8-交流与直流牵引变电所设计.ppt

交流与直流牵引变电所设计 第1节概述变电所设计涉及的主要内容是变电所高压设备的选择 一般按照以下步骤进行 选择供变电工程的主结线 根据设备的工作正常条件对设备进行初步选择 如额定电压 额定电流 最大工作电流 户内还是户外等 根据设备工作的异常工作条件对设备进行校验 如根据短路电流进行热稳定校验和动稳定校验 根据过电压进行耐压水平校验等 如果校验通过 则所选设备可以正常工作 否则要重新选择 注意在选择设备时要注意工程的经济性 在完成高压设备的选择设计后 进行配电装置的设计 绘出平面布置图和断面图 完成配电装置的设计后 进行防雷系统的设计 在完成一次系统的设计后 分别二次系统的控制 测量和保护部分进行设计 完成对二次设备的选择和校验 绘出二次系统展开图 对交流电源和直流电源系统进行设计 上述步骤仅仅是一个一般性的流程 在实际设计中 可能存在某些步骤的反复 对于具体的高压设备来说 设计可归结为 选择 校验 如果校验通过 则选择合格 否则重新选择 在校验 对设备的选择依据通常是工作的正常条件 对设备的检验依据通常是设备工作的异常条件 针对对设备校验 主要从发热和受力两个方面考虑 第2节电器与载流导体的发热和负载能力1 电器与载流导体正常工作下的发热容许温度电器或载流导体中流过的电流将导致其发热 发热的结果可能引起 发热导致金属材料的机械强度下降 发热导致电器设备的绝缘热老化 发热导致电能损耗增加 大电流甚至会烧毁电器 如导体之间的连接处 为了防止出现以上情况 在电器与载流导体的选择时 要根据负荷电流选择电器的额定电流 根据经济电流密度计算并选择导线截面 2 电器和载流导体在正常工作容许发热下的过载能力发热导致的温度升高 分两种情况 一种是长期发热 另一种是短期发热 导体的散热形式有 传导 辐射和对流 无论是何种发热情况 其热平衡方程式都是 发热量 散热量 导致温度升高所需要的热量 即 热源有 电流流过导体所产生的热量 涡流损耗产生的热量 介质损耗产生的热量等 焦耳 导体温度升高所吸收的热量 G 导体质量 公斤 C 导体比热 焦耳 公斤 散热 对于暴露在空气中导体 考虑其散热形式为辐射 K 散热系数 W 平方米 S 散热有效面积 导体温升 注意 温度与温升的差别 上式的解为 其中 为稳态温升 为温度变化时间常数 上式与一阶电路的解具有相似的意义 当发热量与散热量相等时 导体的最终温度将稳定下来 比热 散热系数等可以通过查手册获得 当导线电流减小后 导线温度下降 因此导线的冷却时的温度变化量 对于裸导线 导线电阻为R 导线的最终容许温度为 则导体的容许电流为 设计中采用的导线材料 导线安装方式 导线的运行环境等 对于导线的容许电流有很大的影响 导线的发热和散热计算是很复杂的 因此 按自然冷却条件 环境温度25 导体最高温度70 计算和编制了标准截面导线的长期允许电流表 供设计时查用 所以在设计时 对这中情况 一般就是查表 上面的温升计算结果是在导线中电流稳定的情况下获得 由于导线中流过的电流不是一个恒定值 因此导致导线发热计算的复杂化 通常的做法是根据等效发热原则 把日负荷曲线分成若干段 视曲线的形状定 每段曲线中把最大负荷段单独划分出来 把剩下部分根据持续平均电流产生的热量与除最大负荷电流外负荷产生的热量相等的原则 可以计算出等效持续平均 电流 则导线温升曲线计算就是其温度上升 然后下降 再上升 在下降 最终找出导线的最高温升 1 计算最大负荷系数 周期内平均电流值 周期内最大电流值 2 计算电流过载系数t 一周期时间 最大负荷电流持续时间 如果 1 则说明该设备可以过负荷运行 该设备的最大允许工作电流为 