电气主接线的设计与设备选择.ppt

第八章电气主接线的设计与设备选择,第一节概述第二节主变压器和主接线的选择第三节载流导体的发热和电动力第四节电气设备的选择第五节设备选择举例,第一节概述,原则：以设计任务书为依据，以经济建设方针、政策和有关的技术规程、标准为准则，准确地掌握原始资料，结合工程特点，确定设计标准，参考已有设计成果，采用先进的设计工具。要求：使设计的主接线满足可靠性、灵活性、经济性，并留有扩建和发展的余地。,步骤：1.对原始资料进行综合分析；2.草拟主接线方案，对不同方案进行技术经济比较、筛选和确定；3.厂、所和附近用户供电方案设计；4.限制短路电流的措施和短路电流的计算；5.电气设备的选择；6.屋内外配电装置的设计；7.绘制电气主接线图及其它图（如配电装置视图）；8.推荐最佳方案，写出设计技术说明书，编制一次设备概算表。,电气设备选择是发电厂和变电所设计的主要内容之一，在选择时应根据实际工作特点，按照有关设计规范的规定，在保证供配电安全可靠的前提下，力争做到技术先进，经济合理。为了保障高压电气设备的可靠运行，高压电气设备选择与校验的一般条件有：（1）按正常工作条件包括电压、电流、频率、开断电流等选择；（2）按短路条件包括动稳定、热稳定校验；（3）按环境工作条件如温度、湿度、海拔等选择。,第二节主变压器和主接线的选择,主变压器：向电力系统或用户输送功率的变压器联络变压器：用于两种电压等级之间交换功率的变压器自用电变压器：只供厂、所用电的变压器,一、变压器容量、台数、电压的确定原则二、主变压器型式的选择原则三、主接线设计简述四、技术经济比较,一、变压器容量、台数、电压的确定原则主变压器的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。（1）它的确定除依据传递容量基本原始资料外，（2）还应根据电力系统510年发展规划、输送功率大小、馈线回路数、电压等级已经接入系统的紧密程度等因素，进行综合分析和合理选择。1单元接线主变压器容量按发电机额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度；扩大单元接线应尽可能采用分裂绕组变压器。,2连接在发电机电压母线与升高电压之间的主变压器,发电机全部投入运行时，在满足由发电机电压供电的日最小负荷，及扣除厂用电后，主变压器应能将剩余的有功率送入系统。若接于发电机电压母线上的最大一台机组停运时，应能满足由系统经主变压器倒供给发电机电压母线上最大负荷的需要。若发电机电压母线上接有2台或以上主变压器，当其中容量最大的一台因故退出运行时，其它主变压器在允许正常过负荷范围内应能输送剩余功率70%以上。对水电比重较大的系统，若丰水期需要限制该火电厂出力时，主变应能从系统倒送功率，满足发电机电压母线上的负荷需要。,3变电所主变压器容量按变电所建成后510年的规划负荷选择，并适当考虑远期1020年的负荷发展。对重要变电所，应考虑一台主变停运，其余变压器在计及过负荷能力及允许时间内，满足I、II类负荷的供电；对一般性变电所，一台主变停运，其余变压器应能满足全部供电负荷的70%80%。4发电厂和变电所主变台数大中型发电厂和枢纽变电所，主变不应少于2台；对小型的发电厂和终端变电所可只设一台。5.确定绕组额定电压和调压的方式,二、主变压器型式的选择原则1.相数：一般选用三相变压器。2.绕组数：变电所或单机容量在125MW及以下的发电厂内有三个电压等级时，可考虑采用三相三绕组变压器，但每侧绕组的通过容量应达到额定容量的15%及以上，或第三绕组需接入无功补偿设备。否则一侧绕组未充分利用，不如选二台双绕组变更合理。单机容量200MW及以上的发电厂，额定电流和短路电流均大，发电机出口断路器制造困难，加上大型三绕组变压器的中压侧（110kV及以上时）不希望留分接头，为此以采用双绕组变压器加联络变压器的方案更为合理。凡选用三绕组普通变压器的场合，若两侧绕组为中性点直接接地系统，可考虑选用自耦变压器，但要防止自耦变的公共绕组或串联绕组的过负荷。,3.绕组接线组别的确定变压器三相绕组的接线组别必须和系统电压相位一致。4.短路阻抗的选择从系统稳定和提高供电质量看阻抗小些为好，但阻抗太小会使短路电流过大，使设备选择变得困难。三绕组变压器的结构形式：升压型与降压型,5.变压器冷却方式主变压器的冷却方式有：自然风冷；强迫风冷；强迫油循环风冷；强迫油循环水冷；强迫导向油循环冷却等。