第7章中压电气设备选择

第七章中压电气设备选择•设计一个供配电系统时，在网络结构及设备配置已经确定的条件下，选择设备的恰当型式与参数，谓之设备选择。•所选设备应具备完成其任务所需功能，应能承受正常的负荷与故障能量冲击。•本章所涉及的电器，主要有开关电器、保护电器、测量电器等，还包括由它们组合起来的组合电器，但不包括变压器和线缆。•电器与线缆、变压器选择的不同在于设备加入后对系统本身的影响。电器加入系统后主要改变系统功能，但基本不改变系统性能，而变压器和线缆加入系统后，会明显改变系统性能。第1节短路电流效应7.1.1短路电流热效应短路电流在故障元件上产生的温升，叫做短路电流的热效应。温度是元件产生热损坏的最主要因素。1、导体温升过程及短路热稳定热力学判断讨论：导体未通电→通电正常工作→短路发生→短路电流被切断，这几种情况下导体的发热与温升情况。温度=温升＋初始温度。辩异：发热与温升。发热是温升的动力，但温升还受散热的影响。1）未通电时。2）正常工作时。3）短路发生后，导体温度急剧上升，至短路被切除时，导体温度达到最高值θk，即：式中：θk为短路最高温度，θk·max为导体瞬时允许最高短路温度（简称短路允许温度）。•辩异：θN·max与θk·max。都是“最高允许温度”，前者是“长期工作”，后者是“瞬时短路”，有何区别？θN·max—取决于设计寿命。对绝缘导体，取决于绝缘的长期温度承受能力；对裸导体，取决于接头氧化和（或）机械参数（如弧垂等）。θk·max—取决于是否发生瞬时不可逆损坏。对绝缘导体，取决于绝缘的极限温度承受能力；对裸导体，取决于接头极限温度承受能力和（或）是否因高温产生机械破坏。常见导体的θN·max和θk·max见表。导体式电缆的长期允许最高温度和短路最高允许温度导体种类和材料短路时导体允许最高温度/℃导体长期允许工作温度/℃热稳定系数C值/A··mm-2铝母线及导线、硬铝及铝锰合金硬铜母线及导线200300707087171钢母线(不与电器直接连接)钢母线(与电器直接连接)4103107070706310kV铝芯油浸纸绝缘电缆10kV铜芯油浸纸绝缘电缆2002206060951656kV铝芯油浸纸绝缘电缆及10kV铝芯不滴流电缆20065906kV铜芯油浸纸绝缘电缆及10kV铝芯不滴流电缆22065150铝芯交联聚乙烯绝缘电缆铜芯交联聚乙烯绝缘电缆200250909094143maxkmaxNSt+00t0Nktktk.maxN.maxN.maxk.maxtktkN0t00t+N.maxk.maxtktkN0t00t+t+00t0Nktktk.maxN.max工作正常短路热稳定请你判断请你判断请你判断t0：短路开始时刻tk：短路电流持续时间2、导体短路最高温度θk计算这是导体受到的短路能量的极限热冲击，是一个热力学参数，按热力学方法计算。计算的一些假定和依据如下：#绝热过程假设，短路电流发热全部用于导体温升，这是一个偏于保守的假设。#导体电阻、比热均是温度的函数。以0℃电阻率ρ0和比热C0为起点计算，计算公式为：#导体为长度l的棒形，底面积s，密度ρm，质量m为1）计算从热平衡方程开始。上式左边是电流发热量，右边是导体温升吸收的热量。将各参量表达式代入，有：对上式两边积分，有：注意：未知量是θk。上式右边是电气参量和导体几何参数，左面是材料参数，为变上限积分。令积分的原函数为A（θ），有：则：也即：θN是已知的（若不知，可取为θN·max），理论上，短路电流积分是可求出的，因此可求出A（θk），继而求出θk。但问题在于短路电流积分实际上很难求出。2）求短路电流热脉冲不管怎样，热平衡方程已经将求温度θk的问题转化成了求短路电流积分的问题，即将热力学参数计算转化成了电气参量计算。定义这个积分为热脉冲Q，即：短路热脉冲的物理意义为：短路电流在短路持续时间内在1Ω恒定电阻上产生的热量。求短路热脉冲的工程方法有假想时间法、假想电流法、数值积分法等，根据工程现状，下面介绍假想时间法。