第6章电气设备及导线截面的选择和校验.ppt

第6章供配电设备及导线的选择校验 电气设备选择及检验的一般原则 电力变压器的选择 高低压开关电器的选择及校验 互感器的选择和校验 电力线路的截面选择及检验 小结 6 1 6 5 6 2 6 4 6 3 6 6 6 1电气设备选择及检验的一般原则 3 按最大负荷电流选择电气设备的额定电流 1 按工作环境要求选择电气设备的型号如户内 户外 海拔高度 环境温度 矿山 井 防尘 防爆等 2 按工作电压选择电气设备的额定电压一般电气设备和导线的额定电压应不低于设备安装地点电网的电压 额定电压 即 导体和电气设备的额定电流是指在额定环境温度下长期允许通过的电流 以表示 该电流应不小于通过设备的最大负荷电流 计算电流 即 4 对开关类电气设备还应考虑其断流能力 5 按短路条件校验电气设备的动稳定度和热稳定度 1 热稳定度校验通过短路电流时 导体和电器各部件的发热温度不应超过短时发热最高允许温度值 即 或 设备的最大开断电流 或容量 应不小于安装地点的最大三相短路电流 或短路容量 即 6 5 其中 t tk 0 05 s 当tk 1s时 式中 为设备安装地点的三相短路稳态电流 kA 为短路发热假想时间 又称短路发热等值时间 s tk为实际短路时间 为t秒内允许通过的短路电流值或称t秒热稳定电流 kA 为设备生产厂家给出的设备热稳定计算时间 一般为4秒 5秒 1秒等 和 可查相关的产品手册或产品样书 2 动稳定度校验动稳定 电动力稳定 是指导体和电器承受短路电流机械效应的能力 满足动稳定度的校验条件是 i 6 8 或 6 9 式中 为设备安装地点的三相短路冲击电流峰值 kA 为设备安装地点的三相短路冲击电流有效值 kA i为设备的极限通过电流 或称动稳定电流 峰值 kA 为设备的极限通过电流 或称动稳定电流 有效值 kA i和均可由相关产品的手册或样本中查到 各种类型的电力变压器的不同性能和应用场合的比较 6 2电力变压器的选择 对于户内变压器 由于散热条件较差 从而使其户内的环境温度比户外的温度大约要高8 因此户内变压器的实际容量为 6 2 1电力变压器实际容量的计算 电力变压器的实际容量是指变压器在实际使用条件 包括实际输出的最大负荷和安装地点的环境温度 下 在不影响变压器的规定使用年限 一般为20年 时所能连续输出的最大视在功率 单位是kV A 对于户外安装的变压器 其实际容量为 6 11 1 高压隔离开关的额定电压应大于或等于安装处的线路额定电压 见式6 1 2 高压隔离开关的额定电流应大于通过它的计算电流 见式6 2 3 高压隔离开关的动稳定度校验见式6 9 4 高压隔离开关的热稳定度可按式6 5进行校验 6 3高压开关的选择及校验 6 3 1高压隔离开关的选择及校验 1 高压负荷开关的额定电压应大于或等于安装处线路的额定电压 见式6 1 2 高压负荷开关的额定电流应大于或等于它所安装的热脱扣器的额定电流 见式6 2 3 高压负荷开关的最大开断电流应不小于它可能开断的最大过负荷电流 即 6 10 式中 为高压负荷开关需要开断的线路最大过负荷电流值 4 高压负荷开关的动稳定度可按式 6 6 进行检验 5 高压负荷开关的热稳定度可按式 6 5 进行检验 6 3 2高压负荷开关的选择及校验 1 高压断路器的额定电压应大于或等于安装处的额定电压 见式6 1 2 高压断路器的额定电流应大于通过它的计算电流 见式6 2 3 高压断路器的最大开断电流 或容量 应不小于安装地点的实际开断时间 继电保护实际动作时间加上断路器固有分闸时间 内的最大三相短路电流 或短路容量 见式6 3或6 4 4 高压断路器的动稳定度可按式 