電氣設備選擇課件

9.1電氣設備選擇的一般條件19.2高壓開關電器的選擇29.3互感器的選擇39.4支柱絕緣子和穿墻套管的選擇49.5母線和電纜的選擇59電氣設備選擇目錄1【知識目標】1．了解電器和載流導體的發(fā)熱及動力效應的計 算；2．掌握電氣設備的一般選擇條件和具體設備選 擇校驗的主要內容；3．掌握主要設備的選擇條件、方法和技巧?！灸芰δ繕恕?．能夠計算短時發(fā)熱；2．能夠對電力系統(tǒng)中的設備進行選擇和校驗。9電氣設備選擇2正確地選擇電氣設備是保證電力系統(tǒng)平安、經濟運行的重要條件之一。在進行電器的選擇時，應該根據實際情況，在保證平安、可靠的前提下積極穩(wěn)妥地采用新技術，并注意節(jié)省投資，合理選擇電氣設備。由于各種電氣設備和載流導體的用途與工作條件不完全相同，因此它們各自的選擇條件與方法也不完全相同，但是對它們在正常工作中的可靠性與短路時的穩(wěn)定性等根本要求是一致的，應選擇電氣設備的一般條件相同。9電氣設備選擇39.1電氣設備選擇的一般條件9.1電氣設備選擇的一般條件49.1.1.1短路電流的熱效應電器和載流導體中通過電流時，由于電器和載流導體存在著電阻，將會產生電阻損耗，將局部電能轉化為熱能，使電器和載流導體的溫度升高，這就是電流的熱效應。9.1.1電氣設備的長期與短時發(fā)熱9.1電氣設備選擇的一般條件5可用焦耳-楞次定律來計算其發(fā)熱量：式中I——通過的電流，A； t——電流作用的時間，s； R——交流電阻，如果為直流電路，那么為直 流電阻Rdc； Kf——集膚系數，其大小與電流的頻率、導體的形狀和尺寸有關，在大截面母線中，其影響往往不可忽略，而對于絞線和空心導線，通常都可以認為Kf=1?！睯〕(Ω)

〔9.1〕9.1電氣設備選擇的一般條件6這些熱能中的一局部使導體本身發(fā)熱，溫度升高，當溫度升高超過一定值后，將損壞電氣設備；另一局部熱能因溫差存在傳導，以輻射或對流方式散失到周圍介質中去。電器和載流導體過度發(fā)熱將會產生以下影響：〔1〕金屬材料的機械強度下降。當電氣設備使用溫度超過規(guī)定允許值后，金屬材料由于退火，機械強度將明顯降低。9.1電氣設備選擇的一般條件7〔2〕導體接觸局部的接觸電阻增加。在導體的接觸連接處，當溫度超過一定值時，接觸局部連接外表會強烈氧化，產生電阻率很高的氧化層〔銀的氧化層電阻不大〕，使接觸電阻增加，引起接觸局部溫度繼續(xù)升高，并將會產生惡性循環(huán)，可能導致接觸處松動或燒熔?！?〕絕緣材料的絕緣性能降低。有機絕緣材料長期受到高溫作用將逐漸變脆和老化，以致失去彈性和降低絕緣性能，使壽命大為縮短。9.1電氣設備選擇的一般條件8電器和載流導體主要有兩種發(fā)熱情況，即正常工作情況下的持續(xù)發(fā)熱和故障情況下的短時發(fā)熱。這兩種發(fā)熱過程是不相同的，因此對電器和載流導體有不同影響，在這兩種情況下的發(fā)熱也就有不同的標準。為了平安運行，必須對電器和載流導體在正常和故障情況下的發(fā)熱進行計算，并保證不超過相應的最高允許值。9.1電氣設備選擇的一般條件9根據有關規(guī)定：導體的正常最高允許溫度一般不得超過70℃；在計及太陽輻射〔日照〕的影響時，鋼芯鋁絞線及管形導體可按不超過80℃來考慮；當導體接觸處有鍍錫的可靠覆蓋層時，允許提高到85℃，當有銀的覆蓋層時，可提高到95℃。導體通過短路電流時，短路的最高允許溫度可高于正常最高允許溫度，對硬鋁及鋁錳合金可取200℃，硬銅可取300℃。9.1電氣設備選擇的一般條件109.1.1.2導體發(fā)熱的計算〔1〕正常情況下持續(xù)發(fā)熱的計算根據能量守恒定律，正常運行時電能損耗產生的熱量等于導體本身吸收的熱量加上導體散發(fā)的熱量。對于均勻導體，其持續(xù)發(fā)熱的熱平衡方程式是：式中I——通過導體的電流，A； R——已考慮了集膚系數的導體交流電阻， Ω； q——散熱系數，W/(m2·℃);〔9.2〕9.1電氣設備選擇的一般條件11 M——導體散熱外表積，m2； θ——導體溫度，℃； θj——周圍介質溫度，℃； m——導體質量，kg； c——導體比熱容，W·s/(kg·℃)。當發(fā)熱和散熱到達平衡時，導體穩(wěn)定于工作溫度θg，此時有：〔9.3〕9.1電氣設備選擇的一般條件12在規(guī)定散熱條件下，當周圍介質溫度為額定值θ0e〔我國現規(guī)定空氣溫度30℃、土壤溫度25℃為載流導體的額定介質溫度〕時，使導體工作溫度穩(wěn)定于長期發(fā)熱允許溫度θe的工作電流即為額定電流Ie,此時有：〔9.4〕9.1電氣設備選擇的一般條件13實際上，對于一定的載流導體，式〔9.3〕中Ie、θe、θ0e等都是量，故工程中的發(fā)熱計算通常集中為以下兩個問題：①周圍介質溫度θ0和工作電流Ig，求導體工作溫度θg；②當周圍介質溫度θ0不等于額定介質溫度θ0e時，求導體允許的工作電流Iy,即修正額定電流。9.1電氣設備選擇的一般條件14用式〔9.3〕除以式〔9.4〕得：在式〔9.5〕中，假設周圍介質溫度θ0不等于額定值θ0e，那么導體允許的長期工作電流Iy〔簡稱載流量〕便不為Ie，此時有：〔9.5〕〔9.6〕9.1電氣設備選擇的一般條件15用式〔9.6〕除以式〔9.4〕得：式中Ky——導體載流量的溫度修正系數，可查附 錄九得到?！?.7〕9.1電氣設備選擇的一般條件16〔2〕故障情況下的短時發(fā)熱短時發(fā)熱是指不超過十幾秒的短路電流的發(fā)熱。短時發(fā)熱的電流大，發(fā)熱功率更大，而散熱功率相對較小，可以忽略。因此，短時發(fā)熱可認為是一絕熱過程，導體的發(fā)熱全部變換為導體的內能，即：式中id——短路電流的瞬時值?！?.8〕9.1電氣設備選擇的一般條件17短路時，由于導體溫度的變化范圍很大，這時，其電阻Rθ和比熱容Cθ都不是常數，兩者隨溫度變化的關系式是：

