第九章 電氣設(shè)計(jì)與設(shè)備選擇

第九章電氣設(shè)計(jì)與設(shè)備選擇一

高壓電氣設(shè)備選擇一般條件和原則二高壓開關(guān)電器的選擇三高壓熔斷器的選擇四互感器的選擇第四節(jié)電氣設(shè)備選擇一高壓電氣設(shè)備選擇一般條件和原則一、高壓電氣設(shè)備選擇與校驗(yàn)的一般條件二、高壓電氣設(shè)備的選擇與校驗(yàn)項(xiàng)目三、按正常工作條件選擇高壓電氣設(shè)備▉額定電壓和最高工作電壓▉額定電流▉按環(huán)境工作條件校驗(yàn)四、短路條件校驗(yàn)▉短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)▉電動(dòng)力穩(wěn)定校驗(yàn)▉短路電流計(jì)算條件▉短路計(jì)算時(shí)間

▉高壓電氣設(shè)備選擇與校驗(yàn)的一般條件

電氣設(shè)備選擇是發(fā)電廠和變電所設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一，在選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作特點(diǎn)，按照有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，在保證供配電安全可靠的前提下，力爭(zhēng)做到技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理。為了保障高壓電氣設(shè)備的可靠運(yùn)行，高壓電氣設(shè)備選擇與校驗(yàn)的一般條件有：（1）按正常工作條件選擇額定電流、額定電壓，開斷能力和設(shè)備型號(hào)；（2）按短路條件包括動(dòng)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定的校驗(yàn)；（3）按環(huán)境工作條件如溫度、濕度、海拔等選擇。

▉高壓電氣設(shè)備的選擇與校驗(yàn)項(xiàng)目

高壓電氣設(shè)備的選擇與校驗(yàn)項(xiàng)目見表7-1。▉

額定電壓和最高工作電壓

高壓電氣設(shè)備所在電網(wǎng)的運(yùn)行電壓因調(diào)壓或負(fù)荷的變化，常高于電網(wǎng)的額定電壓，故所選電氣設(shè)備允許最高工作電壓Ualm不得低于所接電網(wǎng)的最高運(yùn)行電壓。一般電氣設(shè)備允許的最高工作電壓可達(dá)1.1～1.15UN，而實(shí)際電網(wǎng)的最高運(yùn)行電壓Usm一般不超過1.1UNs，因此在選擇電氣設(shè)備時(shí)，一般可按照電氣設(shè)備的額定電壓UN不低于裝置地點(diǎn)電網(wǎng)額定電壓UNs的條件選擇，即

UN≥UNs

▉

額定電流

電氣設(shè)備的額定電流ⅠN是指在額定環(huán)境溫度下，電氣設(shè)備的長(zhǎng)期允許通過電流。ⅠN應(yīng)不小于該回路在各種合理運(yùn)行方式下的最大持續(xù)工作電流Ⅰmax，即ⅠN≥Ⅰmax。（１）由于發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)和變壓器在電壓降低5%時(shí)，出力保持不變，故其相應(yīng)回路的Ⅰmax為發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)或變壓器的額定電流的1.5倍；（２）若變壓器有過負(fù)荷運(yùn)行可能時(shí)，Ⅰmax應(yīng)按過負(fù)荷確定（1.3~2倍變壓器額定電流）；（３）母聯(lián)斷路器回路一般可取母線上最大一臺(tái)發(fā)電機(jī)或變壓器的Ⅰmax

；（４）出線回路的Ⅰmax除考慮正常負(fù)荷電流（包括線路損耗）外，還應(yīng)考慮事故時(shí)由其它回路轉(zhuǎn)移過來(lái)的負(fù)荷。

▉

按環(huán)境工作條件校驗(yàn)

在選擇電氣設(shè)備時(shí)，還應(yīng)考慮電氣設(shè)備安裝地點(diǎn)的環(huán)境條件，當(dāng)氣溫、溫度、海拔高度和覆冰厚度等環(huán)境條件超過一般電氣設(shè)備使用條件時(shí)，應(yīng)采取措施。當(dāng)周圍環(huán)境溫度θ和電氣設(shè)備額定環(huán)境溫度不等時(shí)，其長(zhǎng)期允許工作電流應(yīng)乘以修正系數(shù)K，即我國(guó)的電氣設(shè)備使用的額定環(huán)境溫度θN=40℃。如周圍環(huán)境溫度θ高于40℃小于60℃時(shí)，其允許電流一般可按每增高1℃，額定電流減少1.8%進(jìn)行修正，當(dāng)環(huán)境溫度低于40℃時(shí)，環(huán)境溫度每降低1℃，額定電流可增加0.5%，但其Ｉmax不得超過ＩＮ的20%。該式對(duì)求導(dǎo)體的在實(shí)際環(huán)境溫度下的長(zhǎng)期允許工作電流，此時(shí)公式中的θ0一般為25℃。

