《電氣工程基礎》課件第5章

第5章電氣設備的選擇5.1電氣設備選擇的一般條件5.2母線和電纜的選擇5.3高壓斷路器、隔離開關及高壓熔斷器的選擇5.4限流電抗器的選擇5.5互感器的選擇思考題

電氣設備的選擇是發(fā)電廠和變電所電氣部分設計的重要內容之一。如何正確地選擇電氣設備，將直接影響電氣主接線和配電裝置的安全及經濟運行。因此，在進行設備選擇時，

必須執(zhí)行國家的有關技術經濟政策，在保證安全、可靠的前提下，力爭做到技術先進、經濟合理、運行方便和留有適當?shù)陌l(fā)展余地，以滿足電力系統(tǒng)安全、經濟運行的需要。

學習本章時應注意把基本理論與工程實踐結合起來，在熟悉各種電氣設備性能的基礎上，通過實例來掌握各種電氣設備的選擇方法。

5.1電氣設備選擇的一般條件

由于電力系統(tǒng)中各電氣設備的用途和工作條件不同，它們的選擇方法也不盡相同，但其基本要求卻是相同的。即，電氣設備要能可靠地工作，必須按正常工作條件進行選擇，按短路條件校驗其動、熱穩(wěn)定性。

一、按正常工作條件選擇

導體和電器的正常工作條件包括額定電壓、額定電流和自然環(huán)境條件等三個方面。

1.額定電壓

一定額定電壓的高壓電器，其絕緣部分應能長期承受相應的最高工作電壓。由于電網調壓或負荷的變化，使電網的運行電壓常高于電網的額定電壓。因此，所選導體和電器的

允許最高工作電壓應不低于所連接電網的最高運行電壓。

當導體和電器的額定電壓為UN

時，導體和電器的最高工作電壓一般為(1.1~1.15)UN

；而實際電網的最高運行電壓一般不超過1.1UN。因此，在選擇設備時一般按照導體和電器的額定電壓UN

不低于安裝地點電網額定電壓UNS

的條件進行選擇，即

2.額定電流

在規(guī)定的周圍環(huán)境溫度下，導體和電器的額定電流IN

應不小于流過設備的最大持續(xù)工作電流Imax

，即

由于發(fā)電機、調相機和變壓器在電壓降低5%時出力保持不變，其相應回路的最大持續(xù)工作電流Imax

=1.05IN

(IN為發(fā)電機的額定電流)；母聯(lián)斷路器和母線分段斷路器回路的最大持續(xù)工作電流Imax

，一般取該母線上最大一臺發(fā)電機或一組變壓器的Imax

；母線分段電抗器回路的Imax

，按母線上事故切除最大一臺發(fā)電機時，這臺發(fā)電機額定電流的50%~80%計算；饋電線回路的Imax

，除考慮線路正常負荷電流外，還應包括線路損耗和事故時轉移過來的負荷。

此外，還應根據(jù)裝置地點、使用條件、檢修和運行等要求，對導體和電器進行型式選擇。

3.自然環(huán)境條件

選擇導體和電器時，應按當?shù)丨h(huán)境條件校核它們的基本使用條件。當氣溫、風速、濕度、污穢等級、海拔高度、地震烈度、覆冰厚度等環(huán)境條件超出一般電器的規(guī)定使用條件時，應向制造部門提出補充要求或采取相應的防護措施。例如，當電氣設備布置在制造部門規(guī)定的海拔高度以上地區(qū)時，由于環(huán)境條件變化的影響，引起電氣設備所允許的最高工作電壓下降，需要進行校正。一般地，若海拔范圍在1000~3500m以內，則每當海拔高度比廠家規(guī)定值升高100m時，最高工作電壓下降1%。因此，在海拔高度超過1000m的地區(qū)，應選用高原型產品或選用外絕緣提高一級的產品。目前，

110kV及以下電器的外絕緣普遍具有一定裕度，故可使用在海拔2000m以下的地區(qū)。

當周圍介質溫度θ0

和導體(或電器)額定環(huán)境溫度θ0N

不同時。導體(或電器)的額定電流

IN

可按式(5－3)進行修正，即

式中，為周圍介質溫度修正系數(shù)；I'N

為對應于導體(或電器)正常最高容許溫度θ0N

和實際周圍介質溫度θ0

的容許電流A；θN

為導體(或電器)的正常最高容許溫度。

目前我國生產電器的額定環(huán)境溫度(θ0N)為+40℃。當這些電器使用在環(huán)境溫度高于+40℃(但不高于+60℃)的地區(qū)時，該地區(qū)的環(huán)境溫度每增加1℃，電器的額定電流減少

1.8%；當使用在環(huán)境溫度低于+40℃時，該地區(qū)的環(huán)境溫度每降低1℃，電器的額定電流增加0.5%，但最大不得超過額定電流的20%。

