第九章電氣設計與設備選擇一

高壓電氣設備選擇一般條件和原則二高壓開關電器的選擇三高壓熔斷器的選擇四互感器的選擇第四節電氣設備選擇一高壓電氣設備選擇一般條件和原則一、高壓電氣設備選擇與校驗的一般條件二、高壓電氣設備的選擇與校驗項目三、按正常工作條件選擇高壓電氣設備▉額定電壓和最高工作電壓▉額定電流▉按環境工作條件校驗四、短路條件校驗▉短路熱穩定校驗▉電動力穩定校驗▉短路電流計算條件▉短路計算時間

▉高壓電氣設備選擇與校驗的一般條件

電氣設備選擇是發電廠和變電所設計的主要內容之一，在選擇時應根據實際工作特點，按照有關設計規范的規定，在保證供配電安全可靠的前提下，力爭做到技術先進，經濟合理。為了保障高壓電氣設備的可靠運行，高壓電氣設備選擇與校驗的一般條件有：（1）按正常工作條件選擇額定電流、額定電壓，開斷能力和設備型號；（2）按短路條件包括動穩定、熱穩定的校驗；（3）按環境工作條件如溫度、濕度、海拔等選擇。

▉高壓電氣設備的選擇與校驗項目

高壓電氣設備的選擇與校驗項目見表7-1。▉

額定電壓和最高工作電壓

高壓電氣設備所在電網的運行電壓因調壓或負荷的變化，常高于電網的額定電壓，故所選電氣設備允許最高工作電壓Ualm不得低于所接電網的最高運行電壓。一般電氣設備允許的最高工作電壓可達1.1～1.15UN，而實際電網的最高運行電壓Usm一般不超過1.1UNs，因此在選擇電氣設備時，一般可按照電氣設備的額定電壓UN不低于裝置地點電網額定電壓UNs的條件選擇，即

UN≥UNs

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額定電流

電氣設備的額定電流ⅠN是指在額定環境溫度下，電氣設備的長期允許通過電流。ⅠN應不小于該回路在各種合理運行方式下的最大持續工作電流Ⅰmax，即ⅠN≥Ⅰmax。（１）由于發電機、調相機和變壓器在電壓降低5%時，出力保持不變，故其相應回路的Ⅰmax為發電機、調相機或變壓器的額定電流的1.5倍；（２）若變壓器有過負荷運行可能時，Ⅰmax應按過負荷確定（1.3~2倍變壓器額定電流）；（３）母聯斷路器回路一般可取母線上最大一臺發電機或變壓器的Ⅰmax

；（４）出線回路的Ⅰmax除考慮正常負荷電流（包括線路損耗）外，還應考慮事故時由其它回路轉移過來的負荷。

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按環境工作條件校驗

在選擇電氣設備時，還應考慮電氣設備安裝地點的環境條件，當氣溫、溫度、海拔高度和覆冰厚度等環境條件超過一般電氣設備使用條件時，應采取措施。當周圍環境溫度θ和電氣設備額定環境溫度不等時，其長期允許工作電流應乘以修正系數K，即我國的電氣設備使用的額定環境溫度θN=40℃。如周圍環境溫度θ高于40℃小于60℃時，其允許電流一般可按每增高1℃，額定電流減少1.8%進行修正，當環境溫度低于40℃時，環境溫度每降低1℃，額定電流可增加0.5%，但其Ｉmax不得超過ＩＮ的20%。該式對求導體的在實際環境溫度下的長期允許工作電流，此時公式中的θ0一般為25℃。

