電氣主接線的設計原理和設備選擇

1、電氣主接線的設計原理和設備選擇學習目的了解電氣主接線設計的基本過程和步驟理解電流的熱效應和電動力效應掌握電氣設備選擇的方法掌握短路計算點的選擇掌握斷路器、隔離開關、熔斷器、電抗器等電氣設備選擇的方法第八章 電氣主接線的設計8-1 概述 原則： 以設計任務書為依據(jù)，以經(jīng)濟建設方針、政策和有關的技術規(guī)程、標準為準則，準確地掌握原始資料，結合工程特點，確定設計標準，參考已有設計成果，采用先進的設計工具。 要求： 使設計的主接線滿足可靠性、靈活性、經(jīng)濟性，并留有擴建和發(fā)展的余地。 步驟：1. 對原始資料進行綜合分析；2. 草擬主接線方案，對不同方案進行技術經(jīng)濟比較、篩選和確定；3. 廠、所和附近用戶供

2、電方案設計；4. 限制短路電流的措施和短路電流的計算；5. 電氣設備的選擇；6. 屋內(nèi)外配電裝置的設計；7. 繪制電氣主接線圖及其它圖（如配電裝置視圖）；8. 推薦最佳方案，寫出設計技術說明書，編制一次設備概算表。 第八章 電氣主接線的設計8-2 主變壓器和主接線的選擇主變壓器：向電力系統(tǒng)或用戶輸送功率的變壓器。聯(lián)絡變壓器：用于兩種電壓等級之間交換功率的變壓器。自用電變壓器：只供廠、所用電的變壓器。一、變壓器容量、臺數(shù)、電壓的確定原則依據(jù)輸送容量等原始數(shù)據(jù)?？紤]電力系統(tǒng)510年的發(fā)展規(guī)劃。1單元接線主變壓器容量按發(fā)電機額定容量扣除本機組的廠用負荷后，留有10%的裕度；擴大單元接線應盡可能采用分

3、裂繞組變壓器。2連接在發(fā)電機電壓母線與升高電壓之間的主變壓器a. 發(fā)電機全部投入運行時，在滿足由發(fā)電機電壓供電的日最小負荷，及扣除廠用電后，主變壓器應能將剩余的有功率送入系統(tǒng)。b. 若接于發(fā)電機電壓母線上的最大一臺機組停運時，應能滿足由系統(tǒng)經(jīng)主變壓器倒供給發(fā)電機電壓母線上最大負荷的需要。第八章 電氣主接線的設計8-2 主變壓器和主接線的選擇c. 若發(fā)電機電壓母線上接有2臺或以上主變壓器，當其中容量最大的一臺因故退出運行時，其它主變壓器在允許正常過負荷范圍內(nèi)應能輸送剩余功率70%以上。d. 對水電比重較大的系統(tǒng)，若豐水期需要限制該火電廠出力時，主變應能從系統(tǒng)倒送功率，滿足發(fā)電機電壓母線上的負荷需

4、要。3變電所主變壓器容量a. 按變電所建成后510年的規(guī)劃負荷選擇，并適當考慮遠期1020年的負荷發(fā)展。b. 對重要變電所，應考慮一臺主變停運，其余變壓器在計及過負荷能力及允許時間內(nèi)，滿足I、II類負荷的供電；c. 對一般性變電所，一臺主變停運，其余變壓器應能滿足全部供電負荷的70%80%。4發(fā)電廠和變電所主變臺數(shù)a. 大中型發(fā)電廠和樞紐變電所，主變不應少于2臺；b. 對小型的發(fā)電廠和終端變電所可只設一臺。5. 確定繞組額定電壓和調(diào)壓的方式第八章 電氣主接線的設計8-2 主變壓器和主接線的選擇二、主變壓器型式的選擇原則1. 相數(shù)：一般選用三相變壓器。2. 繞組數(shù)：變電所或單機容量在125MW及

