电气一次部分设计指导书

电气一次部分设计指导书李文才编河北工程技术高等专科学校电气工程系2004年6月一、短路电流计算（一）短路电流计算条件为使所选电气设备具有足够的可靠性、经济性和合理性，并在一定时期内适应电力系统发展的需要，作校验用的短路电流应按下列条件确定。（1）容量和接线按本工程设计最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划（一般为本工程建成后5～10年）：其接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式，但不考虑在切换过程中可能短时并列的接线方式。（如切换厂用变压器时的并列）。（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，即应按最严重的情况验算。（3）计算短路点选择通过电器的短路电流为最大的那些点为短路计算点。（二）短路电流计算方法短路电流计算方法参见《电力系统故障》一书，在本设计中，电力系统可看作是无穷大系统。（三）短路计算时间当短路持续时间大于ls时，校验热稳定的等值计算时间tk为继电保护动作时间tpr和相应断路器的全开断时间tab之和，即tdz=tpr+tab而tab=tin+ta式中tab——断路器全开断时间；tpr——后备保护动作时间；tin——断路器固有分闸时间，可查附表15：ta——断路器开断时电弧持续时间，对少泊断路器为0.04～0.06s，对SF6和压缩空气断路器约为0.02～0.04s。当短路持续时间小于ls时，校验热稳定的等值计算时间还要计及短路电流非周期分量的影响，参见教材第六章。开断电器应能在最严重的情况下开断短路电流，考虑到主保护拒动等原因，按最不利情况，取后备保护的动作时间。一般建议tdz不小于下列数据：330kV，2s：220kV，3s：6～110kV，4s。二、高压电气设备选择的一般条件电气设备选择是发电厂和变电所设计的主要内容之一，在选择时应根据实际工作特点，按照按照有关设计规范的规定，在保证供配电安全可靠的前提下，力争做到技术先进，经济合理。为了保障高压电气设备的可靠运行，高压电气设备选择与校验的一般条件有，按正常工作条件包括：电压、电流、频率、开断电流等选择；按短路条件包括动稳定、热稳定校验；按环境工作条件如温度、湿度、海拔等选择。由于各种高压电气设备具有不同的性能特点，选择与校验条件不尽相同，高压电气设备的选择与校验项目见表1。表1高压电气设备的选择与校验项目电气设备名称额定电压额定电流开断能力短路电流校验环境条件其它动稳定热稳定断路器√√√○○○操作性能负荷开关√√√○○○操作性能隔离开关√√○○○操作性能熔断器√√√○上、下级间配合电流互感器√√○○○电压互感器√○二次负荷、准确等级支柱绝缘字√○○二次负荷、准确等级穿墙套管√√○○○母线√○○○电缆√√○○注：表中√为选择项目，○为校验项目。（一）按正常工作条件选择高压电气设备1.额定电压和最高工作电压高压电气设备所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，常高于电网的额定电压，故所选电气设备允许最高工作电压Ualm不得低于所接电网的最高运行电压。一般电气设备允许的最高工作电压可达1.1~1.15UN，而实际电网的最高运行电压Usm一般不超过1.1UNs因此在选择电气设备时，一般可按照电气设备的额定电压的额定电压UN不低于装置地点电网额定电压UNs的条件选择，即UN≥UNs2.额定电流电气设备的额定电流IN是指在额定环境温度下，电气设备的长期允许通过电流。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Iw.max，即IN≥Imax计算时有以下几个应注意的问题：（1）由于发电机、调相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Iw.max为发电机、调相机或变压器的额定电流的1.5倍；（2）若变压器有过负荷运行可能时，Imax应按过负荷确定（1.3～2倍变压器额定电流）；（3）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；（4）出线回路的Iw.max除考虑正常负荷电流（包括线路损耗）外，还应考虑事故时由其它回路转移过来的负荷。此外，还应按电气设备的装置地点、使用条件、检修和运行等要求，对电气设备进行种类(屋内或屋外)和型式的选择。（二）按环境工作条件校验在选择电气设备时，还应考虑电气设备安装地点的环境（尤须注意小环境）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气设备使用条件时，应采取措施。例如:当地区海拔超过制造部门的规定值时，由于大气压力、空气密度和湿度相应减少，使空气间隙和外绝缘的放电特性下降，一般当海拔在1000~3500m范围内，若海拔比厂家规定值每升高l00m，则电气设备允许最高工作电压要下降1%。当最高工作电压不能满足要求时，应采用高原型电气设备，或采用外绝缘提高一级的产品。对于110kV及以下电气设备，由于外绝缘裕度较大，可在海拔2000m以下使用。当污秽等级超过使用规定时，可选用有利于防污的电瓷产品，当经济上合理时可采用屋内配电装置。当周围环境温度θ0和电气设备额定环境温度不等时，其长期允许工作电流应乘以修正系数K，即Ialθ=NNNIKImax0max（１）我国目前生产的电气设备使用的额定环境温度θN=40℃。如周围环境温度θ0高于40℃(但低于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%，但其最大电流不得超过额定电流的20%。应该指出，式（１）也适用于求导体的在实际环境温度下的长期允许工作电流，此时公式中的θN一般为25℃。（三）按短路条件校验1.短路热稳定校验短路电流通过电气设备时，电气设备各部件温度（或发热效应）应不超过允许值。满足热稳定的条件为It2t≥I∞2tdz式中It—由生产厂给出的电气设备在时间t秒内的热稳定电流。I∞—短路稳态电流值。t—与It相对应的时间。tdz—短路电流热效应等值计算时间。2.