以上计算的允许工作电流在进行导线和开关选择的时候会用到 第3节短路电流通过导体时的发热和电动力计算1 载流导体短路时的发热计算上面在进行导线温升计算时 并没有考虑一旦出现短路的情况 在导线中流过短路电流时 由于短路发生到消失过程很短暂 因此 可以认为 短路电流产生的热量几乎无法散发到大气中 也就是说 短路电流产生的热量全部为导线吸收 短路电流引起的导体发热 可以不考虑发热过程中的散热 因此导体温度与短路电流产生热量之间的关系为 具体推导过程略 分别为短路电流周期分量和非周期分量引起的热效应 分别为短路起始和终了时的 热脉冲 2 短路电流周期分量和非周期分量热效应的计算从前面的分析 不难知道 短路电流发热可以分为两部分 一部分是短路电流周期分量的热效应 另一部分是非周期分量的热效应 按理我们可以分别计算出短路电流和非周期分量短路电流的热效应后 获得短路电流的热效应 但是 实际上这是不可能的 因为短路电流是时间的函数 而且是非线性函数 当然 通过对短路电流函数的积分来获得结果 不过积分值的计算也不是一件容易的事 对于一条给定的曲线 我们当然可以实现其积分计算 但对于一条不是确定的曲线 则积分结果会存在误差 从工程实践的角度出发 对积分的结果精度也没有过高的要求 因此 实际上积分结果通常用若干时间点上的值通过数值计算的方法获得 显然 在工程应用中 如果采取上述计算方法 则计算过程将会比较复杂 等值时间法计算导体的发热是一个简捷而有效的方法 由前述内容可知 导体发热温度计算实际上归结为短路电流在某一时间段上导体发热量的计算问题 等值时间法计算热效应的思想是 用于计算热效应的电流是短路电流的稳态值 相应的短路电流周期分量发热时间和短路非周期分量的发热时间不取以实际短路电流通过时间 而是分别以和来代替 从而有 计算出暂态短路电流周期分量与稳态短路电流之比 由周期分量等值时间曲线可以查出 从而计算出 如果短路时间最大给出了5秒 如果大于5秒 则 查曲线时 需要知道短路持续 时间 这个时间可取为被保护设备的继电保护最慢动作时间和开关的固有动作时间之和 对于短路电流非周期分量热效应 一般情况下取 3 短路电流作用下母线电动力的计算当导线中有电流通过时 在导线周围就会产生一个磁场 如果附近存在导线且导线中流过电流 则该导线将受力 电动力 对于空气中两平行细导线 中心间距为a 导线长度为l 有 牛上式成立的前提条件是导线为细长导线 否则就要引进修正系数 该修正系数可以通过差别获得 在三相交流电路中 流过导线的是交流电流 各相导线所受到的电动力是不同的 且每时刻的电动力也是不同的 如果三相导线平放在同一平面中 则中间导线所承受的电动力最大 上式的最大值为 上式就是计算导体承受短路电流时电动力的依据 第4节选择电气设备时短路计算点的确定在进行变电所电器设备选择时 需要对电器设备进行热稳定和动稳定校验 进行上述校验的数据来源于短路电流计算的结果 因此在进行上述校验前 要进行短路计算 就必须首先确定假想短路点 把可能出现的最大短路电流计算出来 因此计算短路电流的条件是最大运行方式下的最大短路电流 我们知道 在最大运行方式 可能投运的发电机投入运行 可能出现的变压器并联运行方式 可能出现的输电线路并联运行方式和可能出现的母线运行方式 的条件下 可能出现最大短路电流的短路故障 方式有三相短路和两相短路 如果变电所与电源之间的电气距离较远 就取三相短路电流 在进行短路电流计算时 根据不同的用途分别计算出不同时间的短路电流 通常在末端变电所的短路计算时 给出的条件是变电所入口处的短路容量 实际上 这个短路容量对应着一个短路电抗 在选择短路点时 要考虑到设备可能受到的最大短路电流的影响 短路电流计算时 