电气负荷计算

学习情境 1 住宅建筑电气照明系统安装1.1 施工技术准备1,识图1)设计说明(1)设计依据 图纸:建筑专业提供的平面图,立面图,剖面图. 规范:低压配电设计规范GB50054-95.民用建筑电气设计规范JGJ/T16-2008.供配电系统设计规范GB50052-95.建筑物防雷设计规范GB50057-94(2000年版).建筑照明设计规范GB50034-2004.(2)设计范围 电气照明设计弱电设计(埋管线)防雷设计.(3)配电系统 负荷:设计负荷每户 10kW. 配线:本工程所有配线均为穿管暗配线,室内在板,墙,梁内敷设,各部位管型管径见图中标注和主材表备注栏. 线型线径:管内导线按规定分色.当采用多相供电时,同一建筑物,构筑物的电线绝缘层颜色选择应一致,即保护地线(PE线)应是黄绿相间色,零线用淡蓝色;相线用:A相-黄色,B相-绿色,C相-红色. 电器安装:配电箱,开关箱铁制暗设,底边距地高度 1.8米. 开关:暗设距地高度 1.3米. 插座:暗设,卫,洗间防溅插座距地高度 1.3米. 电视,电话只埋线管,距地高度0.3米.(4)电气安全:卫,洗间作局部等电位联接,等电位做法见 02D501-2.(5)防雷:凡被利用作防雷用的钢筋均应焊接成电气通路.焊接应采用搭接焊,搭接长度应符合下列规定: 扁钢与扁钢搭接为扁钢宽度的2倍,不少于三面施焊; 圆钢与圆钢搭接为圆钢直径的6倍,双面施焊; 圆钢与扁钢搭接为圆钢直径的6倍,双面施焊; 扁钢与钢管,扁钢与角钢焊接,紧贴角钢外侧两面,或紧贴3/4钢管表面,上下两侧施焊; 除埋设在混凝土中的焊接接头外,应有防腐措施.(6)其它 图中未尽事宜由建设单位,施工单位,设计单位协商解决. 本工程所用配电箱的生产厂家应具有证认.2)图例3)选用标准图集(1)室内管线安装03D301-13(2004合计本)(2)常用低压配电设备及灯具安装D702-13(2004年合订本)(3)防雷与接地安装D501-14(2003年合定本)(4)等电位联接安装02D501-2(5)建筑物防雷设施安装99(03)D5011(6)利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装03D501-34)配电箱系统图由此配电系统图可以看出,电源进线BV-(3*10).PC32为3根10mm2的聚氯乙烯绝缘铜芯线穿直径为32mm塑料管敷设,进线总开关63A/4为63A的4极空气断路器.电源进入配电箱后分为10个支路出来.其中N1,N2支路的断路器16/1P为16A的单极开关,出线BV-(2*2.5).PC16为2根2.5mm2的聚氯乙烯绝缘铜芯线穿直径为16mm的塑料管敷设.N3,N4,N5,N6支路的断路器20/2P为20A的双极带漏电功能的开关,出线BV-(3*4).PC20为3根4mm2的聚氯乙烯绝缘铜芯线穿直径为20mm的塑料管敷设.N7,N8,N9,N10支路的断路器20/2P为20A的双极开关,出线BV-(3*4).PC20为3根4mm2的聚氯乙烯绝缘铜芯线穿直径为20mm的塑料管敷设.另外,由此图还可看出,此配电箱分别装有零排和保护线端子排,此配电箱为3号配电箱P3.5)电气平面图一层电气平面图二层电气平面图由平面图可以看出,N1,N2为照明支路,其中N1支路为一层照明支路,向6盏灯供电;N2支路为二层照明支路,也是向6盏灯供电.在看照明支路图时,注意导线上的短斜线表示该导线的根数,如3根短斜线表示该导线的根数为3,如4根短斜线表示该导线的根数为4.N3,N4,N5,N6,N7,N8,N9,N10为插座支路,其中N3,N4,N5,N6为普通插座,N7,N8,N9,N10为空调插座,所有插座线均为3根.N3为4个厨房的插座供电;N4向8个插座供电,一层,二层各4个,注意 表示上引线,即在此有一根竖直向上的管子,导线穿在管中;N5向一层客厅和餐厅的插座供电,共7个;N 6通过上引线向二层的6个插座供电.N7向2个空调插座供电,一层,二层各1个;N8也是向2个空调插座供电,一层,二层各1个;N9向一层的空调插座供电;N10向二层的空调插座供电.另外,分别在一层,二层各安装有一个电话,电视插座.6)防雷,接地平面图由此防雷,接地平面图可以看出,外圈的虚线表示接地体的敷设,此图表示用10圆钢作接地体在外墙基础垫层外边缘内敷设,具体作法见建筑物防雷设施安装99(03)D5011,利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装03D501-3.其中 表示引下线,此工程共有7根引下线,是利用建筑物柱内主钢筋兼作的引下线,其上端与屋檐内避雷带钢筋焊接,下端与基础垫层内接地体和地梁主钢筋焊接.内圈上有符号的线条表示避雷带,由图上可以看出,10圆钢避雷带在屋脊,屋檐内暗敷设,具体作法见建筑物防雷设施安装99(03)D5011,利用建筑物金属体做防雷及接地装置安装03D501-3.同时要求屋面所有金属管道均应与避雷带焊接成电气通路,具体焊接要求见设计说明.