9.1電器和載流導體的發熱當電器和載流體通過電流時，有部分電能以不同的損耗形式轉化為熱能，使電器和載流體的溫度升高，這就是電流的熱效應。這些電能損耗，主要是由于電器和載流體存在著電阻，通過電流時將產生電阻損耗。這部分電阻損耗，可以由焦耳—楞次定律來計算其發熱量，式中I——通過的電流(A);t——電流作用的時間(s);R——電阻(Ω),如為直流電路，即為直流歐姆電阻Rd;如為交流電路，則為交流電阻R=K.Rdc,其中K,——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K,=1。其它的損耗還有：在電器或載流體附近的用磁性材料制成的零配件中，當電器或載流體通過交流電流時產生的磁滯和渦流損耗；用非磁性導電材料制成的零件中，由于交變磁場的作用而產生的渦流損耗；用絕緣材料制成的零件中，由于電場的作用而引起的介質損耗等。在正常情況下，這些損耗在總的能量損耗中占的比例很小，或者可以采取措施予以限制，因此通常可以忽略不計。電器和載流體過度發熱的影響主要有：(1)機械強度下降金屬材料溫度升高時，會使材料退火軟化，機械強度降低。例如，鋁導體在長期發熱時，當溫度超過100℃,其抗拉強度便急劇降低。(2)接觸電阻增加導體的接觸連接處，如果溫度過高，接觸連接表面會強烈氧化，使得接觸電阻增加，溫度便隨著增加，因而可能導致接觸處松動或燒熔。(3)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，以致絕緣材料失去彈性和絕緣性能下降，使用壽命大為縮短。電器和載流體主要有兩種發熱狀況，即正常工作情況下的持續發熱和故障情況下的短時發熱。這兩種發熱的過程是大不相同的，因此，對電器和載流導體也就有著不同的影響，在這兩種狀態下的允許發熱也就有著不同的標準。為了安全運行，必須對電器和載流體在正常工作和故障(短路)情況下的發熱進行計算，保證均不超過進行熱力計算的目的，就是要分析在不同的發熱狀況下，電器或載流體可能達到的最高溫度，并與允許溫度相比較，以判定該電器或載流體的熱穩定性能.9.1.1正常工作情況下持續發熱的熱力計算并因此與周圍介質產生溫差，熱量將逐步散失到周圍介質中去。在正常工作情況下，通過的工作電流是持續的，因此，發熱的過程也是持續進行的。對某一工作狀況而言，在經過一段時間后，該電流所產生的全部熱量將隨時完全散失到周圍介質中去，建立熱的平衡，使電器或載流體的溫度達到某一穩定值。當工作狀況改變時，則熱平衡被破壞，溫度發生變化；再過一段時間，又能建立新的熱平衡，達到另一個穩定溫度。顯然，在這種正常工作情況下持續發熱時產生的熱量，將使其溫度升高所需的熱量及向周圍介質散失為了便于討論，以同一材料制成并且有相同截面的均勻導體(如母線)為例來進行分析。對于均勻導體，其持續發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(Q);A——導體散熱表面積(m2);θ——導體溫度(℃);m——導體質量(kg);c——導體比熱容(W·s/kg·℃)。導體通過正常工作電流時，導體的溫度變化范圍不大，可以認為電阻R、比熱容c、散熱系數K為常令to=θ?-θ;、t,=θ,-θ;,To、t,分別稱為導體起始和t(s)時的溫升。如果發熱過程開始時，導體溫度等于周圍介質的溫度，即θ?=θ;,則to=0,上式可以簡化為當t→0時，導體的溫升稱為導體的穩定溫升，即由此可見，在工作電流作用下，當導體因流過電流而消耗的電功率(I2R),與散發到周圍介質中的熱功率(KAtw)相等時，導體的溫度即不再增加，因而達到穩定溫升tw。式(9-3)中，對一定的導體而言是一個常數，其單位是秒，稱為發熱時間常數T,即發熱時間常數僅與導體的材料和幾何尺寸有關，其物理意義可以認為是導體的熱容量與散熱能力之該式為均勻導體持續發熱時溫升與時間的關系式，其曲線如圖9-1。分析式(9-6)和圖9-1,可見：(1)溫升t起始階段上升很快，隨著時間的延長，其上升速度逐漸減小。這是因為起始階段溫度較低，散熱量也較少，發熱量主要用來使導體溫度升高，所以溫升上升速度很快。在導體的溫度升高后，也就使導體對周圍介質的溫差加大，散熱量就逐漸增加，因此，導體溫度升高的(2)對于某一導體，當通過不同的電流時，由于發熱量不同，穩定溫升也就不同。電流大時，穩定溫升高；電流小時，穩定溫升低。(3)達到穩定溫升的時間，從理論上講應該是無限大，而實際上，當t=(3～4)T時，溫升即達到穩定值的(95～98.2)%。所以，當t>(3～4)T時，其溫升值即可按穩定溫升tw計算。散熱系數K包括所有的散熱形式，即傳導、輻射和對流。置于液體介質中或由液體內冷的導體，其主要散熱形式是傳導；置于空氣中的導體，在室外或強制通風時，由于風速較大，則主要是對流散熱；置于室內空氣中的導體，輻射和對流是它的兩種主要散熱形式。散熱效果就更好，但由于機械強度等原因，也不宜采用過薄的片形母線。根據導體持續發熱的條件，當導體的穩定溫升Tw小于或等于導體持續發熱時的允許溫升t時，可以認為是熱穩定的。