发电厂电气设备的选择及其校验4

一摘要变电站在电力的生产和分配起到了非常重要的作用,现如今我们学习和了解变电站的结构和运行对电力资源的可持续发展有着重要的意义。随着经济的快速发展,我国对电力需求迅速增长,由于产业结构调整和居民生活水平的提高,第三产业和居民生活用电比重上升,制冷制热负荷大幅度增加,使得电网规模不断扩大,高电压、大机组、长距离输电、电网互联的趋势,使电网结构越来越复杂。常规变电站的二次部分主要由四大类装置组成:继电保护、故录波、就地监控和远动。进行对变电所的介绍,了解变电所电气设备的选择原则以及校验过程。学习变压器是变电所的主要设备的原因,电压高低与绕组匝数成正比,电流则与绕组匝数成反比。开关设备,它包括断路器、隔离开关、负荷开关、高压熔断器等都是断开和合上电路的设备。电压互感器和电流互感器,它们的工作原理和变压器相似,它们把高电压设备和母线的运行电压、大电流即设备和母线的负荷或短路电流按规定比例变成测量仪表、继电保护及控制设备的低电压和小电流。用来限制短路电流的限流电抗器一般选用NKL系列铝线电抗器或FFL系列,电抗器的原理、选择及校验过程关键词:变电所；变压器；断路器；隔离开关；母线；绝缘子；电抗器；变压器；断路器；隔离开关；母线；绝缘子；电抗。二前言随着规模电力系统迅速发展和生产管理的高度集约化,变电所在电力产业的一个重要位置。变电所是把一些设备组装起来,用以切断或接通、改变或者调整电压,在电力系统中,变电所是输电和配电的集结点,变电所主要分为:升压变电所,主网变电所,二次变电所,配电站。变电所是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施,它通过其变压器将各级电压的电网联系起来。1.华北电业管理局组编

