电气设备的选择.ppt

电力工程基础课件,制作：福州大学等,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低压电器的选择发电厂和变电所主变压器的选择,本章内容重点,3,第一节电气设备的发热和电动力,4,发热的原因:电阻损耗磁滞和涡流损耗介质损耗分类:长期发热，由正常工作电流产生的；短时发热，故障时由短路电流产生的。,发热,5,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,发热,6,导体在正常和短路时的最高允许温度及热稳定系数,7,载流导体通过电流时，相互之间的作用力，称为电动力。短路时冲击电流所产生的交流电动力达到很大的数值，可能导致设备变形或损坏。为保证电器和导体不致破坏，电器和导体因短路冲击电流产生的电动力作用下的应力不应超过材料的允许应力。硬导体材料的最大允许应力，硬铜140MPa、硬铝70MPa,电动力,8,导体短时发热计算,图5-1短路时导体的发热过程,9,短路时导体发热的平衡方程式,其中：,代入式（5-1）得：（5-2）,（5-1）,10,（5-2）,（5-3）,整理得：,积分得：,（5-4）,11,短路发热计算,式中：,（5-5）,由此得出：,（5-9）,12,短路发热计算,图5-2导体的=f(A)曲线,13,短路电流热效应值Qk的计算,Qk常用的计算方法为近似数值积分法。,短路全电流中包含周期分量Ip和非周期分量Inp，其热效应Qk也由两部分构成：,14,Qk的计算周期分量Qp计算,任意函数y=f(x)的定积分采用辛普生公式计算:,取n4,15,Qk的计算周期分量Qp计算,进一步简化计算，近似认为y2=1/2(y1+y3),称为1-10-1法,16,Qk的计算非周期分量Qnp计算,当tk0.1s时,式中Ta为非周期分量时间常数值,17,Qk的计算非周期分量Qnp计算,表5-2非周期分量时间常数Ta,18,导体短路时的电动力计算,两根细长平行导体间的电动力计算,（5-18）,三相导体水平放置受力最大的为中间相导体短路的电动力,19,（5-22）,还应考虑母线共振影响对电动力的影响，引入修正系数,电动力最大值的计算,20,母线的一阶固有振动频率：,21,考虑共振电动力最大值的计算,电动力的振动频率为50Hz和100Hz。导体的固有振动频率低于30Hz或高于160Hz时，约等于1，既不考虑共振影响。,22,第二节电气设备选择的一般条件,23,电气设备选择的一般条件,一、按正常工作条件选择1、额定电压选择,UNUNS（525）,2、额定电流选择,Nmax（526）,3、按当地环境条件校核,要考虑气温、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对电气设备的影响,24,二、按短路情况校验1、短路热稳定校验，校验导体短时发热,电气设备选择的一般条件,2、电动力稳定校验，校验导体的最大受力,（5-28）,（5-29）,25,短路电流计算条件,1、容量和接线：最大运行方式,2、短路种类：一般为三相短路,3、计算短路点：可能通过被选设备的最大短路电流,4、短路计算时间：tk=tprtab,26,表5-3主要电气设备的选择和校验项目,27,第三节母线、电缆和绝缘子的选择,28,一、母线选择,母线选择和校验项目：确定母线的材料、截面形状、布置方式选择母线的截面积校验母线的热稳定和动稳定对重要的和大电流的母线，要共振校验对110及以上的母线进行电晕校验,29,一、母线选择,（一）母线的材料、截面形状、布置方式,1.母线的材料：常用的母线材料有铜、铝和铝合金三种,2.母线的结构：硬裸母线的截面形状有矩形、槽形和管形。矩形母线散热条件好,易于安装与连接,但集肤效应系数大。槽形母线通常是双槽形一起用,载流量大,集肤效应小,用于电压等级不超过35kV,电流不超过8000A的回路中。管形母线的集肤效应最小,机械强度最大,还可以采用管内通水或通风的冷却措施,30,3.母线的布置形式,一、母线选择,31,槽形形母线的布置形式,32,一、母线选择,（二）母线截面积选择,方法：1.按最大长期工作电流选择,用于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。