式中ρ0——溫度為0℃時導體電阻率，Ω； C0——溫度為0℃時導體的比熱容， W·s/(kg·℃)； α——導體電阻溫度系數，1/℃； β——導體比熱容溫度系數，1/℃； l——導體長度，m； S——導體截面積，m2。)1(0CC+=bqq)1(0+=SlRaqrq〔9.9〕9.1電氣設備選擇的一般條件18也即是：對其進行整理得：對其兩邊積分整理得：式中Qzt——短路電流周期分量在t秒內的熱效應； Qfzt——短路電流非周期分量在t秒內的熱效應?！?.11〕〔9.12〕〔9.10〕9.1電氣設備選擇的一般條件19其中，周期分量可以有兩種方法進行計算：一種是利用近似數值積分法〔也稱為1-10-1公式〕計算，即：此法適用于大容量的發(fā)電機〔大于50MW〕的情況。另一種是利用發(fā)熱等值時間法計算，即：〔9.13〕〔9.14〕9.1電氣設備選擇的一般條件20其含義是短路電流周期分量在短路電流作用時間內的熱效應，與穩(wěn)態(tài)短路電流在短路周期分量發(fā)熱等值時間〔假想〕內的熱效應相同，即：令 ，那么:由此可見， 。按照具有自動電壓調節(jié)器的發(fā)電機組的平均運算曲線，可以繪出 曲線族，如圖9.1所示?！?.16〕〔9.15〕9.1電氣設備選擇的一般條件21圖9.1具有自動電壓調節(jié)器的發(fā)電機短路電流周期分量發(fā)熱等值時間9.1電氣設備選擇的一般條件22當β″、t時，即可由曲線查得tjz。此曲線只繪至t=5s。當t>5s時，可以認為在5s以后的時間內，短路電流維持在I∞不再變化，故t>5s時發(fā)熱等值時間為:系統(tǒng)為無限大電源時，短路電流的周期分量不衰減，所以其發(fā)熱等值時間為：短路電流非周期分量在t秒內的熱效應計算公式為：〔9.18〕〔9.19〕〔9.17〕9.1電氣設備選擇的一般條件23其中Tfi為不同短路點的等效時間常數。通常取各支路中最大的Tfi作為等效時間常數。表9.1列出了不同短路點的等效時間常數推薦值。短路點（s）汽輪發(fā)電機端0.25水輪發(fā)電機端0.19高壓側母線主變容量>100MV●A0.13主變容量=40～100MV●A0.11遠離發(fā)電廠處0.05表9.1不同短路點等效時間常數Tfi的推薦值9.1電氣設備選擇的一般條件24電動力效應是指載流導體之間的磁場相互作用產生電動力。載流導體間的作用大小可用畢奧沙瓦定律計算，即作用于長度為l，通過電流為I，并位于磁感應強度為B、與該磁場的磁力線方向成φ角的載流導體上的電動力F為：9.1.2電器和載流體的電動力效應〔9.20〕9.1電氣設備選擇的一般條件25短路電流所產生的電動力將會產生很大的危害，具體表現在：〔1〕電器的載流局部可能因為電動力而振動，或者因電動力所產生的應力大于電器和導體的材料允許應力而變形，甚至損壞。〔2〕電氣設備的電磁繞組受到巨大的電動力作用，可能使繞組變形或損壞?！?〕使觸頭瞬間解除接觸壓力，甚至發(fā)生斥開現象，引發(fā)設備故障。電氣設備耐受短路電流電動力的能力稱為電動力的穩(wěn)定性，簡稱動穩(wěn)。9.1電氣設備選擇的一般條件269.1.2.1兩根平行導體之間的電動力當兩根平行導體的電流方向相反時，兩根導體之間將產生斥力；當兩根平行導體的電流方向相同時，兩根導體之間將產生吸力。其導體之間的作用力可以表示為：式中i1、i2——通過平行導體的電流，A； l——該段導體的長度，m； a——平行導體軸線間的距離，m?！?.21〕9.1電氣設備選擇的一般條件27有時，兩根平行導體間的間距并不比導體的幾何尺寸大很多，按式〔9.21〕計算將產生很大的誤差。在工程設計中，可以用形狀系數K來修正。