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《变电运行技术问答》

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中国电力出版社

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1976年11月第1版

刘光源主编

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《电工类实用手册大系

实用维修电工手册(第二版)》

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上海科学技术出版社

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1993年12月第1版

2.金续曾主编

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《实用电气控制线路图册》

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中国电力出版社

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1999年9月第1版

3.上海市电子电器技术学会主编,《常用高低压电器手册》,上海科学技术出版社出版,1992年8月第1版

4.《电工手册》编写组,《电工手册》,上海科学技术出版社出版,1994年11月第3版

1一主要电气设备的分类根据电气设备在运行中所起的作用不同,通常将它们分为电气一次设备和电气二次设备。1.1电气一次设备直接参与生产、传输、交换、分配和消耗电能的设备成为电气一次设备,主要有:经行电能生产和变换的设备,如发电机、电动机、变压器等。（2)接通、断开电路的开关电器,如断路器、隔离开关、自动空气开关、接触器、熔断器等。(3)限制过电流或过电压的设备。如限流电抗器、避雷器等。(4)将电路中的电压和电流降低,供测量仪表和继电保护装置使用的变换设备,如电压互感器、电流互感器。(5)载流导体及其绝缘设备,如母线、电力线缆、绝缘子、穿墙套管等。(6)为电气设备正常运行及人员、设备安全而采取的相应措施,如接地装置等。1.2电气二次设备为了保证电气一次设备的正常运行,对其运行状态进行测量、监视、控制、调节、保护等的设备成为电气二次设备主要有:各种测量表计,如电流表、电压表、有功功率表、无功功率表、功率因数表等。(2)各种继电保护及自动装置。（3）直流电源设备,如蓄电池、浮充电装置等。1.2各种电气设备的概念1变压器变压器是变电所的主要设备,分为双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器即高、低压每相共用一个绕组,从高压绕组中间抽出一个头作为低压绕组的出线的变压器。电压高低与绕组匝数成正比,电流则与绕组匝数成反比。变压器按其作用可分为升压变压器和降压变压器。前者用于电力系统送端变电所,后者用于受端变电所。变压器的电压需与电力系统的电压相适应。为了在不同负荷情况下保持合格的电压有时需要切换变压器的分接头。按分接头切换方式变压器有带负荷有载调压变压器和无负荷无载调压变压器。有载调压变压器主要用于受端变电所。2断路器断路器按其使用范围分为高压断路器和低压断路器,高低压界线划分比较模糊,一般将3kV以上的称为高压电器。低压断路器又称自动开关,俗称"空气开关"也是指低压断路器,它是一种既有手动开关作用,又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能,不频繁地启动异步电动机,对电源线路及电动机等实行保护,当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路,其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。3隔离开关隔离开关隔离开关是高压开关电器中使用最多的一种电器,顾名思义,是在电路中起隔离作用的它本身的工作原理及结构比较简单,但是由于使用量大,工作可靠性要求高,对变电所、电厂的设计、建立和安全运行的影响均较大。刀闸的主要特点是无灭弧能力,只能在没有负荷电流的情况下分、合电路。4互感器互感器分为电流互感器和电压互感器,它们既是电力系统中一次系统与二次系统间的联络元件,同时也是隔离元件。