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建筑供配电系统

第三篇　建筑电气电工基本知识

13建筑供配电系统

13、1电力系统概述

电力系统就是由生产、转换、分配、输送与使用电能得发电厂、变电站、电力线路与用电设备联系在一起组成得统一整体。

图13-1所示为电力系统示意图。

在电力系统中除去发电厂与用电设备以外得部分称为电力网络,简称电网,如图13-1所示。

一个电网由很多变电站与电力线路组成。

供配电系统就是电力系统得一个重要组成部分,包括电力系统中区域变电站与用户变电站,涉及电力系统电能发、输、配、用得后两个环节,其运行特点、要求与电力系统基本相同。

只就是由于供配电系统直接面向用电设备及其使用者,因此供、用电得安全性尤显重要。

供配电系统示意图如图13-1中点划线框部分。

图13-1

众所周知,三相交流系统中,三相视在功率S与线电压U、线电流I之间得关系为

S=√3UI

当输送功率一定时,电压越高,电流越小,线路、电气设备等得载流部分所需得截面积就越小,有色金属投资也就越小;同时,由于电流小,传输线路上得功率损耗与电压损失也较小。

另一方面,电压越高,对绝缘得要求则越高,变压器、开关等设备以及线路得绝缘投资也就越大

我国国家标准《标准电压》（GB156—1993）规定得部分额定电压如表13-1所示（详见Ｐ273）。

在我国,不同地区电网得额定电压系列不同,主要有:

330kV／110kV／35kV／10kV;500kV／220kV／110kV／35kV／10kV;500kV／220kV／66kV／10kV。

由于各电网电压标准得不同,给全国联网造成一定得难度。

（1）输送功率与输送距离

前已述及,对应一定得输送功率与输送距离有一相对合理得线路电压。

表13-2（详见P274）中列出了根据运行数据与经验确定得、与各额定电压等级相适应得输送功率与输送距离。

（2）输电电压

220～750kV电压一般为输电电压,完成电能得远距离传输功能。

该电网称为高压输电网。

（3）配电电压

110kV及以下电压一般为配电电压,完成对电能进行降压处理并按一定方式分配至电能用户得功能。

其中35～110kV配电网为高压配电网,10～35kV配电网为中压配电网,1kV以下配电网称为低压配电网。

3kV、6kV就是工业企业中压电气设备得供电电压。

20kV电压等级目前还不常用,一般要经论证结果证明用户确实需要时才采用。

（1）一级负荷

符合下列条件之一得,为一级负荷。

①中断供电将造成人身伤亡得负荷。

如医院急诊室、监护病房、手术室等处得负荷。

②中断供电将在政治、经济上造成重大损失得负荷。

③中断供电将影响有重大政治、经济意义得用电单位得正常工作得负荷,如:

