電力系統(tǒng)設(shè)計第四講——電氣設(shè)備的選擇(導(dǎo)線、電纜)

1、第四講第四講 電氣設(shè)備的選擇電氣設(shè)備的選擇一、導(dǎo)體發(fā)熱和短路電動力一、導(dǎo)體發(fā)熱和短路電動力n1、導(dǎo)體發(fā)熱及短路電動力的危害導(dǎo)體發(fā)熱及短路電動力的危害 電阻損耗、介質(zhì)損耗、磁滯和渦流損耗-發(fā)熱 短路電動力超過允許值-導(dǎo)體變形或損壞 n2、導(dǎo)體最高允許發(fā)熱溫度導(dǎo)體最高允許發(fā)熱溫度n正常最高允許工作溫度正常最高允許工作溫度 主要決定于系統(tǒng)接觸電阻的大小。一般裸導(dǎo)體70計及太陽輻射影響時的鋼芯鋁絞線、管形導(dǎo)體按照80；導(dǎo)體接觸面鍍錫85。n短時最高允許溫度短時最高允許溫度 主要決定于短時發(fā)熱過程中導(dǎo)體機械強度的大小、介質(zhì)絕緣強度的大小。硬鋁及鋁錳合金200，硬銅300。n鋼構(gòu)的最高允許溫度鋼構(gòu)的最高允

2、許溫度 n人可觸及的鋼構(gòu)為70，人不可觸及的鋼構(gòu)為100，混凝土中的鋼筋為80 3 3、導(dǎo)體的長期發(fā)熱、導(dǎo)體的長期發(fā)熱 n導(dǎo)體長期發(fā)熱導(dǎo)體長期發(fā)熱-導(dǎo)體長期通過工作電流時的發(fā)熱過程。n目的目的-計算導(dǎo)體長期允許電流，研究提高導(dǎo)體長期允許電流的措施熱平衡方程熱平衡方程： QR = QW + QCQr （W/m）n導(dǎo)體通過電流I后，導(dǎo)體的溫度將由初始溫度開始上升。導(dǎo)體由于電阻損耗產(chǎn)生的熱量電阻損耗產(chǎn)生的熱量Q QR R，一部分用于本身溫本身溫度升高所需的熱量度升高所需的熱量Q QW W，一部分以對流和輻射的形式散對流和輻射的形式散失到周圍的介質(zhì)中熱量（失到周圍的介質(zhì)中熱量（Q QC CQ Qr r

3、）。 dtFmcdRdtIow)(2導(dǎo)體的溫升變化曲線導(dǎo)體的溫升變化曲線ttTtiTtsee）（ 1-導(dǎo)體的溫升 =-0 i i -導(dǎo)體的初始溫升 i i= =i i- -0 0s s -導(dǎo)體的穩(wěn)定溫升 Tt-導(dǎo)體的發(fā)熱時間常數(shù) FRIs2FmcTt導(dǎo)體的長期發(fā)熱的特點導(dǎo)體的長期發(fā)熱的特點n1 1）導(dǎo)體通過電流）導(dǎo)體通過電流I I后，溫度開始升高，經(jīng)過后，溫度開始升高，經(jīng)過（3 34 4）倍）倍T Tt t( (時間常數(shù)時間常數(shù)) )，導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)定發(fā)熱，導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)定發(fā)熱狀態(tài)；狀態(tài)；n2 2）導(dǎo)體升溫過程的快慢取決于導(dǎo)體的發(fā)熱時）導(dǎo)體升溫過程的快慢取決于導(dǎo)體的發(fā)熱時間常數(shù)，即與導(dǎo)體的吸熱能力成正