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短路條件校驗—短路熱穩定校驗

短路電流通過電氣設備時，電氣設備各部件溫度(或發熱效應)應不超過允許值。滿足熱穩定的條件為

式中Ⅰt—廠家給的電氣設備在時間t秒內的熱穩定電流。

Ⅰ∞—短路穩態電流值。t—與Ⅰt相對應的時間。tdz—短路電流熱效應等值計算時間。▉

短路條件校驗—電動力穩定校驗

電動力穩定是電氣設備承受短路電流機械效應的能力，也稱動穩定。滿足動穩定的條件為

或式中ish、Ⅰsh—短路沖擊電流幅值及其有效值；

ies、Ⅰes—電氣設備允許通過的動穩定電流的幅值及其有效值。

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短路條件校驗—短路電流計算條件

為使所選電氣設備具有足夠的可靠性、經濟性和合理性，并在一定時期內適應電力系統發展的需要，作校驗用的短路電流應按下列條件確定。（1）容量和接線按本工程設計最終容量計算，并考慮電力系統遠景發展規劃；其接線應采用可能發生最大短路電流的正常接線方式，但不考慮在切換過程中可能短時并列的接線方式(如切換廠用變壓器時的并列)。（2）短路種類一般按三相短路驗算，若其它種類短路較三相短路嚴重時，則應按最嚴重的情況驗算。（3）計算短路點選擇通過電器的短路電流為最大的那些點為短路計算點。▉

短路條件校驗—短路計算時間

校驗熱穩定的等值計算時間tk按繼電保護動作時間tp和相應斷路器的全開斷時間tab之和，即式中tab—斷路器全開斷時間；tp—保護動作時間；tin—斷路器固有分閘時間，可查附錄1；ta—斷路器開斷時電弧持續時間，對少油斷路器為0.04~0.06s，對SF6和壓縮空氣斷路器約為0.02~0.04s。開斷電器應能在最嚴重的情況下開斷短路電流，考慮到主保護拒動等原因，按最不利情況，取后備保護的動作時間。tp對應哪種保護動作的時限

斷路器的開斷計算時間tbr為發生故障至斷路器開斷時刻所需的計算時間。為使斷路器可靠開斷，應選用主保護動作時間tp1和斷路器固有分閘時間tin之和，即第二節高壓開關電器的選擇一、高壓斷路器的選擇

▉高壓斷路器種類和型式的選擇▉高壓斷路器額定開斷電流和短路關合電流的選擇二、高壓隔離開關的選擇

▉高壓隔離開關選擇▉高壓隔離開關選擇例題▉高壓斷路器選擇—種類和型式

高壓斷路器應根據斷路器安裝地點、環境和使用條件等要求選擇其種類和型式。真空斷路器在35kV及以下電力系統中得到了廣泛應用，有取代油斷路器的趨勢。SF6斷路器也已在10~35kV的城鄉電網建設和改造中得到應用。高壓斷路器的操動機構，大多數是由制造廠配套供應，僅部分少油斷路器有電磁式、彈簧式或液壓式等幾種型式的操動機構可供選擇。一般電磁式操動機構需配專用的直流合閘電源，但其結構簡單可靠；彈簧式結構比較復雜，調整要求較高；液壓操動機構加工精度要求較高。操動機構的型式，可根據安裝調試方便和運行可靠性進行選擇。

▉高壓斷路器選擇—額定開斷電流

在額定電壓下，斷路器能保證正常開斷的最大短路電流稱為額定開斷電流ⅠNbr。在高壓斷路器中其值不應小于實際開斷瞬間短路電流周期分量Ⅰkt

，即我國生產的高壓斷路器在做型式試驗時，僅計入了20%的非周期分量。一般中、慢速斷路器，由于開斷時間較長(>0.1s)，短路電流非周期分量衰減較多，能滿足國家標準規定的非周期分量不超過周期分量幅值20%的要求。使用快速保護和高速斷路器時，其開斷時間小于0.1s，當在電源附近短路時，短路電流的非周期分量可能超過周期分量的20%，因此需要進行驗算。▉高壓斷路器選擇—短路關合電流

在斷路器合閘之前，若線路上已存在短路故障，則在斷路器合閘過程中，動、靜觸頭間在未接觸時即有巨大的短路電流通過（預擊穿），更容易發生觸頭熔焊和遭受電動力的損壞。斷路器在關合短路電流時，不可避免地在接通后又自動跳閘，此時還要求能夠切斷短路電流，因此，額定關合電流是斷路器的重要參數之一。為了保證斷路器在關合短路時的安全，斷路器的額定關合電流iNcl不應小于短路電流最大沖擊值ish，即

▉高壓隔離開關的選擇

隔離開關選擇及校驗條件除額定電壓、電流、動熱穩定校驗外，還應看其種類和形式的選擇，其型式應根據配電裝置特點和要求及技術經濟條件來確定。下表為隔離開關選型參考表。▉高壓隔離開關選擇—例題

