1、风电厂电气系统第六章第六章 导体和电气设备的原理导体和电气设备的原理与选择与选择第六节第六节 裸导体的选择裸导体的选择一、导体材料、类型与布置方式选择一、导体材料、类型与布置方式选择 1 1导体的材料导体的材料 铜：电阻率低，机械强度高，耐腐蚀性比铝强，铜：电阻率低，机械强度高，耐腐蚀性比铝强，但储量少，价格高。但储量少，价格高。铝：电阻率比铜高，机械强度低，耐腐蚀性较铜铝：电阻率比铜高，机械强度低，耐腐蚀性较铜差，但储量高，价格低。差，但储量高，价格低。 一般优先采用铝导体，在工作电流大，地一般优先采用铝导体，在工作电流大，地方狭窄的场所和对铝有严重腐蚀的地方可采用铜方狭窄的场所和对铝有严重
2、腐蚀的地方可采用铜导体。导体。 一、导体选型一、导体选型2 2导体的选型导体的选型 常用硬导体的截面形状有矩形、槽形和管形。导体截面形常用硬导体的截面形状有矩形、槽形和管形。导体截面形状影响硬导体的散热、集肤效应系数和机械强度。状影响硬导体的散热、集肤效应系数和机械强度。1) 1) 矩形导体广泛用于矩形导体广泛用于35kV35kV及以下，工作电流不超过及以下，工作电流不超过4000A4000A的的屋内配电装置中，例如，主母线，连接导体和变压器及小屋内配电装置中，例如，主母线，连接导体和变压器及小容量发电机的引出线母线。当单条导体的载流量不能满足容量发电机的引出线母线。当单条导体的载流量不能满足
3、要求时，每相可采用要求时，每相可采用2424条并列使用；条并列使用；2) 2) 槽形导体适用于槽形导体适用于35kV35kV及以下，工作电流为及以下，工作电流为40008000A40008000A的的配电装置中，例如，配电装置中，例如，100MW100MW发电机的引出线母线；发电机的引出线母线；3) 3) 管形导体适用于管形导体适用于8000A8000A以上的大电流母线，例如，容量为以上的大电流母线，例如，容量为200MW200MW及以上的发电机引出线。对及以上的发电机引出线。对110kV110kV及以上屋内外配电及以上屋内外配电装置，采用硬母线时，应选用管形导体（防止电晕）。装置，采用硬母线
4、时，应选用管形导体（防止电晕）。 一、导体选型一、导体选型(2) (2) 常用的软导线有钢心铝绞线、组合导线、空常用的软导线有钢心铝绞线、组合导线、空心导线、扩径导线和分裂导线。心导线、扩径导线和分裂导线。1) 1) 钢心铝绞线适用于钢心铝绞线适用于35kV35kV及以上的屋外软母线；及以上的屋外软母线；2) 2) 组合导线用于中小容量发电机和变压器的引出组合导线用于中小容量发电机和变压器的引出线；线；3) 3) 空心导线、扩径导线和分裂导线直径大，可以空心导线、扩径导线和分裂导线直径大，可以减小线路电抗、减小电晕损耗和对通讯的干扰，减小线路电抗、减小电晕损耗和对通讯的干扰，用于超高压母线和输
5、电线路。用于超高压母线和输电线路。220kV220kV输电线路常采输电线路常采用两分裂导线。用两分裂导线。 一、导体选型一、导体选型一、导体选型一、导体选型220kV220kV管形母线、支柱绝缘子管形母线、支柱绝缘子3 3导体的布置方式导体的布置方式 导体的布置方式常采用三导体的布置方式常采用三相水平布置和三相垂直布置。相水平布置和三相垂直布置。 对于矩形导体，对于矩形导体，图图6-29a6-29a中中导体竖放，散热条件好，载流导体竖放，散热条件好，载流量大，但机械强度较差；量大，但机械强度较差； 图图6-29b6-29b中导体平放，机械中导体平放，机械强度较高，但散热条件较差；强度较高，但散
6、热条件较差； 图图6-29c6-29c为矩形导体三相垂为矩形导体三相垂直布置，它综合了图直布置，它综合了图6-29a6-29a、b b的优点。的优点。 图图6-296-29一、导体选型一、导体选型二、导体截面的选择二、导体截面的选择 1 1按导体的长期发热允许电流选择按导体的长期发热允许电流选择 汇流母线及长度在汇流母线及长度在20m20m以下的导体等，一般应按长期以下的导体等，一般应按长期发热允许电流选择其截面，即：发热允许电流选择其截面，即： I Imaxmax K KI IalalJISmaxI Imaxmax导体的最大持续工作电流，计算时一般需考虑过导体的最大持续工作电流，计算时一般需