三、主接线设计简述四、技术经济比较,变压器的经济运行,变压器的经济运行是指：变压器在运行中传输单位kVA所产生的有功功率损耗最小。变压器的经济运行与变压器的负荷率有关，通常单台变压器的经济运行负荷率约为70。多台并列运行的变压器，也存在经济运行的问题。,变压器数量的选择,变压器台数的选择：通常12台。一、二级负荷较大时，应采用2台。一、二级负荷较小，并可由低压侧取得足够容量的备用电源，也可装设1台。三级负荷时，通常采用1台。但当负荷较大或认为经济合理时，也可采用2台。,变压器容量的选择,单台变压器额定容量应大于等于计算负荷。两台并列运行的变压器，应满足：,设有两台变压器的变电所，2台变压器等容量。其单台变压器的容量选择根据它的备用方式。明备用：一台变压器工作，另一台变压器停止运行作为备用。此时，两台变压器均按最大负荷时变压器负荷率为100考虑。暗备用：两台变压器同时投入运行，正常情况下每台变压器各承担约全部负荷的50。此时，每台变压器的容量宜按全部最大负荷的70选择。,暗备用应用较广！,第三节载流导体的发热和电动力,一、概述二、导体的短时发热三、均匀导体的长期发热四、短路时载流导体的电动力,14,发热的原因:电阻损耗磁滞和涡流损耗介质损耗分类:长期发热，由正常工作电流产生的；短时发热，故障时由短路电流产生的。,发热对电气设备的影响：（1）使绝缘材料的绝缘性能降低（2）使金属材料的机械强度下降（3）使导体接触部分的接触电阻增加,一、概述,指导体温度对周围环境温度的升高，我国所采用计算环境温度如下：电力变压器和电器（周围空气温度）40C；发电机（利用空气冷却时进入的空气温度）3540C；装在空气中的导线、母线和电力电缆25C；埋入地下的电力电缆15C。指导体温度较短路前的升高，通常取导体短路前的温度等于它长期工作时的最高允许温度。裸导体的长期允许工作温度一般不超过70C，当其接触面处具有锡的可靠覆盖层时（如超声波糖锡等），允许提高到85C；当有银的覆盖层时，允许提高到95C。,载流导体通过电流时，相互之间的作用力，称为电动力。短路时冲击电流所产生的交流电动力达到很大的数值，可能导致设备变形或损坏。为保证电器和导体不致破坏，电器和导体因短路冲击电流产生的电动力作用下的应力不应超过材料的允许应力。硬导体材料的最大允许应力:硬铜140MPa、硬铝70MPa,电动力,二、正常工作情况下长期发热的计算,1、已知工作电流求导体工作温度,式中:通过导体的电流；R已考虑了集肤系数的导体交流电阻；K散热系数；A导体散热表面积；导体温度；周围介质温度；m导体质量；c导体比热容；,两边积分：,求解得：,温升与时间关系曲线,导体通过电流，产生电能损耗，转换成热能，使导体温度上升。正常运行时，导体通过负荷电流，产生热能使导体温度升高，同时向导体周围介质散失。当导体内产生的热量等于向介质散失的热量，导体的温度维持不变。,2、求正常运行情况下长期发热允许最大工作电流,最严重三相短路时的电流波形图,三、故障情况下短时发热的计算,1.短路电流的构成：周期分量和非周期分量,2.冲击电流的大小,1.短路发热特点,短路时由于继电保护装置动作切除故障，短路电流的持续时间很短，近似认为很大的短路电流在很短时间内产生的很大热量全部用来使导体温度升高，不向周围介质散热,即短路发热是绝热过程。由于导体温度上升很快，导体的电阻和比热不是常数，而是随温度变化。,2.短路热平衡方程,短路时导体温度的变化,短路发热可近似为绝热过程，短路时导体内产生的能量等于导体温度升高吸收的能量，导体的电阻率和比热也随温度变化，其热平衡方程如下：,导体质量,导体电阻,导体的比热容,将,代入上式得：,表不同短路点等效时间常数Tfi的推荐值,3.短路发热温度,A关系曲线,为使导体短路发热温度计算简便，工程上一般利用导体发热系数A与导体温度的关系曲线,确定短路发热温度。,由求的步骤如下：,由导体正常运行时的温度从图2中查出导体正常发热系数,计算导体短路发热系数,由从A关系曲线查得短路发热温度,4.短路热稳定最小截面,计算短路热稳定最小截面Smin,根据短路发热允许温度，可由曲线计算导体短路热稳定的最小截面的方法如下：,由和，从A曲线分别查出和,四、导体短路时的电动力计算,两根细长平行导体间的电动力计算,（8-18）,三相导体水平放置受力最大的为中间相导体短路的电动力,三相导体短路时的电动力,同一地点短路的最大电动力，是作用于三相短路时的中间一相导体上，数值为：,（8-22）,还应考虑母线共振影响对电动力的影响，引入修正系数。