第六章-电气设备的选择.ppt

第六章电气设备选择 第一节电气设备选择的一般条件 第二节敞露母线及电缆的选择 第三节支柱绝缘子和穿墙套管的选择 第四节高压断路器和隔离开关的选择 第五节高压负荷开关和高压熔断器的选择 第六节限流电抗器的选择 第七节互感器的选择 第一节电气设备选择的一般条件 要保证电气设备可靠地工作 必须按正常工作条件进行选择 并按短路情况进行校验 1 额定电压选择 正常电压要求是 电气设备所在回路的最高运行电压不得高于电气设备的允许最高工作电压 由于电气设备的允许最高工作电压为其额定电压的UN的1 1 1 15倍 而电网电压正常波动引起的最高运行电压不超过电网额定电压UNs的1 1倍 一般可以按电气设备的额定电压UN不得低于其所在电网的额定电压UNs的条件来选择电气设备 即 UN UNs 一 按正常工作条件选择 6 2 注意 海拔影响电气设备的绝缘性能 随装设地点海拔的增加 空气密度和湿度相应减小 使得电气设备外部空气间隙和固体绝缘外表面的放电特性降低 电气设备允许的最高工作电压减小 对海拔超过1000m的地区 一般应选用高原型产品或外绝缘提高一级的产品 对于现有110kV及以下大多数电器的外绝缘有一定裕度 可在海拔2000m以下地区使用 在空气污秽 腐蚀减低绝缘强度 或有冰雪的地区 某些电气设备应选用绝缘加强型或高一级电压的产品 2 额定电流选择 电气设备的额定电流 是指在额定环境条件 环境温度 日照 海拔高度 安装条件等 下 电气设备的长期允许电流 我国规定电气设备的一般额定环境条件为 1 额定环境温度 裸导体和电缆为25 电器为40 2 无日照 3 海拔高度不超过1000 当实际环境条件不同于额定环境条件时 其长期允许电流应该用下式进行修正 仅计及环境温度修正时 K值计算如下 裸导体和电缆的综合修正系数K为 Ial KIN Imax 6 3 6 4 电器的 K值计算 6 5 回路最大持续工作电流Imax的计算 1 短路电流的计算条件 1 短路计算容量和接线 容量 应按本工程的设计规划容量计算 并考虑电力系统的远景发展规划 一般为本期工程建成后5 10年 接线 可能发生最大短路电流的正常接线方式 2 短路种类 一般按三相短路验算 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严重时 则应按严重情况验算 二 按短路条件校验热稳定和动稳定 3 选择设备的种类和型式 1 应按电器的装置地点 使用条件 检修和运行等要求 对设备进行种类 如屋内或屋外型电器 和型式的选择 2 除上述考虑海拔 实际环境温度的影响外 尚需考虑其他环境条件影响 图6 1短路计算点选择示意图 1 发电机回路QF1 当k4短路时流过QF1电流由G1供给 当k1短路时由QF2和系统提供 若两台发电机容量相等 后者大 应选k1为短路计算点 3 短路计算点 选择通过校验对象的短路电流为最大的那些点作为短路计算点 对两侧均有电源的电气设备 应选其前 后短路时 通过它的短路电流较大的地点作为短路计算点 3 分段断路器QF4 选k4为短路计算点 并假设切除T1 这时流过QF4的电流由G2和系统经T2提供 4 变压器回路断路器QF5和QF6 对低压侧QF5 应选k5 并假设QF6断开 流过QF5的电流为G1 G2和系统经T2供给 对QF6 应选k6 并假设QF5断开 流过QF6的电流为G1 G2经变压器T提供及系统直接供给的短路电流之和 5 但电抗器的出线回路断路器QF7 干式电抗器的工作可靠性高 且断路器和电抗器间的连线很短 k2发生故障的可能性很小 因此选择k7为QF7的短路计算点 2 母联断路器QF3 用QF3向备用母线充电时遇到备用母线故障 这时流过QF3的短路电流由G1 