第5章电气设备的选择2

第五章电气设备的选择电气设备的发热和电动力电气设备选择的一般条件母线、电缆和绝缘子的选择高压电器的选择低压电器的选择发电厂和变电所主变压器的选择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，它是由正常工作电流产生的；(2)短时发热，它是故障时由短路电流产生的。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kzfQQQ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：102tzzttQIdt102tffttQIdt102//222100.51012kktzzttttttQIdtIII稳态短路电流周期分量的有效值[起始值]01tttk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)''Itk无穷大电源下，短路电流周期分量始终不变。0.1kts时,10102()22(1)''atttTfftatQIdtTeI非周期分量时间常数2''faQTI1.0kts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！图5-3对称三相短路时的电动力27max1.7310()shLFiNa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：21112Lrfi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材料系数图5-4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：NSNUU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、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：040C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。0alNalIKINalI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：QtIkt2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：iishesIIshes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QF4IG1IG2＋IS3)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ta2）校验电器和110kV以上电缆的热稳定时，一般采用：主保护动作时间+断路器全分闸时间若保护有死区：后备保护动作时间+断路器全分闸时间1）校验导体和110kV以下电缆的热稳定时，一般采用：后备保护动作时间+断路器全分闸时间5*、断路器的开断短路电流时间tbr能在最严重的情况下开断短路电流（短路开始时）开断时间tbr=主保护时间tpr1+固有分闸时间tin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。图5-7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。1、按最大长期工作电流选择为保证母线正常工作时的温度不超过允许温度，应满足：maxgalII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：0alalk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：max2()geISmmJ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：min1kSQC或者kfQkCS1min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2711.7310()shfiNa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：2M(Nm)10fL母线受到的最大相间应力：2a(p)10fLMWW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：max10(m)alWLf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*六、支柱绝缘子和穿墙套管的选择*例5-1第四节高压电器的选择一、高压断路器的性能六氟化硫断路器：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。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。SW3110G1200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220kVSF6断路器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≥UNS3、额定电流选择IN≥Igmax4、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ktQtI26、动稳定校验shesii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。GW73300D1500额定电流其他标志，G改进，D带地刀,T全国统一设计设计序号使用环境，N户内，W户外隔离开关标志额定电压隔离开关单柱式隔离开关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≥UNSIN≥IgmaxktQtI2shesii例题：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(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:电流互感器是一种特殊的变压器，它正常工作时，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