电气一次部分设计指导书.docx

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电气一次部分设计指导书

电气一次部分设计指导书

李文才编

河北工程技术高等专科学校电气工程系

2004年6月

一、短路电流计算

（一）短路电流计算条件

为使所选电气设备具有足够的可靠性、经济性和合理性，并在一定时期内适应电力系统发展的需要，作校验用的短路电流应按下列条件确定。

（1）容量和接线按本工程设计最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划（一般为本工程建成后5～10年）：

其接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式，但不考虑在切换过程中可能短时并列的接线方式。

（如切换厂用变压器时的并列）。

（2）短路种类一般按三相短路验算，若其他种类短路较三相短路严重时，即应按最严重的情况验算。

（3）计算短路点选择通过电器的短路电流为最大的那些点为短路计算点。

（二）短路电流计算方法

短路电流计算方法参见《电力系统故障》一书，在本设计中，电力系统可看作是无穷大系统。

（三）短路计算时间

当短路持续时间大于ls时，校验热稳定的等值计算时间tk为继电保护动作时间tpr和相应断路器的全开断时间tab之和，即

tdz=tpr+tab

而tab=tin+ta

式中tab——断路器全开断时间；

tpr——后备保护动作时间；

tin——断路器固有分闸时间，可查附表15：

ta——断路器开断时电弧持续时间，对少泊断路器为0.04～0.06s，对SF6和压缩空气断路器约为0.02～0.04s。

当短路持续时间小于ls时，校验热稳定的等值计算时间还要计及短路电流非周期分量的影响，参见教材第六章。

开断电器应能在最严重的情况下开断短路电流，考虑到主保护拒动等原因，按最不利情况，取后备保护的动作时间。

一般建议tdz不小于下列数据：

330kV，2s：

220kV，3s：

6～110kV，4s。

二、高压电气设备选择的一般条件

电气设备选择是发电厂和变电所设计的主要内容之一，在选择时应根据实际工作特点，按照按照有关设计规范的规定，在保证供配电安全可靠的前提下，力争做到技术先进，经济合理。

为了保障高压电气设备的可靠运行，高压电气设备选择与校验的一般条件有，按正常工作条件包括：

电压、电流、频率、开断电流等选择；按短路条件包括动稳定、热稳定校验；按环境工作条件如温度、湿度、海拔等选择。

由于各种高压电气设备具有不同的性能特点，选择与校验条件不尽相同，高压电气设备的选择与校验项目见表1。

表1高压电气设备的选择与校验项目

电气设

备名称

额定

电压

额定

电流

开断

能力

短路电流校验

环境

条件

其它

动稳定

热稳定

断路器

√

√

√

○

○

○

操作性能

负荷开关

√

√

√

○

○

○

操作性能

隔离开关

√

√

○

○

○

操作性能

熔断器

√

√

√

○

上、下级间配合

电流互感器

√

√

○

○

○

电压互感器

√

○

二次负荷、准确等级

支柱绝缘字

√

○

○

二次负荷、准确等级

穿墙套管

√

√

○

○

○

母线

√

○

○

○

电缆

√

√

○

○

注：

表中"√"为选择项目，"○"为校验项目。

（一）按正常工作条件选择高压电气设备

1.额定电压和最高工作电压

高压电气设备所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，常高于电网的额定电压，故所选电气设备允许最高工作电压Ualm不得低于所接电网的最高运行电压。

一般电气设备允许的最高工作电压可达1.1~1.15UN，而实际电网的最高运行电压Usm一般不超过1.1UNs因此在选择电气设备时，一般可按照电气设备的额定电压的额定电压UN不低于装置地点电网额定电压UNs的条件选择，即

