1、第二章 低压配电系统,第一节 城市电网与低压配电系统第二节 低压系统按接地形式和带电导体形式分类第三节 常用低压配电电器第四节 低压系统短路电流计算第五节 低压配电线路的过电流保护第六节 低压配电线路带电导体截面选择,第一节 城市电网与低压配电系统,城网、农网、电气化铁路网等都是负荷中心电网，具有受端网的特征。供配电系统是受端网的最末部分。 本节在介绍城网的基础上，引出供配电系统和低压配电系统的概念。 从城网为出发，向上可深入到区域大电网，向下可延伸至用户网，是理解电力系统的一个很好的切入点。,一、城市电网简介为城市送电和配电的各级电网的总称，它服务于一座城市的市区及所属（部分）郊区，简称城网
2、。1、城网供电设施（1）城市变电所。指起变换电压等级、并起集中和分配电能作用的供电设施。（2）开关站。起接受和分配电能作用的配电设施，又称开闭所，不变换电压等级。,（3）公用变配电所。向低压电力用户供电的变配电所，与城市变电所原理类同，但在城网中所处地位不同。“公用”一词对应于“专用”。专用变配电所指用户自己建设运行的变配电所，而公用变配电所是供电企业建设运行的。,2、城市电网的电源向城市电网提供电能的设施统称为城市供电电源。（1）城市发电厂生产电能。（2）电源变电所接受域外输入的电能，一般是输变电系统的输电线路从远方大型发电厂输送过来的。新技术动态：分布式发电技术，使得一些用户自备发电站也成
3、为城市电网电源。,3、城市电网结构与电压层次,（1）送电网与枢纽变电所送电网是城网中电压等级最高的电网，大城市多已达到500kV，一般城市为220kV。送电网要求成环状网，一般要求成双环。送电网上功率（潮流）可双向输送，有调度作用。送电网上的城市变电所称为枢纽变电所。枢纽变电所中，接受域外电能或城市发电厂电能的变电所称为电源变电所。,（2）高压配电网枢纽变电所二次出线至区域变电所之间的电网，称为高压配电网，简称高配网。区域变电所是城市中一个较小范围的供电设施，供电半径在主城区一般不超过10km。500kV送电电压的城网中，高配网电压一般为220kV和110kV；220kV送电电压城网中，高配网
4、电压一般为110kV和35kV。高配网功率一般只单向流动，但也可能部分参与潮流调度。,（3）中压配电网从区域变电所二次出线，到公用或专用变配电所间的电网，叫中压配电网。中压配电网电压一般为10kV，也有少数为35kV（电压等级划分属于高压，但从网络中作用来说属于中压），现部分地区试运行20kV。中压配电网中通常设置有较多的10kV开闭所，起分级配电作用。中压配电网功率只单向流动，不参与潮流调度。,（4）低压配电网公用变电所二次出线至低压用户电表之间的电网，叫低压配电网。专用变电所二次出线后的电网，以及低压用户自身的电网，技术上也属于低压配电网，但不属于供电企业运行管理的范围。,二、供配电系统概
5、念技术角度看：指区域变电所以下的电网，或一般情况下指110kV及以下电网。工程实际角度看：指电力用户电网。特征：处于电力系统的最末端，以使用电能为主要任务，功率单向流动，不参与潮流调度。研究重点：配电、用电问题，部分涉及供电问题。学科背景：电气工程技术，终端用户技术。,三、低压配电系统最末端电网，电压220/380V，或380/660V。电源：公用或专用变配电所、自备发电站。负荷：用电设备。特点：一个电压等级。表达：单线图或多线图，以后者居多。,低压系统单线图表示,低压系统多线图表示,第二节 低压系统按接地形式和带电导体形式分类,一、术语解释（1）系统中性点。系统中与各输出端子间电压绝对值相等