對于截面不是很大的圓形截面，K=1；矩形截面的形狀系數可查圖9.2?！?.22〕9.1電氣設備選擇的一般條件28圖9.2決定矩形界面母線形狀系數的曲線9.1電氣設備選擇的一般條件299.1.2.2三相系統(tǒng)中導體間的電動力在三相系統(tǒng)中，作用于每相導體上的電動力，由該導體中的電流和其他兩相導體中電流所產生的相互作用力來決定。最大沖擊力發(fā)生在短路后0.01s，且以中間相受力最大。三相系統(tǒng)三相短路時電動力的最大瞬時值Fmax為：可以以式〔9.23〕作為校驗母線電動力穩(wěn)定性的依據。〔9.23〕9.1電氣設備選擇的一般條件30計入振動系數后，水平放置在同一平面內的三相交流系統(tǒng)的母線，其最大作用力是：式中β——母線系統(tǒng)的振動系數。在進行母線機械強度計算時，可認為母線是一端固定、受均勻荷載作用的多跨距連距梁。在這種情況下，作用于母線上的最大彎矩Mmax為：〔9.25〕〔9.24〕9.1電氣設備選擇的一般條件31式中l(wèi)ju——相鄰兩個支柱絕緣子間的跨距，m。其最大計算應力σmax為：式中W——母線的截面系數，m3，其值與母線的截面形狀及布置形式有關，可查相關手冊得到?！?.26〕9.1電氣設備選擇的一般條件32假設母線最大計算應力σmax≤σxu，那么可認為短路時，母線在電動力作用下是穩(wěn)定的。各種材料的最大允許應力σxu如表9.2所示。對于電器設備，制造廠提供了滿足電動力穩(wěn)定條件的電流峰值igf，并要求保證 。最大允許應力Kgf/cm硬母線材料Pa銅1400鋁700鋼1600表9.2各種材料的最大允許應力9.1電氣設備選擇的一般條件33〔1〕力求技術先進，平安閑用，經濟合理；〔2〕應滿足正常運行、檢修、短路和過電壓情況下的要求，并考慮遠景開展規(guī)劃〔5~10年〕；〔3〕應按當地環(huán)境條件校驗；〔4〕應與整個工程的建設標準協(xié)調一致；〔5〕選擇導體的品種不宜太多；〔6〕選擇新產品應積極謹慎，新產品應有可靠的試驗數據，并經主管單位鑒定合格。9.1.3電氣設備選擇的一般原則9.1電氣設備選擇的一般條件34為了保障高壓電氣設備的可靠平安運行，電氣設備選擇的一般條件有：按正常工作條件〔包括電壓、電流等〕進行選擇；按環(huán)境工作條件〔如溫度、濕度、海拔等〕校驗；按短路條件〔包括動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定〕校驗。由于各種高壓電氣設備具有不同的性能特點，因此其選擇與校驗條件也不盡相同。高壓電氣設備的選擇與校驗工程見表9.3。9.1.4電氣設備選擇的一般條件9.1電氣設備選擇的一般條件35設備名稱額定電壓額定電流開斷能力短路電流校驗環(huán)境條件其它動穩(wěn)定熱穩(wěn)定斷路器√√√○○○操作性能負荷開關√√√○○○操作性能隔離開關√√○○○操作性能熔斷器√√√○上、下級間配合電流互感器√√○○○電壓互感器√○二次負荷、準確等級支柱絕緣字√○○二次負荷、準確等級穿墻套管√√○○○母線√○○○電纜√√○○表9.3高壓電氣設備的選擇與校驗工程注：表中“√〞為選擇工程，“○〞為校驗工程9.1電氣設備選擇的一般條件369.1.4.1按正常工作條件選擇電器〔1〕額定電壓和最高工作電壓因調壓和負荷的變化，電器所在電網的運行電壓常高于電網的額定電壓，故所選電器的允許最高工作電壓Uymax不得低于所接電網的最高運行電壓Ugmax，即：一般電氣設備允許的最高工作電壓可達1.1~1.15UN，而實際電網的最高運行電壓Uymax一般不超過1.1Uew。Uymax≥Ugmax〔9.27〕9.1電氣設備選擇的一般條件37在選擇電器時，一般可按照電器的額定電壓Ue不低于裝置地點電網額定電壓Uew的條件選擇，即：〔2〕額定電流電氣設備的額定電流Ie是指在額定周圍環(huán)境溫度化下，電氣設備的長期允許電流。Ie應不小于該回路在各種合理運行方式下的最大持續(xù)工作電流Igmax，即：Ue≥Uew

