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1、第七章 中压电气设备选择,设计一个供配电系统时，在网络结构及设备配置已经确定的条件下，选择设备的恰当型式与参数，谓之设备选择。 所选设备应具备完成其任务所需功能，应能承受正常的负荷与故障能量冲击。 本章所涉及的电器，主要有开关电器、保护电器、测量电器等，还包括由它们组合起来的组合电器，但不包括变压器和线缆。 电器与线缆、变压器选择的不同在于设备加入后对系统本身的影响。电器加入系统后主要改变系统功能，但基本不改变系统性能，而变压器和线缆加入系统后，会明显改变系统性能。,第1节 短路电流效应,7.1.1短路电流热效应 短路电流在故障元件上产生的温升，叫做短路电流的热效应。温度是元件产生热损坏的最主
2、要因素。 1、导体温升过程及短路热稳定热力学判断 讨论：导体未通电通电正常工作短路发生短路电流被切断，这几种情况下导体的发热与温升情况。温度=温升初始温度。 辩异：发热与温升。发热是温升的动力，但温升还受散热的影响。,1）未通电时。,2）正常工作时。,3）短路发生后，导体温度急剧上升，至短路被切除时，导体温度达到最高值k，即：,式中：k为短路最高温度，kmax 为导体瞬时允许最高短路温度（简称短路允许温度）。,辩异：Nmax与kmax。 都是“最高允许温度”，前者是“长期工作”，后者是“瞬时短路”，有何区别？ Nmax取决于设计寿命。对绝缘导体，取决于绝缘的长期温度承受能力；对裸导体，取决于接
3、头氧化和（或）机械参数（如弧垂等）。 kmax取决于是否发生瞬时不可逆损坏。对绝缘导体，取决于绝缘的极限温度承受能力；对裸导体，取决于接头极限温度承受能力和（或）是否因高温产生机械破坏。 常见导体的Nmax和kmax见表。,导体式电缆的长期允许最高温度和短路最高允许温度,工作正常 短路热稳定,请你判断,请你判断,请你判断,t0：短路开始时刻 tk：短路电流持续 时间,2、导体短路最高温度k计算 这是导体受到的短路能量的极限热冲击，是一个热力学参数，按热力学方法计算。计算的一些假定和依据如下： # 绝热过程假设，短路电流发热全部用于导体温升，这是一个偏于保守的假设。 # 导体电阻、比热均是温度的
4、函数。以0电阻率0和比热C0为起点计算，计算公式为：,# 导体为长度l的棒形，底面积s，密度m，质量m为,1）计算从热平衡方程开始。,上式左边是电流发热量，右边是导体温升吸收的热量。 将各参量表达式代入，有：,对上式两边积分，有：,注意：未知量是k。上式右边是电气参量和导体几何 参数，左面是材料参数，为变上限积分。,令积分的原函数为A（），有：,则：,也即：,N是已知的（若不知，可取为Nmax），理论上， 短路电流积分是可求出的，因此可求出A（k），继 而求出k。 但问题在于短路电流积分实际上很难求出。,2）求短路电流热脉冲 不管怎样，热平衡方程已经将求温度k的问题转化成了求短路电流积分的问题
5、，即将热力学参数计算转化成了电气参量计算。定义这个积分为热脉冲Q，即：,短路热脉冲的物理意义为：短路电流在短路持续时间内在1恒定电阻上产生的热量。 求短路热脉冲的工程方法有假想时间法、假想电流法、数值积分法等，根据工程现状，下面介绍假想时间法。,（1）假想时间。假设短路全电流有效值Ik(t)一直等于稳态短路电流，要产生与实际短路热脉冲相等的热脉冲所需要的时间，叫做假想时间，记作tim。即,SFDEO=I2tim=Q,2,2,SFDEO=I2tim=Q,（2）远端短路假想时间计算 远端短路电流由恒定的周期分量和衰减的非周期分量组成（近端短路还要加上一个衰减的周期分量），根据谐波理论，短路电流有效