UN≥UNs

2.额定电流

电气设备的额定电流IN是指在额定环境温度下，电气设备的长期允许通过电流。

IN应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Iw.max，即

IN≥Imax

计算时有以下几个应注意的问题：

（1）由于发电机、调相机和变压器在电压降低5%时，出力保持不变，故其相应回路的Iw.max为发电机、调相机或变压器的额定电流的1.5倍；

（2）若变压器有过负荷运行可能时，Imax应按过负荷确定（1.3～2倍变压器额定电流）；

（3）母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机或变压器的Imax；

（4）出线回路的Iw.max除考虑正常负荷电流（包括线路损耗）外，还应考虑事故时由其它回路转移过来的负荷。

此外，还应按电气设备的装置地点、使用条件、检修和运行等要求，对电气设备进行种类（屋内或屋外）和型式的选择。

（二）按环境工作条件校验

在选择电气设备时，还应考虑电气设备安装地点的环境（尤须注意小环境）条件，当气温、风速、温度、污秽等级、海拔高度、地震烈度和覆冰厚度等环境条件超过一般电气设备使用条件时，应采取措施。

例如:

当地区海拔超过制造部门的规定值时，由于大气压力、空气密度和湿度相应减少，使空气间隙和外绝缘的放电特性下降，一般当海拔在1000~3500m范围内，若海拔比厂家规定值每升高l00m，则电气设备允许最高工作电压要下降1%。

当最高工作电压不能满足要求时，应采用高原型电气设备，或采用外绝缘提高一级的产品。

对于110kV及以下电气设备，由于外绝缘裕度较大，可在海拔2000m以下使用。

当污秽等级超过使用规定时，可选用有利于防污的电瓷产品，当经济上合理时可采用屋内配电装置。

当周围环境温度θ0和电气设备额定环境温度不等时，其长期允许工作电流应乘以修正系数K，即

Ialθ=

（１）

我国目前生产的电气设备使用的额定环境温度θN=40℃。

如周围环境温度θ0高于40℃（但低于60℃）时，其允许电流一般可按每增高1℃，额定电流减少1.8%进行修正，当环境温度低于40℃时，环境温度每降低1℃，额定电流可增加0.5%，但其最大电流不得超过额定电流的20%。

应该指出，式（１）也适用于求导体的在实际环境温度下的长期允许工作电流，此时公式中的θN一般为25℃。

（三）按短路条件校验

1.短路热稳定校验

短路电流通过电气设备时，电气设备各部件温度（或发热效应）应不超过允许值。

满足热稳定的条件为

It2t≥I∞2tdz

式中It—由生产厂给出的电气设备在时间t秒内的热稳定电流。

I∞—短路稳态电流值。

t—与It相对应的时间。

tdz—短路电流热效应等值计算时间。

2.电动力稳定校验

电动力稳定是电气设备承受短路电流机械效应的能力，也称动稳定。

满足动稳定的条件为

ies≥ich

或Ies≥Ich

式中ich、Ich—短路冲击电流幅值及其有效值；

ies、Ies——电气设备允许通过的动稳定电流的幅值及其有效值。

下列几种情况可不校验热稳定或动稳定：

（1）用熔断器保护的电器，其热稳定由熔断时间保证，故可不校验热稳定。

（2）采用限流熔断器保护的设备，可不校验动稳定。

（3）装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备可不校验动、热稳定。

（三）高压断路器、隔离开关、重合器和分段器的选择

（一）高压断路器的选择

高压断路器选择及校验条件除额定电压、额定电流、热稳定、动稳定校验外，还应注意以下几点：

　　１．断路器种类和型式的选择

高压断路器应根据断路器安装地点、环境和使用条件等要求选择其种类和型式。

由于少油断路器制造简单、价格便宜、维护工作量较少，故在3~220kV系统中应用较广，但近年来，真空断路器在35kV及以下电力系统中得到了广泛应用，有取代油断路器的趋势。

