1、第八章第八章 電氣主接線的設計電氣主接線的設計與設備選擇與設備選擇 v第一節 概述v第二節 主變壓器和主接線的選擇v第三節 載流導體的發熱和電動力v第四節 電氣設備的選擇v第五節 設備選擇舉例第一節第一節 概述概述u 原則：原則： 以設計任務書為依據，以經濟建設方針、政策和有關的技術規程、標準為準則，準確地掌握原始資料，結合工程特點，確定設計標準，參考已有設計成果，采用先進的設計工具。u 要求：要求： 使設計的主接線滿足可靠性、靈活性、經濟性，并留有擴建和發展的余地。 u 步驟：步驟：對原始資料進行綜合分析；草擬主接線方案，對不同方案進行技術經濟比較、篩選和確定；廠、所和附近用戶供電方案設計；

2、限制短路電流的措施和短路電流的計算；電氣設備的選擇；屋內外配電裝置的設計；繪制電氣主接線圖及其它圖(如配電裝置視圖)；推薦最佳方案，寫出設計技術說明書，編制一次設備概算表。 第二節第二節 主變壓器和主接線的選擇主變壓器和主接線的選擇u主變壓器：向電力系統或用戶輸送功率的變壓器。u聯絡變壓器：用于兩種電壓等級之間交換功率的變壓器。u自用電變壓器：只供廠、所用電的變壓器。v一、變壓器容量、臺數、電壓的確定原則v二、主變壓器型式的選擇原則v三、主接線設計簡述v四、技術經濟比較一、變壓器容量、臺數、電壓的一、變壓器容量、臺數、電壓的確定原則確定原則u依據輸送容量等原始數據。u考慮電力系統510年的發展

3、規劃。1單元接線主變壓器容量單元接線主變壓器容量u按發電機額定容量扣除本機組的廠用負荷后，留有10%的裕度；u擴大單元接線應盡可能采用分裂繞組變壓器。2連接在發電機電壓母線與升高電壓之間的主連接在發電機電壓母線與升高電壓之間的主變壓器變壓器發電機全部投入運行時，在滿足由發電機電壓供電的日最小負荷，及扣除廠用電后，主變壓器應能將剩余的有功率送入系統。若接于發電機電壓母線上的最大一臺機組停運時，應能滿足由系統經主變壓器倒供給發電機電壓母線上最大負荷的需要。若發電機電壓母線上接有2臺或以上主變壓器，當其中容量最大的一臺因故退出運行時，其它主變壓器在允許正常過負荷范圍內應能輸送剩余功率70%以上。a.

4、對水電比重較大的系統，若豐水期需要限制該火電廠出力時，主變應能從系統倒送功率，滿足發電機電壓母線上的負荷需要。3變電所主變壓器容量變電所主變壓器容量按變電所建成后510年的規劃負荷選擇，并適當考慮遠期1020年的負荷發展。對重要變電所，應考慮一臺主變停運，其余變壓器在計及過負荷能力及允許時間內，滿足I、II類負荷的供電；對一般性變電所，一臺主變停運，其余變壓器應能滿足全部供電負荷的70%80%。4發電廠和變電所主變臺數發電廠和變電所主變臺數大中型發電廠和樞紐變電所，主變不應少于2臺；對小型的發電廠和終端變電所可只設一臺。5. 確定繞組額定電壓和調壓的方式確定繞組額定電壓和調壓的方式二、主變壓器

5、型式的選擇原則二、主變壓器型式的選擇原則1. 相數相數：一般選用三相變壓器。2. 繞組數繞組數：u變電所或單機容量在125MW及以下的發電廠內有三個電壓等級時，可考慮采用三相三繞組變壓器，但每側繞組的通過容量應達到額定容量的15%及以上，或第三繞組需接入無功補償設備。否則一側繞組未充分利用，不如選二臺雙繞組變更合理。u單機容量200MW及以上的發電廠，額定電流和短路電流均大，發電機出口斷路器制造困難，加上大型三繞組變壓器的中壓側（110kV及以上時）不希望留分接頭，為此以采用雙繞組變壓器加聯絡變壓器的方案更為合理。u凡選用三繞組普通變壓器的場合，若兩側繞組為中性點直接接地系統，可考慮選用自耦變