5、以下的發(fā)電廠內(nèi)有三個電壓等級時，可考慮采用三相三繞組變壓器，但每側繞組的通過容量應達到額定容量的15%及以上，或第三繞組需接入無功補償設備。否則一側繞組未充分利用，不如選二臺雙繞組變更合理。單機容量200MW及以上的發(fā)電廠，額定電流和短路電流均大，發(fā)電機出口斷路器制造困難，加上大型三繞組變壓器的中壓側（110kV及以上時）不希望留分接頭，為此以采用雙繞組變壓器加聯(lián)絡變壓器的方案更為合理。凡選用三繞組普通變壓器的場合，若兩側繞組為中性點直接接地系統(tǒng)，可考慮選用自耦變壓器，但要防止自耦變的公共繞組或串聯(lián)繞組的過負荷。第八章 電氣主接線的設計8-2 主變壓器和主接線的選擇3. 繞組接線組別的確定變壓

6、器三相繞組的接線組別必須和系統(tǒng)電壓相位一致。4. 短路阻抗的選擇從系統(tǒng)穩(wěn)定和提高供電質(zhì)量看阻抗小些為好，但阻抗太小會使短路電流過大，使設備選擇變得困難。三繞組變壓器的結構形式：升壓型 與 降壓型5. 變壓器冷卻方式主變壓器的冷卻方式有：自然風冷；強迫風冷；強迫油循環(huán)風冷；強迫油循環(huán)水冷；強迫導向油循環(huán)冷卻等。三、主接線設計簡述四、技術經(jīng)濟比較第八章 電氣主接線的設計8-3 載流導體的發(fā)熱和電動力一、概述長期發(fā)熱：短時發(fā)熱： 指導體溫度對周圍環(huán)境溫度的升高，我國所采用計算環(huán)境溫度如下：電力變壓器和電器（周圍空氣溫度）40C；發(fā)電機（利用空氣冷卻時進入的空氣溫度）3540C；裝在空氣中的導線、母線

7、和電力電纜25C；埋入地下的電力電纜15C。 指導體溫度較短路前的升高，通常取導體短路前的溫度等于它長期工作時的最高允許溫度。 裸導體的長期允許工作溫度一般不超過70C，當其接觸面處具有錫的可靠覆蓋層時（如超聲波糖錫等），允許提高到85C；當有銀的覆蓋層時，允許提高到95C。第八章 電氣主接線的設計8-3 載流導體的發(fā)熱和電動力二、均勻?qū)w的長期發(fā)熱1均勻?qū)w的發(fā)熱過程導體溫度穩(wěn)定前 I2RdtmCdaF(0)dt溫度達到穩(wěn)定后 I2RaF(0)式中，m：質(zhì)量(kg)；C：比熱容(J/kgC)；a：總換熱系數(shù)(w/m2C)； F：散熱面積（m2）；0：周圍環(huán)境溫度（C）。2導體的最大允許載流量

8、第八章 電氣主接線的設計8-3 載流導體的發(fā)熱和電動力三、導體的短時發(fā)熱1短時發(fā)熱計算熱量平衡方程：Ikt2R dtmC d短路電流熱效應：第八章 電氣主接線的設計8-3 載流導體的發(fā)熱和電動力2熱效應k的計算采用等值時間法： 過時辛卜生法： 復雜1-10-1法（簡化辛卜生法） 短路全電流：第八章 電氣主接線的設計8-3 載流導體的發(fā)熱和電動力四、短路時載流導體的電動力1平行導體間的電動力 電動力的方向決定于電流的方向，i1, i2同方向時，作用力相吸，電流反向時相斥。 工程中考慮截面積因素后的修正公式其中， kf為導體的形狀系數(shù)。圓形導體的形狀系數(shù)kf=1。矩形導體的形狀系數(shù)如右圖所示。第八

9、章 電氣主接線的設計8-3 載流導體的發(fā)熱和電動力2三相導體短路時的電動力 同一地點短路的最大電動力，是作用于三相短路時的中間一相導體上，數(shù)值為：第八章 電氣主接線的設計8-3 載流導體的發(fā)熱和電動力3導體的振動應力強迫振動系統(tǒng)一般采用修正靜態(tài)計算法：最大電動力Fmax乘上動態(tài)應力系數(shù)。動態(tài)應力系數(shù)與母線固有頻率的關系如右圖。在單自由度振動系統(tǒng)中，35kV及以下，布置在同一平面三相母線的固有振動頻率f0為了避免導體產(chǎn)生危險的共振，對于重要導體，應使其固有頻率在下述范圍以外 單條導體及母線組中的各條導體35135Hz 多條導體組及有引下線的單條導體35155Hz如固有頻率在上述范圍以外，取=1；

