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1、第八章 电气主接线的设计与设备选择,第一节 概述,第二节 主变压器和主接线的选择,第三节 载流导体的发热和电动力,第四节 电气设备的选择,第五节 设备选择举例,第一节 概述,原则： 以设计任务书为依据，以经济建设方针、政策和有关的技术规程、标准为准则，准确地掌握原始资料，结合工程特点，确定设计标准，参考已有设计成果，采用先进的设计工具。 要求： 使设计的主接线满足可靠性、灵活性、经济性，并留有扩建和发展的余地。,步骤： 对原始资料进行综合分析； 草拟主接线方案，对不同方案进行技术经济比较、筛选和确定； 厂、所和附近用户供电方案设计； 限制短路电流的措施和短路电流的计算； 电气设备的选择； 屋内
2、外配电装置的设计； 绘制电气主接线图及其它图(如配电装置视图)； 推荐最佳方案，写出设计技术说明书，编制一次设备概算表。,第二节 主变压器和主接线的选择,主变压器：向电力系统或用户输送功率的变压器。 联络变压器：用于两种电压等级之间交换功率的变压器。 自用电变压器：只供厂、所用电的变压器。,一、变压器容量、台数、电压的确定原则,二、主变压器型式的选择原则,三、主接线设计简述 四、技术经济比较,一、变压器容量、台数、电压的确定原则 依据输送容量等原始数据。 考虑电力系统510年的发展规划。 1单元接线主变压器容量 按发电机额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度； 扩大单元接线应尽可能采
3、用分裂绕组变压器。,2连接在发电机电压母线与升高电压之间的主变压器 发电机全部投入运行时，在满足由发电机电压供电的日最小负荷，及扣除厂用电后，主变压器应能将剩余的有功率送入系统。 若接于发电机电压母线上的最大一台机组停运时，应能满足由系统经主变压器倒供给发电机电压母线上最大负荷的需要。 若发电机电压母线上接有2台或以上主变压器，当其中容量最大的一台因故退出运行时，其它主变压器在允许正常过负荷范围内应能输送剩余功率70%以上。 对水电比重较大的系统，若丰水期需要限制该火电厂出力时，主变应能从系统倒送功率，满足发电机电压母线上的负荷需要。,3变电所主变压器容量 按变电所建成后510年的规划负荷选择
4、，并适当考虑远期1020年的负荷发展。 对重要变电所，应考虑一台主变停运，其余变压器在计及过负荷能力及允许时间内，满足I、II类负荷的供电； 对一般性变电所，一台主变停运，其余变压器应能满足全部供电负荷的70%80%。 4发电厂和变电所主变台数 大中型发电厂和枢纽变电所，主变不应少于2台； 对小型的发电厂和终端变电所可只设一台。 5. 确定绕组额定电压和调压的方式,二、主变压器型式的选择原则 1. 相数：一般选用三相变压器。 2. 绕组数： 变电所或单机容量在125MW及以下的发电厂内有三个电压等级时，可考虑采用三相三绕组变压器，但每侧绕组的通过容量应达到额定容量的15%及以上，或第三绕组需接
5、入无功补偿设备。否则一侧绕组未充分利用，不如选二台双绕组变更合理。,单机容量200MW及以上的发电厂，额定电流和短路电流均大，发电机出口断路器制造困难，加上大型三绕组变压器的中压侧（110kV及以上时）不希望留分接头，为此以采用双绕组变压器加联络变压器的方案更为合理。 凡选用三绕组普通变压器的场合，若两侧绕组为中性点直接接地系统，可考虑选用自耦变压器，但要防止自耦变的公共绕组或串联绕组的过负荷。,3. 绕组接线组别的确定 变压器三相绕组的接线组别必须和系统电压相位一致。,5. 变压器冷却方式 主变压器的冷却方式有：自然风冷；强迫风冷；强迫油循环风冷；强迫油循环水冷；强迫导向油循环冷却等。 三、
