第五章电气设备的选择

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第五章电气设备的选择章节导学本章教学内容1 、电气设备的发热和电动力电气设备通过电流时将产生损耗，并转变成热量使电气设备温度升高。同时，载流导体相互之间产生作用力。正常时，工作电流所产生的热效应及电动力不大，但短路时所将达到很大的数值，损坏设备。2 、电气设备选择的一般条件要求导体和电器在正常、故障情况下，均能安全、经济合理地运行。选择电气设备时，应根据工程实际情况，保证安全、可靠为前提。电气设备选择基本要求：按正常工作条件进行选择，按短路状态来校验热稳定和动稳定。


3 、母线、电缆和绝缘子的选择母线的选择包括：确定母线的材料、截面形状、布置方式；选择母线的截面积；校验母线的热稳定和动稳定等。电缆的选择包括：芯线材料及型号；额定电压；截面选择；允许电压降校验；热稳定校验，电缆的动稳定不必校验。4 、高低压电器的选择高压断路器、高压隔离开关、高压熔断器的性能与选择，电流、电压互感器的原理与选择。根据长期与短时发热及电动力计算的基本理论选择。低压电器的选择与高压电器选择无原则上的区别。但低压电器也有自身的特点。


5 、发电厂和变电所主变压器的选择主变压器的型式、容量、台数选择。重点：母线、电缆的选择；高压电器的选择；主变压器的选择。难点：电力设备的发热和电动力的计算分析


第一节电气设备的发热和电动力导体有电流通过时，产生发热效应和电动力效应。

电气设备的发热可分为：(1) 长期发热，正常工作电流产生；(2) 短时发热，故障时由短路电流产生。

发热对电气设备的影响：(1) 使绝缘材料的绝缘性能降低；(2) 使金属材料的机械强度下降；(3) 使导体接触部分的接触电阻增加。

短路冲击电流产生的电动力较大，对导体和电器有破坏作用。


1 、导体的短时发热过程

θ0 为导体周围环境温度，θL 为导体通过额定电流后的温度，θk 为短路后导体的最高温度。

t0 短路开始，t1 短路被切除。

max,k


2 、导体的最高允许温度

热稳定校验：是导体短路时的温度 θk 与导体短时发热允许的最高温度 θk.max 比较。如满足公式 θk≤θk.max 条件，即热稳定满足。

在设备的选择与校验中，

电器设备：通过计算热效应，转为比较其热效应；

导体：通过计算热效应，再转为比较导线的截面。


3 、短路电流热效应值 Qk 的计算

k z fQ Q Q

短路全电流中包：含周期分量 Iz 和非周期分量 If 。

热效应 Qk 也由两部分构成：1

0

2t

z zttQ I dt

1

0

2t

f fttQ I dt

1

0

2 // 2 2 21 00.510

12 k k

t

z zt t tt

t tQ I dt I I I

稳态短路电流周期分量的有效值 [ 起始值 ]

01 tttk

短路电流的计算时间

有限容量电源供电时，该值是变化的！！

(kA2*s)


0.1kt s 时,

1 01

0

2( )

2 2(1 ) ''a

t tt T

f ft atQ I dt T e I

非周期分量时间常数

2''f aQ T I

1.0kt s 时, 0fQ

非周期分量早已衰减完毕（忽略不计）

(kA2*s)


4 、短路时导体的电动力计算当三相导体发生短路时，产生电动力，其中间相受力最大！


2 7max 1.73 10 ( )sh

LF i N

a

母线跨距

两导体间的距离

母线共振系数

冲击电流单位 (A)

求母线共振系数：

一阶固有振动频率为： 21 112L

rf i

母线弯曲时的惯性半径（手册）

铜为 1.14*104, 铝为 1.55*104 ，钢为 1.64*104

材料系数

共振系数与频率的关系曲线

电动力的振动频率为 50Hz 和 100Hz 。因此，当导体的固有振动频率低于30Hz 或高于 160Hz 时，

1


在设备的选择与校验中，

电器设备：转为比较其所能承受的冲击电流大小；

导体：通过计算应力，再转为比较导体允许的应力或校验其跨距。


第二节电气设备选择的一般条件第二节电气设备选择的一般条件一、按正常工作条件选择

1 、额定电压

要求：所选电气设备允许最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压（ 1.1 倍的电网额定电压）。

一般：可按照电器的额定电压 UN 不低于装置地点电网额定电压 UNS 的条件选择，即：

NSN UU


2 、额定电流电气设备的额定电流 IN 是指在额定周围环境温度下，电气设备的长期允许电流。

0

要求： IN 应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流 Imax ，即：

maxIIN

1 ） Imax 为发电机、调相机或变压器的额定电流的 1.05 倍；2 ）母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机或变压器的 Imax ；3 ）母线分段电抗器的 Imax 应为母线上最大一台发电机跳闸时，保证该段母线负荷所需的电流。

