电力系统工程基础 华中科技大学 熊信银 PPT课件8电气主接线的设计和设备选择

1、第八章第八章 电气主接线的设计电气主接线的设计与设备选择与设备选择 v第一节 概述 v第二节 主变压器和主接线的选择 v第三节 载流导体的发热和电动力 v第四节 电气设备的选择 v第五节 设备选择举例 第一节第一节 概述概述 u 原则：原则： 以设计任务书为依据，以经济建设方针、政策 和有关的技术规程、标准为准则，准确地掌握原始 资料，结合工程特点，确定设计标准，参考已有设 计成果，采用先进的设计工具。 u 要求：要求： 使设计的主接线满足可靠性、灵活性、经济性， 并留有扩建和发展的余地。 u 步骤：步骤： 1.对原始资料进行综合分析； 2.草拟主接线方案，对不同方案进行技术经济比较、 筛选和

2、确定； 3.厂、所和附近用户供电方案设计； 4.限制短路电流的措施和短路电流的计算； 5.电气设备的选择； 6.屋内外配电装置的设计； 7.绘制电气主接线图及其它图(如配电装置视图)； 8.推荐最佳方案，写出设计技术说明书，编制一次 设备概算表。 第二节第二节 主变压器和主接线的选择主变压器和主接线的选择 u主变压器：向电力系统或用户输送功率的变压器。 u联络变压器：用于两种电压等级之间交换功率的变 压器。 u自用电变压器：只供厂、所用电的变压器。 v一、变压器容量、台数、电压的确定原则 v二、主变压器型式的选择原则 v三、主接线设计简述 v四、技术经济比较 一、变压器容量、台数、电压的一、变

3、压器容量、台数、电压的确定原则确定原则 u依据输送容量等原始数据。 u考虑电力系统510年的发展规划。 1单元接线主变压器容量单元接线主变压器容量 u按发电机额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留 有10%的裕度； u扩大单元接线应尽可能采用分裂绕组变压器。 2连接在发电机电压母线与升高电压之间的主连接在发电机电压母线与升高电压之间的主 变压器变压器 a.发电机全部投入运行时，在满足由发电机电压供电 的日最小负荷，及扣除厂用电后，主变压器应能将 剩余的有功率送入系统。 b. 若接于发电机电压母线上的最大一台机组停运时， 应能满足由系统经主变压器倒供给发电机电压母线 上最大负荷的需要。 c.若发电机

4、电压母线上接有2台或以上主变压器，当 其中容量最大的一台因故退出运行时，其它主变压 器在允许正常过负荷范围内应能输送剩余功率70% 以上。 d. 对水电比重较大的系统，若丰水期需要限制该火电 厂出力时，主变应能从系统倒送功率，满足发电机 电压母线上的负荷需要。 3变电所主变压器容量变电所主变压器容量 a.按变电所建成后510年的规划负荷选择，并适当考 虑远期1020年的负荷发展。 b. 对重要变电所，应考虑一台主变停运，其余变压器 在计及过负荷能力及允许时间内，满足I、II类负荷 的供电； c.对一般性变电所，一台主变停运，其余变压器应能 满足全部供电负荷的70%80%。 4发电厂和变电所主变

5、台数发电厂和变电所主变台数 a.大中型发电厂和枢纽变电所，主变不应少于2台； b. 对小型的发电厂和终端变电所可只设一台。 5. 确定绕组额定电压和调压的方式确定绕组额定电压和调压的方式 二、主变压器型式的选择原则二、主变压器型式的选择原则 1. 相数相数：一般选用三相变压器。 2. 绕组数绕组数： u变电所或单机容量在125MW及以下的发电厂内 有三个电压等级时，可考虑采用三相三绕组变压器， 但每侧绕组的通过容量应达到额定容量的15%及以 上，或第三绕组需接入无功补偿设备。否则一侧绕 组未充分利用，不如选二台双绕组变更合理。 u单机容量200MW及以上的发电厂，额定电流和短 路电流均大，发电