另外,在离地0.5m处,在兼作引下线的建筑物柱内主钢筋上暗设测试端子,用于测量接地电阻,具体作法见防雷与接地安装D501-14(2003年合定本).此工程共设2处测试端子.思考:根据以上所述的识图原则,我们大致掌握了建筑电气施工图的组成以及图纸读识的基本规律和原则.在掌握建筑电气相关专业知识的基础上,还应该对国家现行的标准规范和施工流程有一定的了解.请思考以下题目,并读识配套的电气施工图.1)该建筑属于哪种类型 进行电气施工图设计时参考并引用了哪些规范和图集 2)本建筑电气设计的范围和包含的内容有哪些 3)本建筑电源从哪里引来 电力系统的构成方式采用哪一种 4)电气设计说明中包含了哪些内容 5)对照平面图和主要材料表,该建筑内用到了哪些电气设备 6)读识系统图,每个配电箱中包含有哪些电气元件,其作用及相互关系是什么 7)仔细对照平面图和系统图,平面图上的元件,回路以及配电箱是否跟系统图一一对应 8)从每一个配电箱为开始读识平面图,找到其进线的位置和出线的数量;验证导线的根数是否正确.9)读识防雷平面和接地平面图,判断其系统构成和做法是否与电气设计说明中的要求相一致.图面上的各种标注,其含义是什么 通过对以上问题的思考,我们可以初步掌握这套电气施工图的一个概况,但只知其然而不知其所以然是远远不够的,图纸上表示的许多数值和做法,为什么要这样做呢,数据得来的依据是什么呢 通过以下几个部分内容的学习,就可以帮助我们解决这些问题.2,用需要系数法和单位用电量指标法进行负荷计算1)负荷计算的目的及相关物理量(1)负荷曲线负荷曲线按纵坐标所表示的功率可分为有功负荷曲线和无功负荷曲线.按横坐标所表示的时间范围可分为日负荷曲线和年负荷曲线.a) 日负荷曲线(a) 日负荷曲线的绘制 日负荷曲线是以一昼夜24h为时间范围绘制的,日负荷曲线的绘制方法有:根据某一监测点24h内各个时刻的功率表中显示的数据,逐点绘制而成的平滑曲线,如图1.1-1所示,这样得到的负荷曲线最为准确.工程上,为了表达和计算简单起见,往往将负荷曲线用等效的阶梯形曲线来代替,与精确的负荷曲线之间会有一定的误差,但这种误差是可以允许的.最为常见的负荷曲线是以半小时为时间间隔所绘制的曲线,如图1.1-2所示.图1.1-1 有功日负荷的平滑曲线 图1.1-2 有功日负荷的阶梯形曲线(b)日负荷曲线的特征参数日电能耗量最大功率:表示负荷曲线上功率最大的一点的功率值.平均功率:表示日负荷曲线上日电能耗量与时间(24h)的比值,即:有功负荷系数(为: 通常 ( = 0.70.75.无功负荷系数(为: 通常 ( = 0.760.82.b)年负荷曲线(a)年负荷曲线的绘制运行年负荷曲线,即根据每天最大负荷变动情况,按一年12个月365天逐天绘制,绘制方法与日负荷曲线相同.电力负荷全年持续曲线,它的绘制方法是不分日月的时间界限,而是以全年8760h为直角坐标系的横轴,以负荷为纵轴按大小依次排列绘成.绘制方法如下:选择典型的夏季日负荷曲线和冬季日负荷曲线各一条;一般认为在南方地区,冬季为165天,夏季为200天,在北方地区,冬季为200天,夏季为165天;从两条典型日负荷曲线的功率最大值开始,依功率的递减顺序依次绘制.如图1.1-3a),b)所示在北方地区,功率P1在年负荷曲线上所持续的时间T1是:以此类推,绘制出整个年负荷曲线,如图1.1-3所示.图1.1-3 电力负荷全年持续曲线a)典型冬季日负荷曲线 b)典型夏季日负荷曲线 c)电力负荷全年持续曲线(b)年负荷曲线的特征参数年电能耗量:最大负荷:表示年负荷曲线上出现的最大的负荷值.也即典型日负荷曲线上的最大负荷.年平均负荷:即全年消耗电能与全年时间8760h的比值:年最大负荷利用小时数:若用户以年最大负荷持续运行小时即可消耗掉全年实际消耗的电能,则称为年最大负荷利用小时数.2)计算负荷的概念计算负荷是一个假想的持续负荷,其热效应与同时间内实际变动负荷所产生的热效应相等.在供配电系统中,以30min的最大计算负荷作为选择电气设备的依据,并认为只要电气设备能承受该负荷的长期作用即可在正常情况下长期运行.一般将这个最大计算负荷简称为计算负荷.反映在30min阶梯形负荷曲线上,就是最大负荷.即计算负荷为什么要以30min作为确定计算负荷的依据呢 当通过载流导体的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的较高的温度值.分析表明,载流导体一般经过(34)(为发热时间常数),即能达到稳定温度,而导体的一般为1030min左右,因此达到稳定温度需30120min时间.为了保证当载流导体上长期通过计算电流时的最高稳定温度不超过其允许温度,因此取负荷曲线上的30min最大负荷作为计算负荷其实是一种较为保守的取法,它是以发热时间常数较短的导体达到热平衡的时间为取值依据.在负荷曲线上,时间值取得越短,最大的等效负荷(即计算负荷)就越大.3)负荷的工作制a)连续运行工作制(长期工作制) 即电气设备投入工作的持续时间较长,负荷稳定,在工作时间内,电气设备截流导体可以达到稳定的工作温度.