▉

短路條件校驗(yàn)—短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)

短路電流通過電氣設(shè)備時(shí)，電氣設(shè)備各部件溫度(或發(fā)熱效應(yīng))應(yīng)不超過允許值。滿足熱穩(wěn)定的條件為

式中Ⅰt—廠家給的電氣設(shè)備在時(shí)間t秒內(nèi)的熱穩(wěn)定電流。

Ⅰ∞—短路穩(wěn)態(tài)電流值。t—與Ⅰt相對(duì)應(yīng)的時(shí)間。tdz—短路電流熱效應(yīng)等值計(jì)算時(shí)間。▉

短路條件校驗(yàn)—電動(dòng)力穩(wěn)定校驗(yàn)

電動(dòng)力穩(wěn)定是電氣設(shè)備承受短路電流機(jī)械效應(yīng)的能力，也稱動(dòng)穩(wěn)定。滿足動(dòng)穩(wěn)定的條件為

或式中ish、Ⅰsh—短路沖擊電流幅值及其有效值；

ies、Ⅰes—電氣設(shè)備允許通過的動(dòng)穩(wěn)定電流的幅值及其有效值。

▉

短路條件校驗(yàn)—短路電流計(jì)算條件

為使所選電氣設(shè)備具有足夠的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和合理性，并在一定時(shí)期內(nèi)適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，作校驗(yàn)用的短路電流應(yīng)按下列條件確定。（1）容量和接線按本工程設(shè)計(jì)最終容量計(jì)算，并考慮電力系統(tǒng)遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃；其接線應(yīng)采用可能發(fā)生最大短路電流的正常接線方式，但不考慮在切換過程中可能短時(shí)并列的接線方式(如切換廠用變壓器時(shí)的并列)。（2）短路種類一般按三相短路驗(yàn)算，若其它種類短路較三相短路嚴(yán)重時(shí)，則應(yīng)按最嚴(yán)重的情況驗(yàn)算。（3）計(jì)算短路點(diǎn)選擇通過電器的短路電流為最大的那些點(diǎn)為短路計(jì)算點(diǎn)。▉

短路條件校驗(yàn)—短路計(jì)算時(shí)間

校驗(yàn)熱穩(wěn)定的等值計(jì)算時(shí)間tk按繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間tp和相應(yīng)斷路器的全開斷時(shí)間tab之和，即式中tab—斷路器全開斷時(shí)間；tp—保護(hù)動(dòng)作時(shí)間；tin—斷路器固有分閘時(shí)間，可查附錄1；ta—斷路器開斷時(shí)電弧持續(xù)時(shí)間，對(duì)少油斷路器為0.04~0.06s，對(duì)SF6和壓縮空氣斷路器約為0.02~0.04s。開斷電器應(yīng)能在最嚴(yán)重的情況下開斷短路電流，考慮到主保護(hù)拒動(dòng)等原因，按最不利情況，取后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。tp對(duì)應(yīng)哪種保護(hù)動(dòng)作的時(shí)限

斷路器的開斷計(jì)算時(shí)間tbr為發(fā)生故障至斷路器開斷時(shí)刻所需的計(jì)算時(shí)間。為使斷路器可靠開斷，應(yīng)選用主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間tp1和斷路器固有分閘時(shí)間tin之和，即第二節(jié)高壓開關(guān)電器的選擇一、高壓斷路器的選擇

▉高壓斷路器種類和型式的選擇▉高壓斷路器額定開斷電流和短路關(guān)合電流的選擇二、高壓隔離開關(guān)的選擇

▉高壓隔離開關(guān)選擇▉高壓隔離開關(guān)選擇例題▉高壓斷路器選擇—種類和型式

高壓斷路器應(yīng)根據(jù)斷路器安裝地點(diǎn)、環(huán)境和使用條件等要求選擇其種類和型式。真空斷路器在35kV及以下電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，有取代油斷路器的趨勢(shì)。SF6斷路器也已在10~35kV的城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)和改造中得到應(yīng)用。高壓斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，大多數(shù)是由制造廠配套供應(yīng)，僅部分少油斷路器有電磁式、彈簧式或液壓式等幾種型式的操動(dòng)機(jī)構(gòu)可供選擇。一般電磁式操動(dòng)機(jī)構(gòu)需配專用的直流合閘電源，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠；彈簧式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)整要求較高；液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)加工精度要求較高。操動(dòng)機(jī)構(gòu)的型式，可根據(jù)安裝調(diào)試方便和運(yùn)行可靠性進(jìn)行選擇。