[例7-1]如圖7-1所示降壓變電所中一臺變壓器，容量為7500kVA，其短路電壓百分值為Ud%=7.5，二次母線電壓為10kV，變電所由無限大容量系統供電，二次母線上短路電流為I“=I∞=5.5kA。作用于高壓斷路器的定時限保護裝置的動作時限為Ⅰs，瞬時動作的保護裝置的動作時限為0.05s，擬采用高速動作的高壓斷路器，其固有開斷時間為0.05s，滅弧時間為0.05s，斷路器全開斷時間則為tOP=0.05+0.05=0.1s，試選擇高壓斷路器與隔離開關。▉高壓隔離開關選擇—例題答案

解：所選斷路器工作電流為短路電流沖擊值為ich=2.55Ⅰ“=14（kA）短路電流熱效應的等值計算時間為tk=t=tpop+top=1+0.1=1.1s>1s，可忽略tk～，則tdz=tk=1.1s根據上述計算選擇戶內SN10-10I-600型的高壓斷路器和GN7-10-600型的隔離開關，經短路穩定性校驗，均合格。并選取CD10與CS7-lT型操作機構。三高壓熔斷器選擇一、額定電壓選擇二、額定電流選擇

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熔管額定電流選擇▉熔體額定電流選擇三、熔斷器開斷電流校驗四、熔斷器選擇性校驗

▉高壓熔斷器選擇——額定電壓選擇

1.額定電壓選擇對于一般的高壓熔斷器，其額定電壓UN必須大于或等于電網的額定電壓UNs。但是對于充填石英砂有限流作用的熔斷器，則不宜使用在低于熔斷器額定電壓的電網中，這是因為限流式熔斷器滅弧能力很強，在短路電流達到最大值之前就將電流截斷，致使熔體熔斷時因截流而產生過電壓，其過電壓倍數與電路參數及熔體長度有關，一般在UNs=UN的電網中，過電壓倍數約2~2.5倍，不會超過電網中電氣設備的絕緣水平，但如在UNs<UN的電網中，因熔體較長，過電壓值可達3.5~4倍相電壓，可能損害電網中的電氣設備。▉高壓熔斷器選擇—熔管額定電流選擇

2.額定電流選擇熔斷器的額定電流選擇，包括熔管的額定電流和熔體的額定電流的選擇。

（1）熔管額定電流的選擇為了保證熔斷器載流及接觸部分不致過熱和損壞，高壓熔斷器的熔管額定電流應滿足下式的要求，即式中INft—熔管的額定電流INfs—熔體的額定電流

▉高壓熔斷器選擇—熔體額定電流選擇（2）熔體額定電流選擇為了防止熔體在通過變壓器勵磁涌流和保護范圍以外的短路及電動機自啟動等沖擊電流時誤動作，保護35kV及以下電力變壓器的高壓熔斷器，其熔體的額定電流可按下式選擇，即式中K—可靠系數（不計電動機自啟動時K=1.1~1.3，考慮電動機自啟動時K=1.5~2.0）；Imax—電力變壓器回路最大工作電流。▉高壓熔斷器選擇—熔體額定電流選擇

用于保護電力電容器的高壓熔斷器的熔體，當系統電壓升高或波形畸變引起回路電流增大或運行過程中產生涌流時不應誤熔斷，其熔體按下式選擇，即式中K—可靠系數(對限流式高壓熔斷器，當一臺電力電容器時K=1.5~2.0，當一組電力電容器時K=1.3~1.8)；

ⅠNc—電力電容器回路的額定電流。

▉高壓熔斷器選擇—熔斷器開斷電流校驗3.熔斷器開斷電流校驗式中ⅠNbr—熔斷器的額定開斷電流對于沒有限流作用的熔斷器，選擇時用沖擊電流的有效值Ⅰsh進行校驗；對于有限流作用的熔斷器，在電流達最大值之前已截斷，故可不計非周期分量影響，而采用I“進行校驗。▉高壓熔斷器選擇—熔斷器選擇性校驗4.熔斷器選擇性校驗為使前后兩級熔斷器之間或熔斷器與電源保護裝置之間動作的選擇性，應進行熔體選擇性校驗。如圖7-4為兩個不同熔體安秒特性曲線（ⅠNfs1<ⅠNfs2），同一電流同時通過此二熔體時，熔體1先熔斷。所以，為了保證動作的選擇性，前一級熔體應采用熔體1，后一級熔體應采用熔體2。保護電壓互感器用的高壓熔斷器，只需按額定電壓及斷流容量兩項來選擇。