我國生產的裸導體在空氣中的額定環(huán)境溫度(θ0N

)為25℃，當裝置地點環(huán)境溫度在-5~+50℃范圍內變化時，導體的額定載流量可按式(5－3)修正。

二、按短路條件校驗

1.按短路熱穩(wěn)定校驗

短路熱穩(wěn)定校驗就是要求所選擇的導體和電器，當短路電流通過時其最高溫度不超過導體和電器的短時發(fā)熱最高允許溫度，即

或

式中，

Qd

為短路電流熱效應；

Qr為導體和電器允許的短時熱效應；Ir

為tr

時間內導體和電器允許通過的熱穩(wěn)定電流；tr

為導體和電器的熱穩(wěn)定時間。

2.短路動穩(wěn)定校驗

動穩(wěn)定是指導體和電器承受短路電流機械效應的能力，滿足動穩(wěn)定的條件為

或

式中，ish

、Ish

為短路沖擊電流幅值及有效值；

ies

、Ies

為導體和電器允許通過的動穩(wěn)定電流的幅值及有效值。

3.短路電流的計算條件

為使所選導體和電器具有足夠的可靠性、經濟性和合理性，并在一定的時期內適應電力系統(tǒng)的發(fā)展需要，對導體和電器進行校驗用的短路電流應滿足以下條件：

(1)計算時應按本工程設計的規(guī)劃容量計算，并考慮電力系統(tǒng)的遠景發(fā)展規(guī)劃(一般考慮本工程建成后5~10年)。所用接線方式，應按可能發(fā)生最大短路電流的正常接線方式，

而不應按僅在切換過程中可能并列運行的接線方式。

(2)短路的種類可按三相短路考慮。若發(fā)電機出口的短路，或中性點直接接地系統(tǒng)及自耦變壓器等回路中的單相、兩相接地短路較三相短路嚴重時，則應按嚴重情況驗算。

(3)短路計算點應選擇在正常接線方式下，通過導體或電器的短路電流為最大的地點。但對于帶電抗器的6~10kV出線及廠用分支線回路，在選擇母線至母線隔離開關之間的

引線、套管時，計算短路點應該取在電抗器前。選擇其余的導體和電器時，計算短路點一般取在電抗器后。

以圖5－1為例說明短路計算點的選擇方法。

(1)發(fā)電機、變壓器回路的斷路器。應把斷路器前或后短路時通過斷路器的電流值進行比較，取其較大者為短路計算點。例如，要選擇發(fā)電機斷路器QF1，當k4點短路時，流過QF1的電流為G1供給的短路電流；當k1短路時，流過QF1的電流為G2供給的短路電流及系統(tǒng)經T1、T2供給的短路電流之和。若兩臺發(fā)電機的容量相等，則后者大于前者，故應選k1為QF1的短路計算點。

(2)母聯(lián)斷路器QF3。當用QF3向備用母線充電時，如遇到備用母線故障，即k3點短路，則此時流過QF3的電流為G1、G2及系統(tǒng)供給的全部短路電流(情況最嚴重)。故選k3為QF3的短路計算點。同樣，在校驗發(fā)電機電壓母線的動、熱穩(wěn)定時也應選k3為短路計算點。

(3)分段斷路器QF4。應選k4為短路計算點，并假設T1切除，這時流過QF4的電流為G2供給的短路電流及系統(tǒng)經T2供給的短路電流之和。如果不切除T1，則系統(tǒng)供給的短路電流有部分經T1分流，而不流經QF4(情況沒有(2)嚴重)。

(4)變壓器回路斷路器QF5和QF6。考慮原則與QF4相似。對低壓側QF5，應選k5為短路計算點，并假設QF6斷開，流過QF5的電流為G1、G2供給的短路電流及系統(tǒng)經T2供給的短路電流之和；對高壓側斷路器QF6，應選k6為短路計算點，并假設QF5斷開，流過QF6的電流為G1、G2經T2供給的短路電流及系統(tǒng)直接供給的短路電流之和。

(5)帶電抗器的出線回路斷路器QF7。顯然，

k2短路時比k7短路時流過QF7的電流大。但運行經驗證明，干式電抗器的工作可靠性高，且斷路器和電抗器之間的連線很短，k2發(fā)生短路的可能性很小，因此選擇k7為QF7的短路計算點，這樣出線可選用輕型斷路器。

(6)廠用變壓器回路斷路器QF8，一般QF8至廠用變壓器之間的連線多為較長電纜，存在短路的可能性，因此，選k8為QF8的短路計算點。圖5－1短路計算點的選擇

4.短路計算時間

校驗短路熱穩(wěn)定和開斷電流時，還必須合理地確定短路計算時間tk

。短路計算時間tk為繼電保護動作時間tpr和相應斷路器的全分閘時間tab

之和，即

式中，

tab為斷路器的固有分閘時間和燃弧時間之和。

在驗算裸導體的短路熱效應時，宜采用主保護動作時間。若主保持有死區(qū)，則應采用能對該死區(qū)起作用的后備保護動作時間，并采用相應處的短路電流值。在驗算電器的短路

熱效應時，宜采用后備保護動作時間。

對于開斷電器(如斷路器、熔斷器等)，應能在最嚴重的情況下開斷短路電流。故電器的開斷計算時tab是從短路瞬間開始到斷路器滅弧觸頭分離的時間。其中包括主保護動作

時間tpr1

和斷路器固有分閘時間tin

之和，即

5.2母線和電纜的選擇

5.2.1母線的選擇配電裝置中的母線，應根據(jù)具體使用情況按下列條件選擇和校驗：

①母線材料、截面形狀和布置方式；

②母線截面尺寸；

③電暈；

④熱穩(wěn)定；⑤動穩(wěn)定；

⑥共振頻率。

一、母線材料、截面形狀和布置方式選擇

母線一般由導電率高的鋁、銅型材制成。由于鋁的成本低，現(xiàn)在除持續(xù)工作電流較大且位置特別狹窄的發(fā)電機、變壓器出線端部，或采用硬鋁導體穿墻套管有困難以及對鋁有