,电动力最大值的计算,考虑共振电动力最大值的计算,电动力的振动频率为50Hz和100Hz。导体的固有振动频率低于30Hz或高于160Hz时，约等于1，既不考虑共振影响。,第四节电气设备的选择,一、电器设备选择的一般条件*二、高压断路器和隔离开关的选择*三、高压熔断器的选择四、限流电抗器的选择*五、母线和电缆的选择六、电流互感器选择七、电压互感器的选择,一、电器设备选择的一般条件1按正常工作条件选择电器额定电压：UNUNS额定电流：INImax环境条件对电器和导体额定值的修正：,2按短路情况检验热稳定校验：QkIt2t动稳定校验：ishies短路电流的计算条件：a.计算容量和短路类型按发电厂、变电所最终设计容量计算。短路类型一般采用三相短路电流，当其它形式短路电流大于三相时。应选取最严重的短路情况校验。,b.短路计算点通过导体和电器短路电流最大的点。,c.短路计算时间热稳定计算时间tk（短路持续时间）：开断计算时间tbr：,按短路故障条件校验，就是要按最大可能的短路故障时的力稳定性和热稳定性进行校验。,2.按短路故障条件校验,对于一般电器，满足力稳定的条件是：,电器的额定峰值耐受电流,对于一般电器，满足热稳定的条件是：,电器的额定短时耐受电流有效值,对于载流导体，满足热稳定的条件是：,导体的热稳定系数,3主接线设计中主要电气设备的选择项目,二、高压断路器和隔离开关的选择1高压断路器的选择除表8-3相关选项外，特殊项目的选择方式如下：开断电流：高压断路器的额定开断电流INbr，不应小于实际触头开断瞬间的短路电流的有效值Ikt，即：INbrIKt短路关合电流：在额定电压下，能可靠关合开断的最大短路电流称为额定关合电流。校验公式：iNCiish合分闸时间选择：对于110kV以上的电网，断路器固有分闸时间不宜大于0.04S。用于电气制动回路的断路器，其合闸时间不宜大于0.040.06S。2隔离开关的选择隔离开关无开断短路电流的要求，故不必校验开断电流。其它选择项目与断路器相同。,三、高压熔断器的选择高压熔断器分类：快速熔断器：有限流作用普通熔断器：不具限流作用额定电压选择普通熔断器：UNUNS快速熔断器：UN=UNS额定电流选择INf1(熔管)INf2(熔体)Imax保护变压器或电动机：INf2=KImaxK取1.11.3（不考虑电动机自启动）或取1.52.0（考虑电动机自启动）,保护电容器回路：INf2=KINCK取1.52.0（单台）或取1.31.8（一组）熔断器的开断电流校验InbrIsh（或I）普通熔断器：Ish快速熔断器：I熔断器的选择性按制造厂提供的安秒特性曲线（又称保护特性曲线）校验。保护电压互感器用熔断器：仅校验额定电压和开断电流。,四、限流电抗器的选择限流电抗器的作用限制短路电流：可采用轻型断路器，节省投资；维持母线残压：若残压大于65%70%UNS，对非故障用户，特别是电动机用户是有利的。限流电抗器的选择除表8-3相关选项外，特殊项目的选择方式如下：1.电抗百分数XL选择若要求将一馈线的短路电流限制到电流值I，取基准电流Id，则电源到短路点的总电抗标么值:X*IdI,2.电压损失校验正常运行时电抗器上的电压损失，不大于电网额定电压的5%。,3.母线残压校验对于无瞬时保护的出线电抗器应校母线残余，残压的百分值：,五、母线选择,母线选择和校验项目：确定母线的材料、截面形状、布置方式选择母线的截面积校验母线的热稳定和动稳定对重要的和大电流的母线，要共振校验对110及以上的母线进行电晕校验,裸导体：1.硬母线的材料，截面形状，布置方式导体材料有铜、铝和铝合金，铜只用在持续工作电流大，布置位置狭窄和对铝有严重腐蚀的场所。常用的硬母线是铝母线。截面有矩形，双槽形和管形。,矩形导体：散热条件好，便于固定和连接，但集肤效应大，一般用于35kV及以下，电流在4000A及以下的配电装置中；槽形导体：机械强度大，载流量大，集肤效应小，一般用于4000A8000A的配电装置中。管形母线：机械强度高，管内可通风或通水，可用于8000A以上的大电流母线和110kV及以上的配电装置中。,（一）、确定母线的材料、截面形状、布置方式,2.母线的布置形式,45,槽形形母线的布置形式,（二）母线截面积选择,方法：1.按最大长期工作电流选择,用于发电厂的主母线和引下线以及持续电流较小，年利用小时数较低的其他回路的导线。2.