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电工学小论文二


本文由沉舟破浪贡献 doc 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT,或下载源文件到本机查看。 供电,配电与安全用电 供电, 物理学院 09 级班 人类社会早已进入了电气化时代,没有电的生活是一个现代人所无法想象 的.电给人带 来了巨大的方便,同时也带了很多困扰.本文将大概介绍供电,配 电以及安全用电的基本知识, 并将展望未来. 一,供电基本知识 发电厂多种多样,按能源分有风力,火力,水力,核能,太阳能等.然而各 种发电厂使用的 发电机几乎都是三相同步发电机, 它由定子和转子两个基本部分 组成.定子,常称为电枢,由 基座,铁心和三相绕组等组成;转子是磁极,有显 极和隐极两种.显极式转子具有突出的磁极, 励磁绕组绕在磁极上,如图 1.1 所 示;隐极式转子呈圆柱形,励磁绕组分布在转子大半个表面 的槽中,如图 1.2 所 示.目前采用半导体励磁系统将交流励磁机(也是一台三项发电机)的三 相电流 经三相半导体整流器变换为直流流入励磁绕组以供励磁之用. 图 1.1 显极式同步发电机的示意图 图 1.2 隐极式同步发电机的示意图 显极式同步发电机结构简单, 但机械强度低, 宜用于低速 (通常 n=1000r/min 以下). 水轮发电机和柴油发电机皆为显极式.隐极式同步发电机制造工艺较为 复杂,但机械强度大, 宜用于高速(n=3000 或 1500r/min).汽轮发电机多为隐 极式. 国产三相同步发电机的电压等级有 400/230V 和 3.15, 6.3,10.5, 13.8, 15.75, 18 及 20kV 等多种.选择合适的极面形状和励磁绕组的布置情况,可使 空气隙中的磁感应强度按正 弦规律分布,于是,当转子由原动机带动,并以顺时 针方向匀速转动时,每项绕组依次切割磁 通产生电动势,则在三相绕组上便可得 到频率相同,幅值相等,相位差 120°的三相对称正弦 电压. 大中型发电厂多建在煤矿或水力资源丰富的地区,距离用电区往往几十千 米,几百千 米,甚至一千千米以上.因此,发电厂生产的电能要通过高压输电线 输送到用电地区,再降压 分配给用户.电能从发电厂输送到用户通过的导线系统 成为电力网. 现常将同一地区的各发 电厂联合起来组成一强大的电力系统, 这样可以提高 各发电厂的设备利用率,合理调配各发 电厂的负载,以提高供电的可靠性和经济 性. 送电距离越远,要求输电线电压就越高.我国国 家标准中规定输电线的额定 电压为 35,110,220,330,500,750kV 等.图 1.3 是输电线路的一例. 除交流输电外,还有直流输电,其结果原理如图 1.4 所示.它能耗小,无线 电干扰小,输电线路 造价较低,但逆变和整流部分较为复杂.从三峡到华东地区 已建有 50×104V 的输电线路. 图 1.3 输电线路的一例 图 1.4 直流输电原理图 二,工业企业配电 输电线末端的变电所将电能分配给各工业企业和城市. 工业企业设有中央变 电所和车 间变电所.中央变电所接受送来的电能,然后分配给各车间,再由车间 变电所或配电箱(配电 屏)将电能分配给各用电设备. 从车间变电所或配电箱 (配电屏)到用电设备的线路属于低压 配电线路,其连接方式主要有放射式和树 干式两种. 放射式配电线路如图 2.1 所示.当负载 点比较分散而各个负载点又具有相当 大的集中负载时,采用这种线路比较合适. 在下列情况 下采用树干式配电线路: (1) 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, 如图 2.2(a)所示. (2)负载比较均匀地分布在一条直线上,如图 2.2(b)所示. 采用 放射式或图 2.2(a)的树干式配电线路时,各组用电设备常通过总配电箱 或分配电箱联接.距 离配电箱较远,但彼此距离很近的小型用电设备宜连成链状 再接到配电箱上,这样可以省导 线.但是,同一链条上的用电设备一般不能超过 三个. 采用图 2.2(b)的树干式配电线路时,

