电力系统设计第四讲——电气设备的选择(导线、电缆)

第四讲电气设备的选择一、导体发热和短路电动力1、导体发热及短路电动力的危害电阻损耗、介质损耗、磁滞和涡流损耗----发热短路电动力超过允许值----导体变形或损坏2、导体最高允许发热温度正常最高允许工作温度主要决定于系统接触电阻的大小。一般裸导体＋70℃计及太阳辐射影响时的钢芯铝绞线、管形导体按照80℃；导体接触面镀锡85℃。短时最高允许温度主要决定于短时发热过程中导体机械强度的大小、介质绝缘强度的大小。硬铝及铝锰合金＋200℃，硬铜300℃。钢构的最高允许温度人可触及的钢构为70℃，人不可触及的钢构为100℃，混凝土中的钢筋为80℃3、导体的长期发热导体长期发热-----导体长期通过工作电流时的发热过程。目的-----计算导体长期允许电流，研究提高导体长期允许电流的措施热平衡方程：QR=QW+QC＋Qr（W/m）导体通过电流I后，导体的温度将由初始温度开始上升。导体由于电阻损耗产生的热量QR，一部分用于本身温度升高所需的热量QW，一部分以对流和辐射的形式散失到周围的介质中热量（QC＋Qr）。dtFmcdRdtIow)(2导体的温升变化曲线ttTtiTtsee）（1τ-----导体的温升τ=θ-θ0τi-----导体的初始温升τi=θi-θ0τs-----导体的稳定温升Tt-----导体的发热时间常数FRIs2FmcTt导体的长期发热的特点1）导体通过电流I后，温度开始升高，经过（3～4）倍Tt(时间常数)，导体达到稳定发热状态；2）导体升温过程的快慢取决于导体的发热时间常数，即与导体的吸热能力成正比，与导体的散热能力成反比，而与通过的电流大小无关；3）导体达到稳定发热状态后，由电阻损耗产生的热量全部以对流和辐射的形式散失掉，导体的温升趋于稳定，且稳定温升与导体的初始温度无关。导体的载流量当导体温度为导体正常工作最高允许温度70℃、环境温度为额定环境温度25℃时，可计算出各种标准截面导体的长期允许载流量。如LGJ-120型导线的长期允许载流量为380A，100×10mm2矩形导体单条平放时的长期允许载流量为1663A，竖放时为1807A。RFIS）（0提高导体载流量的措施1）减小交流电阻：采用电阻率小的材料如铜、铝；增大导体的截面；接触表面镀锡、镀银等以减小接触电阻，提高导体长期发热最高允许温度；2）增大复合散热系数：改变导体的布置方式，导体表面涂漆等；3）增大散热面积。4、导体的短时发热导体的短时发热-----短路开始到短路切除为止很短一段时间内导体的发热过程。目的-----确定导体可能出现的最高温度，进而研究导体的热稳定性。短时发热的特点由于发热时间短，可认为电阻损耗产生的热量QR来不及散失，全部用于使导体温度升高所需的热量QW，即认为导体短时发热基本上是一个绝热的过程，且导体温度变化很大，电阻和比热容随温度而变化。QR＝QW(W/m)dmcdtRIkt2fiKAAQS21ktKfKdtIQ02iftktAAdtISk0221])1ln([200wcA-------短路电流的热效应导体短路开始（t=0s)温度θi---短路故障切除（t=tk)温度θfθi----Ai----Ai+Qk/s2----Af----θf根据θf判断导体的热稳定性短路电流热效应QK=Qp+QnpQp---周期分量的热效应Qnp---非周期分量的热效应T-----非周期分量等效时间（s）tK-----短路电流切除时间（s）当短路电流切除时间超过1秒时，发热主要由周期分量决定，可忽略非周期分量的影响。）