根據式(9-4),令Tw=T,可以求出該導體正常運行情況下最大允許電流I,即銅、鋁及鋼裸母線持續發熱允許溫度規定為70℃。續發熱條件下不超過最大允許溫升。認為其熱量全部用來升高導體自身的溫度，即認為是一個絕熱過程。導體在短路前后溫度的變化，如圖9-2。在時間t?以前，導體處于正常工作狀況，θ8就是導體正常工作時(短路前)的溫度。在時間t?時發生短路，導體溫度急劇升高，θ?是短路后導體的最高溫度。到時間t?時短路被切除，導體溫度逐漸下降，最后接近于周圍介質的溫度(θ;)。θθ0圖9-2短路前后導體溫度的變化對于均勻導體，短時發熱的熱平衡方程式是式中i——短路電流的瞬時值。短路時，由于導體溫度的變化范圍很大，這時，其電阻R。和比熱容c。都不是常數。其隨溫度而變化的關系式是式中Po——溫度為0℃時導體電阻率(Ω);Co——溫度為0℃時導體比熱容(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(m2)。將式(9-9),(9-10)代入式(9-8),得又因為導體的質量式中Pm——導體材料密度(kg/m3)。所以，式(9-11)可以寫為整理后得將等式左邊從短路開始(t=0)到短路切除時(t)積分，等式右邊從導體的短路開始時溫度(θo)到通過短路電流發熱后的最高溫度(θ?)積分，整理后得等式(9-12)左邊是短路電流作用t(s)內的熱效應因為考慮到故障切除時間t都是按周波數的整倍數(2nπ)計，所以,且i=I"M=√2I",可忽略不計，這時式中Q,——短路電流周期分量在t(s)內的熱效應；Qp?——短路電流非周期分量在t(s)內的熱效應。短路電流周期分量在t(s)內的熱效應Qπ,可以用發熱等值時間法或求近似數值積分的方法求得。發熱等值時間法，是令其物理意義是短路電流周期分量I,在短路電流作用時間t(s)內的熱效應，與穩態短路電流I。在短路電流周期分量發熱等值時間(假想時間)t;的熱效應相同，即將圖9-3中曲邊梯形DEFO的面積計算改為有關并依賴于實際短路電流ia的變化規律，它與電機參數、勵磁調節器的動作特性有關，可以針對典型的參數與特性作出在工程上有實用性的等效計算。令則上式為由此可見，tiz=f(β",t),按照具有自動電壓調節器的發電機組的平均運算曲線，可以繪出t;z=f(β",t)曲線族，見圖9-4。t;(S)t;(S)55車332"0.5電機，勢必產生較大誤差。這時最好采用近似數值積分法。由于此式中系數依次為1、10、1,故亦簡稱為1-10-1公式。算中，本著計算結果偏于安全的原則，為簡化計算，可以取各支路中最大的T,作為短路計算用等效時間常數。如在發電機端發生短路，就可以取發電機機端短路時的T;作為計算用等效時間常數。根據我國電力系統元件的參數，表9-1列出了不同短路點的等效時間常數推薦值。高壓側母線主變容量>100MVA主變容量=40～100MVA式(9-12)的右邊經整理得A只與導體的材料和溫度θ有關。對于不同的導體材料(如銅、鋁),都可以作出θ=f(A)曲線，如圖9-5所示。根據導體材料和短路開始時的溫度θ。,可以從曲線上求出A?。當短路電流及持續時間確定后，可算出Qa,如同時已知導體截面S,則可按式9-23求出A?,并由曲線反推出短路過程結束時的溫度θ?。當該溫度不大于該導體材料短時發熱的最高允許溫度θxd,即則認為該導體在此短路條件下熱穩定滿足要求。 ACJ/a·m?)〕]JAzaA/4在實用計算中，令C稱為熱穩定系數。由以上分析可知，對于任何一種導體材料規定的該材料短時發熱的最高允許溫度θ和短路開始時的導體溫度(通常取正常工作時，導體允許的最高溫度70℃),熱穩定系數是確定的，可以從表9-2中查出。這時，式(9-21)即成為所以，導體滿足短路時熱穩定條件的最小截面對于電器短路時的熱穩定，是指電器在短路電流作用下的最高溫度不超過電器在短時發熱條件下的允許最高溫度，亦即電器在短路作用時間t內，短路電流的熱效應Qd,應不大于電器通過短路電流時的允許熱效應Qxud,即如果電器制造廠在設備技術數據中提供了電器在t(s)內允許的熱穩定電流I,,則電器的短時熱穩定條件是導體材料短路時最高允許溫度(℃)C值銅鋁鋼不直接與設備連接直接與設備連接9.2電器和載流體的電動力效應載流導體之間將產生電動力的相互作用，這就是載流導體的電動力效應。載流導體間的作用力大小，可以用比奧—沙瓦定律計算，即作用于長度為1,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其方向可以由左手定則確定。電器和載流體在正常工作情況下，由于流過的電流相對較小，所以其間的作用力是不大的。而在短路時，由于短路電流比正常工作電流大很多倍，所以，其間的作用力可能達到很大的數值。短路電流所產生的巨大電動力，對于電器或配電裝置具有很大的危害性。如：(1)電器的載流部分可能因為電動力而振動，或者因電動力所產生的應力大于其材料允許應力而變形，甚至使絕緣部件或載流部件損壞。(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。