注：


3 、按当地环境条件校核选择电器时，还考虑电器安装地点的环境条件，当气温、风速、温度、污秽等级、海拔高度、地震烈度和覆冰厚度等环境条件超过一般电器使用条件时，应采取措施。

我国目前生产的电器使用的额定环境温度：

040 C

如周围环境温度高于 +40℃，但不超过 +60℃时，则因散热条件较差，最大连续工作电流应适当减少，设备的额定电流应进行修正。

0al N

alI K INal

I

长期发热最高允许温度

实际的周围环境温度


二、按短路情况校验 1 、短路热稳定校验

满足热稳定的条件为： QtI kt2

电器允许通过的热稳定电流和时间（厂家提供）

短路电流产生的热效应

2 、动稳定校验

电气设备承受短路电流机械效应的能力

满足动稳定的条件为： ii shes

II shes电器允许通过的

动稳定电流的幅值及其有效值

短路冲击电流幅值及其有效值


三、短路电流计算条件的确定1 、容量和接线

按本工程设计最终容量计算，其接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式。

2 、短路种类

一般按三相短路验算，若其他种类短路较三相短路严重时，则应按最严重的情况验算。

3 、短路点的选择

选择通过电器的短路电流为最大的点为短路计算点。


1 ）发电机、变压器回路的断路器应比较断路器前后短路时通过断路器的电流值，择其大者为短路计算点。

选 K2 点为 QF1 的短路计算点 2 ）母联断路器

选 K4 点为 QF4 的短路计算点

全部短路电流 IG1 ＋ IG2 ＋ IS

流过 QF4

IG1<IG2 ＋ IS

3)带电抗器的出线回路

断路器 QF5 与电抗器间的连线很短，故障几率小。

选电抗器后 K8点为计算点。


4 、短路电流计算时间 tk 校验电气设备的热稳定时，所用的短路电流计算时间 tk ：

tk= 继电保护动作时间 tpr+ 断路器全开断时间 tab

固有分闸时间 tin + 燃弧时间 ta


四、主要电气设备的选择和校验项目

“*1”—表示母线型穿墙套管选择管的大小；“*2”—表示母线型穿墙套管不需要进行校验；“*3”—表示电压等级 110kV及以上需要校

验。

负荷开关与断路器的条件相同


第三节母线、电缆和绝缘子的选择一、母线的材料、截面形状、布置方式 1 、母线的材料

铜、铝和铝合金 2 、母线的结构（形状）

1 ） 35kV级及以下常采用硬裸母线，其截面形状：矩形、槽形和管形

电流 4000A及以下的用矩形母线， 4000-8000A 用槽型母线， 8000A及以上用管形母线。 2 ） 110kV及以上的高压配电装置，一般采用软导线。

如：钢芯铝绞线、分裂导线、组合导线、扩径导线等


3 、母线的布置形式

图 5-6 矩形母线的布置方式 (a) 三相水平布置，母线竖放；

(b) 三相水平布置，母线平放； (c) 三相垂直布置，母线竖放。


槽型母线的布置方式 (a) 三相垂直布置，缝隙在铅锤面（ b）三相水平布置，缝隙在铅锤面（ c）断面尺寸


二、母线截面积的选择（ 1 ）按最大长期工作电流选择（长期发热允许电流）

对于年利用小时数较大而且长度较长、负荷较大的回路的导线通常采用按经济电流密度选择。

（ 2 ）按经济电流密度选择

一般发电厂的主母线和引下线以及持续电流较小、年利用小时数较低的其他回路的导线(汇流母线和小于 20m 的短母线 ) ，一般按最大长期工作电流选择。


11 、按最大长期工作电流选、按最大长期工作电流选择择

为保证母线正常工作时的温度不超过允许温度，应满足：

maxgal II

母线允许载流量通过母线的最大长期工作电流

若实际周围环境温度与规定的环境温度不同时，母线的允许温度要修正：

0

al

al

k

主母线各段的工作电流不同，但为了安装和维护方便，通常母线全长都选择同一截面积，故应按各种运行方式下有可能流过最大电流的一段来选择。


2 、按经济电流密度选择

经济截面：能使导体年计算费用最小的截面积。

导体的年计算费用包括：电能损耗、维护管理费、线路投资、有色金属消耗量。

导体单位经济面积通过的电流称为经济电流密度（ J）


按经济电流密度计算经济截面积 Se：

max 2( )ge

IS mm

J

通过母线的最大长期工作电流

根据计算出来的 Se 查母线规格表选择接近 Se的标准截面积。