▉高壓斷路器選擇—額定開斷電流

在額定電壓下，斷路器能保證正常開斷的最大短路電流稱為額定開斷電流ⅠNbr。在高壓斷路器中其值不應(yīng)小于實(shí)際開斷瞬間短路電流周期分量Ⅰkt

，即我國(guó)生產(chǎn)的高壓斷路器在做型式試驗(yàn)時(shí)，僅計(jì)入了20%的非周期分量。一般中、慢速斷路器，由于開斷時(shí)間較長(zhǎng)(>0.1s)，短路電流非周期分量衰減較多，能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的非周期分量不超過周期分量幅值20%的要求。使用快速保護(hù)和高速斷路器時(shí)，其開斷時(shí)間小于0.1s，當(dāng)在電源附近短路時(shí)，短路電流的非周期分量可能超過周期分量的20%，因此需要進(jìn)行驗(yàn)算。▉高壓斷路器選擇—短路關(guān)合電流

在斷路器合閘之前，若線路上已存在短路故障，則在斷路器合閘過程中，動(dòng)、靜觸頭間在未接觸時(shí)即有巨大的短路電流通過（預(yù)擊穿），更容易發(fā)生觸頭熔焊和遭受電動(dòng)力的損壞。斷路器在關(guān)合短路電流時(shí)，不可避免地在接通后又自動(dòng)跳閘，此時(shí)還要求能夠切斷短路電流，因此，額定關(guān)合電流是斷路器的重要參數(shù)之一。為了保證斷路器在關(guān)合短路時(shí)的安全，斷路器的額定關(guān)合電流iNcl不應(yīng)小于短路電流最大沖擊值ish，即

▉高壓隔離開關(guān)的選擇

隔離開關(guān)選擇及校驗(yàn)條件除額定電壓、電流、動(dòng)熱穩(wěn)定校驗(yàn)外，還應(yīng)看其種類和形式的選擇，其型式應(yīng)根據(jù)配電裝置特點(diǎn)和要求及技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件來(lái)確定。下表為隔離開關(guān)選型參考表。▉高壓隔離開關(guān)選擇—例題

[例7-1]如圖7-1所示降壓變電所中一臺(tái)變壓器，容量為7500kVA，其短路電壓百分值為Ud%=7.5，二次母線電壓為10kV，變電所由無(wú)限大容量系統(tǒng)供電，二次母線上短路電流為I“=I∞=5.5kA。作用于高壓斷路器的定時(shí)限保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)限為Ⅰs，瞬時(shí)動(dòng)作的保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)限為0.05s，擬采用高速動(dòng)作的高壓斷路器，其固有開斷時(shí)間為0.05s，滅弧時(shí)間為0.05s，斷路器全開斷時(shí)間則為tOP=0.05+0.05=0.1s，試選擇高壓斷路器與隔離開關(guān)。▉高壓隔離開關(guān)選擇—例題答案

解：所選斷路器工作電流為短路電流沖擊值為ich=2.55Ⅰ“=14（kA）短路電流熱效應(yīng)的等值計(jì)算時(shí)間為tk=t=tpop+top=1+0.1=1.1s>1s，可忽略tk～，則tdz=tk=1.1s根據(jù)上述計(jì)算選擇戶內(nèi)SN10-10I-600型的高壓斷路器和GN7-10-600型的隔離開關(guān)，經(jīng)短路穩(wěn)定性校驗(yàn)，均合格。并選取CD10與CS7-lT型操作機(jī)構(gòu)。三高壓熔斷器選擇一、額定電壓選擇二、額定電流選擇

▉

熔管額定電流選擇▉熔體額定電流選擇三、熔斷器開斷電流校驗(yàn)四、熔斷器選擇性校驗(yàn)