4、比，與導(dǎo)體間常數(shù)，即與導(dǎo)體的吸熱能力成正比，與導(dǎo)體的散熱能力成反比，而與通過的電流大小無關(guān)；的散熱能力成反比，而與通過的電流大小無關(guān)；n3 3）導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)定發(fā)熱狀態(tài)后，由電阻損耗產(chǎn)）導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)定發(fā)熱狀態(tài)后，由電阻損耗產(chǎn)生的熱量全部以對流和輻射的形式散失掉，導(dǎo)生的熱量全部以對流和輻射的形式散失掉，導(dǎo)體的溫升趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定溫升與導(dǎo)體的初始體的溫升趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定溫升與導(dǎo)體的初始溫度無關(guān)。溫度無關(guān)。 導(dǎo)體的載流量導(dǎo)體的載流量 n當(dāng)導(dǎo)體溫度為導(dǎo)體正常工作最高允許溫當(dāng)導(dǎo)體溫度為導(dǎo)體正常工作最高允許溫度度7070、環(huán)境溫度為額定環(huán)境溫度、環(huán)境溫度為額定環(huán)境溫度2525時，可計算出各種標(biāo)準(zhǔn)截面導(dǎo)體的長期時

5、，可計算出各種標(biāo)準(zhǔn)截面導(dǎo)體的長期允許載流量。允許載流量。 如如LGJ-120LGJ-120型導(dǎo)線的長期允許載流量為型導(dǎo)線的長期允許載流量為380380A A，10010010mm10mm2 2矩形導(dǎo)體單條平放時矩形導(dǎo)體單條平放時的長期允許載流量為的長期允許載流量為16631663A A，豎放時為豎放時為18071807A A。 RFIS）（0提高導(dǎo)體載流量的措施提高導(dǎo)體載流量的措施 n1 1）減小交流電阻）減小交流電阻：采用電阻率小的材料如銅、鋁；增大導(dǎo)體的截面； 接觸表面鍍錫、鍍銀等以減小接觸電阻，提高導(dǎo)體長期發(fā)熱最高允許溫度； n2 2）增大復(fù)合散熱系數(shù)）增大復(fù)合散熱系數(shù)：改變導(dǎo)體的布置方

6、式，導(dǎo)體表面涂漆等； n3 3）增大散熱面積）增大散熱面積。 4、導(dǎo)體的短時發(fā)熱導(dǎo)體的短時發(fā)熱 n導(dǎo)體的短時發(fā)熱導(dǎo)體的短時發(fā)熱-短路開始到短路切除為止很短一段時間內(nèi)導(dǎo)體的發(fā)熱過程。n目的目的-確定導(dǎo)體可能出現(xiàn)的最高溫度，進(jìn)而研究導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性 。短時發(fā)熱的特點短時發(fā)熱的特點n由于發(fā)熱時間短，可認(rèn)為電阻損耗產(chǎn)生的熱量QR來不及散失，全部用于使導(dǎo)體溫度升高所需的熱量QW，即認(rèn)為導(dǎo)體短時發(fā)熱基本上是一個絕熱的過程絕熱的過程，且導(dǎo)體溫度變化很大，電阻和比熱容隨溫度而變化。 QR QW (W/m) dmcdtRIkt2fiKAAQS21ktKfKdtIQ02iftktAAdtISk0221)1ln(20

7、0wcA-短路電流的熱效應(yīng)導(dǎo)體短路開始（導(dǎo)體短路開始（t=0s)t=0s)溫度溫度i i -短路故障切除（短路故障切除（t=tt=tk k) )溫度溫度f f i i- A- Ai i - A - Ai i+ Q+ Qk k/s/s2 2 - A - Af f - -f f 根據(jù)根據(jù)f f 判斷導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性判斷導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性短路電流熱效應(yīng)短路電流熱效應(yīng) QK = Qp + Qnp Q Qp p -周期分量的熱效應(yīng) Q Qnpnp-非周期分量的熱效應(yīng) T-非周期分量等效時間（s） tK-短路電流切除時間（s）當(dāng)短路電流切除時間超過1秒時，發(fā)熱主要由周期分量決定，可忽略非周期分量的影響。）（“2