要使電氣裝置安全可靠地工作，必須能承受短路時電動力的作用，而不致擴大事故或造成設備的永久性損壞，這就要求對電器和載流體進行短路時電動力穩定性的校驗。以下討論比較簡單的平行導體之間的電動力。9.2.1兩根平行導體之間的電動力如圖9-6,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；而當電流方向相同時，則產生吸力。(a)電流方向相反(b)(a)電流方向相反圖9-6兩根平行載流體間的作用力當導體的幾何尺寸比導體間的距離小得多時，可以認為電流集中在各自的幾何軸上流過。如果兩導體無限長，則一導體(流過電流i)在另一導體(流過電流i?)處產生的磁感應強度因為B?的方向與流過電流i?的導體垂直，故φ=90°,sinφ=1。以上均代入式(9-30),整理得式中i,i?——分別通過兩平行導體的電流(A);l——該段導體的長度(m),a——兩根導體軸線間的距離(m)。在計算兩平行母線之間的電動力時，其長度通常可按該母線相鄰兩個支柱絕緣子之間的距離(檔距)來計算，求得的電動力為該段母線上均勻分布的總作用力。成的母線排。這時，按上式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，式(9-29)可改寫為對于截面不很大的圓形截面，K=1;矩形截面的形狀系數，可查圖9-7。KK0.60.50.40.3b圖9-7決定矩形截面母線形狀系數的曲線9.2.2三相系統中導體間的電動力在三相系統中，作用于每相導體上的電動力，由該導體中的電流和其它兩相導體中電流所產生的相互相水平布置的母線在圖示電流方向時受力的情形。經計算，三相系統中中間相受力最大。由于電動力最大瞬時值直接決定于短路沖擊電流ich,對于無限大容量系統(kA)代入上式，可求得三相系統三相短路時電動力的最大瞬時值可以以此作為校驗母線電動力穩定的依據。短路電動力將引起母線振動，嚴重時可能引起共振，使母線系統遭到破壞。為了避免危險的共振，應使母線短路作用力的振動頻率盡量避開母線本身固有振動頻率的范圍，否則就要計入振動系數。所以，水平放置在同一平面內的三相交流系統的母線，其最大作用力是裝在支柱絕緣子上的硬母線，是不允許硬性固定在每個絕緣子上的。而且，對于較長的母線，在適當部位還必須設置撓性伸縮節，使母線在溫度變化時，可以在一定范圍內自由伸縮。因此，在進行母線機械強度計算時，可以認為母線是一端固定、受均勻荷載的多跨距連續梁。在這種情況下，作用于母線上的最大彎矩式中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，可查有關手冊。若母線最大計算應力σmax不大于母線材料的允許應力σ,即表9-3各種材料最大允許應力硬母線材料最大允許應力σxuKGf/cm3銅鋁686×10?鋼9.3電氣設備選擇的一般條件正確地選擇設備是使電氣主接線和配電裝置達到安全、經濟運行的重要條件。在進行設備選擇時，應的電氣設備。熱穩定和動穩定。9.3.1按正常工作條件選擇導體和電器1.額定電壓和最高工作電壓導體和電器所在電網的運行電壓因調壓或負荷的變化，常高于電網的額定電壓Uew,故所選電器和電纜允許最高工作電壓Uymax不得低于所接電網的最高運行電壓Ugmax,即一般電纜和電器允許的最高工作電壓：當額定電壓在220kV及以下時為1.15Ue;額定電壓為330~500kV時為1.1Ue。而實際電網運行的Ugmax一般不超過1.1Ue,因此在選擇設備時，一般可按照電器和電纜的額定電壓U,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Ie)應不小于該回路的最大持續工作電流Igmax,即Igmax≤I,(或I)(9-3由于發電機、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=1.05I(Ie為電機的額定電流);母聯斷路器回路一般可取母線上最大一臺發電機或變壓器的Igmax;母線分段電抗器的Igmax應為母線上最大一臺發電機跳閘時，保證該段母線負荷所需的電流；出線回路的Igmax除考慮線路正常負荷電流(包括線路損耗)外，還應考慮事故時由其它回路轉移過來的負荷。此外，還應按電器的裝置地點、使用條件、檢修和運行等要求，對導體和電器進行種類(屋內或屋外)3.按當地環境條件校核在選擇電器時，還應考慮電器安裝地點的環境條件，當氣溫、風速、濕度、污穢等級、海拔高度、地當地區海拔高度超過制造部門規定之值時，由于大氣壓力、空氣密度和濕度相應減少，使空氣間隙和外絕緣的放電特性下降，一般當海拔在1000～3500m范圍內，若海拔比廠家規定值每升高100m,則最大工作電壓要下降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以下電氣設備，由于外絕緣裕度較大，可在海拔2000m以下使用。當周圍環境溫度θ和導體(或電器)額定環境溫度θ?