第2章配电网设备选择

15第二章配电网设备的选择电气装置中的电气设备和载流导体，在正常运行和短路时，都必须可行工作。为了保证电气装置的可靠性和经济性，必须正确地选择电气设备和载流导体，同时生产运行人员也必须了解选择电气设备和载流导体选择的条件，以便保证它们在允许的条件下可靠地工作，本章介绍短路电流的效应和电气设备和载流导体选择的一般条件。第一节短路电流的效应当电气设备和载流导体在短路时，短路电流将产生电动力和发热两种热效应。这样，电气设备和载流导体一方面受到很大电动力的作用，同时它们的温度急骤地升高，这可能使电气设备及其绝缘损坏。所以为了正确地选择，必须对电气设备和载流导体在短路时的电动力和发热进行计算。一、短路电流的电动力效应短路电流的电动力效应，是指在短路电流通过三相导体时，因为各相导体都处在邻相电流所产生的磁场中，导体将受到巨大电动力的作用。尤其当通过短路冲击电流时，电动力可达到很大数值。如果导体的机械强度不够，导体将变形或损坏。因此电气设备和载流导体必须具有足够的机械强度，能够承受短路时电动力的作用。一般将电气设备和载流导体能够承受短路电流电动力作用的能力,称为电动稳定度,简称动稳定。当任意截面的两根平行导体中分别通过电流i1和i2时，导体间相互作用电动力的大小，可按下式计算：F=2Kxaii21×10-7式中F——电动力，N；Kx——形状系数；i1，i2——两平行导体中的电流和瞬时值，A；l——平行导体的长度，ma——平行导体之间的距离，m。电动力的方向与两电流的方向有关，电流同向时，电动力相互吸引使距离a减小；电流反向时，电动力相互排斥使距离a增大。电动力实际是沿导体长度均匀分布的，合力作用于长度的中点，分力作用于两端的绝缘子上，各占有1/2。16形状系数KX与导体截面形状、尺寸及相互间距有关。对于矩形截面导体，与m=b/h及（a-b）/（b+h）有关。其中，b为导体的宽度，h为导体的高度。KX与（a-b）/（b+h）的关系如图2-1所示。图中，当m=b/h＜1时，KX＜1；当（a-b）/（b+h）增大，即导体间的净距增大时，KX趋近于1；当导体间的净距足够大时，即当（a-b）/（b+h）≥2时，KX接近于1，这相当于电流集中在导体的轴线上，导体的截面形状对电动力无影响。对于圆形截面导体，形状系数KX等于1。分析可得二相短路时的电动力小于三相短路时的电动力。F（3）=1.73Kxalich2)3(10-7N而F（2）=2Kx(0.86610-7N=1.5Kx()3(chi)2al10-7N因此，在选择电气设备和载流导体时，应采用三相短路电流进行校验。二、短路电流的热效应电流通过电气设备和载流导体时，由于电阻损耗、涡流和磁滞损耗等转变为热能，使电气设备和载流导体的温度升高。当发热温度超过一定值后，就会引起导体机械强度的下降，绝缘材料的绝缘强度降低，导电连接部分的接触状况恶化，从而使电气设备的使用年限缩短，甚至损坏。因此，对电气设备和载流导体的规定有最高允许温度。在正常和短路两种工作状态下，由于电流的大小及通过的时间长短不同，发热情况也不同，两种状态下电气设备和载流导体的最高允许温度也不相同。图2-1矩形导体的截面系数图2-2导体中通过负荷电流和短路电流时的温度变化情况17图2-2所示为导体中通过负荷电流和短路电流时的温度变化情况。设周围环境实际温度为0，导体在未投入工作前的温度即为0。导体投入工作后，通过的负荷电流为Ifh。温度逐渐上升，最后达到稳定温度f。如在t1时刻发生短路，导体温度很快自f升高到d,在t2时刻短路被切除，导体退出工作，温度自f逐渐下降到d。下面分析导体在通过负荷电流和短路电流时的发热情况。1、长负荷电流的发热导体长期通过负荷电流时，导体的发热量一部分被导体吸收，使温度升高；另一部分传入周围介质。传入周围介质的热量与导体和周围介质的温度差有关，温度差愈大，传出的热量愈多。随着导体温废的升高，传出的热量不断增加。当导体中产生的热量与传出的热量相等时，即达到热平衡状态，导体温度便达到稳定值f。