第八章电气主接线的设计与设备选择s

第八章电气主接线的设计与设备选择学习目的•了解电气主接线设计的基本过程和步骤•理解电流的热效应和电动力效应•掌握电气设备选择的方法•掌握短路计算点的选择•掌握断路器、隔离开关、熔断器、电抗器等电气设备选择的方法§8-1概述为表征一次系统，把所有一次设备按电能流程连接而成的总电路称为电气主接线或一次接线。电气主接线表明电气一次设备的连接关系。它是发电厂、变电站电气部分设计、运行、检修、操作和事故处理平台；其设计对电气设备选择、配电装置布置、继电保护及自动控制方式的拟定，以及防雷接地等产生决定性影响。§8-1概述1、原则：以设计任务书为依据，以经济建设方针、政策和有关的技术规程、标准为准则，准确地掌握原始资料，结合工程特点，确定设计标准，参考已有设计成果，采用先进的设计工具。2、要求：使设计的主接线满足可靠性、灵活性、经济性，并留有扩建和发展的余地。发电厂、变电所的电气主接线设计应根据其在电力系统中的地位与作用、建设规模、电压等级、线路回数、负荷等具体情况来确定。§8-1概述3、步骤：1.对原始资料进行综合分析；2.草拟主接线方案，对不同方案进行技术经济比较、筛选和确定；3.厂、所和附近用户供电方案设计；4.限制短路电流的措施和短路电流的计算；5.电气设备的选择；6.屋内外配电装置的设计；7.绘制电气主接线图及其它图（如配电装置视图）；8.推荐最佳方案，写出设计技术说明书，编制一次设备概算表。§8-2主变压器和主接线的选择主变压器：向电力系统或用户输送功率的变压器。联络变压器：用于两种电压等级之间交换功率的变压器。自用电变压器：只供厂、所用电的变压器。一、变压器容量、台数、电压的确定原则依据输送容量等原始数据。考虑电力系统5~10年的发展规划。1．单元接线主变压器容量A.按发电机额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度；B.扩大单元接线应尽可能采用分裂绕组变压器。§8-2主变压器和主接线的选择2．连接电压母线与升高电压之间的主变压器a.发电机全部投入运行时，扣除厂用电后，主变压器应能将剩余的有功率送入系统。b.若接于发电机电压母线上的最大一台机组停运时，应能满足由系统经主变压器倒供给发电机电压母线上最大负荷的需要。c.若发电机电压母线上接有2台或以上主变压器，当其中容量最大的一台因故退出运行时，其它主变压器在允许正常过负荷范围内应能输送剩余功率70%以上。d.对水电比重较大的系统，若丰水期需要限制该火电厂出力时，主变应能从系统倒送功率，满足发电机电压母线上的负荷需要。§8-2主变压器和主接线的选择3．变电所主变压器容量a.按变电所建成后5~10年的规划负荷选择，并适当考虑远期10~20年的负荷发展。b.对重要变电所，应考虑一台主变停运，其余变压器在计及过负荷能力及允许时间内，满足I、II类负荷的供电；c.对一般性变电所，一台主变停运，其余变压器应能满足全部供电负荷的70%~80%。4．发电厂和变电所主变台数a.大中型发电厂和枢纽变电所，主变不应少于2台；b.对小型的发电厂和终端变电所可只设一台。5.确定绕组额定电压和调压的方式§8-2主变压器和主接线的选择二、主变压器型式的选择原则1.相数：一般选用三相变压器。2.绕组数：A.容量在125MW以下的发电厂，内有三个电压等级时，考虑采用三相三绕组变压器（每侧绕组的通过容量应达到额定容量的15%及以上，否则选二台双绕组更合理）。B.容量200MW及以上的发电厂，采用双绕组变压器加联络变压器的方案更为合理(因额定电流和短路电流均大，发电机出口断路器制造困难，且大型三绕组变压器的中压侧（110kV及以上时）不希望留分接头）。C.在选用三绕组普通变压器的场合，且两侧绕组为中性点直接接地系统，考虑选用自耦变压器（但要防止自耦变的公共绕组或串联绕组的过负荷）。§8-2主变压器和主接线的选择3.