G2和系统供给 情况最为严重 故选k3为短路计算点 2 短路计算时间 1 校验热稳定的短路计算时间 tk 即计算短路电流热效应 Qk的时间 断路器的全开断时间tab等于断路器的固有分闸时间tin与燃弧时间ta之和 2 校验开断电器开断能力的短路计算时间 6 6 6 7 6 厂用变压器回路断路器QF8 一般QF8至厂用变压器之间的连线多为较长电缆 存在短路的可能性 因此 选k8为QF8的短路计算点 3 热稳定和动稳定校验 1 热稳定校验 热稳定校验就是要求所选的电气设备能承受短路电流所产生的热效应 1 导体和电缆满足热稳定的条件为 2 电器满足热稳定的条件为 2 动稳定校验动稳定校验就是要求电气设备能承受短路冲击电流所产生的电动力效应 1 硬导体满足动稳定的条件为 6 8 6 9 6 10 3 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 可不校验热稳定 支柱绝缘子中不通过电流 也可不检验热稳定 2 用限流熔断器保护的设备 可不检验动稳定 电缆有足够的强度 也可不检验动稳定 3 电压互感器及装设在其回路中的裸导体和电器 可不检验动 热稳定 一 敞露母线的选择 一 母线材料 截面形状和布置方式选择1 材料一般采用铝母线 特殊场所 采用铜母线 2 电器满足热稳定的条件为 6 11 第二节敞露母线及电缆的选择 2 截面形状35kV及以下 Imax 4000A屋内 一般采用矩形母线 35kV及以下 Imax 4000 8000A的屋内 一般采用槽形母线 35kV及以上的屋外 可采用钢芯铝绞线 110kV及以上或35kV及以下 Imax 8000A的屋内 外 可采用管形母线 3 布置方式钢芯铝绞线母线 管形母线一般采用三相水平布置 矩形 双槽形母线常见有三相水平布置和三相垂直布置 1 三相水平布置 多用于中 小容量配电装置 2 三相垂直布置 用于20kV以下 短路电流很大的配电装置中 二 母线截面选择1 按最大持续工作电流选择主母线及长度在20 m以下的母线 一般均按所在回路的最大持续工作电流选择 即按式 6 3 选择 2 按经济电流密度选择导体的年运行费与截面 S的关系如图6 3曲线3所示 可见 当导体取某一截面 Sj时 年运行费最低 相应地 年计算费用也最低 此截面 Sj称经济截面 Sj与 对应的电流密度 j 称为经济电流密度 随着年最大负荷利用小时数 Tmax的增加而减小 图6 3年运行费与导体截面的关系 对应于不同类型导体和不同 Tmax的 j如图6 4所示 除主母线和较短导体外 截面一般按 j选择 图6 4载流导体的经济电流密度曲线 6 13 I max为正常运行时的最大持续工作电流 按式 6 13 选择 还必须满足式 6 3 的要求 应选择最接近Sj的标准截面积 另外 当按 6 13 选择的标准截面积还必须满足 6 3 的要求 一般均能满足 三 电晕电压校验1 导体的电晕会产生多方不利的影响 1 使周围空气强烈游离 降低空气的绝缘强度 使绝缘子容易发生 过电压时易导致相间放电 2 在电晕的范围内进行着化学反应 形成 以及氮化合物 对有机绝缘材料和金属有腐蚀作用 3 电晕引起电能损耗 4 电晕具有特殊的噪声和破裂声 使运行人员难以用听觉检查设备的工作情况 5 电晕会产生无线电干扰 2 电晕电压校验1 60kV及以下的系统 不必校验 2 110kV及以上系统的裸导体 应按当地晴天不发生全面电晕的条件校验 即 6 14 当所选导体型号及外径大于 等于下列数值时 可不进行电晕校验 钢芯铝绞线 110kVLGJ 70 220kVLGJ 300 管形导体外径 110kV 20 mm 220kV 30 mm 四 热稳定校验按热稳定决定的母线最小截面 