6 6 进行检验 5 高压断路器的热稳定度可按式 6 5 进行检验 6 3 3高压断路器的选择及校验 6 4互感器的选择和校验 6 4 1电流互感器的选择与检验 电流互感器的选择与校验主要有以下几个条件 电流互感器额定电压应不低于装设地点线路的额定电压 见式6 1 根据一次侧的负荷计算电流I 选择电流互感器的变流比 根据二次回路的要求选择电流互感器的准确度并校验准确度 校验动稳定度和热稳定度 电流互感器的类型和结构应与实际安装地点的安装条件 环境条件相适应 1 电流互感器变流比的选择 K 6 11 式中 为电流互感器的一次侧额定电流 按式 6 2 进行选择 为二次侧额定电流 一般为5A 2 电流互感器准确度的选择及校验 1 电流互感器准确度等级的选用应根据二次回路所接测量仪表和保护电器对准确度等级的要求而定 准确度选择的原则是 计费计量用的电流互感器其准确度为0 2 0 5级 一般计量用的电流互感器其准确度为1 0 3 0级 保护用的电流互感器 常采用10P准确度级 为保证测量的准确性 电流互感器的准确度等级应不低于所供测量仪表等要求的准确等级 2 额定二次负荷容量的选择为确保准确度误差不超过规定值 一般还需校验电流互感器的二次负荷容量 伏安 即其二次侧所接负荷容量S2不得大于规定的准确度等级所对应的额定二次负荷容量S2N 准确度的校验公式为 S N S2 6 12 电流互感器的二次负荷S2取决于二次回路的阻抗值 可按下式计算 S2 I I RWL RXC 6 13 或S2 Si RWL RCL 6 14 保护用电流互感器满足保护准确度级要求的条件为 Z2 al Z2 6 15 式中 为电流互感器二次侧额定电流 一般为5A 为电流互感器二次侧总阻抗 为二次回路中所有串联的仪表 继电器电流线圈阻抗之和 Si为二次回路中所有串联的仪表 继电器电流线圈的负荷容量之和 均可由相关的产品样本查得 Rwl为电流互感器二次侧连接导线的电阻 RXC为电流互感器二次回路中的接触电阻 一般近似地取0 1 对于保护用电流互感器 其10P准确度级的复合误差限值为10 电流互感器在出厂时一般已给出电流互感器误差为10 时的一次电流倍数K1 即I1 I1N 与最大允许的二次负荷阻抗的关系曲线 简称10 误差曲线 如图6 1所示 图6 1某电流互感器的10 误差曲线 用户可根据一次电流倍数K1 查出相应的允许二次负荷阻抗Z2 al 因此保护用电流互感器满足保护准确度级要求的条件为 Z2 al Z2 6 15 3 电流互感器动稳定度和热稳定度的校验多数电流互感器都给出了对应于额定一次电流的动稳定倍数 和1秒热稳定倍数 因此其动稳定度可按下式校验 6 16 ish 热稳定度可按下式校验 tima 6 17 如电流互感器不满足式 6 12 6 15 6 16 6 17 的要求 则应改选较大变流比或具有较大的S2N或 Z2 al 的电流互感器 或者加大二次侧导线的截面 6 4 2电压互感器的选择 电压互感器的选择应按以下几个条件 电压互感器的类型应与实际安装地点的工作条件及环境条件要适应 电压互感器的一次侧额定电压应不低于装设点线路的额定电压 即 按测量仪表对电压互感器准确度要求选择并校验准确度 6 18 为了确保准确度的误差在规定的范围内 其二次侧所接负荷容量也必须满足式 6 12 不同的只是式中的为电压互感器二次侧所有仪表 继电器电压线圈所消耗的总视在负荷 其计算公式为 6 19 式中 和 分别为所接测量仪表和继电器电压线圈消耗的总有功功率和总无功功率 6 5电力线路的截面选择及检验 6 5 1概述为了保证供配电系统安全 可靠 优质 经济地运行 选择导线和电缆截面时必须满足下列条件 