绕组接线组别的确定变压器三相绕组的接线组别必须和系统电压相位一致。4.短路阻抗的选择从系统稳定和提高供电质量看阻抗小些为好（但阻抗太小会使短路电流过大，设备选择变得困难）。三绕组变压器的结构形式分为：升压型与降压型（中间绕组阻抗最小）5.变压器冷却方式主变压器的冷却方式有：自然风冷；强迫风冷；强迫油循环风冷；强迫油循环水冷；强迫导向油循环冷却等。§8-2主变压器和主接线的选择三、主接线设计简述≦220kV，进出线回路多，输送功率大→有母线；回路少且不再扩建时→不用母线。1）110~220kV，断路器检修时间长，应设置旁路母线2）厂站附近有用户，常设6~10.5kV电压母线3）≦35kV，重要用户采用双回路4）单母线分段，可设置不带专用断路器的旁路母线接线330~500kV，进出线6回路以上，采用一台半断路器接线、双母线三分段或四分段；少出线可采用3~5角形接线四、技术经济比较技术比较内容：比较可靠性、灵活性、先进性及对继电保护和配电装置的设计影响；经济比较内容：综合投资、年运行费。电气主接线设计应满足安全、可靠、灵活、经济等方面的要求。•1.安全性包括设备安全和人身安全。•2.可靠性供电可靠是对电气主接线最基本的要求。可靠性可以用主接线无故障工作时间占全部时间的比例来表示。（1）研究主接线的可靠性应注意的问题主接线的可靠性在很大程度上取决于设备的可靠程度，采用可靠性高的电气设备可以简化接线。（2）对电气主接线可靠性的具体要求在定性分析主接线的可靠性时，主要考虑以下几个方面：①断路器检修时，不宜影响对系统的供电。②母线故障，以及母线或母线隔离开关检修时，尽量减少停运出线的回路数和停运时间，并保证对I、Ⅱ类负荷的供电。•3.灵活性电气主接线应满足在调度、检修及扩建时操作方便，运行灵活的要求。•4.经济性电气主接线的经济性主要表现在以下方面：（1）节省投资。（2）年运行费小。（3）占地面积小。（4）在可能的情况下，应采取一次设计，分期投资、投产，尽快发挥经济效益。§8-3载流导体的发热和电动力•一、电气设备的发热•二、电气设备的电动力一、电气设备的发热电气设备在运行中，电流通过导体时产生电能损耗，然后转变为热能，一部分散失到周围介质中，一部分加热导体和电器使其温度升高。温度超过一定范围后，将会加速导体和电器的绝缘材料的老化，降低绝缘强度，缩短使用寿命，将会恶化导电接触部分的连接状态，以致破坏电器的正常工作。一、电气设备的发热长期发热：由正常工作电流引起的发热。短路时发热：由短路电流引起的发热，是影响电气设备正常使用寿命和工作状态的主要因素。如果导体在短路时的最高温度不超过设计规程规定的允许温度(见P220表8-1），则认为导体是满足热稳定要求的。短路时发热计算的目的：是确定导体在短路切除以前可能出现的最高温度，是否小于短路发热允许的最高温度，以验证其热稳定性。长期发热计算，见课本P220。•1．短路时导体发热计算的特点（1）短路时间很短，温度上升速度很快，可认为短路电流产生的热量不向周围介质散发，全部用来使导体的温度升高。（2）短路电路大，导体的温度上升快，短路时导体的电阻和比热是随温度而变化的。（3）短路电流的变化规律复杂，通常用等效发热的方法进行分析计算（直接计算短路电流在导体中产生的热量很困难）。•2．短路时导体的发热计算图8-1表示短路前后导体的温度变化情况。导体在短路前正常负荷时的温度为θL，设在t1时刻发生短路，导体温度按指数规律迅速升高，在t2时刻保护装置动作将故障切除，这时导体的温度为θk。短路切除后，导体内无电流，不再产生热量，只向周围介质散热，最后冷却到周围介质温度θo。图8-1短路前后导体的温度变化情况要确定短路后导体的最高温度θk，就必须先求出实际的短路电流ik或Ikt在短路时间内产生的热量，即（8-1）式中：Ikt为短路全电流的有效值（A）；R为导体的电阻（Ω）；tk为短路电流的作用时间（s）。