高压电气设备选择原则

　　高压电气设备选择原则_电力/水利_工程科技_专业资料。高压设备选型计算 高压电气设备选择 第一节 高压电气设备选择的一般条件和原则 为了保障高压电气设备的可靠运行，高压电气设备选择与校验的一般条件有：按正常工作条件 包括电压、电流、频率、开断电流

　　高压设备选型计算 高压电气设备选择 第一节 高压电气设备选择的一般条件和原则 为了保障高压电气设备的可靠运行，高压电气设备选择与校验的一般条件有：按正常工作条件 包括电压、电流、频率、开断电流等选择；按短路条件包括动稳定、热稳定校验；按环境工作条件 如温度、湿度、海拔等选择。 由于各种高压电气设备具有不同的性能特点，选择与校验条件不尽相同，高压电气设备的选择 与校验项目见表7-1。 表7-1 高压电气设备的选择与校验项目 设备名称 短路电流校验 环境 额定电压 额定电流 开断能力 动稳定 热稳定 条件 其它 断路器 √ √ √ ○ ○ ○ 操作性能 负荷开关 √ √ √ ○ ○ ○ 操作性能 隔离开关 √ √ ○ ○ ○ 操作性能 熔断器 √ √ √ ○ 上、下级间配合 电流互感器 √ √ ○ ○ ○ 电压互感器 √ ○ 二次负荷、准确等级 支柱绝缘字 √ ○ ○ 二次负荷、准确等级 穿墙套管 √ √ ○ ○ ○ 母线 √ ○ ○ ○ 电缆 √ √ ○ ○ 注：表中“√”为选择项目，“○”为校验项目。 一、按正常工作条件选择高压电气设备 （一）额定电压和最高工作电压 高压电气设备所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，常高于电网的额定电压，故所选电气 设备允许最高工作电压Ualm不得低于所接电网的最高运行电压。 一般电气设备允许的最高工作电压 可达1.1~1.15UN ，而实际电网的最高运行电压Usm一般不超过1.1UNs，因此在选择电气设备时，一般 可按照电气设备的额定电压UN不低于装置地点电网额定电压UNs的条件选择，即 UN ≥UNs （7-1） （二）额定电流 电气设备的额定电流IN是指在额定环境温度下，电气设备的长期允许通过电流。IN应不小于该回 路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax，即 IN ≥Imax （7-2） 计算时有以下几个应注意的问题： （1）由于发电机、调相机和变压器在电压降低5%时，出力保持不变，故其相应回路的Imax为发 电机、调相机或变压器的额定电流的1.5倍； （2）若变压器有过负荷运行可能时， Imax应按过负荷确定（1.3~2倍变压器额定电流）； （3）母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机或变压器的Imax； 1 高压设备选型计算 （4）出线回路的Imax除考虑正常负荷电流（包括线路损耗）外，还应考虑事故时由其它回路转 移过来的负荷。 （三）按环境工作条件校验 在选择电气设备时，还应考虑电气设备安装地点的环境(尤须注意小环境)条件，当气温、风速、 温度、污秽等级、海拔高度、地震烈度和覆冰厚度等环境条件超过一般电气设备使用条件时，应采 取措施。例如:当地区海拔超过制造部门的规定值时，由于大气压力、空气密度和湿度相应减少，使 空气间隙和外绝缘的放电特性下降，一般当海拔在1000~3500m范围内，若海拔比厂家规定值每升高 l00m，则电气设备允许最高工作电压要下降1%。当最高工作电压不能满足要求时，应采用高原型电 气设备，或采用外绝缘提高一级的产品。对于110kV及以下电气设备，由于外绝缘裕度较大，可在 海拔2000m以下使用。 当污秽等级超过使用规定时，可选用有利于防污的电瓷产品，当经济上合理时可采用屋内配电 装置。 当周围环境温度θ0和电气设备额定环境温度不等时，其长期允许工作电流应乘以修正系数K，即 I alθ ? KI N ? ? max??0 ?max ??N IN （7-3） 我国目前生产的电气设备使用的额定环境温度θN=40℃。如周围环境温度θ0高于40℃(但低于60℃) 时，其允许电流一般可按每增高1℃，额定电流减少1.8%进行修正，当环境温度低于40℃时，环境温 度每降低1℃，额定电流可增加0.5%，但其最大电流不得超过额定电流的20%。 二、按短路条件校验 （一）短路热稳定校验 短路电流通过电气设备时，电气设备各部件温度(或发热效应)应不超过允许值。满足热稳定的条 件为 It 2t ? I? 2tdz （7-4） 式中 It —由生产厂给出的电气设备在时间t秒内的热稳定电流。 I∞—短路稳态电流值。 t—与It相对应的时间。 tdz—短路电流热效应等值计算时间。 （二）电动力稳定校验 电动力稳定是电气设备承受短路电流机械效应的能力，也称动稳定。满足动稳定的条件为 ies ? ich (7-5) 或 Ies ? Ich （7-6） 式中 ich、Ich—短路冲击电流幅值及其有效值； ies 、Ies——电气设备允许通过的动稳定电流的幅值及其有效值。 下列几种情况可不校验热稳定或动稳定： （1）用熔断器保护的电器，其热稳定由熔断时间保证，故可不校验热稳定。 （2）采用限流熔断器保护的设备，可不校验动稳定。 （3）装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备可不校验动、热稳定。 2 高压设备选型计算 （三）短路电流计算条件 为使所选电气设备具有足够的可靠性、经济性和合理性，并在一定时期内适应电力系统发展的 需要，作校验用的短路电流应按下列条件确定。 （1）容量和接线按本工程设计最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划(一般为本工程建 成后5~10年)；其接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式，但不考虑在切换过程中可能短 时并列的接线方式(如切换厂用变压器时的并列)。 （2）短路种类一般按三相短路验算，若其它种类短路较三相短路严重时，则应按最严重的情况 验算。 （3）计算短路点选择通过电器的短路电流为最大的那些点为短路计算点。 （四）短路计算时间 校验热稳定的等值计算时间tdz为周期分量等值时间tz及非周期分量等值时间tfz之和，对无穷大容 量系统， I ?? ? I ? ，显然tz按和短路电流持续时间相等,按继电保护动作时间tpr和相应断路器的全开断 时间tab之和，即 tz=tb+tkd 而 tkd=tgf+th (7-7) 式中tkd—断路器全开断时间； td—保护动作时间； tgf—断路器固有分闸时间，可查附录1； th—断路器开断时电弧持续时间，对少油断路器为0.04~0.06s，对SF6和压缩空气断路器约为 0.02~0.04s。 开断电器应能在最严重的情况下开断短路电流，考虑到主保护拒动等原因，按最不利情况，取 后备保护的动作时间。 3 高压设备选型计算 第二节 高压断路器、隔离开关、重合器和分段器的选择 一、高压断路器的选择 高压断路器选择及校验条件除额定电压、额定电流、热稳定、动稳定校验外，还应注意以下几 点： （一）断路器种类和型式的选择 高压断路器应根据断路器安装地点、环境和使用条件等要求选择其种类和型式。由于少油断路 器制造简单、价格便宜、维护工作量较少，故在3~220kV系统中应用较广，但近年来，线kV及以下电力系统中得到了广泛应用，有取代油断路器的趋势。SF6断路器也已在向中压 10~35kV发展，并在城乡电网建设和改造中获得了应用。 高压断路器的操动机构，大多数是由制造厂配套供应，仅部分少油断路器有电磁式、弹簧式或 液压式等几种型式的操动机构可供选择。一般电磁式操动机构需配专用的直流合闸电源，但其结构 简单可靠；弹簧式结构比较复杂，调整要求较高；液压操动机构加工精度要求较高。操动机构的型 式，可根据安装调试方便和运行可靠性进行选择。 （二）额定开断电流选择 在额定电压下，断路器能保证正常开断的最大短路电流称为额定开断电流。高压断路器的额定 开断电流INbr，不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量Izt，即 INbr≥Izt （7-8） 当断路器的INbr较系统短路电流大很多时，为了简化计算，也可用次暂态电流I进行选择即 INbr≥I （7-9） 我国生产的高压断路器在做型式试验时，仅计入了20%的非周期分量。一般中、慢速断路器， 由于开断时间较长(0.1s)，短路电流非周期分量衰减较多，能满足国家标准规定的非周期分量不超 过周期分量幅值20%的要求。使用快速保护和高速断路器时，其开断时间小于0.1s，当在电源附近短 路时，短路电流的非周期分量可能超过周期分量的20%，因此需要进行验算。短路全电流的计算方 法可参考有关手册，如计算结果非周期分量超过20%以上时，订货时应向制造部门提出要求。 装有自动重合闸装置的断路器，当操作循环符合厂家规定时，其额定开断电流不变。 （三）短路关合电流的选择 在断路器合闸之前，若线路上已存在短路故障，则在断路器合闸过程中，动、静触头间在未接 触时即有巨大的短路电流通过(预击穿)，更容易发生触头熔焊和遭受电动力的损坏。且断路器在关合 短路电流时，不可避免地在接通后又自动跳闸，此时还要求能够切断短路电流，因此，额定关合电 流是断路器的重要参数之一。为了保证断路器在关合短路时的安全，断路器的额定关合电流iNcl不应 小于短路电流最大冲击值ich ， 即 iNcl≥ich 二、隔离开关的选择 (7-10) 4 高压设备选型计算 隔离开关选择及校验条件除额定电压、额定电流、热稳定、动稳定校验（以上参见本章第一节） 外，还应注意其种类和形式的选择，尤其屋外式隔离开关的型式较多，对配电装置的布置和占地面 积影响很大，因此其型式应根据配电装置特点和要求以及技术经济条件来确定。 隔离开关选型参考表 使用场合 特点 参考型号 屋内配电装置成套高压开关柜 三级， 10kV以下 GN2，GN6，GN8，GN19 单极，大电流3000~13000A GN10 屋 三级，15kV，200~600A GN11 发电机回路，大电流回路 内 三级，10kV，大电流2000~3000A GN18，GN22，GN2 单极，插入式结构，带封闭罩20 kV， GN14 大电流10000~13000A 220kV及以下各型配电装置 双柱式，220kV及以下 GW4 屋 高型，硬母线kV及以上中型配电装置 三柱式，220~500 kV GW7 [例7-1] 如右图所示降压变电所中一台变压器，容量为 7500kVA，其短路电压百分值为Ud%=7.5，二次母线kV，变电所由无限大容量系统供电，二次母线上短路电流 为 I=I∞=5.5kA。