1、電力工程基礎課件制作：福州大學 等1第五章 電氣設備的選擇電氣設備的發熱和電動力電氣設備選擇的一般條件 母線、電纜和絕緣子的選擇 高低壓電器的選擇 發電廠和變電所主變壓器的選擇 本章內容重點2第一節 電氣設備的發熱和電動力3發熱的原因:電阻損耗 磁滯和渦流損耗 介質損耗分類:長期發熱，由正常工作電流產生的；短時發熱，故障時由短路電流產生的。發熱4發熱對電氣設備的影響：（1）使絕緣材料的絕緣性能降低（2）使金屬材料的機械強度下降（3）使導體接觸部分的接觸電阻增加發熱5 導體在正常和短路時的最高允許溫度及熱穩定系數6載流導體通過電流時，相互之間的作用力，稱為電動力。短路時沖擊電流所產生的交流電動力

2、達到很大的數值，可能導致設備變形或損壞。為保證電器和導體不致破壞，電器和導體因短路沖擊電流產生的電動力作用下的應力不應超過材料的允許應力。硬導體材料的最大允許應力，硬銅 140MPa、硬鋁70MPa電動力7導體短時發熱計算圖5-1 短路時導體的發熱過程 8短路時導體發熱的平衡方程式 其中：代入式（5-1）得： （5-2）（5-1） 9（5-2） （5-3） 整理得： 積分得： （5-4） 10短路發熱計算式中：（5-5）由此得出： （5-9）11短路發熱計算圖5-2 導體的=f(A)曲線12短路電流熱效應值Qk的計算 Qk常用的計算方法為近似數值積分法。短路全電流中包含周期分量Ip和非周期分量

3、Inp，其熱效應Qk也由兩部分構成：13Qk的計算周期分量Qp計算任意函數y=f(x)的定積分采用辛普生公式計算 :取n4 14Qk的計算周期分量Qp計算進一步簡化計算，近似認為y2=1/2(y1+y3), 稱為1-10-1法 15Qk的計算非周期分量Qnp計算當tk0.1s時, 式中Ta為非周期分量時間常數值 16Qk的計算非周期分量Qnp計算表5-2 非周期分量時間常數Ta17導體短路時的電動力計算兩根細長平行導體間的電動力計算（5-18）三相導體水平放置受力最大的為中間相導體短路的電動力18（5-22） 還應考慮母線共振影響對電動力的影響，引入修正系數電動力最大值的計算19母線的一階固有

4、振動頻率 ：20考慮共振電動力最大值的計算電動力的振動頻率為50Hz和100Hz。導體的固有振動頻率低于30Hz或高于160Hz時，約等于1，既不考慮共振影響。21第二節 電氣設備選擇的一般條件 22電氣設備選擇的一般條件一、按正常工作條件選擇1、額定電壓選擇 UN UNS （525） 2、額定電流選擇 N max（526） 3、按當地環境條件校核 要考慮氣溫、風速、溫度、污穢等級、海拔高度、地震烈度和覆冰厚度等環境條件對電氣設備的影響 23二、按短路情況校驗1、短路熱穩定校驗，校驗導體短時發熱 電氣設備選擇的一般條件2、電動力穩定校驗，校驗導體的最大受力 （5-28）（5-29）24短路電流

5、計算條件1、容量和接線：最大運行方式 2、短路種類 ：一般為三相短路3、計算短路點：可能通過被選設備的最大短路電流 4、短路計算時間： tk=tprtab 25表5-3 主要電氣設備的選擇和校驗項目26第三節 母線、電纜和絕緣子的選擇27一、母線選擇 母線選擇和校驗項目：確定母線的材料、截面形狀、布置方式選擇母線的截面積校驗母線的熱穩定和動穩定對重要的和大電流的母線，要共振校驗對110及以上的母線進行電暈校驗28一、母線選擇 （一）母線的材料、截面形狀、布置方式1.母線的材料：常用的母線材料有銅、鋁和鋁合金三種 2.母線的結構：硬裸母線的截面形狀有矩形、槽形和管形。矩形母線散熱條件好,易于安裝

