1、第八章第八章 电气主接线的设计电气主接线的设计与设备选择与设备选择 v第一节 概述v第二节 主变压器和主接线的选择v第三节 载流导体的发热和电动力v第四节 电气设备的选择v第五节 设备选择举例第一节第一节 概述概述u 原则：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。u 要求：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。 u 步骤：步骤：1.对原始资料进行综合分析；2.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；3.厂、所和附近用户供
2、电方案设计；4.限制短路电流的措施和短路电流的计算；5.电气设备的选择；6.屋内外配电装置的设计；7.绘制电气主接线图及其它图(如配电装置视图)；8.推荐最佳方案，写出设计技术说明书，编制一次设备概算表。 第二节第二节 主变压器和主接线的选择主变压器和主接线的选择u主变压器：向电力系统或用户输送功率的变压器。u联络变压器：用于两种电压等级之间交换功率的变压器。u自用电变压器：只供厂、所用电的变压器。v一、变压器容量、台数、电压的确定原则v二、主变压器型式的选择原则v三、主接线设计简述v四、技术经济比较一、变压器容量、台数、电压的一、变压器容量、台数、电压的确定原则确定原则u依据输送容量等原始数
3、据。u考虑电力系统510年的发展规划。1单元接线主变压器容量单元接线主变压器容量u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；u扩大单元接线应尽可能采用分裂绕组变压器。2连接在发电机电压母线与升高电压之间的主连接在发电机电压母线与升高电压之间的主变压器变压器a.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。b. 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。c.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
4、常过负荷范围内应能输送剩余功率70%以上。d. 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变电所主变压器容量a.按变电所建成后510年的规划负荷选择，并适当考虑远期1020年的负荷发展。b. 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；c.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发电厂和变电所主变台数a.大中型发电厂和枢纽变电所，主变不应少于2台；b. 对小型的发电厂和终端变电所可只设一台。5
5、. 确定绕组额定电压和调压的方式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二、主变压器型式的选择原则1. 相数相数：一般选用三相变压器。2. 绕组数绕组数：u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。u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。u凡选用
6、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绕组接线组别的确定u变压器三相绕组的接线组别必须和系统电压相位一致。5. 变压器冷却方式变压器冷却方式u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、主接线设计简述三、主接线设计简述四、技术经济比较四、技术经济比较4. 短路阻抗的选择短路阻抗的选择u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 降压型第三节第三节 载流导
7、体的发热和电动力载流导体的发热和电动力v一、概述v二、均匀导体的长期发热v三、导体的短时发热v四、短路时载流导体的电动力表表 8 8- -1 1 导体长期工作发热和短路时发热的允许温度（部分）导体长期工作发热和短路时发热的允许温度（部分） 长期工作发热长期工作发热 短路时发热短路时发热 导体种类和材料导体种类和材料 允许温度允许温度 允许温升允许温升 允许温度允许温度 允许温升允许温升 铜（裸）母线铜（裸）母线 70 C 45 C 300 C 230 C 铝（裸）母线铝（裸）母线 70 C 45 C 200 C 130 C 一、概述一、概述u长期发热：u短时发热：RaFRaFIalst)(0二
8、、均匀导体的长期发热二、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导体的最大允许载流量：三、导体的短时发热三、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：ktktkdtIQ 0 2i21 AAQSkk并有：2热效应k的计算u采用等值时间法： 过时u辛卜生法 ： 复杂u1-10-1法（简化辛卜生法） 短路全电流：nppkTtnpoptktQQQeitIIa c
9、os2 可以推出：)10 (12 .222/2kkttkpIIItQa周期分量的热效应222 )1 (2 .TIieTaQbnpoTatnpk非周期分量的热效应表 8-2 非周期分量等值时间 T T（S） 短路点 tk0.1S tk0.1S 发电机出口及母线 0.15S 0.2 发电机升高电压母线及出线 发电机电压电抗器后 0.08 0.1 变电所各级电压母线及出线 0.05 如果短路电流持续时间 tk1s，导体的短时发热主要由周 期分量决定，在此情况下可不计非周期分量的影响。 ()fA图8-1 曲线 ( )f A 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
10、。 工程中考虑截面积因素后的修正公式N102217LaiiFN 102217iiaLkFf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)(1027CBABBCBABiiiiaLFFF)21(1027CABAACABAiiiiaLFFF)32sin()32sin( )32sin()32sin( sin)sin( ATatAmCATatAmBATatAmAetIietIietIi将下列公式代入：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
