第1章　電工常識入門

1.1　電能的產生、輸送和分配

電能是人類生產和生活中不可缺少的能源。從發電廠到電力用戶中，各類電動機和變壓器成為電能產生、輸送、分配等環節能量轉換的必要設備。簡單的電力系統示意圖如圖1-1所示。

1.1.1　電能的產生

電能是由煤炭、石油、水力、核能、太陽能和風能等一次能源通過各種轉換裝置而獲得的二次能源。目前，世界各國電能的生產主要以火力發電、水力發電、原子能發電三種方式為主。

（1）火力發電

火力發電的基本生產過程是利用煤粉、石油、天然氣等燃料在鍋爐中燃燒，將其熱量釋放出來傳給鍋爐中的水，從而產生高溫、高壓蒸氣；蒸氣通過汽輪機又將熱能轉化為旋轉動力，以驅動發電機輸出電能。

火力發電的優點是建廠速度快，投資成本相對較低。缺點是消耗大量的燃料，發電成本較高，對環境污染較為嚴重。隨著計算機應用的日益擴大，特別是微機及微處理器的快速發展，現代火電廠的自動化已實現以小型機、微機和微處理器為基礎的分層綜合控制方式。目前我國及世界上絕大多數國家仍以火力發電為主。

（2）水力發電

水力發電是通過水庫或筑壩截流的方式來提高水位，利用水流的落差及流量去推動水輪機旋轉并帶動同步發電機發電，即利用水流的勢能來發電。

水力發電的優點是發電成本低，不存在環境污染問題，并可以實現水利的綜合利用。缺點是一次性投資大，建站時間長，而且受自然條件的影響較大。我國水力資源豐富，開發潛力很大，特別是長江三峽水利工程的建設成功，使我國水力發電量得到大幅度的提高。

（3）核能發電

又稱原子能發電，它是利用核燃料在反應堆中的裂變反應所產生的巨大能量來加熱水，使之成為高溫、高壓蒸汽，再用蒸汽推動汽輪機旋轉并帶動同步發電機發電。

核能發電消耗的燃料少，發電成本較低，但建站難度大、投資高、周期長。全世界目前核能發電量約占總發電量的20％，發展核能將成為必然趨勢。

（4）新能源發電

新能源主要指太陽能、風能、地熱能、海洋能、生物質能等，它們都是清潔能源，不污染環境，有很好的開發前景。圖1-2（a）為太陽能發電的做功流程圖，圖中通過太陽能板吸收光能，將其轉化為電能，再用并網逆變器把電能送入電網。光伏并網發電是光伏電源的發展方向，它代表了21世紀最具吸引力的能源利用技術。

①太陽能發電。太陽能發電系統由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。各部分的作用如下。

a.太陽能電池板。太陽能電池板是太陽能發電系統中的核心部分，也是太陽能發電系統中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能量轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。

b.太陽能控制器。太陽能控制器的作用是控制整個系統的工作狀態，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償的功能。

c.蓄電池。一般使用鉛酸電池，在小型、微型系統中也有使用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池的。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。

d.逆變器。太陽能的直接輸出一般都是12V DC、24V DC、48V DC。為能向交流220V的電器提供電能，需要將太陽能發電系統所發出的直流電能轉換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。

②風力發電。風力發電是一種將風能轉化為機械能，由機械能再轉化為電能的技術。我國風能資源豐富，居世界首位，具有大規模發展的潛力。如圖1-3所示為風力發電示意圖。

1.1.2　電能的輸送

發電站一般都建在遠離城市的能源產地或水陸運輸比較方便的地方，因此發電站發出的電能必須要用輸電線進行遠距離的輸送，以供給電能消費場所使用。為了增大供電的可靠性，提高供電質量和均衡供、用電的需求，目前世界各國都將本國或一個大地區的各發電站并入一個強大的電網，構成一個集中管理、統一調度的大電力系統（電力網）。

目前，世界各國都采用高壓輸電，并不斷地由高壓（110～220kV）向超高壓（330～750kV）和特高壓（750kV以上）升級。我國目前高壓輸電的電壓等級有110kV、220kV、330kV、500kV、750kV等多種。由于發電機本身結構及絕緣材料的限制，不可能直接產生這樣高的電壓，因此在輸電時首先必須通過升壓變壓器將電壓升高。

高壓電能輸送到用電區后，為了保證用電安全并合乎用電設備的電壓等級要求，還必須通過各級降壓變電站，將電壓降至合適的數值。例如，工廠輸電線路，高壓為35kV或10kV，低壓為380V和220V。

1.1.3　電能的分配

當高壓電送到工廠以后，由工廠的變、配電站進行變電和配電。變電是指變換電壓的等級，配電是指電力的分配。大、中型工廠都有自己的變電站、配電站。

在配電過程中，通常把動力用電和照明用電分別配電，即把各動力配電線路和照明配電線路分開，這樣可以縮小局部故障帶來的影響。

2015年，我國全社會用電量55500億千瓦時。其中，第一產業用電量1020億千瓦時；第二產業用電量40046億千瓦時；第三產業用電量7158億千瓦時；城鄉居民生活用電量7276億千瓦時。

1.1.4　電力負荷的分類

供電部門在向用戶供電時，將根據用戶負荷的重要性、用電的需求量及供電條件等諸多因素，確定供電的方式，以保證供電質量。電力負荷通常分為以下三級。

①一級負荷。指停電時可能引起人身傷亡、設備損壞、產生嚴重事故或混亂的場所，如大型醫院、地鐵、機場、鐵路運輸、政府重要機關部門等，它們一般采用兩個獨立的電源系統供電。

②二級負荷。指停電時將產生大量廢品、減產或造成公共場所秩序嚴重混亂的部門，如煉鋼廠、化工廠、大城市熱鬧場所等，它們一般有兩路電源線進行供電。

③三級負荷。指不屬于上述一、二級電力負荷的用戶，其供電方式為單路。