连续运行工作制的负荷是指其持续工作时间超过导体达到热平衡所需的时间,即:若导体在此时能安全工作,则该导体即可在同等条件下一直安全持续工作下去.连续运行工作制设备很多,如:照明设备,电动扶梯,空调风机,电炉等.b)短时运行工作制(短时工作制) 即电气设备的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,其发热所产生的温升可以在停歇时间内冷却到周围的介质温度.因此,同样的电气设备,在短时运行工作制下将比在连续运行工作制下可以承受更大的负荷.短时运行工作制设备很少,如:金属切削用的辅助机械(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.c)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,其工作和停歇相互交替.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,但其发热产生的温升不足以在停歇时间内冷却到周围的介质温度.这种电气设备运行时的可承受功率与其工作时间和停歇时间的相对长度有关,一般用负荷持续率(%来表示,即:断续工作制的电气设备较多,如起重机,电焊机,电梯等.断续工作制电气设备的额定容量是与其额定负荷持续率相对应的,当负荷持续率不同时, 电气设备可承受的功率也将发生变化.下面推导其换算公式.设工作周期内为绝热过程,即发热不向四周散失.(a)当负荷持续率为:对应的电气设备功率为:(b)当负荷持续率为;对应的电气设备功率为:设上述两种情况下的工作周期时间T相同,要使电气设备在不同负荷持续率下,工作温度不变,需使其工作周期内发热相等,即:即:可得:上式即为不同负荷持续率下,功率的换算公式.4)负荷计算的方法对于一个尚未建立和运行的供配电系统,其负荷曲线是未知的,我们无法直接得到计算负荷,而要根据已有的同类型的用户的用电规律来进行计算.若已知一个供电范围内的所有电气设备的容量之和为,当这些设备正常使用的时候,由于各种原因,该供电范围的负荷曲线中的计算负荷总会比电气设备的总容量小,即:式中K是一个小于1的数.确定这个K值常用的方法有需要系数法,二项式法和利用系数法等.这些方法都要大量使用到经验数据.若在电气设备数量和容量都不清楚的情况下,要想得到某种使用功能场所的计算负荷,可采用各种用电指标进行负荷计算,其方法有:负荷密度法,单位指标法,住宅用电量指标法等.a)需要系数法(a)需要系数的确定因为所以,需要系数为:影响需要系数的因素有:并非供电范围内的所有用电设备都会同时投入使用.以同时系数表示.并非投入使用的所有电气设备任何时候都会满载运行.以负荷系数表示.电气设备额定功率与输入功率不一定相等.以电气设备的平均效率表示.考虑直接向电气设备配电的配电线路上的功率损耗后.电气设备输入功率与系统向设备提供的功率不一定相同.以线路的平均效率表示.即:上式中,均为小于1的系数.工程实际中,很难通过求上述四个系数来得到需要系数,而是根据已运行的实际系统的统计数据,得到需要系数的经验值.需要系数是以电气设备的性质为分类原则分类得到的,因此使用时应首先对所要计算的设备进行归类.给出的需要系数常常是一个范围,使用时应根据实际设备的数量决定取值的大小,设备数量越多,需要系数取值应越小,反之则大.(b)负荷计算的需要系数法在计算某供电范围内的计算负荷时,先根据负荷类别进行分组,然后按照下列步骤进行计算.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的电功率作为计算负荷,又常把单台设备的计算负荷称作设备功率以表示.对于连续工作制负荷:式中 为设备额定输入功率,单位为kW.断续运行工作制电动机类负荷:应将其额定功率换算成负荷持续率为25%时的等效功率以便于计算.即:式中 为设备额定输入功率,单位为kW.额定负荷持续率.断续运行工作制电焊机类负荷:应将其额定功率换算成负荷持续率为100%时的等效功率,以便于计算.即:成组用电设备的设备功率是指除备用设备以外的所有单个用电设备额定输入功率的总和.(e)照明设备的设备功率应考虑辅助其正常工作的镇流器等元件上的功率损耗.白炽灯光源的照明设备:荧光灯光源的照明设备:(考虑电感型镇流器)高强气体放电灯光源的照明设备:(考虑电感型镇流器)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,即式中 n第j组设备数量;第j组设备总功率,单位为kW;第j组需要系数;第j组设备计算有功功率,单位为 kW;一第j组设备计算无功功率,单位为kVar;第j组设备计算视在功率,单位为kVA;第j组设备功率因数角的正切值;电气设备额定电压,单位为kV;第j组设备计算电流,单位为A.当每组电气设备台(套)数3台时,考虑其同时使用率非常高,将需要系数取为1,其余计算与上述公式相同.