主 编：李家坤 朱华杰 主 审：陈光会

1. 主 编：李家坤朱华杰 主 审：陈光会 发电厂及变电站电气设备 FADIANCHANG JI BIANDIANZHAN DIANQISHEBEI 9 电气设备选择

2. 2 9.2 高压开关电器的选择 3 4 5 9.3 互感器的选择 9.4 支柱绝缘子和穿墙套管的选择 9.5 母线和电缆的选择 目 录 9 电气设备选择 1 9.1 电气设备选择的一般条件

3. 9 电气设备选择 • 【知识目标】 • 1．了解电器和载流导体的发热及动力效应的计 算； • 2．掌握电气设备的一般选择条件和具体设备选 择校验的主要内容； • 3．掌握主要设备的选择条件、方法和技巧。 • 【能力目标】 • 1．能够计算短时发热； • 2．能够对电力系统中的设备进行选择和校验。

4. 9 电气设备选择 • 正确地选择电气设备是保证电力系统安全、经济运行的重要条件之一。在进行电器的选择时，应该根据实际情况，在保证安全、可靠的前提下积极稳妥地采用新技术，并注意节省投资，合理选择电气设备。 • 由于各种电气设备和载流导体的用途与工作条件不完全相同，因此它们各自的选择条件与方法也不完全相同，但是对它们在正常工作中的可靠性与短路时的稳定性等基本要求是一致的，故选择电气设备的一般条件相同。

5. 9.1 电气设备选择的一般条件 9.1 电气设备选择的一般条件

6. 9.1.1 电气设备的长期与短时发热 9.1 电气设备选择的一般条件 • 9.1.1.1 短路电流的热效应 • 电器和载流导体中通过电流时，由于电器和载流导体存在着电阻，将会产生电阻损耗，将部分电能转化为热能，使电器和载流导体的温度升高，这就是电流的热效应。

7. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 可用焦耳-楞次定律来计算其发热量： • 式中I——通过的电流，A； t——电流作用的时间，s； R——交流电阻，如果为直流电路，则为直 流电阻Rdc； Kf——集肤系数，其大小与电流的频率、导体的形状和尺寸有关，在大截面母线中，其影响往往不可忽略，而对于绞线和空心导线，通常都可以认为Kf=1。 （J） （9.1） (Ω)

8. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 这些热能中的一部分使导体本身发热，温度升高，当温度升高超过一定值后，将损坏电气设备；另一部分热能因温差存在传导，以辐射或对流方式散失到周围介质中去。 • 电器和载流导体过度发热将会产生以下影响： • （1）金属材料的机械强度下降。 当电气设备使用温度超过规定允许值后，金属材料由于退火，机械强度将明显降低。

9. 9.1 电气设备选择的一般条件 • （2）导体接触部分的接触电阻增加。在导体的接触连接处，当温度超过一定值时，接触部分连接表面会强烈氧化，产生电阻率很高的氧化层（银的氧化层电阻不大），使接触电阻增加，引起接触部分温度继续升高，并将会产生恶性循环，可能导致接触处松动或烧熔。 • （3）绝缘材料的绝缘性能降低。有机绝缘材料长期受到高温作用将逐渐变脆和老化，以致失去弹性和降低绝缘性能，使寿命大为缩短。

10. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 电器和载流导体主要有两种发热情况，即正常工作情况下的持续发热和故障情况下的短时发热。这两种发热过程是不相同的，因此对电器和载流导体有不同影响，在这两种情况下的发热也就有不同的标准。 • 为了安全运行，必须对电器和载流导体在正常和故障情况下的发热进行计算，并保证不超过相应的最高允许值。

11. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 根据有关规定：导体的正常最高允许温度一般不得超过70℃；在计及太阳辐射（日照）的影响时，钢芯铝绞线及管形导体可按不超过80℃来考虑；当导体接触处有镀锡的可靠覆盖层时，允许提高到85℃，当有银的覆盖层时，可提高到95℃。 • 导体通过短路电流时，短路的最高允许温度可高于正常最高允许温度，对硬铝及铝锰合金可取200℃，硬铜可取300℃。

12. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 9.1.1.2 导体发热的计算 • （1）正常情况下持续发热的计算 • 根据能量守恒定律，正常运行时电能损耗产生的热量等于导体本身吸收的热量加上导体散发的热量。对于均匀导体，其持续发热的热平衡方程式是： • 式中I——通过导体的电流，A； R——已考虑了集肤系数的导体交流电阻， Ω ； q——散热系数，W/(m2·℃); （9.2）

13. 9.1 电气设备选择的一般条件 M——导体散热表面积，m2； θ——导体温度，℃； θj——周围介质温度，℃； m——导体质量，kg； c——导体比热容，W·s/(kg·℃)。 • 当发热和散热达到平衡时，导体稳定于工作温度θg，此时有： （9.3）

14. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 在规定散热条件下，当周围介质温度为额定值θ0e（我国现规定空气温度30℃、土壤温度25℃为载流导体的额定介质温度）时，使导体工作温度稳定于长期发热允许温度θe的工作电流即为额定电流Ie ,此时有： （9.4）

15. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 实际上，对于一定的载流导体，式（9.3）中Ie、θe、θ0e等都是已知量，故工程中的发热计算通常集中为以下两个问题： • ①已知周围介质温度θ0和工作电流Ig，求导体工作温度θg； • ②当周围介质温度θ0不等于额定介质温度θ0e时，求导体允许的工作电流Iy,即修正额定电流。

16. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 用式（9.3）除以式（9.4）得： • 在式（9.5）中，若周围介质温度θ0不等于额定值θ0e，则导体允许的长期工作电流Iy（简称载流量）便不为Ie，此时有： （9.5） （9.6）

17. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 用式（9.6）除以式（9.4）得： • 式中Ky——导体载流量的温度修正系数，可查附 录九得到。 （9.7）

18. 9.1 电气设备选择的一般条件 • （2）故障情况下的短时发热 • 短时发热是指不超过十几秒的短路电流的发热。短时发热的电流大，发热功率更大，而散热功率相对较小，可以忽略。因此，短时发热可认为是一绝热过程，导体的发热全部变换为导体的内能，即： • 式中id——短路电流的瞬时值。 （9.8）

19. l = r + aq R ( 1 ) q 0 S = + bq ) C C ( 1 q 0 9.1 电气设备选择的一般条件 • 短路时，由于导体温度的变化范围很大，这时，其电阻Rθ和比热容Cθ都不是常数，两者随温度变化的关系式是： • 式中ρ0——温度为0℃时导体电阻率，Ω； C0——温度为0℃ 时导体的比热容， W·s/(kg·℃)； α——导体电阻温度系数，1/℃； β——导体比热容温度系数，1/℃； l——导体长度，m； S——导体截面积，m2。 （9.9）

20. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 也即是： • 对其进行整理得： • 对其两边积分整理得： • 式中Qzt——短路电流周期分量在t秒内的热效应； Qfzt——短路电流非周期分量在t秒内的热效应。 （9.10） （9.11） （9.12）

21. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 其中，周期分量可以有两种方法进行计算：一种是利用近似数值积分法（也称为1-10-1公式）计算，即： • 此法适用于大容量的发电机（大于50MW ）的情况。 • 另一种是利用发热等值时间法计算，即： （9.13） （9.14）

22. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 其含义是短路电流周期分量在短路电流作用时间内的热效应，与稳态短路电流在短路周期分量发热等值时间（假想）内的热效应相同，即： • 令 ，则: • 由此可见， 。按照具有自动电压调节器的发电机组的平均运算曲线，可以绘出 曲线族，如图9.1所示。 （9.15） （9.16）