需要考虑系统是作为无穷大容量电源出现还是有限容量电源出现 关于短路电流计算的方法 可参照电力系统分析课程的有关章节 内容 第5节母线 电缆与支持绝缘子的选择 变电所主要一次设备 断路器 隔离开关 母线 导线 电缆 绝缘子 电流互感器 电压互感器 避雷器 电抗器等 本课程主要地设计变电所一次设备的选择和校验问题 在进行变电所设计时 大量的数据来源于 电力工程设计手册 这一类的资料 一般来说 根据设备的运行地点 环境 正常工作电压和电流 含可能出现的过负荷情况 等初步确定选用的设备型号 根据短路计算参数对所初步选定的设备进行校验 如果校验通过 则所选设备合格 否则就要调整选择 对调整后的设备再校验 直至合格 如果没有办法在现有设备中选出合格的 则要采取技术措施确保选择设备合格 如加限流设备 通常根据短路参数校验的项目 对于不同的设备有所差别 主要校验项目有 动稳定 在短路电流引起的电动力作用下 设备不会受到损坏 和热稳定 短路电流发热不会造成设备的损坏 通常 对于载流设备 如开关 母线 需要进行热稳定校验 对于需要承受短路电流引起的电动力的设备 如绝缘子 开关 需要进行动稳定校验 有些设备只要进行上述两种校验之一 如绝缘子 而有些设备则两种校验都要进行 如开关 除了上述两种校验项目之外 其它的一些校验项目则与具体的设备有关 如互感器的容量校验 母线和电缆的选择是根据不同的工作条件确定 设计内容有 母线和电缆的导电截面积 母线和电缆的结构形式和材料 确定后进行动稳定校验和热稳定校验 母线的选择母线一般有硬母线和软母线 前者多用于屋内配电装置 后者在屋外配电装置中常用 导电材料可以是铜或铝 按最大长期工作电流选择母线截面要求根据导线允许温度查表获得的允许电流大于母线长期工作电流 即 查表获得的数据是在标准环境温度 25 下的数据 当环境温度高与该温度不一致时 通过下式修正 式中 或通过查表获得 实际计算时 可首先修正长期工作电流 即 按经济电流密度选择母线截面导线发热损耗随着导线截面积的增加而降低 同时 导线截面积的增加将导致导线的投资和维护费用增加 考虑上述两条件可获得导线的年运行费用 对应年运行费用最小值 就是导线的经济截面积 每种材料的导线都有一个经济电流密度 根据最大负荷利用小时数 由导线的长期工作电流除以经济电流密度就可以获得导线的经济截面积 即 式中 为导线长期工作电流 A 为经济电流密度 A 故导线截面的选择有两种方法 根据最大长期工作电流 根据经济电流密度 根据经济电流密度选择导线的实际流程 一般来说 选择导线时 首先确定导线材料 一般是先铝后铜 在铝导线不能满足要求时才考虑铜导线 根据 最大负荷利用小时数和导线材料确定经济电流密度 查表 计算出导线截面 查表 选择一款比计算截面大但最接近计算截面的导线 根据最大长期工作电流选择导线的实际流程 根据给出的最大长期工作电流 查表 取一款允许电流大于该长期工作电流且最接近该电流的导线 注意进行环境温度修正 根据经济电流密度选择的导线可能与根据最大长期工作电流选择的导线不一样 但最终选择的导线截面一定能满足最大长期工作电流的要求 一般情况下 用经济电流密度选择出来的导线截面要大一些 实际上 按经济电流密度选择导线截面积的方法多用于输电线路而非母线 母线通常按照最大长期工作电流来选择其截面积 母线的校验按短路条件校验母线的热稳定性母线的最小容许截面为 式中的C值可根据导线材料 短路发生的起始温度通过查表获得 在这里提一点看法 在进行设计的时候 有很多参数我们不见得完全知道 如上面提到的短路 发生时导线起始温度 肯定是在环境温度的基础上加上一个温差 这个温差取多少就与工作经验有关了 