华中科技大学-电气工程基础课件(熊银信)-第8章-电气主接线的设计与设备选择

HUST_CEEE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HUST_CEEE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。HUST_CEEE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HUST_CEEE一、变压器容量、台数、电压的确定原则依据输送容量等原始数据。考虑电力系统5~10年的发展规划。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。HUST_CEEE2连接在发电机电压母线与升高电压之间的主变压器a.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。b.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。c.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。d.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。HUST_CEEE3．变电所主变压器容量a.按变电所建成后5~10年的规划负荷选择，并适当考虑远期10~20年的负荷发展。b.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；c.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a.大中型发电厂和枢纽变电所，主变不应少于2台；b.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HUST_CEEE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。HUST_CEEE3.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HUST_CEEE第三节载流导体的发热和电动力一、概述二、均匀导体的长期发热三、导体的短时发热四、短路时载流导体的电动力HUST_CEEE一、概述长期发热：短时发热：表8-1导体长期工作发热和短路时发热的允许温度（部分）长期工作发热短路时发热导体种类和材料允许温度允许温升①允许温度允许温升②铜（裸）母线70C③45C300C230C铝（裸）母线70C③45C200C130C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）40C；发电机（利用空气冷却时进入的空气温度）35~40C；装在空气中的导线、母线和电力电缆25C；埋入地下的电力电缆15C。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70C，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85C；当有银的覆盖层时，允许提高到95C。HUST_CEEERaFRaFIalst)(0二、均匀导体的长期发热1．均匀导体的发热过程导体温度稳定前I2Rdt＝mCd＋aF(－0)dt温度达到稳定后I2R＝aF(－0)式中，m：质量(kg)；C：比热容(J/kg·C)；a：总换热系数(w/m2·C)；F：散热面积（m2）；0：周围环境温度（C）。2．导体的最大允许载流量：HUST_CEEE三、导体的短时发热1．短时发热计算热量平衡方程：Ikt2Rdt＝mCd短路电流热效应：ktktkdtIQ02i21AAQSkk并有：HUST_CEEE)10''(12.222/2kkttkpIIItQa周期分量的热效应2．热效应Ｑk的计算采用等值时间法：过时辛卜生法：复杂1-10-1法（简化辛卜生法）短路全电流：nppkTtnpoptktQQQeitIIacos2可以推出：222'')1(2.TIieTaQbnpoTatnpk非周期分量的热效应表8-2非周期分量等值时间TT（S）短路点tk0.1Stk0.1S发电机出口及母线0.15S0.2发电机升高电压母线及出线发电机电压电抗器后0.080.1变电所各级电压母线及出线0.05如果短路电流持续时间tk1s，导体的短时发热主要由周期分量决定，在此情况下可不计非周期分量的影响。HUST_CEEE电动力的方向决定于电流的方向，i1,i2同方向时，作用力相吸，电流反向时相斥。工程中考虑截面积因素后的修正公式N102217iiaLkFf其中，kf为导体的形状系数。圆形导体的形状系数kf=1。矩形导体的形状系数如右图所示。N102217LaiiF四、短路时载流导体的电动力1．平行导体间的电动力HUST_CEEE2．三相导体短路时的电动力)21(1027CABAACABAiiiiaLFFF)]32sin()32[sin()]32sin()32[sin(]sin)[sin(ATatAmCATatAmBATatAmAetIietIietIi将下列公式代入：2)3(72)3(72)2(7)2(max][105.1]23[102][102shshshiaLiaLiaLF大电动力：同一地点两相短路的最N1073.110729.12727maxshshBiaLiaLF：化简并求出最大电动力N10616.127maxshAiaLF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：N1073.127maxshiaLFHUST_CEEE3．导体的振动应力强迫振动系统一般采用修正静态计算法：最大电动力Fmax乘上动态应力系数。动态应力系数与母线固有频率的关系如右图。在单自由度振动系统中，35kV及以下，布置在同一平面三相母线的固有振动频率f0200112Lrf为了避免导体产生危险的共振，对于重要导体，应使其固有频率在下述范围以外单条导体及母线组中的各条导体35~135Hz多条导体组及有引下线的单条导体35~155Hz如固有频率在上述范围以外，取=1；在上述范围内时，最大电动力应乘上动态应力系数，即N1073.127maxshiaLFHUST_CEEE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HUST_CEEE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：UNUNS额定电流：INImax环境条件对电器和导体额定值的修正：NalialalII02．按短路情况检验热稳定校验：It2tQk动稳定校验：iesish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：HUST_CEEE表8-3各种电气设备的选择项目设备名称额定电压额定电流额定开断电流动稳定热稳定断路器隔离开关电抗器电流互感器电压互感器母线及导体电缆熔断器支柱绝缘子套管绝缘子成套配电装置电力电容器3．主接线设计中主要电气设备的选择项目HUST_CEEE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：INbrIKt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：iNCiish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0.04~0.06S。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。HUST_CEEE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：UNUNS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1.1~1.3（不考虑电动机自启动）或取1.5~2.0（考虑电动机自启动）保护电容器回路：INf2=KINCK取1.5~2.0（单台）或取1.3~1.8（一组）熔断器的开断电流校验InbrIsh（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。HUST_CEEE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*＝Id／IHUST_CEEE2.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%。%5sin(%)%maxLNXIIU3.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：%70~60''(%)%NLreIIXU轻型断路器额定开断电流INbr，令I=INbr，则X*＝Id／Inbr若已知电源到电抗器之间的电抗标么值X*