第9章電力線纜與變壓器選擇

第9章電力線纜與變壓器選擇變壓器和電力線纜的選擇依賴于系統(tǒng)參量（計(jì)算負(fù)荷、短路電流等），但很多系統(tǒng)參量又受線纜、變壓器特性參數(shù)的影響（短路電流、電壓損失等）。這是一種互為因果的耦合關(guān)系。以線纜為例，線纜截面確定，短路電流才確定；短路電流確定，滿足熱穩(wěn)定要求的線纜截面才能確定。這里，短路電流既是線纜截面選擇的一個(gè)“果”，又是線纜截面選擇是否正確的一個(gè)“因”。此即謂互為因果的耦合。受線纜、變壓器特性參數(shù)影響的系統(tǒng)參數(shù)主要是短路故障參數(shù)、損耗參數(shù)和電能質(zhì)量參數(shù)等。本章就從電能質(zhì)量參數(shù)介紹開始。第1節(jié)電能質(zhì)量簡介電能質(zhì)量，指電力系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)的電能規(guī)格與標(biāo)準(zhǔn)電能規(guī)格之間的差異，差異越小，質(zhì)量越好。描述電能質(zhì)量的幾個(gè)主要指標(biāo)如下。 （1）電壓偏差。 （2）電壓波動和閃變。 （3）三相不平衡度。 （4）諧波。

（5）頻率偏差。頻率由發(fā)輸變電系統(tǒng)調(diào)節(jié)，與供配電系統(tǒng)無關(guān)。9.9.1電壓偏差δU式中：U—電網(wǎng)某一點(diǎn)的運(yùn)行電壓；

UN—該點(diǎn)所在電網(wǎng)的標(biāo)稱電壓；電壓偏差是位置的函數(shù)，一般關(guān)注線路首、末端。國家標(biāo)準(zhǔn)對供電電壓和用電電壓偏差的允許值做了規(guī)定。供電電壓偏差限值指電力企業(yè)在PCC點(diǎn)提供的電能的最大允許電壓偏差，系產(chǎn)品質(zhì)量要求。用電電壓偏差限值指用電設(shè)備端子處電壓偏差，系設(shè)備工況要求。定義：

用電設(shè)備端子電壓偏差允許值名稱允許值/%名稱允許值/%電動機(jī)正常情況下少數(shù)遠(yuǎn)離變電所情況下＋5～－5＋5～－10照明

一般工作場所

遠(yuǎn)離變電所的小面積一般工作場所

應(yīng)急照明、安全特低電壓供電的照明、道路照明＋5～－5＋5～－10＋5～－10供電電壓偏差允許值系統(tǒng)標(biāo)稱電壓/kV允許值/%系統(tǒng)標(biāo)稱電壓/kV允許值/%＞35kV三相系統(tǒng)≤10kV三相系統(tǒng)正、負(fù)偏差絕對值之和小于≤10正、負(fù)偏差絕對值之和小于≤70.22kV單相系統(tǒng)＋7，－109.1.2電壓波動與電壓閃變電壓波動是表達(dá)電壓快速頻繁變化的術(shù)語，由電壓變動與電壓變動頻率兩個(gè)指標(biāo)衡量其大小。以半個(gè)周波為周期，計(jì)算電壓的均方根值（即有效值），并將該值與時(shí)間的關(guān)系繪成曲線，稱為電壓均方根值曲線。電壓變動d是指電壓方均根值曲線上相鄰兩個(gè)極值Umax和Umin之差對系統(tǒng)標(biāo)稱電壓UN的百分?jǐn)?shù)。電壓變動頻度r則是指單位時(shí)間內(nèi)該曲線變動的次數(shù)，單位為s－1。如果同一方向若干次變動的間隔時(shí)間小于30ms，則算成一次變動。國家標(biāo)準(zhǔn)對電壓波動有限值要求。9.1.3三相不平衡度供配電系統(tǒng)的三相不平衡程度常用三相電壓不平衡度εu來表示。εu指三相系統(tǒng)電壓負(fù)序分量U