电动力稳定校验电动力稳定是电气设备承受短路电流机械效应的能力，也称动稳定。满足动稳定的条件为ies≥ich或Ies≥Ich式中ich、Ich—短路冲击电流幅值及其有效值；ies、Ies——电气设备允许通过的动稳定电流的幅值及其有效值。下列几种情况可不校验热稳定或动稳定：（1）用熔断器保护的电器，其热稳定由熔断时间保证，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）装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备可不校验动、热稳定。（三）高压断路器、隔离开关、重合器和分段器的选择（一）高压断路器的选择高压断路器选择及校验条件除额定电压、额定电流、热稳定、动稳定校验外，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断路器安装地点、环境和使用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、维护工作量较少，故在3~220kV系统中应用较广，但近年来，真空断路器在35kV及以下电力系统中得到了广泛应用，有取代油断路器的趋势。SF6断路器也已在向中压10~35kV发展，并在城乡电网建设和改造中获得了应用。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需配专用的直流合闸电源，但其结构简单可靠；弹簧式结构比较复杂，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．额定开断电流选择在额定电压下，断路器能保证正常开断的最大短路电流称为额定开断电流。高压断路器的额定开断电流INbr，不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量Izt，即INbr≥Izt当断路器的INbr较系统短路电流大很多时，为了简化计算，也可用次暂态电流I进行选择即INbr≥I我国生产的高压断路器在做型式试验时，仅计入了20%的非周期分量。一般中、慢速断路器，由于开断时间较长(0.1s)，短路电流非周期分量衰减较多，能满足国家标准规定的非周期分量不超过周期分量幅值20%的要求。使用快速保护和高速断路器时，其开断时间小于0.1s，当在电源附近短路时，短路电流的非周期分量可能超过周期分量的20%，因此需要进行验算。短路全电流的计算方法可参考有关手册，如计算结果非周期分量超过20%以上时，订货时应向制造部门提出要求。装有自动重合闸装置的断路器，当操作循环符合厂家规定时，其额定开断电流不变。3.短路关合电流的选择在断路器合闸之前，若线路上已存在短路故障，则在断路器合闸过程中，动、静触头间在未接触时即有巨大的短路电流通过（预击穿），更容易发生触头熔焊和遭受电动力的损坏。且断路器在关合短路电流时，不可避免地在接通后又自动跳闸，此时还要求能够切断短路电流，因此，额定关合电流是断路器的重要参数之一。为了保证断路器在关合短路时的安全，断路器的额定关合电流iNcl不应小于短路电流最大冲击值ich，即iNcl≥ich（二）隔离开关的选择隔离开关选择及校验条件除额定电压、额定电流、热稳定、动稳定校验外，还应注意其种类和形式的选择，尤其屋外式隔离开关的型式较多，对配电装置的布置和占地面积影响很大，因此其型式应根据配电装置特点和要求以及技术经济条件来确定。表2为隔离开关选型参考表。表2隔离开关选型参考表使用场合特点参考型号屋内屋内配电装置成套高压开关柜三级，10kV以下GN2，GN6，GN8，GN19发电机回路，大电流回路单极，大电流3000~13000AGN10三级，15kV，200~600AGN11三级，10kV，大电流2000~3000AGN18，GN22，GN2单极，插入式结构，带封闭罩20kV，大电流10000~13000AGN14屋外220kV及以下各型配电装置双柱式，220kV及以下GW4高型，硬母线布置V型，35~110kVGW5硬母线布置单柱式，220~500kVGW620kV及以上中型配电装置三柱式，220~500kVGW7（三）重合器和分段器的选择１．重合器的选择选用重合器时，要使其额定参数满足安装地点的系统条件，具体要求有：（１）额定电压重合器的额定电压应等于或大于安装地点的系统最高运行电压。（２）额定电流重合器的额定电流应大于安装地点的预期长远的最大负荷电流。除此，还应注意重合器的额定电流是否满足触头载流、温升等因素而确定的参数。为满足保护配合要求，还应选择好串联线圈和电流互感器的额定电流。通常，选择重合器额定电流时留有较大的裕度。选择串联线圈时应以实际预期负荷为准。（３）确定安装地点最大故障电流。重合器的额定短路开断电流应大于安装地点的长远规划最大故障电流。（４）确定保护区域未端最小故障电流重合器的最小分闸电流应小于保护区段最小故障电流。对液压控制重合器，这主要涉及选择串联线圈额定电流问题:电流裕度大时，可适应负荷的增加并可避免对涌流过于敏感;而电流裕度小时，可对小故障电流反应敏感。有时，可将重合器保护区域的末端直接选在故障电流至少为重合器最小分闸电流的1.5倍处，以保证满足该项要求。（5）与线路其他保护设备配合这主要是比较重合器的电流—时间特性曲线，操作顺序和复归时间等特性，与线路上其他重合器、分段器、熔断器的保护配合，以保证在重合器后备保护动作或在其他线路元件发生损坏之前，重合器能够及时分断。2.分段器的选择选用分段器时，应注意以下问题:（1）启动电流分段器的额定启动电流应为后备保护开关最小分闸电流的80%。当液压控制分段器与液压控制重合器配合使用时，分段器与重合器选用相同额定电流的串联线圈即可。因为液压分段器的启动电流为其串联线圈额定电流的1.6倍，而液压重合器的最小分闸电流为其串联线圈额定电流的2倍。电子控制分段器的启动电流可根据其额定电流直接整定，但必须满足上述80%原则。电子重合器整定值为实际动作值，应考虑配合要求。（2）记录次数分段器的计数次数应比后备保护开关的重合次数少一次。当数台分段器串联使用时，负荷侧分段器应依次比其电源侧分段器的计数次数少一次。在这种情况下，液压分段器通常不用降低其启动电流值的方法来达到各串联分段器之间的配合，而是采用不同的计数次数来实现，以