11、电动力(2)7(2) 27(3) 27(3) 2max3 2 102 101.5 102shshshLLLFiiiaaa 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：N 1073. 127maxshiaLFNiaLiaLFshshB2727max1073. 110729. 1 ：化简并求出最大电动力NiaLFshA27max10616. 1同一地点两相短路的最大电动力：u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f0200112Lrf 3导体的振动应力u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。u动态应力系
12、数与母线固有频率的关系如右图。图8-6 动态应力系数u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35155Hzu如固有频率在上述范围以外，取=1；u在上述范围内时，最大电动力应乘上动态应力系数，即N 1073. 127maxshiaLF第四节第四节 电气设备的选择电气设备的选择v一、电器设备选择的一般条件v二、高压断路器和隔离开关的选择v三、高压熔断器的选择v四、限流电抗器的选择v五、母线和电缆的选择v六、电流互感器选择v七、电压互感器的选择NalialalII02按短路情况检验热稳定和动稳
13、定u热稳定校验：It2t Qku动稳定校验：ies ish一、电器设备选择的一般条件一、电器设备选择的一般条件1按正常工作条件选择电器u额定电压：UN UNSu额定电流：IN Imaxu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 。u短路电流的计算条件：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。表 8-3 各种电气设备的选择项目设
14、备名称额定电压额定电流额定开断电流动稳定热稳定断路器隔离开关电抗器电流互感器电压互感器母线及导体电缆熔断器支柱绝缘子套管绝缘子成套配电装置电力电容器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：u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 IKtu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 ishu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
15、.04S。用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、高压熔断器的选择三、高压熔断器的选择u 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u 额定电压选择普通熔断器：UN UNS 快速熔断器：UN = UNSu 额定电流选择u INf1 (熔管) INf2 (熔体) Imaxu保护变压器或电动机：INf2 = K ImaxK 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)u保护电容器回路：INf2 = KINCK 取1.52.0(单
16、台)或取1.31.8(一组)u 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： Iu 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。u 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、限流电抗器的选择四、限流电抗器的选择u 限流电抗器的作用u限制短路电流：可采用轻型断路器，节省投资；u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。u 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u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
17、总电抗标么值: X* IdI图8-8 计算电抗百分数示意图u以电抗器额定电压和额定电流为基准的电抗百分数XL%100)(%*ddNNLIUUIXXXu轻型断路器额定开断电流INbr，令I=INbr，则 X* IdInbru若已知电源到电抗器之间的电抗标么值X*，则ddNNLLUIIUXXXX100(%)*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%。%5sin(%)%maxLNXIIU3. 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%7060 (%)%NLreIIXU(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
18、及以下，电流在4000A及以下的配电装置中；五、母线和电缆的选择五、母线和电缆的选择v 裸导体裸导体：1. 硬母线的材料，截面形状，布置方式u 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严重腐蚀的场所。常用的硬母线是铝母线。u 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。u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
19、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。2.导体截面选择u按长期发热允许电流选择：Kial Imaxu按经济电流密度选择： 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u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
20、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kSalksQKCAAQKS1)/(imin当导体短路前的温度取正常运行时的最高允许温度70C，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 Umax4. 热稳定校验：u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.mu
