工厂供配电技术(B)

内容提要:本文介绍中小型工厂的电力负荷、负荷性质及其工作制，重点介绍确定用电设备组计算负荷的两种常用方法——需要系数法和二项式系数法。讲述工厂计算负荷的确定方法，采用无功补偿的措施；简要介绍照明负荷的分析计算。最后对工厂供电系统中的短路现象和短路的效应进行系统的分析和计算。

二、工厂的电力负荷及短路

2.1工厂的电力负荷和负荷曲线2.2工厂计算负荷的确定2.3工厂的电气照明负荷2.4短路故障的原因、种类和危害小结二、工厂的电力负荷及短路

2.1工厂的电力负荷和负荷曲线2.1.1工厂常用的用电设备2.1.2工厂用电设备的工作制2.1.3负荷曲线2.1工厂的电力负荷和负荷曲线

“电力负荷”在不同的场合可以有不同的含义，它可以指用电设备或用电单位，也可以指用电设备或用电单位的功率或电流的大小。

2.1.1工厂常用用电设备

①生产加工机械的拖动设备；②电焊、电镀设备；③电热设备；④照明设备。

2.1工厂的电力负荷和负荷曲线

1.生产机械的拖动设备

机床设备起重运输设备功能

金属切削金属压力加工功能

起吊搬运物料运输客货车床铣床刨床钻床磨床组合机床镗床冲床锯床剪床砂轮机吊车行车输送机电梯自动扶梯生产机械的拖动设备2.1.1工厂常用用电设备

2.1工厂的电力负荷和负荷曲线

2．电焊和电镀设备

电焊机的工作特点是：（1）工作方式呈一定的同期性，工作时间和停歇时间相互交替。（2）功率较大。（3）功率因数很低。（4）一般电焊机的配置不稳定，经常移动。2.1.1工厂常用用电设备

2.1工厂的电力负荷和负荷曲线电镀设备的工作特点是：（1）工作方式是长期连续工作的。（2）供电采用直流电源，需要晶闸管整流设备。（3）容量较大，功率因数较低。

电镀的作用：防止腐蚀，增加美观，提高零件的耐磨性或导电性等，如镀铜、镀铬。

2．电焊和电镀设备

2.1.1工厂常用用电设备

2.1工厂的电力负荷和负荷曲线

3．电热设备

电热设备的工作特点是：（1）工作方式为长期连续工作方式。（2）电力装置一般属二级或三级负荷。（3）功率因数都较高，小型的电热设备可达到1。电阻加热炉电弧炉感应炉其它电热设备主要用于各种零件的热处理主要用于矿石熔炼、金属熔炼主要用于熔炼和金属材料热处理红外线加热、微波加热和等离子加热等2.1.1工厂常用用电设备

2.1工厂的电力负荷和负荷曲线

高频炉是目前对金属材料加热效率最高、速度最快，低耗节能环保型的感应加热设备。

4．照明设备

白炽灯、卤钨灯、荧光灯、高压汞灯、高压钠灯、钨卤化物灯和单灯混光灯等。

照明设备的工作特点：（1）工作方式属长期连续工作方式。（2）除白炽灯、卤钨灯的功率因数为1外，其它类型的灯具功率因数均较低。（3）照明负荷为单相负荷，单个照明设备容量较小。（4）照明负荷在工厂总负荷中所占比例通常在10%左右。

2.1.1工厂常用用电设备

2.1工厂的电力负荷和负荷曲线

5．工厂用电负荷的分类

2.1工厂的电力负荷和负荷曲线

序

号

车

间

用

电

设

备

负荷级别

1金属加工车间价格昂贵、作用重大，稀有的大型数控机床一级价格贵，作用大，数量多的数控机床二级2铸造车间冲天炉、鼓风机、30t及以上的浇铸起重机三级3热处理车间井式炉专用淬火起重机、井式炉油槽抽油泵二级4锻压车间锻造专用起重机、水压机、高压水泵、油压机二级5电镀车间大型电镀用整流设备、自动流水作业生产线二级6模具成型车间隧道窑鼓风机、卷扬机二级7层压制品车间压塑机及供热锅炉二级8线缆车间冷却水泵、鼓风机、润滑泵、高压水泵、水压机、真空泵、液压泵、收线用电设备、漆泵电加热设备二级9空压站单台60m3/min以上空压机二级有高位油箱的离心式压缩机、润滑油泵二级离心式压缩机润滑油泵一级表2－1小型机械类工厂中常用重要电力负荷的级别分类2.1.2工厂用电设备的工作制

长期连续工作制设备短时工作制设备反复短时工作制设备能长期连续运行，每次连续工作时间超过8小时，运行时负荷比较稳定。在计算其设备容量时，直接查取其铭牌上的额定容量

这类设备的工作时间较短，停歇时间较长。在计算其设备容量时，直接查取其铭牌上的额定容量这类设备的工作呈周期性，时而工作时而停歇，如此反复，其运行特点为工作时温度达不到稳定温度，停歇时也达不到环境温度。且工作时间与停歇时间有一定比例起重设备电动机的额定暂载率有15%、25%、40%、60%四种。电焊设备的额定暂载率有50%、65%、75%、100%四种。

