第六章62电气设备的选择

电气设备的选择2019/8/56.4设备选择时的三个基本问题绝缘问题(耐压问题)发热问题受力问题6.4载流导体发热与电动力的基本理论导体的长期发热导体的短时发热导体的短路电流电动力6.4导体的长期发热现象：导体中没有通过电流时，其温度与周围介质温度相等；当导体内通过电流时，其内部产生的热量一部分使导体本身温度升高，另一部分散失到周围介质中去，它们之间呈动态分配，直至导体发热过渡到稳态时，导体发热温度达到稳态温升。(1))(02dtFmcdRdtI6.4导体的长期发热目的：找出导体中通过电流与允许发热温度间的关系。据此判断影响允许电流大小的因素，用来改善导体（设备）的工作条件，以提高导体的长期允许工作电流，从而充分利用导体截面。2KFRIsRKFIsTtsse)(16.4导体的长期发热提高导体允许载流量有以下几个主要途径：①减小导体电阻。根据导体交流电阻的计算公式，可以知道交流电阻Ral与导体材料、集肤效应系数、截面、邻近效应及环境温度有关，因此可采用选择电阻率较小的金属作为导体材料。比如尽量采用将大电流母线制成方管、圆管截面等措施来达到减小电阻，提高载流量的目的；②周围环境温度θ0降低。同一导体在不同地区及不同季节时其允许载流量不同。θ0越低则允许载流量越大；③增加散热面积F；④增大综合换热系数K。由于α系数中包含了对流及辐射换热的综合信息，故而采取改变导体布置方式、冷却方式、导体表面处理方式及导体形状等措施均会影响导体的综合换热，进而影响导体的载流量。6.4导体的短时发热导体的短时发热是指从短路开始至短路切除为止这一段的时间内电路电流引起的导体发热过程。导体的短时发热与导体的长期持续发热显著不同，它具有如下特点：①发热时间短，产生的热量来不及向周围介质散布，可以认为短路电流产生的热量全部用以升高自身的温度，这是一个绝热过程；②短时发热过程中由于发热热量大、导体温度升高，它的电阻、比热容参数不能再视为与温度无关的常数，而应该是温度的函数。0fi01t2tt图1导体短时发热过程图6.4导体的短时发热列出这一过程中热平衡方程为：代入，得：m)1(c)c()1()R()()(m002SLSLdtmCdtRIkt)11(10022dcdtISmkt)11(100022fikθmtktdcdtIS6.4导体的短时发热取初始温度为0，热稳定与最小截面的关系：202202lnSBAdtIBCSBktsctZBSAABSmin1max2maxmin6.4导体的短时发热对于不同材料的导体建立关系曲线根据曲线，按以下方法便可以求出导体短时发热后最高温度。①由已知的导体初始温度（一般取为正常运行时最高发热温度），查找对应导体材料的曲线，查出A1值；②求B值，并代入求出的短路等效发热值B/S2，求出A2；③由A2数值再次查取对应新的温度。)(Af12345100200300400θ/℃钢铝铜])(/[101416mJA曲线图)(2Af6.4导体的短时发热如何求出短路电流热效应B。B=Bac+Bdc方法一（能获得0、t/2、t时刻的短路电流）：(1).周期分量的热效应(2).非周期分量的热效应)10(122222''kkttkacIIItB2''TIBdc6.4导体的短时发热方法二：等值时间法（需知道I”和非周期分量衰减T）等值时间法的原理是根据等效发热的概念。Bac通过查相对积分的计算曲线图（6-7），带入算式（6-39、40）获得答案。Bdc通过算式（6-42、44）获得答案。ktI2MDRoSBCteqtkt2I图3导体短时发热等值时间法示意图)(022dcactnppacoktnppeqBBttIdtIBtttk6.4导体的短时发热补充：设备的短时发热效验一般产品样本上给出短时发热允许电流Iperm.n和允许时间tperm.n，效验条件是：BtInpermnperm.2.6.4导体的短路电流电动力电动力分析平行导体间的电动力：借助形状系数获得导体间的电动力：形状系数可以从图6-8中获得：sindLiBdF1021022217027212NaliidlaiiFL1022217NkaliiFf6.4导体的短路电流电动力形状系数曲线–图6-8:矩形导体的形状系数曲线04.08.02.16.10.28.06.04.02.00.12.14.101.025.05.0hbahb125bhba图6矩形截面形状系数曲线6.4导体的短路电流电动力电力系统中，大多数三相导体布置在同一平面内。A相电动力由四个分量组成：①不衰减的固定分量；②以Ta/2的时间常数衰减的非周期分量；③以Ta的时间常数衰减的周期工频分量；④不衰减两倍工频分量。而B相电动力中没有固定分量，仅由其余三种分量组成。})622cos(43)62cos(23cos43-)62cos(438383{102227ATtATtAmCAtetteIaLFFaa)3422(sin23)342sin(3)342sin(23{102227AATtATtmBtteeIaLFaa6.4导体的短路电流电动力•电动力的最大值为了保证电气设备有足够的电动力稳定度，在工程上常以短路时电动力的最大值作为校验电器和载流导体电动力稳定时的依据。1073.110616.127max27maxshBshAiaLFiaLFFbmax大于Famax，计算最大电动力值应该以中间相B相电动力值为标准。