6、机出口断路器制造困难，加上大型 三绕组变压器的中压侧（110kV及以上时）不希望留 分接头，为此以采用双绕组变压器加联络变压器的方 案更为合理。 u凡选用三绕组普通变压器的场合，若两侧绕组为中 性点直接接地系统，可考虑选用自耦变压器，但要防 止自耦变的公共绕组或串联绕组的过负荷。 3. 绕组接线组别的确定绕组接线组别的确定 u变压器三相绕组的接线组别必须和系统电压相位一 致。 5. 变压器冷却方式变压器冷却方式 u主变压器的冷却方式有：自然风冷；强迫风冷； 强迫油循环风冷；强迫油循环水冷；强迫导向油 循环冷却等。 三、主接线设计简述三、主接线设计简述 四、技术经济比较四、技术经济比较 4. 短

7、路阻抗的选择短路阻抗的选择 u从系统稳定和提高供电质量看 阻抗小些为好，但阻抗太小会使 短路电流过大，使设备选择变得 困难。 三绕组变压器的结构形式： 升压型 与 降压型 第三节第三节 载流导体的发热和电动力载流导体的发热和电动力 v一、概述 v二、均匀导体的长期发热 v三、导体的短时发热 v四、短路时载流导体的电动力 表表 8 8- -1 1 导体长期工作发热和短路时发热的允许温度（部分）导体长期工作发热和短路时发热的允许温度（部分） 长期工作发热长期工作发热 短路时发热短路时发热 导体种类和材料导体种类和材料 允许温度允许温度 允许温升允许温升 允许温度允许温度 允许温升允许温升 铜（裸）

8、母线铜（裸）母线 70 C 45 C 300 C 230 C 铝（裸）母线铝（裸）母线 70 C 45 C 200 C 130 C 一、概述一、概述 u长期发热： u短时发热： R aF R aF I alst )( 0 二、均匀导体的长期发热二、均匀导体的长期发热 1均匀导体的发热过程 导体温度稳定前 I2RdtmCdaF(0)dt 温度达到稳定后 I2RaF(0) 式中，m：质量(kg)；C：比热容(J/kgC)；a：总换热系 数(w/m2C)；F：散热面积（m2）；0：周围环境温度 （C）。 2导体的最大允许载流量： 三、导体的短时发热三、导体的短时发热 1短时发热计算 热量平衡方程：

9、Ikt2R dtmC d 短路电流热效应： k t ktk dtIQ 0 2 i 2 1 AAQ S kk 并有： 2热效应k的计算 u采用等值时间法： 过时 u辛卜生法 ： 复杂 u1-10-1法（简化辛卜生法） 短路全电流： nppk T t npoptkt QQQ eitII a cos2 可以推出： )10 ( 12 . 22 2/ 2 kk tt k p III t Q a 周期分量的热效应 22 2 )1 ( 2 . TIie Ta Q b npo Ta t np k 非周期分量的热效应 表 8-2 非周期分量等值时间 T T（S） 短路点 tk0.1S tk0.1S 发电机出口及

10、母线 0.15S 0.2 发电机升高电压母线及出线 发电机电压电抗器后 0.08 0.1 变电所各级电压母线及出线 0.05 如果短路电流持续时间 tk1s，导体的短时发热主要由周 期分量决定，在此情况下可不计非周期分量的影响。 ()fA 图8-1 曲线 ( )f A 电动力的方向决定于电流的方向， i1, i2同方向时，作用力相吸，电流反 向时相斥。 工程中考虑截面积因素后的修正 公式 N102 217 L a ii F N 102 21 7 ii a L kF f 其中， kf为导体的形状系数。圆形导体的形状系 数kf=1。矩形导体的形状系数如右图所示。 四、短路时载流导体的电动力四、短路

11、时载流导体的电动力 1平行导体间的电动力 图8-4 矩形截面形状系数曲 线 )(102 7 CBABBCBAB iiii a L FFF ) 2 1 (102 7 CABAACABA iiii a L FFF ) 3 2 sin() 3 2 sin( ) 3 2 sin() 3 2 sin( sin)sin( A Ta t AmC A Ta t AmB A Ta t AmA etIi etIi etIi 将下列公式代入： 2三相导体短路时的电动力 图 8-5 同一平面导体三相短 路时的电动力 (2)7(2) 27(3) 27(3) 2 max 3 2 102 101.5 10 2 shshsh