21、母线条受到的最大相间计算应力N/m 10173. 172aifshPa 10/2wLfwMu校验： al Pa硬铝a l=70106(Pa) 硬铜al=140106(Pa)5. 硬母线的动稳定校验u单位长度导体上所受到的相间电动力表 8-4 导体截面系数和惯性半径导体布置方式截面系数 W惯性半径r0bh2/60.289hb2h/60.289b0.333bh20.089h1.44b2h1.04bhbhbbbbbbbhu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）fwLal/10maxv 电力电缆的选择电力电缆的选择1. 电缆芯线材料及敷设方式选择：u电
22、缆芯线：铜芯和铝芯。铜芯电缆载流量约为铝芯同截面电缆载流量的1.3倍。国内工程一般选用铝芯电缆。u敷设方式：电缆桥架，电缆沟，电缆隧道和穿管等。2. 截面选择：u当电缆的最大负荷利用小时数Tmax5000小时，长度超过20m以上，均应按经济电流密度选择。u按长期发热允许电流选择电缆截面时，修正系数K与敷设方式，环境温度等有关。3. 按允许电压降校验：%5/ )sincos(3%00maxNSUxRLIU4. 热稳定校验：kQCS1min对6kV油浸纸绝缘铝芯电缆，热稳定系数C=93；10kV时C取95。六、电流互感器选择六、电流互感器选择1. 电流互感器的形式选择u35kV以下屋内配电装置，可
23、采用瓷绝缘或树脂绕注式；u35kV及以上配电装置可采用油浸瓷箱式，有条件时可采用套管式。2. 额定电压和额定电流动选择u一次额定电压和电流u二次额定电流：5A或1A3. 电流互感器的准确级u不应低于所供测量仪表的最高准确级；u用于重要回路和计费电度表的电流互感器一般采用0.2或0.5级；u500kV采用0.2级。)()( )( )( 2222222222222222222cNCcNNCNNcNNwcwNNrrZLrrISLISSIrrISrrrrISS为导线截面如何保证互感器的准确级：uS2I2N2Z2LSN2 或 Z2LZN2uZ2L= r2 + rw + rcu接触电阻rc取0.050.1
24、；u电流线圈电阻r2由所连接的仪表和继电器的电流线圈消耗的功率计算；u连接用导线的电阻rw为：shesNshesiKIii12或u瓷绝缘的电流互感器还应校验瓷绝缘帽上受力的外部动稳定，方法可参见支柱绝缘子的校验。4. 热稳定和动稳定校验u只对本身带有一次回路导体的电流互感器进行热稳定校验。u常以1S允许通过的热稳定电流It或一次额定电流IN1的倍数Kt来表示，即It21 Qk 或 (KtTN1)2Qku互感器内部动稳定，常以允许通过的动稳定电流ies或一次额定电流幅值的动稳定倍数Kes表示：导线计算长度LC与电流互感器的接线系数有关，若测量仪表与互感器安装处相距L，则当电流互感器星形接线时LC
25、=L，不完全星形LC=31/2L ，单相接线时LC=2L。为满足机械强度要求铜线S不得小于1.5mm2。表 8-5 电压互感器二次绕组额定电压选择表绕 组主二次绕组每个附加二次绕组高压侧允许接入方式接于电网线电压上接于电网相电压上用于中性点直接接地系统中用于小电流接地系统二次绕组额定电压(V)100100/3100100/3七、电压互感器的选择七、电压互感器的选择1按额定电压选择u一次绕组有接于相间和接于相对地两种方式，绕组的额定电压UN1应与接入电网的方式和电压相符，为确保互感器的准确级，要求电网电压的波动范围满足下列条件0.8UN1US1.2UN1u二次绕组电压可按表8-5选择，附加二次绕
26、组通常接成开口三角形供测量零序电压2220202)()()sin()cos(QPSSS表 8-6 电压互感器二次绕组负荷计算公式接线方式和相量图A3/)30sin(3/)30cos(ababAababASQSPAB)30sin(3)30cos(3SQSPABABB3/)30sin()30sin(3/)30cos()30cos(bcbcababBbcbcababBSSQSSPBC)30sin(3)30cos(3SQSPBCBCC3)30sin(3/)30cos(bcbcCbcbcCSQSPSabSbcbcaBCAUCAUABUBCUBUBAABUBCUCcsssba2容量和准确级选择 额定容量S
27、N2应满足SN2 S2第五节第五节 设备选择举例设备选择举例表 8-7 k1点三相短路电流计算汇总时间（s）发电机 A (kA)发电机 B(kA)发电机 C(kA)220kV 系统(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 发电厂接线和等值阻抗，如图8-13，发电机A、B型号TQ-25-2，PN=25MW， Xd=0.13；发电机C型号QFQ-50-2，PN=50MW，Xd=0.124；所有发电机的
28、功率因素cos=0.8，UN=10.5kV。两台主变压器参数相同，220kV系统容量无穷大，其余参数见图，求k1处三相短路电流。图8-13 发电厂计算用图u例8-2 选择图8-13中汇流母线W1，三相母线布置如图8-14，相间距离a=0.75m，绝缘子跨距L=1.2m，断路器固有分闸时间tin=0.15S，电弧燃烧持续时间ta=0.05S，母线主保护动作时间tp1=0.06s，环境温度40C，k1点短路电流见表8-7。图 8-14 例8-2母线布置图(a)垂直布置、导体竖放 (b)导体截面尺寸表 8-8 例 8-3 断路器选择计算结果计算结果SN4-10G/5000参数UNS=10UN=10k
29、VImax=1804AIN=5000AI=45.2kAINbr=105kAish=121.6kAiNci=300kAQk=4570kA2SI2tt=12025u例8-3 选择图8-13中，发电机A出口断路器QF1，已知发电机A主保护动作时间tp1=0.04s，后备保护时间tp2=3.8s, k1点短路计算结果见表8-7。u例 8-4 选择图8-13中10kV馈线L1的限流电抗器，已知WL1采用SN10-10I型轻型断路器，INbr=16kA，线路最大工作电流Imax=380A，线路继电保护时间tp2=1.8S，断路器全分闸时间tab=0.2S。图 8-15 例8-4计算用图表 8-9 电流互感器负荷互感器付边负荷（VA）仪表电流线圈名称AC电流表（46L1-A）0.35功率表（46D1-W）0.60.6电度表（DS1）0.50.5总计1.451.1u例 8-5 选择图8-13中，馈线L1的电流互感器，互感器安装处与测量仪表之间相距50米，Imax=380A。图 8-16 电流互感器选择u例 8-6 选择图8-13中发电机A回路测量用电压互感器TV，仪表接线如右图，该互感器除用作测量外，还需监视发电机对地的绝缘情况。图8-17 电流互感器和测量仪表
