第5章 电气设备的选择

第5章电气设备的选择电气设备的选择是供配电系统设计的重要步骤，其选择的恰当与否将影响到整个系统能否安全可靠的运行，故必须遵循一定的选择原则。本章对常用的高、低压电器即高压断路器、高压隔离开关、仪用互感器、高低压熔断器及成套配电装置（高压开关柜）等分别介绍了其选择方法，为合理、正确使用电气设备提供了依据。•第一节电气设备选择的一般原则•第二节高压开关电器的选择•第三节互感器的选择•第四节高压开关柜的选择•第五节低压熔断器选择•第六节低压断路器选择第一节电气设备选择的一般原则1．按工作环境初选电气设备根据电气装置所处位置、使用环境和工作条件，初步选择电气设备型号等，如户内户外、海拔高度、环境温度及防尘、防腐、防爆等。并考虑供货条件2.按正常工作条件确定电气设备型号（1）按工作电压选择电气设备的额定电压UN≥UW·N电气设备额定电压，系统标称电压Umax≥Ugm电气设备最高工作电压，设备装设处最高工作电压（2）按最大负荷电流选择电气设备的额定电流IN≥Imax或IN≥Ic（3）注意环境条件（温度，海拔）的影响——调整公式*考虑工作环境温度和海拔对设备额定电流的影响：总体趋势温度越高，海拔越高，则散热条件越差，设备的额定载流量相应降低。目前我国规定：电器额定电流一般以工作环境温度为40度，海拔1000m以下的条件给出。(a)温度升高，则电气设备允许的工作电流下降温度在40～60度间，额定电流调整：每升高1度，额定载流量减少1.8%；电力线路的允许载流量调整一般电器不可工作于60度以上环境；(b)温度降低，则电气设备允许的工作电流升高当温度低于40度，每下降1度电流按升高0.5％IN调整，但总值应小于20％IN。在实际使用中，可以不必调整。（3）注意环境条件（温度，海拔）的影响——调整公式*考虑工作环境温度和海拔对设备额定电流的影响(c)高海拔地区空气稀薄，散热能力差，但温度也低，综合环境温度和海拔两个因素，当实际海拔在4000m以下时，可以不修正额定电流。*考虑海拔高度对电气设备额定电压的影响高海拔地区因空气稀薄会导致空气的绝缘能力降低。海拔高度当与设备出厂规定不同时，应进行调整。如：海拔在1000～4000米间，按每升高100米，设备外绝缘降低1％，但设备的内绝缘没有影响。因此，用于高海拔地区的电器，应选择加强绝缘的产品，或者选择普通产品，但设备实际额定电压下降调整，或采用过电压保护。3按短路情况进行校验(1)短路热稳定校验(a)电气设备当系统发生短路，有短路电流通过电气设备时，导体和电器各部件温度(或热量)不应超过允许值，即满足热稳定的条件式中：左边部分为电器实际承受的热脉冲右边部分为厂方给出的电器所承受的最大热脉冲I∞—短路电流的稳态值；tima—短路电流的假想时间；It—设备在t秒内允许通过的短时热稳定电流；t—设备的热稳定时间，一般为1s、2s、4s。（b）母线或电缆热稳定意味着短路不能使导体温度超过其短路最高允许温度，对于母线或电缆来说，往往通过调整截面面积来满足要求。因此，需要推导出满足热稳定条件的最小截面积要求。其中，C为导体热稳定系数，可以查表（见下表部分导线数据）(2)短路动稳定校验由材料力学原理，材料在外力作用下不能产生位移时，其几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变。材料发生形变时，内部产生大小相等方向相反的作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为：应力。影响应力大小的因素：短路电流大小，导体形状，安装方式，材料等因素。（a）对于电器，一旦导体材料、形状和安装方式经设计确定，则应力只与电动力有关，即与短路冲击电流正相关。。当短路电流通过电气设备时，短路电流产生的电动力应不超过设备的允许应力，即满足动稳定的条件或式中：ish，Ish——短路电流的冲击值和冲击有效值;imax，Imax——设备允许的通过的极限电流峰值和有效值。