高压电气设备的选择

电气设备及运行维护7-1■第七章电气设备选择第一节高压电气设备选择的一般条件和原则第二节高压断路器、隔离开关、重合器和分段器的选择第三节互感器的选择第四节高压熔断器的选择第五节支柱绝缘子和穿墙套管的选择第六节母线和电缆的选择本章计划学时：10~12学时电气设备及运行维护7-2■本章教学要求掌握高压电气设备选择的一般条件掌握高压断路器、隔离开关、熔断器的选择方法掌握互感器、绝缘子的方法选择掌握母线和电缆的选择本章难点：硬母线的共振校验电气设备及运行维护7-3■第一节高压电气设备选择的一般条件和原则一般条件：多数电气设备共有的选择校验项目。一、按正常工作条件选择额定电压和额定电流1.额定电压选择特殊条件：个别电气设备具有的选择校验项目。｛选择条件有1)正常电压要求是：电气设备所在回路的最高运行电压不得高于电气设备的允许最高工作电压。2)由于电气设备的允许最高工作电压为其额定电压的UN的1.1~1.15倍，而电网电压正常波动引起的最高运行电压不超过电网额定电压UNs的1.1倍。3)一般可以按电气设备的额定电压UN不得低于其所在电网的额定电压UNs的条件来选择电气设备，即UN≥UNs电气设备及运行维护7-4■注意：1)海拔影响电气设备的绝缘性能，随装设地点海拔的增加，空气密度和湿度相应减小，使得电气设备外部空气间隙和固体绝缘外表面的放电特性降低，电气设备允许的最高工作电压减小。对海拔超过1000m的地区，一般应选用高原型产品或外绝缘提高一级的产品。对于现有110kV及以下大多数电器的外绝缘有一定裕度，可在海拔2000m以下地区使用。2)在空气污秽(腐蚀减低绝缘强度)或有冰雪的地区，某些电气设备应选用绝缘加强型或高一级电压的产品。2.额定电流选择1)电气设备的额定电流IN（或载流量Ial）：在额定环境温度θ0下，长期允许通过的电流。2)为了满足长期发热条件，应按额定电流IN（或载流量Ial）不得小于所在回路最大持续工作电流Imax的条件进行选择，即电气设备及运行维护7-5■IN（或Ial）≥Imax3)当实际环境温度θ不同于导体的额定环境温度θ0时，其长期允许电流应该用下式进行修正。不计日照时，裸导体和电缆的综合修正系数K为0alalKθal——导体的长期发热允许最高温度，裸导体一般为70℃；θ0——导体的额定环境温度，裸导体一般为25℃。我国生产的电气设备的额定环境温度θ0=40℃。在40~60℃范围内，当实际环境温度高于+40℃时，环境温度每增高1℃，按减少额定电流1.8%进行修正；当实际环境温度低于+40℃时，环境温度每降低1℃，按增加额定电流0.5%进行修正，但其最大过负荷不得超过额定电流的20%，实际选择时一般不修正。Ialθ=KIal≥Imax电气设备及运行维护7-6■4)回路最大持续工作电流Imax的计算:回路名称最大持续工作电流说明发电机、调相机回路1.05倍发电机、调相机额定电流发电机和变压器在电压降低到0.95额定电压运行时，出力可以保持不变，故电流可以增大5%变压器回路1.05倍变压器额定电流1.3~2.0倍变压器额定电流若要求承担另一台变压器事故或检修时转移的负荷出线回路1.05倍线路最大负荷电流考虑5%的线损，还应考虑事故时转移过来的负荷母联回路母线上最大一台发电机或变压器的最大持续工作电流分段回路母线上最大一台发电机额定电流的50%~80%变电所应满足用户的一级负荷和大部分二级负荷汇流母线按实际潮流分布确定电容器回路1.35倍电容器组额定电流考虑过电压和谐波的共同作用电气设备及运行维护7-7■二、按短路条件校验热稳定和动稳定1.短路热稳定校验热稳定：指电气设备承受短路电流热效应而不损坏的能力。热稳定校验的实质：使电气设备承受短路电流热效应时的短时发热最高温度不超过短时最高允许温度。导体通常按最小截面法校验热稳定。电器的热稳定是由热稳定电流及其通过时间来决定的，满足热稳定的条件为kQtI2tQk——短路电流热效应；It——所选用电器t（单位为s）内允许通过的热稳定电流。2.