SF6断路器也已在向中压10~35kV发展，并在城乡电网建设和改造中获得了应用。

高压断路器的操动机构，大多数是由制造厂配套供应，仅部分少油断路器有电磁式、弹簧式或液压式等几种型式的操动机构可供选择。

一般电磁式操动机构需配专用的直流合闸电源，但其结构简单可靠；弹簧式结构比较复杂，调整要求较高；液压操动机构加工精度要求较高。

操动机构的型式，可根据安装调试方便和运行可靠性进行选择。

　　２．额定开断电流选择

在额定电压下，断路器能保证正常开断的最大短路电流称为额定开断电流。

高压断路器的额定开断电流INbr，不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量Izt，即

INbr≥Izt

当断路器的INbr较系统短路电流大很多时，为了简化计算，也可用次暂态电流I"进行选择即

INbr≥I"

我国生产的高压断路器在做型式试验时，仅计入了20%的非周期分量。

一般中、慢速断路器，由于开断时间较长（>0.1s），短路电流非周期分量衰减较多，能满足国家标准规定的非周期分量不超过周期分量幅值20%的要求。

使用快速保护和高速断路器时，其开断时间小于0.1s，当在电源附近短路时，短路电流的非周期分量可能超过周期分量的20%，因此需要进行验算。

短路全电流的计算方法可参考有关手册，如计算结果非周期分量超过20%以上时，订货时应向制造部门提出要求。

装有自动重合闸装置的断路器，当操作循环符合厂家规定时，其额定开断电流不变。

3.短路关合电流的选择

在断路器合闸之前，若线路上已存在短路故障，则在断路器合闸过程中，动、静触头间在未接触时即有巨大的短路电流通过（预击穿），更容易发生触头熔焊和遭受电动力的损坏。

且断路器在关合短路电流时，不可避免地在接通后又自动跳闸，此时还要求能够切断短路电流，因此，额定关合电流是断路器的重要参数之一。

为了保证断路器在关合短路时的安全，断路器的额定关合电流iNcl不应小于短路电流最大冲击值ich，即

iNcl≥ich

（二）隔离开关的选择

隔离开关选择及校验条件除额定电压、额定电流、热稳定、动稳定校验外，还应注意其种类和形式的选择，尤其屋外式隔离开关的型式较多，对配电装置的布置和占地面积影响很大，因此其型式应根据配电装置特点和要求以及技术经济条件来确定。

表2为隔离开关选型参考表。

表2隔离开关选型参考表

使用场合

特点

参考型号

屋

内

屋内配电装置成套高压开关柜

三级，10kV以下

GN2，GN6，GN8，GN19

发电机回路，大电流回路

单极，大电流3000~13000A

GN10

三级，15kV，200~600A

GN11

三级，10kV，大电流2000~3000A

GN18，GN22，GN2

单极，插入式结构，带封闭罩20kV，

大电流10000~13000A

GN14

屋

外

220kV及以下各型配电装置

双柱式，220kV及以下

GW4

高型，硬母线布置

V型，35~110kV

GW5

硬母线布置

单柱式，220~500kV

GW6

20kV及以上中型配电装置

三柱式，220~500kV

GW7

　　（三）重合器和分段器的选择

　　１．重合器的选择

选用重合器时，要使其额定参数满足安装地点的系统条件，具体要求有：

　　（１）额定电压

重合器的额定电压应等于或大于安装地点的系统最高运行电压。

　　（２）额定电流

重合器的额定电流应大于安装地点的预期长远的最大负荷电流。

除此，还应注意重合器的额定电流是否满足触头载流、温升等因素而确定的参数。

为满足保护配合要求，还应选择好串联线圈和电流互感器的额定电流。

通常，选择重合器额定电流时留有较大的裕度。

选择串联线圈时应以实际预期负荷为准。

　　（３）确定安装地点最大故障电流。

重合器的额定短路开断电流应大于安装地点的长远规划最大故障电流。

　　（４）确定保护区域未端最小故障电流

重合器的最小分闸电流应小于保护区段最小故障电流。

对液压控制重合器，这主要涉及选择串联线圈额定电流问题:

电流裕度大时，可适应负荷的增加并可避免对涌流过于敏感;而电流裕度小时，可对小故障电流反应敏感。

有时，可将重合器保护区域的末端直接选在故障电流至少为重合器最小分闸电流的1.5倍处，以保证满足该项要求。

（5）与线路其他保护设备配合

这主要是比较重合器的电流—时间特性曲线，操作顺序和复归时间等特性，与线路上其他重合器、分段器、熔断器的保护配合，以保证在重合器后备保护动作或在其他线路元件发生损坏之前，重合器能够及时分断。

2.分段器的选择

选用分段器时，应注意以下问题:

（1）启动电流

分段器的额定启动电流应为后备保护开关最小分闸电流的80%。

当液压控制分段器与液压控制重合器配合使用时，分段器与重合器选用相同额定电流的串联线圈即可。

因为液压分段器的启动电流为其串联线圈额定电流的1.6倍，而液压重合器的最小分闸电流为其串联线圈额定电流的2倍。

电子控制分段器的启动电流可根据其额定电流直接整定，但必须满足上述"80%"原则。

电子重合器整定值为实际动作值，应考虑配合要求。

（2）记录次数

分段器的计数次数应比后备保护开关的重合次数少一次。

当数台分段器串联使用时，负荷侧分段器应依次比其电源侧分段器的计数次数少一次。

在这种情况下，液压分段器通常不用降低其启动电流值的方法来达到各串联分段器之间的配合，而是采用不同的计数次数来实现，以免因网络中涌流造成分段器误动。

（3）记忆时间

必须保证分段器的记忆时间大于后备保护开关动作的总累积时间，否则分段器可能部分地"忘记"故障开断的分闸次数，导致后备保护开关多次不必要的分闸或分段器与前级保护都进入闭锁状态，使分段器起不到应有的作用。

液压控制分段器的记忆时间不可调节，它由分闸活塞的复位快慢所决定。

复位快慢又与液压机构中油粘度有关。

四、互感器的选择

（一）电流互感器的选择

1.电流互感器一次回路额定电压和电流选择

电流互感器一次回路额定电压和电流选择应满足：

UN1≥UNs

IN1≥I.max

式中UN1、IN1——电流互感器一次额定电压和电流。

为了确保所供仪表的准确度，互感器的一次侧额定电流应尽可能与最大工作电流接近。

2.二次额定电流的选择

电流互感器二次额定电流有5A和1A两种，一般强电系统用5A，弱电系统用1A。

3.电流互感器种类和型式的选择

在选择互感器时，应根据安装地点（如屋内、屋外）和安装方式（如穿墙式、支持式、装入式等）选择相适应的类别和型式。

选用母线型电流互感器时，应注意校核窗口尺寸。

4.电流互感器准确级的选择

为保证测量仪表的准确度，互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。

例如:

装于重要回路（如发电机、调相机、变压器、厂用馈线、出线等）中的电能表和计费的电能表一般采用0.5～1级表，相应的互感器的准确级不应低于0.5级；对测量精度要求较高的大容量发电机、变压器、系统干线和500kV级宜用0.2级。

供运行监视、估算电能的电能表和控制盘上仪表一般皆用1～1.5级的，相应的电流互感器应为0.5～1级。

供只需估计电参数仪表的互感器可用3级的。

当所供仪表要求不同准确级时，应按相应最高级别来确定电流互感器的准确级。

　　５．二次容量或二次负载的校验

为了保证互感器的准确级，互感器二次侧所接实际负载Z2l或所消耗的实际容量荷S2应不大于该准确级所规定的额定负载ZN2或额定容量SN2（ZN2及SN2均可从产品样本或有关手册查到），即

