建筑電氣第三章3

3供電與配電系統目錄負荷分級與供電要求1電壓與電壓質量2電力系統中性點運行方式及低壓供配電接地形式3供配電線路結構形式4變配電所及其主結線5負荷計算6短路電流計算7上次課內容回顧3.2電壓與電壓質量3.2.5三相不平衡性1.三相不平衡性概念及其危害電力系統工頻交流電的波形會發生畸變。2.電壓不平衡度及其允許值3.改善三相不平衡的措施3.2.6電網頻率1.頻率偏差概念及其危害電力系統工頻交流電的波形會發生畸變。2.頻率偏差限值與頻率調整上次課內容回顧3.3電力系統中性點運行方式及低壓供配電接地形式3.3.1電力系統中性點運行方式1.中性點不接地系統正常運行時，大地中沒有電流流過。單相接地故障時。非故障對地電壓都由相電壓升高到線電壓，即升高了倍。發生單相接地故障時設備仍能正常運行可能發生絕緣損壞或兩相接地短路事故上次課內容回顧3.3電力系統中性點運行方式及低壓供配電接地形式3.3.1電力系統中性點運行方式2.中性點經消弧線圈(阻抗)接地系統中性點不接地系統當線路較長、回路多、電網比較龐大時，發生單相接地的接地電流較大，會在接地點形成斷續電弧，引起危險的過電壓。中性點不接地系統和中性點經消弧線圈(阻抗)接地系統統稱為小接地電流系統。上次課內容回顧3.3電力系統中性點運行方式及低壓供配電接地形式3.3.1電力系統中性點運行方式3.中性點直接接地(或經低阻抗)接地系統中性點直接接地接地系統通常用于110kV及以上的超高壓系統，主要考慮的是絕緣成本。中性點直接接地(或經低阻抗)接地系統又稱為大接地電流系統。上次課內容回顧3.3電力系統中性點運行方式及低壓供配電接地形式3.3.2低壓供配電接地型式按IEC（國際電工委員會）規定，低壓配電系統接地制式一般由2個字母組成（必要時可加后續字母）第一個字母表示電源中性點與地的關系（T：直接接地，I：非直接接地）；第二個字母表示設備的外露可導電部分與地的關系（T：獨立于電源接地點的直接接地，N：直接與電源接地點或與該點引出的導體相聯接）；后續字母表示中性線（N線）和保護線（PE線）之間的關系（C：合并為PEN線，S：分開）因此，低壓配電系統，按保護接地形式，分為TN系統、TT系統和IT系統。上次課內容回顧3.3電力系統中性點運行方式及低壓供配電接地形式3.3.2低壓供配電接地型式

中性線(N線)用于接相電壓用電設備，流回單相及三相不平衡電流，減小負載中性點的電位偏移。保護線(PE線)連接正常情況下不帶電，但故障下可能會帶電的并易被觸及的外露可導電部分(例如設備金屬外殼、金屬構件、構架等)，防止發生觸電，以保障人身及設備安全。

保護中性線(PEN線)將中性線(N線)與保護線(PE線)的功能合二為一。PEN線在我國稱為“零線”，俗稱“地線”。上次課內容回顧3.3電力系統中性點運行方式及低壓供配電接地形式3.3.2低壓供配電接地型式TN系統1）TN-C系統2）TN-S系統3）TN-C-S系統2.TT系統3.IT系統上次課內容回顧3.4供配電線路結構形式3.4.1放射式結構1.單回路放射式結構2.雙回路放射式結構上次課內容回顧3.4供配電線路結構形式3.4.2樹干式結構1.單回樹干式結構2.雙回路放射式結構上次課內容回顧3.5變配電所及其主結線3.5.1變配電所種類

變電所是接受電能、變換電壓、分配電能的場所，配電所(配電房)是接受電能、分配電能的場所。在供配電系統中，一般將35kV以上的高壓變成10(6)kV中壓的變電所稱為區域變電所或總降壓變電所。

