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电力系统基础知识,寸草塔煤矿机电队张超,1 电力系统概述2 电力负荷的计算 3 变电所位置及变压器台数和容量选择 4 变配电所高低压一次设备 5 变配电所的主电路图 6 低压供配电线路的接线方式 7 供电系统的防雷与接地,1 电力系统概述1.1电力系统的构成 1）一个完整的电力系统由分布各地的各种类型的发电厂、升压和降压变电所、输电线路及电力用户组成，它们分别完成电能的生产、电压变换、电能的输配及使用。,2）电力网络或电网 指电力系统中除发电机和用电设备之外的部分,即电力系统中各级电压的电力线路及其联系的变配电所。 3）动力系统 指电力系统加上发电厂的“动力部分”。 “动力部分”包括水力发电厂的水库、水轮机，热力发电厂的锅炉、汽轮机、热力网和用电设备，以及核电厂的反应堆等等。总结：电力网络是电力系统的一个组成部分，而电力系统又是动力系统的一个组成部分，这三者的关系也示于图1-1。,图1-1 动力系统、电力系统、电力网络示意图,1.2电力系统的电压1. 三相交流电网和电力设备的额定电压根据受电设备和供电设备的额定电压，国标GB/T1562007标准电压规定了交流电力网和电力设备的额定电压等级。 1） 电网(电力线路)的额定电压电网的额定电压是确定其它一切电力设备额定电压的基本依据，它是国家根据国民经济发展的需要以及电力工业的现有水平，经过全面的技术分析后确定的。三相交流电网和电力设备常用的额定电压如表1.1所示。,表1.1 我国交流电力网和电气设备的额定电压,2） 电力设备的额定电压 用电设备的额定电压规定与同级电网的额定电压相同。 发电机的额定电压规定高于同级电网额定电压的5， 以补偿线路上的电压损失。 变压器的额定电压分为一次绕组额定电压和二次绕组额定电压。（1） 变压器一次绕组额定电压分两种情况：当变压器直接与发电机相连时，如图1.2中的变压器T1，其额定电压与发电机额定电压相同，即高于同级电网额定电压的5；当变压器连接在线路上时，如图1.2中的变压器T2，成为电网上的一个负荷，其一次绕组额定电压与电网额定电压相同。,图1.2 电力变压器的额定电压说明,（2） 变压器的二次绕组额定电压也分两种情况：当变压器二次侧供电线路较长时，如图1.2中的变压器T1，其额定电压应高于同级电网额定电压的10，5%用来补偿变压器二次绕组的内阻抗压降，5%用来补偿线路上的电压损失；当变压器二次侧供电线路不太长时，如图1.2中的变压器T2， 其额定电压只需高于电网额定电压的5即可，用于补偿变压器内部的电压损耗。,图1.2 电力变压器的额定电压说明,2. 电压分类及高低电压的划分按国标规定， 额定电压分为三类： 第一类额定电压为100 V及以下，如12 V、24 V、36 V等， 主要用于安全照明、潮湿工地建筑内部的局部照明及小容量负荷。 第二类额定电压为100 V以上、1000 V以下，如127 V、 220 V、380 V、600 V等，主要用作低压动力电源和照明电源。,第三类额定电压为1 kV以上， 有6 kV、10 kV、35 kV、 110 kV、220 kV、330 kV、 500 kV、750 kV等，主要用于高压用电设备、发电及输电设备。 在电力系统中，通常把1 kV以下的电压称为低压，1 kV以上的电压称为高压，220 kV以上的电压称为超高压，1000 kV以上的电压称为特高压。三相电力设备的额定电压不作特别说明时均指线电压。,1.3供电系统配电电压的选择1 高压配电电压的选择供电系统的高压配电电压主要取决于当地供电电源电压以及高压用电设备的电压、容量和数量等因素。中、 小型工厂采用的高压配电电压通常为610 kV，从技术经济指标来看，最好采用10 kV配电电压。由于同样的输送功率和输送距离条件下，配电电压越高，线路电流越小，线路所采用的导线或电缆截面越小，因而采用10 kV配电电压可以减少线路的初投资和金属消耗量，还可以减少线路的电能损耗和电压损耗。从设备的选型及将来的发展来说，10 kV更优于6 kV。 对于一些厂区面积大、负荷大且集中的大型厂矿，如厂区的环境条件允许，可采用35220 kV架空线直接深入工厂负荷中心配电， 这样可以分散建立总降压变电所，简化供电环节，节约有色金属， 降低功率损耗和电压损失。