較嚴重腐蝕的場所采用銅母線外，其他普遍使用鋁母線。

常用的硬母線截面形狀為矩形、槽形和管形。矩形截面的優(yōu)點是散熱面大，并且便于固定和連接，但電流的集膚效應強烈。我國最大的單片矩形母線承載的工作電流約為2kA。當工作電流較大時，可采用2~4片組成的多條矩形母線。但是受鄰近效應的影響，

4片矩形母線的載流能力一般不超過6kA。因此，矩形母線常被用于容量為50MW及以下的發(fā)電機或容量為60MV·A及以下的降壓變壓器10.5kV側的引出線及其配電裝置。槽形截面母線具有機械強度好、載流量大、集膚效應小的特點。當回路正常工作電流在4~8kA時，一般選用槽形母線。管形母線同樣具有機械強度高、集膚效應小的優(yōu)點，且其電暈放電電壓較高，管內可通風或通水進行冷卻，從而使載流量增大。因此，管形母線可用于8kA以上的大電流母線和110kV及以上的配電裝置母線。

母線的散熱條件和機械強度與母線的布置方式有關。母線按照其布置方式可分為支持式和懸掛式。支持式是用適合母線工作電壓的支持絕緣子把母線固定在鋼構架或墻板等建

筑物上。常見的布置方式有水平布置、垂直布置和三角形布置。懸掛式是用懸垂絕緣子把母線吊掛在建筑物上。常見的布置方式為三相垂直排列、水平排列和等邊三角形排列。圖

5－2為矩形母線的布置方式。其中圖(a)和圖(b)相比，圖(a)散熱條件好、載流量大，但機械強度差；而圖(b)則相反。圖(c)兼顧了圖(a)和圖(b)的優(yōu)點，但增加了配電裝置的高度。因此，母線的布置方式應綜合考慮載流量的大小、短路電流的大小和配電裝置的具體情況確定。圖5－2矩形母線的布置方式

二、母線截面尺寸選擇

(1)為了保證母線的長期安全運行，母線導體在額定環(huán)境溫度θ0N

和導體正常發(fā)熱允許最高溫度θN

下的允許電流IN

，經過修正后的數(shù)值應大于或等于流過導體的最大持續(xù)工作電流Imax

，即

式中，

K為綜合修正系數(shù)(K值與海拔高度、環(huán)境溫度和鄰近效應等因素有關，可查閱有關手冊)。

(2)為了考慮母線長期運行的經濟性，除了配電裝置的匯流母線以及斷續(xù)運行或長度在20m以下的母線外，一般均應按經濟電流密度選擇導體的截面，這樣可使年計算費用最低。經濟電流密度的大小與導體的種類和最大負荷年利用小時數(shù)Tmax有關。按照我國現(xiàn)行規(guī)定，經濟電流密度如表5－1所示。導體的經濟截面Sj

計算公式為

式中，

I′max

為正常工作時的最大持續(xù)工作電流，單位為A；

j

為經濟電流密度，單位為A/mm2。

由于按經濟電流密度選擇的截面積是在總費用的最低點，在該點附近總費用隨截面積變化不明顯。因此，選擇時如果導體截面積無合適的數(shù)值時，允許選用略小于按經濟電流密度求得的截面積。

三、電暈電壓校驗

電暈放電會造成電暈損耗、無線電干擾、噪音和金屬腐蝕等許多危害。因此，110~220kV裸母線晴天不發(fā)生可見電暈的條件是：電暈臨界電壓Ucr

應大于最高工作電壓Umax

，即

對于330~500kV的超高壓配電裝置，電暈是選擇導線的控制條件。要求在1.1倍最高工作相電壓下，晴天夜晚不應出現(xiàn)可見電暈。選擇母線時應綜合考慮導體直徑、分裂間距和相間距離等條件，經過技術經濟比較，確定最佳方案。

四、熱穩(wěn)定校驗

選擇導體截面S后，還應校驗其在短路條件下的熱穩(wěn)定。裸導體熱穩(wěn)定校驗公式為

式中，

S為所選導體截面，

mm2

；Smin為根據(jù)熱穩(wěn)定條件決定的導體最小允許截面，mm2

；Qk為短路電流熱效應；

Ks

為集膚效應系數(shù)；

C為熱穩(wěn)定系數(shù)，其值與材料及發(fā)熱溫度有關，如表5－

2所示。

五、動穩(wěn)定校驗

由于硬母線都安裝在支持絕緣子上，當短路沖擊電流通過母線時，電動力將使母線產生彎曲應力。因此，母線應進行短路機械強度計算。

單條母線應力計算的方法如下。

按照母線與絕緣子、金具的連接特點，母線的每個支持點都屬于簡支。在跨數(shù)很多、母線所受載荷是同向均勻分布電動力的情況下，可以把母線作為自由支承在絕緣子上的多跨距、載荷均勻分布的連續(xù)梁來考慮。在電動力的作用下，當跨距數(shù)大于2時，母線所受的最大彎矩為