7、考虑过负荷和事故时转移过来的负荷。负荷和事故时转移过来的负荷。二、导体截面选择二、导体截面选择2 2按经济电流密度选择按经济电流密度选择 按经济电流密度选择导体截面可以使年计算费用最小。按经济电流密度选择导体截面可以使年计算费用最小。除汇流母线、厂用电动机的电缆等外，年最大负荷利用时除汇流母线、厂用电动机的电缆等外，年最大负荷利用时数较大，长度在数较大，长度在20m以上的导体，如发电机和变压器引出以上的导体，如发电机和变压器引出线，其截面一般按经济电流密度选择。经济截面用下式计线，其截面一般按经济电流密度选择。经济截面用下式计算：算： maxr cUU I Imaxmax正常运行方式下导体的最
8、大持续工作电流，计算时正常运行方式下导体的最大持续工作电流，计算时不考虑过负荷和事故时转移过来的负荷不考虑过负荷和事故时转移过来的负荷； J J 经济电流密度，常用导体的经济电流密度，常用导体的J J值，可根据最大负荷利值，可根据最大负荷利用时数用时数T Tmaxmax由图由图6-176-17查得。查得。 二、导体截面选择二、导体截面选择 图图6-17 6-17 经济电流密度经济电流密度11变电所所用、工矿和电缆线路的铝纸绝缘铅包、铝包、塑料护套及各变电所所用、工矿和电缆线路的铝纸绝缘铅包、铝包、塑料护套及各种铠装电缆种铠装电缆 22铝矩形、槽形及组合导线铝矩形、槽形及组合导线 33火电厂厂用
9、的铝纸绝缘火电厂厂用的铝纸绝缘铅包、铝包、塑料护套及各种铠装电缆铅包、铝包、塑料护套及各种铠装电缆 435220kV435220kV线路的线路的LGJLGJ、LGJQLGJQ型钢心铝绞线型钢心铝绞线0alalK图图6-176-17二、导体截面选择二、导体截面选择1) 1) 按经济电流密度选择的导体截面应尽量接近按经济电流密度选择的导体截面应尽量接近计算的经济截面，当无合适规格的导体时，允许计算的经济截面，当无合适规格的导体时，允许选用小于但接近经济截面的导体。选用小于但接近经济截面的导体。2) 2) 按经济电流密度选择的导体截面还需要进行按经济电流密度选择的导体截面还需要进行长期发热条件校验，
10、此时计算长期发热条件校验，此时计算I Imaxmax需考虑过负荷需考虑过负荷和事故时转移过来的负荷。和事故时转移过来的负荷。3) 3) 由于汇流母线各段的工作电流大小不相同，由于汇流母线各段的工作电流大小不相同，且差别较大，故汇流母线不按经济电流密度选择且差别较大，故汇流母线不按经济电流密度选择截面。截面。 二、导体截面选择二、导体截面选择三、电晕电压校验三、电晕电压校验 1. 1. 导体的电晕放电会产生电能损耗、噪声、无线电干扰和金导体的电晕放电会产生电能损耗、噪声、无线电干扰和金属腐蚀等不良影响。属腐蚀等不良影响。2. 2. 为了防止发生全面电晕，要求为了防止发生全面电晕，要求110kV1
11、10kV及以上裸导体的电晕临及以上裸导体的电晕临界电压界电压U Ucrcr应大于其最高工作电压应大于其最高工作电压U Umaxmax，即：，即： skskwhmin11KQCKQAAS 在海拔不超过在海拔不超过1000m1000m的地区：下列情况可不进行电晕电压的地区：下列情况可不进行电晕电压校验。校验。 1) 110kV1) 110kV采用了不小于采用了不小于LGJ-70LGJ-70型钢心铝绞线和外径不小于型钢心铝绞线和外径不小于2020型管形导体时；型管形导体时；2) 220kV2) 220kV采用了不小于采用了不小于LGJ-300LGJ-300型钢心铝绞线和外径不小于型钢心铝绞线和外径不
12、小于3030型的管形导体时。型的管形导体时。三、电晕电压校验三、电晕电压校验四、热稳定校验四、热稳定校验 利用上式，取短时最高允许温度利用上式，取短时最高允许温度al计算短路终了时的计算短路终了时的A值值得得Ah，取短路前导体的工作温度，取短路前导体的工作温度w计算短路开始时的计算短路开始时的A值得值得Aw，定义热稳定系数为：定义热稳定系数为：102phLfM C达到上限值，若计及集肤效应系数达到上限值，若计及集肤效应系数KS影响，可得到满足影响，可得到满足热稳定的导体最小截面为热稳定的导体最小截面为 RFI)(alalwhAAC显然，当所选导体截面显然，当所选导体截面SSmin时时 ，由于短
13、路电流热效应，由于短路电流热效应Qk保持保持不变，故导体短路时的温升不会超过短时最高允许温度。不变，故导体短路时的温升不会超过短时最高允许温度。C C 可以根据短路前导体的工作温度由表可以根据短路前导体的工作温度由表6-96-9查出。查出。 实际环境温度下，短路前导体的工作温度实际环境温度下，短路前导体的工作温度w w的计算：的计算：由长期发热计算公式得由长期发热计算公式得2al2maxalw)(II2sh7ph11073. 1iafWLfWM102phph两式两边相除再平方得：两式两边相除再平方得：、I Ialal实际环境温度和对应于实际环境温度实际环境温度和对应于实际环境温度的允许电流。的