通常用一个工作周期内工作时间占整个周期的百分比来表示负荷持续率（或称暂载率）ε。

式中——工作时间；

——停歇时间。2.1.2工厂用电设备的工作制

对电焊设备，其功率应统一换算到ε=100%，换算公式为：（2-2）

式中：

——设备铬牌额定容量；

——设备铬牌功率因数；

2.1.2工厂用电设备的工作制

对吊车电动机组，其功率应统一换算到ε=25%，换算公式为：（2-3）

式中：PN

——吊车电动机的铬牌额定容量。

（2）电焊机的设备容量电焊机属于反复短时工作制设备，它的设备容量应统一换算到，所以2台电焊机的设备容量：

解：（1）金属切削机床的设备容量金属切削机床属于长期连续工作制设备，所以20台金属切削机床的总容量为：

例2.1

某小批量生产车间380V线路上接有金属切削机床共20台（其中10.5kW-4台，7.5kW-8台，5kW-8台），车间有380V电焊机2台（每台容量20kVA，,），车间有吊车1台11kW，），试计算此车间的设备容量。

（3）吊车的设备容量

吊车属于反复短时工作制设备，它的设备容量应统一换算到，所以1台吊车的容量为：

(4)车间的设备总容量为：2.1.3负荷曲线负荷曲线是表示电力负荷随时间变动情况的曲线。按负荷对象分:工厂的负荷曲线车间的负荷曲线某台设备的负荷曲线按负荷的功率性质分:有功负荷曲线无功负荷曲线按表示的时间分:年的负荷曲线月的负荷曲线日的负荷曲线工作班的负荷曲线按绘制方式分:依点连成的负荷曲线梯形的负荷曲线负荷曲线分类图2.1日有功负荷曲线a)依点连成的负荷曲线b)梯形负荷曲线2.1.3负荷曲线

1．负荷曲线的绘制

负荷曲线通常都绘制在直角坐标上，横坐标表示负荷变动时间，纵坐标表示负荷大小（有功功率kW、无功功率kvar）。

年负荷持续时间曲线如图2.2a，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。这种曲线的负荷从大到小依次排列，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。年每日最大负荷曲线如图2.2b，反映了全年当中不同时段的电能消耗水平，是按全年每日最大半小时平均负荷来绘制的。2.1.3负荷曲线图2.2年负荷曲线

a)年负荷持续时间曲线b)年每日最大负荷曲线2．与负荷曲线有关的参数

(1)年最大负荷和年最大负荷利用小时图2.3年最大负荷和年平均负荷a)年最大负荷和年最大负荷利用小时b)年平均负荷2.1.3负荷曲线

年负荷持续时间曲线上的最大负荷就是年最大负荷Pmax

，它是全年中负荷最大的工作班消耗电能最多的半小时平均负荷P30。

年最大负荷利用小时Tmax，是一个假想时间，在此时间内，电力负荷假设按年最大负荷Pmax持续运行所耗用的电能恰好与实际负荷全年耗用的电能相同，如图2.3a所示。因此

（2-4）

式中——电力负荷全年实际耗用的电能

——是反映工厂负荷特征的参数一班制工厂：=1800~3000h两班制工厂：=3500~4800h三班制工厂：=5000~7000h2．与负荷曲线有关的参数

(1)年最大负荷和年最大负荷利用小时2.1.3负荷曲线(2)平均负荷Pav和年平均负荷

平均负荷就是负荷在一定时间t内平均消耗的电能，即：

（2-5）

式中Wt——t

时间内耗用的电能。

年平均负荷就是全年工厂负荷消耗的总电能除以全年总小时数，如图2.3b所示。（2-6）

2.2工厂计算负荷的确定2.2.1概述2.2.2用电设备组计算负荷的确定2.2.3全厂计算负荷的确定2.2.4工厂的功率因数及无功补偿

2.2工厂计算负荷的确定

2.2.1概述

1．计算负荷是负荷曲线上持续了半小时的最大负荷P30（亦即年最大负荷），是用统计方法计算求出的。计算负荷是供电系统设计计算的基本依据。P30----负荷的有功计算负荷Q30----负荷的无功计算负荷S30----负荷的视在计算负荷I30----负荷的计算电流2．负荷计算2.2工厂计算负荷的确定

2.2.1概述

需要系数法二项式系数法需要系数是按照车间以上的负荷情况来确定的，适用于变、配电所的负荷计算二项式系数法考虑了用电设备中几台功率较大的设备工作时对负荷影响的附加功率，一般适用于低压配电支干线和配电箱的负荷计算负荷计算方法表2.2各用电设备组的需要系数Kd及功率因数

用电设备组名称

需要系数Kd

二项式系数

最大容量设备台数

功率因数bc小批量生产金属冷加工机床大批量生产金属冷加工机床小批量生产金属热加工机床大批量生产金属热加工机床

0.16～0.20.18～0.250.25～0.30.3～0.350.140.140.240.260.40.50.40.555550.50.50.60.651.731.731.331.17通风机、水泵、空压机

0.7～0.80.650.2550.80.75非联锁的连续运输机械联锁的连续运输机械0.5～0.60.65～0.70.40.60.20.2550.750.750.880.88锅炉房和机加、机修、装配车间的吊车铸造车间吊车0.1～0.150.15～0.250.060.090.20.3330.50.51.731.73自动装料电阻炉非自动装料电阻炉小型电阻炉、干燥箱0.75～0.80.65～0.750.70.70.70.70.30.3—22—0.950.951.00.330.330高频感应电炉（不带补偿）工频感应电炉（不带补偿）电弧熔炉0.80.80.9—————————0.60.350.871.332.680.57点焊机、缝焊机对焊机0.350.35——————0.60.71.331.02自动弧焊变压器单头手动弧焊变压器多头手动弧焊变压器0.50.350.4—————————0.40.350.352.292.682.68生产厂房、办公室、实验室照明变配电室、仓库照明生活照明室外照明0.8～10.5～0.70.6～0.81————————————1.01.01.01.000002.2.2用电设备组计算负荷的确定