－與正序分量U＋的相對大小，即：在PCC點(diǎn)，供電企業(yè)的供電電壓三相不平衡度限值為2％，短時(shí)間可放寬到4％；電力用戶在該點(diǎn)引起的三相不平衡度限值為1.3％。9.1.4諧波電力系統(tǒng)中，頻率與50Hz成整倍數(shù)的正弦波統(tǒng)稱諧波，諧波以電壓和（或）電流的形式出現(xiàn)。諧波含量的多少，是電力系統(tǒng)受污染程度的重要指標(biāo)，也是電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。表征諧波含量的指標(biāo)主要有以下三個(gè)。1）諧波含有量。2）n次諧波含有率。3）總諧波畸變率。表9-5公共電網(wǎng)諧波電壓限值電網(wǎng)標(biāo)稱電壓/kVTHDu/%各次諧波電壓含有率HRU/%0.385.04.02.06、104.03.21.635、663.02.41.21102.01.60.8電力用戶允許注入PCC的諧波電流限值標(biāo)準(zhǔn)電壓/kV基準(zhǔn)短路容量/MVA

諧波次數(shù)及諧波電流允許值/A23456789101112130.3810786239622644192116281324610043342134142411118.5167.11310100262013208.5156.46.85.19.34.37.93525015127.7125.18.83.84.13.15.62.64.76650016138.1135.49.34.14.33.35.92.75110750129.669.646.833.22.44.323.79.1.5電能質(zhì)量與線纜、變壓器選擇的關(guān)系電壓偏差、閃變等都與變壓器和線纜的阻抗有關(guān)；諧波、三相不平衡度等可能與變壓器連接組、鐵心結(jié)構(gòu)等有關(guān)。滿足電能質(zhì)量要求，是線纜、變壓器選擇必須遵守的約束。第2節(jié)線路、變壓器電壓損失計(jì)算電壓降落與電壓損失電壓降落：元件首端電壓與末端電壓的相量差。電壓損失：元件首端電壓與末端電壓的代數(shù)差，一般以相對值表示。9.2.1電力線路電壓損失計(jì)算1、放射式供電線路的電壓損失功率單位：kWKvar電壓單位：kV阻抗單位：Ω2、樹干式配電線路電壓損失計(jì)算可近似按各段干線電壓損失的代數(shù)和計(jì)算（即干線功率法），或按各支路負(fù)荷單獨(dú)產(chǎn)生的電壓損失代數(shù)和計(jì)算（即支路功率法）。9.2.2變壓器電壓損失計(jì)算變壓器為阻抗集中元件，其電壓損失計(jì)算與線纜相同。因直接引用變壓器參數(shù)，公式形式不同。