14、允许电流。 四、热稳定校验四、热稳定校验五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验 硬导体的动稳定校验条件为最大计算应力硬导体的动稳定校验条件为最大计算应力maxmax不大于导体不大于导体的最大允许应力的最大允许应力alal，即：，即： maxmaxalal 硬导体的最大允许应力：硬铝为硬导体的最大允许应力：硬铝为707010106 6 Pa Pa， 硬铜为硬铜为14014010106 6PaPa，1Pa=1N/m1Pa=1N/m2 2。 由于相间距离较大，无论什么形状的导体和组合，计算相由于相间距离较大，无论什么形状的导体和组合，计算相间电动力间电动力f fphph（单位为（单位为N/mN
15、/m）时，可不考虑形状的影响，均按下）时，可不考虑形状的影响，均按下式计算：式计算： 62hbWi ishsh为三相短路冲击电流（为三相短路冲击电流（A A）；）；a a为相间距离（为相间距离（m m）；）；为动态为动态应力系数。应力系数。 五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验1 1每相为单条矩形导体母线的应力计算与校验每相为单条矩形导体母线的应力计算与校验 矩形导体母线系统可以视为均匀荷载作用的多跨连续粱，矩形导体母线系统可以视为均匀荷载作用的多跨连续粱，导体所受到的最大弯矩导体所受到的最大弯矩M M（NmNm）为：）为： whAAQSk21导体最大相间计算应力导体最大相间计算应力p
16、hph（单位为（单位为PaPa）为：）为： RFI)(wmaxW W导体的截面系数（导体的截面系数（m m3 3），即导体对垂直于电动力作用方向轴的抗弯矩，），即导体对垂直于电动力作用方向轴的抗弯矩，与导体尺寸和布置方式有关，见表与导体尺寸和布置方式有关，见表6-36-3。 满足动稳定的条件为：满足动稳定的条件为： max max = = phphalal 单条平放单条平放 2 /2bhW ，单条竖放，单条竖放 62bhW 五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验不满足动稳定时，可适当减小支柱绝缘子跨距不满足动稳定时，可适当减小支柱绝缘子跨距L L，重新计算。，重新计算。 也可以也可以用绝
17、缘子间最大允许跨距用绝缘子间最大允许跨距L Lmaxmax校验动稳定：校验动稳定： 令令phph= =alal ，可得到：，可得到：WLfWM102phph只要支柱绝缘子跨距只要支柱绝缘子跨距L LL Lmax max ，即可满足动稳定要求。，即可满足动稳定要求。 五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验， 2 2每相为多条矩形导体母线的应力计算与校验每相为多条矩形导体母线的应力计算与校验 每相为多条导体时，除受相间电动力的作用外，还受到同每相为多条导体时，除受相间电动力的作用外，还受到同相中条与条之间的电动力作用，满足动稳定的条件为相中条与条之间的电动力作用，满足动稳定的条件为 maxm
18、ax= =phph+ +b balal 1)1)多条矩形导体的相间计算应力多条矩形导体的相间计算应力phph与单条矩形导体时的相同：与单条矩形导体时的相同： 但截面系数为多条矩形导体的截面系数，根据每相导体的但截面系数为多条矩形导体的截面系数，根据每相导体的条数和布置方式选用表条数和布置方式选用表6-3中公式计算。中公式计算。 双条平放双条平放 hbW23 . 3双条竖放双条竖放 3/2bhW 三条平放三条平放 phalmax10fWL三条竖放三条竖放 92sh1312101)( 8biKK五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验图图6-30 6
19、-30 双条平放矩形导体侧视图双条平放矩形导体侧视图2)2)单位长度条间最大电动力单位长度条间最大电动力f fb b ( (单位为单位为N/m)N/m)的计算的计算 多条导体的结构：相邻导体条间距离：一般为矩形导体短边多条导体的结构：相邻导体条间距离：一般为矩形导体短边b b的的2 2倍。由于条间距离很小，故条间应力倍。由于条间距离很小，故条间应力b b比相间应力大的多，比相间应力大的多，为了减小条间计算应力，为了减小条间计算应力， 一般在同相导体的条间每隔一般在同相导体的条间每隔3050 cm3050 cm左右装设一金属衬垫，如图左右装设一金属衬垫，如图6-30 6-30 所示。衬垫跨距所示
