发电厂及变电站电气设备课件

第9电气设备选择教学目的：掌握电器和载流导体发热及电动力效应的计算；掌握电气设备选择的一般选择条件和具体设备选择校验的主要内容；掌握主要设备的选择条件、方法和技巧。复习旧课：⒈保护接地、保护接零的工作原理；⒉影响接地电阻的因素及降低方法。重点：掌握电器和载流导体发热及电动力效应的计算；掌握电气设备选择的一般选择条件和具体设备选择校验的主要内容难点：掌握电器和载流导体发热及电动力效应的计算；掌握设备选择的一般选择条件和具体设备选择校验的主要内容引入新课：9.1电器和载流的导体发热

9.2电器和载流的电动力效应

9.3电气设备选择的一般条件

9.4高压开关电器的选择

9.5母线、电缆和绝缘子的选择9.1电器和载流的导体发热当电器和载流导体通过电流时，有部分电能以不同的损耗形式转化为热能，使电器和载流导体的温度升高，这就是电流的热效应。Q=I2Rt(J)

R=KfRdc式中I——通过的电流(A)；t——电流作用的时间(s)；R——电阻，如为直流电路，即为直流欧姆电阻Rdc；Kf——集肤系数，其大小与电流的频率、导体的形状和尺寸有关，在大截面母线中，其影响往往不可忽略，而对于绞线和空心导线，通常都可以认为Kf=1。电器和载流导体过度发热的影响主要有：⑴机械强度下降。⑵接触电阻增加。⑶绝缘性能降低。9.1.1正常工作情况下持续发热的计算

电器或载流导体在未通过电流时，其温度和周围介质温度相同。当通过电流时，由于发热，使温度升高，并因此与周围介质产生温差，热量将逐步有部分电能以不同的损耗形式转化为热能，使电器和载流导体的温度升高，这就是电流的热效应。对于均匀导体，其持续发热的热平衡方程式是：式中I——通过导体的电流(A)；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m2； ——导体温度；——周围介质温度；m——导体质量(kg)；c——导体比热容；⑴温升起始阶段上升很快，随时间的延长，其上升速度逐渐减小。⑵对于某一导体，当通过不同的电流时，由于发热量不同，稳定温升也就不同。⑶达到稳定温升的时间，从理论上讲应该是无穷大，实际上，当t>(3~4)T时，其温升值即可按稳定温升计算。根据导体持续发热的条件，当导体的稳定温升小于或等于导体持续发热时的允许温升时，可认为是热稳定。可以求出该导体正常运行情况下最大允许电流，即：

铜、铝及钢裸母线持续发热允许温度规定为国为70℃。

9.1.2故障情况下短时发热的计算

故障情况下的短时发热，主要是在系统发生短路故障时。这时通过电器或载流导体的短路电流，其数值比正常工作电流大很多倍。由于短路发热过程很短，可近似认为是一个绝热过程。对于均匀导体，短时发热的热平衡方程式是：式中——短路电流的瞬时值。短路时，由于导体温度的变化范围很大，这时，其电阻和比热容都不是常数。其随温度而变化的关系式是：式中——温度为0时导体电阻率；——温度为0时导体比热容；——导体电阻温度系数；——导体比热容温度系数；l——导体长度(m)；S——导体截面(m2)。

——短路电流周期分量在t内的热效应；——短路电流非周期分量在t内的热效应。短路电流周期分量在内的热效应，可以用发热等值时间法或近似数值积分的方法求得。发热等值时间法，是令：故t>5s时发热等值时间:

50MW以下的发电机短路电流周期分量平均运算曲线作出的，应用于更大容量的发电机，势必产生较大误差。这时最好采用近似数值积分法。求近似数值积分的方法有分段矩形法、分梯形法和抛物线法。上式中的系数依此为1、10、1，故亦简称1—10—1公式。短路电流非周期分量在t(s)内的热效应，可得：9.2电器和载流的电动力效应

载流导体之间将产生电动力的相互作用，有这就是载流导体的电动力效应。载流导体间的作用大小，可用比奥—沙瓦定律计算，即作用于长度为,通过电流为，并位于磁感应强度为，与该磁场的磁力线方向成角的载流导体上的电动力：

