发电厂电气部分 第7章 电气设备选择及短路电流限制

第7章电气设备选择及短路电流限制

电气设备在运行中有两种工作状态：正常的工作状态，指运行参数不超过额定值，电气设备能够长期而经济的工作的状态；短路时的工作状态，当电力系统中发生短路故障时，电气设备要流过很大的短路电流，在短路故障被切除前的短时间内，电气设备要承受短路电流产生的发热和电动力的作用。7.1概述7.2.1短路电流的电动力效应1．电动力效应——载流导体之间产生电动力的相互作用2．短路电流所产生的巨大电动力的危害性：（1）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。（2）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。3．两平行导体电动力的计算方法（1）计算公式：式中i1、i2——两平行导体中电流的瞬时值，A；

l——平行导体的长度，m；

a——导体轴线间距离，m；

Kf——形状系数；

F——电动力，N。7.2短路电流的效应（2）电动力的方向同向相吸，异向相斥（3）电动力的计算形状系数与导体截面形状、尺寸及相互间距离有关。对于矩形截面的导体，如截面宽度为b，厚度为h，则对于不同的宽度与厚度的比值m＝b/h，形状系数随而不同，变化曲线如图。当m<1时，Kf<1；当增大时，即导体间的净距增大时，趋近于1；当导体间的净距足够大，即当≥2时，Kf≈1，这相当于电流集中在导体的轴线上，导体的截面形状对电动力无影响。对于圆形截面导体，形状系数Kf=1。下一页返回（4）两相短路和三相短路电动力大小的比较两相短路时，故障两相导体中短路电流大小相等，方向相反，当导体平行布置时，故障相两导体间的电动力为排斥力，则通过短路冲击电流电动力的最大值为：三相短路时，如三相导体平行布置在同一平面，中间相所受的电动力最大，其值为：比较同一点发生两相短路或三相短路时的最大电动力，因为：，代入上式得：

可见，F（2）<F（3），因此，在选择电气设备和载流导体时，应采用三相短路电流进行动稳定校验。7.2.2短路电流的热效应1.发热产生的原因：

(1)电阻损耗

(2)介质损耗(3)磁滞和涡流损耗2.发热对导体和电器产生的影响：

(1)机械强度下降

(2)接触电阻增加

(3)绝缘性能降低3．两种发热状况：（1）长期发热——正常工作情况下的持续发热（2）短时发热——故障情况下的短时发热短时发热过程1．导体短时发热特点（1）短路电流大，持续时间短，导体内产生的热量全部被导体吸收用来升温；（2）短路时，导体温升很高，它的电阻、比热容是温度的函数。2．导体中通过负荷电流和短路电流时的温度变化情况（如右图）(1)Θi的计算(2)Θf的计算t1t2ΘfΘiΘ00tΘ7.3电气设备的一般选择条件一、按正常工作条件选择1．按额定电压选择所选设备的最高允许电压不得低于所装设回路的最高运行电压。即：Ualm≥Usm

一般电气设备和电缆：Ualm＝（1.1～1.15）UNS电网：Usm≤1.1UNS故只要UN不低于UNS就能满足上式，故可按下式选择：UN≥UNS注意事项：（1）其中裸导体承受电压能力由绝缘子和安全净距保证，无额定电压选择问题。（2）海拔的影响。2．按额定电流选择

额定环境条件：（1）环境温度（2）日照（3）海拔实际环境条件与额定环境条件不同时，电气设备的长期允许电流应修正。即:综合校正系数K（1）对于裸导体和电缆：（2）对于电器：

40℃≤θ≤60℃时，K＝1－（θ－40）×0.0180℃≤θ≤40℃时，K＝1＋（40－θ）×0.005θ<0℃时,K＝1.2Imax的计算：回路名称Imax说明发电机、调相机回路1.05倍发电机、调相机额定电流当发电机冷却气体温度低于额定值时，允许每低1℃电流增加0.5％变压器回路1．1.05倍变压器额定电流2．（1.3～2.0）倍变压器额定电流变压器通常允许正常或事故过负荷，必要时按（1.3～2.0）倍计算母线联络回路、主母线母线上最大一台发电机或变压器的Imax母线分段回路1．发电厂为最大一台发电机额定电流的50％～80％2．变压器应满足用户的一级负荷和大部分二级负荷考虑电源元件事故跳闸后仍能保证该段母线负荷旁路回路需旁路的回路的最大额定电流出线1．单回路：线路最大负荷电流包括线损和事故时转移过来的负荷2．双回路：（1.2～2）倍一回线的正常最大负荷电流包括线损和事故时转移过来的负荷3．环形与一台半断路器接线：两个相邻回路正常负荷电流考虑断路器事故或检修时，一个回路加另一最大回路负荷电流的可能4．桥形接线：最大元件的负荷电流桥回路尚需考虑系统穿越功率电动机回路电动机的额定电流3．选择设备的种类和型式（1）应根据电器装置地点、使用条件、检修和运行要求，进行种类和型式的选择。（2）其他特殊环境条件的影响。二、按短路情况校验

