第六章电气设备的选择及校验

第六章电气设备的选择与校验第一节电气设备的选择及校验原则•选择及校验意义：•电气设备的选择是供配电系统设计的主要内容之一，是保证电网安全、经济运行的重要条件。•一.选择电气设备的一般原则：•选择应满足条件：•供配电系统中的电气设备总是在一定的电压、电流、频率和工作环境条件下工作的。所以，电气设备的选择应满足：•1）正常工作条件下安全可靠运行•2)短路故障条件下不损坏。开关电器还必须具有足够的断流能力•3)适应所处的位置（户内或户外）、环境温度、海拔高度以及防尘、防火、防腐、防爆等环境条件•选择基本要求：•1）按正常工作条件进行选择•2）按短路条件校验动稳定和热稳定。二.按正常工作条件选择电气设备•1按工作电压选择电气设备的额定电压•电气设备的额定电压UN应不低于其所在线路(安装点)的额定电压U，即：•UN≥U（6-3）•例如在10kV线路中，应选择额定电压为10kV的电气设备，380V系统中应选择额定电压为380V（0.4kV）或500V的电气设备。•2按工作电流选择电气设备•电气设备的额定电流IN是指在规定的环境温度下，设备的长期允许电流Ial。IN不应小于该回路的最大持续工作电流Imax，即••Imax的几种特殊情况：•1）由于发电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Imax应为发电机和变压器额定电流的1.05倍；Nalmax()III（6-4）4）当周围环境温度θ与导体(或电器)规定环境温度θ0不等时，其长期允许电流Ial可按式(6-5)修正(6-5)其中式中K——修正系数；θal——导体或电气设备正常发热允许最高温度，一般可取θal=70℃我国生产的电气设备的规定环境温度θ0=40℃，如环境温度高于+40℃(但小于或等于60℃)时，其允许电流一般可按每增高1℃，额定电流减少1.8%进行修正；当环境温度低于+40℃时，环境温度每降低1℃，额定电流可增加0.5%，但增加幅度最多不得超过原额定电流的20%。我国生产的裸导体的额定环境温度为+25℃，当装置地点环境温度在-5℃～+50℃范围内变化时，导体允许通过的电流可按式(4-62)修正。3按装置地点、使用条件、检修和运行等要求选择电气设备指按照设备的装置地点、使用条件、检修和运行等要求选择导体、电器的种类和型式。例如选户外或户内设备，防爆型或普通型设备。alalθalalal0IIKIalal0K续上页•2）若变压器有可能过负荷运行时，Imax应按过负荷确定；。•3）出线回路的Imax除考虑正常负荷电流外，还应考虑事故时由其他回路转移过来的负荷。三.按短路电流校验设备的热稳定和动稳定性1)短路热稳定度的校验条件电器和载流部分的热稳定度校验，依校验对象的不同而采用不同的具体条件。(1)对一般电器，热稳定度校验条件为式中It——电器的热稳定试验电流；t——电器的热稳定试验时间；、——短路电流的稳态值及短路电流的假想时间。以上的It和t均可由电器产品样本查得。(2)对母线及绝缘导线和电缆等导体，可按下列条件校验其热稳定度：≥(6-8)式中kal——导体在短路时的最高允许温度，可查表；k——导体短路时产生的最高温度。2(3)2timaItIt(3)Iimatkalk(6-7)确定k，可根据短路热稳定度的要求来确定其最小允许截面Amin。=(/C)(6-9)式中Amin——导体的最小热稳定截面积(mm2)；——三相短路稳态电流(A)；C——导体的短路热稳定系数，可查表。导体的热稳定度校验条件转换成导体的截面积校验条件，要求≥(6-10)minA(3)IimatAminA(3)I•2)短路动稳定度的校验条件•电器和导体的动稳定度校验，依校验对象的不同而采用不同的具体条件。•(1)对一般电器，动稳定度校验条件•或•式中imax、Imax——电器的极限通过电流峰值和有效值；可由电器产品样本查得•、——三相短路冲击电流峰值和有效值。