另外，按经济电流密度选择的母线截面还要按最大长期工作电流进行校验！！


三、母线的热稳定校验设在导体短路时最高温度 θk ，刚好等于材料短路时最高允许温度，则短路时满足热稳定要求的导体最小截面积：

min

1kS Q

C 或者 kfQkC

S1

min

导体材料的热稳定系数导体的集肤效应系数，与其截面形状有关（可查设计手册）

实际选择的母线截面积 S≥Smin ，母线就能满足热稳定的要求。


四、硬母线的动稳定校验（软母线不要求）1 、单条矩形母线单位长度 L 的应力计算

2 711.73 10 ( )shf i N

a

两导体间的距离

母线共振系数

冲击电流单位 (A)

母线受到的最大弯矩M ：2

M (N m)10

f L

母线受到的最大相间应力： 2

a (p )10

f LM

W W

W：母线对垂直于作用力方向轴的截面系数（也称抗弯矩）

（ 5-38 ）



满足动稳定要求条件如下：

al

母线材料的允许应力

硬铝为 70×106Pa,

硬铜为 140×106Pa

如不满足要求时，需要采用一定的措施：如限制短路电流；变更母线放置方式以加大截面系数；增大母线相间距离；减小绝缘子间的跨距 L 或增大母线截面积等。

设母线在短路时的计算应力，刚好等于材料允许应力，由此可由公式（ 5-38）求出短路时满足动稳定要求的绝缘子最大可能跨距：

max

10 (m)alWL

f

只要满足下式就满足动稳定要求：maxLL

绝缘子跨距不得超过 1.5 ~ 2.0米。一般绝缘子跨距等于配电装置间隔的宽度。

另一方法：


2 、多条矩形母线的应力计算 *

3 、槽形导体应力计算 *

五、电力电缆的选择电缆芯线材料及型号；额定电压；截面选择；允许电压降校验；热稳定校验，电缆的动稳定可不必校验。

六、支柱绝缘子和穿墙套管的选择 *






第四节高压电器的选择第四节高压电器的选择一、高压断路器的性能（ QF）六氟化硫断路器：是采用具有优良灭弧性能和绝缘性能的 SF6 气体作为灭弧介质的断路器。现大量用于 110kV及以上电压等级中。真空断路器：是用真空的高介电强度来灭弧的断路器。但目前因技术因素其只作到 35kV等级。


SN－ 10型高压少油断路器外形ZN63A-12(VS1)户内交流高压真空断路器


LW8-40.5型户外交流高压六氟化硫断路器

ZN28A-12 系列户内交流高压真空断路器


二、高压断路器的选择 1 、种类和型式选择断路器的技术参数有：额定电压、额定电流、开断电流、动稳定电流和热稳定电流及相应的时间。

S W 3 110 G 1200

额定电流

额定电压其他标志， G改进，W防污

设计序号使用环境， N户内，W户外

断路器种类， Z真空， L （ SF6 ），

S少油， D多油


2 、额定电压选择所选断路器的额定电压应大于或等于安装处电网的额定电压： UN≥UNS

3 、额定电流选择 IN≥Igmax

4 、开断电流校验额定开断电流 INoff ，不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量 Izt 。

INoff≥Izt 或近似 INoff≥I ″

5 、热稳定校验 kt QtI 2

6 、动稳定校验 shes ii


三、高压隔离开关的性能隔离开关没有灭弧装置。它既不能断开正常负荷电流，更不能断开短路电流，否则此时产生的电弧不能熄灭，甚至造成飞弧，会伤及设备并且严重危及人身安全。

隔离开关的用途：（ 1 ）隔离电压（ 2 ）倒闸操作（ 3 ）分、合小电流

可分、合避雷器、电压互感器和空载母线；分、合励磁电流不超过 2A 的空载变压器；关合电容电流不超过 5A的空载线路。


四、高压隔离开关的选择（ QS ）1 、种类和型式选择

技术参数有：额定电压、额定电流、动稳定电流和热稳定电流及相应的时间。

G W 7 330 D 1500

额定电流其他标志， G改进， D带接地刀闸

设计序号使用环境， N户内，W户外

隔离开关标志

额定电压


GN8型高压隔离开关


2 、额定电压选择

3 、额定电流选择

4 、热稳定校验

5 、动稳定校验

UN≥UNS

IN≥Igmax

kt QtI 2

shes ii


高压隔离开关的选择（ FU）熔断器是最简单的保护电器，用来保护电气设备免受过载和短路电流的损害。高压熔断器按额定电压、额定电流、开断电流和选择性等项来选择和校验。


