發(fā)電廠電氣部分 第7章 電氣設(shè)備選擇及短路電流限制

第7章電氣設(shè)備選擇及短路電流限制

電氣設(shè)備在運(yùn)行中有兩種工作狀態(tài)：正常的工作狀態(tài)，指運(yùn)行參數(shù)不超過額定值，電氣設(shè)備能夠長期而經(jīng)濟(jì)的工作的狀態(tài)；短路時的工作狀態(tài)，當(dāng)電力系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時，電氣設(shè)備要流過很大的短路電流，在短路故障被切除前的短時間內(nèi)，電氣設(shè)備要承受短路電流產(chǎn)生的發(fā)熱和電動力的作用。7.1概述7.2.1短路電流的電動力效應(yīng)1．電動力效應(yīng)——載流導(dǎo)體之間產(chǎn)生電動力的相互作用2．短路電流所產(chǎn)生的巨大電動力的危害性：（1）電器的載流部分可能因為電動力而振動，或者因電動力所產(chǎn)生的應(yīng)力大于其材料允許應(yīng)力而變形，甚至使絕緣部件或載流部件損壞。（2）電氣設(shè)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。3．兩平行導(dǎo)體電動力的計算方法（1）計算公式：式中i1、i2——兩平行導(dǎo)體中電流的瞬時值，A；

l——平行導(dǎo)體的長度，m；

a——導(dǎo)體軸線間距離，m；

Kf——形狀系數(shù)；

F——電動力，N。7.2短路電流的效應(yīng)（2）電動力的方向同向相吸，異向相斥（3）電動力的計算形狀系數(shù)與導(dǎo)體截面形狀、尺寸及相互間距離有關(guān)。對于矩形截面的導(dǎo)體，如截面寬度為b，厚度為h，則對于不同的寬度與厚度的比值m＝b/h，形狀系數(shù)隨而不同，變化曲線如圖。當(dāng)m<1時，Kf<1；當(dāng)增大時，即導(dǎo)體間的凈距增大時，趨近于1；當(dāng)導(dǎo)體間的凈距足夠大，即當(dāng)≥2時，Kf≈1，這相當(dāng)于電流集中在導(dǎo)體的軸線上，導(dǎo)體的截面形狀對電動力無影響。對于圓形截面導(dǎo)體，形狀系數(shù)Kf=1。下一頁返回（4）兩相短路和三相短路電動力大小的比較兩相短路時，故障兩相導(dǎo)體中短路電流大小相等，方向相反，當(dāng)導(dǎo)體平行布置時，故障相兩導(dǎo)體間的電動力為排斥力，則通過短路沖擊電流電動力的最大值為：三相短路時，如三相導(dǎo)體平行布置在同一平面，中間相所受的電動力最大，其值為：比較同一點發(fā)生兩相短路或三相短路時的最大電動力，因為：，代入上式得：

可見，F(xiàn)（2）<F（3），因此，在選擇電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體時，應(yīng)采用三相短路電流進(jìn)行動穩(wěn)定校驗。7.2.2短路電流的熱效應(yīng)1.發(fā)熱產(chǎn)生的原因：

(1)電阻損耗

(2)介質(zhì)損耗(3)磁滯和渦流損耗2.發(fā)熱對導(dǎo)體和電器產(chǎn)生的影響：

(1)機(jī)械強(qiáng)度下降

(2)接觸電阻增加

(3)絕緣性能降低3．兩種發(fā)熱狀況：（1）長期發(fā)熱——正常工作情況下的持續(xù)發(fā)熱（2）短時發(fā)熱——故障情況下的短時發(fā)熱短時發(fā)熱過程1．導(dǎo)體短時發(fā)熱特點（1）短路電流大，持續(xù)時間短，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的熱量全部被導(dǎo)體吸收用來升溫；（2）短路時，導(dǎo)體溫升很高，它的電阻、比熱容是溫度的函數(shù)。2．導(dǎo)體中通過負(fù)荷電流和短路電流時的溫度變化情況（如右圖）(1)Θi的計算(2)Θf的計算t1t2ΘfΘiΘ00tΘ7.3電氣設(shè)備的一般選擇條件一、按正常工作條件選擇1．按額定電壓選擇所選設(shè)備的最高允許電壓不得低于所裝設(shè)回路的最高運(yùn)行電壓。即：Ualm≥Usm