1．短路电流的计算条件（1）容量和接线：容量应该按本工程的最终容量计算，考虑到系统的远景发展，一般为本工程建成5～10年，其接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式。（2）短路种类：一般按三相短路校验，若发电机出口两相短路或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路的单相、两相接地短路较三相严重时，则热稳定按严重情况校验。（3）短路计算点

选择通过校验对象的短路电流为最大的那些点作为短路计算点，对两侧都有电源的设备，将电器两侧的短路点进行比较，选出其中流过电器的短路电流较大的一点。

①发电机回路的QF1（QF2）类似：当K4短路时，通过QF1的电流为G1提供，当K1短路时，流过QF1的电流为G2及系统提供，如果G1和G2的容量相同，则后者大于前者，故应选K1为QF1的短路计算点。②母联QF3：当用QF3向备用母线充电时，如备用母线故障，即K3短路，这时流过QF3的电流为G1、G2及系统供给的全部电流，情况最严重。故选K3为短路计算点。③分段断路器：应在T1切除时，选K4为计算点。④变压器回路的QF5和QF6：对QF5，应选K5（K6断开时）；对QF6，应选K6（K5断开时）。⑤出线回路QF7：显然，K2短路时，比K7短路时流过QF7的电流大，但运行经验表明，电抗器工作可靠性高，且断路器和电抗器之间的连线很短，K2短路可能性小，故选择K7为QF7的计算点，这样出线可选用轻型断路器。⑥厂用变回路断路器QF8，一般QF8至厂用变压器之间的连线多为较长电缆，存在短路的可能性，因此，选K8为QF8的短路计算点。2．短路计算时间（1）热稳定的短路电流持续时间tk，即计算短路电流热效应Qk的时间。

tk＝tpr2+tab＝tpr+(tin+ta)

tpr2——继电保护后备保护动作时间；

tab——断路器全开断（全分闸）时间；

tin——断路器固有分闸时间；

ta——断路器开断时电弧持续时间。(2)断路器触头实际开断能力的开断计算时间tk。开断电器应能在最严重的情况下开断短路电流（校验断路器的断流能力时用到，求Izk

）

tk＝tprl+tin

tprl——继电保护主保护动作时间；

tin——断路器固有分闸时间。3.热稳定和动稳定校验（1）热稳定校验①导体和电缆：S≥SminS—按正常工作条件选择的导体或电缆的截面积；Smin—按热稳定确定的导体或电缆的最小截面积。②电器：[(kA)2S]（2）动稳定校验①硬导体满足动稳定的条件为：σal≥σmaxσal—导体材料最大允许应力；σmax—导体最大计算应力。②电器满足动稳定的条件为：ies≥ish7.4硬母线和电力电缆的选择

一、敞露母线的选择（一）母线材料、截面、布置方式的选择

1．材料：（1）铝：电阻率低，有一定的机械强度，质量轻，价格便宜。（2）铜：电阻率更低，价格较贵，只有特殊场合用。一般情况下采用铝母线，在持续工作电流大，且位置特别狭窄的发电机，变压器出线端部以及对铝有严重腐蚀而对铜腐蚀较轻的场合采用铜母线。

2．截面形状（1）矩形：UN在35kV及以下，Imax在4000A及以下屋内配电装置中，当电流超过最大截面的单条母线允许载流量时，每相可用2－4条并列使用。（2）槽形：UN在35kV及以下，Imax在4000A～8000A的屋内配电装置中。（3）管形：UN在110kV及以上，电流在8000A及以上的屋内外配电装置。3．布置方式：

铝绞线、管形母线一般采用三相水平布置，矩形、双槽形有三相水平布置和三相垂直布置。矩形母线的布置方式（二）母线截面的选择

1．按长期工作电流选择主母线及长度在20m以下的母线一般均按Imax选择：

Ial＝KIN≥Imax，当℃并且不计日照时，则

2．按经济电流密度选择

（1）选择条件：除配电装置的汇流母线和较短导体及厂用电动机的电缆外，对长度在20m以上的母线（如发电机出口母线），一般按经济电流密度选择。（2）选择原因：导体的电能损耗与负荷电流和导体的截面有关，而负荷电流一定时，导体截面越大，损耗越小；另一方面，导体截面增大，导致综合投资增加，小修、维护费及折旧费增加。故导体取某一截面时，两方面综合费用最小。这一截面即经济截面。

