建筑电气第三章3

3供电与配电系统目录负荷分级与供电要求1电压与电压质量2电力系统中性点运行方式及低压供配电接地形式3供配电线路结构形式4变配电所及其主结线5负荷计算6短路电流计算7上次课内容回顾3.2电压与电压质量3.2.5三相不平衡性1.三相不平衡性概念及其危害电力系统工频交流电的波形会发生畸变。2.电压不平衡度及其允许值3.改善三相不平衡的措施3.2.6电网频率1.频率偏差概念及其危害电力系统工频交流电的波形会发生畸变。2.频率偏差限值与频率调整上次课内容回顾3.3电力系统中性点运行方式及低压供配电接地形式3.3.1电力系统中性点运行方式1.中性点不接地系统正常运行时，大地中没有电流流过。单相接地故障时。非故障对地电压都由相电压升高到线电压，即升高了倍。发生单相接地故障时设备仍能正常运行可能发生绝缘损坏或两相接地短路事故上次课内容回顾3.3电力系统中性点运行方式及低压供配电接地形式3.3.1电力系统中性点运行方式2.中性点经消弧线圈(阻抗)接地系统中性点不接地系统当线路较长、回路多、电网比较庞大时，发生单相接地的接地电流较大，会在接地点形成断续电弧，引起危险的过电压。中性点不接地系统和中性点经消弧线圈(阻抗)接地系统统称为小接地电流系统。上次课内容回顾3.3电力系统中性点运行方式及低压供配电接地形式3.3.1电力系统中性点运行方式3.中性点直接接地(或经低阻抗)接地系统中性点直接接地接地系统通常用于110kV及以上的超高压系统，主要考虑的是绝缘成本。中性点直接接地(或经低阻抗)接地系统又称为大接地电流系统。上次课内容回顾3.3电力系统中性点运行方式及低压供配电接地形式3.3.2低压供配电接地型式按IEC（国际电工委员会）规定，低压配电系统接地制式一般由2个字母组成（必要时可加后续字母）第一个字母表示电源中性点与地的关系（T：直接接地，I：非直接接地）；第二个字母表示设备的外露可导电部分与地的关系（T：独立于电源接地点的直接接地，N：直接与电源接地点或与该点引出的导体相联接）；后续字母表示中性线（N线）和保护线（PE线）之间的关系（C：合并为PEN线，S：分开）因此，低压配电系统，按保护接地形式，分为TN系统、TT系统和IT系统。上次课内容回顾3.3电力系统中性点运行方式及低压供配电接地形式3.3.2低压供配电接地型式

中性线(N线)用于接相电压用电设备，流回单相及三相不平衡电流，减小负载中性点的电位偏移。保护线(PE线)连接正常情况下不带电，但故障下可能会带电的并易被触及的外露可导电部分(例如设备金属外壳、金属构件、构架等)，防止发生触电，以保障人身及设备安全。

保护中性线(PEN线)将中性线(N线)与保护线(PE线)的功能合二为一。PEN线在我国称为“零线”，俗称“地线”。上次课内容回顾3.3电力系统中性点运行方式及低压供配电接地形式3.3.2低压供配电接地型式TN系统1）TN-C系统2）TN-S系统3）TN-C-S系统2.TT系统3.IT系统上次课内容回顾3.4供配电线路结构形式3.4.1放射式结构1.单回路放射式结构2.双回路放射式结构上次课内容回顾3.4供配电线路结构形式3.4.2树干式结构1.单回树干式结构2.双回路放射式结构上次课内容回顾3.5变配电所及其主结线3.5.1变配电所种类

变电所是接受电能、变换电压、分配电能的场所，配电所(配电房)是接受电能、分配电能的场所。在供配电系统中，一般将35kV以上的高压变成10(6)kV中压的变电所称为区域变电所或总降压变电所。

