供配电技术第9章 电力线缆及变压器选择

1、第9章 电力线缆与变压器选择 变压器和电力线缆的选择依赖于系统参量（计算负荷、短路电流等），但很多系统参量又受线缆、变压器特性参数的影响（短路电流、电压损失等）。这是一种互为因果的耦合关系。 以线缆为例，线缆截面确定，短路电流才确定；短路电流确定，满足热稳定要求的线缆截面才能确定。这里，短路电流既是线缆截面选择的一个“果”，又是线缆截面选择是否正确的一个“因”。此即谓互为因果的耦合。 受线缆、变压器特性参数影响的系统参数主要是短路故障参数、损耗参数和电能质量参数等。本章就从电能质量参数介绍开始。第1节 电能质量简介 电能质量，指电力系统实际生产的电能规格与标准电能规格之间的差异，差异越小，质量

2、越好。 描述电能质量的几个主要指标如下。（1）电压偏差。（2）电压波动和闪变。（3）三相不平衡度。（4）谐波。 （5）频率偏差。频率由发输变电系统调节，与供配电系统无关。9.9.1 电压偏差U%100NNUUUU式中：U电网某一点的运行电压； UN该点所在电网的标称电压；电压偏差是位置的函数，一般关注线路首、末端。 国家标准对供电电压和用电电压偏差的允许值做了规定。 供电电压偏差限值指电力企业在PCC点提供的电能的最大允许电压偏差，系产品质量要求。 用电电压偏差限值指用电设备端子处电压偏差，系设备工况要求。定义： 用电设备端子电压偏差允许值用电设备端子电压偏差允许值供电电压偏差允许值供电电压偏

3、差允许值9.1.2 电压波动与电压闪变 电压波动是表达电压快速频繁变化的术语，由电压变动与电压变动频率两个指标衡量其大小。 以半个周波为周期，计算电压的均方根值（即有效值），并将该值与时间的关系绘成曲线，称为电压均方根值曲线。 电压变动d是指电压方均根值曲线上相邻两个极值Umax和Umin之差对系统标称电压UN的百分数。 电压变动频度r则是指单位时间内该曲线变动的次数，单位为s1。如果同一方向若干次变动的间隔时间小于30ms，则算成一次变动。 国家标准对电压波动有限值要求。9.1.3 三相不平衡度 供配电系统的三相不平衡程度常用三相电压不平衡度u来表示。u指三相系统电压负序分量U 与正序分量U

4、 的相对大小，即：%100uUU 在PCC点，供电企业的供电电压三相不平衡度限值为2，短时间可放宽到4；电力用户在该点引起的三相不平衡度限值为1.3。9.1.4 谐波 电力系统中，频率与50Hz成整倍数的正弦波统称谐波，谐波以电压和（或）电流的形式出现。 谐波含量的多少，是电力系统受污染程度的重要指标，也是电能质量的一个重要指标。 表征谐波含量的指标主要有以下三个。 1）谐波含有量。22h)(nnUU22h)(nnII 2）n次谐波含有率。%1001UUHRUnn%1001IIHRInn 3）总谐波畸变率。%1001huUUTHD%1001hiIITHD表表9-5 公共电网谐波电压限值公共电网

5、谐波电压限值电力用户允许注入电力用户允许注入PCC的谐波电流限值的谐波电流限值9.1.5 电能质量与线缆、变压器选择的关系 电压偏差、闪变等都与变压器和线缆的阻抗有关；谐波、三相不平衡度等可能与变压器连接组、铁心结构等有关。 满足电能质量要求，是线缆、变压器选择必须遵守的约束。第2节 线路、变压器电压损失计算 电压降落与电压损失 电压降落：元件首端电压与末端电压的相量差。21UUU 电压损失：元件首端电压与末端电压的代数差，一般以相对值表示。100100%N21NUUUUUu9.2.1 电力线路电压损失计算 1、放射式供电线路的电压损失N，ABabfedco)(21jXRIUU)sincos(

6、333IXIRaeadUNNN)sincos(3UQXPRUIXIRU2NN10100%UQXPRUUu功率单位：kW Kvar电压单位：kV阻抗单位： 2、 树干式配电线路电压损失计算 可近似按各段干线电压损失的代数和计算（即干线功率法），或按各支路负荷单独产生的电压损失代数和计算（即支路功率法）。112222222，1，111112ABCodcba112211112222e=aeab+cdmikiipP，mikiiqQ9.2.2 变压器电压损失计算 变压器为阻抗集中元件，其电压损失计算与线缆相同。因直接引用变压器参数，公式形式不同。TrraT%SQuPuuTrka100%SPu%2a2Tk

