第1章　電工常識入門

1.1　電能的產(chǎn)生、輸送和分配

電能是人類生產(chǎn)和生活中不可缺少的能源。從發(fā)電廠到電力用戶中，各類電動機和變壓器成為電能產(chǎn)生、輸送、分配等環(huán)節(jié)能量轉(zhuǎn)換的必要設(shè)備。簡單的電力系統(tǒng)示意圖如圖1-1所示。

1.1.1　電能的產(chǎn)生

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

（1）火力發(fā)電

火力發(fā)電的基本生產(chǎn)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(chǎn)生高溫、高壓蒸氣；蒸氣通過汽輪機又將熱能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動力，以驅(qū)動發(fā)電機輸出電能。

火力發(fā)電的優(yōu)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(fā)電成本較高，對環(huán)境污染較為嚴(yán)重。隨著計算機應(yīng)用的日益擴大，特別是微機及微處理器的快速發(fā)展，現(xiàn)代火電廠的自動化已實現(xiàn)以小型機、微機和微處理器為基礎(chǔ)的分層綜合控制方式。目前我國及世界上絕大多數(shù)國家仍以火力發(fā)電為主。

（2）水力發(fā)電

水力發(fā)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(zhuǎn)并帶動同步發(fā)電機發(fā)電，即利用水流的勢能來發(fā)電。

水力發(fā)電的優(yōu)點是發(fā)電成本低，不存在環(huán)境污染問題，并可以實現(xiàn)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(fā)潛力很大，特別是長江三峽水利工程的建設(shè)成功，使我國水力發(fā)電量得到大幅度的提高。

（3）核能發(fā)電

又稱原子能發(fā)電，它是利用核燃料在反應(yīng)堆中的裂變反應(yīng)所產(chǎn)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(zhuǎn)并帶動同步發(fā)電機發(fā)電。

核能發(fā)電消耗的燃料少，發(fā)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(fā)電量約占總發(fā)電量的20％，發(fā)展核能將成為必然趨勢。

（4）新能源發(fā)電

新能源主要指太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽堋⑸镔|(zhì)能等，它們都是清潔能源，不污染環(huán)境，有很好的開發(fā)前景。圖1-2（a）為太陽能發(fā)電的做功流程圖，圖中通過太陽能板吸收光能，將其轉(zhuǎn)化為電能，再用并網(wǎng)逆變器把電能送入電網(wǎng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電是光伏電源的發(fā)展方向，它代表了21世紀(jì)最具吸引力的能源利用技術(shù)。

①太陽能發(fā)電。太陽能發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負(fù)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(tǒng)的工作狀態(tài)，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(yīng)具備溫度補償?shù)墓δ堋?/p>

c.蓄電池。一般使用鉛酸電池，在小型、微型系統(tǒng)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(fā)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(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。

②風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，由機械能再轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。我國風(fēng)能資源豐富，居世界首位，具有大規(guī)模發(fā)展的潛力。如圖1-3所示為風(fēng)力發(fā)電示意圖。

1.1.2　電能的輸送

發(fā)電站一般都建在遠離城市的能源產(chǎn)地或水陸運輸比較方便的地方，因此發(fā)電站發(fā)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(zhì)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(qū)的各發(fā)電站并入一個強大的電網(wǎng)，構(gòu)成一個集中管理、統(tǒng)一調(diào)度的大電力系統(tǒng)（電力網(wǎng)）。

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(fā)電機本身結(jié)構(gòu)及絕緣材料的限制，不可能直接產(chǎn)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(qū)后，為了保證用電安全并合乎用電設(shè)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(shù)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(dāng)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(chǎn)業(yè)用電量1020億千瓦時；第二產(chǎn)業(yè)用電量40046億千瓦時；第三產(chǎn)業(yè)用電量7158億千瓦時；城鄉(xiāng)居民生活用電量7276億千瓦時。

1.1.4　電力負(fù)荷的分類

供電部門在向用戶供電時，將根據(jù)用戶負(fù)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(zhì)量。電力負(fù)荷通常分為以下三級。

①一級負(fù)荷。指停電時可能引起人身傷亡、設(shè)備損壞、產(chǎn)生嚴(yán)重事故或混亂的場所，如大型醫(yī)院、地鐵、機場、鐵路運輸、政府重要機關(guān)部門等，它們一般采用兩個獨立的電源系統(tǒng)供電。

②二級負(fù)荷。指停電時將產(chǎn)生大量廢品、減產(chǎn)或造成公共場所秩序嚴(yán)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(fù)荷。指不屬于上述一、二級電力負(fù)荷的用戶，其供電方式為單路。