20、。衬垫跨距L Lb b可通过动稳可通过动稳定校验条件来确定。定校验条件来确定。 hbW244. 1图图6-306-3082sh1272sh12b1015.21021)5.0(2biKbiKfhbLfWLfWM22bb2bbbb212 上两式中，上两式中，K K1212和和K K1313分别是第分别是第1 1、2 2条导体和第条导体和第1 1、3 3条导体间条导体间的形状系数。的形状系数。 每相多条矩形导体中，电流的方向相同，边条受的电动力每相多条矩形导体中，电流的方向相同，边条受的电动力最大。根据两平行导体电动力计算公式，并考虑导体形状对电最大。根据两平行导体电动力计算公式，并考虑导体形状对电
21、动力的影响，每相为两条且各通过动力的影响，每相为两条且各通过50%50%的电流时，单位长度条的电流时，单位长度条间最大电动力间最大电动力f fb b ( (单位为单位为N/m)N/m)为：为： 4rc/bfhbL 每相为三条时，可以认为中间条通过每相为三条时，可以认为中间条通过20%20%电流，电流， 两边条各两边条各通过通过40%40%电流，则单位长度条间最大电动力电流，则单位长度条间最大电动力f fb b ( (单位为单位为N/m)N/m)为：为： 五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验3)3)条间计算应力条间计算应力b b（单位为（单位为PaPa）的计算）的计算边条导体所受的最大弯
22、矩边条导体所受的最大弯矩M Mb b（单位为（单位为NmNm）为：）为： sQ2222p(kA)85. 112) 6 . 218 . 23103 . 25(122 . 0 根据表根据表6-36-3中的图可以看出，不论导体是平放还是竖放，每中的图可以看出，不论导体是平放还是竖放，每相多条导体所受条间电动力的方向与每相单条竖放时所受相间相多条导体所受条间电动力的方向与每相单条竖放时所受相间电动力方向相同，故边条导体的截面系数为电动力方向相同，故边条导体的截面系数为W W= =b b2 2h h/6/6，因而条间，因而条间计算应力计算应力b b（单位为（单位为PaPa）为）为 72sh137shsh
23、12b1041)4 . 0 (21021)2 . 0 )(4 . 0 (2biKbiiKf五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验 按按maxmax= =ph ph + + b balal校验动稳定，如果不校验动稳定，如果不满足动稳定要求时，可以适当减小衬垫跨距满足动稳定要求时，可以适当减小衬垫跨距L Lb b，重，重新计算应力新计算应力b b 。 4)4)动稳定校验动稳定校验五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验5)5)用最大允许衬垫跨距用最大允许衬垫跨距L Lbmaxbmax校验动稳定校验动稳定令令maxmax= =phph+ +b b中中maxmax= =alal ，得条间允许
24、应力，得条间允许应力b balal= =alal- -phph，代入式（，代入式（6-246-24）得最大允许衬垫跨距）得最大允许衬垫跨距L Lbmaxbmax（单位为（单位为m m）为：）为： A65.1818A5 .1033150005. 1305. 1NNmaxUSI 为防止因为防止因L Lb b太大，同相各条导体在条间电动力作用下弯曲太大，同相各条导体在条间电动力作用下弯曲接触，还应计算衬垫临界跨距接触，还应计算衬垫临界跨距L Lcrcr（单位为（单位为m m），即：），即： 122bbbLfM的取值，铝：双条为的取值，铝：双条为10031003，三条为，三条为11971197。 只要
25、只要L Lb b= =L L/(/(n n+1)min+1)minL Lbmaxbmax，L Lcrcr ，就能满足动稳定又避免，就能满足动稳定又避免同相各条导体在条间电动力作用下弯曲接触，其中同相各条导体在条间电动力作用下弯曲接触，其中n n即为满足动即为满足动稳定的衬垫个数。稳定的衬垫个数。 五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验【例【例6-16-1】 某降压变电所，两台某降压变电所，两台31500kVA31500kVA自然油循环冷却主变自然油循环冷却主变压器并列运行，电压为压器并列运行，电压为110/10.5kV110/10.5kV。已知：最大负荷利用小时。已知：最大负荷利用小时为