6、與連接,但集膚效應系數大。槽形母線通常是雙槽形一起用,載流量大,集膚效應小,用于電壓等級不超過35kV,電流不超過8000A的回路中。管形母線的集膚效應最小,機械強度最大,還可以采用管內通水或通風的冷卻措施 293.母線的布置形式 一、母線選擇 30槽形形母線的布置形式 31一、母線選擇 （二）母線截面積選擇 方法：1.按最大長期工作電流選擇,用于發電廠的主母線和引下線以及持續電流較小，年利用小時數較低的其他回路的導線 。2.按經濟電流密度選擇,用于年利用小時數高而且長度較長負荷大回路的導線 。 32按最大長期工作電流選擇保證母線正常工作時的溫度不超過允許溫度 （5-32）母線實際允許載流量與

7、周圍環境溫度及母線的布置方式有關，若實際周圍環境溫度與規定的環境溫度不同時，母線的允許溫度要修正，即引入溫度修正系數k。 33 2.按經濟電流密度選擇 導體通過電流時,會產生電能損耗。把投資擇算到每年費用,加上年損耗費為年計算費用,使年計算費用最小的截面為經濟截面Se,J為經濟密度,與年最大負荷利用小時數有關 。 （5-32）（5-34）選出的導體還要按按最大長期工作電流校驗34一、母線選擇 （三）母線的熱穩定校驗方法： 計算滿足短時發熱要求的最小截面積,只要選擇的導體截面積大于此面積,就滿足熱穩定要求. (5-35)只要SSmin就滿足熱穩定要求35一、母線選擇 （四）硬母線的動穩定校驗方法

8、：校驗導體受到電動力時，電動力產生的計算應力與導體材料允許應力的比較，當計算應力小于材料允許應力時，動穩定滿足。 (5-39)36一、母線選擇 （四）硬母線的動穩定校驗1、每相為單條矩形母線的應力計算(5-37)(5-38)W=bh2/6 W=b2h/6 37一、母線選擇 就需要采用一定的措施:限制短路電流變更母線放置方式以加大截面系數增大母線相間距離減小絕緣子間的跨距或增大母線截面積若不滿足公式:計算滿足動穩定要求的最大絕緣子跨距38一、母線選擇 （四）硬母線的動穩定校驗1、每相為多條矩形母線的應力計算圖5-8 兩條矩形母線襯墊布置39一、母線選擇 （四）硬母線的動穩定校驗1、每相為多條矩形

9、母線的應力計算 計算思路: 每相由多條矩形母線組成,作用 在每條導體上總的最大計算應力由相間應力和同相不同條間的應力組成, 應分別計算相間應力和條間應力,再進行相加,不能超過材料的允許應力,相間應力的計算方法同每相單條導體情況,只是截面系數W 不同。40條間應力的計算計算條間應力時，主要是計算條間單位長度的受力，要注意同相母線條間的形狀系數、電流的分配及電流方向。 每相兩條矩形導體，可認為相電流在兩條母線之間平均分配，而且條間距離為2倍的b值。 每相三條矩形導體，可認為電流分布為中間條為20%，兩邊條分別為40% 。 其他計算方法同相間應力計算，截面系數一定為W=b2h/641二、電力電纜選擇

10、電力電纜選擇和校驗項目：電纜芯線材料及型號額定電壓截面選擇允許電壓降校驗熱穩定校驗。 42二、電力電纜選擇（一）電纜芯線材料及型號選擇高溫場所宜用耐熱電纜 重要直流回路宜選用阻燃型電纜 直埋地下一般選用鋼帶鎧裝電纜 潮濕或腐蝕地區應選用塑料護套電纜 敷設在高差大的地點，應采用不滴流或塑料電纜 電纜的型號很多，應根據其用途、敷設 方式和使用條件進行選擇 電纜芯線有銅芯和鋁芯，國內工程一般選用鋁芯電纜43二、電力電纜選擇電纜的額定電壓應大于等于所在電網的額定電壓 （二）電纜額定電壓選擇 （5-47） 44二、電力電纜選擇電力電纜截面一般按長期發熱允許電流選擇，當電纜的最大負荷利用小時Tmax=50