2.按经济电流密度选择,用于年利用小时数高而且长度较长负荷大回路的导线。,33,按最大长期工作电流选择保证母线正常工作时的温度不超过允许温度,（5-32）,母线实际允许载流量与周围环境温度及母线的布置方式有关，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，即引入温度修正系数k。,34,2.按经济电流密度选择导体通过电流时,会产生电能损耗。把投资择算到每年费用,加上年损耗费为年计算费用,使年计算费用最小的截面为经济截面Se,J为经济密度,与年最大负荷利用小时数有关。,（5-32）,（5-34）,选出的导体还要按按最大长期工作电流校验,35,一、母线选择,（三）母线的热稳定校验,方法：计算满足短时发热要求的最小截面积,只要选择的导体截面积大于此面积,就满足热稳定要求.,(5-35),只要SSmin就满足热稳定要求,36,一、母线选择,（四）硬母线的动稳定校验,方法：校验导体受到电动力时，电动力产生的计算应力与导体材料允许应力的比较，当计算应力小于材料允许应力时，动稳定满足。,(5-39),37,一、母线选择,（四）硬母线的动稳定校验,1、每相为单条矩形母线的应力计算,(5-37),(5-38),W=bh2/6,W=b2h/6,38,一、母线选择,就需要采用一定的措施: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或增大母线截面积,若不满足公式:,计算满足动稳定要求的最大绝缘子跨距,39,一、母线选择,（四）硬母线的动稳定校验,1、每相为多条矩形母线的应力计算,图5-8两条矩形母线衬垫布置,40,一、母线选择,（四）硬母线的动稳定校验,1、每相为多条矩形母线的应力计算,计算思路:每相由多条矩形母线组成,作用在每条导体上总的最大计算应力由相间应力和同相不同条间的应力组成,应分别计算相间应力和条间应力,再进行相加,不能超过材料的允许应力,相间应力的计算方法同每相单条导体情况,只是截面系数W不同。,41,条间应力的计算,计算条间应力时，主要是计算条间单位长度的受力，要注意同相母线条间的形状系数、电流的分配及电流方向。,每相两条矩形导体，可认为相电流在两条母线之间平均分配，而且条间距离为2倍的b值。,每相三条矩形导体，可认为电流分布为中间条为20%，两边条分别为40%。,其他计算方法同相间应力计算，截面系数一定为W=b2h/6,42,二、电力电缆选择,电力电缆选择和校验项目：电缆芯线材料及型号额定电压截面选择允许电压降校验热稳定校验。,43,二、电力电缆选择,（一）电缆芯线材料及型号选择,高温场所宜用耐热电缆,重要直流回路宜选用阻燃型电缆,直埋地下一般选用钢带铠装电缆,潮湿或腐蚀地区应选用塑料护套电缆,敷设在高差大的地点，应采用不滴流或塑料电缆,电缆的型号很多，应根据其用途、敷设方式和使用条件进行选择,电缆芯线有铜芯和铝芯，国内工程一般选用铝芯电缆,44,二、电力电缆选择,电缆的额定电压应大于等于所在电网的额定电压,（二）电缆额定电压选择,（5-47）,45,二、电力电缆选择,电力电缆截面一般按长期发热允许电流选择，当电缆的最大负荷利用小时Tmax=5000小时，且长度超过20m时，则应按经济电流密度选择。电缆截面选择方法与裸导体基本相同，只是修正系数多考虑一些。,（三）电缆截面积选择,K1、K2为空气中多根电缆并列和穿管敷设时的修正系数,K3为直埋电缆因土壤热阻不同的修正系数,K4为土壤中多根并列修正系数,46,二、电力电缆选择,（四）电缆允许电压损失校验,47,三、支柱绝缘子和穿墙套管的选择,48,三、支柱绝缘子和穿墙套管的选择,支柱绝缘子选择项目：类型和额定电压选择短路时动稳定校验,穿墙套管选择项目：类型、额定电压和额定电流选择短路条件校验热稳定短路条件校验动稳定。,49,第四节高压电器的选择选择,50,一、高压断路器的原理与选择,高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，它的作用在正常情况下接通或断开电路，在系统发生故障时自动地迅速地断开故障电路。断路器能完成以上功能是因为断路器有完善的灭弧装置，能够熄灭在开断电路时所产生的电弧。