一般電氣設(shè)備和電纜：Ualm＝（1.1～1.15）UNS電網(wǎng)：Usm≤1.1UNS故只要UN不低于UNS就能滿足上式，故可按下式選擇：UN≥UNS注意事項：（1）其中裸導(dǎo)體承受電壓能力由絕緣子和安全凈距保證，無額定電壓選擇問題。（2）海拔的影響。2．按額定電流選擇

額定環(huán)境條件：（1）環(huán)境溫度（2）日照（3）海拔實際環(huán)境條件與額定環(huán)境條件不同時，電氣設(shè)備的長期允許電流應(yīng)修正。即:綜合校正系數(shù)K（1）對于裸導(dǎo)體和電纜：（2）對于電器：

40℃≤θ≤60℃時，K＝1－（θ－40）×0.0180℃≤θ≤40℃時，K＝1＋（40－θ）×0.005θ<0℃時,K＝1.2Imax的計算：回路名稱Imax說明發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)回路1.05倍發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)額定電流當(dāng)發(fā)電機(jī)冷卻氣體溫度低于額定值時，允許每低1℃電流增加0.5％變壓器回路1．1.05倍變壓器額定電流2．（1.3～2.0）倍變壓器額定電流變壓器通常允許正常或事故過負(fù)荷，必要時按（1.3～2.0）倍計算母線聯(lián)絡(luò)回路、主母線母線上最大一臺發(fā)電機(jī)或變壓器的Imax母線分段回路1．發(fā)電廠為最大一臺發(fā)電機(jī)額定電流的50％～80％2．變壓器應(yīng)滿足用戶的一級負(fù)荷和大部分二級負(fù)荷考慮電源元件事故跳閘后仍能保證該段母線負(fù)荷旁路回路需旁路的回路的最大額定電流出線1．單回路：線路最大負(fù)荷電流包括線損和事故時轉(zhuǎn)移過來的負(fù)荷2．雙回路：（1.2～2）倍一回線的正常最大負(fù)荷電流包括線損和事故時轉(zhuǎn)移過來的負(fù)荷3．環(huán)形與一臺半斷路器接線：兩個相鄰回路正常負(fù)荷電流考慮斷路器事故或檢修時，一個回路加另一最大回路負(fù)荷電流的可能4．橋形接線：最大元件的負(fù)荷電流橋回路尚需考慮系統(tǒng)穿越功率電動機(jī)回路電動機(jī)的額定電流3．選擇設(shè)備的種類和型式（1）應(yīng)根據(jù)電器裝置地點、使用條件、檢修和運(yùn)行要求，進(jìn)行種類和型式的選擇。（2）其他特殊環(huán)境條件的影響。二、按短路情況校驗

1．短路電流的計算條件（1）容量和接線：容量應(yīng)該按本工程的最終容量計算，考慮到系統(tǒng)的遠(yuǎn)景發(fā)展，一般為本工程建成5～10年，其接線應(yīng)采用可能發(fā)生最大短路電流的正常接線方式。（2）短路種類：一般按三相短路校驗，若發(fā)電機(jī)出口兩相短路或中性點直接接地系統(tǒng)及自耦變壓器等回路的單相、兩相接地短路較三相嚴(yán)重時，則熱穩(wěn)定按嚴(yán)重情況校驗。（3）短路計算點

選擇通過校驗對象的短路電流為最大的那些點作為短路計算點，對兩側(cè)都有電源的設(shè)備，將電器兩側(cè)的短路點進(jìn)行比較，選出其中流過電器的短路電流較大的一點。