,2 低压配电电压的选择供电系统的低压配电电压一般采用220/380 V的标准电压等级，但在某些特殊的场合如矿井，因负荷中心远离变电所，为保证负荷端的电压水平故采用660 V电压作为配电电压， 这样不仅可以减少线路的电压损耗，降低线路有色金属消耗量， 而且能够增加配电半径，提高供电能力，简化供配电系统。 另外，在某些场合，由于安全的原因，可以采用特殊的安全低电压配电。,1.4 供电系统的质量指标 1 电压的质量要求国家标准GB 123252008电能质量 供电电压偏差规定了不同电压等级的允许电压偏差的限值： 35 kV及以上供电电压 正、 负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%；20 kV及以下三相供电电压偏差为标称电压7%；220 V单相供电电压偏差为标称电压的+7%、 -10%。 对供电点容量较小，供电距离较长以及对供电电压偏差有特殊要求的用户，由供、用电双方协议确定。,2 频率的要求我国规定的额定电压频率为50 Hz，大容量系统允许的频率偏差为0.2 Hz，中、小容量系统允许的频率偏差为0.5 Hz。 频率的调整主要由发电厂进行。电力系统的频率指标由电力系统给予保证。 ,3 供电的可靠性要求保证供电系统的安全可靠性是电力系统运行的基本要求。 所谓供电的可靠性，是指确保用户能够随时得到供电。这就要求供配电系统的每个环节都安全、可靠运行，不发生故障，以保证连续不断地向用户提供电能。 不同的用户对供电可靠性的要求是不一样的。根据对供电可靠性的要求及中断供电造成的损失或影响的程度，将电力用户负荷分为三类。,1） 一级负荷一级负荷是指中断供电将造成人身伤亡危险，或造成重大设备损失且难以修复，或给国民经济带来重大损失，或在政治上造成重大影响的电力负荷。 矿井一级电力负荷有主要通风机、井下主排水设备、下山开采的采区排水设备升降人员的主井提升机、抽放瓦斯设备（包括井下移动抽放泵站设备）。一级负荷要求由两个独立电源供电，当其中一个电源发生故障时， 另一个电源应不致同时受到损坏。对一级负荷中特别重要的负荷，除上述两个电源外， 还必须增设应急电源。 常用的应急电源有：独立于正常电源的发电机组、专门的供电线路、 蓄电池、干电池等。,2） 二级负荷 二级负荷是指中断供电将在政治、经济上造成较大损失的电力负荷， 如主要设备损坏、大量产品报废、 连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。 矿井的二级电力负荷有主井提升机、经常升降人员的斜井提升设备、副井井口及井底操车设备、主要空气压缩机、主井装卸设备、大巷带式输送机、井下主要电机车运输设备、井下运输信号系统、矿井信息系统、安全监测及生产监控设备、综合机械化采煤及其运输设备、矿灯充电设备、矿井行政通信及调度通信设备、井筒保温及其供热设备、有热害矿井的制冷站设备、运煤索道的驱动机、配有备用泵的消防泵、无事故排出口的矿井污水泵、地面生产系统、生产流程中的照明设备、铁路装车设备、单台蒸发量为4t/h以上的锅炉。,二级负荷要求由双回路供电，供电变压器也应有两台，当其中有一条回路或一台变压器发生常见故障时，二级负荷应不致中断供电，或中断供电后能迅速恢复供电。 3） 三级负荷三级负荷为一般电力负荷， 所有不属于上述一、二级负荷者均为三级负荷。 由于三级负荷为不重要的一般负荷， 因而它对供电电源无特殊要求。,2 电力负荷的计算,2.1 计算负荷及设备容量1. 计算负荷的概念 根据用电设备的安装容量，采用一定的计算方法得出的负荷，称为计算负荷。计算负荷是一个假想负荷，其热效应和实际负荷产生的热效应相等。 如以计算负荷连续运行，根据计算负荷选择的电气设备和导线电缆其发热温度不会超过允许值。,导体通过电流达到稳定温升的时间大约为(34)，为发热时间常数。 截面在16 mm2及以上的导体，其10 min。 因此，载流导体大约经30 min后可达到稳定温升值，计算负荷也就是半小时最大负荷。分别用P30、Q30、S30和I30表示有功计算负荷、无功计算负荷、视在计算负荷和计算电流。 计算负荷是分析和设计供电系统的基础，是选择供电系统导线、变压器、开关电器等设备的依据。如计算负荷过大， 则将使电器和导线电缆选得过大，造成投资和有色金属的浪费； 如计算负荷过小，又将使电器和导线电缆处于过负荷下运行， 增加电能损耗，产生过热，导致绝缘过早老化甚至烧毁。因此， 正确确定计算负荷意义重大。,2. 设备容量的确定采用需要系数法确定计算负荷时，首先要知道设备的容量Pe。设备容量与设备的工作制有关，设备容量不一定就是设备铭牌上所标定的额定容量。 