Ie≥Igmax

〔9.28〕〔9.29〕9.1電氣設備選擇的一般條件38計算時有以下幾個應注意的問題：①由于發(fā)電機、調相機和變壓器在電壓降低5%時出力保持不變，故其相應回路的Igmax為發(fā)電機、調相機或變壓器的額定電流的1.05倍；②假設變壓器有過負荷運行可能時，Igmax應按過負荷〔1.3~2倍變壓器額定電流〕確定；③對于母聯斷路器回路，一般可取母線上最大一臺發(fā)電機或變壓器的Igmax；④出線回路的Igmax除考慮正常負荷電流〔包括線路損耗〕外，還應考慮事故時由其他回路轉移過來的負荷。9.1電氣設備選擇的一般條件39〔3〕按環(huán)境工作條件校驗在選擇電氣設備時，還應考慮電氣設備安裝地點的環(huán)境條件，當氣溫、風速、溫度、污穢等級、海拔高度、地震烈度和覆冰厚度等環(huán)境條件超過一般電氣設備使用條件時，應采取措施。例如，當地區(qū)海拔超過規(guī)定值時，由于大氣壓力、空氣密度和濕度相應減少，會使空氣間隙和外絕緣的放電特性下降。一般當海拔在1000~3500m時，海拔每升高100m，那么電氣設備的允許最高工作電壓要下降1%。當最高工作電壓不能滿足要求時，應采用高原型電氣設備，或采用外絕緣提高一級的產品。對于110kV及以下電氣設備，其外絕緣裕度較大，可在海拔2000m以下使用。9.1電氣設備選擇的一般條件40當污穢等級超過使用規(guī)定時，可選用有利于防污的電瓷產品，當經濟上合理時可采用屋內配電裝置。當周圍環(huán)境溫度θ0和電氣設備額定環(huán)境溫度不等時，其長期允許工作電流應乘以修正系數K，即：式中K——修正系數； θmax——導體或電氣設備正常發(fā)熱時的允許最高溫度，當導體用螺栓連接時，θmax=70℃?！?.30〕9.1電氣設備選擇的一般條件41我國目前生產的電氣設備使用的額定環(huán)境溫度θN=40℃。當周圍環(huán)境溫度θ0高于40℃〔但低于60℃〕時，其允許電流一般可按每增高1℃、額定電流減少1.8%進行修正；當環(huán)境溫度低于40℃時，環(huán)境溫度每降低1℃，額定電流可增加0.5%，但其最大電流不得超過額定電流20%。9.1電氣設備選擇的一般條件429.1.4.2按短路條件校驗短路電流通過電器時，會引起電器溫度升高，并產生巨大的電動力。通過電器的短路電流越大、時間越長，電器所受到的影響越嚴重。校驗電器和載流導體的熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定應考慮其最嚴重的情況。〔1〕短路熱穩(wěn)定校驗短路電流通過電氣設備時，電氣設備各部件溫度〔或發(fā)熱效應〕應不超過允許值。9.1電氣設備選擇的一般條件43滿足熱穩(wěn)定的條件為：式中Ir——由生產廠給出的電氣設備在時間t秒內 的熱穩(wěn)定電流，kA； I∞——短路穩(wěn)態(tài)電流值，kA； t——與It相對應的時間，s； tdz——短路電流熱效應等值計算時間，s。Qr≥Qd〔9.31〕9.1電氣設備選擇的一般條件44〔2〕電動力穩(wěn)定校驗電動力穩(wěn)定是電氣設備承受短路電流機械效應的能力，也稱動穩(wěn)定。滿足動穩(wěn)定的條件為：或式中ich、Ich——短路沖擊電流幅值及其有效值， kA； idw、Idw——電氣設備允許通過的動穩(wěn)定電流的幅值及其有效值，kA?！?.32〕〔9.33〕9.1電氣設備選擇的一般條件45以下幾種情況可不校驗熱穩(wěn)定或動穩(wěn)定：①用熔斷器保護的電器，其熱穩(wěn)定由熔斷時間保證，故可不校驗熱穩(wěn)定。②采用限流熔斷器保護的設備，可不校驗動穩(wěn)定。③裝設在電壓互感器回路中的裸導體和電氣設備可不校驗動、熱穩(wěn)定。9.1電氣設備選擇的一般條件46〔3〕短路電流計算條件為使所選電氣設備具有足夠的可靠性、經濟性和合理性，并在一定時期內適應電力系統(tǒng)開展的需要，作校驗用的短路電流應按以下條件確定：①容量和接線按工程設計最終容量計算，并考慮電力系統(tǒng)遠景開展規(guī)劃〔一般為工程建成后5~10年〕；其接線應采用可能發(fā)生最大短路電流的正常接線方式，但不考慮在切換過程中可能短時并列的接線方式〔如切換廠用變壓器時的并列〕。9.1電氣設備選擇的一般條件47②短路種類一般按三相短路驗算，假設其他種類短路較三相短路嚴重時，那么應按最嚴重的情況驗算。③計算短路點時，選擇通過電器的短路電流為最大的那些點為短路計算點。9.1電氣設備選擇的一般條件48下面以圖9.3所示電路為例來計算短路電路。圖9.3短路計算例如9.1電氣設備選擇的一般條件49①發(fā)電機、變壓器回路的斷路器。應比較斷路器前、后短路時通過斷路器的短路電流值，擇其較大者為短路計算點。②母聯斷路器。應考慮當母聯斷路器向備用母線充電時，備用母線故障，即K4點短路，此時，全部短路電流IG1＋IG2＋IT流過母聯斷路器QF及匯流母線。③帶電抗器的出線回路。在母線和母線隔離開關隔板前的母線引線及套管應按電抗器前K7點短路選擇。由于干式電抗器工作可靠性較高，且電器間的連線都很短，故障幾率小，故隔板后的導體和電器一般可按電抗器后即K8點為計算短路點，這樣出線可選用輕型斷路器，有利于節(jié)約投資。9.1電氣設備選擇的一般條件50〔4〕短路計算時間校驗熱穩(wěn)定的短路計算時間為繼電保護動作時間tpr和相應斷路器的全開斷時間tab之和，即：式中tkd——斷路器全開斷時間，s； tb——保護動作時間，s； tgf——斷路器固有分閘時間，可查附錄三高壓斷路器的技術參數得到； th——斷路器開斷時電弧持續(xù)時間，對少油斷路器為0.04~0.06s，對SF6和壓縮空氣斷路器為0.02~0.04s。tdz=tb+tkdtkd=tgf+th

〔9.34〕9.1電氣設備選擇的一般條件51當驗算裸導體及110kV以下電纜短路熱穩(wěn)定時，一般采用主保護動作時間，如果主保護有死區(qū)，那么用后備保護動作時間；當驗算電器及110kV以上電纜短路熱穩(wěn)定時，一般采用后備保護動作時間。開斷電器應能在最嚴重的情況下開斷短路電流，故電器的開斷計算時間tkd應為主保護時間tpr1和斷路器固有分閘時間tgf之和，即：tkd=tpr1+tgf