8、2221012KKttKPIIItQ2”TIQnp5、導(dǎo)體短路的電動力導(dǎo)體短路的電動力 n平行載流導(dǎo)體間的電動力平行載流導(dǎo)體間的電動力 F -兩平行載流導(dǎo)體間的電動力（N）；Kf -導(dǎo)體截面形狀系數(shù)，對圓形導(dǎo)體，形狀系數(shù)Kf 1，矩形或槽形導(dǎo)體的形狀系數(shù)可查曲線或查表獲得；L - 導(dǎo)體的長度（m）；i1 、i2-分別通過兩導(dǎo)體的電流（A） 217102iiaLKFf三相導(dǎo)體短路的電動力三相導(dǎo)體短路的電動力 )(1027CBBABCBABiiiiaLFFF)5 . 0(1027CABAACABAiiiiaLFFFn比較三相短路故障、兩相短路故障情況下各相導(dǎo)體遭受短路電動力：n三相短路A相的最大電

9、動力n三相短路B相的最大電動力n兩相短路最大電動力27max10616. 1shAiaLF27max1073. 1shBiaLF27)2(max105 . 1shiaLF最大短路電動力n三相導(dǎo)體最大短路電動力出現(xiàn)在三相短路故障后的0.01s，作用在中間B相n導(dǎo)體振動的動態(tài)應(yīng)力導(dǎo)體發(fā)生振動時，內(nèi)部產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力27max1073.1shiaLF（N）27max1073. 1shiaLF -動態(tài)應(yīng)力系數(shù)，與導(dǎo)體的固有振動頻率有關(guān)二、導(dǎo)體和電器選擇的一般原則二、導(dǎo)體和電器選擇的一般原則n各類電器設(shè)備選擇遵循的共同原則是： 按正常工作條件進(jìn)行選擇；按正常工作條件進(jìn)行選擇； 按短路狀態(tài)校驗熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定。

10、按短路狀態(tài)校驗熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定。 1 1、按正常工作條件選擇電器設(shè)備、按正常工作條件選擇電器設(shè)備 n額定電壓額定電壓 UN UNS UN-電器設(shè)備額定電壓； UNS -電網(wǎng)額定電壓n額定電流額定電流 IN Imax IN -電器設(shè)備在額定環(huán)境溫度下的長期允許電流 Imax -電器所在回路在各種合理運行方式下的最大持續(xù)工作電流 n當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件校驗當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件校驗 典型回路最大持續(xù)工作電流典型回路最大持續(xù)工作電流Imax的計算方法的計算方法 發(fā)電機回路發(fā)電機回路-1.05倍發(fā)電機額定電流倍發(fā)電機額定電流變壓器回路變壓器回路 -1.05倍變壓器額定電流倍變壓器額定電流 -1.32.0倍變壓器額定電流倍

11、變壓器額定電流 電動機回路電動機回路 -電動機額定電流電動機額定電流 單回路單回路出線出線-線路最大負(fù)荷電流線路最大負(fù)荷電流 雙回路雙回路出線出線-1.22.0倍一回線的正常最大負(fù)荷電流倍一回線的正常最大負(fù)荷電流 帶電抗器出線帶電抗器出線 -電抗器額定電流電抗器額定電流 角形與一臺半斷路器接線回路角形與一臺半斷路器接線回路出線出線-兩個相鄰回路正常負(fù)荷兩個相鄰回路正常負(fù)荷電流電流橋型接線出線橋型接線出線-最大元件負(fù)荷電流最大元件負(fù)荷電流 主母線、母聯(lián)回路主母線、母聯(lián)回路 - -母線上最大一個電源元件的計算電流母線上最大一個電源元件的計算電流 母線分段回路母線分段回路 - -分段電抗器額定電流或

12、相鄰兩段母線上最分段電抗器額定電流或相鄰兩段母線上最大一臺發(fā)電機額定電流的大一臺發(fā)電機額定電流的50508080 旁路回路旁路回路 - -需旁路的回路最大額定電流需旁路的回路最大額定電流 2、按短路情況校驗按短路情況校驗 n短路熱穩(wěn)定校驗短路熱穩(wěn)定校驗 I t2 t Qk Qk-短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)；It 、t-電器允許通過的熱穩(wěn)定電流和時間n電動力穩(wěn)定校驗電動力穩(wěn)定校驗 ies ish 或 Ies Ish ish 、Ish -短路沖擊電流幅值和有效值； ies 、Ies -電器允許通過的動穩(wěn)定電流的幅值和有效值。 不需要校驗熱穩(wěn)定或動穩(wěn)定的情況不需要校驗熱穩(wěn)定或動穩(wěn)定的情況na. 用熔斷器保