按短路条件校验母线的机械稳定性分别对屋内和屋外两种条件进行校验 1 屋内安装的母线屋内母线为硬母线 导线的截面形状以矩形居多 一般屋内配电装置的电压等级较低 因此电流较大 为避免趋肤效应引起导线电阻增大而选矩形 屋内配电装置的导线从屋外引进时 需要通过 墙体 在墙体中的导线用穿墙套管防护 而在屋内 导线则需要用支持绝缘子固定 因此 对于屋内安装的母线来说 在短路电流产生的电动力作用下 母线不会产生变形是进行机械稳定性校验的目标 对于跨距数大于2 对母线的支持点多于3 母线的最大弯距为 N M 牛米 如果跨距数等于2 则母线的最大弯距为 对于截面积为W的母线 最大计算应力为 Pa 对于水平放置的母线 有 对于垂直放置的母线 有计算出导线的最大应力后 根据材料不同 查得导线的允许应力 应该有 如果不满足要求 可以有两个调整方法 一是重新选择能满足要求的导线截面积 形状和导线放置方式 或者是改变支持绝缘子的位置 不过一般尽量不要采用增大导线截面的方法 以上介绍的是矩形母线的应力计算 对于如槽型母线 应力的计算要复杂一些 这方面内容 大家可以在课后自学 2 屋外安装的母线屋外安装的母线和屋内安装的母线 在动稳定校验上存在一定的差别 前者一般使用软母线 多股导线 如钢芯铝绞线 而后者则一般使用硬母线 在安装方式上也存在着差别 同时 自然环境的差别也是原因之一 其余略 通过上面讨论的母线选择 校验计算方法 可以总结出来在一次设备的选择校验设计中需要关注的问题 该设备需要进行哪些选择项目的计算 进行哪些校验项目的计算 如果直接选择不到设备该如何处理 如果校验通不过该如何处理 存在多个选 择依据时 如何给这些依据排个先后顺序 某些校验项目通不过时 该采取何种技术手段解决 等 下面 我们通过计算例子来演示前面讨论的内容 例 某变电站 电源进线的最大电流为1100A 最大负荷利用小时为3200小时 年 继电保护动作时间为0 1秒 断路器动作时间为0 2秒 环境温度35 母线水平放置 选择母线并校验其热稳定 要求选择铝母线 解 1 选择 计算出温度修正系数为 把长期最大工作电流修正为 查表 选择的导线为LMY型单条硬母线 母线截面积为 允许载流量为1361A 根据最大负荷利用小时数3200小时 年和选择铝母线的要求 查表得到 则母线计算截面积为 因此 选用LMY型单条硬铝母线 母线截面积为 因为环境温度不等于25 因此计算修正系数为 查表得到所选择的母线长期允许载流量为1674A 但该数据是环境温度为25 的数值 因此修正为 经过修正后的长期允许载流量依然大于1100A 说明选择LMY 母线正确 实际工程设计中 选择的母线应该为LMY 单条硬铝母线 通过上面计算我们也可以看出 一般情况下 采用经济电流密度选择出来的母线截面积要大一些 实际上 本计算例题已经考虑到同学们在进行导线 如电缆或输电线路 截面选择方面的计算 2 热稳定校验短路存在时间为0 3秒 应考虑非周期分量的影响 查图6 8得 秒 按起始温度为40 取C值有 小于母线截面积 因此选择合格 由该热稳定校验计算结果也可以看出 上面两种导线截面积计算出来的结果都能满足要求 例 同上例 三相母线的中心距离为40cm 支持绝缘子间距为100cm 跨数大于2 进行动稳定校验 解 取冲击电流为 因此三相短路时的相间电动力为 N前例选择的导线截面为 母线水平放置 因此抗弯摸量为 母线的计算应力为 Pa查表知 铝母线的允许应力为Pa 因此母线的计算应力小于允许应力 校验合格 电力电缆的构造及其选择电力电缆的构造电力电缆一般由导电芯线 绝缘层和防护层构成 导电芯线可以是单股导线 也可以是多股导线 导电材料多是铜或铝 其截面以圆形和扇形居多 