短路动稳定校验动稳定：指电气设备承受短路电流产生的电动力效应而不损坏的能力。电气设备及运行维护7-8■部分电气设备动稳定按应力和电动力校验。电器满足动稳定的条件为ies≥ishish——短路冲击电流的幅值，ish为：2shshIKiI”为0s钟短路电流周期分量有效值；Kes为冲击系数，发电机机端取1.9，发电厂高压母线及发电机电压电抗器后取1.85，远离发电机时取1.8。ies——电器允许通过的动稳定电流幅值，生产厂家用此电流表示电器的动稳定特性，在此电流作用下电器能继续正常工作而不发生机械损坏。电气设备及运行维护7-9■3．短路计算时间计算短路电流热效应时所用的短路切除时间tk等于继电保护动作时间tpr与相应断路器的全开断时间tab之和，即abprkttt断路器的全开断时间tab等于断路器的固有分闸时间tin与燃弧时间ta之和，即ainabttt验算裸导体的短路热稳定时，tpr宜采用主保护动作时间，如主保护有死区时，则采用能对该死区起保护作用的后备保护动作时间；验算电器的短路热稳定时，tpr宜采用后备保护动作时间。SF6断路器的燃弧时间ta为0.02~0.04s。电气设备及运行维护7-10■4．短路电流计算条件（1）短路计算容量和接线：应按本工程的设计规划容量及可能发生最大短路电流的正常接线方式计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建成后5~10年）。（2）短路种类：电气设备的热稳定和动稳定以及电器的开断电流，一般按三相短路验算。若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统、自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短路严重时，则应按严重情况验算。（3）短路计算点：在正常接线方式时，通过电气设备的短路电流为最大的短路点，称为短路计算点。1）对两侧均有电源的电气设备，应比较电气设备前、后短路时的短路电流，选通过电气设备短路电流较大的地点作为短路计算点。例如，校验图6-1中的发电机出口断路器QF1时，应比较k1和k2短路时流过QF1的电流，选较大的点作为短路计算点。电气设备及运行维护7-11■2）短路计算点选在并联支路时，应断开一条支路。因为断开一条支路时的短路电流大于并联短路时流过任一支路的短路电流。例如，校验图6-1中分段回路的断路器QF5或主变低压侧断路器QF2时，应选k2和k3点为短路计算点，并断开变压器T2。电气设备及运行维护7-12■3）在同一电压等级中，汇流母线或无电源支路短路时，短路电流最大。校验汇流母线、厂用电分支电器（无电源支路）和母联回路的电器时，短路计算点应选在母线上。例如，校验图6-1中10kV母线时，选k2点。4）带限流电抗器的出线回路，由于干式电抗器工作可靠，故校验回路中各电气设备时的短路计算点一般选在电抗器后。例如，校验图6-1中出线回路的断路器QF3时，短路计算点选在出线电抗器后的k5点。5）110kV及以上电压等级，因其电气设备的裕度较大，短路计算点可以只选一个，选在母线上。例如，校验图6-1中110kV的电气设备时，短路计算点可选在110kV母线上，即k6点。（4）短路电流的实用计算方法：在进行电气设备的热稳定验算时，需要用短路后不同时刻的短路电流，即计及暂态过程，通常采用短路电流实用计算方法，即运算曲线法。该内容可在今后的有关毕业设计中学习。电气设备及运行维护7-13■第二节高压断路器、隔离开关、重合器和分段器的选择一、高压断路器的选择1．种类和型式的选择种类：6~10kV电网一般选择真空和六氟化硫断路器。35kV电网一般选择真空和六氟化硫断路器，某些35kV屋外配电装置也可用多油断路器。110~330kV电网一般选择六氟化硫断路器。500kV电网一般选择六氟化硫断路器。2．额定电压选择：UN≥UNs安装地点：屋内和屋外。3．额定电流选择：IN≥Imax4．