電力工程基礎(chǔ) 第五章 電氣設(shè)備的選擇

第五章電氣設(shè)備的選擇電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動(dòng)力電氣設(shè)備選擇的一般條件

母線、電纜和絕緣子的選擇

高低壓電器的選擇

發(fā)電廠和變電所主變壓器的選擇

本章內(nèi)容重點(diǎn)第一節(jié)電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動(dòng)力發(fā)熱的原因:

電阻損耗

磁滯和渦流損耗

介質(zhì)損耗

分類:

長(zhǎng)期發(fā)熱，由正常工作電流產(chǎn)生的；

短時(shí)發(fā)熱，故障時(shí)由短路電流產(chǎn)生的。發(fā)熱

導(dǎo)體在正常和短路時(shí)的最高允許溫度及熱穩(wěn)定系數(shù)發(fā)熱對(duì)電氣設(shè)備的影響：（1）使絕緣材料的絕緣性能降低（2）使金屬材料的機(jī)械強(qiáng)度下降（3）使導(dǎo)體接觸部分的接觸電阻增加發(fā)熱

載流導(dǎo)體通過電流時(shí)，相互之間的作用力，稱為電動(dòng)力。短路時(shí)沖擊電流所產(chǎn)生的交流電動(dòng)力達(dá)到很大的數(shù)值，可能導(dǎo)致設(shè)備變形或損壞。為保證電器和導(dǎo)體不致破壞，電器和導(dǎo)體因短路沖擊電流產(chǎn)生的電動(dòng)力作用下的應(yīng)力不應(yīng)超過材料的允許應(yīng)力。電動(dòng)力導(dǎo)體短時(shí)發(fā)熱計(jì)算圖5-1短路時(shí)導(dǎo)體的發(fā)熱過程

短路發(fā)熱計(jì)算式中：（5-5）由此得出：

（5-9）短路發(fā)熱計(jì)算圖5-2導(dǎo)體的θ=f(A)曲線短路電流熱效應(yīng)值Qk的計(jì)算Qk常用的計(jì)算方法為近似數(shù)值積分法。短路全電流中包含周期分量Ip和非周期分量Inp，其熱效應(yīng)Qk也由兩部分構(gòu)成：nppkQQQ+=Qk的計(jì)算—周期分量Qp計(jì)算1-10-1法

Qk的計(jì)算—非周期分量Qnp計(jì)算式中Ta為非周期分量時(shí)間常數(shù)值2//ITQanp=Qk的計(jì)算—非周期分量Qnp計(jì)算表5-2非周期分量時(shí)間常數(shù)Ta導(dǎo)體短路時(shí)的電動(dòng)力兩根細(xì)長(zhǎng)平行導(dǎo)體間的電動(dòng)力計(jì)算217102iiaLF-′=（5-22）電動(dòng)力最大值的計(jì)算)(1073.172maxmaxNiaLFFshB-′′′==三相導(dǎo)體水平放置受力最大的為中間相導(dǎo)體短路的電動(dòng)力第二節(jié)電氣設(shè)備選擇的一般條件

電氣設(shè)備選擇的一般條件一、按正常工作條件選擇

1、額定電壓選擇UN

≥

UNS

（5－25）

2、額定電流選擇ΙN

≥

Ιmax（5－26）

3、按當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件校核

要考慮氣溫、風(fēng)速、溫度、污穢等級(jí)、海拔高度、地震烈度和覆冰厚度等環(huán)境條件對(duì)電氣設(shè)備的影響

電氣設(shè)備選擇的一般條件二、按短路情況校驗(yàn)1、短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)，校驗(yàn)導(dǎo)體短時(shí)發(fā)熱

