第八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电气设备选择是发电厂和变电所设计的主要内容之一，在选择时应根据实际工作特点，按照有关设计规范的规定，在保证供配电安全可靠的前提下，力争做到技术先进，经济合理。为了保障高压电气设备的可靠运行，高压电气设备选择与校验的一般条件有：（1）按正常工作条件包括电压、电流、频率、开断电流等选择；（2）按短路条件包括动稳定、热稳定校验；（3）按环境工作条件如温度、湿度、海拔等选择。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、电压的确定原则主变压器的容量、台数直接影响主接线的形式和配电装置的结构。（1）它的确定除依据传递容量基本原始资料外，（2）还应根据电力系统5~10年发展规划、输送功率大小、馈线回路数、电压等级已经接入系统的紧密程度等因素，进行综合分析和合理选择。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变压器的经济运行变压器的经济运行是指：变压器在运行中传输单位kVA所产生的有功功率损耗最小。变压器的经济运行与变压器的负荷率有关，通常单台变压器的经济运行负荷率约为70％。多台并列运行的变压器，也存在经济运行的问题。变压器数量的选择变压器台数的选择：通常1－2台。一、二级负荷较大时，应采用2台。一、二级负荷较小，并可由低压侧取得足够容量的备用电源，也可装设1台。三级负荷时，通常采用1台。但当负荷较大或认为经济合理时，也可采用2台。HUST_CEEE变压器容量的选择单台变压器额定容量应大于等于计算负荷。两台并列运行的变压器，应满足：121212NTNTcNTNTNTccccNTccSSSSSSSSSSSSSⅠⅡⅠⅡⅠⅡ、：两台变压器的额定容量＋、：计算负荷中的一级和二级负荷＋HUST_CEEE设有两台变压器的变电所，2台变压器等容量。其单台变压器的容量选择根据它的备用方式。明备用：一台变压器工作，另一台变压器停止运行作为备用。此时，两台变压器均按最大负荷时变压器负荷率为100％考虑。暗备用：两台变压器同时投入运行，正常情况下每台变压器各承担约全部负荷的50％。此时，每台变压器的容量宜按全部最大负荷的70％选择。暗备用应用较广！HUST_CEEE第三节载流导体的发热和电动力一、概述二、导体的短时发热三、均匀导体的长期发热四、短路时载流导体的电动力HUST_CEEE14发热的原因:电阻损耗磁滞和涡流损耗介质损耗分类:长期发热，由正常工作电流产生的；短时发热，故障时由短路电流产生的。发热对电气设备的影响：（1）使绝缘材料的绝缘性能降低（2）使金属材料的机械强度下降（3）使导体接触部分的接触电阻增加一、概述HUST_CEEE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_CEEE载流导体通过电流时，相互之间的作用力，称为电动力。短路时冲击电流所产生的交流电动力达到很大的数值，可能导致设备变形或损坏。为保证电器和导体不致破坏，电器和导体因短路冲击电流产生的电动力作用下的应力不应超过材料的允许应力。硬导体材料的最大允许应力:硬铜140MPa、硬铝70MPa电动力HUST_CEEE二、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IHUST_CEEEdKARImcdttjt020)(tmcKAjtmcKAjteeKARI)()1(02jtjj,000令)1()1(2TtWtmcKAjeeKARI两边积分：求解得：HUST_CEEEtW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。HUST_CEEE2、求正常运行情况下长期发热允许最大工作电流IIgceg070stwRKAIstHUST_CEEE最严重三相短路时的电流波形图三、故障情况下短时发热的计算HUST_CEEEaTtzmzmfzzkeItIiii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HUST_CEEE1.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。HUST_CEEE2.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LSmm＝SLR)1(0＝)1(0CC＝导体质量导体电阻导体的比热容HUST_CEEE将代入上式得：)(])1ln([24.01124.00202020020200AAKSSCdSCdtizfzttdZzSLmCCSlR..),1(,)1(00HUST_CEEENPPttzfiptttTtzfptttTtnpptttddtQQITdtIeITdtIdteitIdtiQzzfiZzfiZz00012''222''2202)()1()()cos2(等式左边是短路电流：,,02ZnpIiHUST_CEEE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表不同短路点等效时间常数Tfi的推荐值HUST_CEEE3.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HUST_CEEE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HUST_CEEE4.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0AzAHUST_CEEE四、导体短路时的电动力计算两根细长平行导体间的电动力计算（8-18）三相导体水平放置受力最大的为中间相导体短路的电动力217102iiaLFHUST_CEEE三相导体短路时的电动力)21(1027CABAACABAiiiiaLFFF)]32sin()32[sin()]32sin()32[sin(]sin)[sin(ATa