Smin为 6 15 6 16 6 18 母线正常运行最高工作温度为 热稳定系数C值用下式直接计算更方便 五 硬母线的共振校验目的是确定动稳定校验所需要的动态应力系数 有两种方法 1 当已知绝缘子跨距 L时 按式 2 61 计算导体的 f1 当 f1在共振频率范围内时 由图2 21查出相应的 值 当 f1在共振频率范围外时 1 2 当未知绝缘子跨距 L时 令 f1 160Hz 按式 2 61 计算导体不发生共振所允许的 Lmax 即 当选择实际 L Lmax时 必有 f1 160Hz 即 1 满足不共振的要求 6 19 六 硬母线的动稳定校验如果每相为两条及以上导体 当短路冲击电流通过母线时 导体的横截面同时受到相间弯矩 和条间弯矩 的作用 即同时存在相间应力 和条间应力 设 和 方向相同 则最大应力 为 6 20 矩形导体的条间作用力永远在 面上 所以不论每相条数多少 不论平放或竖放 总有 6 21 求出的 max应满足式 6 10 即 1 每相单条矩形母线的应力计算导体只受相间电动力的作用 导体自由支承于支持绝缘子上 相当于一个多跨梁 承受均匀分布的电动力的作用 当跨数大于2时 设计时 一般未知 L 为满足动稳定 常根据 al来确定 Lmax 即令 al ph 则 6 23 6 22 6 24 6 25 选择 L Lmax 必然满足动稳定的要求 2 每相多条矩形母线的应力计算导体同时受到相间 同相条间的作用力 1 ph计算仍按式 2 24 计算 Wph取相应条数和布置方式的截面系数 2 b计算同相的条间距离小 b通常较大 故在同相各条导体间设衬垫 同相中 边条导体所受的条间作用力最大 其所受的最大弯矩为 6 26 fb按式 2 42 计算 其中的取条间距离 并考虑电流在条间的分配及形状系数 Kf 当每相为二条时 a 2b 并认为相电流在两条间平均分配 即 图6 5一相有两条导体时衬垫的装设 6 27 6 28 当每相为三条时 1 2条间距离为 a 2b 1 3条间距离为 a 4b 并认为两边条各通过相电流的40 中间条通过20 即 当未知 Lb时 在计算 ph的基础上 可计算满足动稳定的 Lbmax b al ph 代入式 6 29 得 设 L Lbmax C1 设其整数部分为 n 则 n即为每跨内满足动稳定所必须用的最少衬垫数 例如 C1 2 8 取 n 2 每跨内应设置 n 2个衬垫 才能满足动稳定要求 另外 当 Lb较大时也可能因 fb造成导体弯曲而相互接触 要求 Lb必须小于另一个允许的最大跨距 临界跨距 Lcr 6 29 于是 可求得 6 30 6 31 图6 6双槽型母线的布置方式 3 槽形母线的应力计算槽形母线的布置如图6 6示 其应力计算方法与矩形母线相同 1 ph的计算 仍按式 6 24 计算 导体按垂直布置时 Wph 2Wx 导体按水平布置时 如两槽未焊成一整体 则 Wph 2Wy 如两槽焊成一整体 则 Wph 2W0 Wph Wx Wy可查附表2 2 2 b计算 与双条矩形导体计算相同 当条间距离为 h 槽形导体高 时 K12 1 于是 6 32 不论采用垂直或水平布置布置方式 fb均作用在 轴方向 则各槽导体均绕轴 弯曲 有 Wb Wy 于是得 6 33 当双槽焊成整体 如图6 7所示 时 式 6 33 中的 Lb应改为 Lb1 Lb1 Lb b0 图6 7双槽型导体焊片示意图 3 管形导体的应力计算 本教材中从略 二 电力电缆的选择1 结构类型的选择即根据电缆的用途 敷设方法和场所 选择电缆的芯数 芯线材料 绝缘种类 保护层以及电缆的其他特征 最后确定电缆型号 2 额定电压选择 3 截面选择 1 电力电缆截面 的选择原则和方法与裸母线基本相同 即 对长度不超过 20m的电缆 