多组设备的计算负荷 当供电范围内有多个性质不同的电气设备组时.先将每一组都按上述l)2)所述步骤计算后,再考虑各个设备组的计算负荷在各自的负荷曲线上不可能同时出现,以一个同时系数来表达这种不同时率,因此其计算负荷为:式中 m设备组数有功功率同时系数.对于配电干线所供范围的计算负荷,取值范围一般在0.80.9;对于变电站总计算负荷,取值范围一般在0.851.无功功率同时系数,对于配电干线计算负荷,取值范围一般在0.930.97;对于变电站总计算负荷,取值范围一般在0.951.总计算有功功率,单位为 kW;一总计算无功功率,单位为kVar;总计算视在功率,单位为kVA;总计算电流,单位为A.例1.1-1 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,视在功率和计算电流.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,cos(=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:120kW4台冷冻水泵容量:30kW5台(其中一台备用)冷却水泵容量:22kW5台(其中一台备用)冷却塔容量:7.5kW4台送,排风机容量:11kW5台;22kW3台;17.5kW5台电梯容量:30kw3台()厨房设备容量:15kW2台;5kW5台;2.2kW6台洗衣设备容量:30kW2台;6kW3台;4kW4台解:1)分组计算 大堂,走道,餐厅,多功能厅等处荧光灯照明设备()考虑电感型镇流器: 大堂,走道,餐厅,多功能厅等处白炽灯照明设备() 客房白炽灯照明设备() 冷水机组,冷冻水泵,冷却水泵,冷却塔设备() 送,排风机() 电梯() 厨房设备() 洗衣设备()2)计算总计算负荷因为,对于变电站总计算负荷,取值范围一般在0.851;取值范围一般在0.951.所以取,.则:3,利用各种用电指标的负荷计算方法当用电设备台数及容量尚未确定,但需作初步的负荷计算时,如:供配电系统处于规划阶段时,具体设备尚未明确;处于初步设计阶段时,部分主要的,大容量的用电设备已经清楚,但某些分散的,小容量用电设备(如:照明设备等)并未确定.这时,均需借助用电指标进行负荷计算.有的电能用户,如住宅,对其设计供配申系统时,始终无法得知每个住户的实际用电设备台数及容量,只能借助用电指标进行负荷计算.常见的方法有:负荷密度法,单位指标法和住宅用电量指标法.上述方法中所涉及到的负荷密度指标,单位用电量指标或住宅用电量指标也都是由经统计和处理的经验数据得到的.1)负荷密度法式中 S计算范围的使用面积,单位为 m2;负荷密度指标,单位为 kW/m2.表1.1-1中所示数据为一些常见的工业与民用电能用户的负荷密度指标.常见的工业与民用电能用户的负密度指标 表1.1-1用途负荷密度指标/ (kW/m2)用途负荷密度指标/ (kW/m2)铸钢车间0.06旅游宾馆0.070.08焊接车间0.04商场0.120.15铸铁车间0.06科研实验楼0.080.10金工车间0.10办公楼0.070.08木工车间0.66中,小学(有空调)0.070.08煤气站0.090.13中,小学(无空调)0.030.04锅炉房0.150.20医院0.080.1压缩空气站0.150.20博展馆0.060.07 不含电弧炉, 有中央空调.2)单位指标法式中 单位用电指标,单位为 kW/人,kW/床,kW/产品等;单位数量,单位为人数,床数,产品数量等.3)住宅用电量指标法式中 住宅用电量指标,单位为kW/户;供电范围内的住宅户数;住宅用电同时系数.住宅用电量指标相当于一户住宅的计算负荷,其值的大小与住宅的建筑面积,档次,所处地区有很大的关系,并随着经济的发展,住宅用电量指标增长相当迅速;住宅用电同时系数表示不同住户的计算负荷的出现在时间上的不一致性,因此随着供电范围的增加(住户数量的增加),住宅用电同时系数应呈减小的趋势.表1.1-2为中国大陆和香港,美国的住宅用电量标准比较,按照住宅设计规范GB50096-1999,我国住宅用电负荷标准如表1.1-3所示.中国大陆和香港,美国的住宅用电量标准比较 表1.1-2 中国大陆香港美国(基本配置)美国(标准配置)住宅用电量指标/kW2.5413.218.625住宅用电负荷标准 表1.1-3 套 型居住空间个数(个)不包括阳台的使用面积/用电负荷标准/kW一类2342.5二类3452.5三类3564四类4684按照国家建筑标准设计图集04DX101-1建筑电气常用数据,表1.1-4中为住宅用电同时系数推荐值.住宅用电同时系数推荐值 表1.1-4 按单相配电计算时所连接的基本户数按单相配电计算时所连接的基本户数同时系数通用值推荐值39114120.950.956180.750.808240.660.7010300.580.6512360.500.6014420.480.5516480.470.5518540.450.5021630.430.5024720.410.4525100753000.400.451252003756000.330.352603007809000.260.30在对大型住宅小区进行规划时可使用表1.1-5推荐的供电指标.