23. 9.1 电气设备选择的一般条件 图9.1 具有自动电压调节器的发电机 短路电流周期分量发热等值时间

24. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 当已知β″、t时，即可由曲线查得tjz。此曲线只绘至t=5s。当 t>5s时，可以认为在5s以后的时间内，短路电流维持在I∞不再变化，故t>5s时发热等值时间为: • 系统为无限大电源时，短路电流的周期分量不衰减，所以其发热等值时间为： • 短路电流非周期分量在t秒内的热效应计算公式为： （9.17） （9.18） （9.19）

25. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 其中Tfi为不同短路点的等效时间常数。通常取各支路中最大的Tfi作为等效时间常数。表9.1列出了不同短路点的等效时间常数推荐值。 表9.1 不同短路点等效时间常数Tfi的推荐值

26. 9.1.2 电器和载流体的电动力效应 9.1 电气设备选择的一般条件 • 电动力效应是指载流导体之间的磁场相互作用产生电动力。载流导体间的作用大小可用毕奥沙瓦定律计算，即作用于长度为l，通过电流为I，并位于磁感应强度为B、与该磁场的磁力线方向成φ角的载流导体上的电动力F为： （9.20）

27. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 短路电流所产生的电动力将会产生很大的危害，具体表现在： • （1）电器的载流部分可能因为电动力而振动，或者因电动力所产生的应力大于电器和导体的材料允许应力而变形，甚至损坏。 • （2）电气设备的电磁绕组受到巨大的电动力作用，可能使绕组变形或损坏。 • （3）使触头瞬间解除接触压力，甚至发生斥开现象，引发设备故障。 • 电气设备耐受短路电流电动力的能力称为电动力的稳定性，简称动稳。

28. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 9.1.2.1 两根平行导体之间的电动力 • 当两根平行导体的电流方向相反时，两根导体之间将产生斥力；当两根平行导体的电流方向相同时，两根导体之间将产生吸力。其导体之间的作用力可以表示为： • 式中i1、i2——通过平行导体的电流，A； l——该段导体的长度，m； a——平行导体轴线间的距离，m。 （9.21）

29. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 有时，两根平行导体间的间距并不比导体的几何尺寸大很多，按式（9.21）计算将产生很大的误差。在工程设计中，可以用形状系数K来修正。 • 对于截面不是很大的圆形截面，K=1；矩形截面的形状系数可查图9.2。 （9.22）

30. 9.1 电气设备选择的一般条件 图9.2 决定矩形界面 母线形状系数的曲线

31. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 9.1.2.2 三相系统中导体间的电动力 • 在三相系统中，作用于每相导体上的电动力，由该导体中的电流和其他两相导体中电流所产生的相互作用力来决定。最大冲击力发生在短路后0.01s，且以中间相受力最大。三相系统三相短路时电动力的最大瞬时值Fmax为： • 可以以式（9.23）作为校验母线电动力稳定性的依据。 （9.23）

32. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 计入振动系数后，水平放置在同一平面内的三相交流系统的母线，其最大作用力是： • 式中β——母线系统的振动系数。 • 在进行母线机械强度计算时，可认为母线是一端固定、受均匀荷载作用的多跨距连距梁。在这种情况下，作用于母线上的最大弯矩Mmax为： （9.24） （9.25）

33. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 式中lju——相邻两个支柱绝缘子间的跨距，m。 • 其最大计算应力σmax为： • 式中W——母线的截面系数，m3，其值与母线的截面形状及布置形式有关，可查相关手册得到。 （9.26）

34. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 若母线最大计算应力σmax≤σxu，则可认为短路时，母线在电动力作用下是稳定的。各种材料的最大允许应力σxu如表9.2所示。 • 对于电器设备，制造厂提供了满足电动力稳定条件的电流峰值igf，并要求保证 。 表9.2 各种材料的最大允许应力 最大允许应力 Kgf/cm