計算得到的Lmax

可能較大，為了避免水平放置的母線因自重而過分彎曲，所選擇的跨距一般不超過1.5~2m。為便于安裝絕緣子支座及引下線，最好選取跨距等于配電裝置的間隔寬度。

當每相為多條導體時，導體除受到相間作用力外，還受到同相條間的作用力。

(1)相間應力σph的計算。相間應力σph

仍按式(5－18)計算，但式中的Wph為相應條數(shù)和布置方式的截面系數(shù)。

(2)同相條間應力σb

的計算。由于同相的條間距離很近，

σb

通常很大。為了減小σb

，在同相各條導體間每隔0~50cm設一襯墊，如圖5－3所示。同相中，邊條導體所受的條間作用力最大。邊條導體所受的最大彎矩為

式中，

fb

為單位長度導體上所受到的條間電動力，

N/m；

Lb

為襯墊跨距(相鄰兩襯墊間的距離)，

m。fb按式(4－29)計算，式中的a

取條間距離。由于條間距離很小，計算fb時應考慮電流在條間的分配及形狀系數(shù)Kf

。圖5－3一相有兩條導體時襯墊的裝設

六、母線共振的校驗

如果母線的固有振動頻率與短路電動力交流分量的頻率相近以至發(fā)生共振，則母線導體的動態(tài)應力將比不發(fā)生共振時的應力大得多，這可能使得母線導體以及支持結構的設計

和選擇發(fā)生困難。此外，正常運行時若發(fā)生共振，會引起過大的噪音，干擾運行。因此，母線應盡量避免共振。為了避開共振和校驗機械強度，對于重要回路(如發(fā)電機、變壓器及匯流母線等)的母線應進行共振校驗。

母線的一階固有頻率為

式中，

L為母線絕緣子之間的跨距，單位為m；E為導體材料的彈性模量，單位為N/m2

；I為導體截面的慣性矩，單位為m4；m為單位長度母線導體的質量，單位為kg/m；

Nf為頻率系數(shù)，與母線的連接跨數(shù)和支承方式有關，可由表5－4查得。

為了避免導體產生危險的共振，對于重要回路的母線，應使其固有振動頻率在下述范圍以外：

(1)單條母線及母線組中各單條母線:35~150Hz。

(2)對于多條母線組及帶引下線的單條母線:35~155Hz。

(3)對于槽形母線和管形母線:30~160Hz

當母線固有振動頻率無法限制在共振頻率范圍之外時，母線受力計算必須乘以振動系數(shù)β

，β

值可由圖4－11查得。

若已知母線的材料形狀、布置方式和應避開共振的固有振動頻率f0(一般f0

=200Hz)，則可由式(5－28)算出母線不發(fā)生共振時絕緣子間的最大允許跨距，即

注意，如選擇的絕緣子跨距小于Lmax

，則β=1。

5.2.2電纜的選擇與校驗

一、按結構類型選擇電力電纜

根據(jù)電力電纜的用途、敷設方法和使用場所，選擇電力電纜的芯數(shù)、芯線的材料、絕緣的種類、保護層的結構以及電纜的其他特征，最后確定電力電纜的型號。

二、按電壓選擇

要求電力電纜的額定電壓UN

不小于安裝地點的最大工作電壓Umax

，即

三、按最大持續(xù)工作電流選擇電纜截面

在正常工作時，電纜的長期允許發(fā)熱溫度氏決定子電纜芯線的絕緣、電纜的電壓和結構等。如果電纜的長期發(fā)熱溫度超過久時，電纜的絕緣強度將很快降低，可能引起芯線與金屬外皮之間的絕緣擊穿。電纜的長期允許電流IN就是根據(jù)這一長期允許發(fā)熱溫度和周圍介質的計算溫度θ0N

來決定的。

要使電纜的正常發(fā)熱溫度不超過其長期允許發(fā)熱溫度

θN

，必須滿足下列條件：

式中，

Imax為電纜電路中長期通過的最大工作電流；IN

為電纜的長期允許電流；

k

為綜合修正系數(shù)，與環(huán)境溫度、敷設方式及土壤熱阻有關。

四、按經濟電流密度選擇電纜截面

對于發(fā)電機、變壓器回路，當其最大負荷利用小時數(shù)超過5000h/年，且長度超過20m時，應按經濟電流密度選擇電纜截面，并按最大長期工作電流進行校驗。電纜的經濟電流密度見表5－1。

按經濟電流密度選出的電纜，還應確定經濟合理的電纜根數(shù)。一般情況下，電纜截面在150mm2以下時，其經濟根數(shù)為一根。當截面S大于150mm2時。其經濟根數(shù)可按S/150決定。若電纜截面比一根150mm2的電纜大，但又比兩根150mm2的電纜小時，通常宜采用兩根120mm2的電纜。

五、按短路熱穩(wěn)定校驗電纜截面

滿足熱穩(wěn)定要求的最小電纜截面為

式中，

Qk

為短路電流熱效應，

A2·s；C為熱穩(wěn)定系數(shù)，它與電纜類型、額定電壓及短路允許最高溫度有關，見表5－6。

六、電壓損失校驗

當電纜用于遠距離輸電時，還應對其進行允許電壓損失校驗。電纜電壓損失的校驗公式為

式中，ρ

為電纜導體的電阻率，

Ω·mm2/m；L為電纜長度，

m；UN

為電纜額定電壓，

V；S為電纜截面，mm2

；Imax為電纜的最大長期工作電流，

A。

例5－2如圖5－4所示，請選擇其出線電纜。在變電所的兩段母線上各接有一臺3.15MV·A變壓器，正常時母線分段運行。當一條線路故障時，要求另一條線路能供兩臺變壓器滿負荷運行時功率的70%。最大負荷利用小時數(shù)Tmax