作用于高压断路器的定时限保护装置的动 作时限为ls，瞬时动作的保护装置的动作时限为0.05s，拟采用 高速动作的高压断路器，其固有开断时间为0.05s，灭弧时间 为0.05s，断路器全开断时间则为tkd=0.05+0.05=0.1s，试选择高 压断路器与隔离开关。 解：通过所选断路器的工作电流为 7500 7500 I.max= = =433A 3U N 3 ?10 短路电流冲击值为 ich=2.55 I=14kA 短路电流热效应的等值计算时间为 tz=t=tb+tkd=1+0.1=1.1s1s,可忽略tfz,z则 tdz= tz=1.1s 根据上述计算数据结合具体情况和选择条件，由产品样本或附录1、2选择户内SN10-10I-600型的高 压断路器和GN7-10-600型的隔离开关，经短路稳定性校验，均合格。将计算数据和其额定数据列于 表7-3中，并选取CD10与CS7-lT型操作机构。 表 选用SN10-10I-600型高压断路器和GN7-10-600型隔离开关数据表 5 高压设备选型计算 计算数据 安装网路的额定电压10kV 通过电器的工作电流433A 短路电流I=I∞=5. 5kA 短路电流冲击值ich=14kA 热校验计算值I∞2tdz =5.52×1.1=33.3kA2s SN10-10I-600型高压断路器 UN=10kV IN=600A INcl=20.2kA imax=52kA It2t=20.22×4=1632 kA2s GN7-10-600型隔离开关 UN=10kV IN=600A imax=52kA It2t=202×5=2000kA2s 三、重合器和分段器的选择 （一）重合器的选择 选用重合器时，要使其额定参数满足安装地点的系统条件，具体要求有: 1. 额定电压 重合器的额定电压应等于或大于安装地点的系统最高运行电压。 2. 额定电流 重合器的额定电流应大于安装地点的预期长远的最大负荷电流。除此，还应注意重合器的额定 电流是否满足触头载流、温升等因素而确定的参数。为满足保护配合要求，还应选择好串联线圈和 电流互感器的额定电流。通常，选择重合器额定电流时留有较大的裕度。选择串联线圈时应以实际 预期负荷为准。 3. 确定安装地点最大故障电流。 重合器的额定短路开断电流应大于安装地点的长远规划最大故障电流。 4. 确定保护区域未端最小故障电流 重合器的最小分闸电流应小于保护区段最小故障电流。对液压控制重合器，这主要涉及选择串 联线圈额定电流问题:电流裕度大时，可适应负荷的增加并可避免对涌流过于敏感;而电流裕度小时， 可对小故障电流反应敏感。有时，可将重合器保护区域的末端直接选在故障电流至少为重合器最小 分闸电流的1.5倍处，以保证满足该项要求。 5. 与线路其他保护设备配合 这主要是比较重合器的电流—时间特性曲线，操作顺序和复归时间等特性，与线路上其他重合 器、分段器、熔断器的保护配合，以保证在重合器后备保护动作或在其他线路元件发生损坏之前， 重合器能够及时分断。 （二）分段器的选择 选用分段器时，应注意以下问题: 1. 启动电流 分段器的额定启动电流应为后备保护开关最小分闸电流的80%。当液压控制分段器与液压控制 重合器配合使用时，分段器与重合器选用相同额定电流的串联线圈即可。因为液压分段器的启动电 流为其串联线倍，而液压重合器的最小分闸电流为其串联线 高压设备选型计算 电子控制分段器的启动电流可根据其额定电流直接整定，但必须满足上述80%原则。电子重合 器整定值为实际动作值，应考虑配合要求。 2. 记录次数 分段器的计数次数应比后备保护开关的重合次数少一次。当数台分段器串联使用时，负荷侧分 段器应依次比其电源侧分段器的计数次数少一次。在这种情况下，液压分段器通常不用降低其启动 电流值的方法来达到各串联分段器之间的配合，而是采用不同的计数次数来实现，以免因网络中涌 流造成分段器误动。 3. 记忆时间 必须保证分段器的记忆时间大于后备保护开关动作的总累积时间，否则分段器可能部分地忘记 故障开断的分闸次数，导致后备保护开关多次不必要的分闸或分段器与前级保护都进入闭锁状态， 使分段器起不到应有的作用。 液压控制分段器的记忆时间不可调节，它由分闸活塞的复位快慢所决定。复位快慢又与液压机 构中油粘度有关。 7 高压设备选型计算 第三节 互感器的选择 一、电流互感器的选择 （一） 电流互感器一次回路额定电压和电流选择 电流互感器一次回路额定电压和电流选择应满足： UN1≥UNs （7-11） IN1≥I.max （7-12） 式中UN1、IN1——电流互感器一次额定电压和电流。 为了确保所供仪表的准确度，互感器的一次侧额定电流应尽可能与最大工作电流接近。 （二）二次额定电流的选择 电流互感器的二次额定电流有5A和1A两种，一般强电系统用5A， 弱电系统用1A。 （三）电流互感器种类和型式的选择 在选择互感器时，应根据安装地点(如屋内、屋外)和安装方式(如穿墙式、支持式、装入式等)选 择相适应的类别和型式。选用母线型电流互感器时，应注意校核窗口尺寸。 （四）电流互感器准确级的选择 为保证测量仪表的准确度，互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。例如:装于重要回 路(如发电机、调相机、变压器、厂用馈线、出线等)中的电能表和计费的电能表一般采用0.5~1级表， 相应的互感器的准确级不应低于0.5级；对测量精度要求较高的大容量发电机、变压器、系统干线级。供运行监视、估算电能的电能表和控制盘上仪表一般皆用1~1.5级的，相应的电 流互感器应为0.5~1级。供只需估计电参数仪表的互感器可用3级的。当所供仪表要求不同准确级时， 应按相应最高级别来确定电流互感器的准确级。 （五）二次容量或二次负载的校验 为了保证互感器的准确级，互感器二次侧所接实际负载Z2l或所消耗的实际容量荷S2应不大于该 准确级所规定的额定负载ZN2或额定容量SN2（ZN2及SN2均可从产品样本或附录3查到），即 SN2 ≥S2= IN22 Z2l (7-13) 或 ZN2 ≥ Z2l≈Rwi+Rtou + Rm + Rr (7-14) 式中 Rm ， Rr ——电流互感器二次回路中所接仪表内阻的总和与所接继电器内阻的总和，可由产 品样本或附录9中查得。 Rwi ——电流互感器二次联接导线的电阻。 Rtou ——电流互感器二次连线)并整理得： Rwi≤ SN2 ? I 2 N 2 ( Rtou I 2 N 2 ? Rm ? Rr ) （7-15） 因为 A= lca ，所以 A≥ lca ?Rwi ? (Z N 2 ? Rtou ? Rm ? Rr ) (7-16) 式中 A ， lca一电流互感器二次回路连接导线）及计算长度（mm）。 8 高压设备选型计算 按规程要求联接导线的铜线。当截面选 定之后，即可计算出联接导线的电阻Rwi。有时也可先初选电流互感器，在已知其二次侧连接的仪表 及继电器型号的情况下，利用式（7-16）确定连接导线的截面积。但须指出，只用一只电流互感器 时电阻的计算长度应取连接长度2倍，如用三只电流互感器接成完全星形接线时，由于中线电流近于 零，则只取连接长度为电阻的计算长度。若用两只电流互感器接成不完全星形结线时，其二次公用 线中的电流为两相电流之向量和，其值与相电流相等，但相位差为60，故应取连接长度的 3 倍为 电阻的计算长度。 （六）热稳定和动稳定校验 （1）电流互感器的热稳定校验只对本身带有一次回路导体的电流互感器进行。电流互感器热稳 定能力常以1S允许通过的一次额定电流IN1的倍数Kh来表示，故热稳定应按下式校验 (KhIN1)2≥ I∞2tdz (7-17) 式中 Kh，IN1 — 由生产厂给出的电流互感器的热稳定倍数及一次侧额定电流。 I∞ ，tdz —短路稳态电流值及热效应等值计算时间。 （2） 电流互感器内部动稳定能力，常以允许通过的一次额定电流最大值的倍数kmo一动稳定电 流倍数表示，故内部动稳定可用下式校验 2 KmoIN1≥ich (7-18) 式中 Kmo，IN1 —由生产厂给出的电流互感器的动稳定倍数及一次侧额定电流。 ich —故障时可能通过电流互感器的最大三相短路电流冲击值。 由于邻相之间电流的相互作用，使电流互感器绝缘瓷帽上受到外力的作用，因此，对于瓷绝缘 型电流互感器应校验瓷套管的机械强度。瓷套上的作用力可由一般电动力公式计算，故外部动稳定 应满足 Fal≥0.5×1.73×10-7ich2 l (N) a (7-19) 式中 Fal——作用于电流互感器瓷帽端部的允许力； l一电流互感器出线端至最近一个母线支柱绝缘子之间的跨距。 系数0.5表示互感器瓷套端部承受该跨上电动力的一半。 [例7-2] 试就[例7-1]中已知条件，选择图7-1中所示的电流互感器。拟将电流互感器装在 JYN2-10型高压开关柜内，并选取两个铁芯级的，其中一个供给仪表，所接仪表的电路，如图7-2 所示。另一个供给继电保护。 9 高压设备选型计算 解：根据UN=l0kV、Imax=433A，选择户内型0.5/P级的LZZJB7-10型，一次额定电流为600A 的电流互感器。其中0.5级供测量仪表，P级供继电保护装置用。 根据附录9查得各种仪表每个电流线圈的负载值，分别列于图7-2中，由图可知，A相电流互 感器的仪表线圈最多，其总负载值为Rm=0.12+0.058+0.02+0.02=0.218Ω，取导线的接触电阻 Rtou=0.1Ω，如果联接导线l≈Rwi+Rtou + Rm =0.218+0.065+0.1=0.383Ω 又根据附录3查得LZZJB7-10型电流互感器0.5级的ZN2=0. 4 Ω。显然ZN2 Z2l，按二次容量校 验合格。同时由附录3尚可查得LZZJB7-10型电流互感器的动稳定倍数Kmo=70与ls的热稳定倍数 kh=55，则短路的稳定性校验: (KhIN1)2=(55×0.6)2=1089kA2s I∞2tdz=5.52×1.1=33.3 kA2s 2 KmoIN1= 2 ×0.6×70=59.4 kA ich =14 kA 飞 故选取LZZJB6— 10—600—0.5/P型的电流互感器完全适合。 二、电压互感器的选择 （一）电压互感器一次回路额定电压选择 为了确保电压互感器安全和在规定的准确级下运行，电压互感器一次绕组所接电力网电压应在 （1.1~0.9）UN1范围内变动，即满足下列条件 1.1 UN1 UNs0.9 UN1 式中 UN1 —电压互感器一次侧额定电压。 