把10(6)kV变成0.4kV的变配电所称为用户变电所，在工业企业中则称为车间变电所。10kV配电站又称开闭所，在城市电网中使用较为普遍。1.单母线不分段结线

在有母线的主结线中，单母线不分段结线是一种最简单的结线方式。它的每条进出线中都应安装断开回路的开关以及保护电器，如图3.15所示。图3.15中断路器QF的作用是带负载切断负荷电流或故障电流并提供保护。隔离开关靠母线侧的称为母线隔离开关，靠近线路侧的称为线路隔离开关。隔离开关QS的作用是隔离电压，以便断路器QF检修。3.5变配电所及其主结线3.5.3有母线主结线单母线不分段结线形式线路简单，使用设备较少。由于是母线制，扩建较为方便。但它的可靠性较差，例如当母线或母线侧隔离开关(或其他开关)发生故障及检修时，就会造成全部负荷停电。

单母线不分段的结线方式也能双电源进线，不过两路电源要分主用和备用，采用自动切换或手动切换，平时只能一路接在母线上。3.5变配电所及其主结线2.带旁路母线的单母线结线图3.16中第一回路断路器QF1需要检修时，为了让该路负荷的工作不受到影响，而设置一个旁路母线，在旁路母线与主母线之间接有隔离开关QS22、QS21和断路器QF2组成的替代回路。在检修QF1时，首先合上隔离开关QS21、QS22及断路器QF2，给旁路母线充电。然后等电位合上QS13。再分别切除断路器QF1，隔离开关QS12和QS11，就可以一方面检修断路器QF1，一方面继续给L1回路供电。检修完毕后，反向操作恢复正常供电。3.5变配电所及其主结线3.单母线分段结线图3.17是单母线分段结线示意图，它的每个母线段接有一个或两个电源，在母线中间用断路器或隔离开关来联络。采用单母线分段式结线，其可靠性高于单母线不分段结线。当某段母线发生故障时，仅停一半负荷。某段母线电源失电，可经过倒闸操作，用母线分段开关维持失电母线上负荷的继续供电。3.5变配电所及其主结线单母线分段式结线的另一个好处是，对重要负荷可从不同的母线段引出回路，对它们进行多电源供电。单母线分段可分出多于两段的母线。GB50053-94规定：6～10kV母线的分段处宜装设断路器，当不需带负荷操作且无继电保护和自动装置要求时，可装设隔离开关或隔离触头。3.5变配电所及其主结线4.双母线结线当重要负荷多，配电回路数多，对供电连续性要求很高，采用单母线分段制有困难时，可采用双母线结线形式。双母线结线常见于35～110kV的母线系统或有自备发电厂的6～10kV的重要母线系统中。图3.18所示是不分段式双母线结线示意图。两条母线可以指定一条为工作母线，另一条为备用母线，或者两组母线同时工作。3.5变配电所及其主结线双母线结线的优点是供电可靠、运行灵活。通过各个回路上两组母线隔离开关的轮换操作，可以做到检修任一组母线而不中断供电。检修任何回路的母线隔离开关，只停该回路电。各回路可以任意接到不同的母线组，能灵活地适应系统中各种运行方式的变化。双母线结线形式有：双母线不分段结线、双母线分段结线、双母线带旁路母线结线等。双母线结线形式也有缺陷，比如当一条母线故障时，不能自动把故障母线回路倒到正常母线上等等。因此，在双母线结线形式之上还有双断路器、一个半断路器结线形式，用于电力系统重要的发电厂、超高压变电所中。3.5变配电所及其主结线1.变压器—线路单元结线

如图3.19所示。这种结线方式的优点是结线最简单，设备最少，变压器高压侧只装简单的开关，或没开关。缺点是运行方式不够灵活，如当线路发生故障或检修时，此线路的变压器要停运，互为备用的变压器(或备用电源)很难能带满停运变压器的所有负载。变压器发生故障或检修时也如此。3.5变配电所及其主结线3.5.4无母线主结线2.桥式结线35～110kV线路为两回路左右的电源进线时，有两台电力变压器终端式总降压变电所宜采用桥形结线。桥形结线实际上就是变压器高压侧单母线分段结线的去掉母线简化形式，其原来的母线分段联络变成了“桥”。