绝缘层用于导体之间的绝缘保护 以绝缘纸居多 防护层分内防护层和外防护层 内防护层的作 用在于防止绝缘受潮和有害物质的侵害 如酸性物质 碱性物质等 外防护层主要作用是防止电缆的机械损伤 内防护层主要由橡胶等材料做成 外防护层主要由金属材料做成 又称铠装 大家可以通过书上的示意图了解电力电缆的构造 电力电缆的选择选择电力电缆时 首先要根据用途 电缆埋设环境 电压等级等初步选定电缆类型 在选定电缆类型后 进行电缆缆芯截面的选择 电力电缆的缆芯截面根据最大容许电流或经济电流密度选定 电缆截面的选择 电缆动稳定校验及热稳定校验与母线有关的计算相同 注意查表的差别 支持绝缘子及穿墙套管的选择母线架设需要支持绝缘子 导线从屋外引进或引出到屋内需要穿墙套管 对于穿墙套管 由于导线穿过其中 故其导体必须按照长期最大工作电流选择 同样 其校验方法与母线的校验方法相同 而支持绝缘子则需校验动稳定 按电压选择要求绝缘子和穿墙套管的工作电压小于其允许最大电压 户外安装的绝缘子需要进行爬距校验 按最大长期工作电流选择绝缘套管 对于穿墙套管 其额定电流必须大于其长期工作电流 当环境温度超过40 时 必须进行修正 按短路时热稳定性校验穿墙套管对于穿墙套管 有 按短路时机械稳定性校验机械强度穿墙套管在受力情况方面与支持绝缘子相似 其受力计算公式为 N式中 a为绝缘子的中心距 和分别为计算绝缘子与其两侧绝缘子之间的距离 对于穿墙套管 取 考虑一定的裕度 则 例 某变电站屋内配电装置 母线水平置 选择母线支持绝缘子 绝缘子之间距离相等 绝缘子之间距离1 2米 相间距离0 7米 冲击系数取1 8 解 冲击电流为 支持绝缘子上母线的电动力为 N取安全系数为1 67 则 因此选择支持绝缘子为 ZA 10Y母线水平放置 无需对力臂的不同进行归算 选择ZA 10T的同学也算对 某变电站屋内配电装置 母线水平放置 已经选择穿墙套管CLB 10 600 绝缘子之间距离相等 绝缘子之间距离1 2米 相间距离0 7米 冲击系数取1 8 对该选择的穿墙套管进行动稳定校验 解 冲击电流为 支持绝缘子上母线的电动力为 N 穿墙套管承受的电动力为 N查CLB 10 600的破坏荷重为7500N 因此有 满足要求 第6节开关设备的选择 通过前面内容的学习 我们可以初步地了解了变电所高压设备的设计流程 步骤和方法 1 高压断路器的选择断路器种类 形式的选择目前一般使用的断路器类型有 少油断路器 真空断路器 SF6断路器 要根据使用场合和用途选择断路器类型 少油断路器属于通用产品 如果没有特殊要求 一般选少油断路器 真空断路器分合闸时间短 允许动作次数多 一般频繁操作和对动作时间有特殊要求的场合使用 SF6断路器绝缘性能 好 一般用于高压系统中 声明 低压系统 中压系统和高压系统的区分 断路器额定电压 额定电流选择断路器的额定电压应按照断路器安装地点的工作电压考虑 额定电流要大于断路器长期流过的最大电流 短路电流除外 应满足以下条件 且按开断电流或断路器断流容量选择断路器的额定开断电流要求大于短路电流 取何时间短路电流则要看保护的动作时间 对于快速分闸开关 如真空开关 可以取短路的次暂态电流为选择用短路电流 对于其它开关 则根据保护的最短动作时间加上开关的固有分闸时间作为计算短路电流的时间 如果没有保护动作时间的资料 一般可按照0 03 0 05秒计 如果没有断路器的固有分闸时间参数 一般可按照真空短路器 取0 05秒 其它断路器取0 1 0 15秒 高压开关的额定开断电流或额定断流容量应满足 或 2 高压断路器的校验开断电流要求 为断路器额定开断电流 为第t秒短路电流 这个时间由两部分组成 开关固有分闸时间 