13、護的電器可不驗算熱穩(wěn)定。nb. 采用有限流電阻的熔斷器保護的設(shè)備可不校驗動穩(wěn)定。nc. 裝設(shè)在電壓互感器回路中的裸導(dǎo)體和電器可不驗算熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定。 3 3、短路電流計算條件、短路電流計算條件 n1）容量和接線）容量和接線 按本工程的最終容量計算，并考慮本工程建成后510年的電力系統(tǒng)遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃，按可能發(fā)生最大短路電流的正常接線方式進(jìn)行短路計算。n2 2）短路種類）短路種類 一般按三相短路進(jìn)行驗算。n3 3）選擇短路計算點）選擇短路計算點 在短路計算接線中，選擇通過電器的短路電流為最大的點為短路計算點。 n發(fā)電機出口斷路器發(fā)電機出口斷路器：比較K1和K2點短路時，哪種情況通過QF1的短路電流大

14、。n母聯(lián)母聯(lián)QF5：考慮母聯(lián)斷路器QF5向備用母線充電時，備用母線故障，即K4點短路時，流過母聯(lián)斷路器的短路電流最大。n帶電抗器的帶電抗器的610KV出線回路出線回路：由于干式電抗器可靠性高，且斷路器QF4與電抗器間的連線很短，故障幾率小，導(dǎo)體和電器設(shè)備的短路計算點，一般不選K7，而應(yīng)選K8。n主變低壓側(cè)主變低壓側(cè)QF3：可能出現(xiàn)的短路點和運行方式很多，當(dāng)變壓器高壓側(cè)QF6斷開而K3點短路時最嚴(yán)重。類似的，選擇QF6，應(yīng)為QF3斷開，K5點短路。n分段斷路器分段斷路器QF7：當(dāng)主變T1退出運行而相應(yīng)母線段K1點發(fā)生短路時最嚴(yán)重。n母線至母線隔離開關(guān)前的引線和套管母線至母線隔離開關(guān)前的引線和套管

15、：應(yīng)選擇母線段K7點。 4）短路計算時間短路計算時間 n 驗算熱穩(wěn)定的計算時間 tk = tpr + tab ta b = tin + ta tp r-后備保護動作時間；ta b-斷路器全開斷時間；ti n-斷路器固有分閘時間；ta -斷路器開斷時，電弧持續(xù)時間，對SF6和壓縮空氣斷路器約為0.020.04s。n開關(guān)電器的開斷時間tb r = t p r1 + tin t p r1-主保護動作時間tin -斷路器固有分閘時間 三、三、導(dǎo)體、電纜、絕緣子和套管的選擇導(dǎo)體、電纜、絕緣子和套管的選擇 n1 1、裸導(dǎo)體的選擇、裸導(dǎo)體的選擇n1 1）導(dǎo)體材料、類型和敷設(shè)方式）導(dǎo)體材料、類型和敷設(shè)方式n2

16、 2）導(dǎo)體截面選擇）導(dǎo)體截面選擇n按長期發(fā)熱允許電流選擇按長期發(fā)熱允許電流選擇 I Imaxmax KIKIalal Imax -導(dǎo)體所在回路的最大持續(xù)工作電流 Ial -在額定環(huán)境溫度25度時導(dǎo)體允許電流 K -與實際環(huán)境溫度和海拔相關(guān)的綜合修正系數(shù)。 n 按經(jīng)濟電流密度選擇按經(jīng)濟電流密度選擇n經(jīng)濟電流密度經(jīng)濟電流密度J-對應(yīng)不同類型的導(dǎo)體和不同的最大負(fù)荷利用小時數(shù)Tmax ，有一個年計算費用最低的電流密度，稱為經(jīng)濟電流密度。按經(jīng)濟電流密度選擇導(dǎo)體截面可使年計算費用最低。導(dǎo)體的經(jīng)濟截面： S = Imax / J n注意注意：盡量選擇接近的截面，若無合適規(guī)格的導(dǎo)體，選小于經(jīng)濟截面的導(dǎo)體。按經(jīng)