26、为4100h4100h，环境温度为，环境温度为3232，主保护动作时间为，主保护动作时间为0.1s0.1s，后备保护，后备保护动作时间为动作时间为2.5s2.5s，断路器全开断时间为，断路器全开断时间为0.1s0.1s，引出线导体三相，引出线导体三相水平布置，导体平放，相间距离水平布置，导体平放，相间距离a a=0.7m=0.7m，支持绝缘子跨距，支持绝缘子跨距L L=1.2m=1.2m，短路电流，短路电流I I”=25.3kA”=25.3kA，I I0.10.1=23.8kA=23.8kA，I I0.20.2=21.6kA=21.6kA。试。试选择变压器低压侧引出线导体。选择变压器低压侧引出
27、线导体。 解解 （1 1）按经济电流密度选择导体截面）按经济电流密度选择导体截面 2maxmm7.20209.065.1818JIS 采用矩形铝导体，根据最大负荷利用小时采用矩形铝导体，根据最大负荷利用小时4100h4100h，由图，由图6-36-3可以查得可以查得J J=0.9=0.9，经济截面为：，经济截面为： A65.1818A96.2403A261392. 025703270alalIKI五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验 查矩形铝导体长期允许载流量表，每相选用查矩形铝导体长期允许载流量表，每相选用2 2条条100 100 mmmm
28、10mm10mm双条矩形铝导体，平放时允许电流双条矩形铝导体，平放时允许电流I Ialal=2613A=2613A，集肤系数集肤系数K Ks s=1.42=1.42。环境温度为。环境温度为3232时的允许电流为时的允许电流为 5 .93)9395(505575.535593)(2112w22CCCC满足长期发热条件要求。满足长期发热条件要求。 A65.1818A96.2403A261392. 025703270alalIKI（2 2）热稳定校验）热稳定校验 bbalbbalmaxb212fhbfWLsQQQ2nppk(kA)85.144)3285.112(短路电流热效应短路电流热效应 26sk
29、minmm388.1531042.185.1445 .9311KQCS五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验短路前导体的工作温度为：短路前导体的工作温度为： Hz155Hz96.5137 . 210667. 11072 . 156. 361022f1mEILNf查表查表6-96-9，用插值法得，用插值法得 sTIQ222np(kA)323 .2505. 0kg/m7 . 2270001. 01 . 0wbhm所选截面所选截面S=2000mmS=2000mm2 2SSminmin=153.388mm=153.388mm2 2，能满足热稳定要求。，能满足热稳定要求。 五、硬导体的动稳定校验五
30、、硬导体的动稳定校验（3）共振校验）共振校验 N/m17.1028)64500(7 .011073.111073.1272sh7phiafC75.5396.240365.1818)3270(32)(222al2maxalwII3622m103 .333 /1 . 001. 03 /bhW取取=1=1，即不考虑共振影响。，即不考虑共振影响。 五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验（4）动稳定校验）动稳定校验 N/m27.447201. 010)64500(43. 05 . 21015 . 28282sh12bbiKf相间电动力相间电动力 46433m10667. 16/m1 . 001.
31、06/bhI091.0101001020bhba相间应力相间应力 kA5 .64kA3 .2555. 2shi五、硬导体的动稳定校验五、硬导体的动稳定校验NoImagePa104461. 4103 .33102 . 117.1028106622phphWLfm69. 027. 4472/ 1 . 001. 01003/44br c f h bLm54. 027.447210)4461. 470(1 . 0201. 026bbalmaxbfhbL43.012Kcrmaxbbm4.0m122.11LLnLL根据根据，可以查得形状系数可以查得形状系数，条间电动力为：，条间电动力为： 最大允许衬垫跨距：最大允许衬垫跨距： 衬垫临界跨距：衬垫临界跨距： 每跨选取每跨选取2 2个衬垫时：个衬垫时：可以满足动稳定要求。可以满足动稳定要求。