——正常运行时，最大持续工作电流，不考虑运行中电路可能的过负荷及故障或检修时由别的回路转移过来的负荷。

——经济电流密度。

1、（1ˊ）—变电所所用及工矿用电缆线路的铝（铜）纸绝缘铅包、铝包、塑料护套及各种铠装电流；2—铝矩形、槽形及组合导线；3、（3ˊ）—火电厂厂用的铝（铜）纸绝缘铅包、铝包、塑料护套及各种铠装电缆；4—35～220kV线路的LGJ、LGJQ型钢芯铝绞线

图中未给出铜母线及铜裸导线的经济电流密度，当需要选用时，可按下述取值：为3000h以下，Jmax＝3.0A/mm2；为3000h～5000h时，Jmax

＝2.25A/mm2；为5000h以上，Jmax

＝1.75A/mm2。应选择最接近Sj的标准截面，可偏小一档选择，另外还必须满足Ial≥Imax的要求。（三）电晕电压校验1．电晕产生的影响：（1）降低空气的绝缘强度，相间容易被击穿；（2）在电晕范围内进行着化学反应，形成O3和氮的氧化物，腐蚀金属和有机绝缘材料；（3）引起电能损失；（4）电晕有特殊的噪声和破裂声，影响工作人员听觉检查设备工作情况；（5）产生无线电干扰。2.选择条件：63kV及以下系统，一般不会出现全面电晕，不必校验，对110kV及以上系统的裸导体，应按当地晴天不发生全面电晕的条件校验，使：

Ucr>Umax（四）热稳定校验C——热稳定系数，Af和Ai分别取与短路时母线最高允许发热温度及正常运行时母线最高工作温度相对应的值。

在不同的工作温度下，对于不同母线材料，C值可取下表所列数值。工作温度（℃）4045505560657075808590硬铝及铝锰合金9997959391898785838179硬铜186183181176176174171169166164161（五）硬母线的动稳定校验1．矩形母线应力的计算：（1）单条导体（只受相间电动力的作用），当跨数大于2时，导体所受的最大弯距为：（N•m）（N/m）导体最大相间计算应力为：设计时，一般L为未知，为满足动稳定，常根据材料的允许应力来确定绝缘子间的最大允许跨距Lmax，即令，则由上式可得

只要选择L≤Lmax，必满足动稳定。二、电力电缆的选择1．结构类型的选择首先根据用途、敷设方式和使用条件选择。电缆作为载流导体，目前应用十分广泛，可以直接埋入地下以及敷设在电缆沟或电缆隧道当中，也可以敷设在水中或海底，还可以在空气中敷设。其次根据结构类型选择。电缆芯线有铜芯和铝芯，其芯线一般由多股导线绞合而成，国内工程一般选择铝芯。（二）额定电压的选择

——电缆的额定电压，kV——电网的额定电压，kV（三）截面的选择（1）截面选择方法与裸导体基本相同，对长度不超越20m的电缆，按回路最大持续工作电流Imax选择，即

对于≥5000h，且长度超过20m的电缆，可按经济电流密度选择。

（2）确定电缆根数：当S<150mm2，用一根，当S>150mm2用（S/150mm2）根。（3）综合校正系数：

1）空气中敷设：K＝KtK1；

2）空气中穿管敷设：K＝KtK2；

3）直接埋地敷设：K＝KtK3K4。式中：Kt——环境温度修正系数，由式子计算，缆芯正常允许最高工作温度与电压等级、绝缘材料和结构有关，可查附表；

K1——空气中多根电缆并列敷设的修正系数，可查附表；

K2——空气中穿管敷设的修正系数，在UN≤10kV的情况下，S≤95mm2时，K2＝0.91；S＝120mm2～185mm2时，K2＝0.85；

K3——直埋电缆因土壤热阻不同的修正系数，可查附表；

K4——土壤中多根电缆并列敷设的修正系数，可查附表。（四）允许电压损失校验

ΔU％≤5％

式中——电缆线路最大持续工作电流，A；

L——线路长度，km；

r、x——电缆单位长度的电阻和电抗，Ω；

——功率因数；

——电缆线路额定线电压，KV。（五）热稳定校验

电缆的热稳定与裸母线相同，仍用裸母线的校验方法，但其中Ks＝1，即：热稳定系数C的计算：

式中——计及电缆芯充填物热容随温度变化以及绝缘散热影响的校正系数。对于3～6kV厂用回路，取0.93，其他情况可取＝1.0；

Q——电缆芯单位体积的热容量，铝芯取2.48，铜芯取3.4，J/cm2·℃；

J——热功当量系数，取1.0；

K——20℃时电缆芯交流电阻与直流电阻之比，S≤100mm2的三芯电缆K＝1，S＝120～240mm2的三芯电缆K＝1.005～1.035；——电缆芯在20℃时的电阻系数，铝芯取0.031×10－4，铜芯取0.0184×10－4，Ω·cm2/cm;——电缆芯在20℃时的电阻温度系数，铝芯取0.00403，铜芯取0.00393，1/℃；