6、壓器，但要防止自耦變的公共繞組或串聯繞組的過負荷。3. 繞組接線組別的確定繞組接線組別的確定u變壓器三相繞組的接線組別必須和系統電壓相位一致。5. 變壓器冷卻方式變壓器冷卻方式u主變壓器的冷卻方式有：自然風冷；強迫風冷；強迫油循環風冷；強迫油循環水冷；強迫導向油循環冷卻等。三、主接線設計簡述三、主接線設計簡述四、技術經濟比較四、技術經濟比較4. 短路阻抗的選擇短路阻抗的選擇u從系統穩定和提高供電質量看阻抗小些為好，但阻抗太小會使短路電流過大，使設備選擇變得困難。三繞組變壓器的結構形式：升壓型 與 降壓型第三節第三節 載流導體的發熱和電動力載流導體的發熱和電動力v一、概述v二、均勻導體的長期發熱

7、v三、導體的短時發熱v四、短路時載流導體的電動力表表 8 8- -1 1 導體長期工作發熱和短路時發熱的允許溫度（部分）導體長期工作發熱和短路時發熱的允許溫度（部分） 長期工作發熱長期工作發熱 短路時發熱短路時發熱 導體種類和材料導體種類和材料 允許溫度允許溫度 允許溫升允許溫升 允許溫度允許溫度 允許溫升允許溫升 銅（裸）母線銅（裸）母線 70 C 45 C 300 C 230 C 鋁（裸）母線鋁（裸）母線 70 C 45 C 200 C 130 C 一、概述一、概述u長期發熱：u短時發熱：RaFRaFIalst)(0二、均勻導體的長期發熱二、均勻導體的長期發熱1均勻導體的發熱過程導體溫度穩

8、定前 I2RdtmCdaF(0)dt溫度達到穩定后 I2RaF(0)式中，m：質量(kg)；C：比熱容(J/kgC)；a：總換熱系數(w/m2C)；F：散熱面積（m2）；0：周圍環境溫度（C）。2導體的最大允許載流量：三、導體的短時發熱三、導體的短時發熱1短時發熱計算熱量平衡方程：Ikt2R dtmC d短路電流熱效應：ktktkdtIQ 0 2i21 AAQSkk并有：2熱效應k的計算u采用等值時間法： 過時u辛卜生法 ： 復雜u1-10-1法（簡化辛卜生法） 短路全電流：nppkTtnpoptktQQQeitIIa cos2 可以推出：)10 (12 .222/2kkttkpIIItQa周

9、期分量的熱效應222 )1 (2 .TIieTaQbnpoTatnpk非周期分量的熱效應表 8-2 非周期分量等值時間 T T（S） 短路點 tk0.1S tk0.1S 發電機出口及母線 0.15S 0.2 發電機升高電壓母線及出線 發電機電壓電抗器后 0.08 0.1 變電所各級電壓母線及出線 0.05 如果短路電流持續時間 tk1s，導體的短時發熱主要由周 期分量決定，在此情況下可不計非周期分量的影響。 ()fA圖8-1 曲線 ( )f A 電動力的方向決定于電流的方向，i1, i2同方向時，作用力相吸，電流反向時相斥。 工程中考慮截面積因素后的修正公式N102217LaiiFN 1022

10、17iiaLkFf其中， kf為導體的形狀系數。圓形導體的形狀系數kf=1。矩形導體的形狀系數如右圖所示。四、短路時載流導體的電動力四、短路時載流導體的電動力1平行導體間的電動力圖8-4 矩形截面形狀系數曲線)(1027CBABBCBABiiiiaLFFF)21(1027CABAACABAiiiiaLFFF)32sin()32sin( )32sin()32sin( sin)sin( ATatAmCATatAmBATatAmAetIietIietIi將下列公式代入：2三相導體短路時的電動力圖 8-5 同一平面導體三相短路時的電動力(2)7(2) 27(3) 27(3) 2max3 2 102 1

11、01.5 102shshshLLLFiiiaaa 同一地點短路的最大電動力，是作用于三相短路時的中間一相導體上，數值為：N 1073. 127maxshiaLFNiaLiaLFshshB2727max1073. 110729. 1 ：化簡并求出最大電動力NiaLFshA27max10616. 1同一地點兩相短路的最大電動力：u在單自由度振動系統中，35kV及以下，布置在同一平面三相母線的固有振動頻率f0200112Lrf 3導體的振動應力u強迫振動系統一般采用修正靜態計算法：最大電動力Fmax乘上動態應力系數。u動態應力系數與母線固有頻率的關系如右圖。圖8-6 動態應力系數u為了避免導體產生危

