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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2021/9/151学习目的了解电气主接线设计的基本过程和步骤理解电流的热效应和电动力效应掌握电气设备选择的方法掌握短路计算点的选择掌握断路器、隔离开关、熔断器、电抗器等电气设备选择的方法2021/9/1528-1 8-1 概述概述 为表征一次系统，把把所所有有一一次次设设备备按按电电能能流流程连接而成的总电路称为程连接而成的总电路称为电气主接线电气主接线或一次接线。或一次接线。电气主接线表明电气一次设备的连接关系。电气主接线表明电气一次设备的连接关系。它是发电厂、变电站电气部分设计、运行、检修、操作和事故处理平台；其设计对电气
2、设备选择、配电装置布置、继电保护及自动控制方式的拟定，以及防雷接地等产生决定性影响。2021/9/1538-1 8-1 概述概述 1、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。2、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。发电厂、变电所的电气主接线设计应根据其在电力系统中的地位与作用、建设规模、电压等级、线路回数、负荷等具体情况来确定。2021/9/1548-1 8-1 概述概述 3、步骤：、步骤：1.对原始资料进行综合分析；2.
3、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。2021/9/1558-2 8-2 主变压器和主接线的选择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
4、统510年的发展规划。1单元接线主变压器容量A.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；B.扩大单元接线应尽可能采用分裂绕组变压器。2021/9/1568-2 8-2 主变压器和主接线的选择主变压器和主接线的选择2连接电压母线与升高电压之间的主变压器a.发发电电机机全全部部投投入入运运行行时时，扣扣除除厂厂用用电电后后，主主变变压压器器应应能能将剩余的有功率送入系统。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，应能满满足足由由系系统统经经主主变变压压器器倒倒供供给给发发电电机机电电压压母母线线上上最最大大负负荷的需要。荷的需要。c.若发电机电压母线
5、上接有若发电机电压母线上接有2台或以上主变压器，当其中容台或以上主变压器，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常过负荷范围内应能输送剩余功率70%以上。以上。d.对水电比重较大的系统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。2021/9/1578-2 主变压器和主接线的选择主变压器和主接线的选择3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，
6、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.确定绕组额定电压和调压的方式2021/9/1588-2 主变压器和主接线的选择主变压器和主接线的选择二、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：一般选用三相变压器。相数：一般选用三相变压器。2.绕组数：绕组数：A.容容量量在在125MW以以下下的的发发电电厂厂，内内有有三三个个电电压压等等级级时时，考考虑虑采采用用三
7、三相相三三绕绕组组变变压压器器（每侧绕组的通过容量应达到额定容量的15%及以上，否则选二台双绕组更合理）。B.容容量量200MW及及以以上上的的发发电电厂厂，采采用用双双绕绕组组变变压压器器加加联联络络变变压压器器的的方方案案更更为为合合理理(因额定电流和短路电流均大，发电机出口断路器制造困难，且大型三绕组变压器的中压侧（110kV及以上时）不希望留分接头）。C.在在选选用用三三绕绕组组普普通通变变压压器器的的场场合合，且且两两侧侧绕绕组组为为中中性性点点直直接接接接地地系系统统，考考虑虑选选用用自自耦耦变变压压器器（但要防止自耦变的公共绕组或串联绕组的过负荷）。2021/9/1598-2 主
8、变压器和主接线的选择主变压器和主接线的选择3.绕组接线组别的确定绕组接线组别的确定变压器三相绕组的接接线线组组别别必必须须和和系系统统电压相位一致。电压相位一致。4.短路阻抗的选择短路阻抗的选择从系统稳定和提高供电质量看阻阻抗抗小小些些为为好好（但阻抗太小会使短路电流过大，设备选择变得困难）。三绕组变压器的结构形式分为：升压型与降压型（中间绕组阻抗最小）5.变压器冷却方式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。2021/9/15108-2 主变压器和主接线的选择主变压器和主接线的选择 三、主接线设计简述三、主接线设计简述22