10、在上述范圍內(nèi)時，最大電動力應乘上動態(tài)應力系數(shù)，即第八章 電氣主接線的設計8-4 電氣設備的選擇一、電器設備選擇的一般條件1按正常工作條件選擇電器額定電壓：UN UNS額定電流：IN Imax環(huán)境條件對電器和導體額定值的修正：2按短路情況檢驗熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定熱穩(wěn)定校驗：It2t Qk動穩(wěn)定校驗：ies ish短路電流的計算條件：a. 計算容量和短路類型 按發(fā)電廠、變電所最終設計容量計算。 短路類型一般采用三相短路電流，當其它形式短路電流大于三相時。應選取最嚴重的短路情況校驗。b. 短路計算點 選擇通過導體和電器短路電流最大的點為短路計算點。c. 短路計算時間 熱穩(wěn)定計算時間tk（短路持續(xù)時間）：

11、開斷計算時間tbr ：第八章 電氣主接線的設計8-4 電氣設備的選擇3主接線設計中主要電氣設備的選擇項目第八章 電氣主接線的設計8-4 電氣設備的選擇二、高壓斷路器和隔離開關的選擇1高壓斷路器的選擇 除表8-3相關選項外，特殊項目的選擇方式如下：開斷電流 高壓斷路器的額定開斷電流INbr，不應小于實際觸頭開斷瞬間的短路電流的有效值Ikt，即：INbr IKt短路關合電流 在額定電壓下，能可靠關合開斷的最大短路電流稱為額定關合電流。校驗公式：iNCi ish合分閘時間選擇 對于110kV以上的電網(wǎng)，斷路器固有分閘時間不宜大于。用于電氣制動回路的斷路器，其合閘時間不宜大于。2隔離開關的選擇 隔離開

12、關無開斷短路電流的要求，故不必校驗開斷電流。其它選擇項目與斷路器相同。第八章 電氣主接線的設計8-4 電氣設備的選擇三、高壓熔斷器的選擇 高壓熔斷器分類：快速熔斷器：有限流作用普通熔斷器：不具限流作用 額定電壓選擇普通熔斷器：UN UNS快速熔斷器：UN = UNS 額定電流選擇 INf1 (熔管) INf2 (熔體) Imax保護變壓器或電動機：INf2 = K ImaxK ?。ú豢紤]電動機自啟動）或 ?。紤]電動機自啟動）保護電容器回路：INf2 = KINCK ?。▎闻_）或 ?。ㄒ唤M） 熔斷器的開斷電流校驗Inbr Ish（或I ）普通熔斷器：Ish快速熔斷器： I 熔斷器的選擇性 按制

13、造廠提供的安秒特性曲線（又稱保護特性曲線）校驗。 保護電壓互感器用的熔斷器僅校驗額定電壓和開斷電流。第八章 電氣主接線的設計8-4 電氣設備的選擇四、限流電抗器的選擇 限流電抗器的作用限制短路電流：可采用輕型斷路器，節(jié)省投資；維持母線殘壓：若殘壓大于65%70%UNS，對非故障用戶，特別是電動機用戶是有利的。 限流電抗器的選擇 除表8-3相關選項外，特殊項目的選擇方式如下：1. 電抗百分數(shù) XL 選擇若要求將一饋線的短路電流限制到電流值I，取基準電流Id，則電源到短路點的總電抗標么值 X* IdI輕型斷路器額定開斷電流INbr，令I=INbr，則 X* IdInbr若已知電源到電抗器之間的電抗