1．需要系数法

需要系数法的基本公式：（2-7）

（2-8）

式中——需要系数；

——设备容量，为用电设备组所有设备容量之和；

——每组用电设备的设备容量。

由于一个用电设备组中的设备并不一定同时工作，工作的设备也不一定都工作在额定状态下，另外考虑到线路的损耗、用电设备本身的损耗等因素，设备或设备组的计算负荷等于用电设备组的总容量乘以一个小于1的系数，叫做需要系数，用表示。设备容量用表示。2.2工厂计算负荷的确定（1）对1~2台用电设备宜取

(2)用电设备组的计算负荷有功计算负荷：（2-9）无功计算负荷：（2-10）视在计算负荷：（2-11）计算电流：（2-12）

(3)多组用电设备的计算负荷总的有功计算负荷：（2-13）总的无功计算负荷：（2-14）总的视在计算负荷：（2-15）总的计算电流：（2-16）需要系数法求解的几个问题：2.2.2用电设备组计算负荷的确定

2.2工厂计算负荷的确定

在确定多组用电设备的计算负荷时，应考虑各组用电设备的最大负荷不会同时出现的因素，计入一个同时系数KΣ，该系数取值见表2.3。应用范围

KΣ

确定车间变电所低压线路最大负荷

冷加工车间热加工车间动力站

0.7~0.80.7~0.90.8~1.0确定配电所母线的最大负荷

负荷小于5000kW

计算负荷小于5000~10000kW

计算负荷大于10000kW

0.9~1.00.850.8表2.3同时系数KΣ

2.2.2用电设备组计算负荷的确定

2.2工厂计算负荷的确定

例2.2用需要系数法计算例2.1车间的计算负荷。解：（1）金属切削机床组的计算负荷查表2.2取需要系数和功率因数为：根据公式（2-9）（2-10）（2-11）（2-12）有：（2）电焊机组的计算负荷查表2.2取需要系数和功率因数为：根据公式（2-9）（2-10）（2-11）（2-12）有：

2.

二项式系数法

在计算设备台数不多，而且各台设备容量相差较大的车间干线和配电箱的计算负荷时宜采用二项式系数法，计算公式为：（2-17）

式中b

、c——二项式系数，根据设备名称、类型、台数查表2.2选取；

——用电设备组的平均负荷，其中为用电设备组的设备总容量；

——指用电设备中x台容量最大的设备容量之和。指用电设备中

x台容量最大的设备投入运行时增加的附加负荷。的计算公式与前述需要系数法相同。2.2.2用电设备组计算负荷的确定

2.2工厂计算负荷的确定用二项式法求解计算负荷的几个问题：（1）对1~2台用电设备可认为，即（2）用电设备组的有功计算负荷的求取直接应用式（2-17），其余的计算负荷与需要系数法相同。（3）采用二项式系数法确定多组用电设备的总计算负荷时，要考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素。在各组用电设备中取其中一组最大的附加负荷，再加上各组平均负荷，求出设备组的总计算负荷。总的有功计算负荷为：（2-18）总的无功计算负荷为：（2-19）式中：——各组中最大的一组附加负荷；

——最大附加负荷的设备组的。求出、后，可根据公式（2-11）、（2-12）得出和。

2.2.2用电设备组计算负荷的确定

2.2工厂计算负荷的确定例2.3

用二项式法计算例2.1车间的金属切削机床组的计算负荷。解：查表2.2取二项式系数根据公式（2-17）、（2-10）、（2-11）、（2-12）有

2.2.3全厂计算负荷的确定

1．用需要系数法计算全厂计算负荷

在已知全厂用电设备总容量的条件下，乘以一个工厂的需要系数即可求得全厂的有功计算负荷，即2.2工厂计算负荷的确定表2.4全厂负荷的需要系数及功率因数工厂类别

需要系数

功率因数

汽轮机制造厂0.380.88锅炉制造厂

0.270.73柴油机制造厂

0.320.74重型机床制造厂

0.320.71仪器仪表制造厂

0.370.81电机制造厂

0.330.81石油机械制造厂

0.450.78电线电缆制造厂0.350.73电器开关制造厂

0.350.75橡胶厂

0.50.72通用机械厂0.40.722．用逐级推算法计算全厂的计算负荷

由用电设备组开始，逐级向电源方向推算的方法，在经过变压器和较长的线路时，应加上变压器和线路的损耗。有功功率损耗：（2-21）无功功率损耗：

（2-22）2.2.3全厂计算负荷的确定

2.2工厂计算负荷的确定变压器损耗可按下式估算：P30.5=KΣ5ΣP30.6iP304=+∆PwL2P30.3=KΣ3ΣP304iP302=+∆PT+∆PwL1P301=KΣ1