9、0kV，进出线回路多，输送功率大有母线；回路少且不再扩建时不用母线。1）110220kV，断路器检修时间长，应设置旁路母线2）厂站附近有用户，常设610.5kV电压母线3）35kV，重要用户采用双回路4）单母线分段，可设置不带专用断路器的旁路母线接线330500kV，进出线6回路以上，采用一台半断路器接线、双母线三分段或四分段；少出线可采用35角形接线四、技术经济比较四、技术经济比较技术比较内容：比较可靠性、灵活性、先进性及对继电保护和配电装置的设计影响；经济比较内容：综合投资、年运行费。2021/9/1511 电气主接线设计应满足电气主接线设计应满足安全、可靠、灵活、经济安全、可靠、灵活、经
10、济等方等方面的要求面的要求。1.1.安全性安全性 包括设备安全和人身安全。2.2.可靠性可靠性 供电可靠是对电气主接线最基本的要求。可靠性可以用主接线无故障工作时间占全部时间的比例来表示。（1）研究主接线的可靠性应注意的问题 主接线的可靠性在很大程度上取决于设备的可靠程度，采用可靠性高的电气设备可以简化接线。2021/9/1512（2）对电气主接线可靠性的具体要求可靠性的具体要求 在定性分析主接线的可靠性时，主要考虑以下几个方面：断路器检修时，不宜影响对系统的供电。母线故障，以及母线或母线隔离开关检修时，尽量减少停运出线的回路数和停运时间，并保证对I、类负荷的供电。2021/9/15133.3
11、.灵活性灵活性 电气主接线应满足在调度、检修及扩建时操作方便，运行灵活的要求。4.4.经济性经济性 电气主接线的经济性主要表现在以下方面：（1）节省投资。（2）年运行费小。（3）占地面积小。（4）在可能的情况下，应采取一次设计，分期投资、投产，尽快发挥经济效益。2021/9/15148-3 载流导体的发热和电动力载流导体的发热和电动力一、电气设备的发热二、电气设备的电动力2021/9/1515一、一、电气设备的发热电气设备的发热电气设备在运行中，电流通过导体时产生电能损耗，然后转变为热能，一部分散失到周围介质中，一部分加热导体和电器使其温度升高。温度超过一定范围后，将会加速导体和电器的绝缘材料
12、的老化，降低绝缘强度，缩短使用寿命，将会恶化导电接触部分的连接状态，以致破坏电器的正常工作。2021/9/1516一、一、电气设备的发热电气设备的发热长期发热长期发热：由正常工作电流引起的发热：由正常工作电流引起的发热。短短路路时时发发热热：由由短短路路电电流流引引起起的的发发热热，是是影影响响电电气气设设备正常使用寿命和工作状态的主要因素。备正常使用寿命和工作状态的主要因素。如如果果导导体体在在短短路路时时的的最最高高温温度度不不超超过过设设计计规规程程规规定定的的允允许许温温度度(见见P220表表8-1），则则认认为为导导体体是是满满足足热热稳稳定定要求要求的。的。短短路路时时发发热热计计
13、算算的的目目的的：是是确确定定导导体体在在短短路路切切除除以以前前可可能能出出现现的的最最高高温温度度，是是否否小小于于短短路路发发热热允允许许的的最最高高温度，以温度，以验证其热稳定性验证其热稳定性。长期发热计算，见课本P220。2021/9/15171 1短路时导体发热计算的特点短路时导体发热计算的特点（1）短路时间很短，温度上升速度很快，可认为短路电短路电流产生的热量不向周围介质散发，全部用来使导体的流产生的热量不向周围介质散发，全部用来使导体的温度升高。温度升高。（2）短路电路大，导体的温度上升快，短路时导体的电短路时导体的电阻和比热是随温度而变化的。阻和比热是随温度而变化的。（3）短
14、路电流的变化规律复杂，通常用等效发热的方法短路电流的变化规律复杂，通常用等效发热的方法进行分析计算进行分析计算（直接计算短路电流在导体中产生的热量很困难）。2021/9/15182 2短路时导体的发热计算短路时导体的发热计算 图8-1表示短路前后导体的温度变化情况。导体在短路前正常负荷时的温度为L，设在t1 时刻发生短路，导体温度按指数规律迅速升高，在t2时刻保护装置动作将故障切除，这时导体的温度为k。短路切除后，导体内无电流，不再产生热量，只向周围介质散热，最后冷却到周围介质温度o。图8-1 短路前后导体的 温度变化情况2021/9/1519p要确定短路后导体的最高温度k，就必须先求出实际的
15、短路电流ik或Ikt在短路时间内产生的热量，即（8-1）式中：Ikt为短路全电流的有效值（A）；R为导体的电阻（）；tk为短路电流的作用时间（s）。2021/9/1520p短路电流的变化规律比较复杂，按式（8-1）计算Qk相当困难。因此，一般用稳态短路电流I来代替实际短路电流Ikt，并设定一个假想时间tima，认为短路电流Ikt在短路时间tk内产生的热量Qk，恰好等于稳态短路电流在假想时间tima内产生的热量-等值时间法等值时间法，即（8-2）式中：tima为假想时间（s）。图8-2 短路发热的假想时间2021/9/1521p（1 1）假想时间的计算）假想时间的计算 假想时间与短路电流的变化特
16、性有关。短路电流分为周期分量Ipt和非周期分量inpt，短路电流的有效值可表示为（8-3）代入式(8-2)，则有（8-4）u设假想时间也分为相应的周期分量假想时间tima.p和非周期分量假想时间tima.np，即（8-5）则有（8-6）2021/9/1522u周期分量假想时间可表示为（8-7）u令短路次暂态电流I与I的比为，即=I/I，可根据短路电流周期分量的变化曲线作出与tima.p的关系曲线，则周期分量假想时间可按短路电流的实际作用时间t=tk查曲线求出。ut tk k等于距离短路点最近的保护装置的实际动作时间等于距离短路点最近的保护装置的实际动作时间t tprpr和断路器的跳闸时间和断路