▉高壓熔斷器選擇——額定電壓選擇

1.額定電壓選擇對(duì)于一般的高壓熔斷器，其額定電壓UN必須大于或等于電網(wǎng)的額定電壓UNs。但是對(duì)于充填石英砂有限流作用的熔斷器，則不宜使用在低于熔斷器額定電壓的電網(wǎng)中，這是因?yàn)橄蘖魇饺蹟嗥鳒缁∧芰軓?qiáng)，在短路電流達(dá)到最大值之前就將電流截?cái)?，致使熔體熔斷時(shí)因截流而產(chǎn)生過電壓，其過電壓倍數(shù)與電路參數(shù)及熔體長(zhǎng)度有關(guān)，一般在UNs=UN的電網(wǎng)中，過電壓倍數(shù)約2~2.5倍，不會(huì)超過電網(wǎng)中電氣設(shè)備的絕緣水平，但如在UNs<UN的電網(wǎng)中，因熔體較長(zhǎng)，過電壓值可達(dá)3.5~4倍相電壓，可能損害電網(wǎng)中的電氣設(shè)備。▉高壓熔斷器選擇—熔管額定電流選擇

2.額定電流選擇熔斷器的額定電流選擇，包括熔管的額定電流和熔體的額定電流的選擇。

（1）熔管額定電流的選擇為了保證熔斷器載流及接觸部分不致過熱和損壞，高壓熔斷器的熔管額定電流應(yīng)滿足下式的要求，即式中INft—熔管的額定電流INfs—熔體的額定電流

▉高壓熔斷器選擇—熔體額定電流選擇（2）熔體額定電流選擇為了防止熔體在通過變壓器勵(lì)磁涌流和保護(hù)范圍以外的短路及電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)等沖擊電流時(shí)誤動(dòng)作，保護(hù)35kV及以下電力變壓器的高壓熔斷器，其熔體的額定電流可按下式選擇，即式中K—可靠系數(shù)（不計(jì)電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)時(shí)K=1.1~1.3，考慮電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)時(shí)K=1.5~2.0）；Imax—電力變壓器回路最大工作電流。▉高壓熔斷器選擇—熔體額定電流選擇

用于保護(hù)電力電容器的高壓熔斷器的熔體，當(dāng)系統(tǒng)電壓升高或波形畸變引起回路電流增大或運(yùn)行過程中產(chǎn)生涌流時(shí)不應(yīng)誤熔斷，其熔體按下式選擇，即式中K—可靠系數(shù)(對(duì)限流式高壓熔斷器，當(dāng)一臺(tái)電力電容器時(shí)K=1.5~2.0，當(dāng)一組電力電容器時(shí)K=1.3~1.8)；

ⅠNc—電力電容器回路的額定電流。

▉高壓熔斷器選擇—熔斷器開斷電流校驗(yàn)3.熔斷器開斷電流校驗(yàn)式中ⅠNbr—熔斷器的額定開斷電流對(duì)于沒有限流作用的熔斷器，選擇時(shí)用沖擊電流的有效值Ⅰsh進(jìn)行校驗(yàn)；對(duì)于有限流作用的熔斷器，在電流達(dá)最大值之前已截?cái)啵士刹挥?jì)非周期分量影響，而采用I“進(jìn)行校驗(yàn)。▉高壓熔斷器選擇—熔斷器選擇性校驗(yàn)4.熔斷器選擇性校驗(yàn)為使前后兩級(jí)熔斷器之間或熔斷器與電源保護(hù)裝置之間動(dòng)作的選擇性，應(yīng)進(jìn)行熔體選擇性校驗(yàn)。如圖7-4為兩個(gè)不同熔體安秒特性曲線（ⅠNfs1<ⅠNfs2），同一電流同時(shí)通過此二熔體時(shí)，熔體1先熔斷。所以，為了保證動(dòng)作的選擇性，前一級(jí)熔體應(yīng)采用熔體1，后一級(jí)熔體應(yīng)采用熔體2。保護(hù)電壓互感器用的高壓熔斷器，只需按額定電壓及斷流容量?jī)身?xiàng)來(lái)選擇。

四互感器的選擇一、電流互感器的選擇

▉一次回路額定電壓和一、二次額定電流選擇▉電流互感器種類和型式以及準(zhǔn)確級(jí)的選擇▉二次容量或二次負(fù)載的校驗(yàn)▉電流互感器熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)二、電壓互感器的選擇

▉電壓互感器一次回路額定電壓選擇▉二次側(cè)額定電壓、種類和型式▉按準(zhǔn)確級(jí)選擇和按額定二次容量選擇▉電流互感器一次側(cè)額定電壓和額定電流選擇

1.電流互感器一次側(cè)額定電壓和電流選擇電流互感器一次回路額定電壓和電流選擇應(yīng)滿足：式中UN1、ⅠN1——電流互感器一次額定電壓和電流。為了確保所供儀表的準(zhǔn)確度，互感器的一次側(cè)額定電流應(yīng)盡可能與最大工作電流接近。