ΣP302i2．用逐级推算法计算全厂的计算负荷

2.2.3全厂计算负荷的确定

2.2工厂计算负荷的确定图2.4逐级推算法示意图

3．按年产量和年产值估算全厂的计算负荷

Tmax为工厂的年最大负荷利用小时;A、B分别为工厂的年产量及年产值;a

、b分别为工厂的单位产量耗电量及单位产值耗电量（2-23）

（2-24）

2.2.3全厂计算负荷的确定

2.2工厂计算负荷的确定2.2.4工厂的功率因数及无功补偿

1．工厂的功率因数分类和计算

2.2工厂计算负荷的确定瞬时功率因数最大负荷时功率因数自然功率因数总功率因数指运行中的工厂供用电系统在某一时刻的功率因数值

P——功率表测出的三相有功功率读数；U——电压表测出的线电压读数；I——电流表测出的线电流读数。指某一规定时间段内功率因数的平均值

指配电系统运行在年最大负荷（计算负荷）时的功率因数

WP——有功电度表读数；Wq——无功电度表读数。

P30——工厂的有功计算负荷；S30——工厂的视在计算负荷。

指用电设备或工厂在没有安装人工补偿设备时的功率因数

指用电设备或工厂设置了人工补偿设备后的功率因数

平均功率因数

2．无功功率补偿

高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调压装置的电力用户，功率因数应达到0.9以上，其他用户功率因数应在0.85以上。2.2.4工厂的功率因数及无功补偿

2.2工厂计算负荷的确定人工补偿无功功率提高自然功率因数提高功率因数3．补偿容量和补偿后计算负荷的计算

2.2.4工厂的功率因数及无功补偿

2.2工厂计算负荷的确定（1）补偿容量的计算

(2)补偿后计算负荷的计算

（2-28）

确定电容器的个数

(2-29)

补偿后总的无功计算负荷

(2-30)

补偿后的视在计算负荷

(2-31)

无功功率补偿的意义右图表示功率因数提高与无功功率和视在功率变化的关系。假设功率因数由提高到，这时在用户需用的有功功率不变的条件下，无功功率将由减小到，视在功率将由减小到。相应的负荷电流也得以减小，这将使系统的电能损耗和电压损耗相应降低，即节约了电能，又提高了电压质量，而且可选用较小容量的供电设备和导线电缆，因此提高功率因数对供电系统大有好处。U²ωc＝P（tgφ1－tgφ）

C＝P／ωU²（tgφ1－tgφ）

2.3工厂的电气照明负荷

2.3.1照明的基本知识2.3.2照明设备容量及照明计算负荷的确定2.3工厂的电气照明负荷

2.3.1照明的基本知识

1．电光源及常用灯具

热辐射光源:利用物体加热时发光的原理所做成的光源，如白炽灯，卤钨灯。气体放电光源:利用气体放电发光的原理所做成的光源，如荧光灯、荧光高压汞灯。（1）白炽灯靠钨丝通过电流产生高温，从而引起热辐射发光。

2.3工厂的电气照明负荷

2.3.1照明的基本知识

1．电光源及常用灯具

图2.5白炽灯1-玻壳2-灯丝3-支架4-电极5-芯柱6-杜美丝7-引入线8-抽气管9-灯头10-封端胶泥11-焊锡接触端（2）卤钨灯它的发光原理与白炽灯相同，但在白炽灯泡中充入了微量的卤化物（如碘化物和溴化物），利用钨循环来提高发光效率。2.3工厂的电气照明负荷

2.3.1照明的基本知识

图2.6卤钨灯1-石英玻璃泡2-金属支架3-灯丝4-散热罩5-电极（3）荧光灯利用汞蒸气在外加电压作用下产生弧光放电，发出少许可见光和大量的紫外线，这些紫外线再激励灯管内壁的荧光粉，产生大量的可见光。（4）高压汞灯是荧光灯的改进产品，属于高气压的汞蒸气放电光源，发光原理与荧光灯相同。2.3工厂的电气照明负荷

2.3.1照明的基本知识

图2.7荧光高压汞灯（GGY型）1-主电极12-主电极23-支架4-内层石英玻壳5-外层石英玻壳6-触发极7-限流电阻8-灯头

2.3工厂的电气照明负荷

2.3.1照明的基本知识

（4）高压汞灯（5）高压钠灯它利用高压的钠蒸气放电发光。2.3工厂的电气照明负荷

2.3.1照明的基本知识

图2.8高压钠灯1-主电极2-陶瓷放电管理3-外玻壳4-消气剂5-灯头

（6）金属卤化物灯在高压汞灯内添加某些金属卤化物，靠金属卤化物的循环作用，不断向电弧提供相应的金属蒸气，金属原子经电弧激发而辐射该金属的特征光谱线。2.3工厂的电气照明负荷

2.3.1照明的基本知识

图2.9金属卤化物灯1-主电极2-放电管3-保温罩4-石英玻管5-消气剂6-触发极

7-限流电阻

（7）管形氙灯高压氙气放电时能产生很强的白光，接近连续光谱，和太阳光十分相似，灯的功率大（可达100kW），亮度高，俗称“人造小太阳”。2.3工厂的电气照明负荷

2.3.1照明的基本知识

表2.5常用照明电光源的主要特性光源名称

白炽灯

卤灯

荧光灯

高压汞灯

管形氙灯

高压钠灯

卤化物灯

额定功率范围（W）10~1000500~20006~12550~10001500~10000025~400400~1000光效

6.5~1919.5~2125~6730~5020~3790~10060~80平均寿命/h100015002000~30002500~5000500~100030002000显色指数