　　　　　SN2≥S2=IN22Z2l

　　　　　或ZN2≥Z2l≈Rwi+Rtou+Rm+Rr

式中Rm，Rr——电流互感器二次回路中所接仪表内阻的总和与所接继电器内

　　　　　　　　阻的总和，可由产品样本或有关手册中查得。

　　　　　　　Rwi——电流互感器二次联接导线的电阻。

　　　　　　　Rtou——电流互感器二次连线的接触电阻，一般取为0.1Ω。

整理得：

　　　　　Rwi≤

因为A=

所以A≥

（2）

　　式中A，lca一电流互感器二次回路连接导线截面积（mm2）及计算长度（mm）。

按规程要求联接导线应采用不得小于1.5mm2的铜线，实际工作中常取2.5mm2的铜线。

当截面选定之后，即可计算出联接导线的电阻Rwi。

有时也可先初选电流互感器，在已知其二次侧连接的仪表及继电器型号的情况下，利用式（11）确定连接导线的截面积。

但须指出，只用一只电流互感器时电阻的计算长度应取连接长度2倍，如用三只电流互感器接成完全星形接线时，由于中线电流近于零，则只取连接长度为电阻的计算长度。

若用两只电流互感器接成不完全星形结线时，其二次公用线中的电流为两相电流之向量和，其值与相电流相等，但相位差为60，故应取连接长度的

倍为电阻的计算长度。

6.热稳定和动稳定校验

（1）电流互感器的热稳定校验只对本身带有一次回路导体的电流互感器进行。

电流互感器热稳定能力常以1s允许通过的一次额定电流IN1的倍数Kh来表示，故热稳定应按下式校验

（KhIN1）2≥I∞2tdz

式中Kh，IN1—由生产厂给出的电流互感器的热稳定倍数及一次侧额定电流。

I∞，tdz—短路稳态电流值及热效应等值计算时间。

（2）电流互感器内部动稳定能力，常以允许通过的一次额定电流最大值的倍数kmo一动稳定电流倍数表示，故内部动稳定可用下式校验

KmoIN1≥ich

式中Kmo，IN1—由生产厂给出的电流互感器的动稳定倍数及一次侧额定电流。

ich—故障时可能通过电流互感器的最大三相短路电流冲击值。

由于邻相之间电流的相互作用，使电流互感器绝缘瓷帽上受到外力的作用，因此，对于瓷绝缘型电流互感器应校验瓷套管的机械强度。

瓷套上的作用力可由一般电动力公式计算，故外部动稳定应满足

Fal≥0.5×1.73×10-7ich2

（N）

式中Fal——作用于电流互感器瓷帽端部的允许力；

Ⅰ——电流互感器出线端至最近一个母线支柱绝缘子之间的跨距。

系数0.5表示互感器瓷套端部承受该跨上电动力的一半。

（二）电压互感器的选择

1.电压互感器一次回路额定电压选择

为了确保电压互感器安全和在规定的准确级下运行，电压互感器一次绕组所接电力网电压应在（1.1~0.9）UN1范围内变动，即满足下列条件

1.1UN1>UNs>0.9UN1

式中UN1—电压互感器一次侧额定电压。

选择时，满足UN1=UNs即可。

2.电压互感器二次侧额定电压的选择

电压互感器二次侧额定线间电压为100V，要和所接用的仪表或继电器相适应。

3.电压互感器种类和型式的选择

电压互感器的种类和型式应根据装设地点和使用条件进行选择，例如:

在6~35kV屋内配电装置中，一般采用油浸式或浇注式；110~220kV配电装置通常采用串级式电磁式电压互感器；220kV及其以上配电装置，当容量和准确级满足要求时，也可采用电容式电压互感器。

4.准确级选择

和电流互感器一样，供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜。

5.按准确级和额定二次容量选择

首先根据仪表和继电器接线要求选择电压互感器接线方式，并尽可能将负荷均匀分布在各相上，然后计算各相负荷大小，按照所接仪表的准确级和容量选择互感器的准确级额定容量。

有关电压互感器准确级的选择原则，可参照电流互感器准确级选择。

一般供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜。

电压互感器的额定二次容量（对应于所要求的准确级）SN2，应不小于电压互感器的二次负荷S2，即

SN2≥S2（3）

S2=

式中S0、P0、Q0—各仪表的视在功率、有功功率和无功功率。

cos

—各仪表的功率因数。

如果各仪表和继电器的功率因数相近，或为了简化计算起见，也可以将各仪表和继电器的视在功率直接相加，得出大于S2的近似值，它若不超过SN2，则实际值更能满足式（３）的要求。

