第1章 电工常识入门
1.1 电能的产生、输送和分配
电能是人类生产和生活中不可缺少的能源。从发电厂到电力用户中，各类电动机和变压器成为电能产生、输送、分配等环节能量转换的必要设备。简单的电力系统示意图如图1-1所示。
图1-1 简单的电力系统示意图
1.1.1 电能的产生
电能是由煤炭、石油、水力、核能、太阳能和风能等一次能源通过各种转换装置而获得的二次能源。目前，世界各国电能的生产主要以火力发电、水力发电、原子能发电三种方式为主。
（1）火力发电
火力发电的基本生产过程是利用煤粉、石油、天然气等燃料在锅炉中燃烧，将其热量释放出来传给锅炉中的水，从而产生高温、高压蒸气；蒸气通过汽轮机又将热能转化为旋转动力，以驱动发电机输出电能。
火力发电的优点是建厂速度快，投资成本相对较低。缺点是消耗大量的燃料，发电成本较高，对环境污染较为严重。随着计算机应用的日益扩大，特别是微机及微处理器的快速发展，现代火电厂的自动化已实现以小型机、微机和微处理器为基础的分层综合控制方式。目前我国及世界上绝大多数国家仍以火力发电为主。
（2）水力发电
水力发电是通过水库或筑坝截流的方式来提高水位，利用水流的落差及流量去推动水轮机旋转并带动同步发电机发电，即利用水流的势能来发电。
水力发电的优点是发电成本低，不存在环境污染问题，并可以实现水利的综合利用。缺点是一次性投资大，建站时间长，而且受自然条件的影响较大。我国水力资源丰富，开发潜力很大，特别是长江三峡水利工程的建设成功，使我国水力发电量得到大幅度的提高。
（3）核能发电
又称原子能发电，它是利用核燃料在反应堆中的裂变反应所产生的巨大能量来加热水，使之成为高温、高压蒸汽，再用蒸汽推动汽轮机旋转并带动同步发电机发电。
核能发电消耗的燃料少，发电成本较低，但建站难度大、投资高、周期长。全世界目前核能发电量约占总发电量的20％，发展核能将成为必然趋势。
（4）新能源发电
新能源主要指太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等，它们都是清洁能源，不污染环境，有很好的开发前景。图1-2（a）为太阳能发电的做功流程图，图中通过太阳能板吸收光能，将其转化为电能，再用并网逆变器把电能送入电网。光伏并网发电是光伏电源的发展方向，它代表了21世纪最具吸引力的能源利用技术。
图1-2 太阳能发电示意图
①太阳能发电。太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。各部分的作用如下。
a.太阳能电池板。太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能量转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。
b.太阳能控制器。太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。
c.蓄电池。一般使用铅酸电池，在小型、微型系统中也有使用镍氢电池、镍镉电池或锂电池的。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。
d.逆变器。太阳能的直接输出一般都是12V DC、24V DC、48V DC。为能向交流220V的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。
②风力发电。风力发电是一种将风能转化为机械能，由机械能再转化为电能的技术。我国风能资源丰富，居世界首位，具有大规模发展的潜力。如图1-3所示为风力发电示意图。
图1-3 风力发电示意图
1.1.2 电能的输送
发电站一般都建在远离城市的能源产地或水陆运输比较方便的地方，因此发电站发出的电能必须要用输电线进行远距离的输送，以供给电能消费场所使用。为了增大供电的可靠性，提高供电质量和均衡供、用电的需求，目前世界各国都将本国或一个大地区的各发电站并入一个强大的电网，构成一个集中管理、统一调度的大电力系统（电力网）。
目前，世界各国都采用高压输电，并不断地由高压（110～220kV）向超高压（330～750kV）和特高压（750kV以上）升级。我国目前高压输电的电压等级有110kV、220kV、330kV、500kV、750kV等多种。由于发电机本身结构及绝缘材料的限制，不可能直接产生这样高的电压，因此在输电时首先必须通过升压变压器将电压升高。
高压电能输送到用电区后，为了保证用电安全并合乎用电设备的电压等级要求，还必须通过各级降压变电站，将电压降至合适的数值。例如，工厂输电线路，高压为35kV或10kV，低压为380V和220V。
1.1.3 电能的分配
当高压电送到工厂以后，由工厂的变、配电站进行变电和配电。变电是指变换电压的等级，配电是指电力的分配。大、中型工厂都有自己的变电站、配电站。
在配电过程中，通常把动力用电和照明用电分别配电，即把各动力配电线路和照明配电线路分开，这样可以缩小局部故障带来的影响。
2015年，我国全社会用电量55500亿千瓦时。其中，第一产业用电量1020亿千瓦时；第二产业用电量40046亿千瓦时；第三产业用电量7158亿千瓦时；城乡居民生活用电量7276亿千瓦时。
1.1.4 电力负荷的分类
供电部门在向用户供电时，将根据用户负荷的重要性、用电的需求量及供电条件等诸多因素，确定供电的方式，以保证供电质量。电力负荷通常分为以下三级。
①一级负荷。指停电时可能引起人身伤亡、设备损坏、产生严重事故或混乱的场所，如大型医院、地铁、机场、铁路运输、政府重要机关部门等，它们一般采用两个独立的电源系统供电。
②二级负荷。指停电时将产生大量废品、减产或造成公共场所秩序严重混乱的部门，如炼钢厂、化工厂、大城市热闹场所等，它们一般有两路电源线进行供电。
③三级负荷。指不属于上述一、二级电力负荷的用户，其供电方式为单路。