（1）假想时间。假设短路全电流有效值Ik(t)一直等于稳态短路电流，要产生与实际短路热脉冲相等的热脉冲所需要的时间，叫做假想时间，记作tim。即ootkItimtABCODEFk2I(t)tktoIoimtABCDEOFk2I(t)SFDEO=I∞2tim=Q22SFDEO=I∞2tim=Q（2）远端短路假想时间计算远端短路电流由恒定的周期分量和衰减的非周期分量组成（近端短路还要加上一个衰减的周期分量），根据谐波理论，短路电流有效值为各次谐波的方均根，即分别称tim·np、tim·p为短路电流非周期分量和周期分量的假想时间,则a）tim·p计算。由于远端短路I∞=Ip（t），故b）tim·np计算。①当tk≥1s时，导体发热主要由周期分量决定，可不计入非周期分量的影响，此时tim·np=0②当tk1s时，因，有于是有因Ta一般为0.05s，当tk≥0.1s时，指数项已过4倍时间常数，而tk通常总是大于0.1s的，因此：c）综上所述，对远端短路3）用假想时间计算导体短路最高温度θk根据公式：用假想时间计算上式积分，有据此可计算出θk。4）短路电流持续时间tk计算tk=top+tQF式中tk—短路电流持续时间；top—保护动作时间；tQF—断路器开断时间，含固有分闸时间和燃弧持续时间。保护动作时间为保护装置起动机构、执行机构和延时机构动作时间总和。前两者一般取0.02~0.05s。7.1.2短路电流电动力效应相邻载流导体在对方产生的磁场中受到的机械作用力，叫做电动力。敷设在同一平面上的三相平行导体，中间相受力最大，其短路最大电动力为式中：Ksh为导体形状系数，通过（D-b）/（h+b）查得；l为平行导体长度，D为导体中心距；b为导体厚度，h为导体高度。Dbh第2节电气设备选择的一般性问题7.2.1电气设备选择的基本原则（1）正常工作条件下，应符合使用要求并保证工作寿命。符合使用要求：设备功能与工作任务相适应，设备参数与系统参数相匹配，以及与其他相关设备在参数、功能及工艺过程等方面相协调。保证工作寿命：安装处实际工况符合设计工况。（2）故障条件下，应尽可能保证设备不致损坏，并尽量不扩大故障影响范围。7.2.2电气设备选择一般方法1、按正常工作条件选择设备参数1）额定电压选择。式中，Umax为设备最高电压（见第1章“标准电压”）；Uop·max为设备安装处最高运行电压，考虑电压调整等因素，一般高于系统标称电压UN10％左右。2）额定电流选择。式中：IC·max不仅要考虑正常运行，还要考虑故障切换等运行情况，取各种运行方式下的最大者；Ir要考虑环境温度的影响。2、按短路动、热稳定校验设备参数。动、热稳定校验是对设备短路承受力的考核。动稳定意味着能承受短路电动力冲击，否则就是动不稳定的；热稳定意味着短路最高温度未超过短路最高允许温度，否则就是热不稳定的。短路电流电动力效应和热效应计算原理已如前述，但工程上，对电气设备和导体，动、热稳定性的校验方法有所不同，下面分别介绍。1）电气设备的动、热稳定性校验（1）电气设备的动稳定性校验。由7.1.2可知，当设备结构确定的情况下，设备所受短路电流电动力唯一取决于短路电流大小，它们之间呈单调的正相关性。据此，工程体系规定：设备制造厂家必须给出与设备能承受的最大电动力所对应的电流值ims（movablestable），动稳定以设备安装处实际最大短路电流瞬时值ish校验，要求：实际承受冲击≤最大承受力，即ish≤ims这一规定规避了力学计算，方便了设计计算，体现了工程体系配合所产生的效率。（2）电气设备的热稳定性校验由于短路温升与短路热脉冲呈单调的正相关性，工程体系规定：设备厂家应给出与设备能承受的最大短路温升相对应的短路热脉冲，热稳定以设备安装处实际承受的短路热脉冲校验。厂家给出热脉冲的型式：tth秒的热稳定电流为Ith，初始温度默认为设备长期允许最高工作温度。于是，设备的热稳定校验公式为：2）导体的动、热稳定校验（1）导体的动稳定性校验。