發(fā)電廠及變電站電氣設備課件

第9電氣設備選擇教學目的：掌握電器和載流導體發(fā)熱及電動力效應的計算；掌握電氣設備選擇的一般選擇條件和具體設備選擇校驗的主要內容；掌握主要設備的選擇條件、方法和技巧。復習舊課：⒈保護接地、保護接零的工作原理；⒉影響接地電阻的因素及降低方法。重點：掌握電器和載流導體發(fā)熱及電動力效應的計算；掌握電氣設備選擇的一般選擇條件和具體設備選擇校驗的主要內容難點：掌握電器和載流導體發(fā)熱及電動力效應的計算；掌握設備選擇的一般選擇條件和具體設備選擇校驗的主要內容引入新課：9.1電器和載流的導體發(fā)熱

9.2電器和載流的電動力效應

9.3電氣設備選擇的一般條件

9.4高壓開關電器的選擇

9.5母線、電纜和絕緣子的選擇9.1電器和載流的導體發(fā)熱當電器和載流導體通過電流時，有部分電能以不同的損耗形式轉化為熱能，使電器和載流導體的溫度升高，這就是電流的熱效應。Q=I2Rt(J)

R=KfRdc式中I——通過的電流(A)；t——電流作用的時間(s)；R——電阻，如為直流電路，即為直流歐姆電阻Rdc；Kf——集膚系數(shù)，其大小與電流的頻率、導體的形狀和尺寸有關，在大截面母線中，其影響往往不可忽略，而對于絞線和空心導線，通常都可以認為Kf=1。電器和載流導體過度發(fā)熱的影響主要有：⑴機械強度下降。⑵接觸電阻增加。⑶絕緣性能降低。9.1.1正常工作情況下持續(xù)發(fā)熱的計算

電器或載流導體在未通過電流時，其溫度和周圍介質溫度相同。當通過電流時，由于發(fā)熱，使溫度升高，并因此與周圍介質產(chǎn)生溫差，熱量將逐步有部分電能以不同的損耗形式轉化為熱能，使電器和載流導體的溫度升高，這就是電流的熱效應。對于均勻導體，其持續(xù)發(fā)熱的熱平衡方程式是：式中I——通過導體的電流(A)；R——已考慮了集膚系數(shù)的導體交流電阻；K——散熱系數(shù)；A——導體散熱表面積m2； ——導體溫度；——周圍介質溫度；m——導體質量(kg)；c——導體比熱容；⑴溫升起始階段上升很快，隨時間的延長，其上升速度逐漸減小。⑵對于某一導體，當通過不同的電流時，由于發(fā)熱量不同，穩(wěn)定溫升也就不同。⑶達到穩(wěn)定溫升的時間，從理論上講應該是無窮大，實際上，當t>(3~4)T時，其溫升值即可按穩(wěn)定溫升計算。根據(jù)導體持續(xù)發(fā)熱的條件，當導體的穩(wěn)定溫升小于或等于導體持續(xù)發(fā)熱時的允許溫升時，可認為是熱穩(wěn)定?？梢郧蟪鲈搶w正常運行情況下最大允許電流，即：

銅、鋁及鋼裸母線持續(xù)發(fā)熱允許溫度規(guī)定為國為70℃。

9.1.2故障情況下短時發(fā)熱的計算

故障情況下的短時發(fā)熱，主要是在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時。這時通過電器或載流導體的短路電流，其數(shù)值比正常工作電流大很多倍。由于短路發(fā)熱過程很短，可近似認為是一個絕熱過程。對于均勻導體，短時發(fā)熱的熱平衡方程式是：式中——短路電流的瞬時值。短路時，由于導體溫度的變化范圍很大，這時，其電阻和比熱容都不是常數(shù)。其隨溫度而變化的關系式是：式中——溫度為0時導體電阻率；——溫度為0時導體比熱容；——導體電阻溫度系數(shù)；——導體比熱容溫度系數(shù)；l——導體長度(m)；S——導體截面(m2)。

——短路電流周期分量在t內的熱效應；——短路電流非周期分量在t內的熱效應。短路電流周期分量在內的熱效應，可以用發(fā)熱等值時間法或近似數(shù)值積分的方法求得。發(fā)熱等值時間法，是令：故t>5s時發(fā)熱等值時間:

50MW以下的發(fā)電機短路電流周期分量平均運算曲線作出的，應用于更大容量的發(fā)電機，勢必產(chǎn)生較大誤差。這時最好采用近似數(shù)值積分法。求近似數(shù)值積分的方法有分段矩形法、分梯形法和拋物線法。上式中的系數(shù)依此為1、10、1，故亦簡稱1—10—1公式。短路電流非周期分量在t(s)內的熱效應，可得：9.2電器和載流的電動力效應

載流導體之間將產(chǎn)生電動力的相互作用，有這就是載流導體的電動力效應。載流導體間的作用大小，可用比奧—沙瓦定律計算，即作用于長度為,通過電流為，并位于磁感應強度為，與該磁場的磁力線方向成角的載流導體上的電動力：

其方向可以由左手定則確定短路電流所產(chǎn)生的巨大電動力，對于電器或配電裝置具有很大的危害性。如：⑴電器的載流部分可能因為電動力而振動，或者因電動力所產(chǎn)生的應力大于其材料允許應力而變形，甚至使絕緣部件或載流部件損壞。⑵電氣設備的電磁繞組，受到巨大的電動力作用，可能使繞組變形或損壞。9.2.1兩根平行導體體之間的電動動力當兩根平行導導體的電流方方向相反時，，兩根導體之之間將產(chǎn)生斥斥力；當兩根根平行導體的的電流方向相相同時，兩根根導體之間將將產(chǎn)生吸力；；式中、——通過平行導體體的電流(A)；l————該段導體的長長度(m)；a———平行行導導體體軸軸線線間間的的距距離離(m)。有時時兩兩根根平平行行導導體體間間的的間間距距，，并并不不比比導導體體的的幾幾何何尺尺寸寸大大得得多多，，這這按按上上式式計計算算將將產(chǎn)產(chǎn)生生很很大大的的誤誤差差。。在在工工程程設設計計中中，，可可以以用用形形狀狀系系數(shù)數(shù)K來修修正正。。9.2.2三相相系系統(tǒng)統(tǒng)中中導導體體間間的的電電動動力力在三三相相系系統(tǒng)統(tǒng)中中，，作作用用于于每每相相導導體體上上的的電電動動力力，，由由該該導導體體中中的的電電流流和和其其他他兩兩相相導導體體中中電電流流所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的相相互互作作用用力力來來決決定定。。經(jīng)經(jīng)計計算算，，三三相相系系統(tǒng)統(tǒng)中中中中間間相相受受力力最最大大。?？汕笄蟮玫萌嘞嘞迪到y(tǒng)統(tǒng)三三相相短短路路時時電電動動力力的的最最大大瞬瞬時時值值：：可以以以以此此作作為為校校驗驗母母線線電電動動力力穩(wěn)穩(wěn)定定的的依依據(jù)據(jù)。。計入入振振動動系系數(shù)數(shù)，，水水平平放放置置在在同同一一平平面面內內的的三三相相交交流流系系統(tǒng)統(tǒng)的的母母線線，，其其最最大大作作用用力力是是：：式中中———母線線系系統(tǒng)統(tǒng)的的振振動動系系數(shù)數(shù)。。在進進行行母母線線機機械械強強度度計計算算時時，，可可認認為為母母線線一一端端固固定定、、受受均均勻勻荷荷載載的的多多跨跨距距連連距距梁梁。。在這這種種情情況況下下，，作作用用于于母母線線上上的的最最大大彎彎矩矩式中中———相鄰鄰兩兩個個支支柱柱絕絕緣緣子子間間的的跨跨距距(m)。其最最大大計計算算應應力力：：式中中W————母線線的的截截面面系系數(shù)數(shù)(m3)，其其值值與與母母線線的的截截面面形形狀狀及及布布置置形形式式有有關關，，可可插插有有關關手手冊冊。。若母母線線最最大大計計算算應應力力則可可以以認認為為短短路路時時，，母母線線在在電電動動力力作作用用下下是是穩(wěn)穩(wěn)定定。。