四互感器的選擇一、電流互感器的選擇

▉一次回路額定電壓和一、二次額定電流選擇▉電流互感器種類和型式以及準確級的選擇▉二次容量或二次負載的校驗▉電流互感器熱穩定和動穩定校驗二、電壓互感器的選擇

▉電壓互感器一次回路額定電壓選擇▉二次側額定電壓、種類和型式▉按準確級選擇和按額定二次容量選擇▉電流互感器一次側額定電壓和額定電流選擇

1.電流互感器一次側額定電壓和電流選擇電流互感器一次回路額定電壓和電流選擇應滿足：式中UN1、ⅠN1——電流互感器一次額定電壓和電流。為了確保所供儀表的準確度，互感器的一次側額定電流應盡可能與最大工作電流接近。

2.二次額定電流的選擇電流互感器的二次額定電流有5A和1A兩種。一般強電系統用5A，弱電系統用1A。▉電流互感器種類和型式及準確級的選擇

3.電流互感器種類和型式的選擇選擇互感器，應根據安裝地點和安裝方式選擇相適應的類別和型式。選用母線型電流互感器時，注意校核窗口尺寸。

4.準確級的選擇為保證測量儀表的準確度，互感器的準確級不得低于所供測量儀表的準確級。如:裝于重要回路(如發電機、調相機、變壓器、廠用饋線、出線等)中的電能表和計費的電能表一般采用0.5~1級表，相應的互感器的準確級不應低于0.5級；對測量精度要求較高的大容量發電機、變壓器、系統干線和500kV級宜用0.2級。供運行監視、估算電能的電能表和控制盤上儀表一般皆用1~1.5級的，相應的電流互感器應為0.5~1級。供只需估計電參數儀表的互感器可用3級的。▉電流互感器二次容量或負載的校驗

5.電流互感器二次容量或二次負載的校驗

為了保證互感器的準確級，互感器二次側所接實際負載Z2l或所消耗的實際容量荷S2應不大于該準確級所規定的額定負載ZN2或額定容量SN2，即SN2≥S2=IN22Z2l

或ZN2≥Z2l≈Rwi+Rtou+Rm+Rr

式中Rm，Rr——電流互感器二次回路中所接儀表內阻的總和與所接繼電器內阻的總和，可由產品樣本或附錄9中查得。Rwi——電流互感器二次聯接導線的電阻。Rtou——電流互感器二次連線的接觸電阻，一般取為0.1Ω。▉電流互感器熱穩定和動穩定校驗

6.熱穩定和動穩定校驗（1）電流互感器的熱穩定校驗只對本身帶有一次回路導體的電流互感器進行。電流互感器熱穩定能力常以1s允許通過的一次額定電流ⅠN1的倍數Kh來表示，故熱穩定應按下式校驗式中Kh，ⅠN1—由生產廠給出的電流互感器的熱穩定倍數及一次側額定電流。

Ⅰ∞，tdz—短路穩態電流值及熱效應等值計算時間。▉電流互感器熱穩定和動穩定校驗—（1）

（2）電流互感器內部動穩定能力，常以允許通過的一次額定電流最大值的倍數kmo一動穩定電流倍數表示，故內部動穩定可用下式校驗式中Kmo，IN1—由生產廠給出的電流互感器的動穩定倍數及一次側額定電流。ich—故障時可能通過電流互感器的最大三相短路電流沖擊值。▉電流互感器熱穩定和動穩定校驗—（2）

由于鄰相之間電流的相互作用，使電流互感器絕緣瓷帽上受到外力的作用，因此，對于瓷絕緣型電流互感器應校驗瓷套管的機械強度。瓷套上的作用力可由一般電動力公式計算，故外部動穩定應滿足

式中Fal——作用于電流互感器瓷帽端部的允許力；

l

——電流互感器出線端至最近一個母線支柱絕緣子之間的跨距。系數0.5表示互感器瓷套端部承受該跨上電動力的一半。▉電壓互感器一次回路額定電壓選擇

1.電壓互感器一次回路額定電壓選擇為了確保電壓互感器安全和在規定的準確級下運行，電壓互感器一次繞組所接電力網電壓應在（1.1~0