选择时，满足UN1= UNs 即可。 （二）电压互感器二次侧额定电压的选择 (7-20) 电压互感器二次侧额定线V，要和所接用的仪表或继电器相适应。 （三）电压互感器种类和型式的选择 电压互感器的种类和型式应根据装设地点和使用条件进行选择，例如：在6~35kV屋内配电装置 中，一般采用油浸式或浇注式； 110~220kV配电装置通常采用串级式电磁式电压互感器；220kV及 其以上配电装置，当容量和准确级满足要求时，也可采用电容式电压互感器。 （四）准确级选择 和电流互感器一样，供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1 级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜。 （五）按准确级和额定二次容量选择 首先根据仪表和继电器接线要求选择电压互感器接线方式，并尽可能将负荷均匀分布在各相上， 然后计算各相负荷大小，按照所接仪表的准确级和容量选择互感器的准确级额定容量。有关电压互 感器准确级的选择原则，可参照电流互感器准确级选择。一般供功率测量、电能测量以及功率方向 保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压 互感器为宜。 10 高压设备选型计算 电压互感器的额定二次容量（对应于所要求的准确级）SN2，应不小于电压互感器的二次负荷S2， 即SN2≥S2 (7-21) ? ? ? ? S2= ( S0 cos?)2 ? ( S0 sin?)2 ? ( P0 )2 ? ( Q0 )2 (7-22) 式中S0、P0 、Q0—各仪表的视在功率、有功功率和无功功率。 cos? —各仪表的功率因数。 如果各仪表和继电器的功率因数相近，或为了简化计算起见，也可以将各仪表和继电器的视在 功率直接相加，得出大于S2的近似值，它若不超过SN2，则实际值更能满足式(7-21)的要求。 由于电压互感器三相负荷常不相等，为了满足准确级要求，通常以最大相负荷进行比较。 计算电压互感器各相的负荷时，必须注意互感器和负荷的接线kV母线只、母线只、电压互感器及仪表接线kV母线测量用的电压互感器。 图7-3测量仪表与电压互感器的连接图 图7-3 测量仪表与电压互感器的连线kV为中性点不接地系统，电压互感器除供测量仪表外，还用来作交流电网绝缘监 视，因此，查附录4，选用JSJW-10型三相五柱式电压互感器(也可选用3只单相JDZJ-10型浇注绝缘TV， 但不能用JDJ或JDZ型TV接成星形)，其一、二次电压为 10 /0.1/ 0.1 kV。由于回路中接有计费用电 33 能表，故电压互感器选用0.5准确级。与此对应，互感器三相总的额定容量为120VA。电压互感器接 线得各仪表型号及参数，连同初步计算结果列于表7-5中。 表7-5 电压互感器备相负荷分配(不完全星形负荷部分) 仪表名称及型号 每线圈消耗 仪表电压线圈 功率(VA) COS? sin? 仪表 数目 AB相 Pab Qab BC相 Pbc Qbc 有功功率表46D1-W 0.6 1 3 1.8 1.8 无功功率表46D1-var 0.5 1 1 0.5 0.5 有功电能表DS1 1.5 0.38 0.925 10 5.7 13.9 5.7 13.9 频率表46L1-Hz 1.2 1 1 1.2 电压表16L1-V 0.3 1 1 0.3 总计 9.2 13.9 8.3 13.9 根据表7-5可求出不完全星形部分负荷为 11 高压设备选型计算 Sab= Pab 2 ? Qab 2 ? 9.22 ? 13.92 =16.7(VA) cos? ab=Pab/Sab=9.2/16.7=0.55 ? ab=56.6o Sbc= Pbc 2 ? Qbc 2 ? 8.32 ? 13.92 =16.2(VA) cos? bc=Pbc/Sbc=8.3/16.2=0.51 ? bc=59.2o 由于每相上还接有绝缘监视电压表V（ P? =0.3W， Q? =0），故A相负荷为 PA= 1 3 Sab cos( ? ab-30 o)+ Pa? = 1 ×16.7 cos(56.6 o-30 o)+0.3=8.62(W) 3 QA= 1 Sab sin(? ab-30 o) = 1 ×16.7 sin(56.6 o-30 o) =4.3(var) 3 3 B相负荷为 PB= 1 3 [Sab cos(? ab+30 o)+ Sbc cos( ? bc-30 o)]+ Pb? = 1 [16.7 cos(56.6 o+30 o)+ 16.2 cos(59.2 o-30 o)]+0.3=9.04(W) 3 QB= 1 [Sab sin(? ab+30 o)+ Sbc sin(? bc-30 o)] 3 = 1 [16.7 sin(56.6 o+30 o)+ 16.2 sin(59.2 o-30 o)]=14.2(var) 3 显而易见，B相负荷较太，故应按B相总负荷进行校验 SB ? PB2 ? QB2 = 9.042 ? 14.22 120 =16.8 (VA) 3 故所选JSJW-l0型互感器满足要求。 