直接按 6 3 选择 对 Tmax 5000h且长度超过 20m的电缆 按 6 13 选择 并应满足 6 3 2 确定电缆根数 当 S150mm2 时 用 S 150mm2 根 3 式 6 3 用于电缆选择时的综合修正系数 空气中敷设 K KtK1 空气中穿管敷设 K KtK2 直接埋地敷设 K KtK3 K4 4 允许电压损失校验对于三相交流电路 一般应满足 U 5 而 5 热稳定校验 一 按额定电压选择支柱绝缘子和穿墙套管支柱绝缘子和穿墙套管的额定电压应满足 6 34 6 35 6 36 第三节支柱绝缘子和穿墙套管的选择 二 选择支柱绝缘子和穿墙套管的种类和型式按装置种类 屋内 屋外 环境条件选择满足使用要求的产品 屋内配电装置宜采用联合胶装多棱式支柱绝缘子 屋外配电装置支柱绝缘子宜采用棒式支柱绝缘子 在有严重的灰尘或对绝缘有害的气体存在的环境中 应选用防污型绝缘子 穿墙套管一般采用铝导体穿墙套管 三 按最大持续工作电流选择穿墙套管 四 校验穿墙套管的热稳定 五 校验支柱绝缘子和穿墙套管的动稳定 6 37 1 三相短路时绝缘子 或套管 所受的电动力 Fmax 图6 8绝缘子和穿墙套管所受的电动力 布置在同一平面内的三相导体 图6 8示 发生三相短路时 任一支柱绝缘子 或套管 所受的电动力 为该绝缘子 或套管 相邻跨导体上电动力的平均值 例如绝缘子1所受的力Fmax为 6 38 2 支柱绝缘子的 计算1 导体三相水平布置时 支柱绝缘子受切变应力作用 2 导体三相垂直布置时 支柱绝缘子受压变应力作用 6 39 3 穿墙套管的 Fc计算 图6 9绝缘子受力示意图 6 40 第四节高压断路器和隔离开关的选择 一 高压断路器的选择 1 种类和型式的选择 2 额定电压选择 UN UNs 根据环境条件 使用技术条件及各种断路器的不同特点进行选择 3 额定电流选择 Ial KIN Imax 4 额定开断电流选择 表征了断路器的灭弧能力 断路器的额定开断电流INbr应不小于其触头刚刚分开时的短路电流有效值Ik 即 INbr Ik 6 41 6 42 1 对于采用快速保护和快速断路器的地点 其 tbr 0 1s 和靠近电源处的短路点 其 Ta大 则 2 对于采用中 慢速断路器的地点 其 tbr 0 1s 和在远离发电厂的短路点 可不计及非周期分量的影响 即Ik I kA 5 额定关合电流的选择 二 隔离开关的选择隔离开关的选择方法与断路器相同 但隔离开关没有灭弧装置 不需选择额定开断电流和关合电流 1 种类和型式的选择隔离开关对配电装置的布置和占地面积有很大影响 应根据配电装置特点 使用要求及技术经济条件选择其种类和型式 6 热稳定校验 7 动稳定校验 2 按额定电压选择 3 额定电流选择 4 热稳定校验 5 动稳定校验 一 高压负荷开关选择负荷开关的选择与高压断路器类似 但不能开断短路电流 所以不选择短路开断能力 1 种类和型式的选择根据环境条件 使用技术条件及各种负荷开关的不同特点进行选择 2 按额定电压选择 第五节高压负荷开关和高压熔断器的选择 3 额定电流选择 4 额定短路关合电流的选择 5 热稳定校验 6 动稳定校验 二 高压熔断器选择1 型号和种类选择根据安装地点 使用要求选用 2 额定电压选择对一般高压熔断器 对于充填石英砂有限流作用的熔断器 3 额定电流选择包括 INt和 INs的选择 1 熔断器熔管额定电流 INt选择INt INs 2 熔断器熔体额定电流 INs选择1 保护35kV及以下电力变压器的熔断器INs KImax 2 保护电力电容器的熔断器INs KINc4 额定开断电流校验 1 对于没有限流作用的熔断器 INbr Ish 2 对于有限流作用的熔断器INbr I 6 46 6 47 