第9章电气设备的选择

电气设备第9章电气设备选择电气设备教学目的：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。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电气设备§9-1电器和载流导体的发热§9-2电器和载流导体的电动力效应§9-3电气设备选择的一般原则§9-4高压开关电器的选择§9-5母线、电缆和绝缘子的选择§9-6互感器的选择电气设备§9-1电器和载流导体的发热一、电气设备在工作过程中的损耗1、铜损：电流在导体电阻中的损耗2、铁损：电流的交变磁场在铁磁物质中引起的涡流和磁滞损耗3、介损：绝缘材料在电场作用下产生的损耗所有这些损耗转化为热能，使电器和载流导体的温度升高，这就是电流的热效应。电气设备二、发热对电气设备的影响1、机械强度下降：金属材料温度升高时，会使材料退火软化，机械强度下降。2、接触电阻增加：温度过高，接触连接表面会强烈氧化，使得接触电阻增加，温度便随着增加，因而可能导致接触处松动或烧熔。3、绝缘性能降低：有机绝缘材料长期受到高温作用，将逐渐变脆和老化，以致绝缘材料失去弹性和绝缘性能下降，使用寿命大为缩短。电气设备三、发热的分类1、正常工作电流引起的长期发热：≤=70℃2、短路电流引起的短时发热：铜≤=300℃铅≤=200℃edd电气设备四、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dtKAmcdRdtI)(02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；0I电气设备dKARImcdttjt020)(tmcKAjtmcKAjteeKARI)()1(02jtjj,000令)1()1(2TtWtmcKAteeKARI两边积分：求解得：电气设备tW0T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。电气设备2、求正常运行情况下长期发热允许最大工作电流xugIIceg070xuwRKAIxuxu电气设备最严重三相短路时的电流波形图五、故障情况下短时发热的计算电气设备aTtzmzmfzzkeItIiiicos0''01.001.02)1(ZshTzmTzmzmshIKeIeIIiaa1.短路电流的构成：周期分量和非周期分量2.冲击电流的大小电气设备二、短路电流的热效应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。电气设备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：zzttddmCdtRi00224.0tz00tzt正常短路短路被切除电气设备将代入上式得：)(])1ln([24.01124.00202020020200AAKSSCdSCdtizfzttdZzSLmCCSlR..),1(,)1(00电气设备fztztttzfiztttTtzfiztttTtfzztttddtQQITdtIeITdtIdteitIdtiQzzfizfiz00012''22''2202)()1()()cos2(热效应：等式左边是短路电流的电气设备短路点(s)汽轮发电机端0.25水轮发电机端0.19高压侧母线主变容量100MVA0.13主变容量=40～100MVA0.11远离发电厂处0.05表9-1不同短路点等效时间常数Tfi的推荐值电气设备zttjzztzttIdtIQ022zzttttztjzdtdtIIt002''2)()(具有自动电压调节器的发电机短路电路周期分量发热等值时间曲线。电气设备3、大容量系统计算短路电流热效应的近似公式：fztztzfittztdtQQITdtIQz2''2)(0t——故障切除时间=继电保护动作时间+QF分闸时间对无限大容量电力系统：——非周期分量热效应值:)10(1222)2/(2ZttZZztIIItQtIQdzzt2fztQ2zfifztITQztQ式中：——周期分量热效应值：用1-10-1法计算电气设备4.短路发热温度θ－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θ的关系曲线,确定短路发热温度。)(Afz电气设备由求的步骤如下：0z①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00A②计算导体短路发热系数zA③由从θ－A关系曲线查得短路发热温度zz0AzA0zA02AQSKAdtfz电气设备5.短路热稳定最小截面②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：)(AfdtfdtfzQKCQKAAS110min①由和，从θ－A曲线分别查出和xu00AzA电气设备6.热稳定条件xudtQQtIQtdt2或电气设备§9-2电器和载流导体的电动力效应一、电动力对电气设备的影响1、电器和载流部分可能因为电动力而振动或变形，甚至使绝缘部件或载流部件损坏；2、电气设备的电磁绕组可能变形或损坏。