=4500h。變電所距電廠500m，在250m處電纜有中間接頭，該接頭處發(fā)生三相短路時的短路電流熱效應Qk

=125×106A2

·S，電纜直埋地下，間距取200mm，土壤溫度θ0

=20℃，熱阻系數(shù)g=80℃·cm/W。圖5－4選擇出線電纜接線圖

5.3高壓斷路器、隔離開關及高壓熔斷器的選擇

一、高壓斷路器的選擇高壓斷路器按下列項目選擇和校驗：

①型式和種類；②額定電壓；

③額定電流；④開斷電流；

⑤額定關合電流；

⑥動穩(wěn)定；

⑦熱穩(wěn)定。

1.按種類和型式選擇

高壓斷路器的種類和型式的選擇，除滿足各項技術條件和環(huán)境條件外，還應考慮便于安裝調試和運行維護的問題，然后經技術經濟比較后才能確定。根據(jù)我國當前生產制造情

況。電壓6~220kV的電網可選用少油斷路器、真空斷路器和六氟化硫斷路器；330~500kV電網一般采用六氟化硫斷路器。采用封閉母線的大容量機組，當需要裝設斷路器時，

應選用發(fā)電機專用斷路器。

2.按額定電壓選擇

高壓斷路器的額定電壓UN

應大于或等于所在電網的額定電壓

UNS

，即

3.按額定電流選擇

高壓斷路器的額定電流IN

應大于或等于流過它的最大持續(xù)工作電流Imax

，即

當斷路器使用的環(huán)境溫度不等于設備最高允許環(huán)境溫度時，應對斷路器的額定電流進行修正。

4.按額定短路開斷電流選擇

在給定的電網電壓下，高壓斷路器的額定短路開斷電流INbr應滿足

式中，

Izt

為斷路器實際開斷時間tk

的短路電流周期分量有效值。

斷路器的實際開斷時間tk

等于繼電保護主保護動作時間與斷路器的固有分閘時間之和。

對于設有快速保護的高速斷路器，其開斷時間小于0.

1s

，當在電源附近短路時，短路電流的非周期分量可能超過周期分量幅值的20%，因此，其開斷電流應計及非周期分量的影響，取短路全電流有效值Ik

進行校驗。

裝有自動重合閘裝置的斷路器，應考慮重合閘對額定開斷電流的影響。

5.按額定短路關合電流選擇

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，觸頭間在未接觸時即有很大的短路電流通過(預擊穿)，更易發(fā)生觸頭熔焊和遭受電動力的破壞。且斷

路器在關合短路電流時，不可避免地在接通后又自動跳閘，此時要求能切斷短路電流。為了保證斷路器在關合短路時的安全，斷路器的額定短路關合電流iNcl

應不小于短路沖擊電流幅值ish

，即

6.動穩(wěn)定校驗

高壓斷路器的額定峰值耐受電流

ies應不小于三相短路時通過斷路器的短路沖擊電流幅值ish

，即

7.熱穩(wěn)定校驗

高壓斷路器的額定短時耐受熱量I2t

t

應不小于短路期內短路電流熱效應Qk

，即

二、隔離開關的選擇

隔離開關應根據(jù)下列條件選擇：①型式和種類；

②額定電壓；③額定電流；④動穩(wěn)定；⑤熱穩(wěn)定。

隔離開關的型式和種類的選擇應根據(jù)配電裝置的布置特點和使用條件等因素，進行綜合技術經濟比較后確定。其他四項技術條件與高壓斷路器相同，此處不再贅述。

三、高壓熔斷器的選擇

高壓熔斷器應根據(jù)下列條件選擇：

①額定電壓；

②額定電流；

③開斷電流；

④保護熔斷特性。

1.按額定電壓選擇

熔斷器的額定電壓應不小于所在電網的額定電壓。但對于限流式高壓熔斷器，則只能用在等于其額定電壓的電網中。這是因為限流式熔斷器熔斷時有過電壓發(fā)生。如果將它用

在低于其額定電壓的電網中，則過電壓可能達到3.5~4倍的電網相電壓，從而超過電網的絕緣水平造成危險。

2.按額定電流選擇

要求熔斷器必須符合下列條件，即

INRg≥INRr≥Imax

(5－39)

式中，

INRg

為熔斷器熔管的額定電流；INRr

為熔斷器熔件的額定電流；

Imax

為流過熔斷器的最大長期工作電流。

熔件的額定電流還應按高壓熔斷器的保護熔斷特性選擇，即達到選擇性熔斷的要求。同時，還應考慮熔斷器在運行中可能通過的沖擊電流(如變壓器勵磁涌流，保護范圍以外的

短路電流、電動機自啟動電流及補償電容器組的涌流電流等)作用下，不致誤熔斷。

3.按開斷電流校驗

按開斷電流選擇時，要求熔斷器的額定開斷電流INbr

應不小干三相短路沖擊電流的有

效值Ish

(或I″)，即

INbr≥Ish

(I″)