G1

系统


+


由选择结果表可见各项条件均能满足，故所选断路器SN10-10/2000 合格。



五、电流互感器的原理与选择（五、电流互感器的原理与选择（ TATA ））( 一 ) 电流互感器的原理

1) 将一次系统各回路大电流变为二次侧的 5A 或 1A 、 0.5A以下的小电流，以便于测量仪表及继电器的小型化、标准化；2 ）将一次系统与二次系统在电气方面隔离，同时互感器二次侧须有一点可靠接地，保证二次设备及运行人员的安全。3 ）使二次系统（测量和保护装置）脱离一次系统成为独立的系统。

1 、作用 :

电流互感器是一种特殊的变压器，正常工作时，因为负载阻抗值很小，在接近短路状态运行，因而成为变流器。

2 、工作状态


电流互感器与单相变压器相似，由一、二次绕组及铁芯构成，但其一次绕组的匝数 N1很少，一般只有一匝或几匝，而且是串在一次主回路中，而二次绕组的匝数 N2 较多。

3 、结构

4 、电气原理1I 2I

LZ)(

)(

1

2

2

1

小大

N

N

I

IK i

5 、注意

变流比：

运行中的电流互感器二次回路开路时，在二次侧感应出很高的电压，对人员的安全构成威胁，还可能造成二次回路的绝缘击穿，甚至引发火灾。

1 ）在运行中的电流互感器二次回路严禁开路

极性接错时功率和电度表不能正确测量，某些保护继电器会误动作。

串联接入

2 ）还应注意二次侧一端可靠接地和接线时注意极性。


6 、接线方式

单相式三相星形接线不完全星形接线


7、电流互感器的准确级

测量中认为：

21 IKI i

1I

2IK i和在数值上和相位上都存在误差。

其实，由于激磁电流

0I 的存在，

数值上的误差称为电流误差或比差，用百分数表示为：

2 1

1

100%ii

K I If

I

2I

1I转过 180°后与不能重合，相差的角度即为相位误差。电流互感器的准确级就是其最大允许电流误差的百分值。准确级可分为 0.2 、 0.5 、 1.0 、 3 、 10及保护级。



( 二 ) 电流互感器的选择

根据配电装置的类型，相应选择户内或户外式的电流互感器的，一般情况下， 35kV以下为户内式，而 35kV及以上电压等级为户外式或装入式（装入到变压器或断路器的套管内）。

1 、结构类型选择

2 、额定电压和额定电流的选择电流互感器的额定电压应不低于所在电网的额定电压等级，即 UN1≥UNS 。电流互感器的一次额定电流应不小于回路的最大工作电流，即 IN1≥Imax 。

为了保证测量仪表的准确度，互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。

3 、电流互感器准确级和额定容量的选择


为了保证互感器的准确级，互感器二次侧所接负荷S2 应不大于该准确级所规定的额定容量 SN2 ，即：

SN2≥S2＝ IN22Z21

4 、热稳定和动稳定校验电流互感器热稳定能力常以 1s内允许通过的热稳定电流 It

或一次额定电流 IN1 的倍数 Kt来表示，即：

It2≥QK 或（ KtIN1 ≥QK t=1 ）

shesNiKI

12

或shch ii

允许的动稳定电流倍数

允许的热稳定电流倍数


六、电压互感器的原理与选择( 一 ) 电压互感器的原理

1) 将一次侧的高电压变为二次侧的标准化低电压（ 100V），以便于测量仪表及继电器的小型化、标准化；2 ）将一次系统与二次系统在电气方面隔离，同时互感器二次侧必须有一点可靠接地，保证二次设备及运行人员的安全。3 ）使二次系统（测量和保护装置）脱离一次系统成为独立的系统。

1 、作用

电压互感器也是一种特殊的变压器。二次侧并联接入测量仪表和继电器的电压线圈，其阻抗非常大，故所带负荷很小，致使电压互感器正常工作时接近变压器的空载状态。

2 、工作状态


3 、电气原理

1U 2U1

2 2

1( )

( )u

U NK

U N

大小

4 、注意

变压比：

1 ）在运行中的电压互感器二次回路严禁短路

2 ）还应注意二次侧一端可靠接地和接线时注意极性

并联接入

若二次侧发生短路，电压互感器二次侧将感应大电流，可能使电压互感器被烧毁。故运行时电压互感器二次侧不允许短路，一般在二次侧装设熔断器或自动开关作短路保护。


5 、接线方式

单相电压互感器，只能测相间（线）电压。[ 用于 35kV及以下的小电流系统 ]