根据桥联结位置的不同，桥式结线可分为内桥和外桥两种联结方式。3.5变配电所及其主结线2.桥式结线1）内桥结线如图3.20(a)所示，联结桥断路器QF5在线路断路器QFl和QF2之内。这种结线方式用于输配电线路需要经常操作，主变压器不必经常退出运行的变电所。如当电源1或线路检修时，断路器QFl断开，此时变压器T1可以由电源2经过联结桥断路器QF5继续供电。当电源2或线路检修时也一样。当检修线路断路器QFl或QF2时，还是利用联结桥QF5的作用，使这两台电力变压器能一直保持正常运行。该结线适用于终端型的工业企业总降压变电所。3.5变配电所及其主结线2)外桥结线如图3.20(b)所示。联结桥断路器QF5在线路断路器QFl和QF2之外。在进线回路只安装隔离开关，不必安装断路器。外桥式结线主要用于变压器需要经常操作的变电所。

3.5变配电所及其主结线我国现在变压器的额定容量是按照R10优先系数，即按倍数来计算，常用配电变压器的国家标准容量为：30kVA、50kVA、63kVA、80kVA、100kVA、125kVA、160kVA、200kVA、250kVA、315kVA、400kVA、500kVA、630kVA、800kVA、1000kVA、1250kVA、1600kVA、2000kVA等。主变压器的台数和容量按照GB50053-94、GB50059-92等规范要求选择。3.5变配电所及其主结线3.5.5变配电所主变压器选择

1.主变压器台数选择1)存在一、二级负荷的变电所，宜装设两台变压器(技术经济比较合理时也可装设两台以上)，当一台变压器发生故障或检修时，另一台变压器能对一、二级负荷继续供电。如果变电所可由中、低压侧取得足够的备用电源容量时，可装设一台主变压器。2)对季节性负荷或昼夜负荷变动较大的变电所，考虑采用经济运行方式时，也可采用两台变压器。3.5变配电所及其主结线1.主变压器台数选择3)负荷集中且容量相当大的变电所，考虑到单台配电变压器容量的限制，也可以采用两台或多台变压器。4)除上述几种情况外，一般变电所宜采用一台变压器。5)在确定变电所主变压器台数时，应考虑负荷的发展，留有15%～25%左右的余量。3.5变配电所及其主结线2.主变压器容量选择1）变电所单台主变压器容量选择主变压器容量必须满足变电所总计算负荷的需要，即：（3-18）2）变电所装有两台及以上主变压器容量选择变压器的容量应满足下面几个条件：①变压器的总容量必须满足变电所总计算负荷的需要。②当任一台变压器断开时，其余变压器的容量应满足一级、二级负荷的全部需要。

③断开一台变压器时，其余主变压器的容量不应小于全部负荷的60%。3.5变配电所及其主结线2.主变压器容量选择3）配电变压器(低压为0.4kV)的容量不宜大于1250kVA，预装式变电所变压器，单台容量不宜大于800kVA。3.5变配电所及其主结线3.选择变压器的其他规定1)多层或高层主体建筑内的变电所，宜选用不燃或难燃型变压器；在严重影响安全运行的多尘或腐蚀性气体存在的场所，应选用防尘型或防腐型变压器。2)配电变压器宜选用D，ynll接线组别的变压器。3)共用变压器将严重影响照明质量及光源寿命时，可设照明专用变压器；对严重影响电能质量的冲击性负荷，可设专用变压器。4)应适当考虑今后5～10年电力负荷的增长，留有一定的余地，其中干式变压器的过载能力较小，更宜留有较大的裕量。3.5变配电所及其主结线1.负荷计算的意义和目的

要使供配电系统在正常情况下可靠运行，就要求其中的各个元件（如电力变压器、开关设备、电缆等）必须选择合适，除了应满足工作电压和频率的要求外，还要满足正常发热的要求。这就要求对该系统中各个环节的电力负荷，根据基本的原始资料进行统计计算。在进行建筑供配电设计时，基本的原始资料有各种用电设备的产品铭牌数据（如额定容量、额定电压）、建设规模、负荷密度等，这是设计的依据。3.6负荷计算3.6.1概述

原始资料要变成供配电系统设计所需要的假想负荷——计算负荷，才能进行设计。不能简单地用设备额定容量做为计算负荷，这是因为所安装的设备并非都同时运行；运行着的设备的负荷性质不同；同类设备实际负荷也并不是每一时刻都等于设备的额定容量，而是在不超过额定容量的范围内，时大时小地变化着。计算负荷，是指通过统计计算求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值。