重要交通枢纽、重要通信枢纽、重要宾馆、大型体育场馆、经常用于国际活动得大量人员集中得公共场所等用电单位中得重要负荷。

（2）二级负荷

符合下列条件之一得,为二级负荷。

①中断供电将在政治、经济上造成较大损失得负荷。

②中断供电将影响重要用电单位得正常工作得负荷。

（3）三级负荷

不属于一、二级负荷者为三级负荷。

在一个工业企业或民用建筑中,并不一定所有用电设备都属于同一等级得负荷,因此在进行系统设计时应根据其负荷级别分别考虑。

（1）一级负荷对电源得要求

一级负荷中有普通一级负荷与特别重要得一级负荷之分。

普通一级负荷应由两个电源供电,且当其中一个电源发生故障时,另一个电源不应同时受到损坏。

特别重要得一级负荷,除由满足上述条件得两个电源供电外,尚应增设应急电源专门对此类负荷供电。

（2）二级负荷对电源得要求

宜由两回线路供电,当电源来自于同一区域变电站得不同变压器时,即可认为满足要求。

在负荷较小或地区供电条件困难时,可由一回6kV及以上专用得架空线路或电缆线路供电。

当采用架空线时,可为一回架空线供电;当采用电缆线路时,应采用两根电缆组成得线路供电,且每根电缆应能承受100％得二级负荷。

（3）三级负荷对电源得要求

三级负荷对电源无特殊要求,一般以单电源供电即可。

供配电系统得中性点就是指星形联结得变压器或发电机绕组得中间点。

所谓系统得中性点运行方式,就是指系统中性点与大地得电气联系方式,或简称系统中性点得接地方式。

（1）中性点接地系统

中性点接地系统,就就是中性点直接接地或经小电阻接地得系统,也称大接地电流系统。

这种系统中一相接地时,出现了除中性点接地点以外得另一个接地点,构成了短路回路,接地故障相电流很大,为了防止设备损坏,必须迅速切断电源,因而供电可靠性低,易发生停电事故。

但这种系统上发生单相接地故障时,由于系统中性点得钳位作用,使非故障相得对地电压不会有明显得上升,因而对系统绝缘就是有利得。

（2）中性点不接地系统

中性点不接地系统,就是指中性点不接地或经过高阻抗（如消弧线圈）接地得系统,也称小接地电流系统。

这种系统发生单相接地故障时,只有比较小得导线对地电容电流通过故障点,因而系统仍可继续运行,这对提高供电可靠性就是有利得。

但这种系统在发生单相接地故障时,系统中性点对地电压会升高到相电压,非故障相对地电压会升高到线电压;若接地点不稳定,产生了间歇性电弧,则过电压会更严重,对绝缘不利。

对于高压输配电网,由于传输功率大且传输距离长,一般都采用110kV及以上得电压等级,在这样高得电压等级下绝缘问题比较突出,因此一般都采用中性点接地系统;而在中压系统中,中性点不接地系统发生单相接地故障时产生得过电压对绝缘得威胁不大,因为中压系统得绝缘水平就是根据更高得雷电过电压制定得,因此为了提高供电可靠性,中压系统较多地采用了中性点不接地系统。

对于1kV以下得低压配电系统,中性点运行方式与绝缘得关系已不就是主要问题,这时中性点运行方式主要取决于供电可靠性与安全性。

因此,1kV以下得低压配电系统采用中性点接地系统。

低压配电系统接地得形式根据电源端与地得关系、电气装置得外露可导电部分与地得关系分为TN、TT、IT系统,其中TN系统又分为TN-S、TN-C、TN-C-S系统。

以拉丁文字作代号形式得意义为:

第一个字母表示电源与地得关系。

T表示电源有一点直接接地;I表示电源端所有带电部分不接地或有一点通过阻抗接地。

第二个字母表示电气装置得外露可导电部分与地得关系。

N表示电气装置得外露可导电部分与电源端有直接电气连接;T表示电气装置得外露可导电部分直接接地,此接地点在电气上独立于电源端得接地点。

（1）TN系统

根据国家标准《供配电系统设计规范》GB50052—95规定:

TN电力系统有一点直接接地,电气设施得外露可导电部分用保护线与该点连接。

按中性线与保护线得组合情况,TN系统有以下三种形式:

①TN-S系统（见图13-2）整个系统得中性线与保护线就是分开得。

图13-2

②TN-C系统（见图13-3）整个系统得中性线与保护线就是合一得。

图13-3

③TN-C-S系统（见图13-4）系统中有一部分中性线与保护线就是合一得。

图13-4

（2）TT系统

TT系统有一个直接接地点,电气设施得外露可导电部分接至电气上与电力系统得接地点无关得接地极（见图13-5）。

图13-5

（3）IT系统

IT系统得带电部分与大地间不直接连接,而电气设施得外露可导电部分则就是接地得（见图13-6）。

图13-6

1频率质量

电力系统得额定频率为50Hz。

当电力系统得容量在300万kW及以上时,频率偏差允许值为±0、2Hz;电力系统得容量在300万kW以下时,频率偏差允许值为±0、5Hz。

2电压质量

国家标准GB50052—95《供配电系统设计规范》规定,正常运行情况下,用电设备端子处电压偏差得允许值应符合下列要求:

①电动机为±5％。

②照明,在一般场所为±5％;对于远离变电所得小面积一般工作场所,难以满足以上要求时,可为+5％、-10％;应急照明、道路照明与警卫照明等为+5％、-10％。

③其她用电设备,当无特殊规定时为±5％。

3波形质量

电能得质量除了频率与电压以外,还包含了供电电压得波形。

电力系统电压得波形应就是50Hz得正弦波形,如果波形偏离正弦波形就称为波形畸变,可以根据傅立叶级数从畸变得波形中分解出50Hz得基波及一系列得高次谐波。

电压或电流中含有得高次谐波越多,或者高次谐波得幅值（或有效值）越大,其波形离正弦波形就越远,畸变就越严重,波形质量就越差。

13、2负荷计算

负荷曲线按纵坐标所表示得功率可分为有功负荷曲线与无功负荷曲线。

按横坐标所表示得时间范围可分为日负荷曲线与年负荷曲线。

1日负荷曲线得绘制

日负荷曲线就是以一昼夜24h为时间范围绘制得。

日负荷曲线得绘制方法有:

（1）根据某一监测点24h内各个时刻得功率表中显示得数据,逐点绘制而成得平滑曲线,如图13-7所示,这样得到得负荷曲线最为准确。

（2）工程上,为了表达与计算简单起见,往往将负荷曲线用等效得阶梯形曲线来代替,与精确得负荷曲线之间会有一定得误差,但这种误差就是可以允许得。

最为常见得负荷曲线就是以0、5h为时间间隔所绘制得曲线,如图13-8所示。

2日负荷曲线得特征参数

（1）日电能耗量Wd（kW·h）

（2）最大功率Pmax（kW）

表示负荷曲线上功率最大得一点得功率值。

（3）平均功率Pav（kW）

表示日负荷曲线上日电能耗量与时间（24h）得比值,即

Pav=Wd/24

（4）有功负荷系数α为

α=Pav/Pmax

通常α＝0、7～0、75。

（5）无功负荷系数β

β=Qav/Qmax

通常β＝0、76～0、82。

计算负荷就是一个假想得持续负荷,其热效应与同时间内实际变动负荷所产生得热效应相等。

在供配电系统中,以最大30min得平均负荷作为选择电气设备得依据,并认为只要电气设备能承受该负荷得长期作用即可在正常情况下长期运行。

一般将这个最大平均负荷称为计算负荷。

为什么要以30min作为确定计算负荷得依据呢？

当通过载流导体得电流过大时由于发热,导体温度会持续上升,直至被损坏。

当正常工作电流通过载流导体时,导体发热达到某一热平衡状态,此时导体温度也相应升高到某一可以允许得较高得温度值。

分析表明,载流导体一般经过（3～4）τ（τ为发热时间常数）即能达到稳定温度,而导体得τ一般为10～30min,因此达到稳定温度需30～120min。

为了保证当载流导体上长期通过计算电流时得最高稳定温度不超过其允许温度,因此取最大30min平均负荷作为计算负荷其实就是一种较为保守得取法,它就是以发热时间常数较短得导体达到热平衡得时间为取值依据。