额定开断电流选择断路器的额定开断电流INbr应不小于其触头刚刚分开时的短路电流有效值Ik，即电气设备及运行维护7-14■INbr≥Ik开断计算时间tbr：从发生短路到断路器的触头刚刚分开所经历的时间。为保证断路器能开断最严重情况下的短路电流，开断计算时间等于主保护动作时间tpr1与断路器固有分闸时间tin之和，即tbr=tpr1+tin1)对于非快速动作断路器（其tbr≥0.1s），可略去短路电流非周期分量的影响，简化用短路电流周期分量0s有效值I”校验断路器的开断能力，即INbr≥I”2)对于快速动作断路器（其tbr0.1s），开断短路电流中非周期分量可能超过周期分量的20%，需要用tbr时刻的短路全电流有效值校验断路器的开断能力，即电气设备及运行维护7-15■2/2ptkabre2TtIIIIpt为触头刚刚分开tbr时的短路电流周期分量有效值，在此可取Ipt=I”；RXTa为短路电流非周期分量衰减时间常数，其中，XΣ、RΣ分别为电源至短路点的等效电抗和等效电阻。5．额定关合电流选择如果在断路器关合前已存在短路故障，则断路器合闸时也会产生电弧，为了保证断路器关合时不发生触头熔焊及合闸后能在继电保护控制下自动分闸切除故障，断路器额定关合电流iNcl不应小于短路电流最大冲击值，即iNcl≥ish电气设备及运行维护7-16■6．热稳定校验tIQt2kQk为短路电流热效应[(kA)2·s]；It为制造厂家给出的t秒内允许通过的热稳定电流（kA）。7．动稳定校验ies≥ish二、隔离开关的选择1.隔离开关的型号应根据其安装地点，配电装置的布置特点等选择。2.由于隔离开关没有灭弧装置，故没有开断电流和关合电流的校验，隔离开关的额定电压、额定电流选择和热稳定、动稳定校验项目与断路器相同。电气设备及运行维护7-17■【例6-4】选择例6-1中变压器低压侧的高压断路器和隔离开关。解根据安装地点在屋内和例6-1、例6-3的有关计算结果，高压断路器和隔离开关的型号和参数及与计算数据的比较见表6-4。表6-4断路器和隔离开关选择比较结果选校项目计算数据SN10-10III/2000型GN22-10/2000型额定电压/kV101010额定电流/A1818.6520002000额定开断电流/kA25.340--额定关合电流/kA64.5130--热稳定校验/(kA)2·s637.8402×4402×2动稳定校验/kA64.5130100由选择比较结果可知，所选高压断路器和隔离开关满足要求。电气设备及运行维护7-18■SF6断路器(单断口)电气设备及运行维护7-19■LW15-363GCBP(双断口)电气设备及运行维护7-20■三、重合器的选择根据安装地点的系统条件进行选择。具体要求见下表：考虑因素选择条件额定电压≥安装地点的系统最高运行电压额定电流＞安装地点的远景最大负荷电流，还需考虑触头载流、温升等因素，需留有较大裕度安装地点最大故障电流重合器的额定短路开断电流＞安装地点最大远景故障电流保护区域末端最小短路电流重合器的最小分闸电流＜保护区域末端最小短路电流，常考虑1.5倍与其他线路保护之间的配合为了保证在重合器后备保护动作或在其他线路元件发生损坏之前，重合器能够及时分断电气设备及运行维护7-21■四、分段器的选择具体要求见下表：考虑因素选择条件起动电流为后备保护开关最小分闸电流的80%当液压分段器与液压重合器之间配合使用时，分段器与重合器选择相同额定电流的串联线圈即可电子控制分段器的起动电流可根据其额定电流直接整定记录次数分段器的计数次数应比后备保护开关的重合次数少一次，以免误动记忆时间须保证分段器的记忆时间大于后备保护开关动作的总累计时间电气设备及运行维护7-22■第三节互感器的选择1．种类和型式选择一、电流互感器的选择根据安装地点可选择：屋内或屋外式。根据安装方式可选择：支持式、装入式（装在变压器套管或多油断路器套管中）和穿墙式（兼作穿墙套管）。根据一次绕组匝数可选择：单匝LD（用于大电流）、多匝LF（用于小电流）和母线式LM（用于大电流）。6~20kV屋内配电装置的电流互感器有：瓷绝缘（如