電氣設備選擇9.1電器和載流的導體發熱

當電器和載流導體通過電流時，有部分電能以不同的損耗形式轉化為熱能，使電器和載流導體的溫度升高，這就是電流的熱效應。

Q=I2Rt(J)

R=KfRdc式中

I——通過的電流(A)；

t——電流作用的時間(s)；

R——電阻，如為直流電路，即為直流歐姆電阻

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。電器和載流導體過度發熱的影響主要有：

⑴機械強度下降。

⑵接觸電阻增加。

⑶絕緣性能降低。9.1.1正常工作情況下持續發熱的計算

電器或載流導體在未通過電流時，其溫度和周圍介質溫度相同。當通過電流時，由于發熱，使溫度升高，并因此與周圍介質產生溫差，熱量將逐步有部分電能以不同的損耗形式轉化為熱能，使電器和載流導體的溫度升高，這就是電流的熱效應。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；

K——散熱系數；

A——導體散熱表面積m2；

——導體溫度；

——周圍介質溫度；

m——導體質量(kg)；

c——導體比熱容；⑴溫升起始階段上升很快，隨時間的延長，其上升速度逐漸減小。⑵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。⑶達到穩定溫升的時間，從理論上講應該是無窮大，實際上，當t>(3~4)T時，其溫升值即可按穩定溫升計算。根據導體持續發熱的條件，當導體的穩定溫升小于或等于導體持續發熱時的允許溫升時，可認為是熱穩定。可以求出該導體正常運行情況下最大允許電流，即：

銅、鋁及鋼裸母線持續發熱允許溫度規定為國為70℃。

9.1.2故障情況下短時發熱的計算

故障情況下的短時發熱，主要是在系統發生短路故障時。這時通過電器或載流導體的短路電流，其數值比正常工作電流大很多倍。由于短路發熱過程很短，可近似認為是一個絕熱過程。對于均勻導體，短時發熱的熱平衡方程式是：式中

——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，其電阻和比熱容都不是常數。其隨溫度而變化的關系式是：式中

——溫度為0時導體電阻率；

——溫度為0時導體比熱容；

——導體電阻溫度系數；

——導體比熱容溫度系數；

l——導體長度(m)；

S——導體截面(m2)。

——短路電流周期分量在t內的熱效應；

——短路電流非周期分量在t內的熱效應。短路電流周期分量在內的熱效應，可以用發熱等值時間法或近似數值積分的方法求得。發熱等值時間法，是令：故t>5s時發熱等值時間:

50MW以下的發電機短路電流周期分量平均運算曲線作出的，應用于更大容量的發電機，勢必產生較大誤差。這時最好采用近似數值積分法。求近似數值積分的方法有分段矩形法、分梯形法和拋物線法。上式中的系數依此為1、10、1，故亦簡稱1—10—1公式。短路電流非周期分量在t(s)內的熱效應，可得：9.2電器和載流的電動力效應

載流導體之間將產生電動力的相互作用，有這就是載流導體的電動力效應。載流導體間的作用大小，可用比奧—沙瓦定律計算，即作用于長度為,通過電流為，并位于磁感應強度為，與該磁場的磁力線方向成角的載流導體上的電動力：

其方向可以由左手定則確定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：

⑴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。

⑵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。9.2.1兩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；式中

、——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)。有時兩根平行導體間的間距，并不比導體的幾何尺寸大得多，這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。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他兩相導體中電流所產生的相互作用力來決定。經計算，三相系統中中間相受力最大。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。計入振動系數，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：式中

——母線系統的振動系數。

在進行母線機械強度計算時，可認為母線一端固定、受均勻荷載的多跨距連距梁。在這種情況下，作用于母線上的最大彎矩

式中

——相鄰兩個支柱絕緣子間的跨距(m)。

其最大計算應力：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，可插有關手冊。若母線最大計算應力則可以認為短路時，母線在電動力作用下是穩定。對于電器設備，制造廠提供了滿足電動力穩定條件的電流峰值，要求保證：