继电保护动作时间 当短路发生后约0 1秒 一般来说 短路电流的非周期分量就已经衰减完毕 可直接取短路电流的周期分量计算 热稳定校验 要求 是开关厂家给出t秒的热稳定电流 为短路稳态电流 为短路电流等值时间 对应着短路电流周期分量发热的等值时间 对应着短路电流非周期分量发热的等值时间 可以通过查表获得 也可以根据以下公式进行热稳定校验 短路电流周期分量和非周期分量的发热计算 参见书上P233处 为故障切除时间 工程应用中 一般使用前一种方法 动稳定校验动稳定校验要求 值有开关参数查得 如SN10 10I的 SN10 10II的 3 高压熔断器的选择按额定电压选择同断路器 按熔管和熔体额定电流选择要求熔管的额定电流 熔件的额定电流 电路的最大长期工作电流 一般取 熔件额定电流 可靠系数 负荷最大工作电流 4 高压熔断器校验开断电流校验分两种情况处理 对于无限流作用的熔断器 可按其额定开断电流大于等于最大冲击电流有效值校验 否则按照额定开断电流大于等于短路起始周期分量来校验 一般产品目录中给出熔断器在其额定电压下的极限开断电流 可换算成在电网电压下的极限开断电流 额定电压下极限开断电流 额定电压与电网电压的比值 熔断器选择性配合的校验熔断器熔断时间与流过的电流之间的关系为熔体的安 秒特性 如果存在多级熔断器 就必须校验熔断器之间的熔断选择性 如果存在线路保护 也要与保护进行配合 选择 性 5 负荷开关与隔离开关的选择及校验与高压断路器计算相似 无需校验断流容量或开断短路电流 例 10千伏馈线短路器 线路工作电流350安 线路上过电流保护动作时间2秒 馈线出口三相短路电流值为 开关工作地点 户内配电装置 1 选择该断路器型号 2 对断路器进行热稳定校验 3 对断路器进行动稳定校验 解 1 根据断路器的工作环境 电网电压等级 线路工作电流和 初步选择断路器型号为 SN10 10I 该断路器参数如下 断路器固有分闸时间0 05秒 2 热稳定校验短路电流持续时间 2 0 05 2 05秒因此由教科书图6 8查得 秒所以 合格 3 由 可知 合格 例 10千伏馈线隔离开关 线路工作电流350安 线路上过电流保护动作时间2秒 馈线出口三相短路电流为 开关工作地点 户内配电装置 1 选择该隔离开关型号 2 对隔离开关进行热稳定校验 3 对隔离开关进行热稳定校验 解 1 根据隔离开关的工作环境 电网电压等级 线路工作电流 初步选择隔离开关型号为 GN6 10T 600 该断路器参数如下 注 如果第一步选择GN6 10T 400 只要在进行动稳定校验后修正为GN6 10T 600也可以 2 热稳定校验短路电流持续时间 2 0 05 2 05秒因此由教科书图6 8查得 秒 所以 合格 4 由 可知 合格 第7节仪用互感器的选择 1 电压互感器的选择电压互感器的选择包含以下内容 额定电压选择一般来说要根据测量监视点的电压等级来确定 要求互感器原边电压满足 副边电压选择与原边接线有关 按工作场所选择户内 户外 按构造选择 采用油浸式普通结构或环氧树脂浇注干式结构 采用串级式电压互感器 精确度等级选择有测量仪表或继电器的形式和用途 确定电压互感器的精确度等级 查表 获得互感器在该精确度下的额定容量 校验用 一般来说 可以根据以下原则确定精确度等级 计量用 接电度表 0 5级 供给监视用电度表 功率表或发电厂的电压继电器 1级 供给监视用电压表 电压继电器 3级 按副边负荷选择要求 即副边负荷的总和小于相应精确度等级对应的额定容量 2 电流互感器的选择按额定电压选择 即电流互感器安装位置的工作电压小于该电流互感器允许的最大工作电压 按额定电流选择即电流互感器安装位置的原边最大长期工