95~9995~9970~8030~4090~9420~2565~85启动稳定时间

瞬时

瞬时

1~3s4~8min1~2s4~8min4~8min再启动时间

瞬时

瞬时

瞬时

5~10min瞬时

10~20min10~15min功率因数

110.33~0.70.44~0.670.4~0.90.440.4~0.61频闪效应

不明显

明显明显明显明显明显明显表面亮度

大

大

小较大大

较大大

电压变化对光通量影响

大

大

较大较大较大大较大环境温度对光通量影响

小小大较小小较小较小耐震性能

较差差较好好好较好好所需附件

无无镇流器起辉器

镇流器镇流器触发器镇流器镇流器触发器2．工厂常用灯具的选择和布置

（1）照明光源的选择要求

优先选用光效高、寿命长、节约能源的光源，并结合环境特点及工艺要求,进行选择。照明光源宜采用荧光灯、白炽灯、高压气体放电灯等。当悬挂高度在4m及以下时，宜采用荧光灯。悬挂高度在4m以上时，宜采用高压气体放电灯，当不宜采用气体放电灯时也可采用白炽灯。局部照明场所，防止电磁波干扰的场所，因光源频闪影响视觉效果的场所，经常开关灯的场所，照度不高、且照明时间较短的场所宜采用白炽灯。2.3工厂的电气照明负荷

2.3.1照明的基本知识

（2）照明灯具的布置方案与要求

1）均匀布置2．工厂常用灯具的选择和布置

2.3工厂的电气照明负荷

2.3.1照明的基本知识

图2.11灯具的均匀布置方案a)矩形布置b)菱形布置2）选择布置（2）照明灯具的布置方案与要求

2．工厂常用灯具的选择和布置

2.3工厂的电气照明负荷

2.3.1照明的基本知识

图2.10室内照明灯具的布置方案a)均匀布置

b)选择布置2.3.2照明设备容量及照明计算负荷的确定

1．照明设备的设备容量

（1）按照明设备铭牌确定照明设备容量。①白炽灯、碘钨灯设备容量是指灯泡上标出的额定功率（kW）。②荧光灯的设备容量应为灯管额定功率的1.2倍（kW）。③高压水银荧光灯的设备容量应为灯泡额定功率的1.1倍（kW）。④在采用镇流器时，金属卤化物灯的设备容量应为灯泡额定功率的1.1倍（kW），若采用触发器起辉，则设备容量应为灯泡的额定功率。⑤照明设备的总容量等于单个照明设备容量的代数和：2.3工厂的电气照明负荷

（2-32）

（2）照明设备容量的估算已知工作场所性质（用途）和建筑面积的情况下，可按式（2-33）对工作场所的照明设备容量进行估算：（A为面积）

2.3.2照明设备容量及照明计算负荷的确定

1．照明设备的设备容量

2.3工厂的电气照明负荷

（2-33）

表2.6一般车间比功率值P0可按下表选取（以白炽灯计算）

序号

建筑名称

P0（kW/m2）

1

金工车间62

装配车间93

工具修理车间84

金属结构车间105

焊接车间86

锻工车间77

热处理车间88

铸钢车间89

铸铁车间810

木工车间1111

实验室1012

煤气站713

气压站514

办公楼5表2.7照明设备组的需要系数及功率因数

光源类别需要系数Kd白炽灯荧光灯高压汞灯高压钠灯金属卤化物灯生产车间办公室0.8~110.9(0.55)0.45~0.650.450.40~0.61变配电所、仓库0.5~0.710.9(0.55)0.45~0.650.450.40~0.61生活区宿舍0.6~0.810.9(0.55)0.45~0.650.450.40~0.61室外110.9(0.55)0.45~0.650.450.40~0.612．照明计算负荷的确定

照明设备通常都是单相负荷，在设计安装时应将它们均匀地分配到三相上，力求减少三相负荷不平衡状况。换算的简单方法是：选择其中最大的一相单相设备容量乘三倍，作为等效三相设备容量，再与三相设备容量相加，应用需要系数法计算其计算负荷。、设计安装时负荷尽量对称；单相设备总容量不超过三相设备容量的15%则单相设备可按三相平衡负荷考虑。如果单相设备容量超过三相设备容量15%时，则应将单相设备容量换算为等效三相设备容量，再与三相设备容量相加。2.3.2照明设备容量及照明计算负荷的确定

2.3工厂的电气照明负荷

2.4短路故障的原因、危害和计算

2.4.1短路故障的原因和危害、、2.4.2短路过程分析和短路参数和2.4.3短路计算2.4.4短路的效应2.4短路故障的原因、危害和计算

2.4.1短路故障的原因和危害

短路故障是指运行中的电力系统或工厂供配电系统的相与相或相与地之间发生的金属性非正常连接(或称为低阻性短接)。短路原因:

（1）设备绝缘损坏：自然老化、操作过电压、大气过电压、机械损伤；（2）误操作：带负荷拉、合隔离开关（内部仅有简单的灭弧装置或不含灭弧装置），检修后忘拆除地线合闸；（3）鸟兽跨接裸导体等。

短路的危害：*

短路产生很大的热量，导体温度升高，将绝缘损坏；*短路产生巨大的电动力，使电气设备受到机械损坏；*短路使系统电压严重降低，电器设备正常工作受到破坏；*短路造成停电，给国民经济带来损失，给人民生活带来不便；*严重的短路影响电力系统运行稳定性，使并列的同步发电机失步，造成系统解列，甚至崩溃；