不等時，其長期允許電流I,可按下式修正式中K——修正系數：我國目前生產的電氣設備的額定環境溫度θ?=40℃。如周圍環境高于+40℃(但≤+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；當環境溫度低于+40℃時，環境溫度每降低1℃,額定電流可增加0.5%,但其最大負荷不得超過額定電流的20%。我國生產的裸導體的額定環境溫度θ?為+25℃,當裝置地點環境溫度在-5～+50℃范圍內變化時，導體允許通過的電流可按式(9-42)修正。此外，當海拔高度上升時，日照強度相應增加，故屋外載流導體如計及日照影響時，應按海拔和溫度綜合修正系數對載流量進行修正。9.3.2按短路情況校驗1.短路熱穩定校驗短路電流通過時，導體和電器各部件溫度(或發熱效應)應不超過允許值，即滿足熱穩定的條件為上二式中Qa——短路電流產生的熱效應；Q,——短路時導體和電氣設備允許的熱效應；I,——t秒內允許通過的短時熱電流(或短時耐受電流)。2.電動力穩定校驗電動力穩定是導體和電器承受短路電流機械效應的能力，亦稱動穩定。滿足動穩定的條件是上二式中i、I;短路沖擊電流幅值及其有效值；i、I——允許通過穩定電流的幅值和有效值。下列幾種情況可不校驗熱穩定或動穩定：(1)用熔斷器保護的電器，其熱穩定由熔斷時間保證，故可不驗算熱穩定。(2)采用有限流電阻的熔斷器保護的設備可不校驗動穩定；電纜因有足夠的強度，亦可不校動穩定。(3)裝設在電壓互感器回路中的裸導體和電器可不驗算動、熱穩定。3.短路電流計算條件為使所選導體和電器具有足夠的可靠性、經濟性和合理性，并在一定時期內適應系統發展需要，作驗算用的短路電流應按下列條件確定。(1)容量和接線按本工程(施工期長的大型水電廠)設計最終容量計算，并考慮電力系統遠景發展規劃(一般為本期工程建成后5～10年);其接線應采用可能發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并列運行的接線方式(例如切換廠用變壓器并列)。(2)短路種類一般按三相短路驗算，若其它種類短路較三相短路嚴重時，則應按最嚴重情況驗算。(3)計算短路點選擇通過導體和電器的短路電流是最大的那些點為短路計算點。現以圖9-7為例，將短路計算點的選擇方法說明如下：(1)發電機、變壓器回路的斷路器應比較斷路器前或后短路時通過斷路器的電流值，擇其較大者為短路計算點。例如，選擇發電機斷路器QFi,當K?點短路時，流過QF?的電流為IG;當K?點短路時，流過的電流為IG?+IT,若二臺發電機容量相等，則IG?+IT>IG,故應選K?點為QF?的短路計算點。應考慮當母聯斷路器向備用母線充電時，備用母線故障，即K?點短路，此時，全部短路電流IGi+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K,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K?點為計算短路點，這樣出線可選用輕型斷路器，節約投資。4.短路計算時間校驗短路熱穩定和開斷電流時，還必須合理地確定短路計算時間。驗算熱穩定的短路計算時間t,為繼電保護動作時間t,和相應斷路器的全開斷時間ta之和，即式中tkd——斷路器全開斷時間，為固有分閘時間與燃弧時間之和。當驗算裸導體及110kV以下電纜短路熱穩定時，一般采用主保護動作時間。如主保護有死區時，則應采用能保護該死區的后備保護動作時間，并采用相應處的短路電流值。如驗算電器和110kV及以上充油電纜的熱穩定時，為了可靠，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t應為主保護時間t?和斷路器固有分閘時間tg。之和(固有分閘時間t。為接到分閘信號到觸頭剛分離這一段時間),即tk=tb+tgf(9-46)9.4高壓開關電器的選擇高壓斷路器、隔離開關及高壓熔斷器可按照表9-4各項進行選擇和校驗。以下僅就選擇時應注意的問額定電壓額定電流開斷電流短路關合電流熱穩定動穩定高壓斷路器Ue≥Uew隔離刀關一—高壓熔斷器———9.4.1高壓斷路器選擇1.斷路器種類和型式的選擇高壓斷路器應根據斷路器安裝地點、環境和使用技術條件等要求選擇其種類和型式。目前，廣泛采用真空斷路器和SF?斷路器。2.按開斷電流選擇式中I?——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。如第9-3節中所述，校驗短路應按照最嚴重的短路類別進行計算，但由于斷路器開斷單相短路的能力比開斷三相短路大15%以上，因此只有單相短路比三相短路電流大15%以上才作為短路計算條件。一般中、慢速斷路器，由于開斷時間較長(>0.1s),短路電流非周期分量衰減較多，能滿足國家標準規定的、非周期分量不超過周期分量幅值20%的要求，故可用式(9-46)計算。對于使用快速保護和高速斷路器者，其開斷時間小于0.1s,當在電源附近短路時，短路電流的非周期分量可能超過周期分量的20%,因此其開斷短路電流應計及非周期分量的影響。