把10(6)kV變成0.4kV的變配電所稱為用戶變電所，在工業企業中則稱為車間變電所。10kV配電站又稱開閉所，在城市電網中使用較為普遍。1.單母線不分段結線

在有母線的主結線中，單母線不分段結線是一種最簡單的結線方式。它的每條進出線中都應安裝斷開回路的開關以及保護電器，如圖3.15所示。圖3.15中斷路器QF的作用是帶負載切斷負荷電流或故障電流并提供保護。隔離開關靠母線側的稱為母線隔離開關，靠近線路側的稱為線路隔離開關。隔離開關QS的作用是隔離電壓，以便斷路器QF檢修。3.5變配電所及其主結線3.5.3有母線主結線單母線不分段結線形式線路簡單，使用設備較少。由于是母線制，擴建較為方便。但它的可靠性較差，例如當母線或母線側隔離開關(或其他開關)發生故障及檢修時，就會造成全部負荷停電。

單母線不分段的結線方式也能雙電源進線，不過兩路電源要分主用和備用，采用自動切換或手動切換，平時只能一路接在母線上。3.5變配電所及其主結線2.帶旁路母線的單母線結線圖3.16中第一回路斷路器QF1需要檢修時，為了讓該路負荷的工作不受到影響，而設置一個旁路母線，在旁路母線與主母線之間接有隔離開關QS22、QS21和斷路器QF2組成的替代回路。在檢修QF1時，首先合上隔離開關QS21、QS22及斷路器QF2，給旁路母線充電。然后等電位合上QS13。再分別切除斷路器QF1，隔離開關QS12和QS11，就可以一方面檢修斷路器QF1，一方面繼續給L1回路供電。檢修完畢后，反向操作恢復正常供電。3.5變配電所及其主結線3.單母線分段結線圖3.17是單母線分段結線示意圖，它的每個母線段接有一個或兩個電源，在母線中間用斷路器或隔離開關來聯絡。采用單母線分段式結線，其可靠性高于單母線不分段結線。當某段母線發生故障時，僅停一半負荷。某段母線電源失電，可經過倒閘操作，用母線分段開關維持失電母線上負荷的繼續供電。3.5變配電所及其主結線單母線分段式結線的另一個好處是，對重要負荷可從不同的母線段引出回路，對它們進行多電源供電。單母線分段可分出多于兩段的母線。GB50053-94規定：6～10kV母線的分段處宜裝設斷路器，當不需帶負荷操作且無繼電保護和自動裝置要求時，可裝設隔離開關或隔離觸頭。3.5變配電所及其主結線4.雙母線結線當重要負荷多，配電回路數多，對供電連續性要求很高，采用單母線分段制有困難時，可采用雙母線結線形式。雙母線結線常見于35～110kV的母線系統或有自備發電廠的6～10kV的重要母線系統中。圖3.18所示是不分段式雙母線結線示意圖。兩條母線可以指定一條為工作母線，另一條為備用母線，或者兩組母線同時工作。3.5變配電所及其主結線雙母線結線的優點是供電可靠、運行靈活。通過各個回路上兩組母線隔離開關的輪換操作，可以做到檢修任一組母線而不中斷供電。檢修任何回路的母線隔離開關，只停該回路電。各回路可以任意接到不同的母線組，能靈活地適應系統中各種運行方式的變化。雙母線結線形式有：雙母線不分段結線、雙母線分段結線、雙母線帶旁路母線結線等。雙母線結線形式也有缺陷，比如當一條母線故障時，不能自動把故障母線回路倒到正常母線上等等。因此，在雙母線結線形式之上還有雙斷路器、一個半斷路器結線形式，用于電力系統重要的發電廠、超高壓變電所中。3.5變配電所及其主結線1.變壓器—線路單元結線

如圖3.19所示。這種結線方式的優點是結線最簡單，設備最少，變壓器高壓側只裝簡單的開關，或沒開關。缺點是運行方式不夠靈活，如當線路發生故障或檢修時，此線路的變壓器要停運，互為備用的變壓器(或備用電源)很難能帶滿停運變壓器的所有負載。變壓器發生故障或檢修時也如此。3.5變配電所及其主結線3.5.4無母線主結線2.橋式結線35～110kV線路為兩回路左右的電源進線時，有兩臺電力變壓器終端式總降壓變電所宜采用橋形結線。橋形結線實際上就是變壓器高壓側單母線分段結線的去掉母線簡化形式，其原來的母線分段聯絡變成了“橋”。

