第9章电气设备的选择.ppt

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1、电气设备第9章 电气设备选择电气设备教学目的：教学目的：掌握电器和载流导体发热及电动力效应的计算；掌握电气设备选择的一般选择条件和具体设备选 择校验的主要内容；掌握主要设备的选择条件、方法和技巧。重重 点点：掌握电器和载流导体发热及电动力效应的计算；掌握电气设备选择的一般选择条件和具体设备选 择校验的主要内容。难难 点点：掌握电器和载流导体发热及电动力效应的计算；掌握电气设备选择的一般选择条件和具体设备选 择校验的主要内容电气设备9-1 9-1 电器和载流导体的发热电器和载流导体的发热9-2 9-2 电器和载流导体的电动力效应电器和载流导体的电动力效应9-3 9-3 电气设备选择的一般原则电气

2、设备选择的一般原则9-4 9-4 高压开关电器的选择高压开关电器的选择9-5 9-5 母线、电缆和绝缘子的选择母线、电缆和绝缘子的选择9-6 9-6 互感器的选择互感器的选择电气设备9-1 电器和载流导体的发热一、电气设备在工作过程中的损耗电气设备在工作过程中的损耗1、铜损：电流在导体电阻中的损耗2、铁损：电流的交变磁场在铁磁物质中引起的涡流和磁滞损耗3、介损：绝缘材料在电场作用下产生的损耗所有这些损耗转化为热能，使电器和载流导体的温度升高，这就是电流的热效应。电气设备二、发热对电气设备的影响二、发热对电气设备的影响1、机械强度下降：金属材料温度升高时，会使材料退火软化，机械强度下降。2、接触

3、电阻增加：温度过高，接触连接表面会强烈氧化，使得接触电阻增加，温度便随着增加，因而可能导致接触处松动或烧熔。3、绝缘性能降低：有机绝缘材料长期受到高温作用，将逐渐变脆和老化，以致绝缘材料失去弹性和绝缘性能下降，使用寿命大为缩短。电气设备三、发热的分类1、正常工作电流引起的长期发热：=702、短路电流引起的短时发热：铜 =300 铅 =200电气设备四、正常工作情况下长期发热的计算 1 1、已知工作电流、已知工作电流求导体工作温度求导体工作温度式中: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；电气设备

4、两边积分：两边积分：求解得：求解得：电气设备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。电气设备2 2、求正常运行情况下长期发热允许最大工作电流、求正常运行情况下长期发热允许最大工作电流电气设备最严重三相短路时的电流波形图 五、故障情况下短时发热的计算电气设备1.短路电流的构成：周期分量和非周期分量2.冲击电流的大小电气设备二、短路二、短路电电流的流的热热效效应应 1.1.短路短路发热发热特点特点 短路时由于继电保护装置动作切除

5、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。电气设备2.2.短路热平衡方程短路热平衡方程 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：电气设备将代入上式得：电气设备电气设备短 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=40100MVA0.11远 离 发

6、电 厂 处0.05表9-1 不同短路点等效时间常数Tfi 的推荐值电气设备具有自动电压调节器的发电机短路电路周期分量发热等值时间曲线。电气设备3 3、大容量系统计算短路电流热效应的近似公式：、大容量系统计算短路电流热效应的近似公式：t故障切除时间=继电保护动作时间+QF分闸时间 对无限大容量电力系统：非周期分量热效应值:式中：周期分量热效应值：用1-10-1法计算电气设备4.4.短路发热温度短路发热温度 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与导体温度的关系曲线 ,确定短路发热温度 。电气设备由 求 的步骤如下：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

7、 计算导体短路发热系数由 从A关系曲线查得短路发热温度 电气设备5.5.短路短路热稳热稳定最小截面定最小截面 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：由 和，从A曲线分别查出 和电气设备6.热稳定条件或电气设备9-2 电器和载流导体的电动力效应一、一、一、一、电动力对电气设备的影响电动力对电气设备的影响电动力对电气设备的影响电动力对电气设备的影响1、电器和载流部分可能因为电动力而振动或变形，甚至使绝缘部件或载流部件损坏；2、电气设备的电磁绕组可能变形或损坏。电气设备二、两根平行导体之间的电动力二、两根平行导体之间的电动力 单根导体