①發(fā)電機(jī)回路的QF1（QF2）類似：當(dāng)K4短路時，通過QF1的電流為G1提供，當(dāng)K1短路時，流過QF1的電流為G2及系統(tǒng)提供，如果G1和G2的容量相同，則后者大于前者，故應(yīng)選K1為QF1的短路計算點。②母聯(lián)QF3：當(dāng)用QF3向備用母線充電時，如備用母線故障，即K3短路，這時流過QF3的電流為G1、G2及系統(tǒng)供給的全部電流，情況最嚴(yán)重。故選K3為短路計算點。③分段斷路器：應(yīng)在T1切除時，選K4為計算點。④變壓器回路的QF5和QF6：對QF5，應(yīng)選K5（K6斷開時）；對QF6，應(yīng)選K6（K5斷開時）。⑤出線回路QF7：顯然，K2短路時，比K7短路時流過QF7的電流大，但運(yùn)行經(jīng)驗表明，電抗器工作可靠性高，且斷路器和電抗器之間的連線很短，K2短路可能性小，故選擇K7為QF7的計算點，這樣出線可選用輕型斷路器。⑥廠用變回路斷路器QF8，一般QF8至廠用變壓器之間的連線多為較長電纜，存在短路的可能性，因此，選K8為QF8的短路計算點。2．短路計算時間（1）熱穩(wěn)定的短路電流持續(xù)時間tk，即計算短路電流熱效應(yīng)Qk的時間。

tk＝tpr2+tab＝tpr+(tin+ta)

tpr2——繼電保護(hù)后備保護(hù)動作時間；

tab——斷路器全開斷（全分閘）時間；

tin——斷路器固有分閘時間；

ta——斷路器開斷時電弧持續(xù)時間。(2)斷路器觸頭實際開斷能力的開斷計算時間tk。開斷電器應(yīng)能在最嚴(yán)重的情況下開斷短路電流（校驗斷路器的斷流能力時用到，求Izk

）

tk＝tprl+tin

tprl——繼電保護(hù)主保護(hù)動作時間；

tin——斷路器固有分閘時間。3.熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定校驗（1）熱穩(wěn)定校驗①導(dǎo)體和電纜：S≥SminS—按正常工作條件選擇的導(dǎo)體或電纜的截面積；Smin—按熱穩(wěn)定確定的導(dǎo)體或電纜的最小截面積。②電器：[(kA)2S]（2）動穩(wěn)定校驗①硬導(dǎo)體滿足動穩(wěn)定的條件為：σal≥σmaxσal—導(dǎo)體材料最大允許應(yīng)力；σmax—導(dǎo)體最大計算應(yīng)力。②電器滿足動穩(wěn)定的條件為：ies≥ish7.4硬母線和電力電纜的選擇

一、敞露母線的選擇（一）母線材料、截面、布置方式的選擇

1．材料：（1）鋁：電阻率低，有一定的機(jī)械強(qiáng)度，質(zhì)量輕，價格便宜。（2）銅：電阻率更低，價格較貴，只有特殊場合用。一般情況下采用鋁母線，在持續(xù)工作電流大，且位置特別狹窄的發(fā)電機(jī)，變壓器出線端部以及對鋁有嚴(yán)重腐蝕而對銅腐蝕較輕的場合采用銅母線。

2．截面形狀（1）矩形：UN在35kV及以下，Imax在4000A及以下屋內(nèi)配電裝置中，當(dāng)電流超過最大截面的單條母線允許載流量時，每相可用2－4條并列使用。（2）槽形：UN在35kV及以下，Imax在4000A～8000A的屋內(nèi)配電裝置中。（3）管形：UN在110kV及以上，電流在8000A及以上的屋內(nèi)外配電裝置。3．布置方式：

鋁絞線、管形母線一般采用三相水平布置，矩形、雙槽形有三相水平布置和三相垂直布置。矩形母線的布置方式（二）母線截面的選擇

1．按長期工作電流選擇主母線及長度在20m以下的母線一般均按Imax選擇：

Ial＝KIN≥Imax，當(dāng)℃并且不計日照時，則

2．按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇

（1）選擇條件：除配電裝置的匯流母線和較短導(dǎo)體及廠用電動機(jī)的電纜外，對長度在20m以上的母線（如發(fā)電機(jī)出口母線），一般按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇。（2）選擇原因：導(dǎo)體的電能損耗與負(fù)荷電流和導(dǎo)體的截面有關(guān)，而負(fù)荷電流一定時，導(dǎo)體截面越大，損耗越??；另一方面，導(dǎo)體截面增大，導(dǎo)致綜合投資增加，小修、維護(hù)費(fèi)及折舊費(fèi)增加。故導(dǎo)體取某一截面時，兩方面綜合費(fèi)用最小。這一截面即經(jīng)濟(jì)截面。