12 高压设备选型计算 第四节 高压熔断器的选择 高压熔断器按额定电压、额定电流、开断电流和选择性等项来选择和校验。 一、额定电压选择 对于一般的高压熔断器，其额定电压UN必须大于或等于电网的额定电压UNs。但是对于充填石英 砂有限流作用的熔断器，则不宜使用在低于熔断器额定电压的电网中，这是因为限流式熔断器灭弧 能力很强，在短路电流达到最大值之前就将电流截断，致使熔体熔断时因截流而产生过电压，其过 电压倍数与电路参数及熔体长度有关，一般在UNs=UN的电网中，过电压倍数约2~2.5倍，不会超过电 网中电气设备的绝缘水平，但如在UNsUN的电网中，因熔体较长，过电压值可达3.5~4倍相电压，可 能损害电网中的电气设备。 二、额定电流选择 熔断器的额定电流选择，包括熔管的额定电流和熔体的额定电流的选择。 （一）熔管额定电流的选择 为了保证熔断器载流及接触部分不致过热和损坏，高压熔断器的熔管额定电流应满足式（7-22） 的要求，即 INft ≥INfs （7-23） 式中 INft—熔管的额定电流； INfs—熔体的额定电流 （二）熔体额定电流选择 为了防止熔体在通过变压器励磁涌流和保护范围以外的短路及电动机自启动等冲击电流时误动 作，保护35kV及以下电力变压器的高压熔断器，其熔体的额定电流可按式(7-23)选择，即 INfs =KImax (7-24) 式中K—可靠系数(不计电动机自启动时K=1.1~1.3，考虑电动机自启动时K=1.5~2.0)； Imax一电力变压器回路最大工作电流。 用于保护电力电容器的高压熔断器的熔体，当系统电压升高或波形畸变引起回路电流增大或运 行过程中产生涌流时不应误熔断，其熔体按式(7-25)选择，即 INfs =KINc (7-25) 式中K一可靠系数(对限流式高压熔断器，当一台电力电容器时K=1.5~2.0，当一组电力电容器时 K=1.3~1.8)； INc一电力电容器回路的额定电流。 三、熔断器开断电流校验 INbr≥Ich(或I) （7-26） 式中INbr—熔断器的额定开断电流 对于没有限流作用的熔断器，选择时用冲击 电流的有效值Ich 进行校验；对于有限流作用的熔 断器，在电流达最大值之前已截断，故可不计非 周期分量影响，而采用I进行校验。 四、熔断器选择性校验 为了保证前后两级熔断器之间或熔断器与电 源(或负荷)保护装置之间动作的选择性，应进行熔体选择性校验。各种型号熔断器的熔体熔断时间可 13 高压设备选型计算 由制造厂提供的安秒特性曲线所示，为两个不同熔体的安秒特性曲线）， 同一电流同时通过此二熔体时，熔体1先熔断。所以，为了保证动作的选择性，前一级熔体应采用熔 体1，后一级熔体应采用熔体2。 对于保护电压互感器用的高压熔断器，只需按额定电压及断流容量两项来选择。 第五节 支柱绝缘子和穿墙套管的选择 一、绝缘子简介 绝缘子俗称为绝缘瓷瓶,它广泛地应用在发电厂和变电所的配电装置、变压器、各种电器以及输 电线之中。用来支持和固定裸载流导体，并使裸导体与地绝缘,或者用于使装置和电气设备中处在不 同电位的载流导体间相互绝缘。因此,要求绝缘子必须具有足够的电气绝缘强度、机械强度、耐热性 和防潮性等等。 绝缘子按安装地点,可分为户内(屋内)式和户外(屋外)式两种。 按结构用途可分为支持绝缘子和套管绝缘子。 （一）支柱绝缘子 支柱绝缘子又分为户内式和户外式两种。户内式支柱绝缘子广泛应用在3~110kV各种电压等级 的电网中。 1. 户内式支柱绝缘子 户内式支柱绝缘子可分为外胶装式、内胶装式及联合胶装式等三种。 2. 户外式支柱绝缘子 户外支柱绝缘子有针式和实心棒式两种。图7-6所示为户外支柱绝缘子结构图。它主要由绝缘瓷 体2、4,铸铁帽5和具有法兰盘的装脚1组成。 （二）套管绝缘子 套管绝缘子简称为套管。套管绝缘子按其安装地点可分户内式和户外式两种。 1.户内式套管绝缘子 户内式套管绝缘子根据其载流导体的特征可分为以下三种型式：采用矩形截面的载流体、采用 圆形截面的载流导体和母线型。前两种套管载流导体与其绝缘部分制做成一个整体,使用时由载流导 体两端与母线直接相连。而母线型套管本身不带载流导体,安装使用时,将原载流母线装于该套管的矩 形窗口内。 2.户外式套管绝缘子 户外式套管绝缘子用于将配电装置中的户内载流导体与户外载流导体之间的连接处,例如线路 引出端或户外式电器由接地外壳内部向外引出的载流导体部分。因此,户外式套管绝缘子两端的绝缘 分别按户内外两种要求设计 二、支柱绝缘子及穿墙套管的选择 支柱绝缘子和穿墙套管的选择和校验项目见表7-6。 项目 额定电压 额定电流 热稳定 支持绝缘子 穿墙套管 式（7-1） 式（7-2） 式（7-4） 动稳定 式（7-26） 支柱绝缘子及穿墙套管的动稳定性应满足式（7-26）的要求： 14 高压设备选型计算 Fal≥Fca （7-27） 式中Fal —支柱绝缘子或穿墙套管的允许荷重。 Fca —加于支柱绝缘子或穿墙套管上的最大计算力。 Fal可按生产厂家给出的破坏荷重Fdb的60%考虑，即 Fal=0.6 Fdb (N) (7-28) Fca即最严重短路情况下作用于支柱绝缘子或穿墙套管上的最大电动力，由于母线电动力是作用 在母线截面中心线上，而支持绝缘子的抗弯破坏荷重是按作用在绝缘子帽上给出的，二者力臂不等， 短路时作用于绝缘子帽上的最大计算力为： H Fca= H 1 Fmax (N) (7-29) 式中Fmax —最严重短路情况下作用于母线 —支柱绝缘子高度(mm)。 