6、值为各次谐波的方均根，即,分别称timnp 、timp 为短路电流非周期分量和周期分量的假想时间 ,则,a）timp 计算。由于远端短路I=Ip（t），故,b）timnp 计算。 当tk1s时，导体发热主要由周期分量决定，可不计入非周期分量的影响，此时 timnp =0 当tk1s时，因 ，有,于是有,因Ta一般为0.05s，当tk0.1s时，指数项已过4倍时 间常数，而tk通常总是大于0.1s的，因此：,c）综上所述，对远端短路,3）用假想时间计算导体短路最高温度k 根据公式：,用假想时间计算上式积分，有,据此可计算出k。,4）短路电流持续时间tk计算 tk=top+tQF 式中 tk短路电
7、流持续时间； top保护动作时间； tQF断路器开断时间，含固有分闸时间和燃弧持续时间。 保护动作时间为保护装置起动机构、执行机构和延时机构动作时间总和。前两者一般取0.020.05s。,7.1.2 短路电流电动力效应 相邻载流导体在对方产生的磁场中受到的机械作用力，叫做电动力。 敷设在同一平面上的三相平行导体，中间相受力最大，其短路最大电动力为,式中：Ksh为导体形状系数，通过（D-b）/（h+b）查得；l为平行导体长度，D为导体中心距；b为导体厚度，h为导体高度。,D,b,h,第2节 电气设备选择的一般性问题,7.2.1 电气设备选择的基本原则 （1）正常工作条件下，应符合使用要求并保证工
8、作寿命。 符合使用要求：设备功能与工作任务相适应，设备参数与系统参数相匹配，以及与其他相关设备在参数、功能及工艺过程等方面相协调。 保证工作寿命：安装处实际工况符合设计工况。 （2）故障条件下，应尽可能保证设备不致损坏，并尽量不扩大故障影响范围。,7.2.2 电气设备选择一般方法 1、按正常工作条件选择设备参数 1）额定电压选择。,式中，Umax为设备最高电压（见第1章“标准电压”）；Uopmax为设备安装处最高运行电压，考虑电压调整等因素，一般高于系统标称电压UN10左右。 2）额定电流选择。,式中：ICmax不仅要考虑正常运行，还要考虑故障切 换等运行情况，取各种运行方式下的最大者；Ir要
9、考虑环境温度的影响。,2 、按短路动、热稳定校验设备参数。 动、热稳定校验是对设备短路承受力的考核。动稳定意味着能承受短路电动力冲击，否则就是动不稳定的；热稳定意味着短路最高温度未超过短路最高允许温度，否则就是热不稳定的。 短路电流电动力效应和热效应计算原理已如前述，但工程上，对电气设备和导体，动、热稳定性的校验方法有所不同，下面分别介绍。,1）电气设备的动、热稳定性校验 （1）电气设备的动稳定性校验。由7.1.2可知，当设备结构确定的情况下，设备所受短路电流电动力唯一取决于短路电流大小，它们之间呈单调的正相关性。据此，工程体系规定： 设备制造厂家必须给出与设备能承受的最大电动力所对应的电流值
10、ims（movable stable），动稳定以设备安装处实际最大短路电流瞬时值ish校验，要求：实际承受冲击最大承受力，即 ish ims 这一规定规避了力学计算，方便了设计计算，体现了工程体系配合所产生的效率。,（2）电气设备的热稳定性校验 由于短路温升与短路热脉冲呈单调的正相关性，工程体系规定： 设备厂家应给出与设备能承受的最大短路温升相对应的短路热脉冲，热稳定以设备安装处实际承受的短路热脉冲校验。 厂家给出热脉冲的型式：tth秒的热稳定电流为Ith，初始温度默认为设备长期允许最高工作温度。 于是，设备的热稳定校验公式为：,2）导体的动、热稳定校验 （1）导体的动稳定性校验。,式中：c短