温度差(f-d,)与导体长期通过的电流平方成正比。如果此稳定温度f，不大于电气设备和导体的长期最高允许温度时，电气设备和载流导体在正常工作时将不会损坏。日前我国生产的各种电气设备，除熔断器、消弧线圈和避雷器外，基准环境温度为40℃，长期最高允许温度可按80℃考虑。一般裸导体，如矩形母线、管形母线等，基准环境温度为25℃，长期最高允许温度为70℃，计及日照时为80℃，导体接触面有镀锡层可提高到85℃。各类电力电缆为50~90℃。当实际环境温度为0，通过载流导体的负荷电流为Ifh时，稳定温度f可按下式计算f=0+（y-0）（Ifh/Iy）2式中y——长期最高允许温度；Iy——按θ0时校正后的长期允许电流；Ifh——导体长期通过的负荷电流。2、短路电流的发热短路电流通过导体的时间很短，该段时间为自短路开始到短路切除为止，如图12-3中从t1到t2，这段时间等于继电保护动作时间与断路器的全分闸时间之和。在这样短的时间内，导体产生的热量来不及向周围散出，全部用于使导体的温度升高，如图12-3中由f升高到d。如果短路时的最高温度，超过电气设备和载流导体的短时最高允许温度时，它们将被损坏。一般把电气设备和载流导体在短路时，能承受短路电流发热的能力，称为热稳定电流，简称热稳定。载流导体的短时最高允许温度，铝及铝锰合金为200℃；铜为300℃；6~10kV油浸纸绝缘电缆铝芯为200℃，铜芯为230℃。对于高压电气设备，一般只给出有关热稳定的参数，而不给出最高允许温度。(1)短路电流的发热计算。短路电流的发热过程，可近似认为全部发热量被导体吸收用于使温度升高。在发热过程中，导体的电阻不是常数而与温度有关。在任意温度θ时导体的电阻为18R0=0（1+）sl0——0℃时导线的电阻率，Ω/m——ρ0的温度系数，1/℃——温度，设在任意时刻t的短路全电流的瞬时值dti为，则在dt时间内的发热最为dQ=2dti0（1+）sldt（J）在dt时间内全部发热量以dQ，如被导体吸收后温度升高d℃，在此过程中导体比热容也不是常数而与温度有关，则dt时间内导体吸收的热量为dQ=0csl)1(d式中c0——0℃时导体的比热容，J/kg.℃——c0的温度系数,1/℃——导体的密度系数,kg/m3由于发热量等于吸热量，所以dQ=2dti0（1+）sldt=dQ=0csl)1(d上式两边积分得2)1(st02dtidt=Ad—Af定义Qd=t02dtidt短路电流的热效应。Ad=2)1(sQd+Af根据上式，只要求出Qd和由短路前工作温度f相对应的Af便可求出与短路时最高温度d相对应的Ad。(2)短路电流热效应和计算：Qd=t02dtidt=t0（izt2+ifzt2）dt19≈Qz+Qfz即认为短路电流的热效应Qd等于周期分量热效应Qz和非周期分量热效应Qfz之和。关于热效应的计算，我国以往采用苏联的假想时间法。这各方法是假想当导体通过不变的短路稳态电流时，花假想时间内所产生的热量等于导体在短路过程中实际产生的热量。这种方法已不适合我国目前电力系统悄况，计算结果误差铰大。最近我国提出一种实用计算法，已推广使用，下面介绍热效应的实用计算法。1)周期分量热效应Qz，在求Qz时，实用计算法是以近似积分法为基础，利用辛普松公式求得较佳的结果。周期分量热效应Qz按下式计算QZ=t0izt2dt=1210222''2ztIIIzt×tI”------次暂态短路电流，KA；Izt/2----t/2秒时周期分量电流有效值，KA；Izt-----t秒时周期分量电流有效值，KA；t------短路持续时间，S。2）非周期分量热效应：Qfz=aT×（1—e-2ωt/Ta）2''I=T2''IT一一等效时间，s。第二节配电设备选择各种电气设备和载流导体，由于它们的用途和工作条件不同，所以每种电气设备和载流导体选择时都有具体的选择条件。但是不论何种电气设备和载流导体，对它们的基本要求都相同，即必须在正常运行和短路时能可靠地工作。