电力系统设计-电气设备的选择(导线、电缆)

1、第四讲 电气设备的选择一、导体发热和短路电动力1、导体发热及短路电动力的危害 电阻损耗、介质损耗、磁滞和涡流损耗-发热 短路电动力超过允许值-导体变形或损坏 2、导体最高允许发热温度正常最高允许工作温度 主要决定于系统接触电阻的大小。一般裸导体70计及太阳辐射影响时的钢芯铝绞线、管形导体按照80；导体接触面镀锡85。短时最高允许温度 主要决定于短时发热过程中导体机械强度的大小、介质绝缘强度的大小。硬铝及铝锰合金200，硬铜300。钢构的最高允许温度 人可触及的钢构为70，人不可触及的钢构为100，混凝土中的钢筋为80 3、导体的长期发热 导体长期发热-导体长期通过工作电流时的发热过程。目的-计

2、算导体长期允许电流，研究提高导体长期允许电流的措施热平衡方程： QR = QW + QCQr （W/m）导体通过电流I后，导体的温度将由初始温度开始上升。导体由于电阻损耗产生的热量QR，一部分用于本身温度升高所需的热量QW，一部分以对流和辐射的形式散失到周围的介质中热量（QCQr）。 导体的温升变化曲线-导体的温升 =-0 i -导体的初始温升 i=i-0s -导体的稳定温升 Tt-导体的发热时间常数 导体的长期发热的特点1）导体通过电流I后，温度开始升高，经过（34）倍Tt(时间常数)，导体达到稳定发热状态；2）导体升温过程的快慢取决于导体的发热时间常数，即与导体的吸热能力成正比，与导体的散

3、热能力成反比，而与通过的电流大小无关；3）导体达到稳定发热状态后，由电阻损耗产生的热量全部以对流和辐射的形式散失掉，导体的温升趋于稳定，且稳定温升与导体的初始温度无关。 导体的载流量 当导体温度为导体正常工作最高允许温度70、环境温度为额定环境温度25时，可计算出各种标准截面导体的长期允许载流量。 如LGJ-120型导线的长期允许载流量为380A，10010mm2矩形导体单条平放时的长期允许载流量为1663A，竖放时为1807A。 提高导体载流量的措施 1）减小交流电阻：采用电阻率小的材料如铜、铝；增大导体的截面； 接触表面镀锡、镀银等以减小接触电阻，提高导体长期发热最高允许温度； 2）增大复

4、合散热系数：改变导体的布置方式，导体表面涂漆等； 3）增大散热面积。 4、导体的短时发热 导体的短时发热-短路开始到短路切除为止很短一段时间内导体的发热过程。目的-确定导体可能出现的最高温度，进而研究导体的热稳定性 。短时发热的特点由于发热时间短，可认为电阻损耗产生的热量QR来不及散失，全部用于使导体温度升高所需的热量QW，即认为导体短时发热基本上是一个绝热的过程，且导体温度变化很大，电阻和比热容随温度而变化。 QR QW (W/m) -短路电流的热效应导体短路开始（t=0s)温度i -短路故障切除（t=tk)温度f i- Ai - Ai+ Qk/s2 - Af -f 根据f 判断导体的热稳定

5、性短路电流热效应 QK = Qp + Qnp Qp -周期分量的热效应 Qnp-非周期分量的热效应 T-非周期分量等效时间（s） tK-短路电流切除时间（s）当短路电流切除时间超过1秒时，发热主要由周期分量决定，可忽略非周期分量的影响。5、导体短路的电动力 平行载流导体间的电动力 F -两平行载流导体间的电动力（N）；Kf -导体截面形状系数，对圆形导体，形状系数Kf 1，矩形或槽形导体的形状系数可查曲线或查表获得；L - 导体的长度（m）；i1 、i2-分别通过两导体的电流（A） 三相导体短路的电动力 比较三相短路故障、两相短路故障情况下各相导体遭受短路电动力：三相短路A相的最大电动力三相短

6、路B相的最大电动力两相短路最大电动力最大短路电动力三相导体最大短路电动力出现在三相短路故障后的0.01s，作用在中间B相导体振动的动态应力导体发生振动时，内部产生动态应力（N） -动态应力系数，与导体的固有振动频率有关二、导体和电器选择的一般原则各类电器设备选择遵循的共同原则是： 按正常工作条件进行选择； 按短路状态校验热稳定和动稳定。 1、按正常工作条件选择电器设备 额定电压 UN UNS UN-电器设备额定电压； UNS -电网额定电压额定电流 IN Imax IN -电器设备在额定环境温度下的长期允许电流 Imax -电器所在回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流 当地环境条件校验

