电气安全第2章(备)

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

2、，简称城网。 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。城市变电所城市变电所户户外外杆杆上上公公用用变变电电所所组合式成套用户组合式成套用户专用变电站专用变电站高压室高压室变压器室变压器室低压室低压室 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

3、）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为城市电网电源。低压配电网中压配电网高压配电网配电网高骨干网），电压等级最送电网（又称主网架、城网 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。某特大

4、城市送电网示意某特大城市主网架规划图某特大城市主网架规划图 （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

5、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，以及低压用户电表后的电网，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。220kV枢纽电源变电所220kV20kV220kV110kV110kV110kV枢纽变电所城市发电厂市域外电源进线区域变电所110kV35kV10kV220kV公用变配电所开闭所35kV10kV用户变配电所380/220V380/220V送电网（主网架）高压配电网低压配

6、电网中压配电网10kV220kV环式主网架城网简化模型城网简化模型 二、供配电系统概念 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。 配电变压器负荷侧电力线缆电源侧10(35)kV

7、380V变配电所配电线路低压配电系统低压系统单线图表示低压系统单线图表示U接地连接板WVNNRL1L3NPEPENL1L3L1L3NPE配电变压器低压配电系统220/380V低压系统多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

8、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，等电位联结板等。 （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：

9、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；（法文Isolation隔离) T直接接地。（法文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；（法文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。 -

10、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 NR设备三相UVWN单相设备PEPENL单相插座PENLNPENL3L2L1TN-C系统PE线与N线功能合二为一，称为PEN线NNR设备三相UVWN设备单相NPENL插座PE单相LPEL3PENL1L2TN-C-S系统：重复接地非必须RERNRPENNPE三相设备WVUNPENL1L3L2重复接地 2、TT系统 注意单独接地和共同接地NR设备U三相NVWNRE1PE设备单相NLPERE2PEN插座单相LPENL2L3L1 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。

11、 3、IT系统U设备三相PEWVE2E1RRL设备单相PELNL3L1L2IT系统可引出中性线，但大多不引出 三、低压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系统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PEL3L2NL1L1PENL2L3L1L2L3

12、L1NL2L2NL1L1L2相位差180oo相位差0PE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tt01t2t4t固体加热熔化t3液

13、体加热汽化电弧熔化温度熔断温度 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It最大安秒特性平均安秒特性最小安秒特性 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

14、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

15、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和和gM熔断体的约定时间和约定电流熔断体的约定时间和约定电流Inf：约定不熔断电流；：约定不熔断电流；If：约定熔断电流。：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

16、，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：提供远动控制功能。123459876低压断路器原理结构1-主触头 2-跳钩 3-锁扣 4-分励脱扣

17、器 5-失压脱扣器 6-过电流瞬时脱扣器 7-过电流长延时脱扣器 8-失压脱扣器试验按钮 9-分励脱扣器按钮 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。ItIop3IIop1op1IIop3tIop2b)a)低压断路器过电流脱扣器保护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

18、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：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

19、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）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：1.05IrR 。 约定脱扣电流：1.30IrR 。 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、类型型）非选择型（型）：有短延时脱扣器选择型（按保护特性AB终端型电动机型配电型按用途无隔离功能型有隔离功能型按检修安全性外壳式）模压外壳式（旧称塑料框架式）开启式（旧称

20、万能式或按设计型式第四节 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

21、，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2k2kavkavk33xrUzUI 两相短路电流kk)2(k87. 023III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）； rk短路回路电阻（m）； xk短路回路电抗（m）。)2(kI 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

22、，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：330kkkN)1(kZZZUI 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

23、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WLPBPTPSPP)1(kZZZZUZUI 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，即：3230SSSSPRRRR3

24、230SSSSPXXXX （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：3233230TkTk0TkTkTkTP0TkTk0TkTkTkTPXXXXXXRRRRRR 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。TkRTkX0TkR0TkX （3）母线（B）相保阻抗。包括相计算阻抗和保护线计算阻抗。0BPE0BLBLBP32RRRR0BPE0BLBLBP32XXXX 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

25、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。0WLPE0WLLWLLWLP32RRRR0WLPE0WLLWLLWLP32XXXX 同样，很多设计手册直接给出了各种规格线路单位长度的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

26、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。过电流保护电器与被保护元件的特性配合tI低压断路器的时间电流曲线熔断器的安秒特性被保护元件的热承受能力曲线 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：2k22k ISCt 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

27、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：) 1(CM1strel3op3 nIIKI 对照明类线路：Crel3op3 IKI 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。) 1(CM1strel2op2 nIIKI 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： （2）上、下级选择性配合

28、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。) 1(CM1rrFUr nIIKICIKImFUr 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。Cop IIcon21.45 II 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：conop1 II 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。 （