2、電動(dòng)力穩(wěn)定校驗(yàn)，校驗(yàn)導(dǎo)體的最大受力（5-28）（5-29）QtIkt32iishes3短路電流計(jì)算條件1、容量和接線：最大運(yùn)行方式2、短路種類：一般為三相短路3、計(jì)算短路點(diǎn)：可能通過被選設(shè)備的最大短路電流4、短路計(jì)算時(shí)間：

tk=tpr＋tab

表5-3主要電氣設(shè)備的選擇和校驗(yàn)項(xiàng)目第三節(jié)母線、電纜和絕緣子的選擇一、母線選擇

母線選擇和校驗(yàn)項(xiàng)目：確定母線的材料、截面形狀、布置方式選擇母線的截面積校驗(yàn)?zāi)妇€的熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定對(duì)重要的和大電流的母線，要共振校驗(yàn)對(duì)110及以上的母線進(jìn)行電暈校驗(yàn)一、母線選擇

（一）母線的材料、截面形狀、布置方式1.母線的材料：常用的母線材料有銅、鋁和鋁合金三種2.母線的結(jié)構(gòu)：硬裸母線的截面形狀有矩形、槽形和管形。3.母線的布置形式一、母線選擇

槽形形母線的布置形式一、母線選擇

（二）母線截面積選擇方法：1.按最大長(zhǎng)期工作電流選擇,用于發(fā)電廠的主母線和引下線以及持續(xù)電流較小，年利用小時(shí)數(shù)較低的其他回路的導(dǎo)線。2.按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇,用于年利用小時(shí)數(shù)高、長(zhǎng)度較長(zhǎng)、負(fù)荷大回路的導(dǎo)線。

按最大長(zhǎng)期工作電流選擇保證母線正常工作時(shí)的溫度不超過允許溫度

若實(shí)際周圍環(huán)境溫度與規(guī)定的環(huán)境溫度不同時(shí)，母線的允許電流要修正，即引入溫度修正系數(shù)kθ。

maxalII301qqqJq--=alalk2.按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇

導(dǎo)體通過電流時(shí),會(huì)產(chǎn)生電能損耗。把投資折算到每年費(fèi)用,加上年損耗費(fèi)為年計(jì)算費(fèi)用,使年計(jì)算費(fèi)用最小的截面為經(jīng)濟(jì)截面Se,J為經(jīng)濟(jì)密度,與年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)有關(guān)。

（5-32）（5-34）選出的導(dǎo)體還要按按最大長(zhǎng)期工作電流校驗(yàn))(2mmJISge=maxgalII3（三）母線的熱穩(wěn)定校驗(yàn)方法：計(jì)算滿足短時(shí)發(fā)熱要求的最小截面積,只要選擇的導(dǎo)體截面積大于此面積, S＞SminkfQkCS1min=一、母線選擇

（四）硬母線的動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)方法：校驗(yàn)導(dǎo)體受到電動(dòng)力時(shí)，電動(dòng)力產(chǎn)生的計(jì)算應(yīng)力與導(dǎo)體材料允許應(yīng)力的比較，當(dāng)計(jì)算應(yīng)力小于材料允許應(yīng)力時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定滿足。

(5-39)alssj￡一、母線選擇

（四）硬母線的動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)1、每相為單條矩形母線的應(yīng)力計(jì)算W=bh2/6

W=b2h/6

m)(N

10fM2·=Lj)(p

10fa2WLWMjjs==一、母線選擇

就需要采用一定的措施:限制短路電流變更母線放置方式以加大截面系數(shù)增大母線相間距離減小絕緣子間的跨距或增大母線截面積若不滿足公式:計(jì)算滿足動(dòng)穩(wěn)定要求的最大絕緣子跨距二、電力電纜選擇電力電纜選擇和校驗(yàn)項(xiàng)目：電纜芯線材料及型號(hào)額定電壓截面選擇允許電壓降校驗(yàn)熱穩(wěn)定校驗(yàn)。

二、電力電纜選擇（一）電纜芯線材料及型號(hào)選擇

電纜的型號(hào)很多，應(yīng)根據(jù)其用途、敷設(shè)方式和使用條件進(jìn)行選擇

電纜芯線有銅芯和鋁芯，國(guó)內(nèi)工程一般選用鋁芯電纜二、電力電纜選擇電纜的額定電壓應(yīng)大于等于所在電網(wǎng)的額定電壓

（二）電纜額定電壓選擇

（5-47）二、電力電纜選擇

電力電纜截面一般按長(zhǎng)期發(fā)熱允許電流選擇，當(dāng)電纜的最大負(fù)荷利用小時(shí)Tmax=5000小時(shí)，且長(zhǎng)度超過20m時(shí)，則應(yīng)按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇。（三）電纜截面積選擇

