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。9.2.1两根平平行导导体之之间的的电动动力当两根根平行行导体体的电电流方方向相相反时时，两两根导导体之之间将将产生生斥力力；当当两根根平行行导体体的电电流方方向相相同时时，两两根导导体之之间将将产生生吸力力；式中、——通过平平行导导体的的电流流(A)；l————该段导导体的的长度度(m)；a———平行导导体轴轴线间间的距距离(m)。有时两两根平平行导导体间间的间间距，，并不不比导导体的的几何何尺寸寸大得得多，，这按按上式式计算算将产产生很很大的的误差差。在在工程程设计计中，，可以以用形形状系系数K来修正正。9.2.2三相系系统中中导体体间的的电动动力在三相相系统统中，，作用用于每每相导导体上上的电电动力力，由由该导导体中中的电电流和和其他他两相相导体体中电电流所所产生生的相相互作作用力力来决决定。。经计计算，，三相相系统统中中中间相相受力力最大大。可求得三相相系统三相相短路时电电动力的最最大瞬时值值：可以以此作作为校验母母线电动力力稳定的依依据。计入振动系系数，水平平放置在同同一平面内内的三相交交流系统的的母线，其其最大作用用力是：式中——母线系统的的振动系数数。在进行母线线机械强度度计算时，，可认为母母线一端固固定、受均均匀荷载的的多跨距连连距梁。在这种情况况下，作用用于母线上上的最大弯弯矩式中——相邻两个支支柱绝缘子子间的跨距距(m)。其最大计算算应力：式中W———母线的截面面系数(m3)，其值与母母线的截面面形状及布布置形式有有关，可可插有关手手册。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地选择设设备是使电气气主接线和配配电装置达到到安全、经济济运行的重要要条件。电气气设备要能可可靠地工作，，必须按正常常工作条件进进行选择，并并按短路状态态来校验其动动稳定和热稳稳定。9.3.1按正常工作条条件进行选择择导体和电器器9.3.1.1额定电压和额额定最高工作作电压导体和电器所所在电网的运运行电压因调调压或负荷的的变化，常高高于电网的额额定电压，，故所选电电器和电缆允允许最高工作作电压不不得得低于所接电电网的最高运运行电压，，即：一般电缆和电电器允许的最最高工作电压压：当额定电电压在220kV及以下时为；；当额定电电压为330~500kV时为。。而实际电网网运行的一一般不超过过，，因此在在选择设备时时，一般可按按照电器和电电缆的额定电电压，，不低于装装置地点电网网额定电压的的条件选择择，即：短路电流所产产生的巨大电电动力，对于于电器或配电电装置具有很很大的危害性性。如：⑴电器的的载流流部分分可能能因为为电动动力而而振动动，或或者因因电动动力所所产生生的应应力大大于其其材料料允许许应力力而变变形，，甚至至使绝绝缘部部件或或载流流部件件损坏坏。⑵电气设设备的的电磁磁绕组组，受受到巨巨大的的电动动力作作用，，可能能使绕绕组变变形或或损坏坏。9.3.1.2额定电电流导体和和电器器的额额定电电流是是指在在额定定周围围环境境温度度下下，导导体和和电器器的长长期允允许电电流（（或额额定电电流））应应不小小于该该回路路的最最大持持续工工作电电流，，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电电器时,还应考虑虑电器安安装地点点的环境境条件,当气温、、风速、、湿度、、污秽等等级、海海拔高度度、地震震强度和和覆厚度度等环境境条件超超过一一般电器器使用条条件时,应向制造造部门提提出要求求或采取取相应的的措施。。当环境温温度和和导体(或电器)额定环境境温度不不等时时,其长期允允许电流流可按按下式修修正：式中K———修正系数数；——导体或电电气设备备正常发发热允许许最高温温度,当导体用用螺连接接时,。9.3.2按短路情情况校验验9.3.2.1短路热稳稳定校验验短路电流流通过时时,导体和电电器各部部件温度度(或发热效效应)应不超过过允许值值,即满足热热稳定的的条件为为：或式中——短路电流流产生的的热效应应；——短路时导体体和电气设设备允许的的热效应；；——时间内允许许通过的短短时热稳定定电流(或短时耐受受电流)。9.3.2.2电动力稳定定校验电动力稳定定是导体和和电器承受受短路电流流机械效应应的能力,亦称动稳定定。满足动动稳定的条条件为：或式中、——短路冲击电电流幅值及及其有效值值；、——允许通过稳稳定电流的的幅值和有有效值。