电气设备二、两根平行导体之间的电动力单根导体：多根导体：)(102721NaliiF)(102721NaliKiF式中：、——通过两平行导体的电流（A）——该段导体的长度（m）a——两根导体轴线间的距离(m)K——截面形状系数1i2il电气设备三、三相系统中导体间的电动力1、中间相：式中：——冲击短路电流（A）——母线系统的振荡系数)(176.02maxNialFchchi电气设备2、母线上的最大弯距：式中：——相邻两个支柱绝缘子间的跨距（m）3、最大弯曲应力计算：式中：W——母线截面系数查手册动稳定条件：母线最大计算应力不大于母线材料的允许应力。即，动稳定满足)(1076.1222maxmaxPaiaWlWMchju10maxmaxjulFMxumaxjul电气设备表9-2各种材料最大允许应力xu5106865101568硬母线材料最大允许应力PaKgf/cm3铜1400铝700钢16005101327电气设备§9-3电气设备选择的一般原则按正常工作条件进行选择按短路状态来校验其热稳定和动稳定电气设备一、按正常工作条件选择1、电气设备型式的选择：在具有基本相同功能的同类设备中选用合适的系列或结构型式的产品。按使用环境选型：户内、户外、特殊地区环境按布置或装配方式选型：按参数范围选型新技术、新产品的推广使用和经济实惠适当避免型式选用的多样化电气设备2、额定电压的选择：设备额定电压不低于安装处电网额定电压3、额定电流的选择：设备长期允许电流不小于该回路最大持续工作电流eweUUmaxegII式中：Igmax的计算发电机回路：Igmax=1.05Ie.G三相变压器回路：Igmax=1.05Ie.TKgKg——变压器持续过负荷系数，取1.3～1.5出线回路：Igmax=eeUPcos3max电气设备二、按短路情况校验1、热稳定校验：Id→θd≤300℃（200℃）满足热稳定的条件：式中：Qd——短路电流产生的热效应Qr——短路时导体和电气设备允许的热效应2、动稳定校验：满足动稳定的条件：Fmax≤Fxu或σmax≤σxu3、开断能力的校验：能可靠断开的最大断路电流的能力Id≤IekdrdQQtItIrjz22dwchdwchIIii或电气设备三、短路电流计算条件1、容量和接线以工程建成后5～10年的容量来计算。2、短路种类三相短路最严重3、计算短路点找到通过设备的最大短路电流的短路点。电气设备四、短路计算时间式中:td——继电保护动作时间。一般取主保护动作时间包括装置起动机构、执行机构和延时机构的动作时间。0.05～0.06stkd——断路器开断时间。为断路器固有分闸时间与燃弧时间之和，对油断路器一般取0.08～0.12s故为简便计，上式可写为：tbz——主保护延时机构的整定时间kdbrtttbzrtt2.0电气设备§9-4高压开关电器的选择一、高断路器的选择二、高压隔离开关的选择三、高压熔断器的选择电气设备1、选型推荐：户内用真空断路器ZN系列；其次少油式SN系列户外用六氟化流断路器LW系列；其次少油式SW系列2、额定电压的选择：断路器的额定电压不低于安装处电网额定电压:Ue≥Uew3、额定电流的选择：断路器额定电流不小于该回路最大持续工作电流：Ie≥Igmax式中：Ir——断路器t秒钟时刻的热稳定电流。4、热稳定校验：Id→θd≤300℃（200℃）满足热稳定的条件：drQtI2一、高压断路器的选择电气设备6、开断能力的校验：能可靠断开的最大断路电流的能力：Iekd≥Id5、动稳定校验：Fxu≥Fmax或σxu≥σmax满足动稳定的条件：chdwii7、关合电流的校验：chegii电气设备二、高压隔离开关的选择1、选型2、额定电压的选择：隔离开关的额定电压不低于安装处电网额定电压:Ue≥Uew3、额定电流的选择：隔离开关的额定电流不小于该回路最大持续工作电流：Ie≥Igmax4、热稳定校验：Id→θd≤300℃（200℃）满足热稳定的条件：drQtI25、动稳定校验：Fxu≥Fmax或σxu≥σmax满足动稳定的条件：chdwii电气设备电气设备三、高压熔断器的选择1、选型：2、额定电压的选择：熔断器的额定电压不低于安装处电网额定电压:Ue≥UewRN1，RN3，RN5：用于线路和变压器的过载和短路保护；RN2，RN6：用于电压互感器专用保护（Ie=0.5A）。跌落式：用于线路和变压器的过载和短路保护；限流式：用于电压互感器专用保护（Ie=0.5A）。户内型户外型电气设备3、额定电流的选择：（1）熔体额定电流选择用于变压器保护的熔体额定电流：式中：K——可靠系数，不计电动机自起动时K=1.1～1.3考虑电动机自起动时K=1.5～2.0Igmax——电力变压器回路最大工作电流。maxgertKII用于电容器保护的熔体额定电流：式中：K——可靠系数，一台电容器时K=1.1～1.3一组电容器时K=1.5～2.0IeC——电力电容器回路的额定电流。eCertKII（2）熔管额定电流选择ertergII4、开断能力的校验：Iekd≥Ich电气设备§9-5母线、电缆和绝缘子的选择母线的选择电缆的选择绝缘子的选择电气设备①母线材料、类型和布置方式;②导体截面;③热稳定校验;④动稳定校验；⑤对于110kV以上母线要进行电晕校验；⑥对重要回路的母线还要进行共振频率校验。一、母线的选择电气设备（2）截面形状：矩形：散热条件好，有一定机械强度，便于固定和连接，但集肤效应大。单条Smax≤1250mm2可用2～4条并列使用。一般只用于35KV及以下，电流在4000A及以下的配电装置中。（1）材料：铜，用在持续工作电流大，且位置特别狭窄的发电机、变压器出线处或污秽大的场所。铝，采用广泛。