它们将一次系统的高电压、大电流,转变为低电压、小电流,供测量、监视、控制及继电保护使用。5电抗器电抗器用来限制短路电流的限流电抗器一般选用NKL系列铝线电抗器或FFL系列铝线分裂电抗器。变电站还装有防雷设备,主要有避雷针和避雷器。6母线母线为了汇集、分配和传输电能,常常需要设置母线。变电所的母线分为发电机出口母线、发电机电压(汇流)母线和升高电压(汇流)母线。7高压熔断器高压熔断器应根据额定电压、额定电流、型式种类、开断电流、保护的选择性等进行选择。8防雷保护装置防雷保护装置变电站还装有防雷设备,主要有避雷针和避雷器。避雷针是为了防止变电站遭受直接雷击将雷电对其自身放电把雷电流引入大地。9绝缘子绝缘子是一种特殊的绝缘控件,能够在架空输电线路中起到重要作用二各种设备的选择原则正确选择电气设备是电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电器选择时,应根据工程实际情况,在保证安全、可靠的前提下,积极而稳妥地采用新技术,并注意节省投资,选择合适的电气设备。尽管电力系统中各种电器的作用和工作条件并不一样,具体选择方法也不完全相同,但对它们的基本要求确是一致的。电气设备要可靠地工作,必须按正常工作条件进行选择,并按短路状态来校验动、热稳定性。本设计,电气设备的选择包括:断路器和隔离开关的选择,电流、电压互感器的选择、导线的选择。2.1电气设备选择的一般规则2.1.1应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求,并考虑远景发展。2.1.2应按当地环境条件校核。2.1.3应力求技术先进和经济合理。2.1.4与正个工程的建设标准应协调一致。2.1.5同类设备应尽量减少品种。2.1.6用新的产品均应有可靠的试验数据,并经正式鉴定合格。2.2按正常工作条件选择设备2.2.1按使用环境选择设备一般高电压电气设备可在环境温度为-30度到+40度的范围内长期正常运行。当使用环境温度低于-30度时,应选用适合高寒地区的产品:若使用环境温度超过+40度时,应选用型号后带"TA"字样的产品。一般高电压设备可在温度为+20度,相对温度为90%的环境下长期正常运行,当环境的相对湿度超过标准时,应选用型号后带“TH”字样的是热带型产品。2.2.2按污染情况选择设备安装在污染严重,有腐蚀性物质、烟气、粉尘等恶劣环境中的电器设备,应选用防污染型产品或将设备布置在室外。2.2.3按海拔高度选择设备一般电气设备的使用条件为不超过1000M。当用在高原地区时,用于气压较低,设备的外绝缘水平将相应下降。因此,设备应选用高原型产品或外绝缘提高一级的产品。现行电压等级为110V及以下的设备,其外绝缘都有一定的裕度,实际上均可使用在海拔不超过2000M的地区。2.2.4按安装地点选择设备配电装置为室内布置时,设备应选用户内式:配电装置为室外布置时:设备则选用户外式。此外,还应考虑地形、地质条件以及地震影响。2.3各种设备的选择原则2.3.1变压器变压器容量的选择是一个全面、综合性的技术问题,没有一个简单的公式可以表示。变压器容量的选择与负荷种类和特性、负荷率、需要率、功率因数、变压器有功损耗和无功损耗、电价(包括基本电价)、基建投资、(包括变压器价格及安装土建费用和供电贴费)、使用年限、变压器折旧、维护费以及将来的计划等因数有关。变压器容量的基本估算变压器容量的基本估算主要有以下三种方面。1利用计算负荷法估算先求出变压器所要供电的总计算负荷,然后按下式估算。变压器总容量=总计算负荷+考虑将来的增容裕量。2利用最经济运行效果法估算所选择的变压器,其最佳经济负荷和实际使用负荷相等或接近,即:变压器容量约等于S/贝塔m,式中S--实际使用负荷,KVA;贝塔m--所选择变压器最高效率时的负荷率。按上式选择的变压器容量往往偏大,按最高效率相应的的负荷率贝塔m所选择的变压器在最高效率的工况下运行,不一定会使企业得到最好的经济效益。这是由于没有综合考虑影响经济选择企业变压器的各种因数的缘故。3按年电能损耗最小法选择变压器该方法适用于不同的企业性质和生产班制及负荷曲线的场合,它是根据年电能损耗最小为原则来选择变压器容量的,因此,从节能角度看较合理。计算结果表明,变压器容量应在使用负荷和最高经济负荷之间进行选择。一班制企业,可按使用负荷选择变压器容量,也可略留裕量；二班间断和三班间断的企业,可分别按比例使用负荷高一级和二级左右的容量选择变压器；三班连续制企业,可按最经济负荷选择变压器。然而该方法只考虑年电能损耗最小这一点,还未考虑其他因数,因此,还是不全面的。