1 发热条件导线和电缆 包括母线 在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的发热温度 不应超过其正常运行时的最高允许温度 2 电压损耗条件导线和电缆在通过正常最大负荷电流即线路计算电流时产生的电压损耗 不应超过正常运行时允许的电压损耗 对于工厂内较短的高压线路 可不进行电压损耗校验 3 经济电流密度35KV及以上的高压线路及电压在35KV以下但长距离 大电流的线路 其导线和电缆截面宜按经济电流密度选择 以使线路的年费用支出最小 所选截面 称为 经济截面 此种选择原则 称为 年费用支出最小 原则 一般工厂和高层建筑内的10KV及以下线路 选择 经济截面 的意义并不大 因此通常不考虑此项条件 4 机械强度导线 包括裸线和绝缘导线 截面不应小于其最小允许截面 见附录表15 5 短路时的动 热稳定度校验和一般电气设备一样 导线也必须具有足够的动稳定度和热稳定度 以保证在短路故障时不会损坏 6 与保护装置的配合导线和安装在其线路上的保护装置 如熔断器 低压断路器等 必须互相配合 才能有效地避免短路电流对线路造成的危害 对于电缆 不必校验其机械强度和短路动稳定度 但需校验短路热稳定度 在工程设计中 根据经验 一般对6 10KV及以下的高压配电线路和低压动力线路 先按发热条件选择导线截面 再校验其电压损耗和机械强度 对35KV及以上的高压输电线路和6 10KV长距离 大电流线路 则先按经济电流密度选择导线截面 再校验其发热条件 电压损耗和机械强度 对低压照明线路 先按电压损耗选择导线截面 再校验发热条件和机械强度 通常按以上顺序进行截面的选择 比较容易满足要求 较少返工 从而减少计算的工作量 6 5 2按发热条件选择导线和电缆的截面 1 三相系统相线截面的选择电流通过导线 包括电缆 母线等 时 由于线路的电阻而会使其发热 当发热超过其允许温度时会使导线接头处的氧化加剧 增大接触电阻而导致进一步的氧化 如此恶性循环会发展到触头烧坏而引起断线 而且绝缘导线和电缆的温度过高时 可使绝缘加速老化甚至损坏 或引起火灾 因此 导线的正常发热温度不得超过附录表17所列的各类线路在额定负荷时的最高允许温度 当在实际工程设计中 通常用导线和电缆的允许载流量不小于通过相线的计算电流来校验其发热条件 即 6 20 导线的允许载流量 是指在规定的环境温度条件下 导线或电缆能够连续承受而不致使其稳定温度超过允许值的最大电流 如果导线敷设地点的实际环境温度与导线允许载流量所规定的环境温度不同时 则导线的允许载流量须乘以温度校正系数K 其计算公式为 K 式中 为导线额定负荷时的最高允许温度 为导线允许载流量所规定的环境温度 为导线敷设地点的实际环境温度 这里所说的 环境温度 是按发热条件选择导线和电缆所采用的特定温度 在室外 环境温度一般取当地最热月平均最高气温 在室内 则取当地最热月平均最高气温加5 对土中直埋的电缆 取当地最热月地下0 8 1m的土壤平均温度 亦可近似地采用当地最热月平均气温 按发热条件选择导线所用的计算电流时 对降压变压器高压侧的导线 应取为变压器额定一次电流I 对电容器的引入线 由于电容器放电时有较大的涌流 因此应取为电容器额定电流I 的1 35倍 中性线和保护线截面的选择 1 中性线 N线 截面的选择三相四线制系统中的中性线 要通过系统的三相不平衡电流和零序电流 因此中性线的允许载流量应不小于三相系统的最大不平衡电流 同时应考虑谐波电流的影响 一般三相线路的中性线截面A 应不小于相线截面A的50 即 A 0 5A 6 22 中性线和保护线截面的选择 1 中性线 N线 