6.4导体的短路电流电动力导体振动的动态应力•为避免产生危险的共振引起动态应力较大的不利现象，对凡连接发电机、主变压器以及配电装置等重要回路中的导体，应考虑共振影响，在设计制造时使其固有频率在下述范围之外。动态应力系数β（β为动态应力与静止应力之比）40801201602004.08.02.16.1Hzf/图9动态应力系数曲线6.4导体的短路电流电动力•导体的一阶固有频率计算公式为：修正动态应力法：在最大应力上乘以动态应力系数，求得实际动态过程中动态应力的最大值。共振效验决定支撑与跨距。mEJLNff211073.127maxshiaLF6.4电气设备选择的一般条件按短路情况校验热稳定及动稳定1、热稳定校验指校验设备的载流部分在短路电流通过时，各部件的最高发热温度（热效应）不超过最高允许值。其中，It为制造厂规定的t秒内电气设备的热稳定电流，kA；t为与之相对应的时间，s；Qk为短路电流产生的热效应，（kA)2.S，可采用等值时间法等进行计算。ktQtI26.4电气设备选择的一般条件2、动稳定校验动稳定校验是判断电气设备耐受短路电流产生的电动力效应的能力。满足动稳定的条件，即式中，ies、Ies分别为允许通过的动稳定电流峰值，kA；ish、Ish分别为短路冲击电流的峰值及有效值，kA。sesseshhIIii或6.4电气设备选择的一般条件短路计算条件的确定为使电气设备能经受最严重短路电流的作用，按下列条件确定作校验用的短路电流。（1）容量及接线发电机容量按该工程设计最终容量计算（一般为本期工程建成后5～10年），并适当考虑装置投入运行后电力系统容量的发展。接线方式按可能发生最大短路电流的正常接线方式为准，不考虑变换接线方式。（2）短路类型一般按三相短路计算，其他短路类型较三相短路电流大时，应选最严重的短路故障来进行校验。（3)短路计算点应选择通过导体、电气设备的短路电流为最大的点作为短路计算点。6.4电气设备选择的一般条件下面以图10简单说明如何选择主要回路设备的短路计算点。~~~1G2G3G1I3K1K2K4K5K6K7K8K1QF2QF3QF4QF5QF1gI2gI图10短路点的确定6.4电气设备选择的一般条件①选择发电机出口断路器QF1。若短路发生在K2点，通过QF1的短路电流为发电机G2和G3提供的短路电流之和；而若K1点短路时，通过QF1的短路电流仅由发电机G1提供。比较后可知，若机组G1和G2容量相近，前者的短路电流大于后者，故应以K2作为短路计算点。②选择变压器回路断路器QF3。经比较分析发现，应选取图示K3点作为短路计算点。③母联断路器QF5的选择。发电机G1和G2，母线上K4点发生短路时，通过QF5的短路电流为最大，应选取K4为短路计算点。④带出线电抗器回路的断路器QF4的选择。考虑导电抗器内部发生故障的概率很小且电抗器与QF4间连接导线很短，故障的概率也不大，故而以图示K8点作为短路计算点。选择QF4既可保证系统有足够可靠性又不会造成设备选择的浪费。K8点即为选择QF4的短路计算点。6.4电气设备选择的一般条件短路计算时间进行热稳定校验时采用的短路计算时间tk应为主保护动作时间tpr和断路器的全开断时间tbr之和，即式中，tpr为主保护动作时间，一般取0.05～0.06s；若主保护有死区，应取后备保护动作时间，同时应取相应区内的短路电流数值；tbr为断路器的全开断时间，包括其固有分闸时间和燃弧时间。由于一些特殊电气设备的运行特点，并不是选择所有电气设备时都要进行短路时的稳定校验：①熔断器保护回路设备不用校验其热稳定；②装有限流熔断器保护的回路其电器设备不用校验热稳定和动稳定；③电缆不用校验动稳定；④PT回路设备不用校验其热稳定和动稳定。brprkttt6.5载流导体的选择裸导体的选择按经济电流密度*软导线，输电线路(46)maxJISj6.5载流导体的选择05.06.07.08.09.011.12.13.14.15.16.17.18.19.10.2100020003000400050006000700080001234hT/max经济电流密度)//(2mmAJ图14导体经济电流密度曲线1—变电所所用、工厂用及电缆线路的铝线纸包绝缘铅包、铝包、塑料护套及各种铠装电缆；2—铝矩形、槽形母线及组合导线；3—火电厂厂用铝芯绝缘铅包、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6.5载流导体的选择按长期允许电流选择截面*硬导线按电压损耗选择截面–20KV以下电压级的配电网，线损小于5%。按电晕放电选择截面–每个电压等级下大于表6-7最小线径时无需校验。按机械强度选择截面–表6-8中限制的依据机械强度的最小截面面积热稳定校验动稳定校验–依据动校验选定条间衬垫跨距，再按相间允许应力确定绝缘子间的跨距。–软导线不做电动力校验。6.5载流导体的选择电力电缆的选择按经济电流密度截面与根数按长期允许电流按敷设方式、电压等级、绝缘结构等影响需要修正。电压损耗额定电压热稳定校验*不做动稳定校验6.6开关电气设备的选择一般条件–额定电压、额定电流、环境条件、按短路电流完成热稳定和动稳定校验高压断路器–增加开断电流和关合电流隔离开关和负荷开关–负荷开关也要考虑开断电流和关合电流高压熔断器–额定电压、额定电流和开断电流校验