发电厂及变电站电气设备课件

第9电气设备选择教学目的：掌握电器和载流导体发热及电动力效应的计算；掌握电气设备选择的一般选择条件和具体设备选择校验的主要内容；掌握主要设备的选择条件、方法和技巧。复习旧课：⒈保护接地、保护接零的工作原理；⒉影响接地电阻的因素及降低方法。重点：掌握电器和载流导体发热及电动力效应的计算；掌握电气设备选择的一般选择条件和具体设备选择校验的主要内容难点：掌握电器和载流导体发热及电动力效应的计算；掌握设备选择的一般选择条件和具体设备选择校验的主要内容引入新课：9.1电器和载流的导体发热

9.2电器和载流的电动力效应

9.3电气设备选择的一般条件

9.4高压开关电器的选择

9.5母线、电缆和绝缘子的选择9.1电器和载流的导体发热当电器和载流导体通过电流时，有部分电能以不同的损耗形式转化为热能，使电器和载流导体的温度升高，这就是电流的热效应。Q=I2Rt(J)

R=KfRdc式中I——通过的电流(A)；t——电流作用的时间(s)；R——电阻，如为直流电路，即为直流欧姆电阻Rdc；Kf——集肤系数，其大小与电流的频率、导体的形状和尺寸有关，在大截面母线中，其影响往往不可忽略，而对于绞线和空心导线，通常都可以认为Kf=1。电器和载流导体过度发热的影响主要有：⑴机械强度下降。⑵接触电阻增加。⑶绝缘性能降低。9.1.1正常工作情况下持续发热的计算

电器或载流导体在未通过电流时，其温度和周围介质温度相同。当通过电流时，由于发热，使温度升高，并因此与周围介质产生温差，热量将逐步有部分电能以不同的损耗形式转化为热能，使电器和载流导体的温度升高，这就是电流的热效应。对于均匀导体，其持续发热的热平衡方程式是：式中I——通过导体的电流(A)；R——已考虑了集肤系数的导体交流电阻；K——散热系数；A——导体散热表面积m2； ——导体温度；——周围介质温度；m——导体质量(kg)；c——导体比热容；⑴温升起始阶段上升很快，随时间的延长，其上升速度逐渐减小。⑵对于某一导体，当通过不同的电流时，由于发热量不同，稳定温升也就不同。⑶达到稳定温升的时间，从理论上讲应该是无穷大，实际上，当t>(3~4)T时，其温升值即可按稳定温升计算。根据导体持续发热的条件，当导体的稳定温升小于或等于导体持续发热时的允许温升时，可认为是热稳定。可以求出该导体正常运行情况下最大允许电流，即：

铜、铝及钢裸母线持续发热允许温度规定为国为70℃。

9.1.2故障情况下短时发热的计算

故障情况下的短时发热，主要是在系统发生短路故障时。这时通过电器或载流导体的短路电流，其数值比正常工作电流大很多倍。由于短路发热过程很短，可近似认为是一个绝热过程。对于均匀导体，短时发热的热平衡方程式是：式中——短路电流的瞬时值。短路时，由于导体温度的变化范围很大，这时，其电阻和比热容都不是常数。其随温度而变化的关系式是：式中——温度为0时导体电阻率；——温度为0时导体比热容；——导体电阻温度系数；——导体比热容温度系数；l——导体长度(m)；S——导体截面(m2)。

——短路电流周期分量在t内的热效应；——短路电流非周期分量在t内的热效应。短路电流周期分量在内的热效应，可以用发热等值时间法或近似数值积分的方法求得。发热等值时间法，是令：故t>5s时发热等值时间:

50MW以下的发电机短路电流周期分量平均运算曲线作出的，应用于更大容量的发电机，势必产生较大误差。这时最好采用近似数值积分法。求近似数值积分的方法有分段矩形法、分梯形法和抛物线法。上式中的系数依此为1、10、1，故亦简称1—10—1公式。短路电流非周期分量在t(s)内的热效应，可得：9.2电器和载流的电动力效应