下列几种情情况可不校校验热稳定定或动稳定定：(1)用熔断器保保护的电器器,其热稳定由由熔断时间间保证,故可不验算算热稳定。。(2)采用有限电电阻的熔断断器保护的的设备可不不验算动稳稳定;电缆因足够够的强度,亦可不验算算动稳定。。(3)装设在电压压互感器回回路中的裸裸导体和电电器可不验验算动、热热稳定9.3.2.3短路电流计算算条件为使所选导体体和电器具有有足够的可靠靠性、经济性性和合理性,并在一定时期期内适应系统统发展需要,作验算的短路路电流应按下下列条件确定定。(1)容量和接线。。(2)短路种类。(3)计算短路点。。以P185页图9-9为例，将短路路计算点的选选择方法说明明如下：(1)发电机、变压压器回路的断断路器。(2)母联断路器。。(3)带电抗器的出出线回路。9.3.2.4短路计算时间间校验短路热稳稳定和开断电电流时，还必必须合理地确确定短路计算算时间。验算算热稳定的短短路计算时间间为为继电保护动动作时间和和相应应断路器的全全开断计时间间之之和，即：：式中——断路器的全开开断计时间，，为固有分闸闸时间与燃弧弧时间之和。。开断电器应能能在最严重的的情况下开断断短路电流，，故电器的开开断计算时间间应应为主保护时时间和和断路器固固有分闸时间间之之和（固有有分闸时间为为接接到分闸信号号到触头刚分分离这一段时时间），即：：9.4高压开关电器器的选择高压断路器、、隔离开关及及高压熔断器器可按照表里里9-4各项进行选择择和校验。9.4.1高压断路器选选择9.4.1.1高压断路器种种类和型式的的选择高压断路器应应根据断路器器安装地点、、环境和使用用技术条件等等要求选择其其种类和型式式。目前，广广泛采用真空空断路器和SF6断路器。9.4.1.2按开断电流选选择高压断路器的的额定开断电电流应满足：：式中——高压断路器触触头实际开断断瞬间的短路路电流周期分分量有效值。。当断路器的额定定开断电流较较系统的短路路电流大很多多时，为简化化计算，也可用次次暂态电流进进行选择，即即。。对于中中、慢慢速断断路器器，由由于开开断时时间长长，可可用上上述公公式计计算，，对于于使用用快速速保护护和高高速断断路器器者，，其开开断时时间小小于0.1s，当在在电源源附近近短路路时，，短路路电流流的非非周期期分量量可能能超过过周期期分量量的20%，因此此其开开断短短路电电流应应计及及非周周期分分量的的影响响。短短路全全电流流应按按下式式计算算：式中——开断瞬瞬间的的短路路电流流周期期分量量有效效值，，当开断断时间间小于于0.1s时，；；——开断计计算时时间（（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按额定电流流选择熔断器的额额定电流，，包括熔断断器熔管的的额定电流流和熔体的的额定电流流的选择。。(1)熔管额定电电流的选择择。为了保保证熔断器器壳体不致致损坏，高高压熔断器器的熔管的的额定电流流，，应大于或或等于熔体体的额定电电流：：(2)熔体额定电电流的选择择。为了防防止熔体在在通过变压压器励磁涌涌流和保护护范围以外外的短路及及电机自起起动等冲击击电流时误误动作，保保护35kV以下电力变变压器的高高压熔断器，其其熔体的额额定电流可可按下式选选择：式中K——可靠系数，，不计电动动机自起动动时，，，考虑电电动机自起起动时，；；——电力变压器器回路最大大工作电流流。用于保护电电力电容器器的高压熔断器器的熔体，，当系统电电压升高或或波形畸变变引起回路路电流增大大或运行过过程中产生生涌流时不不应误熔断断，其熔体体按下式选选择：式中K——可靠系数，对对限流高压熔断器，，当一台电力电电容器时，，，当一组电力电电容器时时，，；；——电力电容器回回路的额定电电流。9.4.3.3熔断器开断电电流校验（或对于没有限流流作用的熔断断器，选择时时用冲击电流流的有效值进进行校验；；对于有限流流作用的熔断断器，在电流流最大值之前前已截断，故故不计非周期期分量影响，，而采用进进行校验。。9.4.3.4熔断器选择性性校验为了保证前后后两级熔断器器之间或熔断断器与电源（（或负荷）保保护之间动作作的选择性，，应进行熔体体选择性校验验。对于保护电压压互感器用的的高压熔断器器，只需按额额定电压及断断流容量两项项来选择。9.5母线、电缆和和绝缘子的选选择9.5.1敞露母线及电电缆的选择敞露母线一般般按下列各项项进行选择和和校验：①导导体材料、类类型和敷设方方式；②导体体截面；③电电晕；④热稳稳定；⑤动稳稳定；⑥共振振频率。电缆缆则按额定电电压和上述①①、②、④项项及允许电压压降选择和校校验。9.5.1.1敞露母线及电电