12、險的共振，對于重要導體，應使其固有頻率在下述范圍以外 單條導體及母線組中的各條導體35135Hz 多條導體組及有引下線的單條導體35155Hzu如固有頻率在上述范圍以外，取=1；u在上述范圍內時，最大電動力應乘上動態應力系數，即N 1073. 127maxshiaLF第四節第四節 電氣設備的選擇電氣設備的選擇v一、電器設備選擇的一般條件v二、高壓斷路器和隔離開關的選擇v三、高壓熔斷器的選擇v四、限流電抗器的選擇v五、母線和電纜的選擇v六、電流互感器選擇v七、電壓互感器的選擇NalialalII02按短路情況檢驗熱穩定和動穩定u熱穩定校驗：It2t Qku動穩定校驗：ies ish一、電器設備選

13、擇的一般條件一、電器設備選擇的一般條件1按正常工作條件選擇電器u額定電壓：UN UNSu額定電流：IN Imaxu環境條件對電器和導體額定值的修正：圖8-7 短路計算點的選擇b. 短路計算點 選擇通過導體和電器短路電流最大的點為短路計算點。c. 短路計算時間 熱穩定計算時間tk（短路持續時間）； 開斷計算時間tbr 。u短路電流的計算條件：a. 計算容量和短路類型 按發電廠、變電所最終設計容量計算。 短路類型一般采用三相短路電流，當其它形式短路電流大于三相時。應選取最嚴重的短路情況校驗。表 8-3 各種電氣設備的選擇項目設備名稱額定電壓額定電流額定開斷電流動穩定熱穩定斷路器隔離開關電抗器電流互

14、感器電壓互感器母線及導體電纜熔斷器支柱絕緣子套管絕緣子成套配電裝置電力電容器3主接線設計中主要電氣設備的選擇項目二、高壓斷路器和隔離開關的選擇二、高壓斷路器和隔離開關的選擇1高壓斷路器的選擇 除表8-3相關選項外，特殊項目的選擇方式如下：u開斷電流 高壓斷路器的額定開斷電流INbr，不應小于實際觸頭開斷瞬間的短路電流的有效值Ikt，即：INbr IKtu短路關合電流 在額定電壓下，能可靠關合開斷的最大短路電流稱為額定關合電流。校驗公式：iNCi ishu合分閘時間選擇 對于110kV以上的電網，斷路器固有分閘時間不宜大于0.04S。用于電氣制動回路的斷路器，其合閘時間不宜大于0.040.06S

15、。2隔離開關的選擇 隔離開關無開斷短路電流的要求，故不必校驗開斷電流。其它選擇項目與斷路器相同。三、高壓熔斷器的選擇三、高壓熔斷器的選擇u 高壓熔斷器分類：快速熔斷器：有限流作用 普通熔斷器：不具限流作用u 額定電壓選擇普通熔斷器：UN UNS 快速熔斷器：UN = UNSu 額定電流選擇u INf1 (熔管) INf2 (熔體) Imaxu保護變壓器或電動機：INf2 = K ImaxK 取1.11.3(不考慮電動機自啟動)或取1.52.0(考慮電動機自啟動)u保護電容器回路：INf2 = KINCK 取1.52.0(單臺)或取1.31.8(一組)u 熔斷器的開斷電流校驗Inbr Ish（或

16、I ）普通熔斷器：Ish快速熔斷器： Iu 熔斷器的選擇性 按制造廠提供的安秒特性曲線（又稱保護特性曲線）校驗。u 保護電壓互感器用的熔斷器僅校驗額定電壓和開斷電流。四、限流電抗器的選擇四、限流電抗器的選擇u 限流電抗器的作用u限制短路電流：可采用輕型斷路器，節省投資；u維持母線殘壓：若殘壓大于65%70%UNS，對非故障用戶，特別是電動機用戶是有利的。u 限流電抗器的選擇 除表8-3相關選項外，特殊項 目的選擇方式如下：1. 電抗百分數 XL 選擇u若要求將一饋線的短路電流限制到電流值I，取基準電流Id，則電源到短路點的總電抗標么值: X* IdI圖8-8 計算電抗百分數示意圖u以電抗器額定