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。電氣設備要能可靠地工作，必須按正常工作條件進行選擇，并按短路狀態來校驗其動穩定和熱穩定。9.3.1按正常工作條件進行選擇導體和電器9.3.1.1額定電壓和額定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，故所選電器和電纜允許最高工作電壓不得低于所接電網的最高運行電壓，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；當額定電壓為330~500kV時為。而實際電網運行的一般不超過，因此在選擇設備時，一般可按照電器和電纜的額定電壓，不低于裝置地點電網額定電壓的條件選擇，即：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：

⑴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。

⑵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。9.3.1.2額定電流

導體和電器的額定電流是指在額定周圍環境溫度下，導體和電器的長期允許電流（或額定電流）應不小于該回路的最大持續工作電流，即：

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(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;母線分段電抗器的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他回路轉移過來的負荷。9.3.1.3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、地震強度和覆厚度等環境條件超過一般電器使用條件時,應向制造部門提出要求或采取相應的措施。當環境溫度和導體(或電器)額定環境溫度不等時,其長期允許電流可按下式修正：

式中

K——修正系數；

——導體或電氣設備正常發熱允許最高溫度,當導體用螺連接時,。

9.3.2按短路情況校驗9.3.2.1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：或式中

——短路電流產生的熱效應；

——短路時導體和電氣設備允許的熱效應；

——時間內允許通過的短時熱穩定電流(或短時耐受電流)。9.3.2.2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。滿足動穩定的條件為：或式中、——短路沖擊電流幅值及其有效值；、——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)采用有限電阻的熔斷器保護的設備可不驗算動穩定;電纜因足夠的強度,亦可不驗算動穩定。

(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

9.3.2.3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,作驗算的短路電流應按下列條件確定。

(1)容量和接線。

(2)短路種類。

(3)計算短路點。以P185頁圖9-9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。

(2)母聯斷路器。

(3)帶電抗器的出線回路。9.3.2.4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為繼電保護動作時間和相應斷路器的全開斷計時間之和，即：

式中

——斷路器的全開斷計時間，為固有分閘時間與燃弧時間之和。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應為主保護時間和斷路器固有分閘時間之和（固有分閘時間為接到分閘信號到觸頭剛分離這一段時間），即：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里9-4各項進行選擇和校驗。9.4.1高壓斷路器選擇9.4.1.1高壓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SF6斷路器。9.4.1.2按開斷電流選擇

高壓斷路器的額定開斷電流應滿足：

式中

——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的短路電流大很多時，為簡化計算，也可用次暫態電流進行選擇，即。

對于中、慢速斷路器，由于開斷時間長，可用上述公式計算，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——開斷瞬間的短路電流周期分量有效值，當開斷時間小于0.1s時，；

——開斷計算時間（s）；

——非周期分量衰減時間常數（rad）；

——電源至短路點等效總電抗（令r=0）；

——電源至短路點等效總電阻（令x=0）。9.4.1.3短路關合電流的選擇

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不應小于短路電流最大沖擊值，即：一般斷路器額定電關合電流不會大于額定動穩定電流c，因此，則。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、彈簧識或液壓等幾種型式的操動機構可供選擇。9.4.2隔離開關的選擇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。以例9-1為例進行說明。

9.4.3高壓熔斷器選擇

高壓熔斷器的選擇、校驗條件和計算公式如表表9-4所示。在選擇時應注意以下幾點：9.4.3.1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到最大值之前就將電流截斷，致使熔斷器熔斷時產生過電壓。9.4.3.2按額定電流選擇熔斷器的額定電流，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。為了保證熔斷器殼體不致損壞，高壓熔斷器的熔管的額定電流，應大于或等于熔體的額定電流：

(2)熔體額定電流的選擇。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：式中

K——可靠系數，不計電動機自起動時，，考慮電動機自起動時，；

——電力變壓器回路最大工作電流。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：

式中

K——可靠系數，對限流高壓熔斷器，當一臺電力電容器時，，當一組電力電容器時時，；

——電力電容器回路的額定電流。9.4.3.3熔斷器開斷電流校驗

（或對于沒有限流作用的熔斷器，選擇時用沖擊電流的有效值進行校驗；對于有限流作用的熔斷器，在電流最大值之前已截斷，故不計非周期分量影響，而采用進行校驗。9.4.3.4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。