*单相短路产生不平衡磁场，对附近通信线路和弱电设备产生严重电磁干扰，影响其正常工作。

2.4短路故障的原因、危害和计算

短路故障的种类：表2.8短路种类、表示符号、性质及特点短路名称

表示符号

示

图

短路性质

特点

单相短路

不对称短路

短路电流仅在故障相中流过，故障相电压下降，非故障相电压会升高

两相短路

不对称短路

短路回路中流过很大的短路电流，电压和电流的对称性被破坏

两相短路接地

不对称短路

短路回路中流过很大的短路电流，故障相电压为零，

三相短路

对称短路

三相电路中都流过很大的短路电流，短路时电压和电流保持对称，短路点电压为零

2.4短路故障的原因、危害和计算

2.4.2短路过程分析和短路参数1．短路过程分析

短路计算的目的是为了正确选择和校验电气设备，准确地整定供配电系统的保护装置，避免在短路电流作用下损坏电气设备，保证供配电系统中出现短路时，保护装置能可靠动作。对一般工厂供电系统来说，由于工厂供电系统的容量远比电力系统总容量小，而阻抗又较电力系统大得多，因此工厂供电系统内发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压几乎维持不变，也就是说可将电力系统视为无限大容量电力系统。

无限大容量系统的概念：（1）目的简化短路计算。（2）定义“无限大容量系统”指系统端电压恒定、内阻抗为零和容量无限大的系统。即SS=∞；ZS=0；US=常数（3）合理性①ST<<SS；②误差在允许范围；③偏保守。2.4短路故障的原因、危害和计算

无限大容量系统发生三相短路时的物理过程：

2.4短路故障的原因、危害和计算

ip——短路电流周期分量，按正弦规律变化；inp——短路电流非周期分量，按指数规律衰减；ik——短路电流的全电流，ik=ip+inp，稳态按正弦规律变化。

——短路后第一个周期的短路电流周期分量的有效值，称为次暂态短路电流有效值。用来作为继电保护的整定计算和校验断路器的额定断流容量。应采用电力系统在最大运行方式下，继电保护安装处发生短路时的次暂态短路电流来计算保护装置的整定值。

——短路后经过半个周期（即0.01s）时的短路电流峰值，是整个短路过程中的最大瞬时电流。这一最大的瞬时短路电流称为短路冲击电流。为三相短路冲击电流峰值，用来校验电器和母线的动稳定度。

——三相短路冲击电流有效值，短路后第一个周期的短路电流的有效值。也用来校验电器和母线的动稳定度。

2．短路参数

2.4短路故障的原因、危害和计算

2.4.2短路过程分析和短路参数

（1）短路电流周期分量有效值IP

（2）短路次暂态电流有效值I″（3）短路全电流有效值IK（4）短路冲击电流ish（5）短路稳态电流I∞

（6）三相短路容量SK=UavIK对无限大容量系统：IP=

I″=

IK=

I∞

短路参数：2.4短路故障的原因、危害和计算

对于高压电路:对于低压电路:

——三相短路电流稳态有效值，用来校验电器和载流导体的热稳定度。

——次暂态三相短路容量。

短路参数：

2.4短路故障的原因、危害和计算

2.4.2短路过程分析和短路参数1．短路计算的方法

2.4.3短路计算欧姆法标幺值法短路容量法如果各种电气设备的电阻和电抗及其它电气参数用短路容量表示，称短路容量法。如果各种电气设备的电阻和电抗及其它电气参数用相对值表示，称标幺值法。如果各种电气设备的电阻和电抗及其它电气参数用有名值即有单位的值表示，称有名值法。2.4短路故障的原因、危害和计算

2．用(有名值法)欧姆法)行短路计算的步骤绘制短路回路等效电路计算短路回路中各元件的阻抗值求等效阻抗，化简电路计算三相短路电流周期分量有效值及其它短路参数列短路计算表2.4短路故障的原因、危害和计算

2.4.3短路计算2．用有名值法计算短路电流2.4短路故障的原因、危害和计算

欧姆法（有名值法）:（1）基本公式∵Uc=Ik（3）Z∑

∴Ik（3）=Uc/Z∑=Uc/（

R∑2+X∑2

）1/2

式中Uc=1.05UN（短路计算电压，按线首电压考虑），R∑

、X∑

、Z∑—短路回路总电阻、总电抗、总阻抗。

UN:0.380.6636103560110220330kVUC:0.40.693.156.310.53763115230346.5kV

高压回路中，X∑＞＞R∑

，可忽略电阻；低压回路中，若R∑

＞1/3X∑，则需计入R∑；不计电阻时,三相短路容量：Sk（3）

=31/2UcIk（3）。2．用有名值法计算短路电流2.4短路故障的原因、危害和计算

（2）元件阻抗

*电力系统阻抗：Xs=Uc2/SocΩ式中Uc

—计算电压(kV)，Soc—系统出口断路器QF的断流容量(MVA).查附录表8

*对发电机G:XG=X*G”

Uc2/SNGΩ式中X*G”

—发电机次暂态电抗，SNG—发电机额定容量(MVA).

