发电厂电气装置第四讲电气设备的选择(1)

杭州电子科技大学自动化学院电气工程与自动化章坚民发电厂电气装置第四讲电气设备的选择第六章电气设备的选择教学目的：通过实例讲述，使学生熟悉和掌握发电厂变电站一次电气设备选择的条件和校验项目，进一步加深和强化前面学过的电气一次设备和配电装置的相关知识。复习旧课：回顾变电站中的电气设备和配电装置的有关知识。重点：发电厂变电站一次电气设备选择的原则。难点：如何正确选择一次电气设备。学习方法：通过观看变电站和各种电气设备图片，在已经建立的变电站工程模型中考虑如何正确地将这些电气设备组成一个有机的整体，构成一个“活的系统”，在工程实践中理解和掌握本单元内容。选择理论基础：载流导体的发热和电动力（1）电气设备选择的一般条件（2）母线、电缆的选择（3）绝缘子的选择（4）高压断路器、隔离开关（5）高压负荷开关和高压熔断器的选择（6）限流电抗器的选择（7）互感器的选择第六章电气设备的选择以下是简单复习载流导体发热与电动力效应，在第二章已讲过，但这是电气设备选择的主要依据发热和电动力对电气设备的影响导体的发热和散热提高导体载流量的具体措施两平衡导体间的电动力计算三相短路时的电动力计算考虑母线共振影响时对电动力的修正发热和电动力对电气设备影响电气设备在运行中的两种工作状态第一，正常工作状态指运行参数都不超过额定值，电气设备能够长期而经济地工作的状态。第二，短路时工作状态指电力系统中发生短路故障时，电气设备要流过很大的短路电流，在短路故障被切除前的短时间内，电气设备要承受短路电流产生的发热和电动力的作用。电气设备工作中的损耗第一，“铜损”，即电流在导体电阻中的损耗；第二，“铁损”，即在导体周围的金属构件中产生的磁滞和涡流损耗；第三，“介损”，即绝缘材料在电场作用下产生的损耗。这些损耗都转换为热能，使电气设备的温度升高。本章主要讨论铜损发热问题。载流导体的发热当电器和载流导体通过电流时，有部分电能以不同的损耗形式转化为热能，使电器和载流导体的温度升高，这就是电流的热效应。Q=I2Rt(J)R=KfRdc式中I——通过的电流(A)；t——电流作用的时间(s)；R——电阻，如为直流电路，即为直流欧姆电阻Rdc；Kf——集肤系数，其大小与电流的频率、导体的形状和尺寸有关，在大截面母线中，其影响往往不可忽略，而对于绞线和空心导线，通常都可以认为Kf=1。载流导体的发热二、均匀载流导体的长期发热与允许电流的计算电器或载流导体在未通过电流时，其温度和周围介质温度相同。当通过电流时，由于发热，使温度升高，并因此与周围介质产生温差，热量将逐步有部分电能以不同的损耗形式转化为热能，使电器和载流导体的温度升高，这就是电流的热效应。⑴温升起始阶段上升很快，随时间的延长，其上升速度逐渐减小。⑵对于某一导体，当通过不同的电流时，由于发热量不同，稳定温升也就不同。⑶达到稳定温升的时间，实际上，当t(3~4)T时，其温升值即可按稳定温升计算。根据导体持续发热的条件，当导体的稳定温升小于或等于导体持续发热时的允许温升时，可认为是热稳定。可以求出该导体正常运行情况下最大允许电流。电气设备工作时两种发热和不良影响长期发热电气设备由正常工作电流引起的发热称为长期发热。均匀导体持续发热时温升与时间的关系式：λ0为初始温升，τK称为稳定温升，其值为T为发热常数，与导体材料和几何尺寸有关。λ0（1）温升过程是按指数曲线变化；（2）同一导体，当通过的电流不同，发热量不同，稳定温升也就不同；（3）大约经过（3-4）T的时间，导体的温升即可认为已趋近稳定温升τW载流导体的发热三、短路时载流导体的发热计算由于短路发热过程很短，可近似认为是一个绝热过程。在短路电流存在的极短时间内，载流导体内的温度从起始温度以很快的速度上升到最大值，在短路故障切除后，导体温度由最大值经自然散热逐步下降到周围环境温度。发热等值时间法，是令：故t5s时发热等值时间:fztztzfittztdtQQITdIQ2''02)(epttztzttIdIQ202)5()5(tttepep载流导体的发热三、短路时载流导体的发热计算(续)50MW以下的发电机短路电流周期分量平均运算曲线作出的，应用于更大容量的发电机，势必产生较大误差。