按经济电流密度选择,用于年利用小时数高而且长度较长负荷大回路的导线。,按最大长期工作电流选择保证母线正常工作时的温度不超过允许温度,（8-32）,母线实际允许载流量与周围环境温度及母线的布置方式有关，若实际周围环境温度与规定的环境温度不同时，母线的允许温度要修正，即引入温度修正系数k。,2.按经济电流密度选择导体通过电流时,会产生电能损耗。把投资择算到每年费用,加上年损耗费为年计算费用,使年计算费用最小的截面为经济截面Se,J为经济密度,与年最大负荷利用小时数有关。,（8-32）,（8-34）,选出的导体还要按按最大长期工作电流校验,（三）、母线的热稳定校验,方法：计算满足短时发热要求的最小截面积,只要选择的导体截面积大于此面积,就满足热稳定要求.,(8-35),只要SSmin就满足热稳定要求,（四）、电晕电压校验：对于110kV及以上的各种规格导体，应按晴天不出现全面电晕的条件校验：UcrUmax,（五）、硬母线的动稳定校验单位长度导体上所受到的相间电动力,母线看作是一个自由地放在绝缘支柱上多跨距的梁，在电动力的作用下，母线条受到的最大弯矩M为M=fL2/10N.m母线条受到的最大相间计算应力,校验：alPa。硬铝al=70106(Pa)硬铜al=140106(Pa),在设计中也常根据材料的最大允许应力，确定支柱绝缘子间的最大允许跨距（不应超过1.52m）,电力电缆的选择,1、选型:包括线芯材料，电缆绝缘型式、密封层、保护层。,2、额定电压的选择：电缆的额定电压不低于安装处电网额定电压:UeUew,3、截面的选择：,方法之一：按导体长期发热允许电流选择（用于配电装置汇流母线及较短导体）S标IxuIgmax,方法之二：按经济电流密度选择（用于导体长度20m以上）（1）由最大负荷利用小时数Tmax得经济电流密度J（2）计算经济截面：（3）选择标准截面：S标SJ,4、热稳定校验：,（1）计算热稳定截面：式中：K集肤效应系数C热稳定系数，由工作温度w查表得（如e=700C时，铝取87；铜取171）,式中：Ie导体额定电流I导体流过的电流e导体额定温度0周围介质温度0e额定介质温度,（2）满足热稳定条件：S标Smin,六、电流互感器选择1.电流互感器的形式选择35kV以下屋内配电装置，可采用瓷绝缘或树脂绕注式；35kV及以上配电装置可采用油浸瓷箱式，有条件时可采用套管式。2.额定电压和额定电流动选择一次额定电压和电流二次额定电流：5A或1A3.电流互感器的准确级不应低于所供测量仪表的最高准确级；用于重要回路和计费电度表的电流互感器一般采用0.2或0.5级；500kV采用0.2级。,？保证互感器的准确级S2I2N2Z2LSN2或Z2LZN2Z2L=r2+rw+rc接触电阻rc取0.050.1；电流线圈电阻r2由所连接的仪表和继电器的电流线圈消耗的功率计算；连接用导线的电阻rw为：,导线计算长度LC与电流互感器的接线系数有关，若测量仪表与互感器安装处相距L，则当电流互感器星形接线时LC=L，不完全星形LC=31/2L，单相接线时LC=2L。为满足机械强度要求铜线S不得小于1.5mm2。,七、电压互感器的选择1按额定电压选择一次绕组有接于相间和接于相对地两种方式，绕组的额定电压UN1应与接入电网的方式和电压相符，为确保互感器的准确级，要求电网电压的波动范围满足下列条件0.8UN11S，可以不计非周期分量的热效应。计算结果见表8-8。,例8-4选择图8-13中10kV馈线L1的限流电抗器，已知WL1采用SN10-10I型轻型断路器，INbr=16kA，线路最大工作电流Imax=380A，线路继电保护时间tp2=1.8S，断路器全分闸时间tab=0.2S。解1计算电抗器内侧的等值电抗，计算用图如右,2计算电抗百分数，见式（8-45）,热稳定计算时间tk=tp2+tab=1.8+0.2=2S选用水泥柱式，铝电缆的电抗器NKL-10-400-3，计算表明，动稳定不满足要求。,改选NKL-10-400-4，该电抗器UN=10kV，IN=400A，XL=4%，动稳定电流ies=25.5kA，1秒热稳定电流It=22.2kA，计算得k3点的短路电流的有名值，I0S=9.08kA，I1S=8.93kA，I2S=9.54kA。3正常运行时电压损失的校验，见式（8-46）,4母线残压校验，见式（8-47）,例8-5选择图8-13中馈线L1的电流互感器，互感器安装处与测量仪表之间相距50米，Imax=380A。,解互感器二次接线如右图所示，仪表