8、：多根导体：式中：、通过两平行导体的电流（A）该段导体的长度（m）a 两根导体轴线间的距离(m)K 截面形状系数电气设备三、三、三相系统中导体间的电动力三相系统中导体间的电动力1、中间相：式中：冲击短路电流（A）母线系统的振荡系数电气设备2、母线上的最大弯距：式中：相邻两个支柱绝缘子间的跨距（m）3、最大弯曲应力计算：式中：W母线截面系数查手册动稳定条件：母线最大计算应力不大于母线材料的允许应力。即 ，动稳定满足电气设备表表9-2 9-2 各种材料最大允许应力各种材料最大允许应力硬母线材料最大允许应力PaKgf/cm3铜1400铝700钢1600电气设备9-3 电气设备选择的一般原则按正常工作

9、条件进行选择按短路状态来校验其热稳定和动稳定电气设备一、按正常工作条件选择 1、电气设备型式的选择：在具有基本相同功能的同类设备中选用合适的系列或结构型式的产品。按使用环境选型：户内、户外、特殊地区环境按布置或装配方式选型：按参数范围选型新技术、新产品的推广使用和经济实惠适当避免型式选用的多样化电气设备2、额定电压的选择：设备额定电压不低于安装处电网额定电压3、额定电流的选择：设备长期允许电流不小于该回路最大持续工作电流式中：Igmax的计算发电机回路：Igmax=1.05Ie.G 三相变压器回路：Igmax=1.05Ie.TKg Kg变压器持续过负荷系数，取1.31.5出线回路：Igmax=

10、电气设备二、按短路情况校验1、热稳定校验：Idd300（200）满足热稳定的条件：式中：Qd短路电流产生的热效应 Qr短路时导体和电气设备允许的热效应2、动稳定校验：满足动稳定的条件：FmaxFxu 或maxxu3、开断能力的校验：能可靠断开的最大断路电流的能力 IdIekd电气设备三、短路电流计算条件 1、容量和接线以工程建成后510年的容量来计算。2、短路种类三相短路最严重3、计算短路点找到通过设备的最大短路电流的短路点。电气设备四、短路计算时间 式中:td继电保护动作时间。一般取主保护动作时间 包括装置起动机构、执行机构和延时机构的动作时间。0.050.06s tkd断路器开断时间。为断

11、路器固有分闸时间与燃弧时间之和，对油断路器一般取 0.080.12s 故为简便计，上式可写为：tbz主保护延时机构的整定时间电气设备9-4 高压开关电器的选择一、高断路器的选择二、高压隔离开关的选择三、高压熔断器的选择电气设备 1、选型推荐：户内用真空断路器ZN系列；其次少油式SN系列 户外用六氟化流断路器LW系列；其次少油式SW系列2、额定电压的选择：断路器的额定电压不低于安装处电网额定电压:UeUew 3、额定电流的选择：断路器额定电流不小于该回路最大持续工作电流：IeIgmax 式中：Ir断路器t秒钟时刻的热稳定电流。4、热稳定校验：Idd300（200）满足热稳定的条件：一、高压断路器

12、的选择一、高压断路器的选择电气设备6、开断能力的校验：能可靠断开的最大断路电流的能力：IekdId5、动稳定校验：FxuFmax 或xumax 满足动稳定的条件：7、关合电流的校验：电气设备二、二、二、二、高压隔离开关的选择高压隔离开关的选择高压隔离开关的选择高压隔离开关的选择1、选型2、额定电压的选择：隔离开关的额定电压不低于安装处电网额定电压:UeUew 3、额定电流的选择：隔离开关的额定电流不小于该回路最大持续工作电流：IeIgmax 4、热稳定校验：Idd300（200）满足热稳定的条件：5、动稳定校验：FxuFmax 或xumax 满足动稳定的条件：电气设备电气设备三、三、高压熔断器

13、的选择高压熔断器的选择1、选型：2、额定电压的选择：熔断器的额定电压不低于安装处电网额定电压:UeUew RN1，RN3，RN5：用于线路和变压器的过载和短路保护；RN2，RN6：用于电压互感器专用保护（Ie=0.5A）。跌落式：用于线路和变压器的过载和短路保护；限流式：用于电压互感器专用保护（Ie=0.5A）。户内型户外型电气设备3、额定电流的选择：（1）熔体额定电流选择 用于变压器保护的熔体额定电流：式中：K可靠系数，不计电动机自起动时 K=1.11.3 考虑电动机自起动时 K=1.52.0 Igmax电力变压器回路最大工作电流。用于电容器保护的熔体额定电流：式中：K可靠系数，一台电容器时