干线一般采用母线槽.它直接从变 电所经开关引到车间,不经配电箱.支线再从干线经出线盒 引到用电设备. 放射式和树干式这两种配电线路现在都被采用.前者供电可靠,但敷设投资 较高.后者可靠性较低,因为一旦干线受损或需要修理时,就会影响同一干线上 的负载;但它 灵活性较大.另外,放射式与树干式比较,前者导线细,但总线路 长,而后者则相反. 图 2.1 放射式配电线路 图 2.2 树干式配电线路 三,安全用电 3.1 电流对人体的伤害 由于不慎触及带电体,产生触电事故,使人体受到不同程度的伤害.根据性 质可分为电击 和电伤两种.电机是指电流通过人体,使内部器官组织受到损伤. 电伤是指在电弧作用下或熔 断丝熔断时,对人体外部的伤害,如烧伤,金属溅伤 等.其伤害程度与下列各种因素有关: 1.人体电阻的大小 人体电阻越大,通过的电流越小,伤害程度越低.当人体角质外层完好且很 干燥时,人体 电阻约为 104~105Ω.当角质外层受损时,则降到 800-1000Ω. 2.电流通过时间的长短 通过时间越长,伤害越严重. 3.电流大小 当通过人体电流超过 0.05A 以上时,就会有生命危险.一般来说,接触 36V 以下电压时,通 过人体电流不会超过 0.05A,故把 36V 电压作为安全电压.潮湿的 场所,安全电压还要规定的 低一些,通常是 24V 和 12V. 4.电流频率 直流和频率为工频 50Hz 左右的交流电对人体伤害最大,而 20kHz 以上的交流 对人体则无 危害,高频电流还可以治疗某种疾病. 此外, 电流对人体的伤害还与电流通过人体的路径以 及与带电体接触的面积 和压力等有关. 3.2.触电方式 1.接触正常带电体 (1)电源中性点接地系统的单相触电.此时人处于相电压之下,危险较大. 如图 3.1. (2) 中性点不接地的单相触电,如图 3.2.由于导线与地面间绝缘可能不良, 甚至有一相接地,当 人体接触带电体时,就会有一定的电流通过人体.在交流的 情况下,导线与地面间存在的电容 也可构成电流的通路. (3)两相触电最为危险,因为人体处于线电压之下,但这种情况不常见. 2.接触正常不带电的金属体 当电机等设备的绕组绝缘损坏而与外壳接触时, 外壳就会由本来不带电转为 带电.这时 若人体触及外壳,就会发相当于单相触电的触电事故.大多数触电事 故都属于这一种. 图 3.1 中性点接地的单向触电 图 3.2 中性点不接地的单相触电 3.3 接地和接零 为了人身安全和电力系统工作的需要,电气设备被要求采取接地措施.可 分为工作接地, 保护接地和保护接零. 图 3.3 工作接地,保护接地和保护接零 1.工作接地 电力系统由于运行和 安全的需要,常将中性点接地,这种接地方式称为工 作接地,见图 3.3.工作接地有以下目的: (1)降低触电电压 在中性点不接地的系统中,当一相接地而人体触及另外两相之一时,触电电 压为相电压