规划供电指标推荐值 表1.1-5 普通住宅全电气化住宅户均人口 /人2.92.9近期户均指标 /kW1.32.3远期户均指标 /kW1.82.8思考:这一部分我们主要学习了负荷计算的相关知识.负荷计算可以说是整个建筑电气设计到施工的基础,通过负荷计算,我们可以很准确地确定每一条回路上的计算电流的大小,以此为依据,就可以选择合适的导线和开关设备.例如说,我们都知道空调回路一般要比照明回路的功率大很多,在电压相等的情况下,功率越大,意味着通过这些设备的电流就越大,在这种情况下,我们有必要为这些大功率的设备选择较大截面的导线和允许通过电流值较大的开关设备.上面讲到了几种不同的负荷计算的方法,我们仍然以图集中的配电箱为例来计算,验证配电箱系统图中所标示的计算负荷是否准确.在计算之前,有两个问题需要强调:首先,对于住宅建筑我们一般选用需要系数法和用电量指标法相结合的方式;其次,由于需要系数表中给出的需要系数一般是一个范围,所以在计算过程中由于需要系数选取的不同有可能影响最后的计算结果.思考以下问题并进行计算验证:1)图中AW1配电箱中,标示的设备容量为98KW,当需要系数和功率因数分别取0.7和0.9时,最后计算电流为115.8A.2)图中AL1配电箱中,标示的设备容量为8KW,当需要系数和功率因数分别取1和0.9时,最后计算电流为40A.通过计算电流选择导线和电缆以及开关设备的方法在后面详述.供配电系统能否正常稳定地工作,除了与自身系统构成有关之外,还跟其配套的安全保护部分息息相关.雷电流是导致建筑供电系统故障的一个原因,通过下面内容的介绍,我们应该大致了解雷电流的形成特点以及防护办法等内容.4,过电压与防雷1)概述电力系统的过电流和过电压是一对对偶的故障或不正常运行状态.本书第六章主要讲述了系统过电流的危害,特征以及预防和保护的方法.本章将针对过电压的危害和防护问题进行讨论.(1)过电压的危害过电压的危害主要表现在两个方面:危及系统,设备安全 过电压使绝缘遭到破坏而导致系统电气元件,用电设备损坏.对于供配电系统来说,过电压除了击穿绝缘造成短路以外,还可能因工频电压升高使照明或电热设备发热功率增大而烧坏设备,或使电动机,变压器等设备铁心磁通密度增大,导致铁损增大而烧坏设备,也可能因短时脉冲过电压而使电子元器件及设备损坏.危及人身安全过电压对设备或建筑物均可能产生严重的破坏,并由此带来电台,火灾等十分严重的后果.这种后果危害人身安全,且大量发生在非电气专业场所,事故造成的损失往往远大于在专业场所发生的同类故障.因此,对于这种状况更应作好防范.(2)过电压的分类电动机,变压器,输配电线路和开关设备等的对地绝缘,在正常工作时只承受相电压.当由于某些原因,电网的电磁能量发生突变,就会造成设备对地或匝间电压的异常升高,产生过电压.过电压分为雷电过电压和内部过电压.a)雷电过电压由于大气中雷云与雷云,雷云与地面物体间会出现效电现象,雷云直接对地面某物体(电气设备或建筑物)放电或雷电感应而引起的过电压统称为雷电过电压或大气过电压或外部过电压.这种过电压在供电系统中占的比重极大,它不仅对系统中的电气设备,而且对建筑物造成危害.雷电过电压具有脉冲特性,持续时间一般只有几十微秒,其幅值取决于雷电参数和防雷措施,与系统的额定电压参数无直接关系.雷电过电压又分为直未雷过电压,感应雷过电压,侵入波过电压和雷击电磁脉冲.直击雷过电压是指雷电对电气设备或建筑物直接放电而产生的过电压,放电时雷电流可达几万甚至几十万安培.感应雷过电压是指当雷云出现在架空线路上方时,由于静电感应,在架空线路上积聚大量异号电荷,在雷云对其他地方放电后,线路上原来被约束的电荷被释放形成自由电荷以电磁波速度向线路两侧流动,形成感应过电压,其电压可达几十万伏.雷电侵入波(行进波)过电压是指由于线路,金属管道等遭受直接雷击或感应雷而产生的雷电波,沿线路,金属管道等侵入变电站或建筑物而造成危害.据统计,这种雷电侵入波占系统雷害事故的50%以上.因此,对其防护问题,应予相当重视.雷击电磁脉冲是指雷电直接去在建筑物防雷装置和建筑物附近所弓l起的效应.它是一种干扰源,绝大多数是通过连接导体的干扰,如雷电流或部分雷电流,被雷电击中的装置的电位升高以及电磁辐射干扰.这种干扰脉冲是种能量脉冲,它既可以以过电压形式出现,也可以以过电流或电磁辐射形式出现,因此,雷击电磁脉冲并不完全是过电压问题,而是一种能量冲击,因此又将其称为电涌(surge)或浪涌,它对供配电系统中电气设备的绝缘威胁不大,但对用电设备中的信息系统设备的正常工作影响甚大.b)内部过电压 由于系统的操作,故障和某些不正常运行状态,使供配电系统电磁能量发生转换而产生的过电压称为内部过电压.内部过电压的持续时间与过电压的类别有关,短的如操作过电压,其持续时间一般为毫秒级,长的如谐振过电压可持续存在.