根據橋聯結位置的不同，橋式結線可分為內橋和外橋兩種聯結方式。3.5變配電所及其主結線2.橋式結線1）內橋結線如圖3.20(a)所示，聯結橋斷路器QF5在線路斷路器QFl和QF2之內。這種結線方式用于輸配電線路需要經常操作，主變壓器不必經常退出運行的變電所。如當電源1或線路檢修時，斷路器QFl斷開，此時變壓器T1可以由電源2經過聯結橋斷路器QF5繼續供電。當電源2或線路檢修時也一樣。當檢修線路斷路器QFl或QF2時，還是利用聯結橋QF5的作用，使這兩臺電力變壓器能一直保持正常運行。該結線適用于終端型的工業企業總降壓變電所。3.5變配電所及其主結線2)外橋結線如圖3.20(b)所示。聯結橋斷路器QF5在線路斷路器QFl和QF2之外。在進線回路只安裝隔離開關，不必安裝斷路器。外橋式結線主要用于變壓器需要經常操作的變電所。

3.5變配電所及其主結線我國現在變壓器的額定容量是按照R10優先系數，即按倍數來計算，常用配電變壓器的國家標準容量為：30kVA、50kVA、63kVA、80kVA、100kVA、125kVA、160kVA、200kVA、250kVA、315kVA、400kVA、500kVA、630kVA、800kVA、1000kVA、1250kVA、1600kVA、2000kVA等。主變壓器的臺數和容量按照GB50053-94、GB50059-92等規范要求選擇。3.5變配電所及其主結線3.5.5變配電所主變壓器選擇

1.主變壓器臺數選擇1)存在一、二級負荷的變電所，宜裝設兩臺變壓器(技術經濟比較合理時也可裝設兩臺以上)，當一臺變壓器發生故障或檢修時，另一臺變壓器能對一、二級負荷繼續供電。如果變電所可由中、低壓側取得足夠的備用電源容量時，可裝設一臺主變壓器。2)對季節性負荷或晝夜負荷變動較大的變電所，考慮采用經濟運行方式時，也可采用兩臺變壓器。3.5變配電所及其主結線1.主變壓器臺數選擇3)負荷集中且容量相當大的變電所，考慮到單臺配電變壓器容量的限制，也可以采用兩臺或多臺變壓器。4)除上述幾種情況外，一般變電所宜采用一臺變壓器。5)在確定變電所主變壓器臺數時，應考慮負荷的發展，留有15%～25%左右的余量。3.5變配電所及其主結線2.主變壓器容量選擇1）變電所單臺主變壓器容量選擇主變壓器容量必須滿足變電所總計算負荷的需要，即：（3-18）2）變電所裝有兩臺及以上主變壓器容量選擇變壓器的容量應滿足下面幾個條件：①變壓器的總容量必須滿足變電所總計算負荷的需要。②當任一臺變壓器斷開時，其余變壓器的容量應滿足一級、二級負荷的全部需要。

③斷開一臺變壓器時，其余主變壓器的容量不應小于全部負荷的60%。3.5變配電所及其主結線2.主變壓器容量選擇3）配電變壓器(低壓為0.4kV)的容量不宜大于1250kVA，預裝式變電所變壓器，單臺容量不宜大于800kVA。3.5變配電所及其主結線3.選擇變壓器的其他規定1)多層或高層主體建筑內的變電所，宜選用不燃或難燃型變壓器；在嚴重影響安全運行的多塵或腐蝕性氣體存在的場所，應選用防塵型或防腐型變壓器。2)配電變壓器宜選用D，ynll接線組別的變壓器。3)共用變壓器將嚴重影響照明質量及光源壽命時，可設照明專用變壓器；對嚴重影響電能質量的沖擊性負荷，可設專用變壓器。4)應適當考慮今后5～10年電力負荷的增長，留有一定的余地，其中干式變壓器的過載能力較小，更宜留有較大的裕量。3.5變配電所及其主結線1.負荷計算的意義和目的

要使供配電系統在正常情況下可靠運行，就要求其中的各個元件（如電力變壓器、開關設備、電纜等）必須選擇合適，除了應滿足工作電壓和頻率的要求外，還要滿足正常發熱的要求。這就要求對該系統中各個環節的電力負荷，根據基本的原始資料進行統計計算。在進行建筑供配電設計時，基本的原始資料有各種用電設備的產品銘牌數據（如額定容量、額定電壓）、建設規模、負荷密度等，這是設計的依據。3.6負荷計算3.6.1概述