载流导体之间将产生电动力的相互作用，有这就是载流导体的电动力效应。载流导体间的作用大小，可用比奥—沙瓦定律计算，即作用于长度为,通过电流为，并位于磁感应强度为，与该磁场的磁力线方向成角的载流导体上的电动力：

其方向可以由左手定则确定短路电流所产生的巨大电动力，对于电器或配电装置具有很大的危害性。如：⑴电器的载流部分可能因为电动力而振动，或者因电动力所产生的应力大于其材料允许应力而变形，甚至使绝缘部件或载流部件损坏。⑵电气设备的电磁绕组，受到巨大的电动力作用，可能使绕组变形或损坏。9.2.1两根平行导导体之间的的电动力当两根平行行导体的电电流方向相相反时，两两根导体之之间将产生生斥力；当当两根平行行导体的电电流方向相相同时，两两根导体之之间将产生生吸力；式中、———通过平平行导体的的电流(A)；l———该段段导体的长长度(m)；a———平行导导体轴线间间的距离(m)。有时两根平平行导体间间的间距，，并不比导导体的几何何尺寸大得得多，这按按上式计算算将产生很很大的误差差。在工程程设计中，，可以用形形状系数K来修正。。9.2.2三相系统中中导体间的的电动力在三相系统统中，作用用于每相导导体上的电电动力，由由该导体中中的电流和和其他两相相导体中电电流所产生生的相互作作用力来决决定。经计计算，三相相系统中中中间相受力力最大。可求得三相相系统三相相短路时电电动力的最最大瞬时值值：可以以此作作为校验母母线电动力力稳定的依依据。计入振动系系数，水平平放置在同同一平面内内的三相交交流系统的的母线，其其最大作用用力是：式中——母线系系统的振动动系数。在进行母线线机械强度度计算时，，可认为母母线一端固固定、受均均匀荷载的的多跨距连连距梁。在这种情况况下，作用用于母线上上的最大弯弯矩式中——相邻两两个支柱绝绝缘子间的的跨距(m)。其最大计算算应力：式中W———母线的截截面系数(m3)，其值与与母线的截截面形状及及布置形式式有关，，可插有关关手册。若母线最大大计算应力力则可以认为为短路时，，母线在电电动力作用用下是稳定定。对于电器设设备，制造造厂提供了了满足电动动力稳定条条件的电流流峰值，，要求保保证：9.3电气设备选选择的一般般条件正确地选择择设备是使使电气主接接线和配电电装置达到到安全、经经济运行的的重要条件件。电气设设备要能可可靠地工作作，必须按按正常工作作条件进行行选择，并并按短路状状态来校验验其动稳定定和热稳定定。9.3.1按正常工作作条件进行行选择导体体和电器9.3.1.1额定电压和和额定最高高工作电压压导体和电器器所在电网网的运行电电压因调压压或负荷的的变化，常常高于电网网的额定电电压，，故所选选电器和电电缆允许最最高工作电电压不不得低于所所接电网的的最高运行行电压，，即即：一般电缆和和电器允许许的最高工工作电压：：当额定电电压在220kV及及以下时为为；；当额定电电压为330~500kV时时为。。而实实际电网运运行的一一般般不超过，，因因此在选择择设备时，，一般可按按照电器和和电缆的额额定电压，，不低于于装置地点点电网额定定电压的的条件件选择，即即：短路电流所所产生的巨巨大电动力力，对于电电器或配电电装置具有有很大的危危害性。如如：⑴电器的载载流部分可可能因为电电动力而振振动，或者者因电动力力所产生的的应力大于于其材料允允许应力而而变形，甚甚至使绝缘缘部件或载载流部件损损坏。⑵电气设备备的电磁绕绕组，受到到巨大的电电动力作用用，可能使使绕组变形形或损坏。。