电力系统设计第四讲——电气设备的选择(导线、电缆)汇编.ppt

第四讲 电气设备的选择 一、导体发热和短路电动力 n1、导体发热及短路电动力的危害 电阻损耗、介质损耗、磁滞和涡流损耗----发热 短路电动力超过允许值----导体变形或损坏 n2、导体最高允许发热温度 n正常最高允许工作温度 主要决定于系统接触电阻的大小一般裸导体＋70℃计 及太阳辐射影响时的钢芯铝绞线、管形导体按照80℃； 导体接触面镀锡85℃ n短时最高允许温度 主要决定于短时发热过程中导体机械强度的大小、介质 绝缘强度的大小硬铝及铝锰合金＋200℃，硬铜300℃ n钢构的最高允许温度 n人可触及的钢构为70℃，人不可触及的钢构为100℃， 混凝土中的钢筋为80℃ 3、导体的长期发热 n导体长期发热 -----导体长期通过工作电流时的 发热过程 n目的 -----计算导体长期允许电流，研 究提高导体长期允许电流的措施 热平衡方程： QR = QW + QC＋Qr （W/m） n导体通过电流I后，导体的温度将由初始温度开始上升 导体由于电阻损耗产生的热量QR，一部分用于本身 温度升高所需的热量QW，一部分以对流和辐射的形式 散失到周围的介质中热量（QC＋Qr） 导体的温升变化曲线 τ-----导体的温升 τ=θ-θ0 τi -----导体的初始温升 τi=θi-θ0 τs -----导体的稳定温升 Tt-----导体的发热时间常数 导体的长期发热的特点 n1）导体通过电流I后，温度开始升高，经过（ 3～4）倍Tt(时间常数)，导体达到稳定发热状 态； n2）导体升温过程的快慢取决于导体的发热时 间常数，即与导体的吸热能力成正比，与导体 的散热能力成反比，而与通过的电流大小无关 ； n3）导体达到稳定发热状态后，由电阻损耗产 生的热量全部以对流和辐射的形式散失掉，导 体的温升趋于稳定，且稳定温升与导体的初始 温度无关。

导体的载流量 n当导体温度为导体正常工作最高允许温 度70℃、环境温度为额定环境温度25℃ 时，可计算出各种标准截面导体的长期 允许载流量 如LGJ-120型导线的长期允许载流量为 380A，100×10mm2矩形导体单条平放时的 长期允许载流量为1663A，竖放时为 1807A 提高导体载流量的措施 n1）减小交流电阻：采用电阻率小的材料 如铜、铝；增大导体的截面； 接触表面 镀锡、镀银等以减小接触电阻，提高导 体长期发热最高允许温度； n2）增大复合散热系数：改变导体的布置 方式，导体表面涂漆等； n3）增大散热面积 4、导体的短时发热 n导体的短时发热 -----短路开始到短路切除为止很短一段时 间内导体的发热过程 n目的 -----确定导体可能出现的最高温度，进而 研究导体的热稳定性 短时发热的特点 n由于发热时间短，可认为电阻损耗产生 的热量QR来不及散失，全部用于使导体 温度升高所需的热量QW，即认为导体短 时发热基本上是一个绝热的过程，且导 体温度变化很大，电阻和比热容随温度 而变化 QR ＝ QW (W/m) -------短路电流的热效应 导体短路开始（t=0s)温度θi ---短路故障切除（t=tk)温度θf θi---- Ai ---- Ai+ Qk/s2 ---- Af ----θf 根据θf 判断导体的热稳定性 短路电流热效应 QK = Qp + Qnp Qp ---周期分量的热效应 Qnp---非周期分量的热效应 T-----非周期分量等效时间（s） tK-----短路电流切除时间（s） 当短路电流切除时间超过1秒时，发热主要由周期分量决 定，可忽略非周期分量的影响。