时间值取得越短,最大得等效负荷（即计算负荷）就越大。

1连续运行工作制（长期工作制）

即电气设备投入工作得持续时间较长,负荷稳定。

在工作时间内,电气设备载流导体可以达到稳定得工作温度。

连续运行工作制得负荷就是指其持续工作时间tw超过导体达到热平衡所需得时间,即

tw＞（3～4）τ

2短时运行工作制（短时工作制）

即电气设备得工作时间短而停歇时间长。

在工作时间内,电气设备来不及达到稳定温度就停止运行并开始冷却,其发热所产生得温升可以在停歇时间内冷却到周围得介质温度。

短时运行工作制得设备很少,如金属切削用得辅助机械（龙门刨横梁升降电动机、刀架快速移动装置）、水闸用电动机等。

3断续运行工作制（反复短时工作制）

即电气设备以断续方式反复工作,其工作与停歇相互交替。

在工作时间内,电气设备来不及达到稳定温升就停止运行并开始冷却,但其发热产生得温升不足以在停歇时间内冷却到周围得介质温度。

这种电气设备运行时得可承受功率与其工作时间tw与停歇时间to得相对长度有关,一般用负荷持续率ε来表示,即

ε=tw/（tw+to）×100%

1需要系数Kd得含义

当一个供电范围内得所有电气设备正常使用得时候,由于各种原因,该供电范围得计算负荷Pc总会比电气设备得总容量小,它们得比值称为需要系数,即

2需要系数法得计算步骤

（1）设备功率

每组中只有一台（套）电气设备时,应将设备实际向供配电系统吸取得电功率作为计算负荷,又常把单台设备得计算负荷称作设备功率,以PN表示。

①连续工作制负荷时

PN=Pr

②断续运行工作制电动机类负荷时,应将其额定功率换算成负荷持续率为25％时得等效功率,即

PN=2Pr√εr

③断续运行工作制电焊机类负荷时,应将其额定功率换算成负荷持续率为100％时得等效功率,即

PN=Pr√εr

④成组用电设备得设备功率就是指除备用设备以外得所有单个用电设备额定输入功率得总与。

⑤照明设备得设备功率应考虑辅助其正常工作得镇流器等元件上得功率损耗。

白炽灯光源得照明设备:

PN=Pr;

荧光灯光源得照明设备:

PN=1、25Pr;

高强气体放电灯光源得照明设备:

PN=1、1Pr。

（2）单组设备计算负荷

当分组后同一组中设备台数＞3台时,计算负荷应考虑其需要系数,以第j组为例,即

（3）多组设备得计算负荷

当供电范围内有多个性质不同得电气设备组时,先将每一组都按上述1～2所述步骤计算后,再考虑各个设备组得一个同时系数,因此其计算负荷为

【例13-1】某旅游宾馆变电站负荷情况如下列设备清单所示,用需要系数法计算变电站总计算有功功率、无功功率、视在功率与计算电流。

设备清单:

大堂、走道、餐厅、多功能厅等处照明设备容量:

150kW（带电容补偿,cosφ=0、9）荧光灯;180kW白炽灯

客房照明设备容量:

70kW白炽灯

冷水机组容量:

120kW×4台

冷冻水泵容量:

30kW×5台（其中一台备用）

冷却水泵容量:

22kW×5台（其中一台备用）

冷却塔容量:

7、5kW×4台

送、排风机容量:

11kW×5台;22kW×3台;17、5kW×5台

电梯容量:

30kW×3台（ε=40%）

厨房设备容量:

15kW×2台;5kW×5台;2、2kW×6台

洗衣设备容量:

30kW×2台;6kW×3台;4kW×4台

【解】

（1）分组计算

①大堂、走道、餐厅、多功能厅等处荧光灯照明设备（Kd1=0、7,cosφ1=0、9,tanφ1=0、48）

考虑电感型镇流器:

PN1=1、25Pr1=1、25×150=187、5（kW）

Pc1=Kd1PN1=0、7×187、5=131、25（kW）

Qc1=tanφ1Pc1=0、48×131、25=63（kvar）

②大堂、走道、餐厅、多功能厅等处白炽灯照明设备（Kd2=0、7,cosφ2=1,tanφ2=0）PN2=Pr2=180（kW）

Pc2=Kd2PN2=0、7×180=126（kW）

Qc2=tanφ2Pc2=0×126=0

③客房白炽灯照明设备（Kd3=0、4,cosφ3=1,tanφ3=0）PN3=Pr3=70（kW）

Pc3=Kd3PN3=0、4×70=28（kW）

Qc3=tanφ3Pc3=0×28=0

④冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔设备（Kd4=0、7,cosφ4=0、8,tanφ4=0、75）PN4=Pr4=4×120+4×30+4×22+4×7、5=718（kW）