其方向可以由左手定则确定短路电流所产生的巨大电动力，对于电器或配电装置具有很大的危害性。如：⑴电器的载流部分可能因为电动力而振动，或者因电动力所产生的应力大于其材料允许应力而变形，甚至使绝缘部件或载流部件损坏。⑵电气设备的电磁绕组，受到巨大的电动力作用，可能使绕组变形或损坏。9.2.1两根平行导体体之间的电动动力当两根平行导导体的电流方方向相反时，，两根导体之之间将产生斥斥力；当两根根平行导体的的电流方向相相同时，两根根导体之间将将产生吸力；；式中、——通过平行导体体的电流(A)；l————该段导体的长长度(m)；a———平行行导导体体轴轴线线间间的的距距离离(m)。有时时两两根根平平行行导导体体间间的的间间距距，，并并不不比比导导体体的的几几何何尺尺寸寸大大得得多多，，这这按按上上式式计计算算将将产产生生很很大大的的误误差差。。在在工工程程设设计计中中，，可可以以用用形形状状系系数数K来修修正正。。9.2.2三相相系系统统中中导导体体间间的的电电动动力力在三三相相系系统统中中，，作作用用于于每每相相导导体体上上的的电电动动力力，，由由该该导导体体中中的的电电流流和和其其他他两两相相导导体体中中电电流流所所产产生生的的相相互互作作用用力力来来决决定定。。经经计计算算，，三三相相系系统统中中中中间间相相受受力力最最大大。。可求求得得三三相相系系统统三三相相短短路路时时电电动动力力的的最最大大瞬瞬时时值值：：可以以以以此此作作为为校校验验母母线线电电动动力力稳稳定定的的依依据据。。计入入振振动动系系数数，，水水平平放放置置在在同同一一平平面面内内的的三三相相交交流流系系统统的的母母线线，，其其最最大大作作用用力力是是：：式中中———母线线系系统统的的振振动动系系数数。。在进进行行母母线线机机械械强强度度计计算算时时，，可可认认为为母母线线一一端端固固定定、、受受均均匀匀荷荷载载的的多多跨跨距距连连距距梁梁。。在这这种种情情况况下下，，作作用用于于母母线线上上的的最最大大弯弯矩矩式中中———相邻邻两两个个支支柱柱绝绝缘缘子子间间的的跨跨距距(m)。其最最大大计计算算应应力力：：式中中W————母线线的的截截面面系系数数(m3)，其其值值与与母母线线的的截截面面形形状状及及布布置置形形式式有有关关，，可可插插有有关关手手册册。。若母母线线最最大大计计算算应应力力则可可以以认认为为短短路路时时，，母母线线在在电电动动力力作作用用下下是是稳稳定定。。对于于电电器器设设备备，，制制造造厂厂提提供供了了满满足足电电动动力力稳稳定定条条件件的的电电流流峰峰值值，，要要求求保保证证：：9.3电气气设设备备选选择择的的一一般般条条件件正确确地地选选择择设设备备是是使使电电气气主主接接线线和和配配电电装装置置达达到到安安全全、、经经济济运运行行的的重重要要条条件件。。电电气气设设备备要要能能可可靠靠地地工工作作，，必必须须按按正正常常工工作作条条件件进进行行选选择择，，并并按按短短路路状状态态来来校校验验其其动动稳稳定定和和热热稳稳定定。。9.3.1按正正常常工工作作条条件件进进行行选选择择导导体体和和电电器器9.3.1.1额定定电电压压和和额额定定最最高高工工作作电电压压导体体和和电电器器所所在在电电网网的的运运行行电电压压因因调调压压或或负负荷荷的的变变化化，，常常高高于于电电网网的的额额定定电电压压，，故故所所选选电电器器和和电电缆缆允允许许最最高高工工作作电电压压不不得得低低于于所所接接电电网网的的最最高高运运行行电电压压，，即即：：一般般电电缆缆和和电电器器允允许许的的最最高高工工作作电电压压：：当当额额定定电电压压在在220kV及以以下下时时为为；；当当额额定定电电压压为为330~500kV时为为。。而而实实际际电电网网运运行行的的一一般般不不超超过过，，因因此此在在选选择择设设备备时时，，一一般般可可按按照照电电器器和和电电缆缆的的额额定定电电压压，，不不低低于于装装置置地地点点电电网网额额定定电电压压的的条条件件选选择择，，即即：：短路电流流所产生生的巨大大电动力力，对于于电器或或配电装装置具有有很大的的危害性性。