電纜截面選擇方法與裸導(dǎo)體基本相同，只是修正系數(shù)多考慮一些。（三）電纜截面積選擇

K1、K2為空氣中多根電纜并列和穿管敷設(shè)時(shí)的修正系數(shù)K3為直埋電纜因土壤熱阻不同的修正系數(shù)K4為土壤中多根并列修正系數(shù)二、電力電纜選擇

（四）電纜允許電壓損失校驗(yàn)第四節(jié)高壓電器的選擇選擇一、高壓斷路器的原理與選擇

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的開關(guān)設(shè)備，它的作用在正常情況下接通或斷開電路，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)地迅速地?cái)嚅_故障電路。斷路器能完成以上功能是因?yàn)閿嗦菲饔型晟频臏缁⊙b置，能夠熄滅在開斷電路時(shí)所產(chǎn)生的電弧。斷路器是功能最完善、任務(wù)最繁重、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、價(jià)格也最昂貴的開關(guān)電器。高壓斷路器油斷路器：S為少油、D為多油壓縮空氣斷路器：K六氟化硫斷路器：L真空斷路器：Z高壓斷路器高壓斷路器選擇和校驗(yàn)項(xiàng)目：選擇型式：選擇額定電壓：UN≥UNS

選擇額定電流：IN≥Imax

校驗(yàn)開斷能力：INbr≥I″

校驗(yàn)熱穩(wěn)定：It2*t≥QK

校驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定：ies≥ish斷流能力校驗(yàn)：

或二、高壓隔離開關(guān)的原理與選擇

分、合避雷器、電壓互感器和空載母線分、合勵(lì)磁電流不超過2A的空載變壓器關(guān)合電容電流不超過5A的空載線路

隔離開關(guān)沒有滅弧裝置，不能斷開正常負(fù)荷電流，更不能斷開短路電流，否則此時(shí)產(chǎn)生的電弧不能熄滅，甚至造成飛弧，會(huì)傷及設(shè)備并且嚴(yán)重危及人身安全。作用：隔離電壓:用隔離開關(guān)將被檢修的設(shè)備與電源電壓隔離倒閘操作:常用隔離開關(guān)配合斷路器，協(xié)同操作來(lái)完成分、合小電流路器：

高壓隔離開關(guān)高壓隔離開關(guān)高壓隔離開關(guān)選擇和校驗(yàn)項(xiàng)目：選擇型式：選擇額定電壓：UN≥UNS

選擇額定電流：IN≥Imax

校驗(yàn)熱穩(wěn)定：It2*t≥QK

校驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定：ies≥ish三、高壓熔斷器的原理與選擇

分、合避雷器、電壓互感器和空載母線分、合勵(lì)磁電流不超過2A的空載變壓器關(guān)合電容電流不超過5A的空載線路

熔斷器是最簡(jiǎn)單的保護(hù)電器，它用來(lái)保護(hù)電氣設(shè)備免受過載和短路電流的損害作用：隔離電壓:用隔離開關(guān)將被檢修的設(shè)備與電源電壓隔離倒閘操作:常用隔離開關(guān)配合斷路器，協(xié)同操作來(lái)完成分、合小電流路器：