常见的内部过电压有:(a)操作过电压是指由于开关分合闸操作或事故状态而引起的过电压.在开关操作或事故过程中,系统的运行状态发生改变将引起系统中电容和电感间电磁场能量互相转换的暂态过程.在阻尼不足的电路中,这种过程常常是振荡性的.这时,就有可能在某些设备上,局部或全部电网中出现过电压.常见的操作过电压有:切断小电感电流时的过电压,例如切除空载变压器,切除电抗器等.切断电容性负载时的过电压,例如切除空载长线,电容器等.中性点不接地系统的弧光接地过电压.(b)谐振过电压产生于系统中电感与电容组合构成的振荡回路.其固有自振频率与外加电源频率相等或接近时,出现的一种周期性或准周期性的运行状态,叫谐振.由谐振导致的过电压称为谐振过电压.供配电系统中,谐振过电压主要有线性谐振过电压(发生在由恒定电感,电容和电阻组成的回路中)和非线性(铁磁)(由于变压器,电压互感器等的磁路饱和造成)谐振过电压.(c)工频电压升高,是指因为系统发生故障,不正常运行状态或参数失配造成的异常电压上升.常见的工频电压升高有长线路电容效应造成的末端电压升高,不对称接地带来的健全相对地电压升高,突然甩负荷造成的电压升高,低压中性点接地系统中性点位移造成的电压升高,共用接地体的高压接地电压窜入低压系统造成的过电压等.内部过电压的幅值与电网的额定电压呈正相关,一般为额定电压的2.54倍,因此在高压和超高压系统中显得特别严重,在以中压和低压为主要电压等级的供配电系统中,内部过电压对系统自身的运行安全危害相对较轻.但其对环境安全,人身安全或用电设备安全却有较大危害.本书以下分析仅涉及雷电过电压的防护问题.(3)雷电过电压的防护方法雷电过电压的防护应从两个方面入手,一是尽量减少雷电过电压发生的可能;二是一旦产生了雷电过电压,应采取措施尽量限制过电压的危害程度.雷电过电压的防护措施主要有:雷电直击的防护采用直未雷防护装置来保护供配电设施或建筑物免受直接雷击.这类措施的目的是避免直击雷过电压.雷电过电压的防护采用避雷器,并联电容器等来限制和降低由于直击雷过电压和感应雷过电压造成的雷电侵入波过电压的幅值和陡度.这类措施的目的是避免过电压对被保护物的危害或减轻其危害程度.(4)雷云放由过程及雷电特性要对雷电过电压进行防护,首先应对导致雷电过电压的雷电以及雷电的特性参数有所了解.a)雷云放电过程雷电放电是由带电的雷云引起的.雷云中电荷的形成,有各种学说,目前尚未获得比较满意的一致性认识.一般认为,雷云是在有利的大气和大地条件下,由强大的潮湿的热气流不断上升进入稀薄的大气层冷凝,形成冰晶;在高空中冰晶和过冷的水滴相混合时,形成冰雾;冰晶带正电而冰雾带负电;冰晶被气流带到云顶的上部,形成带正电的雷云,而冰雾则形成带负电的雷云.雷云与雷云或雷云与大地之间构成一个巨大的电容器,当雷云中的电荷聚积到足够数量时,雷云对地之间或不同电荷的雷云间就会发生强烈的放电现象.在放电初始阶段,由于空气产生强烈的游离,形成指向大地的一段导电通路,叫做雷电先导.雷电先导脉冲式地向地面发展,到达地面时,与地面异性电荷发生剧烈地中和,出现极大的电流并有雷鸣和闪电伴随出现,这就是主放电阶段.主放电存在的时间极短,约为50100,其温度可达2000,并给周围空气急剧加热,骤然膨胀而发生雷鸣,主放电电流可达数百千安,是全部雷电流中的主要部分.主放电阶段结束后,雷云中的残余电荷经放电通道入地,称为放电的余辉阶段,持续时间较长约为0.030.05s,余辉电流不大于数百安.雷电流对地面波及物体有极大危害性,它能伤害人畜,击毁建筑物,造成火灾,并使电气设备绝缘受到破坏,影响供电系统的安全运行.b)雷电的特性参数雷云放电具有很高的电压幅值和电流幅值.通常可能测量的是雷电流幅值及其增长变化速度(也称为雷电流陡度)这两个参数.掌握了这两个参数就能够计算雷电过电压并采取相应的防雷保护措施.但雷电活动是大自然的气象变化形成的,各次雷云的放电条件不同,随机性很强,其参数只能通过多次观测所得的统计数字来表示.描述雷电的特性参数主要有雷电流幅值,雷电流波形,雷暴日,地面落雷密度等.(a)雷电流幅值 雷电流的波形呈脉冲形式,雷电流幅值是指该脉冲电流所达到的最高值.雷电流幅值与气象,自然条件等有关,是一个随机变量,其变化范围很大.在相同的雷电情况下,被击物的接地电阻值不同,其雷电流也各异.为了便于互相比较,将接地电阻小于30的物体,遭到直击雷作用时产生的电流最大值,叫雷电流幅值.我国雷电流幅值概率曲线如图1.1-4所示.这是根据大量实测数据得出的.图中横坐标上的P表示雷电流幅值超过纵坐标上所示值的概率.该曲线也可用下式表示:式中 I雷电流幅值,单位为kA.P雷电流超过I的概率.从曲线中可知,幅值超过20kA的雷电流出现的概率为65%,而超过120kA的概率只有7%.(b)雷电流波形 根据测量,雷电流波党是一种非周期性脉冲波,其幅值和陡度随各次放电条件而异.通常幅值大时陡度也大,幅值和最大陡度都出现在波头部分,如图1.1-5所示.