12、 LLL Fiii aaa 同一地点短路的最大电动力，是作用于三相短路时的 中间一相导体上，数值为： N 1073. 1 27 maxsh i a L F Ni a L i a L F shshB 2727 max 1073. 110729. 1 ：化简并求出最大电动力 Ni a L F shA 27 max 10616. 1 同一地点两相短路的最大电动力： u在单自由度振动系统中，35kV及以下，布置在 同一平面三相母线的固有振动频率f0 2 0 0 112 L r f 3导体的振动应力 u强迫振动系统一般采用修正静态计算法：最大 电动力Fmax乘上动态应力系数。 u动态应力系数与母线固有频

13、率的关系如右图。 图8-6 动态应力系数 u为了避免导体产生危险的共振，对于重要导体，应使 其固有频率在下述范围以外 单条导体及母线组中的各条导体35135Hz 多条导体组及有引下线的单条导体35155Hz u如固有频率在上述范围以外，取=1； u在上述范围内时，最大电动力应乘上动态应力系数， 即 N 1073. 1 27 max sh i a L F 第四节第四节 电气设备的选择电气设备的选择 v一、电器设备选择的一般条件 v二、高压断路器和隔离开关的选择 v三、高压熔断器的选择 v四、限流电抗器的选择 v五、母线和电缆的选择 v六、电流互感器选择 v七、电压互感器的选择 N al ial

14、al II 0 2按短路情况检验热稳定和 动稳定 u热稳定校验：It2t Qk u动稳定校验：ies ish 一、电器设备选择的一般条件一、电器设备选择的一般条件 1按正常工作条件选择电器 u额定电压：UN UNS u额定电流：IN Imax u环境条件对电器和导体额定 值的修正： 图8-7 短路计算点的选择 b. 短路计算点 选择通过导体和电器短路电流最大的点为短路计 算点。 c. 短路计算时间 热稳定计算时间tk（短路持续时间）； 开断计算时间tbr 。 u短路电流的计算条件： a. 计算容量和短路类型 按发电厂、变电所最终设计容量计算。 短路类型一般采用三相短路电流，当其它形式短路 电流

15、大于三相时。应选取最严重的短路情况校验。 表 8-3 各种电气设备的选择项目 设备名称额定电压额定电流额定开断电流动稳定热稳定 断路器 隔离开关 电抗器 电流互感器 电压互感器 母线及导体 电缆 熔断器 支柱绝缘子 套管绝缘子 成套配电装置 电力电容器 3主接线设计中主要电气设备的选择项目 二、高压断路器和隔离开关的选择二、高压断路器和隔离开关的选择 1高压断路器的选择 除表8-3相关选项外，特殊项目的选择方式如下： u开断电流 高压断路器的额定开断电流INbr，不应小于实际触头开 断瞬间的短路电流的有效值Ikt，即：INbr IKt u短路关合电流 在额定电压下，能可靠关合开断的最大短路电流

16、称 为额定关合电流。校验公式：iNCi ish u合分闸时间选择 对于110kV以上的电网，断路器固有分闸时间不宜大 于0.04S。用于电气制动回路的断路器，其合闸时间不宜 大于0.040.06S。 2隔离开关的选择 隔离开关无开断短路电流的要求，故不必校验开断电 流。其它选择项目与断路器相同。 三、高压熔断器的选择三、高压熔断器的选择 u 高压熔断器分类： 快速熔断器：有限流作用 普通熔断器：不具限流作用 u 额定电压选择 普通熔断器：UN UNS 快速熔断器：UN = UNS u 额定电流选择 u INf1 (熔管) INf2 (熔体) Imax u保护变压器或电动机： INf2 = K

17、Imax K 取1.11.3(不考虑电动机自启动)或取1.52.0(考虑电动 机自启动) u保护电容器回路： INf2 = KINC K 取1.52.0(单台)或取1.31.8(一组) u 熔断器的开断电流校验 Inbr Ish（或I ） 普通熔断器：Ish 快速熔断器： I u 熔断器的选择性 按制造厂提供的安秒特性曲线（又称保护特性 曲线）校验。 u 保护电压互感器用的熔断器仅校验额定电压和开断 电流。 四、限流电抗器的选择四、限流电抗器的选择 u 限流电抗器的作用 u限制短路电流：可采用轻型断路器，节省投资； u维持母线残压：若残压大于65%70%UNS，对非 故障用户，特别是电动机用户