——短路前电缆的工作温度，℃；

——电缆短路时的最高允许温度，对10kV以下普通粘性浸渍绝缘及交联聚乙烯绝缘电缆，铝芯为200℃，铜芯为250℃。有中间接头的电缆短路时的最高允许温度，锡焊头为120℃，压接接头为150℃。7.5支柱绝缘子和穿墙套管的选择1．选择支柱绝缘子和穿墙套管的种类和型式

2．按额定电压选择支柱绝缘子和穿墙套管

3.按最大持续工作电流选择穿墙套管

4.校验穿墙套管热稳定7.6高压断路器和隔离开关的选择一、高压断路器的选择

1．种类和型式的选择选择高压断路器的类型。根据环境条件、使用技术条件及各种断路器的不同特点进行选择。由于真空断路器、SF6断路器在技术性能和运行维护方面有明显优势，目前在系统中应用十分广泛，10kV及以下一般选用真空断路器，35kV及以上多选用SF6断路器。2．根据安装地点选择：户内和户外；

3．额定电压选择：

4．额定电流选择：

5．额定开断电流的选择：时，时，

6．按关合电流选择7．热稳定电流

8．动稳定电流

二、隔离开关的选择1．根据配电装置布置的特点，选择隔离开关的类型。2．根据安装地点选择：（1）户内（2）户外

3．按额定电压选择：4．按额定电流选择：

7．热稳定电流

8．动稳定电流

7.7高压负荷开关和高压熔断器的选择一、高压负荷开关的选择1．根据环境条件、使用技术条件及各种负荷开关的不同特点，选择负荷开关的种类和形式。2．按额定电压选择：3．按额定电流选择：

4．热稳定电流

5．动稳定电流

7.8互感器的选择

一、电流互感器的选择1．选型：根据配置地点、安装方式等选型。2．一次回路额定电压、电流选择：式中——电流互感器所在电网的额定电压；——电流互感器的一次额定电压和一次额定电流；

——温度修正系数；

——装设所选电流互感器的一次回路的最大持续工作电流。

3.额定二次电流的选择:一般选用5A，在弱电系统中选用1A。4．按准确度等级选择：5．按二次负荷选择:供计费电度表用0.5级，保护用：3级；D级作出电流互感器回路的接线图，列表统计其二次侧每相仪表和继电器负荷，确定最大相负荷。设最大相总负荷为S2，S2应不大于互感器在该准确度级所规定的额定容量SN2，即:

即应满足：式中——选定准确度级下的额定二次负荷，Ω；

——电流互感器的二次负荷，Ω。由于式中Rar——二次侧负荷最大相的测量仪表和继电器电流线圈的串联总电阻；Ω

Rl——仪表至互感器连接导线的电阻；Ω

Rc——各接头的接触电阻总和，一般取为0.1Ω。经计算整理得：式中S——连接导线的截面，mm2；——连接导线的电阻率，铜为1.75×10－2，铝为2.83×10－2，Ω·mm2/m；

lc——连接导线的计算长度，m。连接导线的计算长度，决定于从电流互感器到测量仪表（或继电器）之间的实际连接距离和电流互感器的接线方式。当采用单相接线时，；当采用星形接线时，由于中线内电流很小，则；当两只电流互感器接成不完全星形时，因为公共导线内的电流为，与U相电流的相位差为600，按电压方程可得。选择稍大于计算结果的标准截面，根据机械强度要求，求得的铜导线截面不应小于1.5mm2；铝导线截面不应小于2.5mm2。6．热稳定校验：电流互感器的热稳定能力常以1s允许通过热稳定电流或热稳定电流对一次额定电流得倍数表示。或式中——ts的热稳定倍数，t=1s；

——短路电流的热效应。7．动稳校验：或

二、电压互感器的选择

1．按安装地点和使用条件等选择电压互感器的类型。

一般在6～20kV屋内配电装置中，选用户内油浸式或树脂浇注绝缘的电磁式电压互感器；35kV配电装置宜选用电磁式电压互感器；110kV及以上配电装置中，如果容量和准确度级满足要求时，宜选用电容式电压互感器。再根据电压互