〔9.35〕9.1電氣設備選擇的一般條件529.2高壓開關電器的選擇9.2高壓開關電器的選擇53高壓斷路器、隔離開關及高壓熔斷器的選擇校驗工程如表9.4所示。表9.4高壓斷路器、隔離開關及高壓熔斷器的選擇校驗工程表9.2高壓開關電器的選擇54〔1〕斷路器種類和型式的選擇應根據高壓斷路器的安裝地點、環(huán)境和使用條件等要求選擇其種類和型式。高壓斷路器的操動機構大多數是由制造廠配套供給的，僅有局部少油斷路器有電磁式、彈簧式或液壓式等幾種型式的操動機構可供選擇。9.2.1高壓斷路器的選擇9.2高壓開關電器的選擇55一般電磁式操動機構需配專用的直流合閘電源，但其結構簡單可靠；彈簧式操動機構結構比較復雜，調整要求較高；液壓操動機構加工精度要求較高。操動機構的型式，可根據安裝調試是否方便及其運行可靠性進行選擇。9.2高壓開關電器的選擇56〔2〕額定電壓的選擇高壓斷路器的額定電壓不低于安裝處電網額定電壓，即： Ue≥Uew〔3〕額定電流的選擇斷路器額定電流不小于該回路最大持續(xù)工作電流，即: Ie≥Igmax〔9.36〕〔9.37〕9.2高壓開關電器的選擇57〔4〕額定開斷電流的選擇在額定電壓下，斷路器能保證正常開斷的最大短路電流稱為額定開斷電流。高壓斷路器的額定開斷電流Iekd不應小于實際開斷瞬間的短路電流周期分量Iz，即： Iekd＞Iz式中Iz——高壓斷路器觸頭實際開斷瞬間的短路 電流周期分量有效值。當斷路器的額定開斷電流較系統(tǒng)的短路電流大很多時，為了簡化計算，也可按次暫態(tài)電流進行選擇，即Iekd＞I″?！?.38〕9.2高壓開關電器的選擇58〔5〕關合電流的選擇在斷路器合閘之前，假設線路上已經存在短路故障，那么在斷路器合閘過程中，動、靜觸頭間在未接觸時即有巨大的短路電流通過〔預擊穿〕，容易發(fā)生觸頭熔焊和遭受電動力的損壞。且斷路器在關合短路電流時，不可防止地會在接通后自動跳閘，因此還要求斷路器能夠切斷短路電流，因此，額定關合電流是斷路器的重要參數之一。為了保證斷路器在關合短路電流時的平安，斷路器的額定關合電流ieg不應小于短路電流最大沖擊值ich，即：ieg≥ich〔9.39〕一般斷路器額定關合電流igh不會大于額定動穩(wěn)定電流idw，因此igh≥ich，那么此時idw≥ich。9.2高壓開關電器的選擇59〔6〕熱穩(wěn)定校驗滿足熱穩(wěn)定的條件為： I2rt≥Qd 〔9.40〕或者： 〔7〕動穩(wěn)定校驗滿足動穩(wěn)定的條件為： idw≥ich 〔9.42〕≥〔9.41〕9.2高壓開關電器的選擇60隔離開關的選擇及校驗條件除額定電壓、額定電流、熱穩(wěn)定及動穩(wěn)定校驗外，還應注意其種類和形式的選擇，尤其是戶外式隔離開關的型式較多，對配電裝置的布置和占地面積影響很大，因此其型式應根據配電裝置的特點和要求以及技術經濟條件來確定，如表9.5所示。9.2.2隔離開關的選擇9.2高壓開關電器的選擇61表9.5隔離開關選型參考表9.2高壓開關電器的選擇62【例9.1】如圖9.4所示降壓變電站中的一臺變壓器，其容量為7500kV·A，其短路電壓百分值為Ud%=7.5，二次母線電壓為10kV，變電所由無限大容量系統(tǒng)供電，二次母線上短路電流為I″=I∞=5.5kA。作用于高壓斷路器的定時限保護裝置的動作時限為1s，瞬時動作的保護裝置的動作時限為0.05s，擬采用高速動作的高壓斷路器，其固有開斷時間為0.05s，滅弧時間為0.05s，斷路器全開斷時間那么為tkd=0.05+0.05=0.1(s)，試選擇高壓斷路器與隔離開關。9.2高壓開關電器的選擇63圖9.4例9.1圖9.2高壓開關電器的選擇64負荷開關能開斷過負荷電流，也能關合一定的短路電流，但不能開斷短路電流。它常與高壓熔斷器串聯使用，或在小容量范圍內代替斷路器使用。有的負荷開關已與熔斷器組裝成一體，有的那么分立，但負荷開關本體的選擇條件是一樣的。其開斷能力校驗為：式中Ifmax——最大負荷電流。9.2.3負荷開關的選擇Iekd≥Ifmax

〔9.43〕9.2高壓開關電器的選擇65負荷開關的動穩(wěn)定校驗與串聯熔斷器類型有關。因一般串聯限流型熔斷器熔斷過程幾乎不出現非周期分量，故校驗條件為：式中idw——負荷開關按動穩(wěn)定要求允許通過的最大峰值電流。由于電路受本級熔斷器保護，負荷開關不需要校驗熱穩(wěn)定。idw≥

〔9.44〕9.2高壓開關電器的選擇66高壓熔斷器按型式、額定電壓、額定電流、開斷電流和選擇性等項來選擇和校驗?！?〕高壓熔斷器型式的選擇①戶內式熔斷器用作保護電壓互感器的選擇RN6或RN2型；保護配電變壓器、電力電容器或配電線路的選擇RN5、RN3或RN1型。它們均有6kV、10kV和35kV等電壓等級，都屬于限流型。9.2.4高壓熔斷器的選擇9.2高壓開關電器的選擇67②戶外熔斷器的型式取決于電壓等級。6~10kV可選擇RW7、RW4、RW3和防污的RW11型，它們都是跌落式、非限流型，用于保護配電變壓器和配電線路等。35kV系統(tǒng)可選用RW5-35、RXW0-35等型。前一種是跌落式、非限流型，用于保護配電變壓器和線路。后一種為非跌落式、限流型，用以替代RW2-35型老產品，既可用于保護配電變壓器等，也可選用0.5A熔體保護35kV電壓互感器。9.2高壓開關電器的選擇68〔2〕高壓熔斷器額定電壓的選擇對于一般的高壓熔斷器，其額定電壓Ue必須大于或等于電網的額定電壓Uew。但是對于充填石英砂有限流作用的熔斷器，那么不宜使用在低于熔斷器額定電壓的電網中。這是因為限流式熔斷器滅弧能力很強，在短路電流到達最大值之前就將電流截斷，致使熔體熔斷時因截流而產生過電壓，其過電壓倍數與電路參數及熔體長度有關，一般在Uew=Ue的電網中，過電壓倍數2~2.5倍相電壓，不會超過電網中電氣設備的絕緣水平，但如果在Uew<Ue的電網中，因熔體較長，過電壓值可達3.5~4倍相電壓，可能損害電網中的電氣設備。9.2高壓開關電器的選擇69〔3〕高壓熔斷器額定電流的選擇高壓熔斷器的額定電流選擇，包括熔管的額定電流和熔體的額定電流的選擇。①熔管額定電流的選擇，為了保證熔斷器載流及接觸局部不致過熱和損壞，高壓熔斷器的熔管額定電流應滿足的要求為：式中IeRg——熔管的額定電流； IeRt——熔體的額定電流。

IeRg≥IeRt

〔9.45〕9.2高壓開關電器的選擇70②熔體額定電流的選擇，選擇熔體的額定電流的條件是：式中Igmax——電力變壓器回路最大工作電流； K——熔體的可靠系數。保護電力變壓器時，假設無電動機自啟動，只需承受變壓器沖擊升壓時的勵磁涌流，可取K=1.1~1.3；需要考慮電動機自啟動時，取K=1.5~2；用于保護電容器時，考慮因電網電壓波動或波形畸變而引起的電容涌流，對限流熔斷器可取K=1.5~2〔一臺電容器〕或K=1.3~1.8〔一組電容器〕，對跌落式熔斷器可取K=1.2~1.3。專用于保護電壓互感器的熔斷器，其熔體額定電流均為0.5A。