18、是有利的。 u 限流电抗器的选择 除表8-3相关选项外，特殊项 目的选择方式如下： 1. 电抗百分数 XL 选择 u若要求将一馈线的短路电 流限制到电流值I，取基准 电流Id，则电源到短路点的 总电抗标么值: X* IdI 图8-8 计算电抗百分数示意 图 u以电抗器额定电压和额定电流为基准的电抗百 分数XL% %100)(% * d d N N L I U U I XXX u轻型断路器额定开断电流INbr，令I=INbr，则 X* IdInbr u若已知电源到电抗器之间的电抗标么值X*，则 d d N NL L U I I UX XXX 100 (%) * 2. 电压损失校验 正常运行时电抗

19、器上的电压损失，不大于电网额定 电压的5%。 %5sin(%)% max L N X I I U 3. 母线残压校验 对于无瞬时保护的出线电抗器应校母线残余，残压的 百分值 %7060 (%)% N Lre I I XU (a)矩形导体：散热条件好，便于固定和连接，但集 肤效应大，一般用于35kV及以下，电流在4000A及 以下的配电装置中； 五、母线和电缆的选择五、母线和电缆的选择 v 裸导体裸导体： 1. 硬母线的材料，截面形状，布置方式 u 导体材料有铜、铝和铝合金，铜只用在持续工作 电流大，布置位置狭窄和对铝有严重腐蚀的场所。 常用的硬母线是铝母线。 u 截面有矩形，双槽形和管形。 图

20、8-9 常见硬母线截面形状 (b)槽形导体：机械强度大，载流量大，集肤效应小， 一般用于4000A8000A的配电装置中。 (c)管形母线 ：机械强度高，管内可通风或通水，可 用于8000A以上的大电流母线和110kV及以上的配电 装置中。 u矩形导体的布置方式 a. 支柱绝缘子三相水平布置，导体竖放：散热条件 较好； b. 支柱绝缘子三相水平布置，导体平放：机械强度 较好； c. 绝缘子三相垂直布置，导体竖放：机械强度和散 热均好，但使配电装置的高度增加。 2.导体截面选择 u按长期发热允许电流选 择：Kial Imax u按经济电流密度选择： S = Imax/J 图 8-10 矩形导体的

21、布置 方式 (a)支柱绝缘子三相水平布置 ，导体竖放； (b)支柱绝缘子三相水平布置 ，导体平放； (c)绝缘子三相垂直布置，导 体竖放 u除配电装置的汇流母线、 长度在20m以下的导体 外，对于年负荷利用小 时数高，传输容量大的 导体，其截面一般按经 济电流密度选择。 图 8-11 经济电流密度 1变电所所用、工矿用及电缆线路的铝线纸包绝缘铅包、铅包、塑 料护套及各种铠装电缆； 2铝矩形、槽形母线及组合导线； 3火电厂厂用铝芯纸绝缘铅包、铝包、塑料护套及各种铠装电缆 435220V线路的LGJ、LGJQ型钢芯铝绞线 kSalks QK C AAQKS 1 )/( imin 当导体短路前的温度

22、取正常运行时的最高允许温度 70C，铝和铜导体短时发热最高允许温度分别为 200C和300C时，C值（量纲：安秒1/2/米2）分别为 C铝=87和C铜=171。 3. 电晕电压校验： 对于110kV及以上的各种规格导体，应按晴天不出现 全面电晕的条件校验： Ucr Umax 4. 热稳定校验： u母线看作是一个自由地放在绝缘支柱上多跨距的梁， 在电动力的作用下，母线条受到的最大弯矩M为 M = fL2/10 N.m u母线条受到的最大相间计算应力 N/m 10 1 73. 1 72 a if sh Pa 10/ 2 wLfwM u校验： al Pa 硬铝 a l =7010 6 (Pa) 硬铜

23、 al=140106(Pa) 5. 硬母线的动稳定校验 u单位长度导体上所受到的相间电动力 表 8-4 导体截面系数和惯性半径 导体布置方式截面系数 W惯性半径r0 bh2/60.289h b2h/60.289b 0.333bh20.089h 1.44b2h1.04b h b h b bbb bbb h u在设计中也常根据材料的最大允许应力，确定支 柱绝缘子间的最大允许跨距（不应超过1.52m） fwL al /10 max v 电力电缆的选择电力电缆的选择 1. 电缆芯线材料及敷设方式选择： u电缆芯线：铜芯和铝芯。铜芯电缆载流量约为 铝芯同截面电缆载流量的1.3倍。国内工程一般选 用铝芯电