ua%——變壓器短路電壓的有功分量百分?jǐn)?shù)；

ur%——變壓器短路電壓的無功分量百分?jǐn)?shù)；

uk·T%——變壓器短路電壓百分?jǐn)?shù)。第3節(jié)電壓偏差與電壓調(diào)整自學(xué)。第4節(jié)配電變壓器選擇配電變壓器主要指10/0.4kV、35/0.4kV和35/0.4kV的降壓變壓器。9.4.1配電變壓器常見類型及選擇按器芯冷卻及絕緣方式，可分為油浸式、氣體絕緣式和干式三大類。油浸式變壓器有漏油、爆炸、延燃等缺點(diǎn)，不允許用在位于高層建筑主體內(nèi)的變配電所。但其價(jià)廉、耐過載能力強(qiáng)、成熟度高等優(yōu)點(diǎn)，使其在工業(yè)用戶、公用變配電所等場所得到廣泛應(yīng)用。各類變壓器性能比較類別油浸式變壓器氣體絕緣變壓器干式變壓器礦物油硅油變壓器六氟化硫普通及非包封繞組環(huán)氧樹脂澆注價(jià)格低中高高較高安裝面積中中中大（?。┬〗^緣等級AA或HEB或HB或F爆炸性有可能可能性小不爆不爆不爆燃燒性可燃難燃不燃難燃難燃耐濕性良好良好良好弱優(yōu)耐潮性良好良好良好弱良好損耗大大稍小大小噪音低低低高低重量重較重中重（輕）輕9.4.2配電變壓器參數(shù)選擇1、額定電壓選擇常規(guī)情況：一次額定電壓等于所在電網(wǎng)標(biāo)稱電壓，二次額定電壓等于1.1倍所在電網(wǎng)標(biāo)稱電壓。特殊情況：二次電壓等于1.05倍所在電網(wǎng)標(biāo)稱電壓，主要用于大容量用電設(shè)備的專用變壓器，以及所有二次接380V電網(wǎng)的變壓器，如10/0.4kV、35/0.4kV等。2、短路電壓選取短路電壓對應(yīng)著變壓器的短路阻抗，該參數(shù)選取主要考慮以下兩個(gè)因素。1）應(yīng)滿足電壓偏差要求，一般選取較小的值是有利的。2）應(yīng)滿足限制二次短路電流大小的要求，一般選取較大的值是有利的。以上兩條要求是相互矛盾的。限于低壓斷路器的開斷能力，10/0.4kV變壓器大于1600kVA時(shí)，低壓側(cè)短路電流可能過大，這時(shí)對短路電壓的選取應(yīng)做相應(yīng)的計(jì)算。并聯(lián)運(yùn)行變壓器也應(yīng)考慮同樣問題。3、額定容量選取依據(jù)：變壓器所承載的計(jì)算負(fù)荷SC。特點(diǎn)：目標(biāo)多樣化——最高效率、最低造價(jià)、最小終身費(fèi)用等。針對不同的目標(biāo)，容量選取的方法和結(jié)果是不一樣的。1）變壓器最高運(yùn)行效率的探討。定義變壓器負(fù)載率β為：β＝SC/Sr·T。變壓器效率為：η＝（PC－ΔPT）/PC，對該式微分求極值，結(jié)論為：當(dāng)變壓器鐵損等于銅損時(shí)，效率最高，與其相對應(yīng)的負(fù)載率βopl約為60％。因此，曾普遍認(rèn)為，按最高效率選取變壓器的計(jì)算公式為：Sr·T＝SC/βopl。對否？討論！兩個(gè)誤區(qū)：（1）已確定因素與待確定因素倒置；（2）恒定與變化混同。修正后結(jié)論：沒有一個(gè)普遍適用的與最高效率相對應(yīng)的負(fù)載率，具體情況具體分析，大致在40％～50％之間。2）最低綜合能效費(fèi)用探討。包括一次投資成本、損耗電費(fèi)、資金成本等費(fèi)用的綜合，目標(biāo)是全壽命費(fèi)用最低。這是一種技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法，核心是在一次投資與損耗電費(fèi)之間找到最佳平衡點(diǎn)，使降低損耗所節(jié)省的電費(fèi)與加大變壓器容量所增加的投資的抵扣值最大化。該方法的最大問題在于電費(fèi)和資金利率在整個(gè)壽命期內(nèi)的變化，這種變化是不可控的，通常也是不可預(yù)測的。以上兩種方法都存在不可克服的缺陷。作為探討或方案比較的選項(xiàng)之一是可取的，但不能過分強(qiáng)調(diào)它們的工程應(yīng)用價(jià)值。在節(jié)能的大背景下，工程界有將綜合能效費(fèi)用法作為節(jié)能的保證無限提高的行為，是不正確的。不僅方法本身存在缺陷，即是方法本身沒有缺陷，該方法與節(jié)能也不能完全化等號。3）工程現(xiàn)狀采用的方法。