17、電壓和額定電流為基準的電抗百分數XL%100)(%*ddNNLIUUIXXXu輕型斷路器額定開斷電流INbr，令I=INbr，則 X* IdInbru若已知電源到電抗器之間的電抗標么值X*，則ddNNLLUIIUXXXX100(%)*2. 電壓損失校驗 正常運行時電抗器上的電壓損失，不大于電網額定電壓的5%。%5sin(%)%maxLNXIIU3. 母線殘壓校驗 對于無瞬時保護的出線電抗器應校母線殘余，殘壓的百分值%7060 (%)%NLreIIXU(a)矩形導體：散熱條件好，便于固定和連接，但集膚效應大，一般用于35kV及以下，電流在4000A及以下的配電裝置中；五、母線和電纜的選擇五、母線

18、和電纜的選擇v 裸導體裸導體：硬母線的材料，截面形狀，布置方式u 導體材料有銅、鋁和鋁合金，銅只用在持續工作電流大，布置位置狹窄和對鋁有嚴重腐蝕的場所。常用的硬母線是鋁母線。u 截面有矩形，雙槽形和管形。圖8-9 常見硬母線截面形狀(b)槽形導體：機械強度大，載流量大，集膚效應小，一般用于4000A8000A的配電裝置中。(c)管形母線 ：機械強度高，管內可通風或通水，可用于8000A以上的大電流母線和110kV及以上的配電裝置中。u矩形導體的布置方式a. 支柱絕緣子三相水平布置，導體豎放：散熱條件較好；b. 支柱絕緣子三相水平布置，導體平放：機械強度較好；c. 絕緣子三相垂直布置，導體豎放：

19、機械強度和散熱均好，但使配電裝置的高度增加。導體截面選擇u按長期發熱允許電流選擇：Kial Imaxu按經濟電流密度選擇： S = Imax/J 圖 8-10 矩形導體的布置方式(a)支柱絕緣子三相水平布置，導體豎放；(b)支柱絕緣子三相水平布置，導體平放；(c)絕緣子三相垂直布置，導體豎放u除配電裝置的匯流母線、長度在20m以下的導體外，對于年負荷利用小時數高，傳輸容量大的導體，其截面一般按經濟電流密度選擇。 圖 8-11 經濟電流密度1變電所所用、工礦用及電纜線路的鋁線紙包絕緣鉛包、鉛包、塑料護套及各種鎧裝電纜；2鋁矩形、槽形母線及組合導線；3火電廠廠用鋁芯紙絕緣鉛包、鋁包、塑料護套及各種

20、鎧裝電纜435220V線路的LGJ、LGJQ型鋼芯鋁絞線kSalksQKCAAQKS1)/(imin當導體短路前的溫度取正常運行時的最高允許溫度70C，鋁和銅導體短時發熱最高允許溫度分別為200C和300C時，C值（量綱：安秒1/2/米2）分別為C鋁=87和C銅=171。3. 電暈電壓校驗： 對于110kV及以上的各種規格導體，應按晴天不出現全面電暈的條件校驗：Ucr Umax4. 熱穩定校驗：u母線看作是一個自由地放在絕緣支柱上多跨距的梁，在電動力的作用下，母線條受到的最大彎矩M為M = fL2/10 N.mu母線條受到的最大相間計算應力N/m 10173. 172aifshPa 10/2w

21、LfwMu校驗： al Pa硬鋁a l=70106(Pa) 硬銅al=140106(Pa)5. 硬母線的動穩定校驗u單位長度導體上所受到的相間電動力表 8-4 導體截面系數和慣性半徑導體布置方式截面系數 W慣性半徑r0bh2/60.289hb2h/60.289b0.333bh20.089h1.44b2h1.04bhbhbbbbbbbhu在設計中也常根據材料的最大允許應力，確定支柱絕緣子間的最大允許跨距（不應超過1.52m）fwLal/10maxv 電力電纜的選擇電力電纜的選擇1. 電纜芯線材料及敷設方式選擇：u電纜芯線：銅芯和鋁芯。銅芯電纜載流量約為鋁芯同截面電纜載流量的1.3倍。國內工程一般