6、的那一点。电源系统：发电机绕组、变压器二次绕组等。负载系统：电动机、硅整流装置等。中性点是一个电气上的点，与电路中的节点可能有对应关系，也可能没有。,（2）装置外露导电部分：正常时不带电，故障时可能带电的设备或装置的易触及的金属外壳。常简称设备金属外壳，或简称外壳。对II类防电击设备（后续介绍），不论外壳是否是金属材料，均可认为无外露导电部分。（3）装置外导电部分：指定场所中不属于电气装置组成部分的导体。如：场所中的金属水管，金属挂架等。,（4）中性线（N线）：与电源中性点连接、并能起传输电能作用的导线。旧称零线，不正确，坚决摒弃。（5）保护线（PE线）：为防止触电危害而用来与某些部分连接的导
7、线。旧称地线，不准确。某些部分：装置外露导电部分，装置外导电部分，中性点，接地点，等电位联接板等。 （6）保护中性线（PEN线）：具有N线和PE线双重功能的单一导线。,（7）固定式设备：牢固固定在一定位置处的设备。如：空调机、吊扇等。（8）移动式设备：正常工作时需要移动、或接有电源时仍易于移动的设备。如：坐地电风扇、电热油汀等。（9）手握式设备：工作时需要用手握住的移动式设备。如：电钻、吸尘器等。,二、低压系统按接地形式分类12系统。1电源系统接地情况：I不接地；（拉丁文Isolation隔离)T直接接地。（拉丁文Terre大地）2负载设备外露可导电部分接地情况：N与电源系统接地点连接；（拉丁
8、文Neutre中性）T直接接地，与电源系统地无人为电气联系。,有TN、TT、IT三种形式。1、TN系统又分为TN-S、TN-C、TN-C-S三种：-SSpare：PE线与N线是分开的。-CCombine：PE线与N线是合用的。-C-S混合形式。电源侧部分为TN-C，负荷侧部分为TN-S。,TN-S系统：PE线和N线自中性点后不能再有任何电气连接,TN-C系统 PE线与N线功能合二为一，称为PEN线,TN-C-S系统：重复接地非必须,重复接地,2、TT系统 注意单独接地和共同接地,与TN系统区别要点：系统地与设备地之间有无人为电气连接。,3、IT系统,IT系统可引出中性线，但大多不引出,三、低压
9、系统按带电导体形式分类与按接地形式分类辩异。X相X线制系统。“X相”指电源的相数，“X线”指正常工作情况下传输电能的导线数。PE线正常情况下不传输电能，因此有N线的TN-S系统、TN-C都是三相四线制系统，或单相二线制系统。IT系统一般不引出中性线，因此常为三相三线或单相二线制系统。TT系统多为三相四线制或单相二线制系统。,第一行：两相三线、单相三线，单相二线,第二行：三相四线、三相四线，三相三线,解释两绕组为什么是单相,第三节 常用低压配电电器,一、低压开关、隔离器开关：能承载、通断正常（含规定的过负荷）电流，并能在规定时间内承受短路电流冲击、但不能开断短路电流的机械电器。隔离器：在断开状态
10、符合规定隔离功能、能通断空载电路、且能承受正常电流和规定时间内短路电流的机械电器。隔离开关：在断开状态符合隔离器要求的开关。注意与中、高压电器名称的差异，不要混淆。,开关、隔离器、熔断器组合电器功能与图形符号,二、熔断器1、熔断器工作原理根据熔体受热所产生的物态变化，可分为四个阶段,1）固态温升。电流在熔体电阻上的损耗使熔体温度上升到金属熔化温度。2）定温熔化。从熔体开始熔化到全部熔化。3）液态温升。熔融金属液体温度上升至汽化。4）燃弧熄弧。熔体汽化出现断点，产生电弧，并最终熄弧。熔断与熔化：熔体一旦“熔化”，便不可逆回，但须“熔断”，保护才实现。熔化并不一定带来熔断。使熔体熔化的最小电流称为
11、熔化电流，使熔体熔断的最小电流称为熔断电流。,2、保护特性及主要参数（1）安秒特性熔化时间电流曲线弧前时间电流曲线熔断时间电流曲线,弧前时间与燃弧时间：通电至起弧称为弧前时间，即t1t3；起弧至熄弧称为燃狐时间，即t3t4。解释分散性,（2）I 2t特性。对极快速熔断的限流式熔断器，不考虑散热，是否熔化、熔断只与热脉冲I 2t有关。分最小弧前I 2t和最大熔断I 2t。因限流熔断器熔化与起弧几乎同时出现，故最小弧前I 2t即最小熔化I 2t。（3） 熔体额定电流Ir。指熔体允许长期通过的最大电流。,（4）约定时间内的约定熔断/不熔断电流。,Inf：约定时间内的约定不熔断电流。If：约定时间内的