因此，当统计设备的安装容量时， 不能将铭牌上的额定功率直接相加，而应按不同的工作性质将用电设备分组，再将不同负荷持续率下的额定功率换算为统一持续率下的功率，这就是设备容量。 1） 长期连续运行工作制采用长期连续运行工作制的设备工作时间长，连续运行， 绝大多数用电设备都属于这一类设备， 如风机、泵类、机床、 照明等。 这类设备的设备容量就是设备铭牌上的额定容量。,2） 短时运行工作制采用短时运行工作制的设备工作时间短，停歇时间长， 如船闸电动机、机床中的辅助电动机等，其设备容量按铭牌额定容量计算。 3） 断续周期工作制继续周期工作制也称反复短时工作制，采用这种工作制的设备时而工作，时而停歇，反复运行， 如吊车用电动机、 电焊机等，其设备容量是将所有设备在不同负载持续率下的铭牌额定容量换算到一个统一的负荷持续率下的功率之和。 断续周期工作制的用电设备常用的有电焊机和吊车电动机。,2.2 按需要系数法确定计算负荷1. 三相用电设备组计算负荷的确定用电设备组是由工艺性质相同、需要系数相近的用电设备合并组成的。 用电设备组的计算负荷是指用电设备组从供电系统中取用的半小时最大负荷， 其基本公式为,（2.1）,Kd为需要系数，反映用电设备组中投入运行的设备性质、 容量、线路损耗、设备效率及操作人员的技能等诸多因素， 是一个综合系数。用电设备组设备台数较少时，Kd值适当取大些，如只有12台设备时，取Kd1。当只有一台电动机时， P30=PN/, PN为电动机额定容量，为电动机的效率。Pe为用电设备组中各设备容量之和（不包括备用设备）。,在求出有功计算负荷P30后，可按下列各式分别求出无功计算负荷、 视在计算负荷和计算电流。 无功计算负荷为,（2.2）,式中：tan为对应于用电设备组cos的正切值。视在计算负荷为,（2.3）,式中：cos为用电设备组的平均功率因数。,计算电流为,（2.4）,式中:UN为用电设备组的额定电压。 负荷计算中常用的单位：有功功率为“千瓦”(kW)，无功功率为“千乏”(kvar)，视在功率为“千伏安”(kVA)，电流为“安”(A)， 电压为“千伏”(kV)。,2 多组用电设备计算负荷的确定确定拥有多组用电设备的干线上或车间变电所低压母线上的计算负荷时，应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的情况。因此，在确定多组用电设备的计算负荷时，应结合具体情况对其有功负荷和无功负荷分别计入一个同时系数Kp、 Kq，则计算负荷为,（2.5）,以上两式中的P30,i和Q30, i分别为各组设备的有功和无功计算负荷之和。对车间干线取Kp=0.850.95，Kq=0.900.97；对车间母线取Kp=0.900.95，Kq=0.930.97。 注意：由于各组设备的功率因数不一定相同，因此总的视在计算负荷和计算电流一般不能用各组的视在计算负荷或计算电流之和来计算。此外，在计算多组设备总的计算负荷时，为了简化和统一，各组的设备台数不论多少，各组的计算负荷均按供电设计手册所列的计算系数来计算，而不必考虑设备台数少而适当增大Kd和cos值的问题。,3 .确定全厂计算负荷的方法1） 按逐级计算法确定全厂计算负荷从计算低压用电设备的负荷开始，逐级向电源方向计算， 只需要在每级配电点乘以同时系数Kp、Kq，然后再考虑变压器的功率损失：,（2.6）,式中，为变压器高、低压侧计算负荷；、为变压器有功、无功损耗，按经验估算值为,（2.7）,最后确定出工厂总计算负荷。,2） 按不同工厂的需要系数确定全厂计算负荷 首先确定全厂总设备容量，再乘以工厂的需要系数Kd，就得到该厂的计算负荷。,（2.8）,其中查有关工厂需要系数的资料。,3） 按年产量估算工厂计算负荷,按年产量估算工厂计算负荷为,（2.9）,式中，M为工厂年产量；W为单位产品耗电量；TM为工厂年最大有功负荷利用小时数，查有关资料。,2.3 工厂的功率因数、无功补偿及补偿后的工厂计算负荷 1 工厂常用的几种功率因数1） 瞬时功率因数瞬时功率因数可由功率因数表直接测量，亦可由功率表、 电流表和电压表的读数按下式求出,（2.10）,式中: P为功率表测出的三相功率读数(kW)；I为电流表测出的线电流读数(A)；U为电压表测出的线电压读数(kV)。 瞬时功率因数只用来了解和分析工厂或设备在生产过程中无功功率的变化情况，以便采取适当的补偿措施。