短路全電流應按下式計算：式中I?——開斷瞬間短路電流周期分量有效值，當開斷時間小于0.1s時，I?≈I";tk——開斷計算時間(s);其中xz——電源至短路點等效總電抗(令r=0);r?——電源至短路點等效總電阻(令x=0)。如計算結果非周期分量超過周期分量20%以上時，訂貨時應向制造部門提出補充要求。裝有自動重合閘裝置的斷路器，當操作循環符合廠家規定時，其額定開斷電流不變。3.短路關合電流的選擇在斷路器合閘之前，若線路上已存在短路故障，則在斷路器合閘過程中，觸頭間在未接觸時即有巨大的短路電流通過(預擊穿),更易發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，不可避免地在接通后又自動跳閘，此時要求能切斷短路電流，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時的安全，斷路器的額定關合電流i不應小于短路電流最大沖擊值i;,即一般斷路器額定關合電流不會大于額定動穩定電流i,因此，如ih≥i;,則i≥i;。高壓斷路器的操動機構，大多數是由制造廠配套供應，僅部分斷路器有電磁式、彈簧式或液壓等幾種型式的操動機構可供選擇。一般電磁式操動機構雖需配有專用的直流合閘電源，但其結構簡單可靠；彈簧式的結構比較復雜，調整要求較高；液壓操動機構加工精度要求較高。操作機構的型式，可根據安裝調試方便和運行可靠性進行選擇。其它如熱穩定和動穩定的校驗，與以前所述相同，便不贅述。隔離開關的選擇和校驗條件如表9-4所示。屋外隔離開關的型式較多，它對配電裝置的布置和占地面積等有很大影響，因此，其型式應根據配電裝置的布置特點和使用要求等因素，進行綜合技術經濟比較確定。例9-1選擇圖9-8中發電機F?的斷路器和隔離開關，發電機參數和系統阻抗如圖9-8所示。主保護tb=0.05s,后備保護tb2=4s。火u=10.5%天大⑤G,=G?T解：最大持續工作電流Igmax=1.05Ie=1804A因為發電機斷路器設在10.5kV屋內配電裝置中，故選用VB12-20-40G真空斷路器，其主要參數見表9-5。VB12-20-40G固有分閘時間為0.06s,全開斷時間為0.1s。開斷計算時間tk=tb+tg=0.05+0.06=0.11s查運算曲線得短路電流并換算為有名值：I"=26.4kA;;I(2=19.1kA;Io.=20.8kA。短路熱穩定計算時間t,=tb?+t=4+0.1=4.1s因I(2)>I3,故應按二相短路校驗熱穩定。查周期分量等值時間曲線得t?=3.8s,由于t,>1s,故非周期分量發熱可忽略不計，ta=3.8s。隔離開關按額定電壓和額定電流選用GN2-10/2000。斷路器和隔離開關選擇結果，如表9-5所示。斷路器配用CD10-Ⅲ型操作機構。計算數據VB12-20-40GGN2-10/2000一—高壓熔斷器的選擇、校驗條件和計算公式如表9-4所示。在選擇時應注意以下幾點：1.按額定電壓選擇對于一般的高壓熔斷器，其額定電壓必須大于或等于電網的額定電壓。另外對于充填石英砂有限流作用的熔斷器，則只能用在等于其額定電壓的電網中，因為這種類型的熔斷器能在電流達最大值之前就將電流截斷，致使熔斷器熔斷時產生過電壓。過電壓的倍數與電路的參數及熔體長度有關電壓的電網中為2.0～2.5倍，但如在低于其額定電壓的電網中，因熔體較長，過電壓值可高達3.5～4倍相電壓，以致損害電網中的電氣設備。2.按額定電流選擇熔斷器的額定電流選擇，包括熔斷器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殼不致損壞，高壓熔斷器的熔管額定電流IeRg,應大于或等于熔體的額定電流IRt。(2)熔體額定電流選擇為了防止熔體在通過變壓器勵磁涌流和保護范圍以外的短路及電動機自起動等沖擊電流時誤動作，保護35kV以下電力變壓器的高壓熔斷器，其熔體的額定電流可按下式選擇IeRg=KIgmax(9-51)式中K——可靠系數(不計電動機自起動時，K=1.1~1.3;考慮電動機自起動時，K=1.5～2.0);用于保護電力電容器的高壓熔斷器的熔體，當系統電壓升高或波形畸變引起回路電流增大或運行過程中產生涌流時不應誤熔斷，其熔體按下式選擇IeRg=KIec式中K—可靠系數(對限流式高壓熔斷器，當一臺電力電容器時，K=1.5～2.0;當一組電力電容器時，K=1.3～1.8);Iec——電力電容器回路的額定電流。3.熔斷器開斷電流校驗對于沒有限流作用的熔斷器，選擇時用沖擊電流的有效值I;進行校驗；對于有限流作用的熔斷器，在電流過最大值之前已截斷，故可不計非周期分量影響，而采用I"進行校驗。4.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由制造廠提供的安秒特性曲線上查出。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來選擇。