(2)短路动稳定校验（b）对于母线，预先无法确定导体材料、形状和安装方式，因此，动稳定校验必须按应力公式进行应力计算和比较。短路电流通过导体时，其应力为：其中，M短路电流产生的力矩，与三相短路时导体最大电动力有关；W导体截面系数，与导体布置方式有关WMc=母线最大允许应力，硬铝为70MPa，硬铜140MPa振动系数，与母线共振频率有关，一般取1－1.44．开关类电气设备的断流能力校验对要求能开断短路电流的开关设备，如断路器、熔断器，其断流容量不小于安装处的最大三相短路容量，即：或式中：，三相最大短路电流与最大短路容量；，断路器的开断电流与开断容量。补充：（1）对于负荷开关，因为开断的是正常的负荷电流，所以，断流能力的校验采用计算电流和容量；（2）开断能力与操作机构有关，引入修正系数K，手动操作机构K=0.7，电动操作机构K=1电气设备选择的一般原则常用电气设备的选择及校验项目供配电系统中的各种电气设备由于工作原理和特性不同，选择及校验的项目也有所不同，常用高低压设备选择校验项目如下：电气设备选择的一般原则设备名称选择项目校验项目额定电压(kV)额定电流(A)装置类型(户内/户外)准确度级短路电流开断能力(kA)二次容量热稳定动稳定高压断路器√√√√√√高压负荷开关√√√√√√高压隔离开关√√√√√高压熔断器√√√√电流互感器√√√√√√√电压互感器√√√√母线√√√√电缆√√√支柱绝缘子√√√穿墙套管√√√√√电气设备选择的一般原则设备名称额定电压(V)额定电流(A)短路电流开断能力(kA)热稳定动稳定低压断路器√√（√）（√）√低压负荷开关√√（√）（√）√低压刀开关√√（√）（√）√低压熔断器√√√第二节高压开关电器的选择高压开关电器主要指高压断路器、高压熔断器、高压隔离开关和高压负荷开关。具体选择如下：1．根据使用环境和安装条件选择设备的型号2．按正常条件选择设备的额定电压和额定电流（调整）3．动稳定校验≥或≥4．热稳定校验≥5．开关电器断流能力校验KSoc≥Sk·max或K≥式中，Ioc、Soc为制造厂提供的最大开断电流和开断容量,K为修正系数（与操作机构有关）。一、高压断路器选择按高压断路器使用场合、环境条件来选择型号，常用的断路器类型主要有少油断路器、真空断路器、SF6断路器。一般工厂企业中常用少油型断路器，但由于真空断路器、SF6断路器技术特性比较好，少油断路器正逐渐被它们代替。然后再选择额定电压、额定电流值，最后校验动稳定、热稳定和断流容量。例5-1试选择某35KV变电所主变次总高压开关柜的高压断路器，已知变压器35/10.5kV,5000KVA,三相最大短路电流为3.35kA，冲击短路电流峰值为8.54kA，三相短路容量为60.9MVA，继电保护动作时间为1.1s。解：（1）初定型号：普通型，户内型，故选择户内少油断路器。（2）根据正常工作条件选择断路器型号：按变压器二次侧电压确定断路器额定电压为：10kV按变压器二次侧额定电流选择断路器的额定电流。查附录表，确定选用SN10-10I/630型少油断路器，采用CD型操作机构。（3）校验：由该附表查得其相关技术参数与安装地点的电气条件、计算选择结果列于下表，可见断路器的参数均大于装设地点的电气条件，选该型号断路器符合条件。表高压断路器选择校验表3.352×(1.1+0.2+0.05)=15.15kA2.StIoc二、高压隔离开关选择隔离开关不可以带电操作，因此不需要进行开断能力校验。只需要选择额定电压和额定电流，校验动稳定度和热稳定度。例5-2按例5-1所给的电气条件，选择柜内隔离开关。解：（1）初定型号：普通型，户内型，故选择GN6（或者GN8）型高压隔离开关；（2）根据正常工作条件选择高压隔离开关型号：按变压器二次侧电压确定高压隔离开关额定电压为：10kV按变压器二次侧额定电流275A，选择高压隔离开关的额定电流查附录表，确定选用GN6-10T/600高压隔离开关；（3）校验：由该附表查得其相关技术参数与安装地点的电气条件、计算选择结果列于下表，可见高压隔离开关的参数均大于装设地点的电气条件，选该型号隔离开关符合条件。