式中：σc——短路时母线可能承受的最大应力；σmax——母线最大允许应力，硬铝69Mpa，硬铜为137Mpa。两跨以上σc的计算：式中，β为共振系数，取1.0～1.4；W为母线截面系数，平放时为0.167bh2，立放时为0.167hb2，b、h分别为母线厚度和宽度。其他参数同前。（2）导体的热稳定性校验。前面推导有式中θk·max为导体短路最高允许温度，θN为短路前导体工作温度，按最不利情况考虑为θN·max。于是，不等式右侧均为常量。不等式左侧短路热脉冲的上限值也为常量。不等式能否成立，取决于导体截面积是否足够大。因此，导体热稳定校验的工程方法为校验导体截面积，即：称C为热稳定系数，取决于导体和绝缘，可查表。3、按环境条件校验参数1）环境温度。主要对额定电流产生影响。环境温度高于设备标称环境温度，额定电流降低，工程上应进行相应的修正。2）海拔高度影响。影响额定电流与耐压两个参数。海拔高，空气稀薄，散热能力降低，但环境温度也低，相互抵消，在海拔4000m以下时，可不修正载流量。高海拔会降低电器设备的外绝缘性能。在海拔1～4km范围，按1%/100m降低外绝缘耐压。3）其他环境条件。略。•思考性小结。1、电器选择基本原则与一般方法有对应关系。你能否明确表述这些对应关系？2、短路动、热稳定性校验为什么分“电器”和“导体”而采用不同的方法？（技术原理与工程方法之间的异同，对“工程体系”的体会）3、既然电器的动稳定性校验直接用短路电流最大瞬时值ish，那么短路热稳定性校验为什么不直接用短路电流最大有效值Ish，而要用热脉冲？（多因素关联性的分析理解）第3节配电断路器选择7.3.1电弧简介1、电弧的产生与维持强电场发射条件：E3x10V/m6碰撞游离弧柱高温产生弧柱热发射热游离维持弧柱+-金属触头上产生触头间气体介质中产生静触头动触头电弧2、电弧的熄灭游离去游离——电弧产生游离=去游离——电弧维持游离去游离——电弧熄灭去游离：弧柱中带电粒子不断减少的过程，主要有复合和扩散两种途径。介质的燃弧与熄弧电压。前者总是大于后者。熄弧后介质的绝缘强度有一个恢复过程，其恢复速度应大于外加电压的上升速度，否则电弧会重燃。近极效应：弧电流过零后的0.1~1s内，近阴极介质绝缘强度急剧上升到150～250V。3、电器的灭弧方法吹弧方式（1-电弧；2-触头）a)横吹b)纵吹电动力吹弧磁力吹弧1-磁吹线圈；2-灭弧触头；3-电弧1）吹弧灭弧拉长、冷却电弧，增强去游离。2）短弧及多断口灭弧主要利用近极效应，每段短弧都有150～250V恢复强度。绝缘灭弧栅对电弧的作用（1-绝缘灭弧片；2-电弧；3-触头）金属灭弧栅对电弧的作用（1-钢栅片；2-电弧；3-触头）3）狭缝灭弧拉长、冷却电弧；电弧分解栅片产生气体吹弧。7.3.2断路器简介1、功能：开关电器。能开合负荷电流，开断短路电流。2、分类1）按开关的对象分：发电机用、输电用、配电用、控制用等。本节讨论3～35kV的配电断路器。2）按灭弧介质分：油、真空、气体、磁吹断路器等。3、结构：触头、灭弧室、机械机构、外壳、支柱等。机械机构中断路弹簧在断路器闭合时为储能状态，可在脱扣器失扣时分断触头。1-铝帽2-油气分离器3-上接线端子4-油标5-插座式静触头6-灭弧室7-动触头（导电杆）8-中间滚动触头9-下接线端子10-转轴11-拐臂（曲柄）12-基座13-下支柱瓷瓶14-上支柱瓷瓶15-断路弹簧16-绝缘筒17-逆止阀18-绝缘油4、断路器操动机构控制断路器主触头状态、且在断路器本体以外的完整独立的动力与机械机构，称为断路器的操动机构。操动机构功能：合闸、维持合闸状态、分闸。操动机构分闸一般是对维持断路器闭合状态的锁扣机构解扣，触头分开是靠断路器本身的分闸弹簧实现的，分闸弹簧还维持断路器分闸状态。按操动动力的分类：手力、弹簧、电磁、压缩空气、液压等各类操动机构。多数操动机构是独立的产品，与某些断路器配套，也有少数与断路器结为一体。某型断路器及其操动机构7.3.3断路