12、约定熔断电流。 举例：Ir=5A的螺栓联接熔断器，若通过熔体的实际电流小于1.25Ir，则肯定不会在1小时内熔断；若通过熔断器的实际电流大于1.6Ir，则肯定会在1小时内熔断。,约定时间和电流值是生产厂家按标准取定、并在产品特性上体现出来的。,gG和gM熔断体的约定时间和约定电流,Inf：约定不熔断电流；If：约定熔断电流。,（5）额定开断电流Icr。指熔断器能够开断的最大短路电流有效值。（6）额定最小开断电流Icrmin。指熔断器能够开断的最小短路电流有效。熔断器除了有最大开断能力限制外，还有最小开断能力限制，也就是说故障电流太小也不能使熔断器可靠开断，这主要是因为若故障电流不够大，其产生的
13、热量就不足以蒸发足够多的熔融液态熔体金属使熔体可靠断开。,（7）过电流选择比。上、下级熔体选择性动作所需最小熔体额定电流比值，一般为1.6。即：若上级熔体额定电流为下级的1.6倍以上，则下级短路时，能保证下级熔体熔断时，上级熔体尚未熔化。,3、熔断器类型简介按结构分：专职人员用，非熟练人员用。按分断范围分：g熔体（全范围），a熔体（部分范围）。按使用类别分：G类（一般用途），M类（保护电动机），Tr（保护变压器）。如gG类，aM类、gM类等。,三、低压断路器开关电器保护电器的组合电器。1、结构壳架脱扣器壳架：纯断路器功能部分。过电流脱扣器：过电流保护部分。失压脱扣器：欠电压保护部分。分离脱扣器
14、：提供远动控制功能。,2、,工作原理,3、过电流脱扣器过电流保护特性长延时脱扣器为反时限特性；短延时脱扣器为固定时限特性，时限可调；瞬时脱扣器为无时限特性。,长延时脱扣器,瞬时脱扣器,长延时脱扣器,短延时脱扣器,瞬时脱扣器,非选择型,选择型,4、主要参数（1）壳架等级额定电流IrQ。指断路器壳架部分的额定电流，包括接线端子、主触头系统、连接导体等。旧称断路器壳架等级电流，记为Imn。（2）脱扣器额定电流IrR（或Irt）。指装于壳架内的过电流脱扣器（Release或trip）。旧称断路器额定电流，记为In。相互关系：运行电流须通过壳架才能流过脱扣器，因此脱扣器额定电流不可能大于壳架额定电流，即
15、：IrRIrQ。,（3）长延时脱扣器动作电流（Iop1）整定范围。长延时脱扣器作过负荷保护用，其动作值整定范围是脱扣器额定电流IrR的函数。典型情况为：Iop1（0.61.0）IrR在以上范围内根据保护计算结果确定动作值，可无级或有级调整。（4）短延时脱扣器动作电流（Iop2）整定范围。短延时脱扣器作与下级选择性配合的短路保护用，其动作值整定范围典型情况为：Iop2（38）IrR 短延时脱扣器动作延时也有一定的调整范围。,（5）瞬时脱扣器动作电流（Iop3）整定范围。瞬时脱扣器作短路保护用，其动作值整定范围典型情况为：Iop3（510）IrR 配电用Iop3（815）IrR 保护电动机用（6）
16、长延时脱扣器约定时间的约定电流。约定时间：IrR 63A时，1h；IrR 63A时，2h。约定不脱扣电流：1.05Iop1 。约定脱扣电流：1.30Iop1 。约定时间内的约定脱扣/不脱扣电流含义与熔断器类同。,产品铭牌参数识读示例,5、类型,第四节 低压系统短路电流计算,一、低压系统短路电流计算特点（1）低压系统一般只有一个电压等级，采用有名值法计算更为直接方便。（2）低压系统线缆阻抗中电阻所占比重较大，因此应采用短路阻抗进行计算，不能忽略电阻。（3）因短路阻抗数值较小，应计入包括母线在内的各种元件的阻抗值，但导线连接点接触电阻、开关触头接触电阻、短路点电弧阻抗等可忽略不计。,（4）电阻计算