17、器的跳闸时间t tabab之和：之和：t tk k =t tprpr +t tabab 对于快速和中速断路器，可取tab=0.10.15s；低速断路器，可取tab=0.2s.u当短路点距离电源较远时（无限容量系统），可认为I=Ip=I，因此周期分量假想时间就等于短路的延续时周期分量假想时间就等于短路的延续时间，即间，即t tima.pima.p=t=tk k。2021/9/1523u短路电流非周期分量短路电流非周期分量假想时间tima.np只有在短路时间较短 （tk Umax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，热稳定系数
18、C值（量纲：安秒1/2/米2）分别为 C铝=87 和 C铜=171。4.热稳定校验：8-4 8-4 电气设备的选择电气设备的选择2021/9/1547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.m5.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校验：al Pa 硬铝al=70106(Pa)硬铜al=140106(Pa)8-4 8-4 电气设备的选择电气设备的选择母线条受到的最大相间计算应力（w为抗弯截面系数）式中L为相邻绝缘子间的跨距（m）2021/9/1548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
19、许跨距（不应超过1.52m）8-4 8-4 电气设备的选择电气设备的选择2021/9/1549（二）（二）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：电缆芯线：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。敷设方式：电缆桥架，电缆沟，电缆隧道和穿管等。4.热稳定校验：对6kV油浸纸绝缘铝芯电缆，热稳定系数C=93；10kV时C取95。8-4 8-4 电气设备的选择电气设备的选择3.按允许电压降校验：2.截面选择：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。按长期发热允许电流选择电缆截面时，
20、修正系数K与敷设方式，环境温度等有关。2021/9/1550六、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35kV以下屋内配电装置，可采用瓷绝缘或树脂绕注式；35kV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一次额定电压和电流二次额定电流：5A或1A3.电流互感器的准确级不应低于所供测量仪表的最高准确级；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；500kV采用0.2级。8-4 8-4 电气设备的选择电气设备的选择2021/9/1551保证互感器的准确级S2I2N2Z2LSN2 或 Z2LZN2Z2L=r2+rw+rc接触
21、电阻rc取0.050.1；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；连接用导线的电阻rw为：8-4 8-4 电气设备的选择电气设备的选择2021/9/1552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=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。8-4 8-4 电气设备的选择电气设备的选择2021/9/1553第八章第八章 电气主接线的设计电气主接线的设计8-4 8-4 电气设备的选择电气设备的选择4.热稳定和动稳定校验只对本身带有一次回路导体的电流互感器
22、进行热稳定校验。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。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)2Qk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2021/9/1554第八章第八章 电气主接线的设计电气主接线的设计8-4 8-4 电气设备的选择电气设备的选择七、电压互感器的选择七、电压互感器的选择1按额定电压选择按额定电压选择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