据统计,雷电流的波头长度在 l5的范围内,雷电流的波长在2050的范围内,在防雷保护中,建议采用的雷电流波形为26/50us(波头长度/波长).雷电流陡度是指雷电流幅值与雷电流波头长度的比值.由于雷电流的波头长度变化不大,所以雷电流的陡度和福值必然密切相关.当采用 2.6波头时,雷电流的.平均陡度a与幅值I线性相关,即:式中a雷电流陡度,单位为kA/.(c)雷暴日 雷暴日是指每年中有雷电放电的天数,在一天内只要听到雷声就算一个雷暴日.因各地区气候特征不同,雷电活动在不同地区的频繁程度也不同.对雷电的活动状况可用雷暴日来表示.雷暴日一般取其统计的平均值,即平均雷暴日.我国某些城市的年平均雷暴日如表8-1所示.在我国把平均年雷暴日小于15的叫少雷区,大于40的叫多雷区,大于90的叫强雷区.在防雷设计上要根据雷暴日的多少因地制宜地采取防雷措施.某些城市年平均雷暴日 表1.1-6(d)年地面落雷密度 地面落雷密度是指每年,每平方公里的地面遭受雷击的次数.雷暴日的统计,并没有区分雷云之间的放电和雷云与地的放电.实际上雷云间放电几率更大.对防雷保护的设计研究更有实际意义的,还是雷云对单位面积地面的年平均放电次数.关于地面落雷密度与雷暴日数的关系,目前学术界尚有争议,一般可用下式计算:式中 每年每平方公里地面落雷数,单位为次/年平均雷暴日;地面落雷密度,即每雷暴日每平方公里地面落雷数,单位为次/ (e)建筑物年预计雷击次数 在进行建筑防雷设计时通常采用年预计雷击次数这一参数.建筑物年预计雷击次数按下式确定:式中 N一建筑物预计雷击次数,单位为次/a;k校正系数,在一般情况下取1;在下列情况下取相应数值:位于旷野孤立的建筑物取2;金属屋面的砖木结构建筑物取1.7;位于河边,湖边,山坡下或山地中 土壤电阻率较小处,地下水路头处,土山顶部,山谷风口等处的建筑物以及特别潮湿的建筑物取1.5;建筑物所处地区雷击大地的平均密度,单位为次/a;与建筑物截收相同雷击次数的等效面积,单位为km2.建筑物等面积向外扩大后的面积.如图1.1-6所示.a)当建筑物的高 H 小于 100m时,其每边的扩大宽度和等效面积应按下式计算:式中 D建筑物每边的扩大宽度,单位为m;L,M,H分别为建筑物的长,宽,高,单位为m.b)当建筑物的高H等于或大于100m时,其每边的扩大宽度应按等于建筑物的高 H,由下式计算:3)当建筑物各部位的高不同时,应沿建筑物周边逐点算出最大扩大宽度,其等效面积应按每点最大扩大宽度外墙的连接线所包围的面积计算.(5)接地和接地装置a)接地的概念 电气设备的任何部分与土壤间作良好的电气连接,称为接地.直接与土壤接触的金属导体称为接地体或接地极.连接于电气设备接地部分与接地体间的金属导线称为接地线.接地体可分为人工接地体和自然接地体,人工接地体是指专门为接地而装设的接地体,自然接地体是指兼作接地体用的直接与大地接触的各种金属构件,金属管道及建筑物的钢筋混凝土基础等.接地体和接地线组成的总体称为接地装置.b)接地装置的散流场 当由于某种原因有电流流入接地体时,电流就通过接地体向大地作半球形散开,这一电流称为接地电流,接地电流流散的范围称为散流场.接地装置的对地电压与接地电流之比为接地电阻.实验表明,离接地体越远,土壤导电面积越大,电阻就越小.在距25m长的单根接地体20m处,导电半球形面积可达2500m2,土壤散流电阻已小到可以忽略,也就是这里的电位已趋近于零,可以认为远离接地体20m以外的地方电位为零,称为电气上的地或大地,如图1.1-7所示.电气也备的绝缘股外时,在身体可同时触及的两部分之间出现的电位差称为接触电压人在散侃场中分走肘,同脚间出现的电位差称为跨步电压队;c)接地的分类 接地按其作用可作如下分类:功能性接地,是指为了保证系 统或设备的正常运行,或为了实现电气装置的固有功能,提高县则靠性向进行的接地.如:变压器中性点接地.保护性接地,是指为了保证人身安全而进行的接地.如:电气装置外露导电部分和装置外导电部分的接地;为防止雷电过电压对设备或人身安全的危害而进行的防雷接地;为消除静电对电气装置和人身安全危害而进行的接地.功能性和保护性合一的接地,是将功能性和保护性接地结合在一起的接地.如:屏蔽接地.d)接地电阻 指构成接地装置的各部分的电阻之和.工频(50HZ)接地电流流经接地装置所呈现出来的接地电阻称为工频接地电阻.冲击电流(如雷电流)流经接地装置所呈现出来的接地电阻称为冲击接地电阻.2)直击雷的防护(1)直击雷防护装置的组成对直击雷的防护措施是让雷电在人为设置的直走雷防护装置上放电,使雷电流沿防护装置泻入地中,以免被保护的设备或建筑物受到损坏.如图1.1-8所示,直击雷防护装置由三个主要的部分组成.接闪器 直接截受雷击的避雷针,避雷蒂(线),避雷网,以及作接闪的金属屋面和金属构件等.避雷针,避雷带(线),避雷网一般以钢管,钢筋或扁钢等制成.引下线 连接接闪器和接地装置的金属导体.一般以钢筋或扁钢等制成,也可以利用建筑物结构柱内的钢筋兼作.接地装置 接地体与接地线的总和.可以以钢筋,扁钢和各种型钢制成,也可以利用建筑物基础内的钢筋兼作.