7、典型回路最大持续工作电流Imax的计算方法 发电机回路-1.05倍发电机额定电流变压器回路 -1.05倍变压器额定电流 -1.32.0倍变压器额定电流 电动机回路 -电动机额定电流 单回路出线-线路最大负荷电流 双回路出线-1.22.0倍一回线的正常最大负荷电流 带电抗器出线 -电抗器额定电流 角形与一台半断路器接线回路出线-两个相邻回路正常负荷电流桥型接线出线-最大元件负荷电流 主母线、母联回路 -母线上最大一个电源元件的计算电流 母线分段回路 -分段电抗器额定电流或相邻两段母线上最大一台发电机额定电流的5080 旁路回路 -需旁路的回路最大额定电流 2、按短路情况校验 短路热稳定校验 I

8、t2 t Qk Qk-短路电流产生的热效应；It 、t-电器允许通过的热稳定电流和时间电动力稳定校验 ies ish 或 Ies Ish ish 、Ish -短路冲击电流幅值和有效值； ies 、Ies -电器允许通过的动稳定电流的幅值和有效值。 不需要校验热稳定或动稳定的情况a. 用熔断器保护的电器可不验算热稳定。b. 采用有限流电阻的熔断器保护的设备可不校验动稳定。c. 装设在电压互感器回路中的裸导体和电器可不验算热稳定和动稳定。 3、短路电流计算条件 1）容量和接线 按本工程的最终容量计算，并考虑本工程建成后510年的电力系统远景发展规划，按可能发生最大短路电流的正常接线方式进行短路计算

9、。2）短路种类 一般按三相短路进行验算。3）选择短路计算点 在短路计算接线中，选择通过电器的短路电流为最大的点为短路计算点。 发电机出口断路器：比较K1和K2点短路时，哪种情况通过QF1的短路电流大。母联QF5：考虑母联断路器QF5向备用母线充电时，备用母线故障，即K4点短路时，流过母联断路器的短路电流最大。带电抗器的610KV出线回路：由于干式电抗器可靠性高，且断路器QF4与电抗器间的连线很短，故障几率小，导体和电器设备的短路计算点，一般不选K7，而应选K8。主变低压侧QF3：可能出现的短路点和运行方式很多，当变压器高压侧QF6断开而K3点短路时最严重。类似的，选择QF6，应为QF3断开，K

10、5点短路。分段断路器QF7：当主变T1退出运行而相应母线段K1点发生短路时最严重。母线至母线隔离开关前的引线和套管：应选择母线段K7点。 4）短路计算时间 验算热稳定的计算时间 tk = tpr + tab ta b = tin + ta tp r-后备保护动作时间；ta b-断路器全开断时间；ti n-断路器固有分闸时间；ta -断路器开断时，电弧持续时间，对SF6和压缩空气断路器约为0.020.04s。开关电器的开断时间tb r = t p r1 + tin t p r1-主保护动作时间tin -断路器固有分闸时间 三、导体、电缆、绝缘子和套管的选择 1、裸导体的选择1）导体材料、类型和敷

11、设方式2）导体截面选择按长期发热允许电流选择 Imax KIal Imax -导体所在回路的最大持续工作电流 Ial -在额定环境温度25度时导体允许电流 K -与实际环境温度和海拔相关的综合修正系数。 按经济电流密度选择经济电流密度J-对应不同类型的导体和不同的最大负荷利用小时数Tmax ，有一个年计算费用最低的电流密度，称为经济电流密度。按经济电流密度选择导体截面可使年计算费用最低。导体的经济截面： S = Imax / J 注意：尽量选择接近的截面，若无合适规格的导体，选小于经济截面的导体。按经济电流密度选择的导体截面，其允许电流必须大于导体的最大持续工作电流。3）电晕电压校验 对110

12、KV以上的裸导体，按晴天不发生全面电晕条件校验： Ucr Umax Ucr -裸导体的临界电压 Umax -最高工作电压 4）热稳定校验 S Smin S -所选导体截面；Smin -由热稳定决定的导体最小截面；QK -短路电流热效应；Ks-导体的集肤系数；C -热稳定系数，与导体材料和工作温度相关。 5）硬导体的动稳定校验 al -导体应力（Pa） al -导体材料允许应力（Pa） 单条矩形导体应力的计算 假定导体为自由支撑在绝缘子上的多跨距、匀载荷梁，在电动力的作用下，导体所受的最大弯矩M为： fph - 单位长度导体上所受相间电动力（N/m）； l - 导体支柱绝缘子间的跨距（m）导体最