表高压隔离开关选择校验表3.352×(1.1+0.2+0.05)=15.15kA2.S例试选择如图所示变压器10.5kV侧高压断路器QF和高压隔离开关QS。已知图中K点短路时I”=I∞=4.8kA,继电保护动作时间top=1S。拟采用快速开断的真空高压断路器，其断路时间toc=0.1S,采用弹簧操作机构。解：工作电流短路冲击电流峰值：断路器及隔离开关的选择结果计算数据ZN3-10I型断路器GN6-10型隔离开关工作电压10kV最大工作电流439.9A短路电流4.8kA短路电流冲击电流12.24kA热稳定性校验I∞2timar=4.82×1.15=26.5kA2s额定电压UN=10kV额定电流IN=630A额定开断电流IOFF=8kA极限过电流峰值imax=20kA热稳定值It2t=82×4=256kA2sUN=10kVIN=600A----imax=52kAIt2t=202×5=2000kA2s安秒特性熔体熔断时间与通过电流的关系，称为熔断器的安秒特性——又称保护特性熔体截面不同，其安秒特性也不同，曲线2是截面较大的熔体的安秒特性，它的额定电流较大。当通过同一电流I1时，截面较小的熔体熔断时间较短，故先熔断，因此，可以按照熔体的保护特性实现有选择地切断故障电流。熔断器的额定电流与熔体的额定电流是两个不同的值。三、高压熔断器的选择1．熔断器型号的选择•对于6~10kV变压器，凡容量在1000kVA及以下者，可采用熔断器作为变压器的短路及过载保护保护电力变压器（高压侧）的熔断器：户内熔断器选择RN1型,户外熔断器选择RW型。•保护电压互感器的熔断器型号的选择因为电压互感器二次侧电流很小，故选择RN2型专用熔断器作电压互感器短路保护，其熔体额定电流为0.5A2.额定电压选择对于—般的高压熔断器，其额定电压必须大于或等于电网的额定电压。对于充填石英砂具有限流作用的熔断器如RN型，则只能用在等于其额定电压的电网中，因为这种类型的熔断器能在电流达最大值之前就将电流截断，致使熔断器熔断时产生过电压。3．熔断器熔体额定电流选择：熔断器额定电流应大于或等于所装熔体额定电流，即式中：——熔断器额定电流（A）;——熔体额定电流（A）。选择时还应必须满足以下几个条件：（1）正常工作时熔断器的熔体不应熔断，要求熔体额定电流大于或等于通过熔体的最大工作电流：IN·FE≥Ic（2）在电动机启动时，熔断器的熔体在尖峰电流的作用下不应熔断。（3）对于6~10kV变压器，凡容量在1000kVA及以下者，可采用熔断器作为变压器的短路及过载保护，熔断器熔体额定电流应满足：IN•FE=(1.5~2.0)I1N•T其中：IN•FE——熔断器熔体额定电流；I1N•T——变压器一次绕组额定电流。（4）低压网络中用熔断器作为保护时，为了保证熔断器保护动作的选择性，一般要求上级熔断器的熔体额定电流比下级熔断器的熔体额定电流大两级以上。（5）应保证线路在过载或短路时，熔断器熔体未熔断前，导线或电缆不至于过热而损坏（与所保护线路的配合）。4．熔断器极限熔断电流或极限熔断容量的校验（1）对有限流作用的熔断器，由于它们会在短路电流到达冲击值之前熔断，因此可按下式校验断流能力：≥或≥式中：——熔断器极限熔断电流和容量；——熔断器安装处三相短路次暂态有效值和短路容量，无限大容量系统中即为三相短路电流Ik和三相短路容量Sk；（2）对无限流作用的熔断器，在产生电弧后电流继续升高，熔断器在短路电流到达冲击值之后再熔断，因此可按下式校验断流能力≥≥式中：、—熔断器安装处三相短路冲击电流有效值和短路容量；（3）对有断流容量上、下限值的熔断器（非限流型），其断流容量的上限值按上式(2)进行校验；其断流容量的下限值，在小电流接地系统中按下式校验：≤或≤式中：、—熔断器的断流电流和容量的下限值；、—最小运行方式下熔断器所保护线路末端两相短路电流的有效值和容量。5．熔断器保护灵敏度的校验为了保证熔断器在其保护范围内发生短路故障时能可靠地熔断，因此要求满足：≥(4