7、ruuuua%变压器短路电压的有功分量百分数；ur%变压器短路电压的无功分量百分数； ukT%变压器短路电压百分数。第3节 电压偏差与电压调整 自学。第4节 配电变压器选择 配电变压器主要指10/0.4kV、35/0.4kV和35/0.4kV的降压变压器。9.4.1 配电变压器常见类型及选择 按器芯冷却及绝缘方式，可分为油浸式、气体绝缘式和干式三大类。 油浸式变压器有漏油、爆炸、延燃等缺点，不允许用在位于高层建筑主体内的变配电所。但其价廉、耐过载能力强、成熟度高等优点，使其在工业用户、公用变配电所等场所得到广泛应用。各类变压器性能比较各类变压器性能比较9.4.2 配电变压器参数选择 1、额定电

8、压选择 常规情况：一次额定电压等于所在电网标称电压，二次额定电压等于1.1倍所在电网标称电压。 特殊情况：二次电压等于1.05倍所在电网标称电压，主要用于大容量用电设备的专用变压器，以及所有二次接380V电网的变压器，如10/0.4kV、35/0.4kV等。 2、短路电压选取 短路电压对应着变压器的短路阻抗，该参数选取主要考虑以下两个因素。 1）应满足电压偏差要求，一般选取较小的值是有利的。 2）应满足限制二次短路电流大小的要求，一般选取较大的值是有利的。 以上两条要求是相互矛盾的。 限于低压断路器的开断能力，10/0.4kV变压器大于1600kVA时，低压侧短路电流可能过大，这时对短路电压的

9、选取应做相应的计算。 并联运行变压器也应考虑同样问题。 3、额定容量选取 依据：变压器所承载的计算负荷SC。 特点：目标多样化最高效率、最低造价、最小终身费用等。针对不同的目标，容量选取的方法和结果是不一样的。 1）变压器最高运行效率的探讨。定义变压器负载率为：SC / SrT。 变压器效率为：（PC PT ）/ PC，对该式微分求极值，结论为：当变压器铁损等于铜损时，效率最高，与其相对应的负载率opl约为60。 因此，曾普遍认为，按最高效率选取变压器的计算公式为：SrTSC / opl 。对否？讨论！ 两个误区：（1）已确定因素与待确定因素倒置；（2）恒定与变化混同。 修正后结论：没有一个普

10、遍适用的与最高效率相对应的负载率，具体情况具体分析，大致在4050之间。 2）最低综合能效费用探讨。包括一次投资成本、损耗电费、资金成本等费用的综合，目标是全寿命费用最低。 这是一种技术经济分析方法，核心是在一次投资与损耗电费之间找到最佳平衡点，使降低损耗所节省的电费与加大变压器容量所增加的投资的抵扣值最大化。 该方法的最大问题在于电费和资金利率在整个寿命期内的变化，这种变化是不可控的，通常也是不可预测的。 以上两种方法都存在不可克服的缺陷。作为探讨或方案比较的选项之一是可取的，但不能过分强调它们的工程应用价值。 在节能的大背景下，工程界有将综合能效费用法作为节能的保证无限提高的行为，是不正确

11、的。不仅方法本身存在缺陷，即是方法本身没有缺陷，该方法与节能也不能完全化等号。 3）工程现状采用的方法。 考虑到一次投资、后续发展及计算误差等因素，对于车间变配电所等负荷确切的场所，一般按负载率90%左右选择变压器容量；对于民用建筑，一般按70左右负载率选择变压器容量。9.4.3 配电变压器连接组选择 以10/0.4kV配电变压器Yyn0和Dyn11连接组为例，介绍与连接组相关的问题。 1）不平衡负荷带来的中性点位移问题。 2）谐波拟制问题。 3）单相短路电流与电击防护安全性问题。 4）损耗与节能问题。 5）绝缘与耐压问题。9.4.4 调压方式选择 无调压、无励磁调压与有载调压的选择。有载调压

12、又可分为手动调压和自动调压。 110kV变压器一般采用有载调压，自动手动都可作为选择；35kV可选用有载或无励磁调压，一般为手动。10kV变压器一般采用无励磁调压。9.4.5 工程设计中对变压器选择要考虑的一些因素 1、台数问题 单台大容量or若干台小容量？总负荷量、短路电流与断路器开断能力、电源数量与可靠性、运行灵活性、经济型等。 现状：规范要求10/0.4kV变压器一般不超过1250kVA，实际上一般不超过1600kVA，国内最大者有2500kVA；有一、二及负荷时最少不低于两台（有自备低压电源者除外）；有季节性负荷时将常年负荷与季节性负荷用不同变压器供电。 2、工作方式问题 指多台变压器

13、情况下，各台变压器间相互关系问题。 1）相互独立。 2）工作与备用。一用一备，或同时工作，互为备用。 互为备用时，对容量的选择因特别谨慎，不仅要考虑正常工作时的计算负荷，还应考虑作另一台备用时的计算负荷，但后一种情况负载率可取高限（可高达100）。 3）并列与分列运行。有并列运行要求时，对连接组、同步调压、变比、短路电压等有严格要求。 3）附属设备配置问题。主要指强制散热风扇、温控报警装置、干式变压器防护外罩等的选配。第5章 电力线缆选择 电力线缆包括电力电线（wire）和电力电缆（cable），电力电线又包括绝缘导线和裸导线。现欧盟国家已将绝缘导线和电缆统称电缆。 还有一些特殊类型的电力线，