11、00小時，且長度超過20m時，則應按經濟電流密度選擇。電纜截面選擇方法與裸導體基本相同，只是修正系數多考慮一些。（三）電纜截面積選擇 K1、K2為空氣中多根電纜并列和穿管敷設時的修正系數 K3為直埋電纜因土壤熱阻不同的修正系數 K4為土壤中多根并列修正系數 45二、電力電纜選擇 （四）電纜允許電壓損失校驗46三 、支柱絕緣子和穿墻套管的選擇47三 、支柱絕緣子和穿墻套管的選擇 支柱絕緣子選擇項目：類型和額定電壓選擇短路時動穩定校驗 穿墻套管選擇項目：類型、額定電壓和額定電流選擇短路條件校驗熱穩定短路條件校驗動穩定。 48第四節 高壓電器的選擇選擇49一、高壓斷路器的原理與選擇 高壓斷路器是電力

12、系統中最重要的開關設備，它的作用在正常情況下接通或斷開電路，在系統發生故障時自動地迅速地斷開故障電路。斷路器能完成以上功能是因為斷路器有完善的滅弧裝置，能夠熄滅在開斷電路時所產生的電弧。 斷路器是功能最完善、任務最繁重、結構最復雜、價格也最昂貴的開關電器。 50高壓斷路器油斷路器 ：S為少油、D為多油壓縮空氣斷路器：K 六氟化硫斷路器：L 真空斷路器：Z 51高壓斷路器高壓斷路器選擇和校驗項目：選擇型式：選擇額定電壓：UNUNS 選擇額定電流：INImax 校驗開斷能力：INbrI 校驗熱穩定：It2*tQK 校驗動穩定：iesish 52二、高壓隔離開關的原理與選擇 分、合避雷器、電壓互感器

13、和空載母線 分、合勵磁電流不超過2A的空載變壓器 關合電容電流不超過5A的空載線路 隔離開關沒有滅弧裝置，不能斷開正常負荷電流，更不能斷開短路電流，否則此時產生的電弧不能熄滅，甚至造成飛弧，會傷及設備并且嚴重危及人身安全。 作用：隔離電壓:用隔離開關將被檢修的設備與電源電壓隔離倒閘操作:常用隔離開關配合斷路器，協同操作來完成分、合小電流路器： 53高壓隔離開關54高壓隔離開關高壓隔離開關選擇和校驗項目：選擇型式：選擇額定電壓：UNUNS 選擇額定電流：INImax 校驗熱穩定：It2*tQK 校驗動穩定：iesish 55三、高壓熔斷器的原理與選擇 分、合避雷器、電壓互感器和空載母線 分、合勵

14、磁電流不超過2A的空載變壓器 關合電容電流不超過5A的空載線路 熔斷器是最簡單的保護電器，它用來保護電氣設備免受過載和短路電流的損害 作用：隔離電壓:用隔離開關將被檢修的設備與電源電壓隔離倒閘操作:常用隔離開關配合斷路器，協同操作來完成分、合小電流路器： 56高壓熔斷器高壓熔斷器選擇和校驗項目：選擇型式：選擇額定電壓：UNUNS 選擇額定電流：INImax 校驗開斷能力：INbrI 57四、電流互感器的原理與選擇 電流互感器是一種特殊的變壓器，它正常工作在接近短路狀態，為儀用變流器 作用：將一次系統各回路大電流變為二次側的5A或1A、0.5A以下的小電流，以便于測量儀表及繼電器的小型化、系列化