截面的选择三相四线制系统中的中性线 要通过系统的三相不平衡电流和零序电流 因此中性线的允许载流量应不小于三相系统的最大不平衡电流 同时应考虑谐波电流的影响 例6 6有一条采用BLX 500型铝芯橡皮线明敷的220 380V的TN S线路 计算电流为50A 当地最热月平均最高气温为 30 试按发热条件选择此线路的导线截面 保护线要考虑三相系统发生单相短路故障时单相短路电流通过时的短路热稳定度 根据短路热稳定度的要求 保护线 PE线 的截面A 按GB50054 1995 低压配电设计规范 规定 3 保护中性线 PEN线 截面的选择保护中性线兼有保护线和中性线的双重功能 因此其截面选择应同时满足上述保护线和中性线的要求 并取其中的最大值 1 当A 16mm2时A A 6 25 2 当16mm A 35mm时A 16mm 6 26 3 当A 35mm时A 0 5A 6 27 注 对于电力变压器低压侧截面较大的PE线 亦可按满足热稳定度的条件 即公式 6 45 进行选择或校验 解 此TN S线路为含有N线和PE线的三相四线制线路 因此不仅要选择相线 还要选择中心线和保护线 解 查附录表13 3得25 时5根单芯线穿硬塑料管的BLV 500型截面为25mm2的导线的允许载流量 57A 50A 因此按发热条件 相线截面可选为25mm2 N线截面按A0 0 5A选择 选为16mm2 PE线截面按式 6 26 规定 选为16mm2 穿线的硬塑管内径查表12 3 选为40mm2 选择结果表示为 BLV 500 3 25 1 16 PE16 PC50 其中PC为硬塑管代号 6 5 3按经济电流密度选择导线和电缆的截面 导线 包括电缆 的截面越大 电能损耗就越小 但是线路投资 维修管理费用和有色金属消耗量却要增加 因此从经济方面考虑 导线应选择一个比较合理的截面 既使电能损耗小 又不致过分增加线路投资 维修管理费和和有色金属消耗量 图6 2是年费用C与导线截面A的关系曲线 其中曲线1表示线路的年折旧费 线路投资除以折旧年限之值 和线路的年维修管理费之和与导线截面的关系曲线 曲线2表示线路的年电能损耗费与导线截面的关系曲线 曲线3为曲线1与曲线2的叠加 表示线路的年运行费用 包括线路的年折旧费 维修费 管理费和电能损耗费 与导线截面的关系曲线 由曲线3可知 与年运行费最小值Ca a点 相对应的导线截面A不一定是最经济合理的导经截面 因为a点附近 曲线3比较平坦 如果将导线截面再选小一些 例如选为A b点 年运行费用Cb增加不多 但导线截面即有色金属消耗量却显著地减少 因此从全面的经济效益来考虑 导线截面选为Ab比选Aa更为经济合理 这种从全面的经济效益考虑 使线路的年运行费用接近最小同时又适当考虑有色金属节约的导线截面 称为经济截面 用符号Aec表示 各国根据其具体国情特别是有色金属资源的情况规定了各自的导线和电缆的经济电流密度 所谓经济电流密度是指与经济截面对应的导线电流密度 我国现行的经济电流密度规定如表6 8所列 按经济电流密度jec计算经济截面Aec的公式为 Aec I30 jec 6 28 式中 I30为线路的计算电流 按上式计算出Aec后 应选最接近的标准截面 可取较小的标准截面 然后检验其它条件 2 校验发热条件查附录表12 1得LJ 95的允许载流量 室外25 时 325A 114A 因此满足发热条件 3 校验机械强度查附录表15得10KV架空铝绞线的最小截面Amin 35mm2 A 95mm2 因此所选LJ 95型铝绞线也满足机械强度要求 6 5 4按电压损耗选择导线和电缆的截面 电压损耗 是指线路首端线电压和末端线电压的代数差 为保证供电质量 按规定 