9.5母線、電纜、絕緣子選擇9.5.1敞露母線及電纜的選擇敞露母線一般按下列各項進行選擇和校驗：①導體材料、類型和敷設方式；②導體截面；③電暈；④熱穩定；⑤動穩定；⑥共振頻率。電纜則按額定電壓和上述①、②、④項及允許電壓降選擇和校驗。1.敞露母線及電纜的選型常用導體材料有銅和鋁。銅的電阻率低，抗腐蝕性強，機械強度大，是很好的導體材料。但是它在工業和國防上有很多重要用途，且我國銅的儲量不多，價格較貴，因此銅母線只用在持續工作電流大，且位置特別狹窄的發電機、變壓器出線處或污穢對鋁有嚴重腐蝕而對銅腐蝕較輕的場所。鋁的電阻率雖為銅的1.7～2倍，但密度只有銅的30%,我國鋁的儲量豐富，價格較低，因此一般都采用鋁質材料。工業上常用的硬母線截面為矩形，槽形和管形。矩形母線散熱條件較好，有一定的機械強度，便于固定和連接，但集膚效應較大。為避免集膚效應系數過大，單條矩形的截面最大不超過1250mm2。當工作電流超過最大截面單條母線允許電流時，可用2~4條矩形母線并列使用。但是由于鄰近效應的影響，多條母線并列的允許載流量并不成比例增加，故一般避免采用4條矩形。矩形導體一般只用于35kV及以下，圖9-9矩形母線的布置方式2.母線及電纜截面選擇(1)按導體長期發熱允許電流選擇導體所在電路中最大持續工作電流Igmax應不大于導體長期發熱的允許電流I,即式中Iy——相應于導體允許溫度和基準環境條件下導體長期允許電流；K——綜合修正系數(裸導體的K值與海拔和環境溫度有關，電纜的K值與環境溫度、敷設方式和土壤熱阻有關，K值可查電力工程設計手冊等有關手冊)。(2)按經濟電流密度選擇負荷年利用小時數Tmax將有一個年計算費用最低的電流密度——經濟電流密度(J)。部分導體的經濟電流密度，見表9-6。導體的經濟截面可由下式決定：式中Igmax-—正常工作時的最大持續工作電流。載流導體名稱最大負荷年利用小時數3000以內3000～50005000以上銅導體和母線鋁導體和母線銅芯鋁芯橡皮絕緣銅芯電纜應盡量選擇接近式(9-57)計算的標準截面，當無合適規格的導體時，為節約投資，允許選擇小于經濟截面的導體。按經濟電流密度選擇的導體截面還必須滿足式(9-56)的要求。在負荷電流較大，有多種型式的電纜可供選擇時，應考慮采用不同敷設方式(包括并列根數、間距等)電纜載流能力的不同，通過技術經濟比較，合理選擇電纜截面和型式。3.電暈電壓校驗電暈放電將引起電暈損耗、無線電干擾、噪聲干擾和金屬腐蝕等許多不利現象，對于110～220kV裸母線，可按晴天不發生全面電暈條件進行校驗，即裸母線的臨界電壓U;應大于其最高工作電壓Ugmax對于330～500kV超高壓配電裝置，電暈是選擇導線的控制條件，要求在1.1倍最高運行的相電壓下，晴天夜間不發生可見電暈。選擇時應綜合考慮導體直徑、分裂間距和相間距離等條件，經技術經濟比較，確4.熱穩定校驗按正常電流選出導體截面后，還應按熱穩定進行校驗。根據短路電流的熱效應可知，Qa=I2t=S2(Az-Ak)如計及集膚效應系數,則按熱穩定決定的導體最小截面為熱穩定系數C值與材料及發熱溫度有關。母線的C值，如表9-7所示。表9-7不同工作溫度下裸導體的C值工作溫度(℃)硬鋁及鋁錳合金電纜的熱穩定系數C可用下式計算式中η——計及電纜芯線充填物熱容隨溫度變化以及絕緣散熱影響的校正系數，對于3～6kV廠用回路，取0.93;Q——電纜芯單位體積的熱容量(cal/cm3·℃),鋁芯取0.59;J——熱功當量系數，取4.2(J/cal);α——電纜芯在20℃時的電阻溫度系數(1/℃),鋁芯為0.00403;K——20℃時導體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;P?O一一電纜芯在20℃時的電阻系數(Ω·cm2cm),鋁芯取0.031×10?,θ——短路前電纜的工作溫度(℃);θa一一電纜在短路時的最高允許溫度，對10kV及以下普通粘性浸漬紙絕緣及交聯聚乙烯絕緣電纜為200℃,有中間接頭(錫焊)的電纜最高容許溫度為120℃。5.硬母線動穩定校驗各種形狀的硬母線通常都安裝在支持絕緣子上，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，母線應按彎曲情況進行應力計算。下面介紹單條母線的應力計算方法。按照母線在支持絕緣子上固定的形式，通常假定母線為自由支承在絕緣子上的多跨距、載荷均勻分布的梁，在電動力的作用下，母線所受的最大彎矩M為M=fI2/10(N·m)(9-59)式中f.——單位長度母線上所受相間電動力(N/m);l——支持絕緣子間的跨距(m)。當跨距數等于2時，母線所受最大彎矩為M=fl2/8(N·m)(母線最大相間計算應力σ;=M/W(Pa)(9-61)上式中W為母線對垂直于作用力方向軸的截面系數(也稱抗彎矩)。矩形母線按圖9-11(a)布置時，W=π(D?-d?)/32D(m3)(D、d為圓管母線的外徑和內徑)。按式9-61求出的母線應力σ;應不超過母線材料允許應力σ,,即σx;≤σ,導體材料的允許應力σ,見表9-8。導體材料最大允許應力(Pa)69×10?