23、电压的波动范围满足下列条件0.8UN1US2309 A 2021/9/1559第八章第八章 电气主接线的设计电气主接线的设计8-5 8-5 设备选择举例设备选择举例2校验热稳定由式（8-33），计算短路持续时间：tk=tp1+tin+ta=0.06+0.15+0.05=0.26S 近似取I代入式（8-12）得 =I2tk=59.720.26=926.7kA2S代入式（8-13）得 Qnp=T I2=0.259.72=712.8kA2S Qk=Qp+Qnp=1639.5kA2S由式（8-51）得2021/9/1560第八章第八章 电气主接线的设计电气主接线的设计8-5 8-5 设备选择举例设备选
24、择举例3校验动稳定 计算导体固有振动频率，根据式（8-25）和表8-4可知故=1，求母线的相间应力，根据式（8-53）因每相由多条导体组成，校验应取公式 其中最大计算应力等于相间作用应力和同相不同条间作用应力t之和，应小于最大允许应力。2021/9/1561第八章第八章 电气主接线的设计电气主接线的设计8-5 8-5 设备选择举例设备选择举例例例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。解解 1发电机最大持续工作电流断路器QF1的短路计算点应为图8-13中的k2点，由k1点短路电
25、流扣除发电机A所提供的部分，得到流过QF1的短路电流 I0S=45.2kA，I2S=32.57kA，I4S=32.56kA冲击电流查 附 表 IV-3发 电 机 断 路 器 须 采 用 SN4-10G/5000型，tin=0.15s。2计算热稳定因tk1S，可以不计非周期分量的热效应。计算结果见表8-8。2021/9/1562第八章第八章 电气主接线的设计电气主接线的设计8-5 8-5 设备选择举例设备选择举例例例 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
26、.8S，断路器全分闸时间tab=0.2S。解解 1计算电抗器内侧的等值电抗，计算用图如右2计算电抗百分数，见式（8-45）热稳定计算时间 tk=tp2+tab=1.8+0.2=2S选用水泥柱式，铝电缆的电抗器NKL-10-400-3，计算表明，动稳定不满足要求。2021/9/1563第八章第八章 电气主接线的设计电气主接线的设计8-5 8-5 设备选择举例设备选择举例改选NKL-10-400-4，该电抗器UN=10kV，IN=400A，XL=4%，动稳定电流ies=25.5kA，1秒热稳定电流It=22.2kA，计算得k3点的短路电流的有名值，I0S=9.08kA，I1S=8.93kA，I2S
27、=9.54kA。3正常运行时电压损失的校验，见式（8-46）4母线残压校验，见式（8-47）5校验电抗器的动、热稳定因tk1S，不计非周期Qnp的值所选电抗器满足动热稳定。2021/9/1564第八章第八章 电气主接线的设计电气主接线的设计8-5 8-5 设备选择举例设备选择举例例例 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。解解 互感器二次接线如右图所示，仪表的负荷见表8-9。根据馈线电压，最大工作电流及安装地点，选用LFZJ1-10型电流互感器，其系环氧树脂绕注式绝缘，有二个二次线圈，其变比400/5A。由于仪表中有计费用电度
28、表，选用0.5级，二次额定负荷为0.8，1S热稳定倍数kt=75，动稳定倍数kes=130。1计算连接用导线的截面 二次负荷最大A相：S2=1.45 VA r2S2/IN221.45/520.058 互感器为不完全星形接线，计算长度可选用标准截面为2.5mm的铜芯控制电缆。2021/9/1565第八章第八章 电气主接线的设计电气主接线的设计8-5 8-5 设备选择举例设备选择举例2.热稳定和动稳定校验例 8-4已 计 算 得 到 电 抗 器 后 短 路 冲 击 电 流 ish=23.15kA，热 效 应 QK=161.8（kA2S）热稳定校验(KtIN1)2(750.4)2 900 QK 内部
29、动稳定校验21/2IN1 Kes 21/20.413073.5kA ish 由于LFZJ1型为绕注式绝缘，故不校验外部动稳定。例例 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。2021/9/1566第八章第八章 电气主接线的设计电气主接线的设计8-5 8-5 设备选择举例设备选择举例解解 发电机中性点不直接接地，UNS=10.5kV，可采用JDZJ-10型（单相三圈环氧树脂绕注绝缘），其变比为 组成星形接线，也可采用JSJW-10型（油浸三相五柱式），其变比 ，由于回路中有计费用电度表，故选用0.5级准确级，每相
30、绕组额定容量40VA。1不计星形连接的三只电压表，互感器二次负载统计结果见表8-10所示。2021/9/1567第八章第八章 电气主接线的设计电气主接线的设计8-5 8-5 设备选择举例设备选择举例计算相间二次负载按上表计算最大一相负载，还应计入星形连接的三只电压表，写出b相算式 由于电压互感器总是与电网并联，当网内短路时，互感器本身并不遭受短路电流的冲击，且互感器回路有熔断器，因此不必校验其动，热稳定。2电压互感器回路的熔断器选择 当电压互感器及其联接线故障时，其短路电流即为k1处的短路电流值，见表8-7，因此在互感器回路内宜安装专用RN2系列熔断器，但RN2-10型产品的最大开断电流允许值50kA，因此订货时需同时订购XJ-10型限流电阻器，与熔断器串联安装。2021/9/1568