*

变压器(T)阻抗变压器电阻:RT=△PK(Uc/SN)2Ω

变压器电抗:XT=UK%/100*Uc2/SNTΩ

式中△PK—T短路损耗（W）SNT—T额定容量(kVA)，UK%—T短路电压百分值。查附录表52．用有名值法计算短路电流2.4短路故障的原因、危害和计算

（2）元件阻抗

*电力线路阻抗：RWL=R0LΩ；XWL=X0LΩ式中R0、X0—线路单位长度电阻、电抗(Ω/km)，L—线路长度（km）.

X0

取值范围(Ω/km)线路结构＞

35kV6～１０kV２２０／３８０Ｖ架空线路０.４０.３５０.３２电缆线路０.１２０.０８０.０６６

*

电抗器阻抗：XR=XR%/100*UNR/INRΩ

式中%—R电抗百分值，UNR—R额定电压（kV

），INR—R额定电流(kA)。2．用有名值法计算短路电流2.4短路故障的原因、危害和计算

（3）元件阻抗的折算

*计算短路回路阻抗时，若含有变压器，则应将电路内各元件的阻抗统一折算到短路点的短路计算电压下。*阻抗等效折算的公式：

Rˊ

=（UCˊ/UC）2*

RXˊ

=（UCˊ/UC）2*X

（4）短路计算点选择高压母线（T一次侧）低压母线（T二次侧）限流电抗器之后2.4短路故障的原因、危害和计算

短路计算实例分析（有名值法）例1：某供电系统简图如下，相关参数如图所示，试求K-1、K-2点三相短路电流和短路容量。解：1、求K-1点短路参数（UC1=

10.5kV）（1）计算阻抗（高压回路，近似认为Z∑=X∑）系统：X1=UC12/Soc=10.52/500=0.22Ω

架空线：X2=X0L=0.38*5=1.9Ω

（2）作等效电路图，计算总阻抗

则XK-1=X1+X2=0.22+1.9=2.12Ω短路计算实例分析

（3）计算短路电流和短路容量

IK-1（3）=UC1/XK-1=10.5/*2.12=2.86kA=IK-1”（3）=I∞（3）

ish（3）=2.55I”（3）=2.55*2.86=7.29kAIsh（3）=1.51I”（3）=1.51*2.86=4.32kASK-1（3）

=UC1IK-1（3）=*10.5*2.86=52.0MVA2、求K-2点短路参数（UC2=

0.4kV）（1）计算阻抗系统：X1ˊ=（UCˊ/UC）2*X1=（UC2/UC1）2*UC12/Soc

=UC2

2/Soc=0.42/500=0.32*10-3Ω

架空线：X2ˊ

=（UC2/UC1）2*X2=（UC2/UC1）2X0L=（0.4/10.5）2*1.9=2.76*10-3Ω短路计算实例分析

变压器T：X3=X4=UK%/100*UC22/SNT=4.5

/100*0.42/1000*10-3=7.2*10-3Ω

（2）作等效电路图，计算总阻抗则XK-2=X1ˊ+X2ˊ+X3∥X4=0.32*10-3+2.76*10-3+7.2*10-3/2=6.68*10-3Ω短路计算实例分析3、计算结果列表（3）计算短路电流和短路容量

IK-2（3）=UC2/XK-2=0.4/*6.68*10-3=34.57kA=IK-2”（3）=I∞（3）

ish（3）=1.84I”（3）=1.84*34.57=63.6kAIsh（3）=1.09I”（3）=1.09*34.57=37.7kASK-2（3）

=UC2IK-2（3）=*0.4*34.57=23.95MVA短路计算点IK（3）kAI”（3）kAI∞（3）kAish（3）kAIsh（3）kASK（3）MVAK-1点2.862.862.867.294.3252.0K-2点34.5734.5734.5763.637.723.953．用标幺值法进行短路计算的步骤选择基准容量、基准电压、计算短路点的基准电流绘制短路回路的等效电路计算短路回路中各元件的电抗标幺值求总电抗标幺值，化简电路计算三相短路电流周期分量有效值及其他短路参数列短路计算表2.4短路故障的原因、危害和计算

2.4.3短路计算3．用标幺值法计算短路电流2.4.3短路计算

标幺值pu法（相对值法）:各物理量基准值的选择必须和其实际值具有相同的量纲，常用右下标注d表示基准值，上标注*表示标幺值（1）标幺值的概念某一物理量的标幺值，是指该物理量的实际值与所选定的基准值的比值，即

Ad*=A/Ad

则U*=U/UdI*=I/IdX*=X/XdS*=S/Sd

一般取基准容量Sd=100MVA；基准电压Ud=Uc=1.05UN

设定了基准容量和基准电压后，基准电流为：Id=Sd/Ud

基准电抗为：Xd=Ud/Id=Ud2/

Sd（2）基本公式∵IK*

=IK/Id=Uc/X∑*1/Id=

Ud/Id*1/X∑=

Xd/X∑=1/X∑*

∴Ik（3）=Id/X∑*

Sk（3）

=UcIK（3）=Ud*Id/X∑*

=Sd/X∑*2.4.3短路计算

（3）元件电抗的标幺值

*系统：Xs*

=Sd/Soc

式中Sd

—基准容量(100MVA)，Soc—系统出口QF的断流容量(MVA)。

*发电机G:XG*

=X*G”

Sd/SNG

式中X*G”