按变压器年电能损耗最小和运行费用最低、并综合考虑变压器装设的投资来确定变压器安装容量,才是经济合理的。2.3.2断路器断路器的选择内容包括:1选择型式断路器型式的选择,应在全面了解其使用环境的基础上,结合产品的价格和已运行设备的使用情况加以确定。2选择额定电压所选断路器的额定电压应大于或等于安装处电网的额定电压。3选择额定电流若实际使用地点的关键温度不同于给定标准值时,应注意对断路器额定电流进行修正。4校核额定开断能力5校核动稳定6校验热稳定2.3.3隔离开关隔离开关选择方法可参照断路器,其内容包括:1选择型式2选择额定电压3选择额定电流4校核动稳定5校验热稳定2.3.4互感器选择电流互感器时,首先要根据装设地点、用途等具体条件确定互感器的结构类型、准确等级、额定电流比;其次要根据互感器的额定容量和二次负荷计算二次回路链接导线的截面积;最后校验其动稳定和热稳定。1结构和准确度的确定2额定电压的选择3额定电流的选择及额定电流比的确定4二次回路链接导线截面积的计算5热稳定校验6动稳定校验电流互感器的选择和配置应按下列条件:(1)型式：电流互感器的型时应根据使用环境条件和产品情况选择。对于6~20KV屋内配电装置,可采用瓷绝缘结构和树脂浇注绝缘结构的电流互感器。对于35KV及以上配电装置,一般采用油浸式瓷箱式绝缘结构的独立式电流互感器。有条件时,应尽量采用套管式电流互感器。一次回路电压:UN≥UNs(3)一次回路电流:I1N≥Imax（4）准确等级:要先知道电流互感器二次回路所接测量仪表的类型及对准确等级的要求,并按准确等级要求高的表计来选择。（5）二次负荷：互感器按选定准确级所规定的额定容量S2N应大于或等于二次侧所接负荷I22NZ2L,即S2N≥I22NZ2LZ2L=ra+rre+rL+rc式中,ra、rre分别为二次侧回路中所接仪表和继电器的电流线圈电阻(忽略电抗);rc为接触电阻,一般可取0.1Ω;rL为连接导线电阻。(6)动稳定:内部动稳定校验式为:ies≥ish或
I1NKes≥ish式中ies、Kes—电流互感器的动稳定电流及动稳定电流倍数,有制造厂提供。外部动稳定校验式为Fal≥0.5×1.73×10-7i2sh(N)式中Fal—作用于电流互感器瓷帽端部的允许力,有制造厂提供;
—电流互感器出现端至最近的一个母线支柱绝缘子之间的跨距;a—相间距离;0.5—系数,表示互感器瓷套端部承受该跨上电动力的一半。（7）热稳定：电流互感器热稳定能力常以1s允许通过的热稳定电流It或一次额定电流I1N的倍数Kt来表示,热稳定校验式为I2t≥Qk或(KtI1N)2≥Qk2.3.5电抗器按额定电压选择一般选择电抗器额定电压与安装处电网额定电压相同。选择电抗器的额定电流必须大于可能流过电抗器的最大长期工作电流。电抗器基本设有过载能力,选择时应有适度裕度。2.3.6母线母线的选择内容包括①确定母线的材料、截面形状、布置方式②选择母线的截面积③校验母线的动稳定和热稳定④.对重要的和大电流的母线,校验其共振频率⑤对110kv以上的母线,还应交验能否发生电晕2.3.7高压熔断器保护电压互感器的高压熔断器保护电压互感器的高压熔断器,一般选择RN2型,其额定电压应高于或等于所在电网的额定电压(但限流式则只能等于电网电压),额定电流通常均为0.5A保护一般回路的熔断器①熔体的额定电流应为回路负荷电流的1.5-2.5倍②熔断器的额定电流应大于熔体的额定电流。③上、下级熔断器的安-秒特性要互相配合。2.3.8防雷保护装置在发电厂中,户外布置的电力变压器、配电装置、发电机电压引出线,以及油处理室、露天油罐、主变压器修理间等,均应装设直击雷保护装置。主厂房、主控制室和35kv以下的户内配电装置,一般不需设置直击雷保护装置,仅将其屋顶金属结构接地即可。2.3.9绝缘子绝缘子支柱绝缘子应按安装地点和额定电压选择,并进行短路动稳定校验。注:相同字母表示差异不显著,相邻字母者表示差异显著,相隔字母者表示差异极显著2.4按正常工作条件选择电器(1)额定电压和最高工作电压所选用的电器允许最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压,即Ualm≥Usm。一般电器允许的最高工作电压:当额定电压在220KV及以下时为1.15UN;额定电压是330~500KV时是1.1UN。而实际电网的最高运行电压Usm一般不会超过电网额定电压的1.1UNs,因此在选择电器时,一般可按电器额定电压UN不低于装置地点电网额定电压UNS的条件选择,即UN≥UNs(2)额定电流电器的额定电流IN是指在额定周围环境温度θ。下,电器的长期允许电流。