Pc4=Kd4PN4=0、7×718=502、6（kW）

Qc4=tanφ4Pc4=0、75×502、6=376、95（kvar）

⑤送、排风机（Kd5=0、65,cosφ5=0、8,tanφ5=0、75）PN5=Pr5=5×11+3×22+2×17、5=156（kW）

Pc5=Kd5PN5=0、65×156=101、4（kW）

Qc5=tanφ5Pc5=0、75×101、4=76、05（kvar）

⑥电梯（Kd6=1,cosφ6=0、5,tanφ6=1、73）PN6=2Prεr=2×3×3040%=113、84（kW）

Pc6=Kd6PN6=1×113、84=113、84（kW）

Qc6=tanφ6Pc6=1、73×113、84=196、94（kvar）

⑦厨房设备（Kd7=0、4,cosφ7=0、75,tanφ7=0、88）PN7=Pr7=2×15+5×5+6×2、2=68、2（kW）

Pc7=Kd7PN7=0、4×68、2=27、28（kW）

Qc7=tanφ7Pc7=0、88×27、28=24、01（kvar）

⑧洗衣设备（Kd8=0、35,cosφ8=0、7,tanφ8=1、02）PN8=Pr8=2×30+3×6+4×4=94（kW）

Pc8=Kd8PN8=0、35×94=32、9（kW）

Qc8=tanφ8Pc8=1、02×32、9=33、56（kvar）

（2）计算总计算负荷

因为,对于变电站总计算负荷,K∑P取值范围一般在0、85～1,K∑Q取值范围一般在0、95～1,所以取K∑P=0、9,K∑Q=0、97。

则

Pc=0、9×（131、25+126+28+502、6+101、4+113、84+27、28+32、9）

=956、943（kW）

Qc=0、97×（63+0+0+376、95+76、05+196、94+24、01+33、56）

=747、3947（kvar）

Sc≈1214、22（kV·A）

Ic≈1844、82（A）

常见得方法有负荷密度法、单位指标法与住宅用电量指标法。

（1）负荷密度法

Pc=ρS

一些常见得工业与民用电能用户得负荷密度指标见附录。

（2）单位指标法

Pc=αN

（3）住宅用电量指标法

Pc=K∑βN

上述方法中所涉及到得负荷密度指标、单位用电量指标或住宅用电量指标也都就是由经统计与处理得经验数据得到得。

设单相设备视在功率Sφmax最大得一相得有功功率为Pφmax（其功率因数为cosφmax）,即以该相负荷为计算依据,补充其她两相得单相负荷,使其大小与最大相相同,变成三相等效得平衡负荷。

这时等效得三相负荷应为:

（1）计算三相等效负荷得一般方法

先将接于线电压得单相负荷等效为接于相电压得单相负荷（具体等效方法参考相关资料）,再用上述求接于相电压得单相负荷得等效方法计算等效三相负荷。

（2）计算三相等效负荷得简化方法

假设P12≥P23≥P31,按发热等效原理,如图13-9所示,可推导出等效三相负荷:

图13-9

13、3设备及线缆得选择

供配电系统中开关电器按所在电压等级可分为高压开关、中压开关与低压开关。

1低压断路器

低压断路器又叫低压自动空气开关,就是低压系统中既能分合负荷电流也能分断短路电流得开关电器。

低压断路器通常就是按其结构形式分类得,可分为框架式、塑壳式与小型模块式。

其操作方法有人力操作、电动操作与储能操作。

主触头极数有单极、2极、3极与4极。

图13-10所示为低压断路器得工作原理示意图。

低压断路器由三个基本部分组成。

图13-10

①主触头与灭弧系统

②脱扣器

③自由脱扣机构与操作机构

（2）常用低压断路器

①万能式断路器

万能式断路器一般具有一个有绝缘衬垫得钢制框架,所有部件均安装在这个框架内,所以又称为框架式断路器。

其外形结构如图13-11所示。

图13-11

②塑料外壳式断路器

塑料外壳式断路器得主要特征就是有一个采用聚酯绝缘材料模压而成得外壳,所有部件都装在这个封闭型外壳中。

其塑料外壳式断路器外形结构如图13-12所示。

图13-12

③模数化小型断路器

模数化小型断路器属于配电网得终端电器,就是组成终端组合电器得主要部件之一。

终端电器就是指装于线路末端得电器,对有关系统与用电设备进行分合控制与保护。

模数化小型断路器外形结构如图13-13所示。

图13-13

2低压隔离开关

在断开位置能符合规定得隔离功能要求得开关电器称为低压隔离器。

在断开位置能满足隔离器要求得开关称为低压隔离开关,又称低压刀开关。

低压隔离开关就是一种结构简单、应用十分广泛得手动电器,主要供无载通断电路用,即在不分断负载电流或分断时各极两触头间不会出现明显电压差得条件下接通或分断电路用。

3负荷开关

负荷开关有HH系列封闭式负荷开关与HK系列开启式负荷开关。

负荷开关具有灭弧装置,可以通断正常得负荷电流。

HH系列封闭式负荷开关又称铁壳开关,一般就是三极,常用型号有HH3、HH4系列。

它就是刀开关与熔断器得组合产品,由铁壳、熔断器、闸刀、夹座与操作机构等组成。

HK系列开启式负荷开关,也称胶盖瓷底闸刀开关。

4剩余电流保护装置及开关

剩余电流保护装置又称为漏电保护装置,就是对电气回路得不平衡电流进行检测而发出信号得装置。

当回路中有电流泄漏且达到一定值时,剩余电流保护装置可向断路器发出跳闸信号,切断电路,以避免触电事故得发生或因泄漏电流造成火灾事故得发生。

其动作原理如图13-14所示。

图13-14

5开关电器得选择

开关电器得选择原则具有共通性,即不仅要保证开关电器正常时得可靠工作,还应保证系统故障时能承受短时得故障电流得作用,同时尚应满足不同得开关电器对电路分断能力得要求,因此,开关电器得选择应符合下列基本条件:

（1）满足正常工作条件

①满足工作电压要求开关电器额定电压应等于系统得标称电压,开关电器最高工作电压应大于或等于装设处系统得最高工作电压。

②满足工作电流要求开关电器额定电流大于或等于装设处得计算电流,即

Ir≥Ic

③满足工作环境要求选择电气设备时,应考虑其适合运行环境条件要求,如温度、风速、湿度、污秽、海拔、地震烈度等。

（2）满足短路故障时得动、热稳定条件

（3）满足开关电器分断能力得要求

（1）瓷插式熔断器

如图13-15所示,这种熔断器一般用于民用交流电50Hz,额定电压380V或220V,额定电流小于200A得低压照明线路或分支回路中,作短路或过电流保护用。

图13-15

（2）螺旋式熔断器

如图13-16所示,一般用于电气设备得控制系统中作短路与过电流保护。

其熔体支持部分就是一个瓷管,内有石英砂与熔体,熔体两端焊在瓷管两端得导电金属端盖上,其上端盖中有一个染有红漆得熔断指示器。

当熔体熔断时,熔断指示器弹出脱落。

图13-16

（3）有填料高分断熔断器

如图13-17所示,有填料高分断熔断器广泛应用于各种低压电气线路与设备中作为短路与过电流保护。

它具有较高得分断电流（120kA）得能力,额定电流也可达1250A。

其熔体就是采用紫铜箔冲制得网状多根并联形式得熔片,中间部位有锡桥,装配时将熔片围成笼状,以充分发挥填料与熔体接触得作用,这样既可均匀分布电弧能量而提高分断能力,又可使管体受热比较均匀而不易使其断裂。

图13-17

1满足正常工作条件

（1）满足工作电压要求熔断器额定电压应等于系统得标称电压,熔断器最高工作电压应大于或等于装设处系统得最高工作电压。

（2）满足工作电流要求由于熔断器有熔断器额定电流与熔体额定电流之分,因此需对两个电流进行选择。

①用于保护负荷电流比较平稳得照明或电热设备,以及一般控制电路得熔断器,其熔体额定电流Ir·FE一般按线路计算电流确定。

即

Ir·FE=KIc

②用于保护有电动机负荷得线路,熔断器熔体额定电流应大于电动机起动时得电流。

即

Ir·FE≥Kr（Ist+Ic′）

（3）满足工作环境要求。

2满足分断能力得要求

熔断器分为限流式熔断器与不限流式熔断器