由于电压互感器三相负荷常不相等，为了满足准确级要求，通常以最大相负荷进行比较。

计算电压互感器各相的负荷时，必须注意互感器和负荷的接线方式。

表3列出电压互感器和负荷接线方式不一致时每相负荷的计算公式。

表3电压互感器二次绕组负荷计算公式

五、高压熔断器的选择

高压熔断器按额定电压、额定电流、开断电流和选择性等项来选择和校验。

1.额定电压选择

对于一般的高压熔断器，其额定电压UN必须大于或等于电网的额定电压UNs。

但是对于充填石英砂有限流作用的熔断器，则不宜使用在低于熔断器额定电压的电网中，这是因为限流式熔断器灭弧能力很强，在短路电流达到最大值之前就将电流截断，致使熔体熔断时因截流而产生过电压，其过电压倍数与电路参数及熔体长度有关，一般在UNs=UN的电网中，过电压倍数约2～2.5倍，不会超过电网中电气设备的绝缘水平，但如在UNs

2.额定电流选择

熔断器的额定电流选择，包括熔管的额定电流和熔体的额定电流的选择。

（1）熔管额定电流的选择

为了保证熔断器载流及接触部分不致过热和损坏，高压熔断器的熔管额定电流应满足式（４）的要求，即

INft≥INfs（４）

式中INft—熔管的额定电流

INfs—熔体的额定电流

3.熔体额定电流选择

为了防止熔体在通过变压器励磁涌流和保护范围以外的短路及电动机自启动等冲击电流时误动作，保护35kV及以下电力变压器的高压熔断器，其熔体的额定电流可按式（13）选择，即

INfs=KImax

式中K—可靠系数（不计电动机自启动时K=1.1～1.3，考虑电动机自启动时K=1.5～2.0）；

Imax一电力变压器回路最大工作电流。

用于保护电力电容器的高压熔断器的熔体，当系统电压升高或波形畸变引起回路电流增大或运行过程中产生涌流时不应误熔断，其熔体按式（５）选择，即

INfs=KINc（５）

式中K一可靠系数（对限流式高压熔断器，当一台电力电容器时K=1.5～2.0，当一组电力电容器时K=1.3～1.8）；

INc一电力电容器回路的额定电流。

4.熔断器开断电流校验

INbr≥Ich（或I"）　（６）

式中INbr—熔断器的额定开断电流

对于没有限流作用的熔断器，选择时用冲击电流的有效值Ich进行校验；对于有限流作用的熔断器，在电流达最大值之前已截断，故可不计非周期分量影响，而采用I"进行校验。

5.熔断器选择性校验

为了保证前后两级熔断器之间或熔断器与电源（或负荷）保护装置之间动作的选择性，应进行熔体选择性校验。

各种型号熔断器的熔体熔断时间可由制造厂提供的安秒特性曲线上查出。

如所示，为两个不同熔体的安秒特性曲线（INfs1

所以，为了保证动作的选择性，前一级熔体应采用熔体1，后一级熔体应采用熔体2。

图1熔体的安秒（保护）特性曲线

1—熔体1的特性曲线；2—熔体2的特性曲线

对于保护电压互感器用的高压熔断器，只需按额定电压及断流容量两项来选择。

　　六、支柱绝缘子和穿墙套管的选择

　　支柱绝缘子的作用是支撑母线，穿墙套管的作用是为了保证母线穿墙时绝缘。

支柱绝缘子和穿墙套管的选择和校验项目见表４。

表４支持绝缘子与穿墙套管的选择及其校验项目

项目

额定电压

额定电流

热稳定

动稳定

支持绝缘子

UN≥UNs

INbr≥Ich（或I"）

穿墙套管

IN≥Ima

It2t≥I∞2tdz

支柱绝缘子及穿墙套管的动稳定性应满足式（６）