考慮到一次投資、后續(xù)發(fā)展及計(jì)算誤差等因素，對于車間變配電所等負(fù)荷確切的場所，一般按負(fù)載率90%左右選擇變壓器容量；對于民用建筑，一般按70％左右負(fù)載率選擇變壓器容量。9.4.3配電變壓器連接組選擇以10/0.4kV配電變壓器Yyn0和Dyn11連接組為例，介紹與連接組相關(guān)的問題。1）不平衡負(fù)荷帶來的中性點(diǎn)位移問題。2）諧波擬制問題。3）單相短路電流與電擊防護(hù)安全性問題。4）損耗與節(jié)能問題。5）絕緣與耐壓問題。9.4.4調(diào)壓方式選擇

無調(diào)壓、無勵磁調(diào)壓與有載調(diào)壓的選擇。有載調(diào)壓又可分為手動調(diào)壓和自動調(diào)壓。

110kV變壓器一般采用有載調(diào)壓，自動手動都可作為選擇；35kV可選用有載或無勵磁調(diào)壓，一般為手動。10kV變壓器一般采用無勵磁調(diào)壓。9.4.5工程設(shè)計(jì)中對變壓器選擇要考慮的一些因素1、臺數(shù)問題

單臺大容量or若干臺小容量？——總負(fù)荷量、短路電流與斷路器開斷能力、電源數(shù)量與可靠性、運(yùn)行靈活性、經(jīng)濟(jì)型等。

現(xiàn)狀：規(guī)范要求10/0.4kV變壓器一般不超過1250kVA，實(shí)際上一般不超過1600kVA，國內(nèi)最大者有2500kVA；有一、二及負(fù)荷時(shí)最少不低于兩臺（有自備低壓電源者除外）；有季節(jié)性負(fù)荷時(shí)將常年負(fù)荷與季節(jié)性負(fù)荷用不同變壓器供電。2、工作方式問題

指多臺變壓器情況下，各臺變壓器間相互關(guān)系問題。1）相互獨(dú)立。2）工作與備用。一用一備，或同時(shí)工作，互為備用。

互為備用時(shí)，對容量的選擇因特別謹(jǐn)慎，不僅要考慮正常工作時(shí)的計(jì)算負(fù)荷，還應(yīng)考慮作另一臺備用時(shí)的計(jì)算負(fù)荷，但后一種情況負(fù)載率可取高限（可高達(dá)100％）。3）并列與分列運(yùn)行。有并列運(yùn)行要求時(shí)，對連接組、同步調(diào)壓、變比、短路電壓等有嚴(yán)格要求。3）附屬設(shè)備配置問題。主要指強(qiáng)制散熱風(fēng)扇、溫控報(bào)警裝置、干式變壓器防護(hù)外罩等的選配。第5章電力線纜選擇電力線纜包括電力電線（wire）和電力電纜（cable），電力電線又包括絕緣導(dǎo)線和裸導(dǎo)線。現(xiàn)歐盟國家已將絕緣導(dǎo)線和電纜統(tǒng)稱電纜。還有一些特殊類型的電力線，如密集式母線槽、滑觸線等。電力線纜選擇是一個(gè)非常復(fù)雜且重要的問題，在供配電系統(tǒng)中尤其如此，切勿疏忽。9.5.1線纜的允許載流量1、允許載流量的概念

約定壽命→工作溫度←發(fā)熱/散熱綜合作用。發(fā)熱←I、R，R←導(dǎo)體材料、截面積S；散熱←敷設(shè)條件。

因此，線纜的允許載流量，是在給定敷設(shè)條件下，以滿足約定的設(shè)計(jì)壽命為依據(jù)，以工作溫度不超過允許值為約束，線纜中允許長期通過的最大電流值，記作Icon。