對于于電電器器設設備備，，制制造造廠廠提提供供了了滿滿足足電電動動力力穩(wěn)穩(wěn)定定條條件件的的電電流流峰峰值值，，要要求求保保證證：：9.3電氣氣設設備備選選擇擇的的一一般般條條件件正確確地地選選擇擇設設備備是是使使電電氣氣主主接接線線和和配配電電裝裝置置達達到到安安全全、、經(jīng)經(jīng)濟濟運運行行的的重重要要條條件件。。電電氣氣設設備備要要能能可可靠靠地地工工作作，，必必須須按按正正常常工工作作條條件件進進行行選選擇擇，，并并按按短短路路狀狀態(tài)態(tài)來來校校驗驗其其動動穩(wěn)穩(wěn)定定和和熱熱穩(wěn)穩(wěn)定定。。9.3.1按正正常常工工作作條條件件進進行行選選擇擇導導體體和和電電器器9.3.1.1額定定電電壓壓和和額額定定最最高高工工作作電電壓壓導體體和和電電器器所所在在電電網(wǎng)網(wǎng)的的運運行行電電壓壓因因調調壓壓或或負負荷荷的的變變化化，，常常高高于于電電網(wǎng)網(wǎng)的的額額定定電電壓壓，，故故所所選選電電器器和和電電纜纜允允許許最最高高工工作作電電壓壓不不得得低低于于所所接接電電網(wǎng)網(wǎng)的的最最高高運運行行電電壓壓，，即即：：一般般電電纜纜和和電電器器允允許許的的最最高高工工作作電電壓壓：：當當額額定定電電壓壓在在220kV及以以下下時時為為；；當當額額定定電電壓壓為為330~500kV時為為。。而而實實際際電電網(wǎng)網(wǎng)運運行行的的一一般般不不超超過過，，因因此此在在選選擇擇設設備備時時，，一一般般可可按按照照電電器器和和電電纜纜的的額額定定電電壓壓，，不不低低于于裝裝置置地地點點電電網(wǎng)網(wǎng)額額定定電電壓壓的的條條件件選選擇擇，，即即：：短路電流流所產(chǎn)生生的巨大大電動力力，對于于電器或或配電裝裝置具有有很大的的危害性性。如：：⑴電器的載載流部分分可能因因為電動動力而振振動，或或者因電電動力所所產(chǎn)生的的應力大大于其材材料允許許應力而而變形，，甚至使使絕緣部部件或載載流部件件損壞。。⑵電氣設備備的電磁磁繞組，，受到巨巨大的電電動力作作用，可可能使繞繞組變形形或損壞壞。9.3.1.2額定電流流導體和電電器的額額定電流流是指在在額定周周圍環(huán)境境溫度下下，，導體和和電器的的長期允允許電流流（（或額額定電流流））應應不小于于該回路路的最大大持續(xù)工工作電流，，即：：由于發(fā)電電機、調調相機和和變壓器器在電壓壓降低5%時,出力保持持不變,故其相應應回路的的(為電機的的額定電電流);母聯(lián)斷路路器回路路一般可可取母線線上最大大一臺發(fā)發(fā)電機或或變壓器器的;母線分段段電抗器器的應應為母母線上最最大一臺臺發(fā)電電機跳閘閘時,保證該段段母線負負荷所需需的電流流;出線回路路的除除考慮線線路正常常負荷電電流(包括線路路損耗)外,還應考慮慮事故時時由其他他回路轉轉移過來來的負荷荷。9.3.1.3按當?shù)丨h(huán)環(huán)境條件件校核在選擇擇電器器時,還應考考慮電電器安安裝地地點的的環(huán)境境條件件,當氣溫溫、風風速、、濕度度、污污穢等等級、、海拔拔高度度、地地震強強度和和覆厚厚度等等環(huán)境境條件件超過過一一般電電器使使用條條件時時,應向制制造部部門提提出要要求或或采取取相應應的措措施。。當環(huán)境境溫度度和和導導體(或電器器)額定環(huán)環(huán)境溫溫度不不等時時,其長期期允許許電流流可可按下下式修修正：：式中K———修正系系數(shù)；；——導體或或電氣氣設備備正常常發(fā)熱熱允許許最高高溫度度,當導體體用螺螺連接接時,。