,2） 平均功率因数平均功率因数亦称加权平均功率因数， 按下式计算,（2.11）,式中: Wp为某一时间内消耗的有功电能，由有功电度表读出； Wq为某一时间内消耗的无功电能，由无功电度表读出。 我国电业部门每月向工业用户收取电费， 就规定电费要按月平均功率因数的高低来调整。,3） 最大负荷时的功率因数最大负荷时的功率因数指在年最大负荷(即计算负荷)时的功率因数，按下式计算,（2.12）,我国电力规程规定：高压供电的用户功率因数应达到0.90以上，其它电力用户功率因数应为0.85以上； 同时还规定，凡功率因数未达到上述规定的，应增添无功补偿装置。 这里所指的功率因数为最大负荷时的功率因数。,2. 无功功率补偿 达不到规定的工厂功率因数要求时，则需要考虑人工补偿。人工补偿最普遍采用的方法是并联电容器来提高功率因数。 要使功率因数由cos提高到cos，必须装设的无功补偿装置容量为,（2.13）,式中，称为无功补偿率，表示要使1kW的有功功率由提高到所需要的无功补偿容量kvar值。,3无功补偿后的工厂计算负荷 工厂(或车间)装设了无功补偿装置以后，则在确定补偿装置装设地点以前的总计算负荷时，应扣除无功补偿的容量，即总的无功计算负荷,（2.15）,补偿后总的视在计算负荷,（2.16）,3 变电所位置及变压器台数和容量选择,3.1 变配电所的所址选择确定变电所位置时，应考虑以下因素： 尽量接近负荷中心； 进出线方便； 接近电源侧； 设备运输方便； 不应设在有剧烈振动或高温的场所； 不宜设在多尘或有腐蚀性气体的场所； 不应设在有爆炸危险环境的正上方或正下方，且不宜设在有火灾危险环境的正上方或正下方； 保证供电安全，便于今后发展。 其中，变配电所接近负荷中心是最重要的。, 实际上影响变电所位置选择的因素很多，如厂区建筑、 车间布置、供电部门的要求等，都可能制约变电所位置的选择。 因此，应结合实际情况，进行技术、经济比较，选出较为理想的变电所位置。,3.2 变电所主变压器台数和容量的选择1. 变电所主变压器台数的选择 选择主变压器台数时应考虑下列原则： （1） 应满足用电负荷对供电可靠性的要求。对供有大量一、二级负荷的变电所，宜采用两台变压器，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。 对只有二级而无一级负荷的变电所，也可以只采用一台变压器， 但必须在低压侧敷设与其它变电所相连的联络线作为备用电源。 （2）对季节性负荷或昼夜负荷变动较大而宜于采用经济运行方式的变电所，可考虑采用两台变压器。,2. 变电所主变压器容量的选择 1) 只装一台主变压器的变电所主变压器容量ST应满足全部用电设备总计算负荷S30的需要， 即,（3.6）,2) 装有两台主变压器的变电所每台变压器的容量ST应同时满足以下两个条件： （1） 任一台变压器单独运行时，宜满足总计算负荷S30的大约6070的需要，即,（3.7）,（2） 任一台变压器单独运行时， 应满足全部一、 二级负荷S30(+)的需要，即,（3.8）,3) 车间变电所主变压器单台容量的选择车间变电所主变压器的单台容量，一方面受到低压断路器断流能力和短路稳定度的限制，另一方面考虑到应使变压器更接近于车间负荷中心，因此容量一般不宜大于1250kVA。,4 变配电所高低压一次设备,变配电所中承担输送和分配电能任务的电路称为一次电路或称主电路(主接线)。一次电路中所有的电气设备称为一次设备或一次元件。 一次设备按其功能分为以下几类： （1） 变换设备，其功能是按电力系统工作的要求来改变电压或电流，例如电力变压器、电流互感器、电压互感器等。 (2) 控制设备，其功能是按电力系统工作的要求来控制一次电路的通、断，例如各种高低压开关。,(3) 保护设备，其功能是用来对电力系统进行过电流和过电压等的保护，例如熔断器和避雷器等。 (4) 成套设备， 它是按一次电路接线方案的要求，将有关一次设备及二次设备组合为一体的电气装置，例如高压开关柜、 低压配电屏、 动力和照明配电箱等。 ,4.1 高压一次设备1. 高压断路器QF1) 高压断路器的功能高压断路器是高压电器中最重要的设备， 是电力系统一次设备中起控制和保护作用的关键电器。高压断路器在电网中起两方面的作用：一是控制作用， 即根据电网运行的需要，将部分电气设备或线路投入或退出运行；二是保护作用，即在电气设备或电力线路发生故障时，继电保护自动装置发出跳闸信号，起动断路器，将故障部分设备或线路从电网中迅速切除，确保电网中无故障部分电路的正常运行。 ,2) 高压断路器的分类高压断路器一般按灭弧介质的不同分为： (1) 油断路器，指采用变压器油作为灭弧介质的断路器。 