為了便于計算，設計中常根據材料最大允許應力來確定絕緣子間最大允許跨距，由式(9-59)可得當矩形導體水平置放時，為避免導體因自重而過分彎曲，所選取的跨距一般不超過1.5～2m。考慮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隔寬度。6.母線共振的校驗當母線的自振頻率與電動力交變頻率一致或接近時，將會產生共振現象，增加母線的應力。因此，對于重要回路(如發電機、變壓器及匯流母線等)的母線應進行共振校驗。母線的一階自振頻率可按計算，其中L為跨距(m);N,為頻率系數，可根據導體連續跨數和支撐方式由手冊查得。當自振頻率無法限制在共振頻率范圍之外時，母線受力必須乘以動態應力系數β,β值可由手冊查得。還可寫成已知母線的材料、形狀、布置方式和應避開共振的自振頻率(一般f?=200Hz)時，可由上式計算母線不發生共振所容許的最大絕緣子跨距lmax,如選擇的絕緣子跨距小于1max,則β=1。有關手冊已列出1max值供設計時參考。9.5.2封閉母線的選擇凡屬定型產品的封閉母線，制造廠將提供有關封閉母線的額定電壓、額定電流、動穩定電流和短時熱電流等參數，因此可按電器選擇一般條件中所述方法來進行選擇和校驗。由于各個工程的封閉母線布置情況不同，所連接的發電機、變壓器、配電裝置的標高和連接要求也不相同，因此，還要向制造廠提供封閉母線的平斷面布置圖，供制造廠進行布置和連接部分設計。當選用非定型封閉母線時，應進行導體和外殼發熱、應力以及絕緣子抗彎的計算，并進行共振校驗。9.5.3支柱絕緣子和穿墻套管的選擇支持絕緣子和穿墻套管是母線結構的重要組成部分，其選擇和校驗項目見表9-9。額定電壓額定電流支柱絕緣子Ue≥Uew——Fs≤0.6FhFj?——計算作用力；Fpm——彎曲破壞力；Qa——熱效應。絕緣子和套管的機械應力計算：布置在同一平面內的三相母線(如圖9-10所示),在發生短路時，支柱絕緣子所受的力為與該絕緣子相鄰跨母線上電動力的平均值。例如絕緣子1所受力為式中——計算跨距(m);l?、l?——與絕緣子相鄰的跨距(m)。式(9-65)可用于計算穿墻套管承受的作用力，式中l;s=(L+lg)/2(l?g為套管長度)。圖9-10絕緣子和穿墻套管所受的電動力由于母線電動力Fmax是作用在母線截面中心線上，而支柱絕緣子的抗彎破壞強度是按作用在絕緣子帽上給定的(如圖9-11所示),為了便于比較，必須求出短路時作用在絕緣子帽上的計算作用力Fjs。式中H——絕緣子高度(mm);H?——絕緣子底部到母線水平中心線的高度，H?=H+b+h/2(mm);其中b——母線支持器下片厚度，一般豎放矩形母線b=18mm;平放矩形及槽形母線b=12mm。幔圖9-11絕緣子受力示意圖及以上水平裝置的支持絕緣子，在進行機械計算時，應考慮母線和絕緣子的自重以及短路電動力的復合作用。屋外支柱絕緣子尚應計及風和冰雪的附加作用。校驗短時荷載作用時，支柱絕緣子及穿墻套管的機械強度安全系數不應小于1.67,即Fjs≤0.6Fm(N)例9-2選擇圖9-10的10.5kV配電裝置匯流母線。已知參數(部分已在圖中標出)如下：10.5kV母線短路電流I"=40kA,I3)=20kA,I(2)=26kA,發電機及變壓器后備保護的t?=6s,斷路器全開斷時間tka=0.2s,配電裝置室最高溫度為30℃。三相母線水平布置，導體平放，相間距離為0.7m,絕緣子跨距為1.7m。解：(1)按長期發熱允許電流選擇截面按圖9-10所示接線分析，可知母線最大持續工作電流不超過主變壓器的最大工作電流Igmax,故母線最大持續工作電流為查表選用3條125×10mm2矩形母線，其集膚效應系數K=1.47,Iy25c=3903A。查表(或按式9-40計算)當周圍環境溫度為30℃時，溫度修正系數為0.94。Iy30oc=0.94×3903=3669>3464(A)t,=tka+t,=0.2+6=6.2(s)因I(2)>I3),故因t,>1s,故不計非周期分量影響。由圖9-4中，t=5s,查等值時間曲線，得t?=4.8s,taz=(t,-5)+t?=6.2-5+4.8=6(s)正常運行時導體最高溫度查表9-7,C=88.6;滿足短路時發熱的最小導體截面為小于所選導體截面(3750mm2),故滿足熱穩定要求。m=hbpm=0.125×0.01×2700=3.375(kg/m)W=bh2/6=0.01×0.1252/6=26×10?(m3)I=bh3/12=0.01×0.1253/12=1.63×10?(m?)母線自振頻率故β=1i;=2.25×40=102(kA)母線相間應力為母線截面系數W=3W=3×26×10?=78×10?(m3)6(Pa)在圖9-7曲線中由于可查得，母線形狀系數K?2=0.37,K?3=0.57 L,=ba4h/f,=0.01×119740.125/7824=0.757(m)σy=σy-o,=(69-9.5)×10?=59.5×10?(Pa)條間襯墊允許最大跨距為了便于安裝，每段絕緣子跨距中設三個襯墊，L;。例9-3選擇100MW發電機-變壓器組的連接母線、支柱絕緣子及穿墻套管。