—发电机次暂态电抗标幺值，SNG—发电机额定容量(MVA)。

*变压器(T)：XT*

=UK%/100*Sd/SNT

式中UK%—电力变压器短路电压百分值，SNT—T额定容量(MVA)。*线路(WL)：XWL*

=Sd/Ud2*X0L

式中X0—线路单位长度电抗(Ω/km)，L—线路长度(km)*

电抗器R：XR*

=XR%/100*UNR/Ud*Id/INR

式中%

—电抗百分值，UNR—R额定电压（kV），INR—R额定电流(kA)。2.4.3短路计算

短路计算实例分析（标幺值法）例2：某供电系统简图如下，相关参数如图所示，试求K-1、K-2点三相短路电流和短路容量。解：1、确定基准值，计算基准电流

取Sd=100MVA；Ud1=10.5kV；Ud2=0.4kV（基准电压Ud=Uc=1.05UN）

则Id1=Sd/Ud1=100/10.5=5.5kA

Id2=Sd/Ud2=100/0.4=144kA2、计算元件电抗标幺值系统：X1*

=Sd/Soc

=

100/500=0.2

架空线：X2*

=Sd/Ud2*X0L=100/10.52*0.38*5=1.72

变压器：X3*

=X4*

=UK%/100*Sd/SNT=4.5/100*100/1000*10-3=4.52.4.3短路计算

短路计算实例分析（标幺值法）

3、计算K-1点短路参数短路计算的等效电路图如下：

∵X∑K-1）*

=X1*+X2*=0.2+1.72=1.92∴Ik-1（3）=Id1/X∑K-1）*

=5.5/1.92=2.86kAish（3）=2.55I”（3）=2.55*2.86=7.29kAIsh（3）=1.51I”（3）=1.51*2.86=4.32kA

Sk-1（3）=Sd/X∑K-1）*

=100/1.92=52.0MVA

短路计算实例分析（标幺值法）4、计算K-2点短路参数∵X∑K-2）*

=X1*+X2*+X3*∥X4*=0.2+1.72+4.5/2=4.17∴Ik-2（3）=Id2/X∑K-2）*

=144/4.17=34.53KAish（3）=1.84I”（3）=1.84*34.53=63.6kAIsh（3）=1.09I”（3）=1.09*34.53=37.7kA

Sk-2（3）=Sd/X∑K-2）*

=100/4.17=23.98MVA5、计算结果列表（与用有名值法计算结果基本一致）短路计算点IK（3）kAI”（3）kAI∞（3）kAish（3）kAIsh（3）kASK（3）MVAK-1点2.862.862.867.294.3252.0K-2点34.5334.5334.5363.537.623.98

结论：由于元件电抗采用相对值，与短路计算点电压无关，无需进行折算，所以用标幺值法计算短路电流比较简便。2.4.3短路计算

Ik（2）=/2

*Ik（3）即在无限大容量系统中，同一地点的两相短路电流为三相短路电流的0.866倍。4．两相短路电流计算补充作业：某供电系统简图如下，相关参数如图所示，试求K-1、K-2、K-3点三相短路电流和短路容量。2.4.4短路的效应（电动力效应及热效应）1．短路电流的力效应

通电导体周围存在电磁场，当平行导体分别通过电流时，由于电磁场的相互作用，导体间会产生电动力，如图。电动力的大小和方向，取决于电流的大小、方向、导体的尺寸、形状和相互之间的位置等因素。可以证明，三相导体在同一平面平行布置时，中间相受到的电动力最大，最大电动力Fmax

正比于三相短路冲击电流ish（3）的平方。2.4短路故障的原因、危害和计算

电力系统某处发生短路，将会有很大的短路电流，可以达到几万安甚至更大。如此巨大的短路电流产生强磁场，对相邻相的短路电流作用，产生很大的作用力，称为电动力。这个力可能会使母线等通电导体变形损坏，使支持绝缘子受力损坏。这就是电动力效应。2.4.4短路的效应（电动力效应及热效应）2．短路动稳定度校验

（1）对一般电器要求电器的极限通过电流（动稳定电流）峰值大于最大短路电流峰值，即（2-34）式中——电器的极限通过电流（动稳定电流）峰值；

——最大短路电流峰值。（2）对绝缘子要求绝缘子的最大允许抗弯载荷大于最大计算载荷，即（2-35）式中——绝缘子的最大允许载荷，Fal=0.6F（绝缘子破坏载荷）；

——最大计算载荷，FC=Fmax（母线平放）或FC=1.4Fmax（母线竖放）。2.4短路故障的原因、危害和计算

2.4.4短路的效应2．短路动稳定度校验

（3）对硬母线

动稳定的条件是：

σal≥σc式中σal

——母线材料最大允许应力（硬铜：140MPa；硬铝：70MPa）

σc=M/W——计算应力（MPa）弯矩：M=l/8*Fmax

（档数1～2时）（Nm）

M=l/10*Fmax

（档数＞2时）（Nm）抗弯矩：W=b2h/6（m3）2.4短路故障的原因、危害和计算

（1）短路发热的特点导体通过电流，产生电能损耗，转换成热能，使导体温度上升。正常运行时，导体通过负荷电流，产生的热能使导体温度升高，同时向导体周围介质散失。当导体内产生的热量等于向介质散失的热量，导体的温度维持不变。短路时由于保护装置动作切除故障，短路电流持续的时间很短，可认为短路电流在很短时间内产生的热量来不及向周围介质散热，全部用来使导体温度升高，因此短路发热可近似为绝热过程。

（2