——正常運(yùn)行時，最大持續(xù)工作電流，不考慮運(yùn)行中電路可能的過負(fù)荷及故障或檢修時由別的回路轉(zhuǎn)移過來的負(fù)荷。

——經(jīng)濟(jì)電流密度。

1、（1ˊ）—變電所所用及工礦用電纜線路的鋁（銅）紙絕緣鉛包、鋁包、塑料護(hù)套及各種鎧裝電流；2—鋁矩形、槽形及組合導(dǎo)線；3、（3ˊ）—火電廠廠用的鋁（銅）紙絕緣鉛包、鋁包、塑料護(hù)套及各種鎧裝電纜；4—35～220kV線路的LGJ、LGJQ型鋼芯鋁絞線

圖中未給出銅母線及銅裸導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)電流密度，當(dāng)需要選用時，可按下述取值：為3000h以下，Jmax＝3.0A/mm2；為3000h～5000h時，Jmax

＝2.25A/mm2；為5000h以上，Jmax

＝1.75A/mm2。應(yīng)選擇最接近Sj的標(biāo)準(zhǔn)截面，可偏小一檔選擇，另外還必須滿足Ial≥Imax的要求。（三）電暈電壓校驗1．電暈產(chǎn)生的影響：（1）降低空氣的絕緣強(qiáng)度，相間容易被擊穿；（2）在電暈范圍內(nèi)進(jìn)行著化學(xué)反應(yīng)，形成O3和氮的氧化物，腐蝕金屬和有機(jī)絕緣材料；（3）引起電能損失；（4）電暈有特殊的噪聲和破裂聲，影響工作人員聽覺檢查設(shè)備工作情況；（5）產(chǎn)生無線電干擾。2.選擇條件：63kV及以下系統(tǒng)，一般不會出現(xiàn)全面電暈，不必校驗，對110kV及以上系統(tǒng)的裸導(dǎo)體，應(yīng)按當(dāng)?shù)厍缣觳话l(fā)生全面電暈的條件校驗，使：

Ucr>Umax（四）熱穩(wěn)定校驗C——熱穩(wěn)定系數(shù)，Af和Ai分別取與短路時母線最高允許發(fā)熱溫度及正常運(yùn)行時母線最高工作溫度相對應(yīng)的值。

在不同的工作溫度下，對于不同母線材料，C值可取下表所列數(shù)值。工作溫度（℃）4045505560657075808590硬鋁及鋁錳合金9997959391898785838179硬銅186183181176176174171169166164161（五）硬母線的動穩(wěn)定校驗1．矩形母線應(yīng)力的計算：（1）單條導(dǎo)體（只受相間電動力的作用），當(dāng)跨數(shù)大于2時，導(dǎo)體所受的最大彎距為：（N?m）（N/m）導(dǎo)體最大相間計算應(yīng)力為：設(shè)計時，一般L為未知，為滿足動穩(wěn)定，常根據(jù)材料的允許應(yīng)力來確定絕緣子間的最大允許跨距Lmax，即令，則由上式可得

只要選擇L≤Lmax，必滿足動穩(wěn)定。二、電力電纜的選擇1．結(jié)構(gòu)類型的選擇首先根據(jù)用途、敷設(shè)方式和使用條件選擇。電纜作為載流導(dǎo)體，目前應(yīng)用十分廣泛，可以直接埋入地下以及敷設(shè)在電纜溝或電纜隧道當(dāng)中，也可以敷設(shè)在水中或海底，還可以在空氣中敷設(shè)。其次根據(jù)結(jié)構(gòu)類型選擇。電纜芯線有銅芯和鋁芯，其芯線一般由多股導(dǎo)線絞合而成，國內(nèi)工程一般選擇鋁芯。（二）額定電壓的選擇