它又分为多油断路器和少油断路器。多油断路器的油除了作灭弧介质和触头开断后的绝缘外，还作为带电部分对地的绝缘。 少油断路器的油只作为灭弧介质和触头开断后的绝缘，而带电部分对地绝缘采用瓷件或其他介质。和多油断路器相比，少油断路器具有用油量少，体积小，重量轻，运输安装方便， 有利于防火等优点。 在610 kV户内配电装置中常用的有SN1010型少油断路器。,(2) 真空断路器，指采用真空的高绝缘强度来灭弧的断路器。这种断路器的动静触头密封在真空泡内，利用真空作为灭弧介质和绝缘介质。它的特点是体积小，寿命长，维修工作量小，主要用于频繁操作的场所。常用的真空断路器有ZN1212、 ZN28A12型户内高压真空断路器，其外形如图4.1所示。,图4.1 ZN1212型户内高压真空断路器,(3) 六氟化硫(SF6)断路器，指利用具有优异的绝缘性能和灭弧性能的SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质的断路器。SF6气体是无色、无臭、不燃烧、无毒的惰性气体，它的绝缘能力约高于空气2.5倍，而灭弧能力则高达百倍。SF6断路器比少油断路器串联断口要少，可使制造、安装、调试和运行比较方便和经济。它的特点是灭弧能力强，绝缘强度高，开断电流大， 燃弧时间短， 检修周期长，断开电容电流或电感电流时无重燃，过电压低等。SF6断路器主要用于需频繁操作及有易燃、 易爆危险的场所，特别用于全封闭组合电器中。常用的SF6断路器为LN2型。 真空断路器、六氟化硫断路器是现在和未来重点发展与使用的断路器。,2. 隔离开关QS1) 隔离开关的功能 隔离开关的作用主要有以下三方面： (1) 隔离电源，保证安全。利用隔离开关将高压电气装置中需要检修的部分与其他带电部分可靠隔离， 隔离开关断开后有明显可见的断开间隙， 能充分保证人身和设备的安全。,(2) 倒闸操作。隔离开关经常用来进行电力系统运行方式改变时的倒闸操作。例如，当主接线为双母线时，利用隔离开关将设备或线路从一组母线切换到另一组母线。 特别强调，隔离开关没有专门的灭弧装置，在任何情况下，均不能接通或切断负荷电流和短路电流，并应设法避免可能发生的误操作。 当隔离开关与断路器配合操作时，其顺序应为：断电时， 先拉开断路器，再拉开隔离开关；送电时，先合隔离开关， 再合断路器。总之，隔离开关与断路器配合操作时，隔离开关必须在断路器处于断开（分闸）位置时才能进行操作。,2) 隔离开关的分类按装设地点的不同， 隔离开关分为户内和户外两种。 户内隔离开关（型号为GN）的额定电压一般在35 kV以下。 工厂供配电系统常用的高压户内隔离开关为GN19、 GN22和GN24型等， 其外形如图4.2所示。,图4.2 GN2212户内高压隔离开关,户外隔离开关（型号为GW）由于触头暴露在大气中， 工作条件比较恶劣，因而一般要求有较高的绝缘等级和机械强度。户外隔离开关的额定电压一般在35 kV以上，常用的有GW435G（D）和GW4110D型。,3. 高压负荷开关QL 1) 高压负荷开关的功能高压负荷开关具有简单的灭弧装置， 因此能通断一定的负荷电流和过负荷电流。 但它不能断开短路电流，负荷开关断开后，与隔离开关一样， 具有明显可见的断开间隙，因此， 它也具有隔离电源、保证安全检修的功能。 它一般与高压熔断器串联使用，借助熔断器来进行短路保护。,2) 高压负荷开关的分类高压负荷开关按安装地点的不同分为户内式和户外式； 按灭弧方式的不同分为产气式、压气式、油浸式、真空式和SF6式。高压负荷开关目前主要用于10 kV及以下配电系统中， 常用的型号有户内压气式FN210(R)型、FN310(R)型（R表示带有熔断器）和户外产气式的FW510型等。户内高压真空负荷开关ZFN2110的外形如图4.3所示。,图4.3 高压真空负荷开关,4. 高压熔断器1) 熔断器的功能 熔断器FU是最简单和最早使用的一种保护电器，它串联在电路中使用，当所在电路短路或过载时，熔断器自动断开电路， 使其它电气设备得到保护。,2) 熔断器的分类熔断器按安装地点不同，分为户内式和户外式按电压的高低，分为高压熔断器和低压熔断器；按灭弧方式及结构特点的不同，分为瓷插式、封闭填料式和产气纵吹式等。目前常见的户内高压熔断器有RN1、 RN2、 RN3、 RN5和RN6等管式熔断器，用于635 kV的户内配电装置中， 其外形见图4.4。 它们均为填充石英砂的限流式熔断器。