17、要考虑温度的影响。计算系统首端（电源端）三相短路电流，以保守的态度取20时的电阻值进行计算；计算末端单相短路电流，以保守的态度估算，一般以20时电阻值的1.5倍进行短路电流计算。（5）变压器一次侧系统阻抗可只以电抗计入，或按电阻等于电抗的10%估算，这时电抗等于系统阻抗的99.5%。,（6）计算380/220V系统的短路电流时，三相短路时计算电压取平均电压，即400/230V，单相短路时取标称电压，即380/220V。,二、三相及两相短路电流计算三相短路电流,两相短路电流,式中 Ik三相稳态短路电流有效值（kA）；两相稳态短路电流有效值（kA）；Uav电源平均线电压（V）；zk短路回路阻抗（m
18、）；rk短路回路电阻（m）；xk短路回路电抗（m）。,三、单相短路电流计算在低压系统设计中，单相短路电流不仅涉及到系统本身的问题，还涉及到电击防护安全性、电气火灾预防等公共安全性问题，应高度重视。单相短路是一种不对称短路，因此应采用对称分量法进行计算。但工程上还根据对称分量法发展出一些更简便的方法，如相中（或相保）阻抗法等。以下以TN系统相线与保护线之间的短路为例，介绍单相短路电流计算方法。相线与中性线间短路电流计算方法类同。,1、原理性的序阻抗计算法根据对称分量法推导，得出单相短路电流的序阻抗计算法公式如下：,式中短路回路的正、负、零序阻抗包括四个部分，即变压器一次侧系统阻抗、变压器阻抗、母
19、线阻抗和线路阻抗。,正、负序阻抗总是相等的。一次侧系统零序阻抗与变压器连接组有关；变压器零序阻抗可查表求得；母线、线路的零序阻抗，除相线外，还包括保护线（或中性线）的零序阻抗。,2、工程实用的相保（中）阻抗法以相线与保护线短路为例,式中 ZP短路回路总相保阻抗（m）；ZPS一次侧系统相保阻抗（m）；ZPT变压器相保阻抗（m）；ZPB母线相保阻抗（m）；ZPWL线路相保阻抗（m）。,3、短路回路各部分相保阻抗的求取。（1）高压侧系统（S）相保阻抗。对于最常用的Dyn11和Yyn0配电变压器，高压侧线电流中不可能有零序电流，故不计入高压侧零序阻抗；又因为高压侧本无PE线，相保阻抗就等于相计算阻抗，
20、即：,（2）变压器（T）相保阻抗。忽略变压器中性点接地母排上中性点与PE线连接点间的那一段线路阻抗，变压器相保阻抗也只有相阻抗，因此：,式中 、 变压器短路阻抗（m）；、 变压器零序短路阻抗（m），与变压器连接组有关，查变压器产品样本或设计手册可得。,（3）母线（B）相保阻抗。包括相计算阻抗和保护线计算阻抗。,很多设计手册直接给出了各种规格母线单位长度的RP和XP，可直接引用，只是要特别注意给出RP的温度，若为20，应乘以1.5进行修正。电抗不进行温度修正。,（4）线路（WL）相保阻抗。与母线相同，依据是单位长度的序阻抗值，电阻同样要进行温度校正。,同样，很多设计手册直接给出了各种规格线路单位
21、长度的RP和XP，可直接引用，但应注意电阻的温度校正。,第五节低压配电线路的过电流保护,一、过电流及保护原则超过线路允许载流量的电流都叫过电流，有两种情况，一种是过负荷，另一种就是短路。1、过电流及其危害（1）过负荷。轻度：至百分之二三十，缩短线路寿命；重度：百分之百至少数几倍，短时间软化绝缘，引发漏电、短路等故障。（2）短路。短路电流大线路允许载流量的几倍至几十倍，甚至上百倍。其危害已如前述。,2、过电流保护原则保护装置应先于被保护元件被过电流效应损坏而动作。,二、低压配电线路的短路保护1、短路保护的基本要求（1）短路保护电器的开断电流应不小于其安装处的最大预期短路电流，但当上级保护电器能有