17、濟電流密度選擇的導(dǎo)體截面，其允許電流必須大于導(dǎo)體的最大持續(xù)工作其允許電流必須大于導(dǎo)體的最大持續(xù)工作電流電流。n3）電暈電壓校驗電暈電壓校驗 對110KV以上的裸導(dǎo)體，按晴天不發(fā)生全面電暈條件校驗： Ucr Umax Ucr -裸導(dǎo)體的臨界電壓 U Umaxmax -最高工作電壓 4 4）熱穩(wěn)定校驗）熱穩(wěn)定校驗 S S Sminmin CKQSskmin S -所選導(dǎo)體截面；所選導(dǎo)體截面；Smin -由熱穩(wěn)定決定的導(dǎo)體最小截面；由熱穩(wěn)定決定的導(dǎo)體最小截面；QK -短路電流熱效應(yīng)；短路電流熱效應(yīng)；Ks-導(dǎo)體的集膚系數(shù)；導(dǎo)體的集膚系數(shù)；C -熱穩(wěn)定系數(shù)，與導(dǎo)體材料和工熱穩(wěn)定系數(shù)，與導(dǎo)體材料和工作溫度

18、相關(guān)。作溫度相關(guān)。 n5）硬導(dǎo)體的動穩(wěn)定校驗硬導(dǎo)體的動穩(wěn)定校驗 al -導(dǎo)體應(yīng)力（Pa） alal -導(dǎo)體材料允許應(yīng)力（Pa） 單條矩形導(dǎo)體應(yīng)力的計算單條矩形導(dǎo)體應(yīng)力的計算 假定導(dǎo)體為自由支撐在絕緣子上的多跨距、勻載荷梁，在電動力的作用下，導(dǎo)體所受的最大彎矩M為： fph - 單位長度導(dǎo)體上所受相間電動力（N/m）； l - 導(dǎo)體支柱絕緣子間的跨距（m）導(dǎo)體最大相間計算應(yīng)力 ： W-導(dǎo)體對垂直于作用力方向軸的截面系數(shù) 102lfMphWlfWMphph102n施工中常根據(jù)材料最大允許應(yīng)力來確定絕緣子間的最大允許跨距最大允許跨距： phalfWl/10maxn6 6）共振頻率校驗）共振頻率校驗

19、n對于發(fā)電機、變壓器及匯流母線等重要回路的導(dǎo)體應(yīng)進(jìn)行共振校驗f f1 1-自振頻率，一般取160HZE E-導(dǎo)體材料的彈性模量（Pa）I-I-導(dǎo)體斷面二次矩（m4）N Nf f-頻率系數(shù)，與導(dǎo)體連續(xù)跨數(shù)和支撐方式有關(guān)L-跨距（m）m m-導(dǎo)體單位長度的質(zhì)量(kg/m) n需要進(jìn)行共振校驗的固有振蕩頻率范圍需要進(jìn)行共振校驗的固有振蕩頻率范圍 mEILNff21單條導(dǎo)體及一組中的各條導(dǎo)體單條導(dǎo)體及一組中的各條導(dǎo)體35135HZ多條導(dǎo)體及有引下線的單條導(dǎo)體多條導(dǎo)體及有引下線的單條導(dǎo)體35155HZ槽形和管形導(dǎo)體槽形和管形導(dǎo)體30160HZ2、電力電纜的選擇 n1）電纜芯線材料及型號的選擇電纜芯線材料