,图4.4 高压限流式熔断器,5. 高压开关柜高压开关柜是按一定的线路方案将有关一、 二次设备组装在一起而形成的一种高压成套配电装置， 在发电厂和变配电所中用于控制和保护发电机、变压器和高压线路，也可用于大型高压交流电动机的起动和保护，其中安装有高压开关设备、保护电器、监测仪表和母线、绝缘子等。 高压开关柜内配用的主开关为真空断路器、SF6断路器和少油断路器。目前少油断路器已逐渐被真空断路器和SF6断路器所取代。,4.2 低压一次设备1. 低压熔断器低压熔断器的功能主要是实现低压配电系统的短路保护， 有的熔断器也能实现过负荷保护。,2. 低压刀开关QK低压刀开关的分类方式很多。 低压刀开关按其操作方式分，有单投和双投两种；按其极数分，有单极、双极和三极三种；按其灭弧结构分，有不带灭弧罩和带灭弧罩两种。 不带灭弧罩的刀开关一般只能在无负荷下操作， 作隔离开关使用。,3. 低压负荷开关QL低压负荷开关是由带灭弧装置的刀开关与熔断器串联组合而成、 外装封闭式铁壳或开启式胶盖的开关电器。 低压负荷开关具有带灭弧罩刀开关和熔断器的双重功能， 既可带负荷操作， 又能进行短路保护。,4. 低压断路器QF低压断路器又称低压自动开关。它既能带负荷通断电路，又能在短路、过负荷和低电压(或失压)时自动跳闸， 其功能与高压断路器类似。 配电用低压断路器按保护性能分，有非选择型和选择型两类。非选择型断路器一般为瞬时动作，只作短路保护用；也有的为长延时动作，只作过负荷保护用。选择型断路器分为两段保护、三段保护和智能化保护。两段保护分为瞬时（或短延时）与长延时特性两段。三段保护分为瞬时、短延时与长延时特性三段。其中瞬时和短延时特性适于短路保护，而长延时特性适于过负荷保护。智能化保护断路器的脱扣器的微机控制，其保护功能更多，选择性更好。,配电用低压断路器按结构形式分，有塑料外壳式和万能式两大类。 塑料外壳式断路器的外形如图4.5所示。万能式断路器的外形如图4.6所示。,图4.5 塑料外壳式断路器,图4.6 DW45系列智能型万能断路器,5. 低压配电屏低压配电屏是按一定的线路方案将有关一、 二次设备组装在一起而形成的一种低压成套配电装置， 在低压配电系统中作动力和照明配电之用。低电配电屏的每个柜中分别装有自动空气开关、 刀开关、接触器、 熔断器、 仪用互感器、 母线以及信号和测量装置等设备。 低压配电屏的结构型式，有固定式和抽屉式两大类，不过抽屉式价格昂贵，一般中小工程多用固定式。,表4.1 常用一次设备的图形符号和文字符号,表4.1 常用一次设备的图形符号和文字符号,5 变配电所的主电路图,5.1 概述主电路图是指变电所中一次设备按照设计要求连接起来，表示供配电系统中电能输送和分配路线的电路图，亦称为主接线图或一次电路图。主电路图一般绘成单线图，图中设备用标准的图形符号和文字符号表示。 主电路图的形式将影响配电装置的布局、供电的可靠性、 运行的灵活性以及二次接线、继电保护等问题。 典型的电气主电路图可分为有母线和无母线两种形式。 有母线主电路图主要包括单母线接线和双母线接线方式；无母线主要有桥形接线等方式。,5.2 电气主电路图的基本形式1. 单母线接线,如图5.1所示，单母线接线的特点是整个配电装置只有一组母线，所有电源进线和出线都接在同一组母线上。 每一回路均装有断路器QF和隔离开关QS。断路器用于在正常或故障情况下接通与断开电路，隔离开关当停电检查断路器时作为隔离电器隔离电压。 ,单母线接线的特点是接线简单，操作方便，投资少，便于扩建；但可靠性和灵活性较差，当母线和母线隔离开关检修或故障时，各支路都必须停止工作，当引出线的断路器检修时，该支路要停止供电。因此，单母线接线不能满足不允许停电的重要用户的供电要求，只适用于不重要负荷的中、小容量的变电所。,图5.1 单母线接线,2. 单母线分段接线如图5.2所示，当引出线数目较多时，为提高供电可靠性，可用断路器将母线分段，即采用单母线分段接线方式。 正常工作时，分段断路器可以接通也可以断开。 如果正常工作时分段断路器QF是接通的，则当任意段母线故障时，母线继电保护动作跳开分段断路器和接至该母线段上的电源断路器， 这样非故障母线段仍能工作。 当一个分段母线的电源断开时， 连接在该母线上的出线可通过分段断路器QF从另一段母线上得到供电。 如果正常工作时分段断路器QF是断开的，则当一段母线故障时，连在故障母线段上的电源断路器在继电保护的作用下跳开，非故障母线段仍能照常工作；但当一分段母线的电源断开时， 连接在该母线上的出线会全部停电。