IN不应该小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax,即IN≥Imax由于发电机、调相机和变压器在电压降低5%时,出力保持不变,故其相应回路的Imax为发电机、调相机或变压器的额定电流的1.05倍;若变压器有过负荷运行可能时,Imax应按过负荷确定;母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机或变压器的Imax;母线分段电抗器的Imax应为母线上最大一台发电机跳闸时,保证该段母线负荷所需的电流,或最大一台发电机额定电流的50%~80%;出线回路的Imax除考虑正常负荷电流外,还应考虑事故时由其他回路转移过来的负荷。此外,还与电器的装置地点、使用条件、检修和运行等要求,对电器进行种类和形式的选择。(3)按当地环境条件校核在选择电器时,还应考虑电器安装地点的环境（尤须注意小环境）条件,当气温,风速,温度,污秽等级,海拔高度,地震列度和覆冰厚度等环境条件超过一般电器使用条件时,应采取措施。我国目前生产的电器使用的额定环境温度θ0＝＋40℃,如周围环境温度高于＋40℃（但≤＋60℃）时,其允许电流一般可按每增高1℃,额定电流减少1.8％进行修正,当环境温度低于＋40℃时,环境温度每降低1℃,额定电流可增加0.5％,但其最大电流不得超过额定电流的20%。三高压电路器的选择及校验过程3.1高压断路器的选择要求:3.1.1形式选择:选择高压断路器的形式与安装场所、配电装置的结构等条件有关,同时还应考虑开断时间、频度,使用寿命等技术参数。根据我国目前高压断路器的生产情况,一般配电装置中6~35kV选用真空断路器,35kV也可选用。3.1.2按额定电压选择:断路器的额定电压不小于装设断路器的回路所在电网的额定电压,一般在10kV及以上装置中选择两者相同。即:UN≧Uew3.1.3按额定电流选择:断路器的额定电流不小于装设断路器回路的最大持续工作电流。即:IN≧Imax1.3.1位于变压器的高压侧Imax=1.05In(变压器高压侧绕组的额定电流)1.3.2位于变压器的低压侧Imax=1.05In(变压器低压侧绕组的额定电流)3.1.4按额定开断电流选择:断路器额定开断电流不小于断路器触头刚刚分开时所通过的短路电流。3.1.5校验动稳定:断路器的额定峰值耐受电流(ip)不小于通过断路器的最大三相短路冲击电流。即:ip≧i(3)im3.1.6校验热稳定:断路器允许的最大短路热效应(I2t×t)不小于短路热效应(Qk)即:I2t×t≧Qk3.2110KV断路器的选择与校验:110kV断路器的选择(1)额定电压:Ue=110kV(2)额定电流:Ie>本变电站最大长期工作电流Igmax(考虑变压器事故过负荷的能力40%)(3)查电气设备手册选择断路器型号及参数如表11-1表11-1型号数量技术参数额定电流I(A）额定开断电流(KA）动稳定电流(kA)4秒热稳定电流(kA)LW25-110/100031000256325(4)校验:①Ue=110kV=UN②I=1000A>480.6A③额定开断电流校验:110kV母线三相稳态短路电流=4.1KALW25-110/1000断路器的额定开断电流＝25KA符合要求。④动稳定校验:110kV母线短路三相冲击电流=10.455(kA)LW25-110/1000断路器的动稳定电流Igf=63(kA)<Igf符合动稳定要求⑤热稳定校验:110kV母线短路热容量:Qdt=
2tep=72.16(kA2S)LW25-110/1000断路器的4秒热稳定电流:It=25(kA)It2t=252×4=2500(kA2S)2tep<It2t符合热稳定要求⑥温度校验:LW25-110/1000断路器允许使用环境温度:-40℃～40℃本变电站地区气温:-12℃～38℃,符合要求。通过以上校验可知,110kV侧所选LW25-110/1000断路器完全符合要求。3.3主变35kV侧断路器及分段断路器的选择(1)额定电压:Ue=35kV（2）额定电流:Ie>本变电站35KV母线最大长期工作电流Igma(3)查电气设备手册选择断路器型号及参数如表11-2表11-2型号数量技术参数额定电流I(A）额定开断电流(KA）动稳定电流(kA)4秒热稳定电流(kA)LW6-35/125031250256325校验：①Ue=35kV=UN②I=1250A>Igmax=316A③额定开断电流校验:35kV母线三相稳态短路电流=5.55KALW6-35/1250断路器的额定开断电流＝25KA符合要求。④动稳定校验:35kV母线短路三相冲击电流:
=14.14(kA)LW6-35/1250断路器的动稳定电流Igf=25(kA)<Igf符合动稳定要求⑤热稳定校验:35kV母线三相短路热容量:Qdt=
2tep=284.26(kA2S)LW6-35/1250断路器的4秒热稳定电流:It=25(kA)It2t=252×4=2500(kA2S)2tep<It2t符合热稳定要求⑥温度校验:LW6-35/1250断路器允许使用环境温度:-40℃～40℃本变电站地区气温:-12℃～38℃,所以符合要求。通过以上校验可知,主变35kV侧断路器及分段断路器的选择完全符合要求。3.435kV出线断路器的选择(1)额定电压:Ue=35kV（2）额定电流:按35KV出线最大负荷考虑
(3)查电气设备手册选择断路器型号及参数如表11-3表11-3型号数量技术参数额定电流I(A）额定开断电流(KA）动稳定电流(kA)4秒热稳定电流(kA)LW6-35/125031250256325校验：①Ue=35kV=UN②I=1250A>Igmax=316A③额定开断电流校验:35kV母线三相稳态短路电流=3.06KALW6-35/1250断路器的额定开断电流＝25KA符合要求。④动稳定校验:35kV母线短路三相冲击电流:
=7.79(kA)LW6-35/1250断路器的动稳定电流Igf=25(kA)<Igf符合动稳定要求⑤热稳定校验:35kV母线三相短路热容量:Qdt=
2tep=35.58(kA2S)LW6-35/1250断路器的4秒热稳定电流:It=25(kA)It2t=252×4=2500(kA2S)2tep<It2t符合热稳定要求⑥温度校验:LW6-35/1250断路器允许使用环境温度:-40℃～40℃本变电站地区气温:-12℃～38℃,所以符合要求。通过以上校验可知,35kV出线侧断路器选择符合要求。3.5主变10kV侧断路器及分段断路器的选择(1)额定电压:Ue=10kV（2）额定电流:按10KV最大负荷考虑(3)查电气设备手册选择断路器型号及参数如表11-4表11-4型号数量技术参数额定电流I(A）额定开断电流(KA）动稳定电流(kA)3秒热稳定电流(kA)ZN12-10/16003160031.58031.5(4)校验:①Ue=10kV=UN②I=1250A>Igmax=1411.76A③额定开断电流校验:10kV母线三相稳态短路电流=15.12KAZN12-10/1600断路器的额定开断电流＝31.5KA符合要求。④动稳定校验:10kV母线短路三相冲击电流:
=38.57(kA)ZW1-10/1000断路器的动稳定电流Igf=80(kA)<Igf符合动稳定要求⑤热稳定校验:10kV母线三相短路热容量:Qdt=
2tep=468.75(kA2S)ZW1-10/1000断路器的3秒热稳定电流:It=31.5(kA)It2t=31.52×3=2976(kA2S)2tep<It2t符合热稳定要求⑥温度校验:ZW1-10/1000断路器允许使用环境温度:-40℃～40℃本变电站地区气温:-12℃～38℃,所以符合要求。通过以上校验可知,主变10kV侧断路器及10KV分段断路器的选择符合要求。3.610kV出线断路器的选择(1)额定电压:Ue=10kV（2）额定电流:按负荷最大的10KV出线考虑
(3)查电气设备手册选择断路器型号及参数如表11-5表11-5型号数量技术参数额定电流（A）额定开断电流(KA）动稳定电流(kA)4秒热稳定电流(kA)ZW1-10/100081000164016(4)校验:①Ue=10kV=UN②I=1000A>Igmax=205.88A③额定开断电流校验:10kV母线三相稳态短路电流=15.12KAZW1-10/1000断路器的额定开断电流＝16KA符合要求。④动稳定校验:10kV母线短路三相冲击电流:
=38.57(kA)ZW1-10/1000断路器的动稳定电流Igf=40(kA)<Igf符合动稳定要求⑤热稳定校验:10kV母线三相短路热容量:Qdt=
2tep=914.46(kA2S)ZW1-10/1000断路器的4秒热稳定电流:It=16(kA)It2t=162×4=1024(kA2S)2tep<It2t符合热稳定要求⑥温度校验:ZW1-10/1000断路器允许使用环境温度:-40℃～40℃本变电站地区气温:-12℃～38℃,所以符合要求。通过以上校验可知,主变10kV出线断路器的选择符合要求。谢词此次课程设计的题目是变电所电气设备的选择校验。毕业设计可以培养学生科学的思维方式和正确的设计思想,综合运用和深化所学的理论知识和技能,增强分析和解决变