己知：發電機額定電壓為10.5kV,額定電流6468A,最大負荷利用小時數為5200h;發電機連接母線上短路電流I"=35.4kA,I(3)=17.5kA,I(2)=22.8kA。發電機后備保護的t?=4s,斷路器全開斷時間t=0.2s,地區最熱月平均溫度為+35℃。發電機連接母線三相水平布置，相間距離a=0.7m。1.母線選擇(1)母線截面和形狀選擇由于發電機連接母線負荷電流很大，且屬于重要回路，故應按經濟電流密度選擇其截面。由表9-6可知，采用鋁母線，當Tmax=5200h時，J=0.9A/mm2,母線經濟截面為(mm2)由于母線電流大，矩形母線已不能滿足要求，故選用2條較計算截面稍大的標準槽形母線200×90×12(h×b×c),S=8080mm2,K=1.237,W,=46.5×106m3,Iy=294×188m,母線允許電流I25c=8800A。考慮到環境溫度的修正，修正系數I,35c=8800×0.88=7744A>Igmax(2)校驗熱穩定短路熱穩定計算時間t,=t+t,=0.2+4=4.2(s)因為I(2>I3,故應按I(2)進行熱穩定校驗，查等值時間曲線t?=3.95s。因t,>1s,可不計非周期分量的影響，故ta=t?=3.95s。正常運行時導體最高溫度查表9-7,C=91滿足短路時發熱的最小導體截面(mm2)i,=2.55I"=2.55×35.4=取L=0.5m,條間應力相間允許應力σxy=σ,-σ,=(69-0.91×10?=68.09×10?(Pa)單位長度上相間電動力(β暫取1)對于雙槽形母線W=2W,,絕緣子間最大允許跨距由式9-63母線共振校驗f?=200Hz由式9-64可得2.支柱絕緣子選擇根據工作電壓和裝置地點，屋內部分選ZC-10F型支柱絕緣子，其抗彎破壞負荷Fpm=12250N,絕緣子高度H=225mm(參見圖9-13)。根據工作電壓和額定電流，選用CMWF2-2套管窗口尺寸為210×200>2×(200×90)(mm×mm)套管受力若例2采用實用計算法校驗其熱穩定時，其驗算方法如下：短路時間(s)024三相短路二相短路A2·s)Qa=Q?+Q=2083+2233=23063(kA2·s)查表9-7知C=91,例9-4如圖9-12所示接線，選擇出線電纜。在變電所A兩段母線上各接有一臺3150kVA變壓器，正所距電廠500m,在250m處有中間接頭，該接頭處短路時，I"=18kA,I(3)=10kA,電纜采用直埋地下，土壤溫度θ?=20℃,熱阻系數g=80,線路主保護t,=0.6s。接頭圖9-12選擇出線電纜接線圖解：(1)按經濟電流密度選擇截面一臺變壓器查表9-6鋁芯電纜Tmax=4500h,J=1.4A/mm2,選用二根10kVZLL12三芯油浸紙絕緣鋁芯鋁包鎧裝防腐電纜，每根電纜S=95mm2,Ig?5c=185A,正常允許最高溫度60℃。(2)按長期發熱允許電流校驗考慮一回線故障時負荷的轉移，I'max=2×182=364A。當實際土壤溫度為+20℃時，按式9-40可求得電纜載流量的修正系數為1.07。當電纜間距取200mm時，由手冊可查得二根并排修正系數為0.92,故二根電纜允許載流量為Ig20c=1.07×0.92×185×2=364.2A>Imax(3)熱穩定校驗對于電纜線路中間有連接頭者應按第一個中間接頭處短路進行熱穩定校驗t,=tka+tb=0.1+0.6=0.7(s)查圖9-4曲線得t?=1.15s,由于t,<1s,故應計及短路非周期分量電流的影響tx=0.05β"2=0.05×1.82=0.098(s)ta=t?+tf?=1.15+0.098=1.25(s)短路前電纜最高運行溫度由式9-58得C=67,熱穩定所需最小截面為Smin=I√tt/C=10000/1.25/67=1669<2×95mm2結果表明選二根ZL112-3×95電纜能滿足要求。9.6.1電流互感器的選擇9.6.1.2電磁式電流互感器的選擇1.按一次回路額定電壓和電流選擇電流互感器的一次額定電壓和電流必須滿足式中Uew——電流互感器所在電網的額定電壓；為了保證測量儀表的準確度，互感器的準確級不得低于所供測量儀表的準確級。例如，裝于重要回路Z?f=r+r;+ra+re(Q)上式中r,、r;可由回路中所接儀表和繼電器的參數求得，r.由于不能準確測接導線電阻ra為未知值，將式9-71代入式9-70中，整理后得因p——導線的電阻率，銅p=1.75×10?負荷平衡或不平衡系統中，供三相二元件的功率表或電度表使用，由相量圖可知，流過公共導線上的電流為-i,,按回路的電壓降方程，可以推出L;?=√3L。發電廠和變電所應采用銅芯控制電纜。由式9-107求出的銅導線截面不應小于1.5mm2,以滿足機械強度要求。4.熱穩定校驗電流互感器熱穩定能力常以1s允許通過一次額定電流I的倍數K,來表示，故熱穩定應按下式校驗(IeK,)2≥I2t(或≥Qa)(9-74)5.動穩定校驗電流互感器常以允許通過一次額定電流最大值(√2I)的倍數Ka——動穩定電流倍數，表示其內部動穩定能