13、大相间计算应力 ： W-导体对垂直于作用力方向轴的截面系数 施工中常根据材料最大允许应力来确定绝缘子间的最大允许跨距： 6）共振频率校验 对于发电机、变压器及汇流母线等重要回路的导体应进行共振校验f1-自振频率，一般取160HZE-导体材料的弹性模量（Pa）I-导体断面二次矩（m4）Nf-频率系数，与导体连续跨数和支撑方式有关L-跨距（m）m-导体单位长度的质量(kg/m) 需要进行共振校验的固有振荡频率范围 单条导体及一组中的各条导体35135HZ多条导体及有引下线的单条导体35155HZ槽形和管形导体30160HZ2、电力电缆的选择 1）电缆芯线材料及型号的选择 2）电压选择 3）截面选择

14、 电力电缆截面一般按长期发热允许电流选择，当电缆的最大负荷利用小时数超过5000小时，且长度超过20米时，应按经济电流密度选择。与裸导体不同之处在于修正系数与敷设方式和环境温度有关。敷设时电缆应保持一定的弯曲半径。4）允许电压降校验 对供电距离较远、容量较大的电缆线路，应校验其电压损失，一般应满足电压降不超过5%。 U -线路工作电压； L-线路长度； cos-功率因数； r、x-电缆单位长度的电阻和电抗 5）热稳定校验 由于电缆芯线一般是由多股绞线构成，截面在400mm2以下时，集肤系数Ks近似为1，满足电缆热稳定的最小截面为：Qk -短路电流的热效应 C-电缆的热稳定系数 3、绝缘子、穿墙

15、套管的选择 支柱绝缘子应按额定电压和类型选择，并进行短时动稳定校验；穿墙套管应按额定电压、额定电流和类型选择，按短路条件校验热稳定和动稳定。母线型穿墙套管因本身无导体，不必按额定电流选择和校验热稳定，只需保证套管的型式与穿过母线的尺寸相配合。 1）按额定电压选择绝缘子和穿墙套管 UN UNS UN-支柱绝缘子或穿墙套管的额定电压 UNS -电网额定电压 2）按额定电流选择穿墙套管 K IN Imax Imax -所在回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流 IN -穿墙套管的额定电流 K -温度修正系数 3） 穿墙套管的热稳定校验 I t2 t Qk Qk-短路电流产生的热效应 It 、t-

16、套管允许通过的热稳定电流和时间 4）支持绝缘子和套管的动稳定校验 F 0.6 Fde F -短路时作用在支柱绝缘子或穿墙套管的电动力Fde -支柱绝缘子或穿墙套管的抗弯破坏负荷在校验35KV及以上水平安装的支柱绝缘子的机械强度时，应计及绝缘子的自重、母线重量和短路电动力的联合作用。 设备的选择，参考发电厂电气部分第四章、第五章有关例题。补充：静定梁内力的计算梁：建筑结构中以弯曲为主要变形的杆件支座：将梁与地面或其他固定连接结构连接起来的装置 可动铰支座 简支梁 支座种类 固定铰支座 静定梁 悬臂梁 固定支座 外伸梁 静定多跨梁可动铰支座：允许梁水平移动和绕支点转动，不允许梁端竖直方向移动。梁上

17、有载荷作用时，支座产生竖直方向反力。固定铰支座：允许梁绕支点转动，但不允许梁端竖直和水平方向移动。梁上有载荷作用时，支座产生竖直方向反力和水平方向反力。固定支座：梁端不可能产生竖直和水平方向移动，不能转动。在载荷作用下，梁端一般产生水平反力、竖向反力和反力偶。静定梁：梁的约束反力可以用静力学平衡方程计算得到，这些约束反力的数值与梁的形变无关。（古典力学）超静定梁：作用在梁上的约束反力的数目超过静力学平衡方程数目，须用基于梁形变的方程补充。(弹性力学)剪力：切于横截面的力，作用线通过截面形心与外力平行。弯矩：力偶面与横截面垂直的内力偶距。杆件强度的计算 -拉伸压缩、剪切、扭转、弯曲强度许用应力：各