IeRt=KIgmax

〔9.46〕9.2高壓開關電器的選擇71〔4〕高壓熔斷器開斷電流校驗高壓熔斷器開斷電流校驗的公式為： Iekd≥Ich〔或I″〕〔9.47〕式中Iekd——熔斷器的額定開斷電流。對于沒有限流作用的熔斷器，選擇時用沖擊電流的有效值Ich進行校驗；對于有限流作用的熔斷器，在電流達最大值之前已截斷，故可不計非周期分量影響，而采用I″進行校驗。對于保護電壓互感器用的高壓熔斷器，只需按額定電壓及斷流容量兩項進行選擇。9.2高壓開關電器的選擇72〔5〕高壓熔斷器選擇性校驗為了保證前、后兩級熔斷器之間或熔斷器與電源〔或負荷〕保護裝置之間動作的選擇性，應進行熔體選擇性校驗。各種型號熔斷器的熔體熔斷時間可從制造廠商提供的安秒特性曲線上查出。如圖9.5所示為兩個不同熔體的安秒特性曲線〔Iefs1<Iefs2〕，同一電流同時通過此二熔體時，熔體1先熔斷。因此，為了保證動作的選擇性，前一級熔體應采用熔體1，后一級熔體應采用熔體2。熔斷器不需校驗動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定，只需滿足了開斷條件就可以了。9.2高壓開關電器的選擇73圖9.5不同熔體的安秒特性曲線9.2高壓開關電器的選擇749.3互感器的選擇9.3互感器的選擇75〔1〕電流互感器一次回路額定電壓和電流的選擇電流互感器一次回路額定電壓和電流選擇應滿足：式中Ue1、Ie1——電流互感器一次額定電壓和電流； Uew——電流互感器所在電網的額定電壓； Igmax——電流互感器一次回路的最大工作電流。為了確保所供儀表的準確度，互感器的一次側額定電流應盡可能與最大工作電流接近。9.3.1電流互感器的選擇

Ie1≥Igmax

Ue1≥Uew

〔9.48〕9.3互感器的選擇76〔2〕二次額定電流的選擇電流互感器的二次額定電流有5A和1A兩種，一般強電系統(tǒng)用5A，弱電系統(tǒng)用1A。當一次電流較小〔在400A及以下〕時，宜優(yōu)先采用一次繞組多匝式，以提高準確度；當采用弱電控制系統(tǒng)或配電裝置〔如超高壓配電裝置〕且距離控制室較遠時，為能減小電纜截面，提高帶二次負荷能力及準確度等級，二次額定電流應盡量采用1A。9.3互感器的選擇77〔3〕電流互感器種類和型式的選擇在選擇互感器時，應根據安裝地點〔如屋內、屋外〕和安裝方式〔如穿墻式、支持式、裝入式等〕選擇相適應的類別和型式。選用母線型電流互感器時，應注意校核窗口尺寸。9.3互感器的選擇78〔4〕電流互感器準確度等級的選擇為保證測量儀表的準確度，互感器的準確度等級不得低于所供測量儀表的準確度等級。例如，裝于重要回路〔如發(fā)電機、調相機、變壓器、廠用饋線、出線等〕中的電能表和計費的電能表一般采用0.5~1級，相應的互感器的準確度等級不應低于0.5級；對測量精度要求較高的大容量發(fā)電機、變壓器、系統(tǒng)干線和500kV級宜用0.2級；供運行監(jiān)視、估算電能的電能表和控制盤上的儀表一般用1~1.5級的，相應的電流互感器應為0.5~1級；只需估計電參數儀表的互感器可用3級。當所供儀表要求不同準確度等級時，應按相應最高級別來確定電流互感器的準確度等級。9.3互感器的選擇79〔5〕二次容量或二次負載的校驗為了保證互感器的準確度等級，互感器二次側所接實際負載Z2l或所消耗的實際容量S2應不大于該準確度等級所規(guī)定的額定負載ZN2或額定容量SN2〔ZN2及SN2均可從產品樣本或附錄五查到〕，即：或式中Rm、Rr——電流互感器二次回路中所接儀表內阻的總和與所接繼電器內阻的總和，可由產品樣本或附錄八中查得；SN2≥S2=IN22Z2l

ZN2≥Z2l≈Rwi+Rtou+Rm+Rr〔9.49〕〔9.50〕9.3互感器的選擇80Rwi——電流互感器二次連接導線的電阻；Rtou——電流互感器二次連線的接觸電阻，一般 取為0.1Ω。將式〔9.50〕代入式〔9.49〕并整理得：因為 ，所以：式中A、lca——電流互感器二次回路連接導線的截面積〔mm2〕及計算長度〔mm〕。Rwi≤

A≥

A=

〔9.52〕〔9.51〕9.3互感器的選擇81按規(guī)程要求，連接導線應采用不得小于1.5mm2的銅線，實際工作中常取2.5mm2的銅線。當截面選定之后，即可計算出連接導線的電阻Rwi。有時也可先初選電流互感器，在其二次側連接的儀表及繼電器型號的情況下，利用式〔9.52〕確定連接導線的截面積。但須指出，只用一只電流互感器時電阻的計算長度應取連接長度的2倍。如果用三只電流互感器接成完全星形接線時，由于中線電流近于零，那么電阻的計算長度為連接長度。9.3互感器的選擇82假設用兩只電流互感器接成不完全星形接線時，其二次公用線中的電流為兩相電流的向量和，其值與相電流相等，但相位差為60°，故應取連接長度的3倍為電阻的計算長度，如圖9.6所示。圖9.6互感器二次側導線截面的計算〔a〕單相接線；〔b〕星形接線；〔c〕不完全星形接線9.3互感器的選擇83〔6〕熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定校驗①電流互感器的熱穩(wěn)定校驗一般只對本身帶有一次回路導體的電流互感器進行熱穩(wěn)定校驗。電流互感器熱穩(wěn)定能力常以1s允許通過的一次額定電流Ie1的倍數Kh來表示，故熱穩(wěn)定應按下式校驗：式中Kh、Ie1——由生產廠給出的電流互感器的熱 穩(wěn)定倍數及一次側額定電流； I∞、tdz——短路時的穩(wěn)態(tài)電流值及熱效應等 值計算時間?！睰hIe1〕2≥I∞2tdz〔9.53〕9.3互感器的選擇84②電流互感器的動穩(wěn)定校驗電流互感器內部動穩(wěn)定能力，常以允許通過的一次額定電流最大值的倍數kmo，即動穩(wěn)定電流倍數表示。故內部動穩(wěn)定可用下式校驗：式中Kmo、Ie1——由生產廠給出的電流互感器 的動穩(wěn)定倍數及一次側額定電 流； ich——故障時可能通過電流互感器的 最大三相短路電流沖擊值。KmoIe1≥ich