9.3.2按短路路情況況校驗驗9.3.2.1短路熱熱穩(wěn)定定校驗驗短路電電流通通過時時,導體和和電器器各部部件溫溫度(或發(fā)熱熱效應應)應不超超過允允許值值,即滿足足熱穩(wěn)穩(wěn)定的的條件件為：：或式中——短路電電流產(chǎn)產(chǎn)生的的熱效效應；；——短路時時導體體和電電氣設設備允允許的的熱效效應；；——時間內內允許許通過過的短短時熱熱穩(wěn)定定電流流(或短時時耐受受電流流)。9.3.2.2電動力力穩(wěn)定定校驗驗電動力力穩(wěn)定定是導導體和和電器器承受受短路路電流流機械械效應應的能能力,亦稱動動穩(wěn)定定。滿滿足動動穩(wěn)定定的條條件為為：或式中、——短路沖沖擊電電流幅幅值及及其有有效值值；、——允許通通過穩(wěn)穩(wěn)定電電流的的幅值值和有有效值值。下列幾幾種情情況可可不校校驗熱熱穩(wěn)定定或動動穩(wěn)定定：(1)用熔斷斷器保保護的的電器器,其熱穩(wěn)穩(wěn)定由由熔斷斷時間間保證證,故可不不驗算算熱穩(wěn)穩(wěn)定。。(2)采用有有限電電阻的的熔斷斷器保保護的的設備備可不不驗算算動穩(wěn)穩(wěn)定;電纜因因足夠夠的強強度,亦可不不驗算算動穩(wěn)穩(wěn)定。。(3)裝設在在電壓壓互感感器回回路中中的裸裸導體體和電電器可可不驗驗算動動、熱熱穩(wěn)定定9.3.2.3短路電電流計計算條條件為使所所選導導體和和電器器具有有足夠夠的可可靠性性、經(jīng)經(jīng)濟性性和合合理性性,并在一一定時時期內內適應應系統(tǒng)統(tǒng)發(fā)展展需要要,作驗算算的短短路電電流應應按下下列條條件確確定。。(1)容量和和接線線。(2)短路種種類。。(3)計算短短路點點。以P185頁圖9-9為例，，將短短路計計算點點的選選擇方方法說說明如如下：：(1)發(fā)電機機、變變壓器器回路路的斷斷路器器。(2)母聯(lián)斷斷路器器。(3)帶電抗抗器的的出線線回路路。9.3.2.4短路計計算時時間校驗短短路熱熱穩(wěn)定定和開開斷電電流時時，還還必須須合理理地確確定短短路計計算時時間。。驗算算熱穩(wěn)穩(wěn)定的的短路路計算算時間間為為繼繼電保保護動動作時時間和和相應應斷路路器的的全開開斷計計時間間之之和，，即：：式中——斷路器器的全全開斷斷計時時間，，為固固有分分閘時時間與與燃弧弧時間間之和和。開斷電電器應應能在在最嚴嚴重的的情況況下開開斷短短路電電流，，故電電器的的開斷斷計算算時間間應應為為主保保護時時間和和斷路路器固固有分分閘時時間之之和和（固固有分分閘時時間為為接到到分閘閘信號號到觸觸頭剛剛分離離這一一段時時間）），即即：9.4高壓開開關電電器的的選擇擇高壓斷斷路器器、隔隔離開開關及及高壓壓熔斷斷器可可按照照表里里9-4各項進行選選擇和校驗驗。9.4.1高壓斷路器器選擇9.4.1.1高壓斷路器器種類和型型式的選擇擇高壓斷路器器應根據(jù)斷斷路器安裝裝地點、環(huán)環(huán)境和使用用技術條件件等要求選選擇其種類類和型式。。目前，廣廣泛采用真真空斷路器器和SF6斷路器。9.4.1.2按開斷電流流選擇高壓斷路器器的額定開開斷電流應應滿足：式中——高壓斷路器器觸頭實際際開斷瞬間間的短路電電流周期分分量有效值值。當斷路器的的額定開開斷電流流較系統(tǒng)統(tǒng)的短路路電流大大很多時時，為簡簡化計算，也可可用次暫暫態(tài)電流流進行選選擇，即即。。