24、缆。 u敷设方式：电缆桥架，电缆沟，电缆隧道和穿 管等。 2. 截面选择： u当电缆的最大负荷利用小时数Tmax5000小时， 长度超过20m以上，均应按经济电流密度选择。 u按长期发热允许电流选择电缆截面时，修正系 数K与敷设方式，环境温度等有关。 3. 按允许电压降校验： %5/ )sincos(3% 00max NS UxRLIU 4. 热稳定校验： k Q C S 1 min 对6kV油浸纸绝缘铝芯电缆，热稳定系数C=93；10kV 时C取95。 六、电流互感器选择六、电流互感器选择 1. 电流互感器的形式选择 u35kV以下屋内配电装置，可采用瓷绝缘或树脂绕注式； u35kV及以上配

25、电装置可采用油浸瓷箱式，有条件时可采 用套管式。 2. 额定电压和额定电流动选择 u一次额定电压和电流 u二次额定电流：5A或1A 3. 电流互感器的准确级 u不应低于所供测量仪表的最高准确级； u用于重要回路和计费电度表的电流互感器一般采用0.2或 0.5级； u500kV采用0.2级。 )()( )( )( 222 2 22 2 2 2 2 2 2 22 2 2 222 cN C cNN CN N cNN w cwNN rrZ L rrIS LI S S I rrIS r rrrISS 为导线截面 如何保证互感器的准确级： uS2I2N2Z2LSN2 或 Z2LZN2 uZ2L= r2 +

26、 rw + rc u接触电阻rc取0.050.1； u电流线圈电阻r2由所连接的仪表和继电器的电流线圈消 耗的功率计算； u连接用导线的电阻rw为： shesNshes iKIii 1 2或 u瓷绝缘的电流互感器还应校验瓷绝缘帽上受力的外 部动稳定，方法可参见支柱绝缘子的校验。 4. 热稳定和动稳定校验 u只对本身带有一次回路导体的电流互感器进行热 稳定校验。 u常以1S允许通过的热稳定电流It或一次额定电流IN1 的倍数Kt来表示，即It21 Qk 或 (KtTN1)2Qk u互感器内部动稳定，常以允许通过的动稳定电流 ies或一次额定电流幅值的动稳定倍数Kes表示： 导线计算长度LC与电流

27、互感器的接线系数有关，若 测量仪表与互感器安装处相距L，则当电流互感器星形 接线时LC=L，不完全星形LC=31/2L ，单相接线时LC=2L。 为满足机械强度要求铜线S不得小于1.5mm2。 表 8-5 电压互感器二次绕组额定电压选择表 绕 组主二次绕组每个附加二次绕组 高压侧允许 接入方式 接于电网线 电压上 接于电网相电 压上 用于中性点直接 接地系统中 用于小电流 接地系统 二次绕组额 定电压(V) 100100/3100100/3 七、电压互感器的选择七、电压互感器的选择 1按额定电压选择 u一次绕组有接于相间和接于相对地两种方式，绕组 的额定电压UN1应与接入电网的方式和电压相符，

28、为 确保互感器的准确级，要求电网电压的波动范围满足 下列条件 0.8UN1US1.2UN1 u二次绕组电压可按表8-5选择，附加二次绕组通常 接成开口三角形供测量零序电压 222 0 2 02 )()()sin()cos(QPSSS 表 8-6 电压互感器二次绕组负荷计算公式 接线 方式 和相 量图 A 3/)30sin( 3/)30cos( ababA ababA SQ SP AB )30sin(3 )30cos(3 SQ SP AB AB B 3/)30sin()30sin( 3/)30cos()30cos( bcbcababB bcbcababB SSQ SSP BC )30sin(3

29、)30cos(3 SQ SP BC BC C 3)30sin( 3/)30cos( bcbcC bcbcC SQ SP Sab Sbc b c a B C A UC A U AB U BC U B U B A AB U BC U C c s s s b a 2容量和准确级选择 额定容量SN2应满足SN2 S2 第五节第五节 设备选择举例设备选择举例 表 8-7 k1点三相短路电流计算汇总 时间 （s） 发电机 A (kA) 发电机 B (kA) 发电机 C (kA) 220kV 系统 (kA) I (kA) ish (kA) 014.514.510.2020.559.7157.5 15.695.697.37520.539.26 24.8124.8127.25620.537.38 44.3284.3287.7320.536.89 u例8-1