允許載流量值需由實(shí)驗(yàn)測定。2、表稱允許載流量

由業(yè)界公認(rèn)的或法定認(rèn)可的研究機(jī)構(gòu)、線纜生產(chǎn)廠家等通過試驗(yàn)得出特定條件下的線纜允許載流量數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)向業(yè)界發(fā)布，稱為“表稱允許載流量”，簡稱“表稱載流量”。

將給出表稱載流量的敷設(shè)條件稱為“表稱敷設(shè)條件”。

特別注意：表稱載流量與約定的使用壽命有關(guān)。約定壽命20年的表稱載流量，一般遠(yuǎn)大于約定壽命50年的表稱載流量。

表稱載流量是確定一根線纜實(shí)際載流量的依據(jù)性數(shù)據(jù)。3、敷設(shè)條件簡述

敷設(shè)條件本質(zhì)上是散熱條件，主要包括以下幾個(gè)方面。1）環(huán)境溫度。因氣象溫度是變量，環(huán)境溫度選取分地上、地下、室內(nèi)、室外等不同情況取不同的值。敷設(shè)部位通風(fēng)條件擇取的環(huán)境溫度直埋地埋深處最熱月平均地溫水下最熱月日最高水溫平均值有熱源設(shè)備廠房最熱月的日最高溫度月平均值另加5℃，當(dāng)隧道中電纜數(shù)量較多時(shí)，還應(yīng)核算電纜發(fā)熱影響隧道、戶內(nèi)電纜溝通風(fēng)不良無機(jī)械通風(fēng)或隧道、戶內(nèi)電纜溝或戶外明敷有遮陽時(shí)有機(jī)械通風(fēng)或通風(fēng)良好最熱月日最高溫度平均值無熱源設(shè)備廠房2）敷設(shè)方式。有明敷、暗敷，穿管敷設(shè)、橋架敷設(shè)、線槽敷設(shè)等，不同敷設(shè)方式，散熱條件不同。3）敷設(shè)部位。地上、地下、水中、電纜溝、電氣豎井等。4）多根線纜并敷。不僅影響散熱條件，多根電纜發(fā)熱還相互影響。5）其他媒質(zhì)管線影響。如熱水管、蒸汽管等。4、線纜實(shí)際允許載流量確定

實(shí)際工程中，固定布線系統(tǒng)的每根電纜的敷設(shè)條件都是固定的，因此其實(shí)際允許載流量與表稱載流量的差異，就取決于實(shí)際敷設(shè)條件與表稱敷設(shè)條件的差異。

工程上以“修正系數(shù)”來修正敷設(shè)條件不同所帶來的線纜允許載流量的變化。

典型的修正系數(shù)有：溫度修正系數(shù)、并敷修正系數(shù)、土壤熱阻修正系數(shù)等。

本質(zhì)上，修正系數(shù)是對散熱條件的校正。9.5.2線纜額定電壓選擇

電纜和護(hù)套線都有兩個(gè)絕緣，一個(gè)是相間絕緣，另一個(gè)是相對地絕緣。其額定電壓分別用Ur和U0表示，記作U0/Ur。

Ur應(yīng)不小于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓UN。U0的選取與系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式有關(guān)。小接地系統(tǒng)考慮單相接地時(shí)非接地相對地電壓的升高，應(yīng)選取高于相電壓的值，大接地系統(tǒng)按相電壓選取即可。

如：10kV系統(tǒng)電纜，小接地系統(tǒng)可選用8.7/10kV額定電壓，大接地系統(tǒng)可選用6/10kV額定電壓。前者稱為II類電纜，后者稱為I類。9.5.3線纜相導(dǎo)體截面選擇線纜導(dǎo)體截面選擇是線纜選擇的核心內(nèi)容，它關(guān)系著載流量、短路熱穩(wěn)定、保護(hù)靈敏性、節(jié)能、電壓損失、電擊防護(hù)、機(jī)械強(qiáng)度等多個(gè)方面。1、按長期溫升條件選擇給定負(fù)荷前提下，導(dǎo)體截面積越小