35. 9.1.3 电气设备选择的一般原则 9.1 电气设备选择的一般条件 • （1）力求技术先进，安全适用，经济合理； • （2）应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求，并考虑远景发展规划（5~10年）； • （3）应按当地环境条件校验； • （4）应与整个工程的建设标准协调一致； • （5）选择导体的品种不宜太多； • （6）选择新产品应积极谨慎，新产品应有可靠的试验数据，并经主管单位鉴定合格。

36. 9.1.4 电气设备选择的一般条件 9.1 电气设备选择的一般条件 • 为了保障高压电气设备的可靠安全运行，电气设备选择的一般条件有：按正常工作条件（包括电压、电流等）进行选择；按环境工作条件（如温度、湿度、海拔等）校验；按短路条件（包括动稳定、热稳定）校验。 • 由于各种高压电气设备具有不同的性能特点，因此其选择与校验条件也不尽相同。高压电气设备的选择与校验项目见表9.3。

37. 9.1 电气设备选择的一般条件 表9.3 高压电气设备的选择与校验项目 注：表中“√”为选择项目，“○”为校验项目

38. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 9.1.4.1 按正常工作条件选择电器 • （1）额定电压和最高工作电压 • 因调压和负荷的变化，电器所在电网的运行电压常高于电网的额定电压，故所选电器的允许最高工作电压Uymax不得低于所接电网的最高运行电压Ugmax，即： • 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Uymax一般不超过1.1Uew。 Uymax≥Ugmax （9.27）

39. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 在选择电器时，一般可按照电器的额定电压Ue不低于装置地点电网额定电压Uew的条件选择，即： • （2）额定电流 • 电气设备的额定电流Ie是指在额定周围环境温度化下，电气设备的长期允许电流。Ie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Igmax，即： Ue≥Uew （9.28） Ie≥Igmax （9.29）

40. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 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Igmax为发电机、调相机或变压器的额定电流的1.05倍； • ②若变压器有过负荷运行可能时，Igmax应按过负荷（1.3~2倍变压器额定电流）确定； • ③对于母联断路器回路，一般可取母线上最大一台发电机或变压器的Igmax； • ④出线回路的Igmax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他回路转移过来的负荷。

41. 9.1 电气设备选择的一般条件 • （3）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，当地区海拔超过规定值时，由于大气压力、空气密度和湿度相应减少，会使空气间隙和外绝缘的放电特性下降。一般当海拔在1000~3500m时，海拔每升高100m，则电气设备的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，其外绝缘裕度较大，可在海拔2000m以下使用。

42. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 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： • 式中K——修正系数； θmax——导体或电气设备正常发热时的允许最高温度，当导体用螺栓连接时，θmax=70℃。 （9.30）

43. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 我国目前生产的电气设备使用的额定环境温度θN=40℃。当周围环境温度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20%。

44. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 9.1.4.2 按短路条件校验 • 短路电流通过电器时，会引起电器温度升高，并产生巨大的电动力。通过电器的短路电流越大、时间越长，电器所受到的影响越严重。校验电器和载流导体的热稳定和动稳定应考虑其最严重的情况。 • （1）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。

45. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 满足热稳定的条件为： • 式中Ir——由生产厂给出的电气设备在时间t秒内 的热稳定电流，kA； I∞——短路稳态电流值，kA； t——与It相对应的时间，s； tdz——短路电流热效应等值计算时间，s。 Qr≥Qd （9.31）

46. 9.1 电气设备选择的一般条件 • （2）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： • 或 • 式中ich、Ich——短路冲击电流幅值及其有效值， kA； idw、Idw——电气设备允许通过的动稳定电流的幅值及其有效值，kA。 （9.32） （9.33）

47. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 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。

48. 9.1 电气设备选择的一般条件 • （3）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）。

49. 9.1 电气设备选择的一般条件 • ②短路种类一般按三相短路验算，若其他种类短路较三相短路严重时，则应按最严重的情况验算。 • ③计算短路点时，选择通过电器的短路电流为最大的那些点为短路计算点。

50. 9.1 电气设备选择的一般条件 • 下面以图9.3所示电路为例来计算短路电路。 图9.3 短路计算示例