其防护原理是:在雷电先导的初始阶段因先导高地面较高,故先导发展的方向不受地面物体的影响,但当其向下至某一高度时,地面上的接闪器将会影响先导的发展方向,使先导向接闪器定向发展,这是由于接闪器较高并具有良好的接地,在其上因静电感应而积聚了与先导相反极性的电荷使其附近的电场强度显著增强的缘故,此时先导放电电场即开始被接闪器所歪曲,将先导放电的途径引向接闪器本身,从而达到保护被保护物的目的.(2)接闪器的保护范围接闪器的保护范围目前尚无精确的理论计算方法,都是用根据模拟试验和运行经验数据总结的经验算法,由于雷击路径的偶然性,因此要保证被保护物绝对不受直接雷击是不现实的,一般,保护范围是指具有0.L%左右雷击概率的空间范围.接闪器保护范围的求取方法常用的有两种,即折线法和滚球法.其中折线法中,只有避雷针(线)保护范围的计算方法.通常,在对建筑物的保护范围计算时使用滚球法;而在对供配电设施的保护范围计算时使用折线法.a)滚球法滚球法是以人为半径的球体,沿需要防直击雷的部位滚动,当球体只触及接闪器(包括被利用作为接问器的金属物),或只触及接闪器和地面(包括与大地接触并能承受雷击的金属物),而不触及需要保护的部位时,则该部分就得到接闪器的保护.滚球法中所用的滚球半径与被保护物的重要性和危险性有关,即与孩保护物的防雹等级有关.对于建筑物来说,一,二,三类防雷建筑所需的滚球半径分别为30m,45m,60m.建筑物的重要性或危险性越大,滚球半径要求越小,即越趋于保守.(a)避雷针的保护范围可以采用独立的单支避雷针保护,也可以采用多支避雷针进行联合保护.(1)单支避雷什的保护范围如图1.1-9所示,单支避雷针的保护范围应按下列方式确定1)当避雷针高度h小于或等于此时:距地面处作一平行于地面的平行线.以针尖为圆心,为半径,作弧线交于平行线的A, B两点.以A,B为圆心,为半径作弧线,该弧线与针尖相交并与地面相切.此弧线起到地面止就是保护范围.保范围是一个对称的锥体.避雷针在高度的x和在地面上的保护半径,按下列计算式确定:式中 避雷针在太高度的 x平面上的保护半径,单位为 m;滚球半径,单位为m;一被保护物的高度,单位为m;避雷针在地面上的保护半径,单位为m.2)当避雷外高度h大于时,在避雷针上取高度的一点代替单支避雷针针尖作为圆心,其余做法与上面完全相同.(2)双支等高避雷针的保护范围如图8-7所示,在避雷针高度h小于或等于的情况下,当两支避雷针的距离D大于或等于2时,应各按单支避雷针的方法确定;当D小于2时,按下述方法确定:1)AEBC外侧的保护范围,按照单支避雷针的方法确定.2) C, E点位于两针间的垂直平分线上.在地面每侧的最小保护宽度按下式计算:在AOB轴线上,距中心线任一距离X处,其在保护范围上边线上的保护高度按下式确定:该保护范围上边线是以中心线距地面的一点O为圆心,以为半径所作的圆弧AB.3)两针间AEBC内的保护范围, ACO部分的保护范围按以下方法确定:在任一保护高度和C点所处的垂直平面上,以作为假想避雷针,按单支避雷针的方法逐点计算确定,见图8-7中l-1剖面.确定BCO,AEO,BEO部分的保护范围的方法与ACO部分的相同.4)确定x平面上保护范围截面的方法.以单支避雷针的保护半径为半径,以 A,B为圆心作弧线与四边形AEBC相交;以单支避雷针的为半径,以E,C为圆心作弧线与上述弧线相交,见图1.1-10中粗虚线.(3)双支不等高避雷针的保护范围如图1.1-11上所示,在h1小于或等于和小于或等于的情况下,当D大于或等于时,应按各单支避雷针所规定的方法确定,当D小于时,应按下列方法确定.L) AEBC外侧的保护范围,按照单支避雷针的方法确定.2)CE线或线的位置接下式计算:3)在地面上每侧的最小保护宽度b.按下式计算:在AOB轴线上,A,B间保护范围上边线按下式确定:式中 x距CE线或线的距离.该保护范围上边线是以线上距地面的一点为圆心,以为半径所作的圆弧AB.4)两针间AEBC内的保护范围,ACO与AEO是对称的,BCO与BEO是对称的,ACO部分的保护范围按以下方法确定:在和C点所处的垂直平面上,以作为假想避雷针,按单支避雷针的方法确定,见图1.1-11中l-l剖面.确定BCO,AEO,BEO部分的保护范围的方法与ACO部分的相同.5)确定平面上保护范围截面的方法与双支等高避雷针相同.(4)矩形布置的四支等高避雷针的保护范围.如图8-9所示,在h小于或等于的情况下,当大于或等于2时,应各按双支等高避雷针的方法确定;当小于2时,应按下列方法确定:1)四支避雷针的外侧各按双支避雷针的方法确定.2) B,E避雷针连线上的保护范围见图1.1-12的1-1剖面,外侧部分按单支避雷针的方法确定.两针间的保护范围按以下方法确定:以B,E两针针尖为圆心,为半径作弧相交于O点,以O点为圆心,为半径作圆弧,与针尖相连的这段圆弧即为针间保护范围.保护范围最低点的高度h.按下式计算:3)图1.1-12中剖面2-2的保护范围,以P点的垂直线上的O点为圆心,为半径作圆弧与