国民经济各个部门以及市政和人民生活用电等，不同的用电负荷对供电可靠性的要求不同，供配电方式亦不同。用户是电力系统的终端，提高用电设备的电能利用率也是节约电能的一种重要举措。随着包括储能在内的分布式电源的发展，用户也可以参与到发电和电网的调峰中来，优化电网的能源结构和运行效率。随着对用电量和供电质量要求的不断提高，电力系统规模日益扩大。组成大型统一的电力系统的优点有：1）发电量不受地方负荷的限制，可以增大单台机组容量，充分利用地方自然资源，提高发电效率，降低电能成本。2）充分利用各类发电厂一次能源的特点，合理分配发电功率，使系统保持在最经济的条件下运行。3）在减少备用机组的情况下，能提高对用户供电的可靠性。随着电力系统的发展，大型电力系统的安全性和抗灾性日益受到关注，一旦系统受到自然灾害（地震、冰雪）或人为灾害（战争等）的冲击，大范围失电带来的经济损失和社会影响将不可估量。因此，随着可再生分布式电源的发展，具有与大电网可合可分特点的微电网应运而生，成为电力系统互补发展的新趋势。二、电网的额定电压电网的额定电压是分等级的，电压等级是根据国民经济发展的需要、技术经济的合理性以及电气设备的制造水平等因素，经全面分析论证，由国家统一制定和颁布的。我国目前公布的交流电网标准额定电压如表 1-1 所示。电气设备的额定电压等级与电网额定电压等级相一致。根据电气设备在系统中的作用和位置，电气设备的额定电压简述如下。1.用电设备的额定电压用电设备的额定电压是设备最经济合理的工作电压，它应与电网的额定电压一致。实际2表 1-1 我国交流电网和电气设备的额定电压电网和用电设备额定电压发电机额定电压电力变压器额定电压一次绕组二次绕组低压/V220/127380/220660/380230400690220/127380/220660/380230/133400/230690/4