15、、標準化 將一次系統與二次系統在電氣方面隔離，同時互感器二次側必須有一點可靠接地，從而保證二次設備及運行人員的安全 使二次系統脫離一次系統成為獨立的系統；使測量和保護裝置脫離一次設備構成集中的裝置 58電流互感器由一、二次繞組及鐵芯構成,其一次繞組的匝數N1很少,一般只有一匝或幾匝,串在一次主回路中,而二次繞組的匝數N2較多,且與阻抗值很小的電流型負載如電流表線圈、繼電器電流線圈及電度表電流線圈等串接。一次繞組電流由一次主回路決定,不受二次回路的影響; 二次電流則主要決定于一次繞組的電流,但也受負載阻抗的影響。因為負載阻抗值很小,電流互感器的正常工作狀態近似于變壓器的短路狀態， 59電流互感器

16、 電流互感器注意事項： 二次側繞組嚴禁開路:運行中的電流互感器一旦其二次回路開路,F2則為零,故有F1=F0 ,一次側電流磁勢全部用作激磁, 在二次側感應出很高的電壓,對工作人員的安全構成威脅;還可能造成二次回路的絕緣擊穿,甚至引發火災,很大的激磁磁勢作用在鐵芯中,將使鐵芯過度飽和而導致嚴重發熱,使互感器燒壞. 二次側繞組要接地 注意接線極性60電流互感器的誤差 與準確度級電流誤差：相角誤差：二次電流轉過180后一次電流所夾的角度即為相位誤差。 電流互感器的準確級：為電流互感器的最大允許電流誤差的百分值 。61準確級一次電流為額定電流的百分數（%）誤差限值二次負荷變化范圍電流誤差（%）相角誤差

17、（）0.210201001200.5 0.350.2201510（0.251）S2N0.5102010012010.750.56045301102010012021.5112090603501203不規定（0. 51）S2N105012010不規定（0. 51）S2N表5-14 電流互感器準確級和誤差限值 62電流互感器的接線63電流互感器的選擇高壓熔斷器選擇和校驗項目：結構類型選擇 額定電壓選擇: UNUNS 額定電流的選擇 :INImax 電流互感器準確級和額定容量的選擇 熱穩定和動穩定校驗 64五、電壓互感器的原理與選擇 電壓互感器也是一種特殊的變壓器，它正常工作在接近空載狀態，為儀用變

18、壓器.作用：將一次側的高電壓變為二次側的標準化低電壓（100V） ，以便于測量儀表及繼電器的小型化、系列化、標準化 將一次系統與二次系統在電氣方面隔離，同時互感器二次側必須有一點可靠接地，從而保證二次設備及運行人員的安全 使二次系統脫離一次系統成為獨立的系統；使測量和保護裝置脫離一次設備構成集中的裝置 65電壓互感器 由一、二次繞組及鐵芯構成,其一次繞組的匝數N1很多,并在一次主回路中,而二次繞組的匝數N2較少,二次側并聯接入測量儀表和繼電器的電壓線圈其阻抗非常大，故所帶負荷很小，致使電壓互感器正常工作時接近變壓器的空載狀態。66電壓互感器 電流互感器注意事項： 二次側繞組嚴禁短路: 電壓互感

19、器的一、二次電壓有基本固定的倍數關系，但它是以二次負載接近空載為條件。過大的負載引起繞組過熱；在極端情況下，若二次側發生短路，電壓互感器二次側將感應大電流，可能使電壓互感器被燒毀 二次側繞組要接地 注意接線極性67電壓互感器的誤差 與準確度級 電壓互感器的準確級就是在二次負荷從額定值锝.251，COS2=0.8和一次電壓不超過額定值的0.91.1時電壓誤差的最大限值的百分數。 電壓誤差或比差 ：相角誤差：相位差為旋轉180的二次電壓相量-與一次電壓之間的夾角.超前于時為正,反之，為負。68表5-14 電壓互感器準確級和誤差限值 69電壓互感器的接線70電壓互感器的選擇高壓熔斷器選擇和校驗項目：