为此，各种电气设备的选择又有一般条件，即按正常工作条件进行选择，按短路状态校验其动稳定和热稳定。一、电气设备和载流导体选择的一般条件1、按正常工作条件选择(1)额定电压。所选电气设备和电缆的最高允许工作电压，不得低于装设回路的最高运行电压。一般电气设备和电缆的最高允许工作电压：当额定电压在220kV及以下时，为1．l5Ue。而实际电网运行时的最高运行电压，一般不超过电网额定电压Ue的1．1倍。因此，一般可按电气设备和电缆的额定电压Ue不低于装设地点的电网额定电压Uew的条件选择，即20Ue≥Uew(2)额定电流。所选电气设备的额定电流Ie，或载流导体的长期允许电流Iy不得小于装设回路的最大持续工作电流Imax。即应满足条件Iy≥Imax计算回路的最大持续工作电流Imax时，应考虑该回路在各种运行方式下的持续工作电流，选用其最大者。如发电机、变压器在电压降低5%时，出力保持不变，故其回路的Imax=1．05Ie，出线回路的Imax除考虑线路正常负荷和线路耗损外，还应考虑事故时其他回路转移过来的负荷。对于断路器、隔离开关、电抗器等，由于没有连续过载能力，在它们各部分的最高允许发热温使不超过规定值的情况下，当这些设备使用在环境温度高于+40℃，但不高于+60℃时，环境温度每增加l℃，减少额定电流1．8%；当使用在环境温度低于+40时，环境温度每降低l℃，增加额定电流0．5%，但其最大过负荷不得超过额定电流的20%。对于载流导体，当使用在环境温度不等于基准温度时，其长期允许电流也需进行校正。2、按短路状态校验(1)热稳定校验。当短路电流通过被选择的电气设备和载流导体时，其热效应不超过允许值，即应满足下列条件Qd≤Qy或Qd≤Ir2t式中Qd——短路电流的热效应；Qy——电气设备和载流导体允许的热效应；Ir——设备给定的在ts内允许的热稳定电流(有效值)。短路电流持续时间t，应为继电保护动作时间tb与断路器全分闸时间tdf之和。即t=tb+tdf其中tdf为断路然固有分闸时间与灭弧时间之和。校验裸导体及3~6kV厂用馈线电缆的短路热稳定时，短路持续时间一般采用主保护动作时间加断路器全分闸时间，如主保护有死区时，则应采用能对该死区起作用的后备保护动作时间，并采用在该死区短路时的短路电流。校验电气设备及电缆(3~6kV厂用馈线除外)热稳定时，典短路持续时间，一般采用后备保护动作时间加断路器全分闸时间。(2)动稳定校验。被选择的电气设备和载流导体，通过可能最大的短路电流值时，不应因短路电流的电动力效应而造成变形或损坏，即应该满足条件ich≤idw式中ich——三相短路冲击电流的幅值；idw——设备允许通过的动稳定电流(极限电流)峰值。21用熔断器保护的电气设备和载流导体，可不校验热稳定;除用有限流作用的熔断器保护者外，它们仍应校验动稳定；电缆不校验动稳定；用熔断器保护的电压互感器回路，可不校验动、热稳定。3、短路校验时短路电流的计算条件校验电气设备和载流导体的短路动稳定和热稳定时，所用的短路电流，具电源容量应按具体工程的设计规划容量计算，并应考虑电力系统的远景发展规划(宜为该期工程建成后5~10年)；计算用电路应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式；短路种类一般按三相短路校验；若发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统、自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短路更严重时，应按严重情况校验。计算短路电流时短路计算点的选择，应使所选择的电气设备和载流导体，通过可能最大的短路电流:现以图2-3为例说明选择短路计算点的方法。选择发电机、变压器回路中的断路器，应考虑在断路器两侧发生短路时通过断路器的短路电流，然后选短路电流大者为短路计算点。例如，选择发电机G2回路中的断路器，当d1点短路时，通过断路器的短路电流为发电机G2所供