(5－40)

對于非限流式熔斷器，選擇時用沖擊電流有效值Ish

進行校驗；對于限流式熔斷器，由于在電流通過最大值之前電路已截斷，故可采用三相短路次暫態(tài)電流有效值I″進行校驗。

4.按保護熔斷特性校驗

根據(jù)保護動作選擇性的要求校驗熔件的額定電流，使其保證前后兩級熔斷器之間或熔斷器與電源側(或負荷側)繼電保護之間動作的選擇性。各種熔件的熔斷時間與通過熔件的

短路電流的關系曲線，由制造廠提供。此外，保護電壓互感器用的熔斷器，只需按額定電壓和開斷電流選擇。

例5－3選擇圖中發(fā)電機G1的出口斷路器QF1。發(fā)電機參數(shù)和系統(tǒng)阻抗如圖55所示。主保護動作時間tb1

=0.

05s，后備保護動作時間tb2

=4s。圖5－510.5kV屋內配電裝置示意圖

斷路器的選擇結果表如表5－7所示。

5.4限流電抗器的選擇

電力系統(tǒng)中使用的電抗器，分為普通電抗器和分裂電抗器兩種。普通型電抗器一般裝設在發(fā)電廠饋電線路或發(fā)電機電壓母線的分段上。分裂電抗器常裝設在負荷平衡的雙回饋電線、變壓器的低壓側以及發(fā)電機回路上。兩者的選擇方法原則上是相同的。一般按下列項目選擇和校驗：

①額定電壓；

②額定電流；

③電抗百分數(shù)；④動穩(wěn)定；

⑤熱穩(wěn)定。

一、按額定電壓選擇

電抗器的額定電壓UN

應大于或等于所在電網的額定電壓UNS

，即

二、按額定電流選擇

電抗器的額定電流IN

應大于或等于通過它的最大持續(xù)工作電流Imax

，即

對于母線分段電抗器的最大持續(xù)工作電流，應根據(jù)母線上事故切除最大一臺發(fā)電機時，可能通過電抗器的電流選擇，一般取該臺發(fā)電機額定電流的50%~80%。

對于分裂電抗器，當用于發(fā)電廠的發(fā)電機或主變壓器回路時，其最大工作電流一般按發(fā)電機或主變壓器額定電流的70%選擇；當用于變電所主變壓器回路時，應按負荷電流大的一臂中通過的最大負荷電流選擇。當無負荷資料時，可按主變壓器額定電流的70%選擇。

三、按電抗百分數(shù)選擇

1.普通電抗器電抗百分數(shù)的選擇

(1)按將短路電流限制到要求值選擇。

設要求將短路電流限制到I″

，則短路回路總電抗的標么值X*∑為

式中，

IB

為基準電流，

kA；I″為次暫態(tài)短路電流周期分量有效值，

kA。

所需電抗器的基準電抗標么值應為

式中，

X′*Σ為電源至電抗器前的系統(tǒng)電抗標么值；X*Σ為電源至電抗器后的系統(tǒng)電抗標么值。

電抗器在額定參數(shù)條件下的百分比電抗為

式中，

UB

為基準電壓，單位為kV。

(2)按電壓損失校驗。

普通電抗器在正常工作時，其電壓損失不得大于母線額定電壓的5%。對于出線電抗器尚應計及出線上的電壓損失，即

式中，?為負荷功率因數(shù)角，為方便計算，一般cos?取0.

8。

(3)按母線殘余電壓校驗。

當出線電抗器未設置無時限繼電保護時，應按在電抗器后發(fā)生短路，母線殘余電壓不低于額定值的60%~70%校驗。即

2.分裂電抗器電抗百分數(shù)的選擇

分裂電抗器的電抗百分數(shù)XR%可按式(5－46)計算，但由于分裂電抗器的技術數(shù)據(jù)中只給出了單臂自感電抗XL%，所以還應進行換算。XL%和XR%之間的關系與電源連接方式及短路點的選擇有關。分裂電抗器的接線如圖5－6所示。圖5－6分裂電抗器接線圖

(1)當3側有電源，

1側和2側無電源，而在1或2側短路時，

XL%=XR%。

(2)當3側無電源，

1側和2側有電源，

1(或2)側短路時，

XR%=2(1+f)XL%。

(3)當1側和2側有電源，在3側短路，或者三側均有電源，而3側短路時，

XR

%=2(1-f)XL%/2。

其中f

為分裂電抗器的互感系數(shù)，當無制造部門資料時，一般取0.5。在正常運行條件下，分裂電抗器的電壓損失很小，但兩臂負荷變化所引起的電壓波動卻很大，故要求正常工作時兩臂母線電壓波動不大于母線額定電壓的5%?？紤]到電抗器的電阻很小，而且電壓降是由電流的無功分量在電抗器的電抗中產生的，故母線Ⅰ上的電壓為

四、動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定校驗

電抗器的熱穩(wěn)定校驗應滿足

式中，

Qd

為電抗器后短路時短路電流的熱效應；Ir

為電抗器tr

(s)的熱穩(wěn)定電流；tr

為電抗器的熱穩(wěn)定時間。

電抗器的動穩(wěn)定校驗應滿足

式中，ish為電抗器后短路沖擊電流；

Ies為電抗器的動穩(wěn)定電流。

此外，由于分裂電抗器在兩臂同時流過反向短路電流時的動穩(wěn)定較弱，故對分裂電抗器應分別對單臂流過短路電流和兩臂同時流過反向短路電流兩種情況進行動穩(wěn)定校驗。在