〔9.54〕9.3互感器的選擇85由于鄰相之間電流的相互作用，使電流互感器絕緣瓷帽上受到外力的作用，因此，對于瓷絕緣型電流互感器應校驗瓷套管的機械強度。瓷套上的作用力可由一般電動力公式計算，故外部動穩(wěn)定應滿足：式中Fal——作用于電流互感器瓷帽端部的允許應 力； l——電流互感器出線端至最近一個母線支 柱絕緣子之間的跨距。式〔9.55〕中的系數0.5表示互感器瓷套端部承受該跨上電動力的一半。Fal≥0.5×1.73×10-7ich2

〔N〕〔9.55〕9.3互感器的選擇86【例9.2】試就【例9.1】中的條件，選擇圖9.4所示的電流互感器。擬將電流互感器裝在JYN2-10型高壓開關柜內，并選取兩個鐵芯級的互感器，其中一個供儀表用，其所接儀表的電路和儀表參數如圖9.7所示；另一個供繼電保護用。其中5m代表連接導線的長度。圖9.7例9.2圖9.3互感器的選擇879.3.2.1電壓互感器一次回路額定電壓的選擇為了確保電壓互感器平安和在規(guī)定的準確度等級下運行，電壓互感器一次繞組所接電力網電壓應在〔0.9~1.1〕Ue1范圍內變動，即滿足以下條件： 式中Ue1——電壓互感器一次側額定電壓。選擇e1時，滿足Ue1=Uew即可。1.1Ue1>Uew>0.9Ue1〔9.56〕9.3.2電壓互感器的選擇9.3互感器的選擇889.3.2.2電壓互感器二次側額定電壓的選擇電壓互感器二次側額定線間電壓為100V，應和所接用的儀表或繼電器相適應，如表9.7所示。表9.7電壓互感器二次繞組額定電壓選擇注：J*指中性點直接接地系統(tǒng)。9.3互感器的選擇899.3.2.3電壓互感器種類和型式的選擇電壓互感器的種類和型式應根據裝設地點和使用條件進行選擇，例如，在6k~35kV屋內配電裝置中，一般采用油浸式或澆注式電壓互感器；110~220kV的配電裝置中通常采用串級式電磁式電壓互感器；220kV及其以上的配電裝置中，當容量和準確度等級滿足要求時，一般采用電容式電壓互感器。9.3互感器的選擇90根據配置的地點和用途不同，電壓互感器的選型可以概括為：①接于線路外側專用于同期的，選用一只單相電壓互感器，為同期回路提供外側100V二次額定電壓；②3000kW以下小型發(fā)電機機端應裝兩個單相雙繞組電壓互感器，并接成V/V接線，提供三相線電壓；③每段匯流母線、每個橋接點、主變線路單元的線路側以及3000kW以上的發(fā)電機均應選擇三繞組電壓互感器。9.3互感器的選擇919.3.2.4按準確度等級和額定二次容量的選擇一般供功率測量、電能測量以及功率方向保護用的電壓互感器應選擇0.5級或1級的，只供估計被測值的儀表和一般電壓繼電器的選用3級電壓互感器為宜。9.3互感器的選擇92電壓互感器的額定二次容量〔對應于所要求的準確度等級〕SN2，應不小于電壓互感器的二次負荷S2，即：式中S0、P0、Q0——各儀表的視在功率、有功 功率和無功功率； cosφ——各儀表的功率因數。SN2≥S2

S2=

〔9.57〕9.3互感器的選擇93如果各儀表和繼電器的功率因數相近，或為了簡化計算起見，也可以將各儀表和繼電器的視在功率直接相加，得出大于S2的近似值，它假設不超過SN2，那么實際值更能滿足式〔9.57〕的要求。由于電壓互感器三相負荷常不相等，為了滿足準確度等級的要求，通常以最大相負荷進行比較。計算電壓互感器各相的負荷時，必須注意互感器和負荷的接線方式，如表9.8所示。9.3互感器的選擇94表9.8電壓互感器二次繞組負荷計算公式9.3互感器的選擇95【例9.3】某35kV變電站低壓側10kV母線上接有有功電能表10只、有功功率表3只、無功功率表1只、母線電壓表及頻率表各1只、絕緣監(jiān)視電壓表3只。其電壓互感器及儀表接線和負荷分配如圖9.8和表9.9所示。試選擇供10kV母線測量用的電壓互感器的類型。9.3互感器的選擇96圖9.8測量儀表與電壓互感器的連接圖9.3互感器的選擇97表9.9電壓互感器各相負荷分配〔不完全星形負荷局部〕9.3互感器的選擇989.4支柱絕緣子和穿墻套管的選擇9.4支柱絕緣子和穿墻套管的選擇99支柱絕緣子和穿墻套管的選擇和校驗工程見表9.11。支柱絕緣子及穿墻套管的動穩(wěn)定性應滿足Ies≥Ich的要求，按短路電動力計算即：式中Fal——支柱絕緣子或穿墻套管的允許荷重； Fjs——加于支柱絕緣子或穿墻套管上的最大 計算力。Fal≥Fjs

〔9.58〕表9.11支柱絕緣子和穿墻套管的選擇和校驗工程9.4支柱絕緣子和穿墻套管的選擇100Fal可按生產廠家給出的破壞荷重Fdb的60%考慮，即： Fal=0.6Fdb〔N〕 〔9.59〕Fdb即最嚴重短路情況下作用于支柱絕緣子或穿墻套管上的最大電動力，由于母線電動力作用在母線截面中心線上，而支柱絕緣子的抗彎破壞荷重是按作用在絕緣子帽上給出的，兩者力臂不等，短路時作用于絕緣子帽上的最大計算力為：式中Fmax——最嚴重短路情況下作用于母線上的 最大電動力，如圖9.9所示；Fjs=

Fmax〔N〕〔9.60〕9.4支柱絕緣子和穿墻套管的選擇101H——支柱絕緣子高度，mm；H1——從絕緣子底部至母線水平中心線的高度，mm，H=H+b+h/2，其中，b為母線支持片的厚度，一般豎放矩形母線b=18mm；平放矩形母線b=12mm。布置在同一平面內的三相母線〔見圖9.10〕，在發(fā)生短路時，支柱絕緣子所受的力為：式中a——母線間距，m； Ljs——計算跨距，m，對母線中間的支柱絕 緣子，Ljs取相鄰跨距之和的一半；Fmax=1.73