20、及型號的選擇 n2 2）電壓選擇）電壓選擇 n3）截面選擇截面選擇 電力電纜截面一般按長期發(fā)熱允許電流選擇，當(dāng)電纜的最大負(fù)荷利用小時數(shù)超過5000小時，且長度超過20米時，應(yīng)按經(jīng)濟電流密度選擇。與裸導(dǎo)體不同之處在于修正系數(shù)與敷設(shè)方式和環(huán)境溫度有關(guān)。敷設(shè)時電纜應(yīng)保持一定的彎曲半徑。NSNUUn4 4）允許電壓降校驗）允許電壓降校驗 對供電距離較遠(yuǎn)、容量較大的電纜線路，應(yīng)校驗其電壓損失，一般應(yīng)滿足電壓降不超過5%。 U -線路工作電壓； L-線路長度； cos-功率因數(shù)； r、x-電纜單位長度的電阻和電抗 UxrLIU/ )sincos(173%maxn5）熱穩(wěn)定校驗）熱穩(wěn)定校驗 由于電纜芯線一般

21、是由多股絞線構(gòu)成，截面在400mm2以下時，集膚系數(shù)Ks近似為1，滿足電纜熱穩(wěn)定的最小截面為：Qk -短路電流的熱效應(yīng) C-電纜的熱穩(wěn)定系數(shù) CQSk/min3、絕緣子、穿墻套管的選擇絕緣子、穿墻套管的選擇 n支柱絕緣子應(yīng)按額定電壓和類型選擇，并進(jìn)行短時動穩(wěn)定校驗；n穿墻套管應(yīng)按額定電壓、額定電流和類型選擇，按短路條件校驗熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定。母線型穿墻套管因本身無導(dǎo)體，不必按額定電流選擇和校驗熱穩(wěn)定，只需保證套管的型式與穿過母線的尺寸相配合。 n1）按額定電壓選擇絕緣子和穿墻套管按額定電壓選擇絕緣子和穿墻套管 UN UNS UN-支柱絕緣子或穿墻套管的額定電壓 UNS -電網(wǎng)額定電壓 n2 2）按

22、額定電流選擇穿墻套管）按額定電流選擇穿墻套管 K IN Imax Imax -所在回路在各種合理運行方式下的最大持續(xù)工作電流 IN -穿墻套管的額定電流 K -溫度修正系數(shù) n3） 穿墻套管的熱穩(wěn)定校驗穿墻套管的熱穩(wěn)定校驗 I t2 t Qk Qk-短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng) It 、t-套管允許通過的熱穩(wěn)定電流和時間 n4 4）支持絕緣子和套管的動穩(wěn)定校驗）支持絕緣子和套管的動穩(wěn)定校驗 F F 0.6 F0.6 Fdede F F - -短路時作用在支柱絕緣子或穿墻套管的電動力短路時作用在支柱絕緣子或穿墻套管的電動力F Fdede - -支柱絕緣子或穿墻套管的抗彎破壞負(fù)荷支柱絕緣子或穿墻套管的抗彎

23、破壞負(fù)荷在校驗在校驗3535KVKV及以上水平安裝的支柱絕緣子及以上水平安裝的支柱絕緣子的機械強度時，應(yīng)計及絕緣子的自重、的機械強度時，應(yīng)計及絕緣子的自重、母線重量和短路電動力的聯(lián)合作用。母線重量和短路電動力的聯(lián)合作用。 n設(shè)備的選擇，參考發(fā)電廠電氣部分第四章、第五章有關(guān)例題。補充：n靜定梁內(nèi)力的計算n梁梁：建筑結(jié)構(gòu)中以彎曲為主要變形的桿件建筑結(jié)構(gòu)中以彎曲為主要變形的桿件n支座支座：將梁與地面或其他固定連接結(jié)構(gòu)連接將梁與地面或其他固定連接結(jié)構(gòu)連接起來的裝置起來的裝置 可動鉸支座可動鉸支座 簡支梁簡支梁 支座種類支座種類 固定鉸支座固定鉸支座 靜定梁靜定梁 懸臂梁懸臂梁 固定支座固定支座 外伸梁外伸梁 靜定多跨梁靜定多跨梁可動鉸支座可動鉸支座：允許梁水平移動和繞支點轉(zhuǎn)動，不允許梁端豎直方向移動。梁上有載荷作用時，支座產(chǎn)生豎直方向反力。固定鉸支座固定鉸支座：允許梁繞支點轉(zhuǎn)動，但不允許梁端豎直和水平方向移動。梁上有載荷作用時，支座產(chǎn)生