14、標么值X*，則第八章 電氣主接線的設計8-4 電氣設備的選擇2. 電壓損失校驗 正常運行時電抗器上的電壓損失，不大于電網(wǎng)額定電壓的5%。3. 母線殘壓校驗 對于無瞬時保護的出線電抗器應校母線殘余，殘壓的百分值以電抗器額定電壓和額定電流為基準的電抗百分數(shù)XL%第八章 電氣主接線的設計8-4 電氣設備的選擇五、母線和電纜的選擇 裸導體：1. 硬母線的材料，截面形狀，布置方式導體材料有銅、鋁和鋁合金，銅只用在持續(xù)工作電流大，布置位置狹窄和對鋁有嚴重腐蝕的場所。常用的硬母線是鋁母線。截面有矩形，雙槽形和管形。矩形導體散熱條件好，便于固定和連接，但集膚效應大，一般用于35kV及以下，電流在4000A及以

15、下的配電裝置中；槽形導體機械強度大，載流量大，集膚效應小，一般用于4000A8000A的配電裝置中。管形母線，機械強度高，管內(nèi)可通風或通水，可用于8000A以上的大電流母線和110kV及以上的配電裝置中。第八章 電氣主接線的設計8-4 電氣設備的選擇矩形導體的布置方式a. 支柱絕緣子三相水平布置，導體豎放：散熱條件較好；b. 支柱絕緣子三相水平布置，導體平放：機械強度較好；c. 絕緣子三相垂直布置，導體豎放：機械強度和散熱均好，但使配電裝置的高度增加。2. 導體截面選擇按長期發(fā)熱允許電流選擇：Kial Imax按經(jīng)濟電流密度選擇： S = Imax/J除配電裝置的匯流母線、長度在20m以下的導

16、體外，對于年負荷利用小時數(shù)高，傳輸容量大的導體，其截面一般按經(jīng)濟電流密度選擇。第八章 電氣主接線的設計8-4 電氣設備的選擇3. 電暈電壓校驗：對于110kV及以上的各種規(guī)格導體，應按晴天不出現(xiàn)全面電暈的條件校驗：Ucr Umax4. 熱穩(wěn)定校驗：當導體短路前的溫度取正常運行時的最高允許溫度70C，鋁和銅導體短時發(fā)熱最高允許溫度分別為200C和300C時，C值（量綱：安秒1/2/米2）分別為C鋁=87和C銅=171。母線看作是一個自由地放在絕緣支柱上多跨距的梁，在電動力的作用下，母線條受到的最大彎矩M為M = fL2母線條受到的最大相間計算應力第八章 電氣主接線的設計8-4 電氣設備的選擇5.

17、 硬母線的動穩(wěn)定校驗單位長度導體上所受到的相間電動力校驗： al Pa硬鋁al=70106(Pa)硬銅al=140106(Pa)在設計中也常根據(jù)材料的最大允許應力，確定支柱絕緣子間的最大允許跨距（不應超過1.52m）第八章 電氣主接線的設計8-4 電氣設備的選擇 電力電纜的選擇1. 電纜芯線材料及敷設方式選擇：電纜芯線：銅芯和鋁芯。銅芯電纜載流量約為鋁芯同截面電纜載流量的倍。國內(nèi)工程一般選用鋁芯電纜。敷設方式：電纜橋架，電纜溝，電纜隧道和穿管等。2. 截面選擇：當電纜的最大負荷利用小時數(shù)Tmax5000小時，長度超過20m以上，均應按經(jīng)濟電流密度選擇。按長期發(fā)熱允許電流選擇電纜截面時，修正系數(shù)

18、K與敷設方式，環(huán)境溫度等有關。3. 按允許電壓降校驗：4. 熱穩(wěn)定校驗：對6kV油浸紙絕緣鋁芯電纜，熱穩(wěn)定系數(shù)C=93；10kV時C取95。第八章 電氣主接線的設計8-4 電氣設備的選擇六、電流互感器選擇1. 電流互感器的形式選擇35kV以下屋內(nèi)配電裝置，可采用瓷絕緣或樹脂繞注式；35kV及以上配電裝置可采用油浸瓷箱式，有條件時可采用套管式。2. 額定電壓和額定電流動選擇一次額定電壓和電流二次額定電流：5A或1A3. 電流互感器的準確級不應低于所供測量儀表的最高準確級；用于重要回路和計費電度表的電流互感器一般采用或級；500kV采用級。？保證互感器的準確級S2I2N2Z2LSN2 或 Z2LZ