選擇分裂電抗器時，還應考慮電抗器布置方式和進出線端子角度的選擇。

例5－4如圖5－7所示，已知10.5kV出線擬使用SN810型斷路器，其允許開斷電流INbr=11kA，斷路器QF全開斷時間tab=0.1s，出線保護動作時間tpr=1s，線路最大

持續(xù)工作電流為360A，試選擇出線電抗器。圖5－7選擇出線電抗器接線圖

5.5互感器的選擇

一、電流互感器的選擇

1.一次回路額定電壓和電流的選擇一次回路額定電壓和電流應滿足電壓、電流要求，即式中，

K為溫度修正系數(shù)；IN1

為電流互感器一次額定電流，單位為A。

2.額定二次電流的選擇

額定二次電流IN2有5A和1A兩種，一般弱電系統(tǒng)用1A，強電系統(tǒng)用5A。當配電裝置距離控制室較遠時，為使電流互感器能多帶二次負荷或減小電纜截面，提高準確度，

應盡量采用1A。

3.種類和型式選擇

應根據(jù)安裝地點(如屋內、屋外)、安裝方式(如穿墻式、支持式、裝入式等)及產品情況來選擇電流互感器的種類和型式。

6~20kV屋內配電裝置和高壓開關柜，一般用LA、LDZ、LFZ型；發(fā)電機回路和2000A以上回路一般用LMZ、LAJ、LBJ型等；

35kV及以上配電裝置一般用油浸瓷箱式結構的獨立式電流互感器，常用LCW系列，在有條件，如回路中有變壓器套管、穿墻套管時，應優(yōu)先采用套管電流互感器，以節(jié)約投資和占地。選擇母線式電流互感器時，應校核其窗口允許穿過的母線尺寸。當繼電保護有特殊要求時，應采用專用的電流互感器。

4.準確級選擇

準確級是根據(jù)所供儀表和繼電器的用途考慮。互感器的準確級不得低于所供儀表的準確級；當所供儀表要求不同準確級時，應按其中要求準確級最高的儀表來確定電流互感器

的準確級。

(1)用于測量精度要求較高的大容量發(fā)電機、變壓器、系統(tǒng)干線和500kV電壓級的電流互感器，宜用0.2級。

(2)供重要回路(如發(fā)電機、調相機、變壓器、廠用饋線、出線等)中的電能表和所有計費用的電能表的電流互感器，不應低于0.5級。

(3)供運行監(jiān)視的電流表功率表、電能表的電流互感器，用0.5~1級。

(4)供估計被測數(shù)值的儀表的電流互感器，可用3級。

(5)供繼電保護用的電流互感器，應用D級或B級(或新型號P級、TPY級)。

至此，可初選出電流互感器的型號，由產品目錄或手冊查得其在相應準確級下的二次負荷額定阻抗ZN2

、熱穩(wěn)定倍數(shù)Kt

和動穩(wěn)定倍數(shù)Kes。

5.按二次側負荷選擇

作出電流互感器回路的接線圖，列表統(tǒng)計其二次側每相儀表和繼電器負荷，確定最大相負荷。設最大相總負荷為S2

(包括儀表、繼電器、連接導線和接觸電阻)，

S2

應不大于互感器在該準確級所規(guī)定的額定容量SN2

，即

由于儀表和繼電器的電流線圈及連接導線的電抗很小，可以忽略，只需計算電阻，即

式中，

Z21

為二次總負荷阻抗；rar

為二次側負荷最大相的儀表和繼電器電流線圈的電阻，可由其功率Pmax

求得，即rar=Pmax/I2N2

，其單位為Ω；

rl為儀表和繼電器至互感器連接導線的電阻，單位為Ω；

rc為接觸電阻，由于不能準確測量，一般取0.1Ω。

將式(5－57)代入式(5－56)，得

6.熱穩(wěn)定校驗

熱穩(wěn)定校驗只需對本身帶有一次回路導體的電流互感器進行。電流互感器的熱穩(wěn)定能力，常以1s允許通過的熱穩(wěn)定電流It

或It

對一次額定電流

IN1的倍數(shù)Kt(Kt=It/IN1)表示，故其校驗式為

7.動穩(wěn)定校驗

短路電流流過電流互感器內部繞組時，在其內部產生電動力；同時，由于鄰相之間短路流的相互作用，使電流互感器的絕緣瓷帽上受到外部作用力。因此，對各型電流互感器

均應校驗內部動穩(wěn)定，對瓷絕緣型電流互感器增加校驗外部動穩(wěn)定。

①當產品目錄給出瓷絕緣型電流互感器瓷帽端部的允許力Fal時，其校驗方法與穿墻套管類似，即

式中，

Lc

為電流互感器的計算跨距，

m。L1

為電流互感器出線端至最近一個母線支柱絕緣子之間的跨距，

m。L2

為電流互感器兩端瓷帽的距離，對非母線型電流互感器。L2

=0；對母線型電流互感器

L2為其長度，如圖5－8所示，m。圖5－8瓷絕緣母線式電流互感器的接線方式

②有的產品目錄未標明F

al

，只給出K

es。K

es

一般是在相間距離a=0.4m、計算跨距L

c=0.5m的條件下取得的。所以，當未標明F

al時，可按式(555)校驗，即

例5－6選擇10kV出線的測量用電流互感器。已知該饋線裝有電流表、有功功率表、有功電能表各一只，相間距離a=0.4m，電流互感器至最近一個絕緣子的距離L1=1m，

