第6章 电气设备选择

发电厂电气主系统6-1■第六章电气设备选择第一节电气设备选择的一般条件第二节导体与电缆的选择第三节支柱绝缘子与穿墙套管的选择第四节高压断路器与隔离开关的选择第五节高压熔断器的选择第六节限流电抗器的选择第七节互感器的选择本章计划学时：10~12学时发电厂电气主系统6-2■第一节电气设备选择的一般条件一般条件：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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。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，所以正常电压要求是:1.1UN≥1.1UNs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发电厂电气主系统6-3■注意：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。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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。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，即发电厂电气主系统6-4■IN（或Ial）≥Imax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发电厂电气主系统6-5■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发电厂电气主系统6-6■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。由于电器使用的导体截面和材料为已知，它所能承受的最大短路电流热效应为已知，由热稳定电流及其通过时间来决定。电器的热稳定校验较简单，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）时间内允许通过的热稳定电流。发电厂电气主系统6-7■部分电气设备动稳定按应力和电动力校验。由于电器的结构,使用的导体材料和截面积为已知，它所能承受的最大电动力为已知，转化为电流校验动稳定更方便，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短路电流周期分量有效值；Ksh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。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。发电厂电气主系统6-8■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。少油断路器的燃弧时间ta为0.04~0.06s，SF6断路器的燃弧时间ta为0.02~0.04s。发电厂电气主系统6-9■4．短路电流计算条件（1）短路计算容量和接线：容量:应按本工程的设计规划容量计算，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）。接线:可能发生最大短路电流的正常接线方式。（2）短路种类：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，应选其前、后短路时，通过它的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。发电厂电气主系统6-10■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。发电厂电气主系统6-11■3）在同一电压等级中，汇流母线和无电源支路短路时，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。发电厂电气主系统6-12■第二节导体与电缆的选择一、导体的选择（一）导体材料、类型与布置方式选择1．导体的材料铜：电阻率低，机械强度高，耐腐蚀性比铝强，但储量少，价格高。铝：电阻率比铜高，机械强度低，耐腐蚀性较铜差，但储量高，价格低。一般优先采用铝导体，在工作电流大，地方狭窄的场所和对铝有严重腐蚀的地方可采用铜导体。2．导体的选型(1)常用硬导体的截面形状有矩形、槽形和管形。导体截面形状影响硬导体的散热、集肤效应系数和机械强度。发电厂电气主系统6-13■矩形导体广泛用于35kV及以下，工作电流不超过4000A的屋内配电装置中，例如，主母线，连接导体和变压器及小容量发电机的引出线母线。当单条导体的载流量不能满足要求时，每相可采用2~4条并列使用；槽形导体适用于35kV及以下，工作电流为4000~8000A的配电装置中，例如，100MW发电机的引出线母线；管形导体适用于8000A以上的大电流母线，例如，容量为200MW及以上的发电机引出线。对110kV及以上屋内外配电装置，采用硬母线时，应选用管形导体（防止电晕）。(2)常用的软导线有钢心铝绞线、组合导线、空心导线、扩径导线和分裂导线。钢心铝绞线适用于35kV及以上的屋外软母线；组合导线用于中小容量发电机和变压器的引出线；空心导线、扩径导线和分裂导线直径大，可以减小线路电抗、减小电晕损耗和对通讯的干扰，用于超高压母线和输电线路。220kV输电线路常采用两分裂导线。发电厂电气主系统6-14■发电厂电气主系统6-15■220kV管形母线发电厂电气主系统6-16■110kV软母线(LGJ)发电厂电气主系统6-17■离相封闭母线发电厂电气主系统6-18■3．导体的布置方式导体的布置方式常采用三相水平布置和三相垂直布置。（二）导体截面的选择1．按导体的长期发热允许电流选择截面。汇流母线及长度在20m以下的导体等，一般应按长期发热允许电流选择其截面，即Imax≤KIal图6-2b中矩形导体平放，机械强度较高，但散热条件较差；图6-2a中矩形导体竖放，散热条件好，载流量大，但机械强度较差；图6-2c为矩形导体三相垂直布置，它综合了图6-2a、b的优点。发电厂电气主系统6-19■0alalK2．按经济电流密度选择截面。按经济电流密度选择导体截面可以使年计算费用最小。除汇流母线、厂用电动机的电缆等外，年最大负荷利用时数较大，长度在20m以上的导体，如发电机和变压器引出线，其截面一般按经济电流密度选择。JISmaxImax——正常运行方式下导体的最大持续工作电流，计算时不考虑过负荷和事故时转移过来的负荷；J——经济电流密度，常用导体的J值，可根据最大负荷利用时数Tmax由图6-3查得。Imax——导体的最大持续工作电流，计算时一般需考虑过负荷和事故时转移过来的负荷。经济截面的计算：发电厂电气主系统6-20■图6-3经济电流密度1—变电所所用、工矿和电缆线路的铝纸绝缘铅包、铝包、塑料护套及各种铠装电缆2—铝矩形、槽形及组合导线3—火电厂厂用的铝纸绝缘铅包、铝包、塑料护套及各种铠装电缆4—35~220kV线路的LGJ、LGJQ型钢心铝绞线发电厂电气主系统6-21■按经济电流密度选择的导体截面应尽量接近计算的经济截面，当无合适规格的导体时，允许选用小于但接近经济截面的导体。按经济电流密度选择的导体截面还需要进行长期发热条件校验，此时计算Imax需考虑过负荷和事故时转移过来的负荷。由于汇流母线各段的工作电流大小不相同，且差别较大，故汇流母线不按经济电流密度选择截面。发电厂电气主系统6-22■（三）电晕电压校验导体的电晕放电会产生电能损耗、噪声、无线电干扰和金属腐蚀等不良影响。为了防止发生全面电晕，要求110kV及以上裸导体的电晕临界电压Ucr应大于其最高工作电压Umax，即maxrcUU在海拔不超过1000m的地区：下列情况可不进行电晕电压校验。1)110kV采用了不小于LGJ-70型钢心铝绞线和外径不小于φ20型管形导体时；2)220kV采用了不小于LGJ-300型钢心铝绞线和外径不小于φ30型的管形导体时。（四）热稳定校验发电厂电气主系统6-23■对于特定网络和短路切除时间，短路电流热效应Qk保持不变，利用上式，取短时最高允许温度θal计算短路终了时的A值得Ah，取短路前导体的工作温度θw计算短路开始时的A值得Aw，定义热稳定系数为whAAC此时C达到上限值，若计及集肤效应系数KS影响，可得到满足热稳定的导体最小截面为ifk21AAQSskskwhmin11KQCKQAAS显然，当所选导体截面S≥Smin时，由于短