•(2)绝缘子的动稳定度校验条件•式中Fal——绝缘子的最大允许载荷可由产品样本查得，如果产品样本给出的•是绝缘子的抗弯破坏载荷值，则应将抗弯破坏载荷值乘以0.6作为Fal；•Fc(3)——短路时作用于绝缘子上的计算力，如母线在绝缘子上为平放，如图6-1(a)，则Fc(3)＝F(3)，如为竖放，如图6-1(b)所示，则Fc(3)＝1.4F(3)。(3)maxshii(3)maxshII(3)alcFF(a)平放(b)竖放图6-1水平放置的母线(3)对母线等硬导体，一般按短路时所受到的最大应力来校验其动稳定度，满足的条件为(6-13)式中——母线材料的最大允许应力(Pa)，硬铜≈137MPa，硬铝≈69MPa；——母线通过时所受到的最大计算应力。上述最大计算应力按式(6-14)式中——母线通过时所受到的弯曲力矩()，当母线的挡数为1～2时，=，当挡数大于2时，＝，L为母线的挡距；──母线的截面系数(m3)，当母线水平放置时(图4.13)，，此处b为母线截面的水平宽度，h为母线截面的垂直高度，b和h的单位均为m。alcalalalc(3)shicMWMM(3)shiNm(3)8FL(3)10FLMW26bhW不作为母线的矩形硬导线，其动稳定度校验条件和校验方法与硬母线一样。由于回路的特殊性，对下列几种情况可不校验热稳定或动稳定：①用熔断器保护的电源，其热稳定由熔体的熔断时间保证，故可不校验热稳定。②采用限流熔断器保护的设备可不校验动稳定。③在电压互感器回路中的裸导体和电器可不校验动、热稳定。④对于电缆，因其内部为软导线，外部机械强度很高，不必校验其动稳定。第二节高压电器的选择•高压电气设备的选择：•1)要满足安全、可靠，运行维护方便和投资经济合理等要求。•2)要满足正常工作条件的要求，•3）要按短路条件进行热稳定和动稳定的校验。•高压电气设备选择及其校验项目可按下表所列各项进行选择和校验。表6-1高压电气设备的选择及其校验项目和条件注：表中“√”表示必须校验；“—”表示不要校验。二、高压电气设备的选择一.高压开关设备的选择1.高压断路器的选择高压断路器的选择、校验条件如表6-1所示。在选择时还应注意以下几点。1)断路器种类和型式的选择高压断路器应根据其安装地点、环境和使用技术条件等要求选择其种类和型式。由于少油断路器制造简单、价格便宜、维护工作量少，故3k～220kV一般采用少油断路器；对于110k～330kV，当少油断路器的技术性能不能满足要求时，可以选用压缩空气或SF6断路器。NkIkI2)按开断电流选择高压断路器的额定开断电流应满足≥(6-15)式中Ik——高压断路器触头实际开断瞬间的短路电流周期分量有效值；INk——高压断路器的额定开断电流。高压断路器的操动机构，大多数是由制造厂配套供应，仅部分少油断路器有电磁式、弹簧式或液压式等几种型式的操动机构可供选择。一般电磁式操动机构虽需配有专用的直流合闸电源，但其结构简单可靠；弹簧式的结构比较复杂，调整要求较高；液压操动机构加工精度要求较高。操动机构的型式，可根据安装调试方便和运行可靠性进行选择。2.2.隔离开关的选择隔离开关的选择和校验条件如表6-1所列。屋外隔离开关的型式较多，它与配电装置的布置和占地面积等有很大关系，因此，其形式应根据配电装置的布置特点和使用要求等因素，进行综合技术经济比较后确定3.高压熔断器的选择高压熔断器的选择、校验条件如表6-1所示。在选择时还应注意以下几点。1)按额定电压选择对于一般的高压熔断器，其额定电压必须≧电网的额定电压。但充填石英砂的限流熔断器，只能用在等于其额定电压的电网中，因为这类熔断器在电流达到最大值之前就将电流截断，致使熔体熔断时产生过电压。过电压的倍数与电路的参数及熔体的长度有关，一般在等于额定电压的电网中为2.0倍～2.5倍，但如在低于其额定电压的电网中，由于熔体较长，过电压可高达3.5倍～4倍相电压，以致损害电网中的电气设备。