高压配电线路 6 10kV 的允许电压损耗不得超过线路额定电压的5 从配电变压器一次侧出口到用电设备受电端的低压输配电线路的电压损耗 一般不超过设备额定电压 220V 380V 的5 对视觉要求较高的照明线路 则不得超过其额定电压的2 3 如果线路的电压损耗超过了允许值 则应适当加大导线或电缆的截面 使之满足允许电压损耗的要求 1 电压损耗的计算公式介绍 1 集中负荷的三相线路电压损耗的计算公式图6 3带有两个集中负荷的三相线路下面以带两个集中负荷的三相线路 图6 3 为例 说明集中负荷的三相线路电压损耗的计算方法 图6 3带有两个集中负荷的三相线路 线路总的电压损耗为 U 6 29 对于 无感 线路 即线路的感抗可省略不计或线路负荷的cos 1 则线路的电压损耗为 在图6 3中 以P1 Q1 P2 Q2表示各段线路的有功功率和无功功率 p1 q1 p2 q2表示各个负荷的有功功率和无功功率 l1 r1 x1 l2 r2 x2表示各段线路的长度 电阻和电抗 L1 R1 X1 L2 R2 X2为线路首端至各负荷点的长度 电阻和电抗 6 30 如果是 均一无感 的线路 即不仅线路的感抗可省略不计或线路负荷的cos 1 而且全线采用同一型号规格的导线 则其电压损耗为 6 31 线路电压损耗的百分值为 6 32 式中 为导线的电导率 A为导线的截面 L为线路首端至负荷p的长度 为线路的所有有功功率矩之和 对于 均一无感 的线路 其电压损耗的百分值为 6 33 式中 是计算系数 见表6 9 注 表中C值是在导线工作温度为50 功率矩M的单位为kW m 导线截面单位为 2时的数值 2 均匀分布负荷的三相线路电压损耗的计算图6 4均匀分布负荷线路的电压损失计算如图6 4所示 对于均匀分布负荷的线路 单位长度线路上的负荷电流为i0 均匀分布负荷产生的电压损耗 相当于全部负荷集中在线路的中点时的电压损耗 因此可用下式计算其电压损耗 图6 4均匀分布负荷线路的电压损失计算 2 按允许电压损耗选择 校验导线截面按允许电压损耗选择导线截面分两种情况 一是各段线路截面相同 二是各段线路截面不同 1 各段线路截面相同时按允许电压损耗选择 校验导线截面一般情况下 当供电线路较短时常采用统一截面的导线 可直接采用公式 6 32 来计算线路的实际电压损耗百分值 然后根据允许电压损耗 来校验其导线截面是否满足电压损耗的条件 2 各段线路截面不同时按允许电压损耗选择 校验导线截面当供电线路较长 为尽可能节约有色金属 常将线路依据负荷大小的不同采用截面不同的几段 在确定各段导线截面时 首先用线路的平均电抗X0 根据导线类型 计算各段线路由无功负荷引起的电压损耗 其次依据全线允许电压损耗确定有功负荷及电阻引起的电压损耗 最后根据有色金属消耗最少的原则 逐级确定每段线路的截面 这种方法比较繁琐 故这里只给出各段线路截面的计算公式 有兴趣的读者可自己查阅相关手册 设全线由n段线路组成 则第j j为整数1 j n 段线路的截面由下式确定 A 6 37 如果各段线路的导线类型与材质相同 只是截面不同 则可按下式计算 A 6 38 6 5 5母线的选择 母线应按下列条件进行选择 对一般汇流母线按持续工作电流选择母线截面 6 39 式中 为汇流母线允许载流量 A 为母线上的计算电流 A 对年平均负荷 传输容量较大的母线 宜按经济电流密度选择其截面 公式同 6 28 硬母线动稳定校验 6 40 式中 为母线材料最大允许应力 Pa 硬铝母线 LMY 70MPa 硬铜母线 TMY 140MPa 为母线短路时三相短路冲击电流产生的最大计算应力 其计算公式为 M W 6 41 式中 M为母线通过ish3时受到