3.6负荷计算求计算负荷的这项工作称为负荷计算。负荷计算主要包括：

(1)求计算负荷。目的是为了合理的选择供配电系统各级电压供电网络、主接线、变压器容量和电器设备型号等。

(2)求尖峰电流。用于计算电压波动、电压损失、选择熔断器和保护元件等。

(3)求平均负荷。用来计算供配电系统中电能需要量、电能损耗和选择无功补偿装置等。计算负荷的意义：如果计算负荷确定过大，导致工程投资的增加；如果确定过小，降低使用寿命，增大电能损耗，影响供配电系统的正常可靠运行。3.6负荷计算2.用电设备的工作制用电设备按工作制分为以下三类：

(1)长期连续工作制：这类设备长期连续运行，负荷比较稳定。绝大多数用电设备属于此类工作制，如通风机、压缩机、各种泵类、照明、各种电炉、机床、电解电镀设备等。

(2)短时工作制：这类设备是指工作时间较短，停歇时间相对较长。如金属切削机床用的辅助机械(横梁升降，刀架快速移动装置等)、水闸用电机等。(3)断续周期工作制：这类工作制的设备以非连续的方式反复进行工作，时而运转时而停歇，好像有周期一样。工作时间tg与停歇时间to相互交替重复，一个周期一般不超过10min。此类设备典型的有起重设备和电焊设备。3.6负荷计算

断续周期工作制的设备，可用“负荷持续率”(又称暂载率)来表示其工作特征。负荷持续率为一个工作周期内工作时间与工作周期的百分比值，即：

（3-19）起重设备的标准负荷持续率有15％、25％、40％、60％等；电焊设备的标准负荷持续率有40％、50％、65％、75％、100％等。这类设备如果负荷持续率不是100％的话，也就意味着不能满载连续工作，否则会烧毁的。3.6负荷计算

在进行负荷计算时，断续周期工作制设备要换算到统一负荷持续率下的负荷，负荷持续率换算公式为：

（3-20）式中：Pe设备容量，kw。

PN设备铭牌额定功率，kw。

εN%设备铭牌负荷持续率。

ε%需要换算到的负荷持续率。3.6负荷计算

3.6负荷计算例3-1一台额定容量为20kVA，功率因数0.8，铭牌的额定负荷持续率为50％的电焊机，现在暂载率100％下工作。试确定其实际有功容量。解：3.设备容量计算用电设备的额定容量是指用电设备在额定电压下，在规定的使用寿命内能连续输出或耗用的最大功率。对电机、电炉、电灯等设备，额定容量均用有功功率PN表示，单位为W或kW；对变压器和电焊机等设备，额定容量则一般用视在功率SN表示，单位为VA或kVA；对电容器类设备，额定容量则用无功功率QC表示，单位为var或kvar。3.6负荷计算

对断续周期工作制的设备，其额定容量是对应于一定的负荷持续率的。由于用电设备存在不同的工作制，对不同工作制下设备的额定容量不能简单求和，而须将不同工作制的用电设备的额定容量换算为统一规定工作制下的额定容量，这个经过换算后的额定容量就称为设备容量，用Pe表示。3.6负荷计算

设备容量不含备用设备的额定容量。（1）长期连续工作制和短时工作制的三相用电设备组的设备容量这两类三相设备的设备容量是所有设备（备用设备不计）的额定容量之和。对短时工作制用电设备，也可不考虑其Pe。（2）断续周期工作制的三相用电设备组的设备容量：是将所有设备在不同负荷持续率下的铭牌额定容量换算到一个规定的负荷持续率下的容量之和。

3.6负荷计算

4.负荷曲线(1)负荷曲线

负荷曲线是表征用电负荷随时间变化的关系曲线。它反映了用户用电的特点和规律。该曲线绘制在直角坐标系内，纵坐标表示负荷功率，横坐标表示负荷变动所对应的时间(小时为单位)。根据纵坐标表示的负荷功率性质不同，可分为有功负荷曲线和无功负荷曲线。根据横坐标表示的负荷变动所对应的时间的不同，又可分为工作班、日、星期、月、季度和年负荷曲线。负荷曲线按负荷对象分，有单位的、大楼的或某类设备的负荷曲线。按绘制的方式分，有依点连成的负荷曲线和梯形负荷曲线。3.6负荷计算