6 48 6 50 6 51 5 选择性校验图6 10中 为了保证动作的选择性 应有 当短路电流很大时 其熔断时间 t 1 t 2相差很小 为保证选择性 应使上下级熔断器在最大短路电流情况下 动作时间差 t 0 5s 另外 保护电压互感器的熔断器 只需要按额定电压选择和按额定开断电流校验 INs1 INs2 t1 t2 图6 10熔断器选择性示意图 第六节限流电抗器的选择 一 额定电压和额定电流的选择 1 额定电压选择 UN UNs 2 额定电流选择 Ial KIN Imax 二 电抗百分数的选择 1 电抗百分数的计算 选择电抗百分数时 通常是从限制电抗器后面的 I 不超过轻型断路器的 INbr出发 为简化起见 令 I INbr 图6 11选择电抗器接线示意图 a b 2 计算电源至电抗器前的其他元件对短路点的总电抗值 x 1 选择基准容量 Sd 电压 Ud 计算基准电流 Id和各元件电抗的标么值 并绘出等值电路图 其中 4 估算电抗器所需电抗标么值 x L及电抗器在其额定参数下的 百分电抗xL 3 估算 电抗器未选择 电源至短路点的 x 6 52 6 53 6 54 2 普通电抗器电抗百分数的选择从产品目录中选择接近而稍大于式 6 54 计算结果 xL 的标准电抗百分数 出线电抗器 xL 不宜超过6 母线分段电抗器 xL 不宜超过12 3 分裂电抗器电抗百分数的选择分裂电抗器电抗百分数 xL1 是以每臂的额定电流为基准的 所以 需对式 6 54 的计算结果 xL 进行换算 图6 12分裂电抗器的接线 1 当3侧有电源 1 2侧无电源 在1 或2 短路时 6 55 2 当3侧无电源 1 或2 侧有电源 在2 或1 短路时 3 当1 2侧有电源 或三侧均有电源 在3侧短路时 三 电压校验1 普通电抗器的电压损失校验 1 正常运行时的电压损失 U 校验 应满足 U 5 6 56 6 57 6 58 2 电抗器后面短路时母线残压 U 校验 若出线电抗器回路未装设无时限保护 应进行校验 并应满足 Ure 60 70 电抗器接在6kV发电机主母线上时取上限值 6 59 若不满足要求 可在该出线电抗器回路中加装快速保护以加速故障切除 或在正常电压损失允许范围内加大电抗 对母线分段电抗器 带几回出线的电抗器及装有无时限保护的出线电抗器 不必作电压损失校验 2 分裂电抗器的电压波动计算 1 正常运行时的电压波动计算 电压波动应不大于5 2 某一段母线上的馈线短路时另一段母线电压升高计算 段母线上的馈线短路 段母线上的馈线短路 6 64 6 65 可见 短路发生瞬间 正常母线电压比额定电压高得多 四 热稳定和动稳定校验 ies ish 对分裂电抗器 其动稳定电流保证值有两个 分别为单臂流过短路电流时和两臂同时流过反向短路电流时 后者远小于前者 应分别选定对应得短路方式进行动稳定校验 第七节互感器的选择 一 电流互感器的选择1 一次回路额定电压和电流的选择 2 额定二次电流的选择一般弱电系统用1A 强电系统用5A 当配电装置距离控制室较远时 应尽量采用1A 3 种类和型式选择应根据安装地点 如屋内 屋外 安装方式 穿墙式 支持式 装入式等 及产品情况来选择种类和型式 4 准确级选择准确级选择是根据所供仪表和继电器的用途考虑 互感器的准确级不得低于所供仪表得准确级 至此 可初选出型号 查得其在相应准确级下的二次负荷额定阻抗 ZN2 热稳定倍数 Kt和动稳定倍数 Kes 5 按二次侧负荷选择作出电流互感器回路的接线图 列表统计其二次侧每相仪表和继电器负荷 确定最大相总负荷 S2 应满足 即应满足 6 64 6 65 由于仪表和继电器的电流线圈及连接导线的电抗很小 可以忽略 只需记及电阻 即 6 68 将 6 68 代入 6 67