如：：⑴电器的载载流部分分可能因因为电动动力而振振动，或或者因电电动力所所产生的的应力大大于其材材料允许许应力而而变形，，甚至使使绝缘部部件或载载流部件件损坏。。⑵电气设备备的电磁磁绕组，，受到巨巨大的电电动力作作用，可可能使绕绕组变形形或损坏坏。9.3.1.2额定电流流导体和电电器的额额定电流流是指在在额定周周围环境境温度下下，，导体和和电器的的长期允允许电流流（（或额额定电流流））应应不小于于该回路路的最大大持续工工作电流，，即：：由于发电电机、调调相机和和变压器器在电压压降低5%时,出力保持持不变,故其相应应回路的的(为电机的的额定电电流);母联断路路器回路路一般可可取母线线上最大大一台发发电机或或变压器器的;母线分段段电抗器器的应应为母母线上最最大一台台发电电机跳闸闸时,保证该段段母线负负荷所需需的电流流;出线回路路的除除考虑线线路正常常负荷电电流(包括线路路损耗)外,还应考虑虑事故时时由其他他回路转转移过来来的负荷荷。9.3.1.3按当地环环境条件件校核在选择择电器器时,还应考考虑电电器安安装地地点的的环境境条件件,当气温温、风风速、、湿度度、污污秽等等级、、海拔拔高度度、地地震强强度和和覆厚厚度等等环境境条件件超过过一一般电电器使使用条条件时时,应向制制造部部门提提出要要求或或采取取相应应的措措施。。当环境境温度度和和导导体(或电器器)额定环环境温温度不不等时时,其长期期允许许电流流可可按下下式修修正：：式中K———修正系系数；；——导体或或电气气设备备正常常发热热允许许最高高温度度,当导体体用螺螺连接接时,。9.3.2按短路路情况况校验验9.3.2.1短路热热稳定定校验验短路电电流通通过时时,导体和和电器器各部部件温温度(或发热热效应应)应不超超过允允许值值,即满足足热稳稳定的的条件件为：：或式中——短路电电流产产生的的热效效应；；——短路时时导体体和电电气设设备允允许的的热效效应；；——时间内内允许许通过过的短短时热热稳定定电流流(或短时时耐受受电流流)。9.3.2.2电动力力稳定定校验验电动力力稳定定是导导体和和电器器承受受短路路电流流机械械效应应的能能力,亦称动动稳定定。满满足动动稳定定的条条件为为：或式中、——短路冲冲击电电流幅幅值及及其有有效值值；、——允许通通过稳稳定电电流的的幅值值和有有效值值。下列几几种情情况可可不校校验热热稳定定或动动稳定定：(1)用熔断断器保保护的的电器器,其热稳稳定由由熔断断时间间保证证,故可不不验算算热稳稳定。。(2)采用有有限电电阻的的熔断断器保保护的的设备备可不不验算算动稳稳定;电缆因因足够够的强强度,亦可不不验算算动稳稳定。。(3)装设在在电压压互感感器回回路中中的裸裸导体体和电电器可可不验验算动动、热热稳定定9.3.2.3短路电电流计计算条条件为使所所选导导体和和电器器具有有足够够的可可靠性性、经经济性性和合合理性性,并在一一定时时期内内适应应系统统发展展需要要,作验算算的短短路电电流应应按下下列条条件确确定。。(1)容量和和接线线。(2)短路种种类。。(3)计算短短路点点。以P185页图9-9为例，，将短短路计计算点点的选选择方方法说说明如如下：：(1)发电机机、变变压器器回路路的断断路器器。(2)母联断断路器器。(3)带电抗抗器的的出线线回路路。9.3.2.4短路计计算时时间校验短短路热热稳定定和开开断电电流时时，还还必须须合理理地确确定短短路计计算时时间。。验算算热稳稳定的的短路路计算算时间间为为继继电保保护动动作时时间和和相应应断路路器的的全开开断计计时间间之之和，，即：：式中——断路器器的全全开断断计时时间，，为固固有分分闸时时间与与燃弧弧时间间之和和。开断电电器应应能在在最严严重的的情况况下开开断短短路电电流，，故电电器的的开断断计算算时间间应应为为主保保护时时间和和断路路器固固有分分闸时时间之之和和（固固有分分闸时时间为为接到到分闸闸信号号到触触头刚刚分离离这一一段时时间）），即即：9.4高压开开关电电器的的选择择高压断断路器器、隔隔离开开关及及高压压熔断断器可可按照照表里里9-4各项进行选选择和校验验。