5、导体短路的电动力 n平行载流导体间的电动力 F -----两平行载流导体间的电动力（N）； Kf -----导体截面形状系数，对圆形导体，形状系 数Kf ＝1，矩形或槽形导体的形状系数可查曲 线或查表获得； L ----- 导体的长度（m）； i1 、i2-----分别通过两导体的电流（A） 三相导体短路的电动力 n比较三相短路故障、两相短路故障情况下 各相导体遭受短路电动力： n三相短路A相的最大电动力 n三相短路B相的最大电动力 n两相短路最大电动力 最大短路电动力 n三相导体最大短路电动力出现在三相短 路故障后的0.01s，作用在中间B相 n导体振动的动态应力 导体发生振动时，内部产生动态应力 （N） β ----动态应力系数， 与导体的固有振动频率有关 二、导体和电器选择的一般原则 n各类电器设备选择遵循的共同原则是： 按正常工作条件进行选择； 按短路状态校验热稳定和动稳定 1、按正常工作条件选择电器设备 n额定电压 UN ≥ UNS UN-------电器设备额定电压； UNS -------电网额定电压 n额定电流 IN ≥ Imax IN -------电器设备在额定环境温度下的长期允许电流 Imax -------电器所在回路在各种合理运行方式下的最大持续 工作电流 n当地环境条件校验 典型回路最大持续工作电流Imax的计算方法 发电机回路---1.05倍发电机额定电流 变压器回路 ---1.05倍变压器额定电流 ---1.3~2.0倍变压器额定电流 电动机回路 ---电动机额定电流 单回路出线---线路最大负荷电流 双回路出线---1.2~2.0倍一回线的正常最大负荷电流 带电抗器出线 ---电抗器额定电流 角形与一台半断路器接线回路出线---两个相邻回路正常负荷 电流 桥型接线出线---最大元件负荷电流 主母线、母联回路 ---母线上最大一个电源元件的计算电流 母线分段回路 ---分段电抗器额定电流或相邻两段母线上最 大一台发电机额定电流的50％～80％ 旁路回路 ---需旁路的回路最大额定电流 2、按短路情况校验 n短路热稳定校验 I t2 t ≥ Qk Qk----短路电流产生的热效应； It 、t-----电器允许通过的热稳定电流和时间 n电动力稳定校验 ies ≥ ish 或 Ies ≥ Ish ish 、Ish -----短路冲击电流幅值和有效值； ies 、Ies -----电器允许通过的动稳定电流的 幅值和有效值。

不需要校验热稳定或动稳定的情况 na. 用熔断器保护的电器可不验算热稳定 nb. 采用有限流电阻的熔断器保护的设备 可不校验动稳定 nc. 装设在电压互感器回路中的裸导体和 电器可不验算热稳定和动稳定 3、短路电流计算条件 n1）容量和接线 按本工程的最终容量计算 ，并考虑本工程建成后5～10年的电力系 统远景发展规划，按可能发生最大短路电 流的正常接线方式进行短路计算 n2）短路种类 一般按三相短路进行验算 n3）选择短路计算点 在短路计算接线中 ，选择通过电器的短路电流为最大的点为 短路计算点 n发电机出口断路器：比较K1和K2点短路时，哪种情况通过 QF1的短路电流大 n母联QF5：考虑母联断路器QF5向备用母线充电时，备用 母线故障，即K4点短路时，流过母联断路器的短路电流最 大 n带电抗器的6～10KV出线回路：由于干式电抗器可靠性高 ，且断路器QF4与电抗器间的连线很短，故障几率小，导 体和电器设备的短路计算点，一般不选K7，而应选K8 n主变低压侧QF3：可能出现的短路点和运行方式很多，当 变压器高压侧QF6断开而K3点短路时最严重类似的，选 择QF6，应为QF3断开，K5点短路。