这时最好采用近似数值积分法。求近似数值积分的方法有分段矩形法、分梯形法和抛物线法。上式中的系数依此为1、10、1，故亦简称1—10—1公式。短路电流非周期分量在t(s)内的热效应)10(1222)2/(2ZttZZztIIItQ2ZfifztITQ短时发热由短路电流引起的发热称为短时发热。短时发热对电气设备造成以下几种不良影响。（1）机械强度下降。（2）接触电阻增加。（3）绝缘性能下降。电气设备流过短路电流时的危害载流部分可能因为电动力而振动，或者因电动力所产生的应力大于其材料允许应力而变形，甚至使绝缘部件或载流部件损坏。电气设备的电磁绕组，受到巨大的电动力作用，可能使绕组变形或损坏。巨大的电动力可能使开关电器的触头瞬间解除接触压力，甚至发生斥开现象，导致设备故障。第一,第二,第三,导体的发热和散热导体的发热导体的发热主要来自导体电阻损耗的热量和太阳日照的热量。（1）导体电阻损耗的热量QR；（2）太阳日照产生的热量。导体的散热散热的过程实质是热量的传递过程，其形式一般由三种:（1）导热。（2）对流。（3）辐射。提高导体载流量的措施第一，减小导体电阻。①采用电阻率ρ较小的材料作导体；②减小导体的接触电阻（Rj）；③增大导体的截面积(S)。第二，增大导线截面积。第三，提高换热系数。①加强冷却；如改善通风条件、采用强制通风或采用SF6等专用介质。②室内裸导体表面涂漆。载流导体的电动力载流导体之间将产生电动力的相互作用，这就是载流导体的电动力效应。载流导体间的作用大小，可用比奥—沙瓦定律计算，其方向可以由左手定则确定。短路电流所产生的巨大电动力，对于电器或配电装置具有很大的危害性。如：⑴电器的载流部分可能因为电动力而振动，或者因电动力所产生的应力大于其材料允许应力而变形，甚至使绝缘部件或载流部件损坏。⑵电气设备的电磁绕组，受到巨大的电动力作用，可能使绕组变形或损坏。两平衡导体间的电动力两平行导体通过电流时，因磁场相互作用而产生电动力，方向与所通过的电流的方向有关。如图当电流的方向相反时，导体间产生斥力；而当电流方向相同时，则产生吸力。一、两导体之间的作用力根据比奥——沙瓦定律，导体间的电动力为二、两导体之间的电动力式中i1、i2—分通过两平行导体的电流（A）；l—该段导体的长度（m）；a—两根导体轴线间的距离（m）；Kx—形状系数。形状系数表示实际形状导体所受的电动力与细长导体（把电流看作是集中在轴线上）电动力之比。三相短路时的电动力计算三相短路时，每相导体所承受电动力等于该相导体与其它两相之间电动力的矢量和。三相导体布置在同一平面时，各相导体所通过电流不同，故边缘相与中间相所承受电动力也不同。一、三相短路时各相的作用力发生两相短路时，最大电动力为两相短路时的最大电动力小于同一地点三相短路时的最大电动力。结论：用三相短路时的最大电动力校验电气设备的动稳定。第一,第二,共振影响对电动力的修正把母线看成多跨的连续梁，频率为一、母线的一阶固有振动频率式中Nf—频率系数；L—跨距，m；E—导体材料的弹性摸具，Pa；Ⅰ—导线断面二次矩，m4；m—导线单位长度的质量，kg/m。二、频率系数Nf的确定Nf根据导体连续跨数和支撑方式决定，其值如下表所示。导体不同固定方式时的频率系数值fN三、考虑振动影响后的电动力当一阶固有振动频率f1在30-160Hz范围内时，因其接近电动力的频率产生共振，导致母线应力增加，用动态应力系数β修正，故电动力为第一，单条导体及一组中各条导体35-135Hz第二，多条导体及有引下线单条导体35-155Hz第三，槽形和管形导体30-160Hz。对于重要的导体，应使其固有频率在下述范围以外：6.1载流导体的发热和电动力四、短路时载流导体间的电动力当两根平行导体的电流方向相反时，两根导体之间将产生斥力；当两根平行导体的电流方向相同时，两根导体之间将产生吸力；在三相系统中，作用于每相导体上的电动力，由该导体中的电流和其他两相导体中电流所产生的相互作用力来决定。