11、路时母线可能承受的最大应力； max母线最大允许应力，硬铝69Mpa，硬铜为137Mpa。 两跨以上c的计算： 式中，为共振系数，取1.01.4；W为母线截面系数，平放时为0.167bh2，立放时为0.167hb2，b、h分别为母线厚度和宽度。其他参数同前。,（2）导体的热稳定性校验。前面推导有,式中kmax为导体短路最高允许温度，N为短路前导体工作温度，按最不利情况考虑为Nmax。于是，不等式右侧均为常量。不等式左侧短路热脉冲的上限值也为常量。不等式能否成立，取决于导体截面积是否足够大。因此，导体热稳定校验的工程方法为校验导体截面积，即：,称C为热稳定系数，取决于导体和绝缘，可查表。,3、按
12、环境条件校验参数 1）环境温度。主要对额定电流产生影响。环境温度高于设备标称环境温度，额定电流降低，工程上应进行相应的修正。 2）海拔高度影响。影响额定电流与耐压两个参数。 海拔高，空气稀薄，散热能力降低，但环境温度也低，相互抵消，在海拔4000m以下时，可不修正载流量。 高海拔会降低电器设备的外绝缘性能。在海拔14km范围，按1% / 100m降低外绝缘耐压。 3）其他环境条件。略。,思考性小结。 1、电器选择基本原则与一般方法有对应关系。你能否明确表述这些对应关系？ 2、短路动、热稳定性校验为什么分“电器”和“导体”而采用不同的方法？（技术原理与工程方法之间的异同，对“工程体系”的体会）
13、3、既然电器的动稳定性校验直接用短路电流最大瞬时值ish，那么短路热稳定性校验为什么不直接用短路电流最大有效值Ish，而要用热脉冲？（多因素关联性的分析理解）,第3节 配电断路器选择,7.3.1 电弧简介 1、电弧的产生与维持,2、电弧的熄灭 游离 去游离电弧产生 游离 = 去游离电弧维持 游离 去游离电弧熄灭 去游离：弧柱中带电粒子不断减少的过程，主要有复合和扩散两种途径。 介质的燃弧与熄弧电压。前者总是大于后者。 熄弧后介质的绝缘强度有一个恢复过程，其恢复速度应大于外加电压的上升速度，否则电弧会重燃。 近极效应：弧电流过零后的0.11s内，近阴极介质绝缘强度急剧上升到150250V。,3、
14、电器的灭弧方法,吹弧方式（1-电弧； 2-触头） a)横吹 b)纵吹,电动力吹弧,磁力吹弧 1-磁吹线圈；2-灭弧触头；3-电弧,1）吹弧灭弧 拉长、冷却电弧，增强去游离。,2）短弧及多断口灭弧 主要利用近极 效应，每段短弧都有 150250V恢复强度。,绝缘灭弧栅对电弧的作用 （1-绝缘灭弧片； 2-电弧 ；3-触头）,金属灭弧栅对电弧的作用 （1-钢栅片 ；2-电弧； 3-触头）,3）狭缝灭弧 拉长、冷却电弧；电弧分解栅片产生气体吹弧。,7.3.2 断路器简介 1、功能：开关电器。能开合负荷电流，开断短路电流。 2、分类 1）按开关的对象分：发电机用、输电用、配电用、控制用等。本节讨论33
15、5kV的配电断路器。 2）按灭弧介质分：油、真空、气体、磁吹断路器等。 3、结构：触头、灭弧室、机械机构、外壳、支柱等。机械机构中断路弹簧在断路器闭合时为储能状态，可在脱扣器失扣时分断触头。,1-铝帽 2-油气分离器 3-上接线端子 4-油标 5-插座式静触头 6-灭弧室 7-动触头（导电杆） 8-中间滚动触头 9-下接线端子 10-转轴 11-拐臂（曲柄） 12-基座 13-下支柱瓷瓶 14-上支柱瓷瓶 15-断路弹簧 16-绝缘筒 17-逆止阀 18-绝缘油,4、断路器操动机构 控制断路器主触头状态、且在断路器本体以外的完整独立的动力与机械机构，称为断路器的操动机构。 操动机构功能：合闸、维持合闸状态、分闸。操动机构分闸一般是对维持断路器闭合状态的锁扣机构解扣，触头分开是靠断路器本身的分闸弹簧实现的，分闸弹簧还维持断路器分闸状态。 按操动动力的分类：手力、弹簧、电磁、压缩空气、液压等各类操动机构。 多数操动机构是独立的产品，与某些断路器配套，也有少数与断路器结为一体。,某型断路器 及其操动机构,7.3.3 断路器参数及选择 1、常规参数选择 额定电压、电流，短路动、热稳定参数等。 2、短路开、合电流及选择 1）短路开断电流。开断短路电流，是断路器的特别任