6、主接线设计简述 四、技术经济比较,4. 短路阻抗的选择 从系统稳定和提高供电质量看阻抗小些为好，但阻抗太小会使短路电流过大，使设备选择变得困难。 三绕组变压器的结构形式： 升压型 与 降压型,第三节 载流导体的发热和电动力,一、概述,二、均匀导体的长期发热,三、导体的短时发热,四、短路时载流导体的电动力,一、概述 长期发热： 短时发热：,二、均匀导体的长期发热 1均匀导体的发热过程 导体温度稳定前 I2RdtmCdaF(0)dt 温度达到稳定后 I2RaF(0) 式中，m：质量(kg)；C：比热容(J/kgC)；a：总换热系数(w/m2C)；F：散热面积（m2）；0：周围环境温度（C）。 2导
7、体的最大允许载流量：,三、导体的短时发热 1短时发热计算 热量平衡方程： Ikt2R dtmC d 短路电流热效应：,2热效应k的计算 采用等值时间法： 过时 辛卜生法 ： 复杂 1-10-1法（简化辛卜生法） 短路全电流：,图8-1 曲线,电动力的方向决定于电流的方向，i1, i2同方向时，作用力相吸，电流反向时相斥。 工程中考虑截面积因素后的修正公式,其中， kf为导体的形状系数。圆形导体的形状系数kf=1。矩形导体的形状系数如右图所示。,四、短路时载流导体的电动力 1平行导体间的电动力,图8-4 矩形截面形状系数曲线,2三相导体短路时的电动力,图 8-5 同一平面导体三相短路时的电动力,
8、同一地点短路的最大电动力，是作用于三相短路时的中间一相导体上，数值为：,同一地点两相短路的最大电动力：,在单自由度振动系统中，35kV及以下，布置在同一平面三相母线的固有振动频率f0,3导体的振动应力 强迫振动系统一般采用修正静态计算法：最大电动力Fmax乘上动态应力系数。 动态应力系数与母线固有频率的关系如右图。,图8-6 动态应力系数,为了避免导体产生危险的共振，对于重要导体，应使其固有频率在下述范围以外 单条导体及母线组中的各条导体35135Hz 多条导体组及有引下线的单条导体35155Hz,如固有频率在上述范围以外，取=1； 在上述范围内时，最大电动力应乘上动态应力系数，即,第四节 电
9、气设备的选择,一、电器设备选择的一般条件,二、高压断路器和隔离开关的选择,三、高压熔断器的选择,四、限流电抗器的选择,五、母线和电缆的选择,六、电流互感器选择,七、电压互感器的选择,2按短路情况检验热稳定和动稳定 热稳定校验：It2t Qk 动稳定校验：ies ish,一、电器设备选择的一般条件 1按正常工作条件选择电器 额定电压：UN UNS 额定电流：IN Imax 环境条件对电器和导体额定值的修正：,图8-7 短路计算点的选择,b. 短路计算点 选择通过导体和电器短路电流最大的点为短路计算点。,c. 短路计算时间 热稳定计算时间tk（短路持续时间）； 开断计算时间tbr 。,短路电流的计
10、算条件： a. 计算容量和短路类型 按发电厂、变电所最终设计容量计算。 短路类型一般采用三相短路电流，当其它形式短路电流大于三相时。应选取最严重的短路情况校验。,3主接线设计中主要电气设备的选择项目,二、高压断路器和隔离开关的选择 1高压断路器的选择 除表8-3相关选项外，特殊项目的选择方式如下： 开断电流 高压断路器的额定开断电流INbr，不应小于实际触头开断瞬间的短路电流的有效值Ikt，即：INbr IKt 短路关合电流 在额定电压下，能可靠关合开断的最大短路电流称为额定关合电流。校验公式：iNCi ish 合分闸时间选择 对于110kV以上的电网，断路器固有分闸时间不宜大于0.04S。用
11、于电气制动回路的断路器，其合闸时间不宜大于0.040.06S。 2隔离开关的选择 隔离开关无开断短路电流的要求，故不必校验开断电流。其它选择项目与断路器相同。,三、高压熔断器的选择 高压熔断器分类： 快速熔断器：有限流作用 普通熔断器：不具限流作用 额定电压选择 普通熔断器：UN UNS 快速熔断器：UN = UNS 额定电流选择 INf1 (熔管) INf2 (熔体) Imax 保护变压器或电动机： INf2 = K Imax K 取1.11.3(不考虑电动机自启动)或取1.52.0(考虑电动机自启动),保护电容器回路： INf2 = KINC K 取1.52.0(单台)或取1.31.8(一