9.3.1.2额定电流导体和电器器的额定电电流是指在在额定周围围环境温度度下下，导导体和电器器的长期允允许电流（（或额额定电流））应应不小于该该回路的最最大持续工工作电流，，即：：由于发电机机、调相机机和变压器器在电压降降低5%时时,出力保保持不变,故其相应应回路的(为为电机的的额定电流流);母联联断路器回回路一般可可取母线上上最大一台台发电机或或变压器的的;母线线分段电抗抗器的应应为为母线上最最大一台台发电机跳跳闸时,保保证该段母母线负荷所所需的电流流;出线回回路的除除考虑线线路正常负负荷电流(包括线路路损耗)外外,还应考考虑事故时时由其他回回路转移过过来的负荷荷。9.3.1.3按当地环境境条件校核核在选择电器器时,还应应考虑电器器安装地点点的环境条条件,当气气温、风速速、湿度、、污秽等级级、海拔高高度、地震震强度和覆覆厚度等环环境条件超超过一般般电器使用用条件时,应向制造造部门提出出要求或采采取相应的的措施。当环境温度度和和导体(或电器)额定环环境温度不不等时,其其长期允许许电流可可按下式修修正：式中K——修修正系数；；——导体或或电气设备备正常发热热允许最高高温度,当当导体用螺螺连接时,。。9.3.2按短路情况况校验9.3.2.1短路热稳定定校验短路电流通通过时,导导体和电电器各部件件温度(或或发热效应应)应不超超过允许值值,即满足足热稳定的的条件为：：或式中——短路电电流产生的的热效应；；——短路时时导体和电电气设备允允许的热效效应；——时间内内允许通过过的短时热热稳定电流流(或短时时耐受电流流)。9.3.2.2电动力稳定定校验电动力稳定定是导体和和电器承受受短路电流流机械效应应的能力,亦称动稳稳定。满足足动稳定的的条件为：：或式中、———短路路冲击电流流幅值及其其有效值；；、———允许许通过稳定定电流的幅幅值和有效效值。下列几种情情况可不校校验热稳定定或动稳定定：(1)用用熔断器保保护的电器器,其热稳稳定由熔断断时间保证证,故可不不验算热稳稳定。(2)采采用有限电电阻的熔断断器保护的的设备可不不验算动稳稳定;电缆缆因足够的的强度,亦亦可不验验算动稳定定。(3)装设在在电压互感器回回路中的裸导体体和电器可不验验算动、热稳定定9.3.2.3短路电流计算条条件为使所选导体和和电器具有足够够的可靠性、经经济性和合理性性,并在一定时时期内适应系统统发展需要,作作验算的短路电电流应按下列条条件确定。(1)容量和和接线。(2)短路种种类。(3)计算短短路点。以P185页图图9-9为例，，将短路计算点点的选择方法说说明如下：(1)发电机机、变压器回路路的断路器。(2)母联断断路器。(3)带电抗抗器的出线回路路。9.3.2.4短路计算时间校验短路热稳定定和开断电流时时，还必须合理理地确定短路计计算时间。验算算热稳定的短路路计算时间为为继电保保护动作时间和和相应应断路器的全开开断计时间之之和，，即：式中——断路器的全全开断计时间，，为固有分闸时时间与燃弧时间间之和。开断电器应能在在最严重的情况况下开断短路电电流，故电器的的开断计算时间间应为为主保护时间和和断路路器固有分闸时时间之之和（固有分分闸时间为为接到分闸闸信号到触头刚刚分离这一段时时间），即：9.4高压开关电器的的选择高压断路器、隔隔离开关及高压压熔断器可按照照表里9-4各项进行选择和和校验。9.4.1高压断路器选择择9.4.1.1高压断路器种类类和型式的选择择高压断路器应根根据断路器安装装地点、环境和和使用技术条件件等要求选择其其种类和型式。。目前，广泛采采用真空断路器器和SF6断路器。