H —从绝缘子底部至母线水平中心线的高度（mm）。 b 一母线支持片的厚度，一般竖放矩形母线mm;平放矩形母线mm。 Fmax的计算说明如下： 布置在同一平面内的三相母线，在发生短路时，支持绝缘子所受的力为 Fmax=1.73 is2h Lca a ?10?7 (7-30) 式中 a—母线间距（m） Lca一计算跨距（m）。对母线中间的支持绝缘子，Lca 取相邻跨距之和的一半。对母线端 头的支持绝缘子，Lca 取相邻跨距的一半，对穿墙套管，则取套管长度与相邻跨距之和的一半。 15 高压设备选型计算 第六节 母线和电缆的选择 一、母线的选择与校验 母线一般按① 母线材料、类型和布置方式；② 导体截面；③ 热稳定； ④ 动稳定等项进行选 择和校验；⑤ 对于110kV以上母线要进行电晕的校验；⑥ 对重要回路的母线还要进行共振频率的 校验。 (一) 母线材料、类型和布置方式 （1）配电装置的母线常用导体材料有铜、铝和钢。铜的电阻率低，机械强度大，抗腐蚀性能好 价格较贵。 （2）常用的硬母线截面有矩形、槽形和管形。矩形母线A及以 下的配电装置中。槽形母线机械强度好，载流量较大，集肤效应系数也较小，一般用于4000~8000A 的配电装置中。管形母线集肤效应系数小，机械强度高，管内还可通风和通水冷却，因此，可用于 8000A以上的大电流母线）母线的散热性能和机械强度与母线的布置方式有关 (二) 母线截面的选择 除配电装置的汇流母线m以下)按最大长期工作电流选择截面外，其余导体的截面 一般按经济密度选择。 1.按最大长期工作电流选择 母线长期发热的允许电流Ial ， 应不小于所在回路的最大长期工作电流Imax，即 KIal≥Imax （7-31） 式中 Ial一相对于母线允许温度和标准环境条件下导体长期允许电流； K一综合修正系数，与环境温度和导体连接方式等有关。 2.按经济电流密度选择 按经济电流密度选择母线截面可使年综合费用最低，年综合费用包括电流通过导体所产生的年 电能损耗费、导体投资和折旧费、利息等。从降低电能损耗角度看，母线截面越大越好，而从降低 投资、折旧费和利息的角度，则希望截面越小越好。综合这些因素，使年综合费用最小时所对应的 母线截面称为母线的经济截面，对应的电流密度称为经济电流密度。 按经济电流密度选择母线截面按下式计算 Sec= I max J ec (7-32) 式中 Imax—通过导体的最大工作电流； Jec—经济电流密度 在选择母线截面时，应尽量接近按式(7-32)计算所得到的截面，当无合适规格的导体时，为节约 投资，允许选择小于经济截面的导体。并要求同时满足式（7-31）的要求。 (三) 母线热稳定校验 按正常电流及经济电流密度选出母线截面后，还应按热稳定校验。按热稳定要求的导体最小截 面为 S min ? I? C tdz K s （7-33） 16 高压设备选型计算 式中 I ? —短路电流稳态值 （A） Ks—集肤效应系数，对于矩形母线。 tdz—热稳定计算时间； C一热稳定系数 （四）母线的动稳定校验 各种形状的母线通常都安装在支持绝缘子上，当冲击电流通过母线时，电动力将使母线产生弯 曲应力， 因此必须校验母线的动稳定性。 安装在同一平面内的三相母线，其中间相受力最大，即 Fmax=1.732×10-7Kf is2h l a (N) (7-34) 式中 Kf—母线形状系数，当母线相间距离远大于母线截面周长时， Kf =1。 l—母线跨距(m)； a—母线相间距(m)。 母线通常每隔一定距离由绝缘瓷瓶自由支撑着。因此当母线受电动力作用时，可以将母线看成 一个多跨距载荷均匀分布的梁，当跨距段在两段以上时，其最大弯曲力矩为 M ? Fmaxl 10 若只有两段跨距时，则 (7-35) M ? Fmaxl 8 (7-36) 式中 Fmax —— 一个跨距长度母线所受的电动力（N）。 母线材料在弯曲时最大相间计算应力为 ? ca ? M W (7-37) 式中 W一母线对垂直于作用力方向轴的截面系数，又称抗弯矩（m3），其值与母线截面形状 及布置方式有关。 要想保证母线不致弯曲变形而遭到破坏，必须使母线的计算应力不超过母线的允许应力，即母 线的动稳定性校验条件为 ? ca ? ? al （7-38） 式中 ? al 一母线材料的允许应力，对硬铝母线MPa;对硬铜母线MPa。 如果在校验时， ? ca ? ? al ，则必须采取措施减小母线的计算应力，具体措施有：将母线由竖 放改为平放；放大母线截面，但会使投资增加；限制短路电流值能使? ca 大大减小，但须增设电抗 器；增大相间距离a；减小母线跨距l的尺寸，此时可以根据母线材料最大允许应力来确定绝缘瓷瓶 之间最大允许跨距，由式7-35和式7-37可得 式中 lmax ? 10? alW F1 F1—单位长度母线上所受的电动力（N/m） （7-39） 当矩形母线水平放置时，为避免导体因自重而过分弯曲，所选取的跨距一般不超过1.5~2m。考 虑到绝缘子支座及引下线安装方便，常选取绝缘子跨距等于配电装置间隔的宽度。 17 高压设备选型计算 例7-4 试就[例7-1]已知条件选择10kV的矩形母线以及绝缘瓷瓶。