2.二次額定電流的選擇電流互感器的二次額定電流有5A和1A兩種。一般強(qiáng)電系統(tǒng)用5A，弱電系統(tǒng)用1A。▉電流互感器種類和型式及準(zhǔn)確級(jí)的選擇

3.電流互感器種類和型式的選擇選擇互感器，應(yīng)根據(jù)安裝地點(diǎn)和安裝方式選擇相適應(yīng)的類別和型式。選用母線型電流互感器時(shí)，注意校核窗口尺寸。

4.準(zhǔn)確級(jí)的選擇為保證測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度，互感器的準(zhǔn)確級(jí)不得低于所供測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確級(jí)。如:裝于重要回路(如發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、變壓器、廠用饋線、出線等)中的電能表和計(jì)費(fèi)的電能表一般采用0.5~1級(jí)表，相應(yīng)的互感器的準(zhǔn)確級(jí)不應(yīng)低于0.5級(jí)；對(duì)測(cè)量精度要求較高的大容量發(fā)電機(jī)、變壓器、系統(tǒng)干線和500kV級(jí)宜用0.2級(jí)。供運(yùn)行監(jiān)視、估算電能的電能表和控制盤上儀表一般皆用1~1.5級(jí)的，相應(yīng)的電流互感器應(yīng)為0.5~1級(jí)。供只需估計(jì)電參數(shù)儀表的互感器可用3級(jí)的。▉電流互感器二次容量或負(fù)載的校驗(yàn)

5.電流互感器二次容量或二次負(fù)載的校驗(yàn)

為了保證互感器的準(zhǔn)確級(jí)，互感器二次側(cè)所接實(shí)際負(fù)載Z2l或所消耗的實(shí)際容量荷S2應(yīng)不大于該準(zhǔn)確級(jí)所規(guī)定的額定負(fù)載ZN2或額定容量SN2，即SN2≥S2=IN22Z2l

或ZN2≥Z2l≈Rwi+Rtou+Rm+Rr

式中Rm，Rr——電流互感器二次回路中所接儀表內(nèi)阻的總和與所接繼電器內(nèi)阻的總和，可由產(chǎn)品樣本或附錄9中查得。Rwi——電流互感器二次聯(lián)接導(dǎo)線的電阻。Rtou——電流互感器二次連線的接觸電阻，一般取為0.1Ω。▉電流互感器熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)

6.熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)（1）電流互感器的熱穩(wěn)定校驗(yàn)只對(duì)本身帶有一次回路導(dǎo)體的電流互感器進(jìn)行。電流互感器熱穩(wěn)定能力常以1s允許通過的一次額定電流ⅠN1的倍數(shù)Kh來(lái)表示，故熱穩(wěn)定應(yīng)按下式校驗(yàn)式中Kh，ⅠN1—由生產(chǎn)廠給出的電流互感器的熱穩(wěn)定倍數(shù)及一次側(cè)額定電流。

Ⅰ∞，tdz—短路穩(wěn)態(tài)電流值及熱效應(yīng)等值計(jì)算時(shí)間。▉電流互感器熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)—（1）

（2）電流互感器內(nèi)部動(dòng)穩(wěn)定能力，常以允許通過的一次額定電流最大值的倍數(shù)kmo一動(dòng)穩(wěn)定電流倍數(shù)表示，故內(nèi)部動(dòng)穩(wěn)定可用下式校驗(yàn)式中Kmo，IN1—由生產(chǎn)廠給出的電流互感器的動(dòng)穩(wěn)定倍數(shù)及一次側(cè)額定電流。ich—故障時(shí)可能通過電流互感器的最大三相短路電流沖擊值。▉電流互感器熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)—（2）

由于鄰相之間電流的相互作用，使電流互感器絕緣瓷帽上受到外力的作用，因此，對(duì)于瓷絕緣型電流互感器應(yīng)校驗(yàn)瓷套管的機(jī)械強(qiáng)度。瓷套上的作用力可由一般電動(dòng)力公式計(jì)算，故外部動(dòng)穩(wěn)定應(yīng)滿足

式中Fal——作用于電流互感器瓷帽端部的允許力；

l

——電流互感器出線端至最近一個(gè)母線支柱絕緣子之間的跨距。系數(shù)0.5表示互感器瓷套端部承受該跨上電動(dòng)力的一半。▉電壓互感器一次回路額定電壓選擇

1.電壓互感器一次回路額定電壓選擇為了確保電壓互感器安全和在規(guī)定的準(zhǔn)確級(jí)下運(yùn)行，電壓互感器一次繞組所接電力網(wǎng)電壓應(yīng)在（1.1~0