9.4.1高压断路器器选择9.4.1.1高压断路器器种类和型型式的选择择高压断路器器应根据断断路器安装装地点、环环境和使用用技术条件件等要求选选择其种类类和型式。。目前，广广泛采用真真空断路器器和SF6断路器。9.4.1.2按开断电流流选择高压断路器器的额定开开断电流应应满足：式中——高压断路器器触头实际际开断瞬间间的短路电电流周期分分量有效值值。当断路器的的额定开开断电流流较系统统的短路路电流大大很多时时，为简简化计算，也可可用次暂暂态电流流进行选选择，即即。。对于中、、慢速断断路器，，由于开开断时间间长，可可用上述述公式计计算，对对于使用用快速保保护和高高速断路路器者，，其开断断时间小小于0.1s，当在电电源附近近短路时时，短路路电流的的非周期期分量可可能超过过周期分分量的20%，因此其其开断短短路电流流应计及及非周期期分量的的影响。。短路全全电流应应按下式式计算：：式中——开断瞬间间的短路路电流周周期分量量有效值值，当开断时时间小于于0.1s时，；；——开断计算算时间（（s）；——非周期分分量衰减减时间常常数（rad）；——电源至短短路点等等效总电电抗（令令r=0）；——电源至短短路点等等效总电电阻（令令x=0）。9.4.1.3短路关合合电流的的选择为了保证证断路器器在关合合短路时时的安全全，断路路器的额额定关合合电流不应小于于短路电电流最大大冲击值值，，即：：一般断路路器额定定电关合合电流不不会大于于额定动动稳定电电流c，因此，，则则。。高压断路路器的操操动机构构，大多多数是由由制造厂厂配套供供应，仅仅部分断断路器有有电磁式式、弹簧簧识或液液压等几几种型式式的操动动机构可可供选择择。9.4.2隔离开关关的选择择隔离开关关的选择择和校验验条件如如表9-4所示。屋屋外隔离离开关的的型式较较多，它它对配电电装置的的布置和和占地面面积等有有很大影影响，因因此，其其型式应应根据配配电装置置的布置置特点和和使用要要求等因因素，进进行综合合技术经经济比较较确定。。以例9-1为例进行行说明。。9.4.3高压熔断断器选择择高压熔断断器的选选择、校校验条件件和计算算公式如如表表9-4所示。在在选择时时应注意意以下几几点：9.4.3.1按额定电电压选择择对于一般般的高压压熔断器器，其额额定电压压必须大大于或等等于电网网的额定定电压。。另外对对于充石石英砂有有限流作作用的熔熔断器，，则只能能用在等等于其额额定电压压的电网网中因为为这种类类型的熔熔断器能能在电流流达到最最大值之之前就将将电流截截断，致致使熔断断器熔断断时产生生过电压压。9.4.3.2按额定电电流选择择熔断器的的额定电电流，包包括熔断断器熔管管的额定定电流和和熔体的的额定电电流的选选择。(1)熔管额定定电流的的选择。。为了保保证熔断断器壳体体不致损损坏，高高压熔断断器的熔熔管的额额定电流流，，应应大于或或等于熔熔体的额额定电流流：：(2)熔体额定定电流的的选择。。为了防防止熔体体在通过过变压器器励磁涌涌流和保保护范围围以外的的短路及及电机自自起动等等冲击电电流时误误动作，，保护35kV以下电力力变压器器的高压压熔断器，，其熔体体的额定定电流可可按下式式选择：：式中K——可靠系数数，不计计电动机机自起动动时，，，考考虑电电动机自自起动时时，；；——电力变压压器回路路最大工工作电流流。用于保护护电力电电容器的的高压熔断断器的熔熔体，当当系统电电压升高高或波形形畸变引引起回路路电流增增大或运运行过程程中产生生涌流时时不应误误熔断，，其熔体体按下式式选择：：式中K——可靠系数数，对限限流高压熔断断器，当一台电电力电容容器时，，，，当一组电电力电容容器时时时，；；——电力电容容器回路路的额定定电流。。9.4.3.3熔断器开开断电流流校验（或对于没有有限流作作用的熔熔断器，，选择时时用冲击击电流的的有效值值进进行校校验；对对于有限限流作用用的熔断断器，在在电流最最大值之之前已截截断，故故不计非非周期分分量影响响，而采采用进进行校验验。