已知母线以及绝缘瓷瓶拟装于 JYN2-10型高压开关柜中呈垂直布置，且矩形母线平放于支持瓷瓶上，母线mm,跨 距长取决于柜宽，即l=1000mm，取母线，年最大负荷利用小时数为6000h。环境温 度为300C 解：在[例7-1]中已求得通过母线的工作电流为Iw..max=433A,根据允许发热条件，按附录6选取40 ×5mm2的矩形铝母线A，考虑到环境温度修正系数，实际允许载流量为： Ialθ= KI N ? ? max??0 ?0 ? 25 IN = 70 ? 30 ? 515=485A433A 70 ? 25 如果母线较长，尚应按经济电流密度选择母线,则经济截面为 Sec= I max J ec = 433 =481mm2 0.9 67 为节省母线材料选取相邻较小的标准截面S=63×6.3 mm2,可见应初选S=63×6.3 mm2的矩形铝 母线,并按热、力稳定性进行校验。 从[例7-1]己知短路电流I=I∞=5. 5kA,短路电流热效应的计算时间为tk=1.1s,并由表7-8查得计算系 数C=95,按公式7-33，并查附录6得集肤效应系数为1.02，则可求得满足热稳性的最小允许截面 S m in ? I? C tdz K s ? 5500 95 1.1?1.02 ? 61.3mm2 ? 63? 6.3mm2 可见,按短路电流的热稳性校验是合格的。 三相母线中间相上最大受力为 F ? 1.73?10?7 ich2 l a ? 1.73?10?7 (2.55? 5500)2 1 0.25 ? 136(N) 67 母线上如接有多条引出线,需多个开关柜,故其跨距数大于2,则母线的弯曲力矩为 M ? Fmaxl ? 136?1 ? 13.6(Nm) 10 10 矩形铝母线的截面系数（抗弯矩）为 W ? 0.167 b2? ? 0.167 ? 0.063 2 ? 0.0063 ? 4.2 ?10 ?6 (m3 ) 故母线的计算应力为? ca ? M W ? 13.6 ?106 4.2 ? 3.24 ?106 (Pa) 显然,计算应力? ca 小于允许应力? al ? 69 ?10 6 (Pa) ，满足动稳定性要求。 最后，由附录5选取ZA-10Y型母线支持瓷瓶,并查得其破坏荷重为3675N,允许荷重为0.6× 3675=2205N,此值大于计算力136N。故选用ZA-10Y型瓷瓶是合适的。 二、电缆的选择与校验 电缆的基本结构包括导电芯、绝缘层、铅包（或铝包）和保护层几个部分。按其缆芯材料分为 铜芯和铝芯两大类。按其采用的绝缘介质分油浸纸绝缘和塑料绝缘两大类。 18 高压设备选型计算 电缆制造成本高，投资大，但是具有运行可靠、不易受外界影响、不需架设电杆、不占地面、 不碍观瞻等优点。 （一）按结构类型选择电缆(即选择电缆的型号 根据电缆的用途、电缆敷设的方法和场所，选择电缆的芯数、芯线的材料、绝缘的种类、保护 层的结构以及电缆的其它特征，最后确定电缆的型号。常用的电力电缆有油浸纸绝缘电缆、塑料绝 缘电缆和橡胶电缆等。 (二) 按额定电压选择 可按照电缆的额定电压UN不低于敷设地点电网额定电压UNs的条件选择，即 U N ? U Ns (三) 电缆截面的选择 (7-39) 一般根据最大长期工作电流选择，但是对有些回路，如发电机、变压器回路，其年最大负荷利 用小时数超过5000h，且长度超过20m时，应按经济电流密度来选择。 1.按最大长期工作电流选择 电缆长期发热的允许电流Ial ， 应不小于所在回路的最大长期工作电流Imax，即 KIal≥Imax （7-40） 式中 Ial一相对于电缆允许温度和标准环境条件下导体长期允许电流； K一综合修正系数。 2.按经济电流密度选择 按经济电流密度选择电缆截面的方法与按经济电流密度选择母线截面的方法相同，即按下式计 算：Sec= I max J ec (7-41) 按经济电流密度选出的电缆，还必须按最大长期工作电流校验。 按经济电流密度选出的电缆，还应决定经济合理的电缆根数，截面S≤150mm2时，其经济根数 为一根。当截面大于150 mm2时，其经济根数可按S/150决定。例如计算出Sec为200mm2，选择两根截 面为120 mm2的电缆为宜。 为了不损伤电缆的绝缘和保护层，电缆弯曲的曲率半径不应小于一定值(例如，三芯纸绝缘电缆 的曲率半径不应小于电缆外径的15倍)。为此，一般避免采用芯线的电缆。 (四) 热稳定校验 电缆截面热稳定的校验方法与母线热稳定校验方法相同。满足热稳定要求的最小截面可按下式 求得 S min ? I? C t dz （7-42） 式中 C一与电缆材料及允许发热有关的系数，如表7-8所示。 验算电缆热稳定的短路点按下列情况确定: (1)单根无中间接头电缆，选电缆末端短路;长度小于200m的电缆，可选电缆首端短路。 (2)有中间接头的电缆，短路点选择在第一个中间接头处。 (3)无中间接头的并列连接电缆，短路点选在并列点后。 19 高压设备选型计算 (五)电压损失校验 正常运行时，电缆的电压损失应不大于额定电压的5%，即 ?U % ? 3Imax?L ?100% ? 5% UNS （7-43） 式中 S一电缆截面（mm2） ? 一电缆导体的电阻率，铝芯 ? =0.035 ? mm2/m(50℃);铜芯 ? =0.0206 ? mm2/m(50℃)。 20