12、组) 熔断器的开断电流校验 Inbr Ish（或I ） 普通熔断器：Ish 快速熔断器： I 熔断器的选择性 按制造厂提供的安秒特性曲线（又称保护特性曲线）校验。 保护电压互感器用的熔断器仅校验额定电压和开断电流。,四、限流电抗器的选择 限流电抗器的作用 限制短路电流：可采用轻型断路器，节省投资； 维持母线残压：若残压大于65%70%UNS，对非故障用户，特别是电动机用户是有利的。 限流电抗器的选择 除表8-3相关选项外，特殊项 目的选择方式如下： 1. 电抗百分数 XL 选择 若要求将一馈线的短路电 流限制到电流值I，取基准 电流Id，则电源到短路点的 总电抗标么值: X* IdI,图8-8
13、 计算电抗百分数示意图,以电抗器额定电压和额定电流为基准的电抗百分数XL%,轻型断路器额定开断电流INbr，令I=INbr，则 X* IdInbr 若已知电源到电抗器之间的电抗标么值X*，则,2. 电压损失校验 正常运行时电抗器上的电压损失，不大于电网额定电压的5%。,3. 母线残压校验 对于无瞬时保护的出线电抗器应校母线残余，残压的百分值,(a)矩形导体：散热条件好，便于固定和连接，但集肤效应大，一般用于35kV及以下，电流在4000A及以下的配电装置中；,五、母线和电缆的选择 裸导体： 硬母线的材料，截面形状，布置方式 导体材料有铜、铝和铝合金，铜只用在持续工作电流大，布置位置狭窄和对铝有
14、严重腐蚀的场所。常用的硬母线是铝母线。 截面有矩形，双槽形和管形。,图8-9 常见硬母线截面形状,(b)槽形导体：机械强度大，载流量大，集肤效应小，一般用于4000A8000A的配电装置中。 (c)管形母线 ：机械强度高，管内可通风或通水，可用于8000A以上的大电流母线和110kV及以上的配电装置中。,矩形导体的布置方式 a. 支柱绝缘子三相水平布置，导体竖放：散热条件较好； b. 支柱绝缘子三相水平布置，导体平放：机械强度较好； c. 绝缘子三相垂直布置，导体竖放：机械强度和散热均好，但使配电装置的高度增加。,导体截面选择 按长期发热允许电流选择：Kial Imax 按经济电流密度选择：
15、S = Imax/J,图 8-10 矩形导体的布置方式 (a)支柱绝缘子三相水平布置，导体竖放； (b)支柱绝缘子三相水平布置，导体平放； (c)绝缘子三相垂直布置，导体竖放,除配电装置的汇流母线、长度在20m以下的导体外，对于年负荷利用小时数高，传输容量大的导体，其截面一般按经济电流密度选择。,图 8-11 经济电流密度 1变电所所用、工矿用及电缆线路的铝线纸包绝缘铅包、铅包、塑料护套及各种铠装电缆； 2铝矩形、槽形母线及组合导线； 3火电厂厂用铝芯纸绝缘铅包、铝包、塑料护套及各种铠装电缆 435220V线路的LGJ、LGJQ型钢芯铝绞线,当导体短路前的温度取正常运行时的最高允许温度70C，
16、铝和铜导体短时发热最高允许温度分别为200C和300C时，C值（量纲：安秒1/2/米2）分别为C铝=87和C铜=171。,3. 电晕电压校验： 对于110kV及以上的各种规格导体，应按晴天不出现全面电晕的条件校验： Ucr Umax 4. 热稳定校验：,母线看作是一个自由地放在绝缘支柱上多跨距的梁，在电动力的作用下，母线条受到的最大弯矩M为 M = fL2/10 N.m 母线条受到的最大相间计算应力,校验： al Pa 硬铝al=70106(Pa) 硬铜al=140106(Pa),5. 硬母线的动稳定校验 单位长度导体上所受到的相间电动力,在设计中也常根据材料的最大允许应力，确定支柱绝缘子间的最大允许跨距（不应超过1.52m）,电力电缆的选择 1. 电缆芯线材