14、 K=1.11.3 一组电容器时 K=1.52.0 IeC电力电容器回路的额定电流。（2）熔管额定电流选择4、开断能力的校验：IekdIch电气设备9-5 9-5 母线、电缆和绝缘子的选择母线、电缆和绝缘子的选择 v母线的选择母线的选择v 电缆的选择电缆的选择v 绝缘子的选择绝缘子的选择电气设备母线材料、类型和布置方式;导体截面;热稳定校验;动稳定校验；对于110kV以上母线要进行电晕校验；对重要回路的母线还要进行共振频率校验。一、母线的选择电气设备（2）截面形状：矩形：散热条件好，有一定机械强度，便于固定和连接，但集肤效应大。单条Smax1250mm2 可用24条并列使用。一般只用于35KV

15、及以下，电流在4000A及以下的配电装置中。（1）材料：铜，用在持续工作电流大，且位置特别狭窄的发电机、变压器出线处或污秽大的场所。铝，采用广泛。户内1.选型：电气设备槽形：机械强度较好，载流量较大，集肤效应较小。一般用于4000A8000A的配电装置中。管形：集肤效应小，机械强度高，管内可以通水和通风。用于8000A以上的大电流母线。（3）敷设方式：水平平放；水平立放；垂直平放；垂直立放户内35KV110KV多采用钢芯铝绞线；10KV及以下根据情况，采用钢芯铝绞线或绞线或铝排。户外电气设备电气设备方法之一：按导体长期发热允许电流选择（用于配电装置汇流母线及较短导体）S标IxuIgmax2、截

16、面的选择：方法之二：按经济电流密度选择（用于导体长度20m以上）（1）由最大负荷利用小时数Tmax 得经济电流密度J（2）计算经济截面：（3）选择标准截面：S标SJ临界电压Ulj应大于最高工作电压Ugmax：即UljUgmax3、电晕电压校验：电气设备4、热稳定校验：（1）计算热稳定截面：式中：K集肤效应系数 C热稳定系数，由工作温度w查表9-7得（如e=700C时，铝取87；铜取171）式中：Ie导体额定电流 I导体流过的电流 e导体额定温度 0周围介质温度 0e额定介质温度（2）满足热稳定条件：S标Smin电气设备5、动稳定校验：方法一：计算母线最大计算应力max不大于母线材料的允许应力x

17、u，即maxxu，动稳定满足 （Pa）方法二：由材料最大允许应力来确定绝缘子间最大允许跨距。式中：ich冲击短路电流（A）a两根导体轴线间的距离(m)W母线截面系数（m3）查手册 xu母线材料的允许应力（Pa）查资料选择实际跨距：电气设备6、母线共振的校验：系统的固有频率可按下式计算：不发生共振的绝缘子最大跨距：电气设备1、选型:包括线芯材料，电缆绝缘型式、密封层、保护层。2、额定电压的选择：电缆的额定电压不低于安装处电网额定电压:UeUew3、截面的选择：方法之一：按导体长期发热允许电流选择（用于配电装置汇流母线及较短导体）S标IxuIgmax方法之二：按经济电流密度选择（用于导体长度20m

18、以上）（1）由最大负荷利用小时数Tmax 得经济电流密度J（2）计算经济截面：（3）选择标准截面：S标SJ二、电缆的选择电气设备4、热稳定校验：（1）计算热稳定截面：式中：K集肤效应系数 C热稳定系数，由工作温度w查表9-7得（如e=700C时，铝取87；铜取171）式中：Ie导体额定电流 I导体流过的电流 e导体额定温度 0周围介质温度 0e额定介质温度（2）满足热稳定条件：S标Smin电气设备例9-2选择10.5KV配电装置汇流母线。已知参数如下：10.5KV母线短路电流，发电机及变压器后备保护的，断路器全开断时间，配电装置最高温度为。三相母线水平布置，导体平放，相间距离0.7m，绝缘子跨