22、選用鋁芯電纜。u敷設方式：電纜橋架，電纜溝，電纜隧道和穿管等。2. 截面選擇：u當電纜的最大負荷利用小時數Tmax5000小時，長度超過20m以上，均應按經濟電流密度選擇。u按長期發熱允許電流選擇電纜截面時，修正系數K與敷設方式，環境溫度等有關。3. 按允許電壓降校驗：%5/ )sincos(3%00maxNSUxRLIU4. 熱穩定校驗：kQCS1min對6kV油浸紙絕緣鋁芯電纜，熱穩定系數C=93；10kV時C取95。六、電流互感器選擇六、電流互感器選擇1. 電流互感器的形式選擇u35kV以下屋內配電裝置，可采用瓷絕緣或樹脂繞注式；u35kV及以上配電裝置可采用油浸瓷箱式，有條件時可采用套

23、管式。2. 額定電壓和額定電流動選擇u一次額定電壓和電流u二次額定電流：5A或1A3. 電流互感器的準確級u不應低于所供測量儀表的最高準確級；u用于重要回路和計費電度表的電流互感器一般采用0.2或0.5級；u500kV采用0.2級。)()( )( )( 2222222222222222222cNCcNNCNNcNNwcwNNrrZLrrISLISSIrrISrrrrISS為導線截面如何保證互感器的準確級：uS2I2N2Z2LSN2 或 Z2LZN2uZ2L= r2 + rw + rcu接觸電阻rc取0.050.1；u電流線圈電阻r2由所連接的儀表和繼電器的電流線圈消耗的功率計算；u連接用導線的

24、電阻rw為：shesNshesiKIii12或u瓷絕緣的電流互感器還應校驗瓷絕緣帽上受力的外部動穩定，方法可參見支柱絕緣子的校驗。4. 熱穩定和動穩定校驗u只對本身帶有一次回路導體的電流互感器進行熱穩定校驗。u常以1S允許通過的熱穩定電流It或一次額定電流IN1的倍數Kt來表示，即It21 Qk 或 (KtTN1)2Qku互感器內部動穩定，常以允許通過的動穩定電流ies或一次額定電流幅值的動穩定倍數Kes表示：導線計算長度LC與電流互感器的接線系數有關，若測量儀表與互感器安裝處相距L，則當電流互感器星形接線時LC=L，不完全星形LC=31/2L ，單相接線時LC=2L。為滿足機械強度要求銅線S

25、不得小于1.5mm2。表 8-5 電壓互感器二次繞組額定電壓選擇表繞 組主二次繞組每個附加二次繞組高壓側允許接入方式接于電網線電壓上接于電網相電壓上用于中性點直接接地系統中用于小電流接地系統二次繞組額定電壓(V)100100/3100100/3七、電壓互感器的選擇七、電壓互感器的選擇1按額定電壓選擇u一次繞組有接于相間和接于相對地兩種方式，繞組的額定電壓UN1應與接入電網的方式和電壓相符，為確保互感器的準確級，要求電網電壓的波動范圍滿足下列條件0.8UN1US1.2UN1u二次繞組電壓可按表8-5選擇，附加二次繞組通常接成開口三角形供測量零序電壓2220202)()()sin()cos(QPS

26、SS表 8-6 電壓互感器二次繞組負荷計算公式接線方式和相量圖A3/)30sin(3/)30cos(ababAababASQSPAB)30sin(3)30cos(3SQSPABABB3/)30sin()30sin(3/)30cos()30cos(bcbcababBbcbcababBSSQSSPBC)30sin(3)30cos(3SQSPBCBCC3)30sin(3/)30cos(bcbcCbcbcCSQSPSabSbcbcaBCAUCAUABUBCUBUBAABUBCUCcsssba2容量和準確級選擇 額定容量SN2應滿足SN2 S2第五節第五節 設備選擇舉例設備選擇舉例表 8-7 k1點三相短路電流計算匯總時間（s）發電機 A (kA)發電機 B(kA)發電機 C(kA)220kV 系統(kA)I(kA)ish(kA)014.514.510.2020.559.7157.515.695.697.37520.539.2624.8124.8127.25620.537.3844.3284.3287.7320.536.89u例8-1 發電廠接線和等值阻抗，如圖8-13，發電機A、B型號TQ-25