日负荷曲线代表用户一昼夜(0时～24时)实际用电负荷的变化情况，如图3-1(a)所示。通常，为了使用方便（半小时分格，以便确定“半小时最大负荷”），负荷曲线多绘制成阶梯形，如图3-1(b)。3.6负荷计算

年负荷曲线，两种形式：①年负荷持续时间曲线，通常是根据典型的夏日(图3-3a)和冬日(图3-3b)负荷曲线来绘制，按负荷大小依次排列，反映了全年负荷变动与对应的负荷持续时间（全年按8760h计）的关系，如图3-3c所示。

3.6负荷计算

②年负荷曲线的另一种形式，是按全年每日的最大负荷(通常取每日最大负荷的半小时平均值)绘制的，称为年每日最大负荷曲线，如图所示。横坐标依次以全年十二个月份的日期来分格。这种年最大负荷曲线，可以用来确定拥有多台电力变压器的变电所在一年内的不同时期宜于投入几台运行，即所谓经济运行方式，以降低电能损耗，提高供电系统的经济效益。3.6负荷计算

3.6负荷计算

(2)与负荷计算有关的几个物理量

①年最大负荷和30分钟最大平均负荷

年最大负荷是指一年当中的最大工作班内，以半小时(30分钟)为时间统计单位的平均功率的最大值。用符号Pm、Qm、Sm、Im分别表示年有功、无功、视在最大负荷和最大的负荷电流。

30分钟最大平均负荷是指在一段时间内以半小时(30分钟)为时间间隔统计出来的平均功率的最大值，用P30、Q30、S30、I30表示。年最大负荷实质上就是30分钟的最大平均负荷。所谓最大工作班，是指一年当中出现最大负荷的工作班次。要求最大负荷最少出现2～3次，而不是偶然出现的某一个工作班次。3.6负荷计算

②年最大负荷利用小时数Tm年最大负荷利用小时Tm是一个假想的时间，当用户以年最大负荷持续运行Tm个小时，所消耗的电能恰好等于全年实际电能的消耗量。年最大负荷利用小时Tm是反映用户运行、工作特征的一个重要参数，与企业的生产班制和负荷性质有关系。如单班制企业Tm≈1500～3000h；双班制企业Tm≈3000～4800h；三班制企业Tm≈5000～7000h。3.6负荷计算

③

平均负荷和负荷率

平均负荷是指用户在一段时间内消耗电功率的平均值，记作Pav、Qav、Sav、Iav。

负荷率又称负荷系数，为平均负荷Pav与最大负荷Pm(P30)的比值。它反映了负荷波动不平坦的程度。从提高供电效率来说，希望负荷率越接近于1越好。一般企业的负荷率维持在0.7以上为好。计算负荷，是指通过统计计算求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值。按计算负荷选择的电气设备和导线电缆，如果以计算负荷连续运行，其发热温度不会超过允许值，因而也不会影响其使用寿命。导体通过电流达到稳定温升的时间大约需3～4τ，τ为发热时间常数。截面在16mm2及以上的导体，其τ均在10min以上，也就是载流导体大约经30min(半小时)后可达到稳定温升值。

3.6负荷计算3.6.2需要系数法

3.6负荷计算

由此可见，计算负荷实际上与从负荷曲线上查得的半小时平均最大负荷P30

（亦即年最大负荷Pmax）是基本相当的，所以计算负荷也可以认为就是半小时平均最大负荷。

需要系数法就是用需要系数折算设备容量，得出计算负荷的方法，用这种方法得出来的计算负荷就是30分钟最大平均负荷。需要系数Kd反映了设备实际运行的最大功率Pm(P30)与设备容量Pe之间的关系。3.6负荷计算

1.单组三相设备(用电设备组)的计算负荷需要系数法计算单组设备的公式为：

Pm=KdPe

（3-24）（3-25）（3-26）（3-27）式中：用电设备组功率因数的正切值。UN用电设备的额定电压。3.6