高壓熔斷器高壓熔斷器選擇和校驗(yàn)項(xiàng)目：選擇型式：選擇額定電壓：UN≥UNS

選擇額定電流：IN≥Imax

校驗(yàn)開斷能力：INbr≥I″四、電流互感器的原理與選擇

電流互感器是一種特殊的變壓器，它正常工作在接近短路狀態(tài)，為儀用變流器

作用：將一次系統(tǒng)各回路大電流變?yōu)槎蝹?cè)的5A或1A、0.5A以下的小電流，以便于測(cè)量?jī)x表及繼電器的小型化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化將一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)在電氣方面隔離，同時(shí)互感器二次側(cè)必須有一點(diǎn)可靠接地，從而保證二次設(shè)備及運(yùn)行人員的安全使二次系統(tǒng)脫離一次系統(tǒng)成為獨(dú)立的系統(tǒng)；使測(cè)量和保護(hù)裝置脫離一次設(shè)備構(gòu)成集中的裝置電流互感器由一、二次繞組及鐵芯構(gòu)成,其一次繞組的匝數(shù)N1很少,一般只有一匝或幾匝,串在一次主回路中,而二次繞組的匝數(shù)N2較多,且與阻抗值很小的電流型負(fù)載如電流表線圈、繼電器電流線圈及電度表電流線圈等串接。一次繞組電流由一次主回路決定,不受二次回路的影響;二次電流則主要決定于一次繞組的電流,但也受負(fù)載阻抗的影響。因?yàn)樨?fù)載阻抗值很小,電流互感器的正常工作狀態(tài)近似于變壓器的短路狀態(tài)，電流互感器

電流互感器注意事項(xiàng)：

二次側(cè)繞組嚴(yán)禁開路:運(yùn)行中的電流互感器一旦其二次回路開路,F2則為零,故有F1=F0,一次側(cè)電流磁勢(shì)全部用作激磁,在二次側(cè)感應(yīng)出很高的電壓,對(duì)工作人員的安全構(gòu)成威脅;還可能造成二次回路的絕緣擊穿,甚至引發(fā)火災(zāi),很大的激磁磁勢(shì)作用在鐵芯中,將使鐵芯過度飽和而導(dǎo)致嚴(yán)重發(fā)熱,使互感器燒壞.

二次側(cè)繞組要接地

注意接線極性電流互感器的誤差與準(zhǔn)確度級(jí)電流誤差：相角誤差：二次電流轉(zhuǎn)過180°后一次電流所夾的角度即為相位誤差。

電流互感器的準(zhǔn)確級(jí)：為電流互感器的最大允許電流誤差的百分值。準(zhǔn)確級(jí)一次電流為額定電流的百分?jǐn)?shù)（%）誤差限值二次負(fù)荷變化范圍電流誤差（±%）相角誤差（±′）0.21020100~1200.50.350.2201510（0.25~1）S2N0.51020100~12010.750.560453011020100~12021.511209060350~1203不規(guī)定（0.5~1）S2N1050~12010不規(guī)定（0.5~1）S2N表5-14電流互感器準(zhǔn)確級(jí)和誤差限值

電流互感器的接線電流互感器的選擇高壓熔斷器選擇和校驗(yàn)項(xiàng)目：結(jié)構(gòu)類型選擇額定電壓選擇:UN≥UNS

額定電流的選擇:IN≥Imax

電流互感器準(zhǔn)確級(jí)和額定容量的選擇熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)五、電壓互感器的原理與選擇

電壓互感器也是一種特殊的變壓器，它正常工作在接近空載狀態(tài)，為儀用變壓器.作用：將一次側(cè)的高電壓變?yōu)槎蝹?cè)的標(biāo)準(zhǔn)化低電壓（100V），以便于測(cè)量?jī)x表及繼電器的小型化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化將一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)在電氣方面隔離，同時(shí)互感器二次側(cè)必須有一點(diǎn)可靠接地，從而保證二次設(shè)備及運(yùn)行人員的安全使二次系統(tǒng)脫離一次系統(tǒng)成為獨(dú)立的系統(tǒng)；使測(cè)量和保護(hù)裝置脫離一次設(shè)備構(gòu)成集中的裝置電壓互感器

由一、二次繞組及鐵芯構(gòu)成,其一次繞組的匝數(shù)N1很多,并在一次主回路中,而二次繞組的匝數(shù)N2較少,二次側(cè)并聯(lián)接入測(cè)量?jī)x表和繼電器的電壓線圈其阻抗非常大，故所帶負(fù)荷很小，致使電壓互感器正常工作時(shí)接近變壓器的空載狀態(tài)。電壓互感器