至測量儀表的路徑長度為l=30m，當?shù)刈顭嵩缕骄罡邷囟葹?0℃。

解

(1)根據(jù)電流互感器安裝處電網的額定電壓UNs=10kV，線路Imax=380A，用途及安裝地點，查附表225，選擇LFZ110屋內型電流互感器，變比為400/5，準確級0.5，額定阻抗ZN2=0.4Ω，熱穩(wěn)定倍數(shù)Kt=80，動穩(wěn)定倍數(shù)Kes=140。

(2)作電流互感器回路接線圖，列表統(tǒng)計二次負荷，如圖5－9及表5－8所示。圖－9電流互感器回路接線圖

(4)熱穩(wěn)定校驗。由式(5－61)得

(5)動穩(wěn)定校驗。由于LFZ1－10型互感器為澆注式絕緣，故只需校驗內部動穩(wěn)定。由式(5－62)得

二、電壓互感器的選擇

1.額定電壓的選擇

電壓互感器的一次繞組的額定電壓必須與實際承受的電壓相符，由于電壓互感器接入電網方式的不同，在同一電壓等級中，電壓互感器一次繞組的額定電壓也不盡相同；電壓

互感器二次繞組的額定電壓應能使所接表計承受100V電壓，根據(jù)測量目的的不同，其二次側額定電壓也不相同。三相式電壓互感器(用于3~15kV系統(tǒng))，其一、二次繞組均接成

星形，一次繞組三個引出端跨接于電網線電壓上，額定電壓均以線電壓表示，分別為UNs和100V。

單相式電壓互感器，其一、二次繞組的額定電壓的表示有兩種情況：

①單臺使用或兩臺接成不完全星形，一次繞組兩個引出端跨接于電網線電壓上(用于3~35kV系統(tǒng))，一、

二次繞組額定電壓均以線電壓表示，分別為UNS和100V;②三臺單相互感器的一、二次繞組分別接成星形(用于3kV及以上系統(tǒng))，每臺一次繞組接于電網相電壓上，單臺的一、二次繞組的額定電壓均以相電壓表示，分別為UNS/3和100/3V。第三繞組(又稱輔助繞組或剩余電壓繞組)的額定電壓，對中性點非直接接地系統(tǒng)為100/3V，對中性點直接接地系統(tǒng)為100V。

電網電壓UNS對電壓互感器的誤差有影響，但Us

的波動一般不超過±10%，故實際一次電壓選擇時，只要互感器的UN1

與上述情況相符即可。據(jù)上述，互感器各側額定電壓的選擇可按表5－9進行。

2.種類和型式選擇

電壓互感器的種類和型式應根據(jù)安裝地點(如屋內、屋外)和使用技術條件來選擇。

(1)3~20kV屋內配電裝置，宜采用油浸絕緣結構，也可采用樹脂澆注絕緣結構的電磁式電壓互感器。

(2)35kV配電裝置，宜采用油浸絕緣結構的電磁式電壓互感器。

(3)110~220kV配電裝置，用電容式或串級電磁式電壓互感器。為避免鐵磁諧振，當容量和準確度級滿足要求時，宜優(yōu)先采用電容式電壓互感器。

(4)330kV及以上配電裝置，宜采用電容式電壓互感器。

(5)SF6

全封閉組合電器應采用電磁式電壓互感器。

3.準確級選擇

電壓互感器準確級的選擇原則，可參照電流互感器準確級選擇。用于繼電保護的電壓互感器不應低于3級。

至此，可初選出電壓互感器的型號，由產品目錄或手冊查得其在相應準確級下的額定二次容量。

4.按二次側負荷選擇

(1)作出測量儀表(或繼電器)與電壓互感器的三相接線圖，并盡可能將負荷均勻分配在各相上。

(2)列表統(tǒng)計其二次側“各相間(或相)負荷分配”。據(jù)各儀表(或繼電器)的技術數(shù)據(jù)(S0

、cos?0

)及接線情況，算出其在各相間(或相)的有功功率S0

cos?0和無功功率S0

sin

?0

，并求出各相間(或相)的總有功功率∑S0cos?0和總無功功率∑S0sin?0

，填于分配表中。

(3)求出各相間(或相)的總視在功率S

和功率因數(shù)角?

(4)將三相接線圖與表5－10對照(S、?相當于求表中的S、?或SUV

、?UV

等)，然后用相應公式計算出互感器每相繞組的有功、無功及視在功率。

(5)將最大相的視在功率S2

與互感器一相的額定容量SN2比較，若滿足

則所選擇的互感器滿足要求。

當發(fā)電廠、變電所的同一電壓級有多段母線時，應考慮到各段電壓互感器互為備用，即，當某臺互感器因故退出時，運行中的互感器應能承擔(通過二次側并列)全部二次負荷。

例5－7選擇變電所10kV母線電壓互感器，該變電所要求電氣設備盡量無油化。已知：

10kV母線有兩個分段，每分段上有4回出線和一臺主變壓器，接有有功功