（“22221012KKttKPIIItQ2”TIQnp5、导体短路的电动力平行载流导体间的电动力F-----两平行载流导体间的电动力（N）；Kf-----导体截面形状系数，对圆形导体，形状系数Kf＝1，矩形或槽形导体的形状系数可查曲线或查表获得；L-----导体的长度（m）；i1、i2-----分别通过两导体的电流（A）217102iiaLKFf三相导体短路的电动力)(1027CBBABCBABiiiiaLFFF)5.0(1027CABAACABAiiiiaLFFF比较三相短路故障、两相短路故障情况下各相导体遭受短路电动力：三相短路A相的最大电动力三相短路B相的最大电动力两相短路最大电动力27max10616.1shAiaLF27max1073.1shBiaLF27)2(max105.1shiaLF最大短路电动力三相导体最大短路电动力出现在三相短路故障后的0.01s，作用在中间B相导体振动的动态应力导体发生振动时，内部产生动态应力27max1073.1shiaLF（N）27max1073.1shiaLFβ----动态应力系数，与导体的固有振动频率有关二、导体和电器选择的一般原则各类电器设备选择遵循的共同原则是：按正常工作条件进行选择；按短路状态校验热稳定和动稳定。1、按正常工作条件选择电器设备额定电压UN≥UNSUN-------电器设备额定电压；UNS-------电网额定电压额定电流IN≥ImaxIN-------电器设备在额定环境温度下的长期允许电流Imax-------电器所在回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流当地环境条件校验典型回路最大持续工作电流Imax的计算方法发电机回路---1.05倍发电机额定电流变压器回路---1.05倍变压器额定电流---1.3~2.0倍变压器额定电流电动机回路---电动机额定电流单回路出线---线路最大负荷电流双回路出线---1.2~2.0倍一回线的正常最大负荷电流带电抗器出线---电抗器额定电流角形与一台半断路器接线回路出线---两个相邻回路正常负荷电流桥型接线出线---最大元件负荷电流主母线、母联回路---母线上最大一个电源元件的计算电流母线分段回路---分段电抗器额定电流或相邻两段母线上最大一台发电机额定电流的50％～80％旁路回路---需旁路的回路最大额定电流2、按短路情况校验短路热稳定校验It2t≥QkQk----短路电流产生的热效应；It、t-----电器允许通过的热稳定电流和时间电动力稳定校验ies≥ish或Ies≥Ishish、Ish-----短路冲击电流幅值和有效值；ies、Ies-----电器允许通过的动稳定电流的幅值和有效值。不需要校验热稳定或动稳定的情况a.用熔断器保护的电器可不验算热稳定。b.采用有限流电阻的熔断器保护的设备可不校验动稳定。c.装设在电压互感器回路中的裸导体和电器可不验算热稳定和动稳定。3、短路电流计算条件1）容量和接线按本工程的最终容量计算，并考虑本工程建成后5～10年的电力系统远景发展规划，按可能发生最大短路电流的正常接线方式进行短路计算。2）短路种类一般按三相短路进行验算。3）选择短路计算点在短路计算接线中，选择通过电器的短路电流为最大的点为短路计算点。发电机出口断路器：比较K1和K2点短路时，哪种情况通过QF1的短路电流大。母联QF5：考虑母联断路器QF5向备用母线充电时，备用母线故障，即K4点短路时，流过母联断路器的短路电流最大。带电抗器的6～10KV出线回路：由于干式电抗器可靠性高，且断路器QF4与电抗器间的连线很短，故障几率小，导体和电器设备的短路计算点，一般不选K7，而应选K8。主变低压侧QF3：可能出现的短路点和运行方式很多，当变压器高压侧QF6断开而K3点短路时最严重。类似的，选择QF6，应为QF3断开，K5点短路。分段断路器QF7：当主变T1退出运行而相应母线段K1点发生短路时最严重。母线至母线隔离开关前的引线和套管：应选择母线段K7点。4）短路计算时间验算热稳定的计算时间tk=tpr+tabtab=tin+tatpr-------后备保护动作时间；tab--------断路器全开断时间；tin--------断路器固有分闸时间；ta--------断路器开断时，电弧持续时间，对SF6和压缩空气断路器约为0.02～0.04s。