〔9.61〕9.4支柱絕緣子和穿墻套管的選擇102對母線端頭的支柱絕緣子，Ljs取相鄰跨距的一半；對穿墻套管，那么取套管長度與相鄰跨距之和的一半。圖9.9絕緣子受力示意圖9.4支柱絕緣子和穿墻套管的選擇103圖9.10絕緣子和穿墻套管所受電動力9.4支柱絕緣子和穿墻套管的選擇1049.5母線和電纜的選擇9.5母線和電纜的選擇105母線一般按以下條件進行選擇和校驗：①母線材料、類型和布置方式；②導體截面；③熱穩(wěn)定；④動穩(wěn)定；⑤對于110kV以上母線要進行電暈的校驗；⑥對重要回路的母線還要進行共振頻率的校驗。9.5.1母線的選擇與校驗9.5母線和電纜的選擇1069.5.1.1母線截面的選擇導體的截面可按長期發(fā)熱允許電流和經濟電流密度選擇。配電裝置的匯流母線通常在正常運行方式下，傳輸容量不大，可按長期發(fā)熱允許電流選擇截面。對年最大負荷利用小時數大，傳輸容量大，長度在20m以上的導體，其截面一般按經濟電流密度選擇。9.5母線和電纜的選擇107〔1〕按長期發(fā)熱允許電流選擇母線長期發(fā)熱的允許電流Iy應不小于所在回路的最大長期工作電流Igmax，即： KIy≥Igmax 〔9.62〕式中Iy——母線在允許溫度和標準環(huán)境條件下的 導體長期允許電流； K——綜合修正系數，與環(huán)境溫度和導體連 接方式等有關。9.5母線和電纜的選擇108〔2〕按經濟電流密度選擇按經濟電流密度選擇母線截面可使年綜合費用最低。年綜合費用包括電流通過導體所產生的年電能損消耗、導體投資和折舊費、利息等。從降低電能損耗角度看，母線截面越大越好，而從降低投資、折舊費和利息的角度看，那么希望截面越小越好。綜合這些因素，使年綜合費用最小時所對應的母線截面稱為母線的經濟截面，對應的電流密度稱為經濟電流密度。9.5母線和電纜的選擇109按經濟電流密度選擇母線截面按下式計算：

式中Igmax——通過導體的最大工作電流； Jec——經濟電流密度，如表9.12所示。在選擇母線截面時，應盡量接近按式〔9.63〕計算所得到的截面，當無適宜規(guī)格的導體時，為節(jié)約投資，允許選擇小于經濟截面的導體，但要求同時滿足式〔9.62〕的要求。Sec=

〔9.63〕9.5母線和電纜的選擇110表9.12經濟電流密度Jec單位：A/mm29.5母線和電纜的選擇1119.5.1.2母線的熱穩(wěn)定校驗按正常電流及經濟電流密度選出母線截面后，還應進行熱穩(wěn)定校驗。由熱穩(wěn)定要求決定的導體最小截面為：式中I∞——短路電流穩(wěn)態(tài)值； Kf——集膚效應系數，對于截面在100mm2 以下的矩形母線，Kf=1； tr——熱穩(wěn)定計算時間； C——熱穩(wěn)定系數，與材料及發(fā)熱溫度有關，如表9.13所示?！?.64〕9.5母線和電纜的選擇112工作溫度（℃）4045505560657075808590硬鋁及鋁錳合金9997959391898785838281硬銅186183181179176174171169166164161表9.13母線的C值9.5母線和電纜的選擇1139.5.1.3母線的動穩(wěn)定校驗各種形狀的母線通常都安裝在支柱絕緣子上，當沖擊電流通過母線時，電動力將使母線產生彎曲應力，因此必須校驗母線的動穩(wěn)定性。下面介紹一下矩形母線的應力計算。〔1〕單條矩形母線的應力安裝在同一平面內的三相母線，其中間相受力最大，為：Fmax=1.73×10-7Kf

〔N〕〔9.65〕9.5母線和電纜的選擇114式中Fmax——一個跨距長度母線所受的電動力，N； K——母線形狀系數，當母線相間距離遠 大于母線截面周長時，K=1； l——母線跨距，m； a——母線相間距，m。母線通常每隔一定距離由絕緣瓷瓶自由支撐著。因此當母線受電動力作用時，可以將母線看成一個多跨距載荷均勻分布的梁，當跨距段在兩段以上時，其最大彎曲力矩為：〔N·m〕〔9.66〕9.5母線和電纜的選擇115假設只有兩段跨距時，那么：母線材料在彎曲時的最大相間計算應力為：式中W——母線對垂直于作用力方向軸的截面系 數，又稱抗彎矩，其值與母線截面形 狀及布置方式有關，見表9.14?！睳·m〕WMjs=s〔9.68〕〔9.67〕9.5母線和電纜的選擇116表9.14母線的截面系數9.5母線和電纜的選擇117要想保證母線不因彎曲變形而遭到破壞，必須使母線的計算應力不超過母線的允許應力，即母線的動穩(wěn)定性校驗條件為：式中σxu——母線材料的允許應力，對硬鋁母 σxu=70MPa；對硬銅母線σxu=140MPa。xujsss￡〔9.69〕9.5母線和電纜的選擇118如果在校驗時，σjs≥σxu，那么必須采取措施減小母線的計算應力。具體措施有：將母線由豎放改為平放；放大母線截面，這會使投資增加；限制短路電流值能使σjs大大減小，但須增設電抗器；增大相間距離a；減小母線跨距l(xiāng)，此時可以根據母線材料的最大允許應力來確定絕緣瓷瓶之間的最大允許跨距，即由式〔9.66〕和式〔9.68〕可得：式中F1——單位長度母線上所受的電動力，N/m。1max10FWlxus=〔9.70〕9.5母線和電纜的選擇119當矩形母線水平放置時，為防止導體因自重而過分彎曲，所選取的跨距一般不超過1.5~2m?？紤]到絕緣子支座及引下線安裝方便，常選取絕緣子跨距等于配電裝置間