单相电压互感器，只能测相对地电压。[只用于 110kV及以上大电流接地系统 ]

两台单相电压互感器，接成不完全星形（也称V-V）接线，只能测相间电压。 [ 用于 35kV及以下的小电流系统 ]


一台三相五柱式电压互感器接线，一次绕组接成星形，中性点接地。基本二次绕组也接成星形，中性点接地，既可测量线电压，又可测量相电压。附加二次绕组每相的额定电压按 100V/3 设计，接成开口三角形，亦要求一点接地。正常时，开口三角形绕组两端电压为零，如果发生一相完全接地，开口三角形绕组两端出现 100V电压，供给绝缘监视用，广泛用在 3～ 35kV电网中。

三台单相三绕组电压互感器构成。它广泛应用于 3～ 220kV系统，其二次绕组用于测量相间电压和相对地电压，辅助二次绕组接成开口三角形，供接入交流电网绝缘监视仪表和继电器用。注意开口三角形的额定电压选择，小电流接地系统时其为 100V/3 ，大电流接地系统时其为 100V。


3～ 35kV电压互感器一般经隔离开关和熔断器接入高压电网。在 110kV及以上配电装置中，考虑到互感器及配电装置可靠性较高，且高压熔断器制造比较困难，价格昂贵，厂家不生产 110kV及以上的熔断器，因此，电压互感器只经过隔离开关与电网连接。


6 、电压互感器的准确级

测量中认为： 1 2uU K U

1U

2uK U

和在数值上和相位上都存在误差。

其实，由于激磁电流

0I 和内阻抗的存在，

2 1

1

100%uu

K U Uf

U

2U

1U

转过 180°后与不能重合，相差的角度即为相位误差。

数值上的误差称为电压误差或比差，用百分数表示为：


电压互感器的准确级就是在二次负荷从额定值的0.25~1 ， COSφ2=0.8和一次电压不超过额定值的0.9~1.1 时电压误差的最大限值的百分数。共划分 0.2 、 0.5 、 1 、 3及保护级。


( 二 ) 电压互感器的选择1 、选择结构类型、接线形式和准确级

如果二次负荷为电能计量，应采用 0.5级电压互感器；精密测量用 0.2级；发电厂中的功率表和电压继电器可用 1级；一般显示采用 3级。

电压互感器一次绕组所接电网电压 UNS 应在 0.9～ 1.1UN1

范围内变动，即：

2 、选择一次额定电压

11 1.19.0 NNSN UUU

3 、选择二次回路电压

电压互感器的二次侧额定电压应满足保护和测量使用标准仪表的要求。


4 、校验二次容量电压互感器的额定二次容量（对应于所要求的准确级），应不小于电压互感器的二次负荷，即：

22 SSN


第五节低压电器的选择（自学）满足正常条件和短路故障条件下工作的要求，同时设备应工作安全可靠，运行维护方便，投资经济合理。

第六节发电厂和变电所主变压器的选择（自学）1 、实际容量考虑：温度修正：正常过负荷：事故过负荷：事故情况下，允许短时间较大幅度过负荷，但运行时间不能超过规定值。

TNT SKS


2 、选型3 、台数的选择负荷性质：一、二级负荷，宜选用两台。二级负荷（无一级负荷〕时，也可采用一台，在低压侧应与其它备用电源联络。考虑经济运行季节负荷较大时，可装二台以上的变压器。考虑负荷大小考虑负荷的发展


两台变压器

任一台变压器单独运行时，应满足一二级负荷的需要。

cTN SS 7.0

ⅡⅠ cTN SS

4 、容量的选择单台变压器

cTN SS


小结1 、电气设备的发热和电动力导体短时发热过程，导

体的最高允许温度，短路电流热效应值的计算，短路时导体的电动力计算。

2 、电气设备选择的一般条件按正常工作条件选择：额定电压、额定电流、环境条件。按短路情况校验：热稳定和动稳定。

3 、母线、电缆和绝缘子的选择母线、电缆的材料、结构（形状）、布置形式；母线截面积的选择：按最大长期工作电流选择，按经济电流密度选择。母线的热稳定以及硬母线的动稳定校验。


4 、高低压电器的选择高压断路器的技术参数及选择：额定电压、额定电流、开断电流、动稳定电流和热稳定电流及相应的时间。电流、电压互感器的原理与选择：额定电压、额定电流、结构类型、准确级和额定容量，热稳定和动稳定校验。5 、发电厂和变电所主变压器的选择型式、容量、台数选择。

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第五章 电气设备的选择

第五章电气设备的选择