断路器是功能最完善、任务最繁重、结构最复杂、价格也最昂贵的开关电器。,51,高压断路器,油断路器：S为少油、D为多油,压缩空气断路器：K,六氟化硫断路器：L,真空断路器：Z,52,高压断路器,高压断路器选择和校验项目：选择型式：选择额定电压：UNUNS选择额定电流：INImax校验开断能力：INbrI校验热稳定：It2*tQK校验动稳定：iesish,53,二、高压隔离开关的原理与选择,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,隔离开关没有灭弧装置，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。,作用：,隔离电压:用隔离开关将被检修的设备与电源电压隔离,倒闸操作:常用隔离开关配合断路器，协同操作来完成,分、合小电流路器：,54,高压隔离开关,55,高压隔离开关,高压隔离开关选择和校验项目：选择型式：选择额定电压：UNUNS选择额定电流：INImax校验热稳定：It2*tQK校验动稳定：iesish,56,三、高压熔断器的原理与选择,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,熔断器是最简单的保护电器，它用来保护电气设备免受过载和短路电流的损害,作用：,隔离电压:用隔离开关将被检修的设备与电源电压隔离,倒闸操作:常用隔离开关配合断路器，协同操作来完成,分、合小电流路器：,57,高压熔断器,高压熔断器选择和校验项目：选择型式：选择额定电压：UNUNS选择额定电流：INImax,校验开断能力：INbrI,58,四、电流互感器的原理与选择,电流互感器是一种特殊的变压器，它正常工作在接近短路状态，为仪用变流器,作用：,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、系列化、标准化,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，从而保证二次设备及运行人员的安全,使二次系统脱离一次系统成为独立的系统；使测量和保护装置脱离一次设备构成集中的装置,59,电流互感器,由一、二次绕组及铁芯构成,其一次绕组的匝数N1很少,一般只有一匝或几匝,串在一次主回路中,而二次绕组的匝数N2较多,且与阻抗值很小的电流型负载如电流表线圈、继电器电流线圈及电度表电流线圈等串接。一次绕组电流由一次主回路决定,不受二次回路的影响;二次电流则主要决定于一次绕组的电流,但也受负载阻抗的影响。因为负载阻抗值很小,电流互感器的正常工作状态近似于变压器的短路状态，,60,电流互感器,电流互感器注意事项：二次侧绕组严禁开路:运行中的电流互感器一旦其二次回路开路,F2则为零,故有F1=F0,一次侧电流磁势全部用作激磁,在二次侧感应出很高的电压,对工作人员的安全构成威胁;还可能造成二次回路的绝缘击穿,甚至引发火灾,很大的激磁磁势作用在铁芯中,将使铁芯过度饱和而导致严重发热,使互感器烧坏.二次侧绕组要接地注意接线极性,61,电流互感器的误差与准确度级,电流误差：,相角误差：,二次电流转过180后一次电流所夹的角度即为相位误差。,电流互感器的准确级：为电流互感器的最大允许电流误差的百分值。,62,表5-14电流互感器准确级和误差限值,63,电流互感器的接线,64,电流互感器的选择,高压熔断器选择和校验项目：结构类型选择额定电压选择:UNUNS额定电流的选择:INImax电流互感器准确级和额定容量的选择热稳定和动稳定校验,65,五、电压互感器的原理与选择,电压互感器也是一种特殊的变压器，它正常工作在接近空载状态，为仪用变压器.,作用：,将一次侧的高电压变为二次侧的标准化低电压（100V），以便于测量仪表及继电器的小型化、系列化、标准化,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，从而保证二次设备及运行人员的安全,使二次系统脱离一次系统成为独立的系统；使测量和保护装置脱离一次设备构成集中的装置,66,电压互感器,由一、二次绕组及铁芯构成,其一次绕组的匝数N1很多,并在一次主回路中,而二次绕组的匝数N2较少,二次侧并联接入测量仪表和继电器的电压线圈其阻抗非常大，故所带负荷很小，致使电压互感器正常工作时接近变压器的空载状态。