原始資料要變成供配電系統設計所需要的假想負荷——計算負荷，才能進行設計。不能簡單地用設備額定容量做為計算負荷，這是因為所安裝的設備并非都同時運行；運行著的設備的負荷性質不同；同類設備實際負荷也并不是每一時刻都等于設備的額定容量，而是在不超過額定容量的范圍內，時大時小地變化著。計算負荷，是指通過統計計算求出的、用來按發熱條件選擇供電系統中各元件的負荷值。

3.6負荷計算求計算負荷的這項工作稱為負荷計算。負荷計算主要包括：

(1)求計算負荷。目的是為了合理的選擇供配電系統各級電壓供電網絡、主接線、變壓器容量和電器設備型號等。

(2)求尖峰電流。用于計算電壓波動、電壓損失、選擇熔斷器和保護元件等。

(3)求平均負荷。用來計算供配電系統中電能需要量、電能損耗和選擇無功補償裝置等。計算負荷的意義：如果計算負荷確定過大，導致工程投資的增加；如果確定過小，降低使用壽命，增大電能損耗，影響供配電系統的正常可靠運行。3.6負荷計算2.用電設備的工作制用電設備按工作制分為以下三類：

(1)長期連續工作制：這類設備長期連續運行，負荷比較穩定。絕大多數用電設備屬于此類工作制，如通風機、壓縮機、各種泵類、照明、各種電爐、機床、電解電鍍設備等。

(2)短時工作制：這類設備是指工作時間較短，停歇時間相對較長。如金屬切削機床用的輔助機械(橫梁升降，刀架快速移動裝置等)、水閘用電機等。(3)斷續周期工作制：這類工作制的設備以非連續的方式反復進行工作，時而運轉時而停歇，好像有周期一樣。工作時間tg與停歇時間to相互交替重復，一個周期一般不超過10min。此類設備典型的有起重設備和電焊設備。3.6負荷計算

斷續周期工作制的設備，可用“負荷持續率”(又稱暫載率)來表示其工作特征。負荷持續率為一個工作周期內工作時間與工作周期的百分比值，即：

（3-19）起重設備的標準負荷持續率有15％、25％、40％、60％等；電焊設備的標準負荷持續率有40％、50％、65％、75％、100％等。這類設備如果負荷持續率不是100％的話，也就意味著不能滿載連續工作，否則會燒毀的。3.6負荷計算

在進行負荷計算時，斷續周期工作制設備要換算到統一負荷持續率下的負荷，負荷持續率換算公式為：

（3-20）式中：Pe設備容量，kw。

PN設備銘牌額定功率，kw。

εN%設備銘牌負荷持續率。

ε%需要換算到的負荷持續率。3.6負荷計算

3.6負荷計算例3-1一臺額定容量為20kVA，功率因數0.8，銘牌的額定負荷持續率為50％的電焊機，現在暫載率100％下工作。試確定其實際有功容量。解：3.設備容量計算用電設備的額定容量是指用電設備在額定電壓下，在規定的使用壽命內能連續輸出或耗用的最大功率。對電機、電爐、電燈等設備，額定容量均用有功功率PN表示，單位為W或kW；對變壓器和電焊機等設備，額定容量則一般用視在功率SN表示，單位為VA或kVA；對電容器類設備，額定容量則用無功功率QC表示，單位為var或kvar。3.6負荷計算

對斷續周期工作制的設備，其額定容量是對應于一定的負荷持續率的。由于用電設備存在不同的工作制，對不同工作制下設備的額定容量不能簡單求和，而須將不同工作制的用電設備的額定容量換算為統一規定工作制下的額定容量，這個經過換算后的額定容量就稱為設備容量，用Pe表示。3.6負荷計算

設備容量不含備用設備的額定容量。（1）長期連續工作制和短時工作制的三相用電設備組的設備容量這兩類三相設備的設備容量是所有設備（備用設備不計）的額定容量之和。對短時工作制用電設備，也可不考慮其Pe。（2）斷續周期工作制的三相用電設備組的設備容量：是將所有設備在不同負荷持續率下的銘牌額定容量換算到一個規定的負荷持續率下的容量之和。

3.6負荷計算

4.負荷曲線(1)負荷曲線

負荷曲線是表征用電負荷隨時間變化的關系曲線。它反映了用戶用電的特點和規律。該曲線繪制在直角坐標系內，縱坐標表示負荷功率，橫坐標表示負荷變動所對應的時間(小時為單位)。根據縱坐標表示的負荷功率性質不同，可分為有功負荷曲線和無功負荷曲線。根據橫坐標表示的負荷變動所對應的時間的不同，又可分為工作班、日、星期、月、季度和年負荷曲線。負荷曲線按負荷對象分，有單位的、大樓的或某類設備的負荷曲線。按繪制的方式分，有依點連成的負荷曲線和梯形負荷曲線。3.6負荷計算