14、如密集式母线槽、滑触线等。 电力线缆选择是一个非常复杂且重要的问题，在供配电系统中尤其如此，切勿疏忽。9.5.1 线缆的允许载流量 1、允许载流量的概念 约定寿命工作温度发热/散热综合作用。 发热I、R，R导体材料、截面积S； 散热敷设条件。 因此，线缆的允许载流量，是在给定敷设条件下，以满足约定的设计寿命为依据，以工作温度不超过允许值为约束，线缆中允许长期通过的最大电流值，记作Icon。 允许载流量值需由实验测定。 2、表称允许载流量 由业界公认的或法定认可的研究机构、线缆生产厂家等通过试验得出特定条件下的线缆允许载流量数据，并将这些数据向业界发布，称为“表称允许载流量”，简称“表称载流量”

15、。 将给出表称载流量的敷设条件称为“表称敷设条件”。 特别注意：表称载流量与约定的使用寿命有关。约定寿命20年的表称载流量，一般远大于约定寿命50年的表称载流量。 表称载流量是确定一根线缆实际载流量的依据性数据。 3、敷设条件简述 敷设条件本质上是散热条件，主要包括以下几个方面。 1）环境温度。因气象温度是变量，环境温度选取分地上、地下、室内、室外等不同情况取不同的值。敷设部位敷设部位通风条件通风条件择取的环境温度择取的环境温度直埋地直埋地埋深处最热月平均地温埋深处最热月平均地温水下水下最热月日最高水温平均值最热月日最高水温平均值有热源设备厂房有热源设备厂房最热月的日最高温度月平均值另加最热月

16、的日最高温度月平均值另加5，当隧道中电缆数量较多时，还应核算电当隧道中电缆数量较多时，还应核算电缆发热影响缆发热影响隧道、户内电缆沟隧道、户内电缆沟通风不良无机械通风不良无机械通风或通风或隧道、户内电缆沟或户隧道、户内电缆沟或户外明敷有遮阳时外明敷有遮阳时有机械通风或通有机械通风或通风良好风良好最热月日最高温度平均值最热月日最高温度平均值无热源设备厂房无热源设备厂房 2）敷设方式。有明敷、暗敷，穿管敷设、桥架敷设、线槽敷设等，不同敷设方式，散热条件不同。 3）敷设部位。地上、地下、水中、电缆沟、电气竖井等。 4）多根线缆并敷。不仅影响散热条件，多根电缆发热还相互影响。 5）其他媒质管线影响。如

17、热水管、蒸汽管等。 4、线缆实际允许载流量确定 实际工程中，固定布线系统的每根电缆的敷设条件都是固定的，因此其实际允许载流量与表称载流量的差异，就取决于实际敷设条件与表称敷设条件的差异。 工程上以“修正系数”来修正敷设条件不同所带来的线缆允许载流量的变化。 典型的修正系数有：温度修正系数、并敷修正系数、土壤热阻修正系数等。 本质上，修正系数是对散热条件的校正。9.5.2 线缆额定电压选择 电缆和护套线都有两个绝缘，一个是相间绝缘，另一个是相对地绝缘。其额定电压分别用Ur和U0表示，记作U0 / Ur。 Ur应不小于系统标称电压UN。U0 的选取与系统中性点运行方式有关。小接地系统考虑单相接地时

18、非接地相对地电压的升高，应选取高于相电压的值，大接地系统按相电压选取即可。 如：10kV系统电缆，小接地系统可选用8.7/10kV额定电压，大接地系统可选用6/10kV额定电压。前者称为II类电缆，后者称为I类。9.5.3 线缆相导体截面选择 线缆导体截面选择是线缆选择的核心内容，它关系着载流量、短路热稳定、保护灵敏性、节能、电压损失、电击防护、机械强度等多个方面。 1、按长期温升条件选择 给定负荷前提下，导体截面积越小，损耗越大，温升越高。根据允许载流量定义，由温升确定、且与导体截面积正相关的允许载流量应满足以下关系。Ccon II 2、按电压损失校验 这是导体截面积与电能质量的关系，有时还需要考虑电压波动与电压闪变。 按电能质量对电压偏差的要求，确定出允许的电压损失，再计算所选线缆实际电压损失是否满足要求，若不满足，则加大截面再校验。 3、按机械强度校验 业界一般会给出机械强度最低截面要求数据，只要所选线缆截面不小于最低值即可。对于特殊气象条件下或特殊敷设条件下的架空线，则应专门计算。 4、按短路热稳定校验 要求线缆能经受短路电流的热冲击，即：ktCIS(3)maxkmin 计算最大三相短路电流时，短路点的计算应仔细选择。 对于电线，线路上任何一点都可能发