n分段断路器QF7：当主变T1退出运行而相应母线段K1点发 生短路时最严重 n母线至母线隔离开关前的引线和套管：应选择母线段K7点 4）短路计算时间 n 验算热稳定的计算时间 tk = tpr + tab ta b = tin + ta tp r-------后备保护动作时间； ta b--------断路器全开断时间； ti n--------断路器固有分闸时间； ta --------断路器开断时，电弧持续时间，对SF6 和压缩空气断路器约为0.02～0.04s n开关电器的开断时间 tb r = t p r1 + tin t p r1-------主保护动作时间 tin -------断路器固有分闸时间 三、导体、电缆、绝缘子和套管的选择 n1、裸导体的选择 n1）导体材料、类型和敷设方式 n2）导体截面选择 n按长期发热允许电流选择 Imax ≥ KIal Imax -----导体所在回路的最大持续工作电流 Ial -----在额定环境温度25度时导体允许电流 K -----与实际环境温度和海拔相关的综合修正系数 n 按经济电流密度选择 n经济电流密度J-----对应不同类型的导体和不同的最大 负荷利用小时数Tmax ，有一个年计算费用最低的电流密度， 称为经济电流密度。

按经济电流密度选择导体截面可使年计 算费用最低导体的经济截面： S = Imax / J n注意：尽量选择接近的截面，若无合适规格的导体 ，选小于经济截面的导体按经济电流密度选择的 导体截面，其允许电流必须大于导体的最大持续工 作电流 n3）电晕电压校验 对110KV以上的裸导体，按晴天不发生全 面电晕条件校验： Ucr ≥ Umax Ucr -----裸导体的临界电压 Umax -----最高工作电压 4）热稳定校验 S ≥ Smin S ------所选导体截面； Smin -----由热稳定决定的导体最小截面 ；QK ------短路电流热效应； Ks-------导体的集肤系数； C -------热稳定系数，与导体材料和工 作温度相关 n5）硬导体的动稳定校验 σ≥σal σ-----导体应力（Pa） σal -----导体材料允许应力（Pa） 单条矩形导体应力的计算 假定导体为自由支撑在绝缘子上的多跨距、匀载荷梁， 在电动力的作用下，导体所受的最大弯矩M为： fph ----- 单位长度导体上所受相间电动力（N/m）； l ------ 导体支柱绝缘子间的跨距（m） 导体最大相间计算应力 ： W------导体对垂直于作用力方向轴的截面系数 n施工中常根据材料最大允许应力来确定绝缘 子间的最大允许跨距： n6）共振频率校验 n对于发电机、变压器及汇流母线等重要 回路的导体应进行共振校验 f1-----自振频率，一般取160HZ E-----导体材料的弹性模量（Pa） I-----导体断面二次矩（m4） Nf-----频率系数，与导体连续跨数和支撑方式有关 L--------跨距（m） m-----导体单位长度的质量(kg/m) n需要进行共振校验的固有振荡频率范围 单条导体及一组中的各条导体35～135HZ 多条导体及有引下线的单条导体35～155HZ 槽形和管形导体30~160HZ 2、电力电缆的选择 n1）电缆芯线材料及型号的选择 n2）电压选择 n3）截面选择 电力电缆截面一般按长期发热允许电流选择，当电缆的最 大负荷利用小时数超过5000小时，且长度超过20米时，应 按经济电流密度选择。

与裸导体不同之处在于修正系数与 敷设方式和环境温度有关敷设时电缆应保持一定的弯曲 半径 n4）允许电压降校验 对供电距离较远、容量较大的电缆线路， 应校验其电压损失，一般应满足电压降不 超过5% U -----线路工作电压； L------线路长度； cosφ-----功率因数； r、x-----电缆单位长度的电阻和电抗 n5）热稳定校验 由于电缆芯线一般是由多股绞线构成， 截面在400mm2以下时，集肤系数Ks近似 为1，满足电缆热稳定的最小截面为： Qk -----短路电流的热效应 C-----电缆的热稳定系数 3、绝缘子、穿墙套管的选择 n支柱绝缘子应按额定电压和类型选择， 并进行短时动稳定校验； n穿墙套管应按额。