经计算，三相系统中中间相受力最大。可求得三相系统三相短路时电动力的最大瞬时值：计入振动系数，水平放置在同一平面内的三相交流系统的母线，其最大作用力是：式中——母线系统的振动系数。进行母线机械强度计算时，可认为母线一端固定、受均匀荷载的多跨距连距梁。在这种情况下，作用于母线上的最大弯矩式中——相邻两个支柱绝缘子间的跨距(m)。)(1073.110)8.1(172.52772maxNiaLiaFchch).(10maxmaxmNlFMjujul)(1073.127maxNiaLFch•正式开始•第一课第一节电气设备选择的一般条件正确地选择设备是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。电气设备要能可靠地工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验其动稳定和热稳定。6.2电气设备选择的一般条件一、按正常工作条件进行选择导体和电器1额定电压导体和电器所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，常高于电网的额定电压，故所选电器和电缆允许最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压，即：一般电缆和电器允许的最高工作电压：当额定电压在220kV及以下时为；当额定电压为330~500kV时为。而实际电网运行的一般不超过，因此在选择设备时，一般可按照电器和电缆的额定电压，不低于装置地点电网额定电压的条件选择，即：maxmaxgyUUewUmaxyUmaxgUeweUUeU15.1eU1.1eU1.1maxgUeUewU2额定电流导体和电器的额定电流是指在额定周围环境温度下，导体和电器的长期允许电流（或额定电流）应不小于该回路的最大持续工作电流，即：由于发电机、调相机和变压器在电压降低5%时,出力保持不变,故其相应回路的(为电机的额定电流);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;母线分段电抗器的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;出线回路的除考虑线路正常负荷电流(包括线路损耗)外,还应考虑事故时由其他回路转移过来的负荷。0yIeImaxgImaxmaxgyIIegII05.1maxeImaxgImaxgImaxgI6.2电气设备选择的一般条件3按当地环境条件校核在选择电器时,还应考虑电器安装地点的环境条件,当气温、风速、湿度、污秽等级、海拔高度、地震强度和覆厚度等环境条件超过一般电器使用条件时,应向制造部门提出要求或采取相应的措施。当环境温度和导体(或电器)额定环境温度不等时,其长期允许电流可按下式修正：式中K——修正系数；——导体或电气设备正常发热允许最高温度,当导体用螺连接时,。0yyyYyKIII0yCy706.2电气设备选择的一般条件二、按短路情况校验校验最大短路电流下的热稳定和动稳定。1、短路电流计算条件（1）选择计算电路选择每个电器设备的正常运行方式中的可能最大短路方式的短路电流进行计算,即选择假设其最大的短路点.由于设计的电气系统与外系统、负载有关；一般要选择电力系统和变电所的最终容量（逐步扩建或负荷扩展，但原建部分设备不会改变其设计参数。一般为工程建成后的5-10年）二、按短路情况校验（续）1、短路电流计算条件（续）（2）短路参数的选择一般采用短路参数，多采用三相短路电流。若特殊回路，单相、两相短路比三相短路电流大，则应选择最严重的短路故障来校验。（3）短路点的选择。应选择通过导体或电器的短路电流最大的那些短路点为计算点。GGGQF6K6T1k5QF5QF1K1QF4K4QF1QF3T2退出时QF6QF5断开二、按短路情况校验（续）1、短路电流计算条件（续）（4）短路计算时间的确定短路最大电流导致的是电气设备的短时发热效应。因此短路持续时间tk需要获取tk=t0+ttt0：主保护动作时间