——電纜的額定電壓，kV——電網(wǎng)的額定電壓，kV（三）截面的選擇（1）截面選擇方法與裸導(dǎo)體基本相同，對長度不超越20m的電纜，按回路最大持續(xù)工作電流Imax選擇，即

對于≥5000h，且長度超過20m的電纜，可按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇。

（2）確定電纜根數(shù)：當(dāng)S<150mm2，用一根，當(dāng)S>150mm2用（S/150mm2）根。（3）綜合校正系數(shù)：

1）空氣中敷設(shè)：K＝KtK1；

2）空氣中穿管敷設(shè)：K＝KtK2；

3）直接埋地敷設(shè)：K＝KtK3K4。式中：Kt——環(huán)境溫度修正系數(shù)，由式子計算，纜芯正常允許最高工作溫度與電壓等級、絕緣材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，可查附表；

K1——空氣中多根電纜并列敷設(shè)的修正系數(shù)，可查附表；

K2——空氣中穿管敷設(shè)的修正系數(shù)，在UN≤10kV的情況下，S≤95mm2時，K2＝0.91；S＝120mm2～185mm2時，K2＝0.85；

K3——直埋電纜因土壤熱阻不同的修正系數(shù)，可查附表；

K4——土壤中多根電纜并列敷設(shè)的修正系數(shù)，可查附表。（四）允許電壓損失校驗

ΔU％≤5％

式中——電纜線路最大持續(xù)工作電流，A；

L——線路長度，km；

r、x——電纜單位長度的電阻和電抗，Ω；

——功率因數(shù)；

——電纜線路額定線電壓，KV。（五）熱穩(wěn)定校驗

電纜的熱穩(wěn)定與裸母線相同，仍用裸母線的校驗方法，但其中Ks＝1，即：熱穩(wěn)定系數(shù)C的計算：

式中——計及電纜芯充填物熱容隨溫度變化以及絕緣散熱影響的校正系數(shù)。對于3～6kV廠用回路，取0.93，其他情況可?。?.0；

Q——電纜芯單位體積的熱容量，鋁芯取2.48，銅芯取3.4，J/cm2·℃；

J——熱功當(dāng)量系數(shù)，取1.0；

K——20℃時電纜芯交流電阻與直流電阻之比，S≤100mm2的三芯電纜K＝1，S＝120～240mm2的三芯電纜K＝1.005～1.035；——電纜芯在20℃時的電阻系數(shù)，鋁芯取0.031×10－4，銅芯取0.0184×10－4，Ω·cm2/cm;——電纜芯在20℃時的電阻溫度系數(shù)，鋁芯取0.00403，銅芯取0.00393，1/℃；

——短路前電纜的工作溫度，℃；

——電纜短路時的最高允許溫度，對10kV以下普通粘性浸漬絕緣及交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，鋁芯為200℃，銅芯為250℃。有中間接頭的電纜短路時的最高允許溫度，錫焊頭為120℃，壓接接頭為150℃。7.5支柱絕緣子和穿墻套管的選擇1．選擇支柱絕緣子和穿墻套管的種類和型式

2．按額定電壓選擇支柱絕緣子和穿墻套管

3.按最大持續(xù)工作電流選擇穿墻套管

4.校驗穿墻套管熱穩(wěn)定7.6高壓斷路器和隔離開關(guān)的選擇一、高壓斷路器的選擇

1．種類和型式的選擇選擇高壓斷路器的類型。根據(jù)環(huán)境條件、使用技術(shù)條件及各種斷路器的不同特點進(jìn)行選擇。由于真空斷路器、SF6斷路器在技術(shù)性能和運(yùn)行維護(hù)方面有明顯優(yōu)勢，目前在系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，10kV及以下一般選用真空斷路器，35kV及以上多選用SF6斷路器。2．根據(jù)安裝地點選擇：戶內(nèi)和戶外；