2122k0kttKtKttQ=IRdtIRdt短路电流的变化规律比较复杂，按式（8-1）计算Qk相当困难。因此，一般用稳态短路电流Iω来代替实际短路电流Ikt，并设定一个假想时间tima，认为短路电流Ikt在短路时间tk内产生的热量Qk，恰好等于稳态短路电流在假想时间tima内产生的热量---等值时间法，即（8-2）式中：tima为假想时间（s）。图8-2短路发热的假想时间22ktima0ktIRdtIRt（1）假想时间的计算假想时间与短路电流的变化特性有关。短路电流分为周期分量Ipt和非周期分量inpt，短路电流的有效值可表示为（8-3）代入式(8-2)，则有（8-4）设假想时间也分为相应的周期分量假想时间tima.p和非周期分量假想时间tima.np，即（8-5）则有（8-6）222ktptnptIIi2222ktptnptima000kkktttIRdtIRdtiRdtIRtimaima.pima.npttt2222ptnptima.pima.np00kkttIRdtiRdtIRtIRt周期分量假想时间可表示为（8-7）令短路次暂态电流I″与Iω的比为β″，即β″=I″/Iω，可根据短路电流周期分量的变化曲线作出β″与tima.p的关系曲线，则周期分量假想时间可按短路电流的实际作用时间t=tk查曲线求出。tk等于距离短路点最近的保护装置的实际动作时间tpr和断路器的跳闸时间tab之和：tk=tpr+tab对于快速和中速断路器，可取tab=0.1~0.15s；低速断路器，可取tab=0.2s.当短路点距离电源较远时（无限容量系统），可认为I″=Ip=I∞，因此周期分量假想时间就等于短路的延续时间，即tima.p=tk。2ima.ppt201kttIdtI短路电流非周期分量假想时间tima.np只有在短路时间较短（tk1s）时才考虑，可用下式表示（8-8）由于，将平均值Ta=0.05s及t=0.01s入式（8-8）得（8-9）在无限容量系统中，β″=1，故tima.np=0.05s。从而总的假想时间为（8-10）2ima.npnpt201kttidtInpt2atTiIe2ima.np0.05('')timaima.p0.05tt（2）短路时导体的最高温度由于短路时间很短，可认为短路电流产生的热量全部用来使导体的温度升高，而不向周围介质散热，则热平衡方程式可表示为（8-11）式中：G为导体的质量（kg）；A为导体的截面积（m2）；l为导体的长度（m）；ρm为导体材料的密度（kg/m3）；c为导体材料的比热J/(kg·°C)；τK为导体在短路时间内的温升（℃）。式（8-11）可表示为（8-12）故（8-13）2kktkmk0()ktQ=IRdtGcAlc2imamkIRtAlc2imakmIRtAlc令=c′，，则式（8-13）变为（8-14）式中：ρ为导体材料的电阻率（Ω·m）。因此，短路时导体的最高温度为（8-15）因导体的电阻率ρ和比热c是随温度变化的，导体的最高温度很难直接计算出来，工程上多采用查曲线的方法近似计算。lRA2kima(/)'IAtc2kkima(/)'IAtc)1()1(00CCCm图8-4是按铜、铝、钢的比热、密度、电阻率等的平均值所作出的曲线，横坐标为导体加热系数K，。纵坐标为导体温度θ。图8-4不同材料导体的θ=f(K)曲线tAIK2)(（3）根据θ=f(K)曲线确定导体短路时最高温度θK的方法（参见图8-5）①根据正常负荷电流确定短路前导体的温度θL。如果难以确定，可选用导体材料的正常最高允许温度。图8-5确定导体短路时最高温度θk的步骤②在纵坐标上查出θL，并向右在对应的材料曲线上查出a点，再由a点在横坐标上查出加热系数KL。③利用下式计算短路时的加热系数Kk（8-16）式中：KL和Kk分别为正常和短路时的加热系数。④从横坐标上找出Kk的值，并向上在对应的曲线上