,67,电压互感器,电流互感器注意事项：二次侧绕组严禁短路:电压互感器的一、二次电压有基本固定的倍数关系，但它是以二次负载接近空载为条件。过大的负载引起绕组过热；在极端情况下，若二次侧发生短路，电压互感器二次侧将感应大电流，可能使电压互感器被烧毁二次侧绕组要接地注意接线极性,68,电压互感器的误差与准确度级,电压互感器的准确级就是在二次负荷从额定值锝.251，COS2=0.8和一次电压不超过额定值的0.91.1时电压误差的最大限值的百分数。,电压误差或比差：,相角误差：,相位差为旋转180的二次电压相量-与一次电压之间的夹角.超前于时为正,反之，为负。,69,表5-14电压互感器准确级和误差限值,70,电压互感器的接线,71,电压互感器的选择,高压熔断器选择和校验项目：结构类型选择额定电压选择:电流互感器准确级和额定容量的选择,72,第五节低压电器的选择选择,73,低压开关电器按作用大体上也可分为隔离电源的开关、投切负荷电流的开关、保护电器以及多功能的断路器。在低压电路中，隔离电源容易实现也便于判明，不必如高压电路那样要求有明显可见的断口。低压灭弧装置也较简单易行，常做成隔离电源和投切一定的负荷电流相结合的连接电源开关，如带消弧罩的闸刀开关、组合开关和负荷开关。在低压用电设备中有大量的感应电动机，不但启动电流大且有频繁启动和自动控制等要求，一般用交流接触器或磁力起动器。,低压电器的原理,74,二低压电器的选择,低压电器的选择与高压电器选择无原则上的区别。高压设备的长期与短时发热及电动力计算的基本理论同样适用于低压电器，一般选择也基本相同。,75,二低压电器的选择,低压电器的特点有：（1）低压电器控制的负荷多是直接起动的感应式电动机，起动电流大，且常有频繁操作、自动控制和就地操作试机等要求。（2）低压网络短路电流大，但设备结构尺寸小，特别是操作类的电器都有满足操作频繁、轻便等要求。当难以从制造上达到完全的动、热稳定时，允许用“保安电流”替代。（3）低压网络，保护的选择性、灵敏性和快速性等要求由熔断器和自动开关的有关参数选择来满足。（4）低压网络结构比较简单，通常都由小容量配电变压器供电，其短路电流限制在一定的范围，具有较强的界限性；充分利用这些特点可以简化低压电器的选择，减少选择,76,第六节发电厂和变电所主变压器的选择,77,一变压器容量、台数的确定原则,主变压器的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。它的确定除依据传递容量基本原始资料外，还应根据电力系统510年发展规划、输送功率大小、馈线回路数、电压等级已经接入系统的紧密程度等因素，进行综合分析和合理选择。,78,单元接线时变压器容量应按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度来确定。采用扩大单元接线时，应尽可能采用分裂绕组变压器，其容量亦应按单元接线的计算原则算出的两台机容量之和来确定。,（一）单元接线的主变压器容量的确定原则,79,（二）具有发电机电压母线接线的主变压器容量的确定原则,1.当发电机全部投入运行时,在满足发电机电压供电的日最小负荷,并扣除厂用负荷后,主变压器应能将发电机电压母线上的剩余有功和无功容量送入系统。2.当接在发电机电压母线上的最大一台机组检修或故障时,主变压器应能从电力系统倒送功率,保证发电机电压母线上最大负荷的需要。3.若发电机电压母线上接有两台或以上的主变压器时，当其中容量最大的一台因故推出运行时，其它主变压器在允许正常过负荷范围内，应能输送母线剩余功率的70%以上；4.对水电比重较大的系统，由于经济运行之要求，应充分利用水能。在丰水期，有时可能停用火电厂的部分或全部机组。此时，火电厂主变压器应具有从系统倒送功率的能力，以满足发电机电压母线上最大负荷的要求。,80,（三）连接两种升高电压母线的联络变压器容量的确定原则,1.联络变压器容量应能满足两种电压网络在各种不同运行方式下，网络间的有功功率和无功功率交换。2.联络变压器容量一般不应小于接在两种电压母线上最大一台机组的容量，以保证最大一台机组故障或检修时，通过联络变压器来满足本侧负荷的要求；同时。也可在线路检修或故障时，通