對于中、、慢速斷斷路器，，由于開開斷時間間長，可可用上述述公式計計算，對對于使用用快速保保護和高高速斷路路器者，，其開斷斷時間小小于0.1s，當在電電源附近近短路時時，短路路電流的的非周期期分量可可能超過過周期分分量的20%，因此其其開斷短短路電流流應計及及非周期期分量的的影響。。短路全全電流應應按下式式計算：：式中——開斷瞬間間的短路路電流周周期分量量有效值值，當開斷時時間小于于0.1s時，；；——開斷計算算時間（（s）；——非周期分分量衰減減時間常常數(shù)（rad）；——電源至短短路點等等效總電電抗（令令r=0）；——電源至短短路點等等效總電電阻（令令x=0）。9.4.1.3短路關合合電流的的選擇為了保證證斷路器器在關合合短路時時的安全全，斷路路器的額額定關合合電流不應小于于短路電電流最大大沖擊值值，，即：：一般斷路路器額定定電關合合電流不不會大于于額定動動穩(wěn)定電電流c，因此，，則則。。高壓斷路路器的操操動機構構，大多多數(shù)是由由制造廠廠配套供供應，僅僅部分斷斷路器有有電磁式式、彈簧簧識或液液壓等幾幾種型式式的操動動機構可可供選擇擇。9.4.2隔離開關關的選擇擇隔離開關關的選擇擇和校驗驗條件如如表9-4所示。屋屋外隔離離開關的的型式較較多，它它對配電電裝置的的布置和和占地面面積等有有很大影影響，因因此，其其型式應應根據(jù)配配電裝置置的布置置特點和和使用要要求等因因素，進進行綜合合技術經(jīng)經(jīng)濟比較較確定。。以例9-1為例進行行說明。。9.4.3高壓熔斷斷器選擇擇高壓熔斷斷器的選選擇、校校驗條件件和計算算公式如如表表9-4所示。在在選擇時時應注意意以下幾幾點：9.4.3.1按額定電電壓選擇擇對于一般般的高壓壓熔斷器器，其額額定電壓壓必須大大于或等等于電網(wǎng)網(wǎng)的額定定電壓。。另外對對于充石石英砂有有限流作作用的熔熔斷器，，則只能能用在等等于其額額定電壓壓的電網(wǎng)網(wǎng)中因為為這種類類型的熔熔斷器能能在電流流達到最最大值之之前就將將電流截截斷，致致使熔斷斷器熔斷斷時產(chǎn)生生過電壓壓。9.4.3.2按額定電電流選擇擇熔斷器的的額定電電流，包包括熔斷斷器熔管管的額定定電流和和熔體的的額定電電流的選選擇。(1)熔管額定定電流的的選擇。。為了保保證熔斷斷器殼體體不致?lián)p損壞，高高壓熔斷斷器的熔熔管的額額定電流流，，應應大于或或等于熔熔體的額額定電流流：：(2)熔體額定定電流的的選擇。。為了防防止熔體體在通過過變壓器器勵磁涌涌流和保保護范圍圍以外的的短路及及電機自自起動等等沖擊電電流時誤誤動作，，保護35kV以下電力力變壓器器的高壓壓熔斷器，，其熔體體的額定定電流可可按下式式選擇：：式中K——可靠系數(shù)數(shù)，不計計電動機機自起動動時，，，考考慮電電動機自自起動時時，；；——電力變壓壓器回路路最大工工作電流流。用于保護護電力電電容器的的高壓熔斷斷器的熔熔體，當當系統(tǒng)電電壓升高高或波形形畸變引引起回路路電流增增大或運運行過程程中產(chǎn)生生涌流時時不應誤誤熔斷，，其熔體體按下式式選擇：：式中K——可靠系數(shù)數(shù)，對限限流高壓熔斷斷器，當一臺電電力電容容器時，，，，當一組電電力電容容器時時時，；；——電力電容容器回路路的額定定電流。。9.4.3.3熔斷器開開斷電流流校驗（或對于沒有有限流作作用的熔熔斷器，，選擇時時用沖擊擊電流的的有效值值進進行校校驗；對對于有限限流作用用的熔斷斷器，在在電流最最大值之之前已截截斷，故故不計非非周期分分量影響響，而采采用進進行校驗驗。