19、N2Z2L= r2 + rw + rc接觸電阻rc?。浑娏骶€圈電阻r2由所連接的儀表和繼電器的電流線圈消耗的功率計算；連接用導線的電阻rw為導線計算長度LC與電流互感器的接線系數(shù)有關，若測量儀表與互感器安裝處相距L，則當電流互感器星形接線時LC=L，不完全星形LC=31/2L ，單相接線時LC=2L。為滿足機械強度要求銅線S不得小于2。第八章 電氣主接線的設計8-4 電氣設備的選擇4. 熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定校驗只對本身帶有一次回路導體的電流互感器進行熱穩(wěn)定校驗。常以1S允許通過的熱穩(wěn)定電流It或一次額定電流IN1的倍數(shù)Kt來表示，即It21 Qk 或 (KtTN1)2Qk互感器內(nèi)部動穩(wěn)定，常以允許通

20、過的動穩(wěn)定電流ies或一次額定電流幅值的動穩(wěn)定倍數(shù)Kes表示瓷絕緣的電流互感器還應校驗瓷絕緣帽上受力的外部動穩(wěn)定，方法可參見支柱絕緣子的校驗。第八章 電氣主接線的設計8-4 電氣設備的選擇七、電壓互感器的選擇1按額定電壓選擇一次繞組有接于相間和接于相對地兩種方式，繞組的額定電壓UN1應與接入電網(wǎng)的方式和電壓相符，為確保互感器的準確級，要求電網(wǎng)電壓的波動范圍滿足下列條件UN12309 A 2校驗熱穩(wěn)定由式（8-33），計算短路持續(xù)時間， tk=tp1+tin+ta=0.06+0.15+0.05=0.26S 近似取I代入式（8-12）得 =I2tk2kA2S代入式（8-13）得 Qnp=T I22

21、2S Qk=Qp+QnpkA2S由式（8-51）得第八章 電氣主接線的設計8-5 設備選擇舉例3校驗動穩(wěn)定計算導體固有振動頻率，根據(jù)式（8-25）和表8-4可知故=1，求母線的相間應力，根據(jù)式（8-53） 因每相由多條導體組成，校驗應取公式其中最大計算應力等于相間作用應力和同相不同條間作用應力t之和，應小于最大允許應力。第八章 電氣主接線的設計8-5 設備選擇舉例例8-3 選擇圖8-13中，發(fā)電機A出口斷路器QF1，已知發(fā)電機A主保護動作時間tp1，后備保護時間tp2=3.8s, k1點短路計算結果見表8-7。解 1發(fā)電機最大持續(xù)工作電流斷路器QF1的短路計算點應為圖8-13中的k2點，由k1

22、點短路電流扣除發(fā)電機A所提供的部分，得到流過QF1的短路電流 I0S，I2S，I4S沖擊電流查附表IV-3發(fā)電機斷路器須采用SN4-10G/5000型，tin。2計算熱穩(wěn)定因tk1S，可以不計非周期分量的熱效應。計算結果見表8-8。第八章 電氣主接線的設計8-5 設備選擇舉例例 8-4 選擇圖8-13中10kV饋線L1的限流電抗器，已知WL1采用SN10-10I型輕型斷路器，INbr=16kA，線路最大工作電流Imax=380A，線路繼電保護時間tp2，斷路器全分閘時間tab。解 1計算電抗器內(nèi)側的等值電抗，計算用圖如右2計算電抗百分數(shù)，見式（8-45）熱穩(wěn)定計算時間 tk=tp2+tab=1.8+0.2=2S選用水泥柱式，鋁電纜的電抗器NKL-10-400-3，計算表明，動穩(wěn)定不滿足要求。第八章 電氣主接線的設計8-5 設備選擇舉例改選NKL-10-400-4，該電抗器UN=10kV，IN=400A，XL=4%，動穩(wěn)定電流ies，1秒熱穩(wěn)定電流It，計算得k3點的短路電流的有名值，I0S，I1S，I2S。3正常運行時電壓損失的校驗，見式（8-46）