9.4.1.2按开断电流选择择高压断路器的额额定开断电流应应满足：式中——高压断路器器触头实际开断断瞬间的短路电电流周期分量有有效值。当断路器的额定定开断电流较系系统的短路电流流大很多时，为为简化计算，也可用次暂暂态电流进行选选择，即。。对于中、慢速断断路器，由于开开断时间长，可可用上述公式计计算，对于使用用快速保护和高高速断路器者，，其开断时间小小于0.1s，，当在电源附近近短路时，短路路电流的非周期期分量可能超过过周期分量的20%，因此其其开断短路电流流应计及非周期期分量的影响。。短路全电流应应按下式计算：：式中———开断断瞬间的短路电电流周期分量有有效值，当开断时间小于于0.1s时，，；；——开断计算时时间（s）；——非周期分量量衰减时间常数数（rad）；；——电源至短路路点等效总电抗抗（令r=0））；——电源至短路路点等效总电阻阻（令x=0））。9.4.1.3短路关合电流的的选择为了保证断路器器在关合短路时时的安全，断路路器的额定关合合电流不应小于短路电电流最大冲击值值，，即：一般断路器额定定电关合电流不不会大于额定动动稳定电流c，因此，，则则。。高压断路器的操操动机构，大多多数是由制造厂厂配套供应，仅仅部分断路器有有电磁式、弹簧簧识或液压等几几种型式的操动动机构可供选择择。9.4.2隔离开关的选择择隔离开关的选择择和校验条件如如表9-4所示。屋外隔离离开关的型式较较多，它对配电电装置的布置和和占地面积等有有很大影响，因因此，其型式应应根据配电装置置的布置特点和和使用要求等因因素，进行综合合技术经济比较较确定。以例9-1为例进行说明。。9.4.3高压熔断器选择择高压熔断器的选选择、校验条件件和计算公式如如表表9-4所示。在选择时时应注意以下几几点：9.4.3.1按额定电压选择择对于一般的高压压熔断器，其额额定电压必须大大于或等于电网网的额定电压。。另外对于充石石英砂有限流作作用的熔断器，，则只能用在等等于其额定电压压的电网中因为为这种类型的熔熔断器能在电流流达到最大值之之前就将电流截截断，致使熔断断器熔断时产生生过电压。9.4.3.2按额定电流选择择熔断器的额定电电流，包括熔断断器熔管的额定定电流和熔体的的额定电流的选选择。(1)熔管额额定电流的选择择。为了保证熔熔断器壳体不致致损坏，高压熔熔断器的熔管的的额定电流，，应大于或等于于熔体的额定电电流：：(2)熔体额定电流的的选择。为了防防止熔体在通过过变压器励磁涌涌流和保护范围围以外的短路及及电机自起动等等冲击电流时误误动作，保护35kV以下电电力变压器的高高压熔断器，其其熔体的额定电电流可按下式选选择：式中K———可靠系数，，不计电动机自自起动时，，，考虑虑电动机自起起动时，；；——电力变压器器回路最大工作作电流。用于保护电力电电容器的高压熔熔断器的熔体，，当系统电压升升高或波形畸变变引起回路电流流增大或运行过过程中产生涌流流时不应误熔断断，其熔体按下下式选择：式中K———可靠系数，，对限流高压熔熔断器，当一台电力电容容器时，，，当一组电力电容容器时时，；；——电力电容器回路路的额定电流。。9.4.3.3熔断器开断电流流校验（或对于没有限流作作用的熔断器，，选择时用冲击击电流的有效值值进进行校验；对对于有限流作用用的熔断器，在在电流最大值之之前已截断，故故不计非周期分分量影响，而采采用进进行校验验。9.4.3.4熔断器选择性校校验为了保证前后两两级熔断器之间间或熔断器与电电源（或负荷））保护之间动作作的选择性，应应进行熔体选择择性校验。对于保护电压互互感器用的高压压熔断器，只需需按额定电压及及断流容量两项项来选择。9