3．額定電壓選擇：

4．額定電流選擇：

5．額定開斷電流的選擇：時，時，

6．按關(guān)合電流選擇7．熱穩(wěn)定電流

8．動穩(wěn)定電流

二、隔離開關(guān)的選擇1．根據(jù)配電裝置布置的特點，選擇隔離開關(guān)的類型。2．根據(jù)安裝地點選擇：（1）戶內(nèi)（2）戶外

3．按額定電壓選擇：4．按額定電流選擇：

7．熱穩(wěn)定電流

8．動穩(wěn)定電流

7.7高壓負(fù)荷開關(guān)和高壓熔斷器的選擇一、高壓負(fù)荷開關(guān)的選擇1．根據(jù)環(huán)境條件、使用技術(shù)條件及各種負(fù)荷開關(guān)的不同特點，選擇負(fù)荷開關(guān)的種類和形式。2．按額定電壓選擇：3．按額定電流選擇：

4．熱穩(wěn)定電流

5．動穩(wěn)定電流

7.8互感器的選擇

一、電流互感器的選擇1．選型：根據(jù)配置地點、安裝方式等選型。2．一次回路額定電壓、電流選擇：式中——電流互感器所在電網(wǎng)的額定電壓；——電流互感器的一次額定電壓和一次額定電流；

——溫度修正系數(shù)；

——裝設(shè)所選電流互感器的一次回路的最大持續(xù)工作電流。

3.額定二次電流的選擇:一般選用5A，在弱電系統(tǒng)中選用1A。4．按準(zhǔn)確度等級選擇：5．按二次負(fù)荷選擇:供計費(fèi)電度表用0.5級，保護(hù)用：3級；D級作出電流互感器回路的接線圖，列表統(tǒng)計其二次側(cè)每相儀表和繼電器負(fù)荷，確定最大相負(fù)荷。設(shè)最大相總負(fù)荷為S2，S2應(yīng)不大于互感器在該準(zhǔn)確度級所規(guī)定的額定容量SN2，即:

即應(yīng)滿足：式中——選定準(zhǔn)確度級下的額定二次負(fù)荷，Ω；

——電流互感器的二次負(fù)荷，Ω。由于式中Rar——二次側(cè)負(fù)荷最大相的測量儀表和繼電器電流線圈的串聯(lián)總電阻；Ω

Rl——儀表至互感器連接導(dǎo)線的電阻；Ω

Rc——各接頭的接觸電阻總和，一般取為0.1Ω。經(jīng)計算整理得：式中S——連接導(dǎo)線的截面，mm2；——連接導(dǎo)線的電阻率，銅為1.75×10－2，鋁為2.83×10－2，Ω·mm2/m；

lc——連接導(dǎo)線的計算長度，m。連接導(dǎo)線的計算長度，決定于從電流互感器到測量儀表（或繼電器）之間的實際連接距離和電流互感器的接線方式。當(dāng)采用單相接線時，；當(dāng)采用星形接線時，由于中線內(nèi)電流很小，則；當(dāng)兩只電流互感器接成不完全星形時，因為公共導(dǎo)線內(nèi)的電流為，與U相電流的相位差為600，按電壓方程可得。選擇稍大于計算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)截面，根據(jù)機(jī)械強(qiáng)度要求，求得的銅導(dǎo)線截面不應(yīng)小于1.5mm2；鋁導(dǎo)線截面不應(yīng)小于2.5mm2。6．熱穩(wěn)定校驗：電流互感器的熱穩(wěn)定能力常以1s允許通過熱穩(wěn)定電流或熱穩(wěn)定電流對一次額定電流得倍數(shù)表示?；蚴街小猼s的熱穩(wěn)定倍數(shù)，t=1s；

——短路電流的熱效應(yīng)。7．動穩(wěn)校驗：或

二、電壓互感器的選擇

1．按安裝地點和使用條件等選擇電壓互感器的類型。

一般在6～20kV屋內(nèi)配電裝置中，選用戶內(nèi)油浸式或樹脂澆注絕緣的電磁式電壓互感器；35kV配電裝置宜選用電磁式電壓互感器；110kV及以上配電裝置中，如果容量和準(zhǔn)確度級滿足要求時，宜選用電容式電壓互感器。再根據(jù)電壓互