20、結構類型選擇 額定電壓選擇:電流互感器準確級和額定容量的選擇 71第五節 低壓電器的選擇選擇72 低壓開關電器按作用大體上也可分為隔離電源的開關、投切負荷電流的開關、保護電器以及多功能的斷路器。在低壓電路中，隔離電源容易實現也便于判明，不必如高壓電路那樣要求有明顯可見的斷口。低壓滅弧裝置也較簡單易行，常做成隔離電源和投切一定的負荷電流相結合的連接電源開關，如帶消弧罩的閘刀開關、組合開關和負荷開關。在低壓用電設備中有大量的感應電動機，不但啟動電流大且有頻繁啟動和自動控制等要求，一般用交流接觸器或磁力起動器。 低壓電器的原理73二 低壓電器的選擇低壓電器的選擇與高壓電器選擇無原則上的區別。高壓設備

21、的長期與短時發熱及電動力計算的基本理論同樣適用于低壓電器，一般選擇也基本相同。74二 低壓電器的選擇 低壓電器的特點有：（1）低壓電器控制的負荷多是直接起動的感應式電動機，起動電流大，且常有頻繁操作、自動控制和就地操作試機等要求。（2）低壓網絡短路電流大，但設備結構尺寸小，特別是操作類的電器都有滿足操作頻繁、輕便等要求。當難以從制造上達到完全的動、熱穩定時，允許用“保安電流”替代。（3）低壓網絡，保護的選擇性、靈敏性和快速性等要求由熔斷器和自動開關的有關參數選擇來滿足。（4）低壓網絡結構比較簡單，通常都由小容量配電變壓器供電，其短路電流限制在一定的范圍，具有較強的界限性；充分利用這些特點可以簡

22、化低壓電器的選擇，減少選擇75第六節 發電廠和變電所主變壓器的選擇 76一 變壓器容量、臺數的確定原則主變壓器的容量、臺數直接影響主接線的形式和配電裝置的結構。它的確定除依據傳遞容量基本原始資料外，還應根據電力系統510年發展規劃、輸送功率大小、饋線回路數、電壓等級已經接入系統的緊密程度等因素，進行綜合分析和合理選擇。 77單元接線時變壓器容量應按發電機的額定容量扣除本機組的廠用負荷后，留有10%的裕度來確定。采用擴大單元接線時，應盡可能采用分裂繞組變壓器，其容量亦應按單元接線的計算原則算出的兩臺機容量之和來確定。（一）單元接線的主變壓器容量的確定原則78（二）具有發電機電壓母線接線的主變壓器

23、容量的確定原則1.當發電機全部投入運行時,在滿足發電機電壓供電的日最小負荷,并扣除廠用負荷后,主變壓器應能將發電機電壓母線上的剩余有功和無功容量送入系統。2.當接在發電機電壓母線上的最大一臺機組檢修或故障時,主變壓器應能從電力系統倒送功率,保證發電機電壓母線上最大負荷的需要。3.若發電機電壓母線上接有兩臺或以上的主變壓器時，當其中容量最大的一臺因故推出運行時，其它主變壓器在允許正常過負荷范圍內，應能輸送母線剩余功率的70%以上；4.對水電比重較大的系統，由于經濟運行之要求，應充分利用水能。在豐水期，有時可能停用火電廠的部分或全部機組。此時，火電廠主變壓器應具有從系統倒送功率的能力，以滿足發電機電壓母線上最大負荷的要求。79（三）連接兩種升高電壓母線的聯絡變壓器容量的確定原則 1.聯絡變壓器容量應能滿足兩種電壓網絡在各種不同運行方式下，網絡間的有功功率和無功功率交換。2.聯絡變壓器容量一般不應小于接在兩種電壓母線上最大一臺機組的容量，以保證最大一臺機組故障或檢修時，通過聯絡變壓器來滿足本