2)按额定电流选择对于熔断器，其额定电流应包括熔断器载流部分与接触部分发热所依据的电流和熔体发热所依据的电流两部分，前者为熔管额定电流，后者为熔体额定电流。同一熔管可装配不同额定电流的熔体，但受熔管额定电流的限制。所以熔断器额定电流的选择包括这两部分电流的选择。续上页(1)熔管额定电流的选择。为了保证熔断器载流及接触部分不致过热和损坏，高压熔断器的熔管额定电流应大于或等于熔体的额定电流，即≥(6-16)(2)熔体额定电流选择。保护35kV以下电力变压器的高压熔断器，为了防止熔体在通过变压器励磁涌流和保护范围以外的短路及电动机自起动等冲击电流时误动作，其熔体的额定电流可按式下式选择=(6-17)式中K1——可靠系数(不计电动机自起动时K1=1.1～1.3；考虑电动机自起动时K1=1.5～2)。N.FEtIN.FEIN.FEtIN.FEIN.FEI1maxKIN.FE2NgcIKI用于保护电力电容器的高压熔断器，当系统电压升高或波形畸变引起回路电流增大或运行过程中产生涌流时不应误动作，其熔体额定电流可按下式选择(6-18)式中K2——可靠系数(对限流式高压熔断器，当一台电力电容器时K2=1.5～2.0；当一组电力电容器时K2=1.3～1.8)；IN.C——电力电容器回路的额定电流。(3)熔断器开断电流校验。对于非限流熔断器，选择时用冲击电流的有效值进行校验；对于限流熔断器，在电流达最大值之前电路已切断，可不计非周期分量的影响，而采用进行校验(4)熔断器选择性校验。为了保证前后两级熔断器之间保护动作的选择性，应进行熔体选择性校验。熔体的选择性校验应根据制造厂提供的熔体的安秒特性进行。安秒特性是熔体的熔断时间与通过电流的关系。如图6-2所示，两个不同熔体的安秒特性曲线()。同一电流同时通过此两熔体时，熔体1先熔断。所以，为了保证保护动作的选择性，前一级熔断器应采用熔体1，后一级熔断器应选用熔体2。NocshIIshIkIN.FE1N.FE2II(6-19)对于保护电压互感器用的高压熔断器，只需按额定电压及开断电流两项来选择。二.支持绝缘子和穿墙套管的选择绝缘子包括支持绝缘子和穿墙套管。支持绝缘子的作用是为了支撑母线；穿墙套管的作用是为了保证母线穿墙时的绝缘。它们的选择和校验项目，如表6-1所列。绝缘子和穿墙套管的机械应力计算：布置在同一平面内的三相母线，如图6-3所示为绝缘子和穿墙套管受力示意图。在发生短路时，支持绝缘子所受的力为式中——计算跨距(m)，=；L1、L2——支持绝缘子的相邻两跨距(m)。式(6-20)也可用于计算穿墙套管承受的作用力，其中=式中Lp——套管长度。图6-3绝缘子和穿墙套管所受的电动力271212maxsh27cash1.7310221.7310(N)FFLLFiaLiacaL12()2LLcaLcaL1()2pLL(6-20)由于母线电动力Fmax是作用在母线截面的中心线上，而支持绝缘子的抗弯破坏强度是按作用在绝缘子帽上给定的，如图6-4所示为绝缘子受力示意图。为了便于比较，必须求出短路时作用在绝缘子帽上的计算作用力Fc(6-21)其中式中H——绝缘子高度；H1——绝缘子底部到母线中心线的高度(mm)；——母线支持片的厚度，一般竖放矩形母线=18mm，平放矩形母线=12mm。图6-4绝缘子受力示意图1cmax(N)HFFH1/2HHbhbbb对于屋内35kV及其以上水平布置的支持绝缘子，在进行机械受力计算时，应考虑母线和绝缘子的自重以及短路电动力的复合作用。屋外支持绝缘子还应计算风和冰雪的附加作用。校验短时荷载作用时，支持绝缘子及穿墙套管的机械强度安全系数不应小于1.67，即=0.6，校验时必须满足≦0.6(N)(6-22)式中Fde——绝缘子和套管的抗弯破坏力。cFdeF11.67deFdeF1—熔体1特性曲线2—熔体2特性曲线图4.14熔断器的安秒特性曲线三.电流互感器和电压互感器的选择1.互感器的配置原则互感器在主接线中的配置与测量仪表、同期点（不同系统来电的交汇