日負荷曲線代表用戶一晝夜(0時～24時)實際用電負荷的變化情況，如圖3-1(a)所示。通常，為了使用方便（半小時分格，以便確定“半小時最大負荷”），負荷曲線多繪制成階梯形，如圖3-1(b)。3.6負荷計算

年負荷曲線，兩種形式：①年負荷持續時間曲線，通常是根據典型的夏日(圖3-3a)和冬日(圖3-3b)負荷曲線來繪制，按負荷大小依次排列，反映了全年負荷變動與對應的負荷持續時間（全年按8760h計）的關系，如圖3-3c所示。

3.6負荷計算

②年負荷曲線的另一種形式，是按全年每日的最大負荷(通常取每日最大負荷的半小時平均值)繪制的，稱為年每日最大負荷曲線，如圖所示。橫坐標依次以全年十二個月份的日期來分格。這種年最大負荷曲線，可以用來確定擁有多臺電力變壓器的變電所在一年內的不同時期宜于投入幾臺運行，即所謂經濟運行方式，以降低電能損耗，提高供電系統的經濟效益。3.6負荷計算

3.6負荷計算

(2)與負荷計算有關的幾個物理量

①年最大負荷和30分鐘最大平均負荷

年最大負荷是指一年當中的最大工作班內，以半小時(30分鐘)為時間統計單位的平均功率的最大值。用符號Pm、Qm、Sm、Im分別表示年有功、無功、視在最大負荷和最大的負荷電流。

30分鐘最大平均負荷是指在一段時間內以半小時(30分鐘)為時間間隔統計出來的平均功率的最大值，用P30、Q30、S30、I30表示。年最大負荷實質上就是30分鐘的最大平均負荷。所謂最大工作班，是指一年當中出現最大負荷的工作班次。要求最大負荷最少出現2～3次，而不是偶然出現的某一個工作班次。3.6負荷計算

②年最大負荷利用小時數Tm年最大負荷利用小時Tm是一個假想的時間，當用戶以年最大負荷持續運行Tm個小時，所消耗的電能恰好等于全年實際電能的消耗量。年最大負荷利用小時Tm是反映用戶運行、工作特征的一個重要參數，與企業的生產班制和負荷性質有關系。如單班制企業Tm≈1500～3000h；雙班制企業Tm≈3000～4800h；三班制企業Tm≈5000～7000h。3.6負荷計算

③

平均負荷和負荷率

平均負荷是指用戶在一段時間內消耗電功率的平均值，記作Pav、Qav、Sav、Iav。

負荷率又稱負荷系數，為平均負荷Pav與最大負荷Pm(P30)的比值。它反映了負荷波動不平坦的程度。從提高供電效率來說，希望負荷率越接近于1越好。一般企業的負荷率維持在0.7以上為好。計算負荷，是指通過統計計算求出的、用來按發熱條件選擇供電系統中各元件的負荷值。按計算負荷選擇的電氣設備和導線電纜，如果以計算負荷連續運行，其發熱溫度不會超過允許值，因而也不會影響其使用壽命。導體通過電流達到穩定溫升的時間大約需3～4τ，τ為發熱時間常數。截面在16mm2及以上的導體，其τ均在10min以上，也就是載流導體大約經30min(半小時)后可達到穩定溫升值。

3.6負荷計算3.6.2需要系數法

3.6負荷計算

由此可見，計算負荷實際上與從負荷曲線上查得的半小時平均最大負荷P30

（亦即年最大負荷Pmax）是基本相當的，所以計算負荷也可以認為就是半小時平均最大負荷。

需要系數法就是用需要系數折算設備容量，得出計算負荷的方法，用這種方法得出來的計算負荷就是30分鐘最大平均負荷。需要系數Kd反映了設備實際運行的最大功率Pm(P30)與設備容量Pe之間的關系。3.6負荷計算

1.單組三相設備(用電設備組)的計算負荷需要系數法計算單組設備的公式為：

Pm=KdPe

（3-24）（3-25）（3-26）（3-27）式中：用電設備組功率因數的正切值。UN用電設備的額定電壓。3.6