22、效开断该电流时例外。（2）应保证被保护线路的短路热稳定性，即在导体温度上升到允许限值前切断电源。即：,二、由低压断路器实施的短路保护由低断的瞬时或短延时脱扣器实施短路保护。（1）瞬时脱扣器动作值整定。按不误动整定。对动力类线路：,对照明类线路：,解释以上公式的含义。,（2）短延时脱扣器动作值整定短延时脱扣器做短路保护时，一般不涉及单纯的照明线路。1）动作电流整定。,解释电动机启动电流选取与瞬时脱扣器时的不同。2）动作时间整定。按选择性原则，与下一级的短延时脱扣器或熔断器配合。（3）灵敏性校验要求末端最小短路时，不小于1.3。,三、由熔断器实施的短路保护（1）动作值整定动力类线路：照明类线路：（
23、2）上、下级选择性配合上、下级熔断器熔体额定电流之比大于过电流选择比，该比值典型值为1.6。（3）灵敏性校验只要最大熔断时间满足线路热稳定要求即可。,三、低压配电线路过负荷保护1、对过负荷保护的基本要求（1）保护电器应在过负荷电流引起的导体温升对绝缘、接头、端子或导体周围物质造成损害之前分断电路。（2）对突然断电比过负荷造成的损失更大的线路，过负荷保护只动作于信号。,第一个公式：保证不误动。第二个公式：满足以上要求（1）。I2保护电器在约定时间内的约定动作电流。Iop保护电器动作电流。IC被保护线路计算电流。Icon保护线路允许载流量。,2、由低压断路器实施的过负荷保护由低断的长延时脱扣器实施
24、过负荷保护。根据低压断路器的产品标准和试验方法，I2与长延时脱扣器动作电流Iop1的关系为I21.3Iop1，I21.45Icon等效为Iop11.16Icon，取保守的估算，得长延时脱扣器动作值为：,3、由熔断器实施的过负荷保护只有部分类型的熔体有可用的参数，见本章第三节。还有很多类型的熔体缺乏相关的参数，无法进行校验。,（1）动作值整定动力类线路：照明类线路：（2）上、下级选择性配合上、下级熔断器熔体额定电流之比大于过电流选择比，该比值一般为1.6。（3）灵敏性校验只要最大熔断时间满足线路热稳定要求即可。,第六节 低压配电线路带电导体截面选择,电力线缆包括电力电线（wire）和电力电缆（c
25、able），电力电线又包括绝缘导线和裸导线。现欧盟国家已将绝缘导线和电缆统称电缆。 还有一些特殊类型的电力线，如密集式母线槽、滑触线等。 以下约定：所谓截面选择，指导体截面积的确定。,一、线缆相导体截面选择线缆导体截面选择是线缆选择的核心内容，它关系着载流量、短路热稳定、保护灵敏性、节能、电压损失、电击防护、机械强度等多个方面。1、按长期温升条件选择给定负荷前提下，导体截面积越小，损耗越大，温升越高。根据允许载流量定义，由温升确定、且与导体截面积正相关的允许载流量应满足以下关系。,2、按电压损失校验这是导体截面积与电能质量的关系，有时还需要考虑电压波动与电压闪变。按电能质量对电压偏差的要求，确
26、定出允许的电压损失，再计算所选线缆实际电压损失是否满足要求，若不满足，则加大截面再校验。3、按机械强度校验业界一般会给出机械强度最低截面要求数据，只要所选线缆截面不小于最低值即可。对于特殊气象条件下或特殊敷设条件下的架空线，则应专门计算。,4、按短路热稳定校验要求线缆能经受短路电流的热冲击，即：,对于电线，线路上任何一点都可能发生短路，因此应以首端为短路电流计算点。对电缆线路，一般只考虑电缆头发生短路，首端电缆头短路并不会损坏电缆，因此考虑电缆的末端或多根级联电缆的第一个接头处为短路电流计算点。,5、按保护灵敏性校验即末端最小短路电流，应比保护动作值大一定的量值。若灵敏性不满足要去，应加大截面以减小电阻。架空线的中、高压系统中，短路阻抗主要成分为电抗，因此加大截面，对减小短路阻抗的作用并不明显。但对于电缆线路的中压系统，以及低压系统，短路阻抗主要成分为电阻，因此加大截面对减小短路阻抗强有效。,二、中性线导体截面选择考虑三相不平衡电流、3n次谐波电流、单相短路保护灵敏性和热稳定性等问题。工程应用：三相动力线路，N线截面选为相线截面一半；三相照明线路，N线截面选为与相线等截面；单相线路，N线截面必须与相线截面相等。在某些情况下，N线截面可能大于相线截。,