電壓互感器注意事項(xiàng)：

二次側(cè)繞組嚴(yán)禁短路:

電壓互感器的一、二次電壓有基本固定的倍數(shù)關(guān)系，但它是以二次負(fù)載接近空載為條件。過大的負(fù)載引起繞組過熱；在極端情況下，若二次側(cè)發(fā)生短路，電壓互感器二次側(cè)將感應(yīng)大電流，可能使電壓互感器被燒毀

二次側(cè)繞組要接地

注意接線極性電壓互感器的誤差與準(zhǔn)確度級(jí)電壓誤差或比差

：相角誤差：

相位差為旋轉(zhuǎn)180°的二次電壓相量-與一次電壓之間的夾角δ.超前于時(shí)為正,反之，為負(fù)。電壓互感器的誤差與準(zhǔn)確度級(jí)

電壓互感器的準(zhǔn)確級(jí)就是在二次負(fù)荷從額定值的0.25~1，COSφ2=0.8和一次電壓不超過額定值的0.9~1.1時(shí)電壓誤差的最大限值的百分?jǐn)?shù)。

準(zhǔn)確級(jí)

：表5-14電壓互感器準(zhǔn)確級(jí)和誤差限值

電壓互感器的接線電壓互感器的接線

電壓互感器的準(zhǔn)確級(jí)就是在二次負(fù)荷從額定值的0.25~1，COSφ2=0.8和一次電壓不超過額定值的0.9~1.1時(shí)電壓誤差的最大限值的百分?jǐn)?shù)。

單相電壓互感器

：電壓互感器的選擇電壓互感器選擇和校驗(yàn)項(xiàng)目：結(jié)構(gòu)類型選擇額定電壓選擇:電壓互感器準(zhǔn)確級(jí)和額定容量的選擇

第五節(jié)低壓電器的選擇選擇

低壓開關(guān)電器按作用大體上也可分為隔離電源的開關(guān)、投切負(fù)荷電流的開關(guān)、保護(hù)電器以及多功能的斷路器。在低壓電路中，隔離電源容易實(shí)現(xiàn)也便于判明，不必如高壓電路那樣要求有明顯可見的斷口。低壓滅弧裝置也較簡(jiǎn)單易行，常做成隔離電源和投切一定的負(fù)荷電流相結(jié)合的連接電源開關(guān)，如帶消弧罩的閘刀開關(guān)、組合開關(guān)和負(fù)荷開關(guān)。在低壓用電設(shè)備中有大量的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，不但啟動(dòng)電流大且有頻繁啟動(dòng)和自動(dòng)控制等要求，一般用交流接觸器或磁力起動(dòng)器。

低壓電器的原理二低壓電器的選擇低壓電器的選擇與高壓電器選擇無(wú)原則上的區(qū)別。高壓設(shè)備的長(zhǎng)期與短時(shí)發(fā)熱及電動(dòng)力計(jì)算的基本理論同樣適用于低壓電器，一般選擇也基本相同。二低壓電器的選擇

低壓電器的特點(diǎn)有：（1）低壓電器控制的負(fù)荷多是直接起動(dòng)的感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)電流大，且常有頻繁操作、自動(dòng)控制和就地操作試機(jī)等要求。（2）低壓網(wǎng)絡(luò)短路電流大，但設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸小，特別是操作類的電器都有滿足操作頻繁、輕便等要求。當(dāng)難以從制造上達(dá)到完全的動(dòng)、熱穩(wěn)定時(shí)，允許用“保安電流”替代。（3）低壓網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)的選擇性、靈敏性和快速性等要求由熔斷器和自動(dòng)開關(guān)的有關(guān)參數(shù)選擇來(lái)滿足。（4）低壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，通常都由小容量配電變壓器供電，其短路電流限制在一定的范圍，具有較強(qiáng)的界限性；充分利用這些特點(diǎn)可以簡(jiǎn)化低壓電器的選擇，減少選擇第六節(jié)發(fā)電廠和變電所主變壓器的選擇

一變壓器容量、臺(tái)數(shù)的確定原則

主