开关电器的开断时间tbr=tpr1+tintpr1-------主保护动作时间tin-------断路器固有分闸时间三、导体、电缆、绝缘子和套管的选择1、裸导体的选择1）导体材料、类型和敷设方式2）导体截面选择按长期发热允许电流选择Imax≥KIalImax-----导体所在回路的最大持续工作电流Ial-----在额定环境温度25度时导体允许电流K-----与实际环境温度和海拔相关的综合修正系数。按经济电流密度选择经济电流密度J-----对应不同类型的导体和不同的最大负荷利用小时数Tmax，有一个年计算费用最低的电流密度，称为经济电流密度。按经济电流密度选择导体截面可使年计算费用最低。导体的经济截面：S=Imax/J注意：尽量选择接近的截面，若无合适规格的导体，选小于经济截面的导体。按经济电流密度选择的导体截面，其允许电流必须大于导体的最大持续工作电流。3）电晕电压校验对110KV以上的裸导体，按晴天不发生全面电晕条件校验：Ucr≥UmaxUcr-----裸导体的临界电压Umax-----最高工作电压4）热稳定校验S≥SminCKQSskminS------所选导体截面；Smin-----由热稳定决定的导体最小截面；QK------短路电流热效应；Ks-------导体的集肤系数；C-------热稳定系数，与导体材料和工作温度相关。5）硬导体的动稳定校验σ≥σalσ-----导体应力（Pa）σal-----导体材料允许应力（Pa）单条矩形导体应力的计算假定导体为自由支撑在绝缘子上的多跨距、匀载荷梁，在电动力的作用下，导体所受的最大弯矩M为：fph-----单位长度导体上所受相间电动力（N/m）；l------导体支柱绝缘子间的跨距（m）导体最大相间计算应力：W------导体对垂直于作用力方向轴的截面系数102lfMphWlfWMphph102施工中常根据材料最大允许应力来确定绝缘子间的最大允许跨距：phalfWl/10max6）共振频率校验对于发电机、变压器及汇流母线等重要回路的导体应进行共振校验f1-----自振频率，一般取160HZE-----导体材料的弹性模量（Pa）I-----导体断面二次矩（m4）Nf-----频率系数，与导体连续跨数和支撑方式有关L--------跨距（m）m-----导体单位长度的质量(kg/m)需要进行共振校验的固有振荡频率范围mEILNff21单条导体及一组中的各条导体35～135HZ多条导体及有引下线的单条导体35～155HZ槽形和管形导体30~160HZ2、电力电缆的选择1）电缆芯线材料及型号的选择2）电压选择3）截面选择电力电缆截面一般按长期发热允许电流选择，当电缆的最大负荷利用小时数超过5000小时，且长度超过20米时，应按经济电流密度选择。与裸导体不同之处在于修正系数与敷设方式和环境温度有关。敷设时电缆应保持一定的弯曲半径。NSNUU4）允许电压降校验对供电距离较远、容量较大的电缆线路，应校验其电压损失，一般应满足电压降不超过5%。U-----线路工作电压；L------线路长度；cosφ-----功率因数；r、x-----电缆单位长度的电阻和电抗UxrLIU/)sincos(173%max5）热稳定校验由于电缆芯线一般是由多股绞线构成，截面在400mm2以下时，集肤系数Ks近似为1，满足电缆热稳定的最小截面为：Qk-----短路电流的热效应C-----电缆的热稳定系数CQSk/min3、绝缘子、穿墙套管的选择支柱绝缘子应按额定电压和类型选择，并进行短时动稳定校验；穿墙套管应按额定电压、额定电流和类型选择，按短路条件校验热稳定和动稳定。母线型穿墙套管因本身无导体，不必按额定电流选择和校验热稳定，只需保证套管的型式与穿过母线的尺寸相