19、距为1.7m。电气设备电气设备电气设备电气设备电气设备电气设备电气设备电气设备（1）选型户内：推荐用联合胶装绝缘子户外：推荐用棒式或悬式绝缘子1、绝缘子的选择：（3）动稳定校验 动稳定条件：0.6FphFjs 式中：Fph绝缘子的弯曲破坏力 Fjs折算到绝缘子顶面计算作用力 Fjs=KFmax式中：Fmax每跨母线的三相最大冲击电动力；K电动力折算系数。母线平放时取K=1；母线立放时取K=1.4（2）额定电压的选择 绝缘子的额定电压不低于安装处电网额定电压：UeUew三、支柱绝缘子和穿墙套管的选择电气设备电气设备（1）选型推荐用矩形铝导体的。2、套管绝缘子的选择：（2）额定电压的选择 绝缘子的

20、额定电压不低于安装处电网额定电压：UeUew（3）额定电流的选择：绝缘子额定电流不小于该回路最大持续工作电流：IeIgmax（4）热稳定校验：Idd300（200）满足热稳定的条件：式中：Ir绝缘子t秒钟时刻的热稳定电流。电气设备（5）动稳定校验 动稳定条件：0.6FphFjs 式中：Fph绝缘子的弯曲破坏力 Fjs折算到绝缘子顶面计算作用力 Fjs=KFmax式中：Fmax每跨母线的三相最大冲击电动力；K电动力折算系数。母线平放时取K=1；母线立放时取K=1.4电气设备9-6 互感器的选择 1、选型：根据配置地点、安装方式等选型。610kV（户内式）可采用LA、LQJ、LDZ、LFC35kV

21、LR（装入QF）LCW-35（油浸式瓷绝缘）一、一、电流互感器的选择电流互感器的选择2、额定电压的选择:电流互感器的额定电压不低于安装处电网额定电压：UeUew3、额定电流的选择：电流互感器一次额定电流不小于该回路最大持续工作电流：Ie1Igmax电流互感器二次额定电流：Ie2=5A电气设备4、准确度等级的选择：不得低于所供测量仪表的准确度等级0.2：用于试验室精密测量（校准级）0.5：用于计费测量1：用于盘式仪表和技术上用的电能表（估量）3，10，B：用于继电保护 副边容量校验：式中：Se2准确度等级所规定的额定容量 S2互感器二次侧所接负荷 Z2f二次负载额定阻抗。电气设备5、热稳定校验：

22、由电流互感器1秒钟时刻的热稳定电流倍数 和 得 满足热稳定的条件：6、动稳定校验：由电流互感器动稳定电流倍数 和 得 满足动稳定的条件：电气设备1、选型：根据用途安装地点等来选择。610kV（户内式）JDJ-6、JSJW-6、JDZJ-10、35kV（多用户外式）JDZJ-35、JDJ-35、110kV（户外）、串级式：JCCJ-110、一台单相TV及二台单相TV：用于同期、测量、保护。一台三相五柱式及三个单相TV：用于同期、测量、保护及绝缘监察及单相接地保护。2、额定电压的选择:电压互感器一次额定电压等于安装处电网额定电压：UeUew电压互感器二次额定电压：基本二次U2e=100V（或100

23、/V）附加二次U2e：小接地系统为100/3V；大接地系统为100V：二、电压互感器的选择电气设备接线型式电网电压（KV）型式二次绕组电压（V）接成开口三角的辅助绕组电压（V）单相、V/V、Y/Y335单相式100无此绕组110J*500J单相式100360单相式100/3315三相五柱式100100/3表9-3 电压互感器二次绕组额定电压选择：*J指中性点直接接地系统电气设备3、准确度等级的选择：不得低于所供测量仪表的准确度等级0.2：用于试验室精密测量（校准级）0.5：用于计费测量1：用于盘式仪表和技术上用的电能表（估量）3：用于继电保护 副边容量校验：式中：Se2准确度等级所规定的额定容

24、量 S2互感器二次侧所接负荷电气设备电气设备电气设备电气设备电气设备9-5 如图9-16（a）所示接线及参数：（1）设发电机容量为25MW，最大负荷利用小时Tmax=6000h,主保护动作时间tb1=0s,后备保护动作时间tb2=4s,母线垂直布置，相同距离为700mm,周围环境温度40,试选择发电机回路母线及断路器QF。（2）设10.5KV出线最大负荷为560A，出线保护动作时间tb3=1s，若线路上采用ZN28-10型断路器，选择出线电抗器 了。（3）设发电机回路装有下列仪表：电流表三只，有功电力表、无功电力表、有功电能表、无功电能表、电压表及频率表各一只，电流及电压互感器接线如图9-16（b）、（c）所示，互感器距控制室为60mm，试选择电流互感器及电压互感器2TV。电气设备