,图5.2 单母线分段接线,3. 双母线接线如图5.3所示，双母线接线有两组母线(母线和母线)，两组母线之间通过母线联络断路器QF(以下简称母联断路器)连接；每一条引出线和电源支路都经一台断路器与两组母线隔离开关分别接至两组母线上。,图5.3 双母线接线,双母线接线的特点为： (1) 可轮流检修母线而不影响正常供电。 (2) 检修任一母线侧隔离开关时， 只影响该回路供电。 (3) 工作母线发生故障后， 所有回路短时停电并能迅速恢复供电。 (4) 出线回路断路器检修时，该回路要停止工作。 双母线接线有较高的可靠性，广泛用于出线带电抗器的610 kV配电装置中，当3560 kV配电装置的出线数超过8回和110 kV配电装置的出线数为5回及以上时，也采用双母线接线。,4. 桥形接线如图5.4所示，桥形接线适用于仅有两台变压器和两条出线的装置中。桥形接线仅用三台断路器，根据桥回路(QF3)的位置不同，可分为内桥和外桥两种接线方式。桥形接线正常运行时， 三台断路器均闭合工作。,图5.4 桥形接线 (a) 内桥接线； (b) 外桥接线,1) 内桥接线 内桥接线如图5.4（a）所示，桥回路置于线路断路器内侧(靠变压器侧)，此时线路经断路器和隔离开关接至桥接点， 构成独立单元。而变压器支路只经隔离开关与桥接点相连，是非独立单元。,内桥接线的特点为： (1) 线路操作方便。如线路发生故障，仅故障线路的断路器跳闸，其余三回路可继续工作，并保持相互的联系。 (2) 正常运行时变压器操作复杂。如变压器T1检修或发生故障，则需断开断路器QF1、QF3，使未故障线路L1供电受到影响，需经倒闸操作，拉开隔离开关QS1后，再闭合QF1、QF3才能恢复线路L1工作， 这将造成该侧线路的短时停电。,(3) 桥回路故障或检修时全厂分列为两部分，使两个单元之间失去联系；同时，出线断路器故障或检修时，造成该回路停电。 内桥接线适用于较小容量的发电厂，对一、二级负荷供电，并且变压器不需要经常切换运行或线路较长、故障率高的变电所。,2) 外桥接线如图5.4（b）所示，桥回路置于线路断路器外侧(远离变压器侧)，此时变压器经断路器和隔离开关接至桥接点，构成独立单元；而线路支路只经隔离开关与桥接点相连，是非独立单元。 外桥接线的特点为： (1) 变压器操作方便。当变压器发生故障时，仅故障变压器回路的断路器自动跳闸，其余三回路可继续工作，并保持相互的联系。,(2) 线路投入与切除时，操作复杂。当线路检修或发生故障时，需断开两台断路器，并使该侧变压器停止运行，需经倒闸操作恢复变压器工作，这会造成变压器短时停电。 (3) 当桥回路发生故障或检修时全厂分列为两部分，使两个单元之间失去联系。当出线侧断路器发生故障或检修时， 造成该侧变压器停电。 外桥接线适用于容量较小的发电厂，对一、二级负荷供电，并且线路较短、故障率小或变压器需要经常切换的变电所。,5.3 车间（或小型工厂）变电所的主电路图,1. 只装有一台主变压器的小型变电所主电路图只有一台主变压器的小型变电所， 其高压侧一般采用无母线接线。高压侧采用隔离开关断路器的变电所主电路如图5.5所示。这种主电路由于采用了高压断路器，因而变电所的停、送电操作十分灵活方便。同时，高压断路器都配有继电保护装置，在变电所发生短路和过负荷时均能自动跳闸。由于只有一路电源进线，因而此种接线一般只用于三级负荷； 如果变电所低压侧有联络线与其它变电所相连，则可用于二级负荷。,图5.5 高压侧采用隔离开关断路器的变电所主电路,2. 装有两台主变压器的小型变电所主电路图高压侧无母线、低压侧单母线分段的变电所主电路如图5.6所示。这种主电路的供电可靠性较高。当任一主变压器或任一电源线停电检修或发生故障时，该变电所通过闭合低压母线分段开关，即可迅速恢复对整个变电所的供电。这种主电路可供一、二级负荷。 ,图5.6,高压侧单母线、低压侧单母线分段的变电所主电路如图5.7所示。这种主电路适用于装有两台及以上主变压器或具有多路高压出线的变电所，其供电可靠性也较高。当任一主变压器检修或发生故障时，通过切换操作，可很快恢复整个变电所的供电，此电路可供二、三级负荷；有联络线时，可供一、 二级负荷。,图5.7,5.4 总降压变电所主电路图对于电源进线电压为35 kV及以上的大、中型工厂，通常先经工厂总降压变电所将电压降为610 kV的高压配电电压， 然后经车间变电所降为一般用电设备所需的电压(如220 V/380 V)。工厂总降压变电所一般设变压器12台，电源进线12回，电压为35110 kV/610 kV。