的 3 倍,即为线电压.而中性点接地的系统中,上述情况下触电电压 就会降低到等于或接近 相电压. (2).迅速切断故障设备 中性点不接地的系统中,一相接地时,接地电流很小,不足以使保护装置动 作切断电源, 故障不易发现, 长时间持续对人构成危险. 而中性点接地的系统中, 一相 接地后接地电流很大,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 中性点不接地的系统中,一相接地将使另两相对地电压升高到线电压.而中 性点接地的 系统中,则接近相电压,故可降低电气设备和输电线的绝缘水平,节 省投资. 但中性点不接地 也有好处.第一,一相接地往往是瞬时的,能自动消除,在 中性点不接地的系统中,就不会跳闸 而发生停电事故;第二,一相接地故障可以 允许短时存在,这样,以便寻找故障和修复. 2.保护接地 保护接地就是将电气设备的金属外壳接地, 宜用于中性点不接地的低压系统 中.见图 3.4(a). 图 3.4 (a)保护接地; (b)保护接零 下面分两种情况分析电动机的保护接地. (1) 当电 动机某一绕组绝缘损坏使外壳带电而外壳未接地时, 人体触及外壳, 相当于单相触电.此时 接地电流取决于人体电阻和系统的绝缘电阻.当系统绝缘 性能下降时,就会有触电危险. (2) 当电动机某一绕组绝缘损坏使外壳带电而外壳接地时, 人体触及外壳时, 由于人体电阻 Rb 与接地电阻 R0 并联,而通常 RbR0,故通过人的电流很小无害. 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上, 宜用于中性点接地的低压 系统中.见 图 3.4(b).当电动机某一绕组绝缘损坏而与外壳相接时,就形成单 相短路,迅速将这一相中 的熔丝熔断,因而外壳不再带电,从而起保护作用.这 种保护接零的方式称为 TN-C 系统. 4.保护接零与重复接地 在中性点接地系统中,除采用保护接零外,还要重复接地,就是将零线相隔 一定距离多处 进行接地.如图 3.5 所示.这样可保证零线在断开时的人身安全. 图 3.5 工作接地,保护接零和重复接地 5.工作接零与保护接零 在三相四线制系统中,由于负载往往不对称,零线中有电流,因而零线对地 电压不为零. 为确保设备外壳对地电压为零,专设保护零线 PE,如图 3.6.工作 零线在进建筑物入口处要接 地,进户后另设一保护零线,成为三相五线制.所有 接零设备都要通过三孔插座接到保护零线 上.正常工作时,工作零线中有电流, 保护零线中不应有电流.当绝缘损坏外壳带电时,短路电 流通过保护零线将熔断 器熔断,切断电源,从而消除触电事故.而图 3.6(b)(c)都是不正确 的. 图 3.6 工作零线与保护零线 (a)接零正确(b)接零不正确(c)忽视接零 四,展望未来 超导体具有零电阻效应.临界温度较高的材料称为高温超导体.超导 的新奇特性的发现, 对人类产生了重大意义. 零电阻效应具有无损耗运输电流的性质.如能实现超导化大功率发 电 机,电动机,例如在电力领域,利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强 度提高到 5 万~6 万高斯,并且几乎没有能量损失,这种发电机便是交流 超导发电机.超导发电机的单机发电容 量比常规发电机提高 5~10 倍,达 1 万兆瓦,而体积却减少 1/2,整机重量减轻 1/3,发电效 率提高 50%. 那么其不必要的能耗将大大降低,这在国防,科研,工业上具有极大的意 义. 此 外在受控热核反应装置,回旋加速器等中都具有巨大的应用价值. 超导材料在强电,弱电方面 的应用也具有很大的空间.在强电方面如 高能物理受控热核反应,核磁共振等方面的应用.在

弱电方面,由于约瑟 夫森效应可以得到精确度高的电压值,在电压计量工作中具有重要意义: 超导量子干涉仪(SQUID)的发明也是一个重要的应用,其具有高的磁测 量灵敏度,在磁学中意 义重大. 超导技术将成为 21 世纪的宠儿,而超导材料也将深入千家万户.超 导技术的发展, 应用和普及将会在世界能源方面发挥不朽的作用,将会为 世界每年免去不必要的边缘耗散. 如果能用上超导材料,那每年消耗的能 量将不可估量.如果这些能量被合理地利用起来对人 类的发展不可谓不大, 或者每年为这些能量的耗散而投入的不必要的资金,用于资助那些苦 难的, 急需救助的国家与人民,那意义不可谓不大.超导材料的普及必将是一场 材料大革命, 其意义并不会亚于其他科技革命. 五,问题解答 1.为什么远距离输电要采用高电压? 答:距离越远,输电的导线就需要越长,输电线的阻抗也就越大.发电机的 功率,电压是一 定的,由 P=UIcosψ知,在 P 和 cosψ一定的情况下,U 越高,I 就越小.电流小了,则不仅使 线路电压降减少,而且导线的截面也可以减小,这 样就节约输电设备的投资. 2.在同一供电系统中,为什么不能同时采用保护接地和保护接 零? 答:在同一供电系统中,若同时采用两种保护方法,则当电气设备绝缘损坏 而导致漏电时, 漏电电流往往不足以是熔丝烧断或断电保护装置动作,漏电将长 时间存在,使事故进一步扩大;同时,设备外壳对地电压将达 110V,对人体很 不安全. 3.为什么中性点不接地的系统中不采用保护接零? 答:在中性点不接地的系统中,若将设备外壳接在零线上,则当电气设备发 生单相漏电时, 即使熔丝可能被烧断,但外壳对地仍有一定电压,对人体很不安 全. 4.区别工作接地,保护接地和保护接零.为什么在中性点接地系 统中,除采用保护接地外, 还要采用重复接地? 答: 工作接地:将电源中性点直接接地. 保护接地:在中性点不接地的系统中,将电气设 备外壳接地. 保护接零:在中性点接地的系统中,将电气设备的外壳接到零线上. 在中性点接 地的系统中,若无重复接地,一旦零线断开,则当用电设备漏电 时,很容易发生单相触电事故, 故要采用重复接地,即将零线相隔一定的距离多 处进行接地. 1


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