,1. 一次侧采用桥形接线、 二次侧采用单母线分段的总降压变电所主电路一次侧采用桥形接线、二次侧采用单母线分段的总降压变电所主电路如图5.8所示。在这种主电路中，一次侧的高压断路器QF10跨接在两路电源进线之间，内桥形接线断路器处在线路断路器QF11和QF12的内侧，靠近变压器；外桥形接线断路器处在线路断路器QF11和QF12的外侧，靠近电源方向。这种主电路的运行灵活性较好，供电可靠性较高， 适用于一、二级负荷的工厂。,图5.8 一次侧采用内桥形接线、二次侧采用单母线分段的 总降压变电所主电路,2. 一次、 二次侧均采用单母线分段的总降压变电所主电路一、 二次侧均采用单母线分段的总降压变电所主电路如图5.9所示， 这种主电路兼有上述桥式接线运行灵活的优点， 但所用高压开关设备较多， 可供一、 二级负荷， 适于一、 二次侧进出线较多的总降压变电所。,图5.9 一、 二次侧均采用单母线分段的总降压变电所主电路,6 低压供配电线路的接线方式,6.1 放射式接线图6.1所示为低压放射式接线。此接线方式由变压器低压母线上引出若干条回路，再分别配电给各配电箱或用电设备。 放射式接线的特点是：供电线路独立，引出线发生故障时互不影响， 供电可靠性较高，但是一般情况下有色金属消耗量较多， 采用的开关设备也较多。放射式接线多用于设备容量大或对供电可靠性要求较高的场合，例如大型消防泵、电热器、 生活水泵和中央空调的冷冻机组等。,图6.1 低压放射式接线,6.2 树干式接线图6.2所示为两种常见的低压树干式接线。树干式接线从变电所低压母线上引出干线，沿干线再引出若干条支线， 然后再引至各用电设备。 树干式接线的特点正好与放射式接线相反。一般情况下，树干式接线采用的开关设备较少，有色金属消耗量也较少，但干线发生故障时的影响范围大，因此供电可靠性较低。树干式接线在机械加工车间、工具车间和机修车间中应用比较普遍，而且多采用成套的封闭型母线，使用灵活、方便，也比较安全，很适于供电给容量较小而分布较均匀的用电设备，如机床、小型加热炉等。图6.2(b)所示的“变压器干线组”接线还省去了变电所低压侧的整套低压配电装置， 从而使变电所结构大为简化， 投资大为降低。,图6.2 低压树干式接线(a) 低压母线放射式接线；(b) “变压器干线组”接线,图6.3(a)和(b)所示为一种变形的树干式接线，通常称为链式接线。链式接线的特点与树干式基本相同，适于用电设备彼此相距很近而容量均较小的次要用电设备。链式相连的设备一般不超过5台； 链式相连的配电箱不宜超过3台，且总容量不宜超过10 kW。,图6.3 低压链式接线(a) 连接配电箱； (b) 连接电动机,6.3 环形接线图6.4所示为由一台变压器供电的低压环形接线方式。 环形接线实质上是两端供电的树干式接线方式的改进型。 一个工厂内的一些车间变电所低压侧也可以通过低压联络线相互连接成为环形。环形接线供电可靠性较高，任一段上的线路发生故障或检修时，都不致造成供电中断；或只短时停电， 一但切换电源的操作完成，即能恢复供电。环形接线可使电能损耗和电压损耗减少，但是环形系统的保护装置及其整定配合比较复杂，如配合不当，容易发生误动作， 反而会扩大故障停电范围。,图6.4 低压环形接线,7 工厂供电系统的防雷与接地,7.1 工厂的防雷保护1. 雷电的危害雷电的破坏作用主要是雷电流引起的。雷电流是一种幅值很大、陡度很高的冲击波电流。 由雷电产生的过电压， 其电压幅值可高达上亿伏，电流幅值可高达几十万安培，对工厂供电系统、 生产设备和建筑物都会造成很大危害。雷电所造成的危害主要通过直击雷、 感应雷和雷电波侵入来实现。 (1) 直击雷又称为直接雷击，指雷电直接击在地面建筑物、供配电网络及设备上，其过电压引起强大的雷电流并通过这些物体烧毁或造成机械破坏。,(2) 感应雷是指雷电对设备、线路或其它物体的静电感应所引起的过电压现象。它会造成室内电线、金属管道、设备的空隙之间发生放电现象，引起火灾、爆炸并危及人身安全。 (3) 雷电波侵入。当雷云出现在架空线上方时，在线路上因静电感应而聚集有大量异性等量的束缚电荷。雷云向其它地方放电后，线路上的束缚电荷被释放成为自由电荷向线路两端行进，形成很高的过电压。这个高电压沿着架空线路、金属管道侵入室内，有可能击穿设备绝缘而损坏设备。,2. 防雷装置防直击雷采取的措施是引导雷云与避雷装置之间放电， 使雷电流迅速泄入大地，从而保护建(构)筑物免受雷击。防直击雷的避雷装置有避雷针、避雷带、避