1、供變電工程課程設(shè)計,概述,變電所設(shè)計步驟 1.選擇供變電工程的主結(jié)線 2.根據(jù)設(shè)備工作的正常條件對設(shè)備進(jìn)行初步選擇 3.根據(jù)設(shè)備工作的異常條件對設(shè)備進(jìn)行校驗 4.在完成高壓設(shè)備的選擇設(shè)計后，進(jìn)行配電裝置的設(shè)計，繪出平面布置圖和斷面圖 5.完成配電裝置的設(shè)計后，進(jìn)行防雷系統(tǒng)的設(shè)計,概述,6.在完成一次系統(tǒng)的設(shè)計后，分別對二次系統(tǒng)的控制、測量和保護(hù)部分進(jìn)行設(shè)計，完成對二次設(shè)備的選擇和校驗，繪出二次系統(tǒng)展開圖 7.對交流電源、直流電源系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計 上述步驟僅僅是一個一般性流程，在實際設(shè)計中，可能存在某些步驟的反復(fù)。,概述,對于具體的高壓設(shè)備來說，設(shè)計可歸納為： 選擇、校驗； 如果校驗通過，則選擇合格

2、，否則重新 選擇，再校驗。 對于設(shè)備的選擇依據(jù)通常是設(shè)備工作的正常條件； 對于設(shè)備的校驗依據(jù)通常是設(shè)備工作的異常條件。 針對設(shè)備校驗，主要從發(fā)熱和受力兩個方面考慮。,1.電器與載流導(dǎo)體的發(fā)熱和負(fù)載能力,發(fā)熱問題 電氣設(shè)備的發(fā)熱： 導(dǎo)體和電接觸部分電阻的存在電阻損耗 由于交變磁場的作用，在周圍的鐵磁體內(nèi) 渦流、磁滯損耗 絕緣體內(nèi)的介質(zhì)損耗 損耗熱能，加熱了導(dǎo)體，電氣設(shè)備溫度升高。,一、發(fā)熱問題,電氣設(shè)備的長期發(fā)熱允許溫度主要由絕緣材料的允許溫度和接觸部分的允許溫度確定。 短時發(fā)熱允許溫度主要取決于導(dǎo)體的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣材料的性能。 容許溫度（允許溫度）： 指使電氣設(shè)備能保持正常的連續(xù)工作所允許的最

3、高發(fā)熱溫度。 限制條件：(容許電流) (長期工作電流),二、發(fā)熱計算,1.導(dǎo)體長期發(fā)熱 導(dǎo)體中沒有通過電流時，其溫度與周圍溫度相等。 導(dǎo)體內(nèi)通過電流時，其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量一部分使導(dǎo)體本身溫度升高，另一部分散失到周圍介質(zhì)中去，它們之間呈動態(tài)分配，直至導(dǎo)體發(fā)熱過渡到穩(wěn)態(tài)時，導(dǎo)體發(fā)熱溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫升。,發(fā)熱計算,這一變化過程可以用熱平衡方程描述：,dt時間內(nèi) 的總發(fā)熱,導(dǎo)體 質(zhì)量,導(dǎo)體 比熱,導(dǎo)體 溫度,周圍環(huán)境 溫度,導(dǎo)體 散熱 系數(shù),導(dǎo)體 散熱 面積,發(fā)熱計算,求解微分方程，得到穩(wěn)定溫升： 最后得到：,發(fā)熱計算,工程中常采用查表的方式求母線和導(dǎo)體的容許電流(載流量)，它是按環(huán)境溫度為25時由IXU

4、計算式得到的(附錄二附表13)，當(dāng)實際環(huán)境溫度變化時，需按采用的環(huán)境溫度乘以校正系數(shù)Kt,發(fā)熱計算,2.導(dǎo)體短時發(fā)熱 為了保證系統(tǒng)中的導(dǎo)體設(shè)備能滿足惡劣工況的要求，必須進(jìn)行短路電流通過時熱穩(wěn)定校驗。 目的：找出短路時的發(fā)熱溫度，以便與導(dǎo)體規(guī)定的短時發(fā)熱容許溫度比較。,發(fā)熱計算,導(dǎo)體短路時，熱平衡方程為：,任一時刻的 短路電流 有效值,溫度為 時的導(dǎo)體電阻,溫度為 時的導(dǎo)體比熱,發(fā)熱計算,整理后： 要求短路最高發(fā)熱溫度，對上式兩邊積分： 與短路存在過程中產(chǎn)生的熱量成比例，因而稱為短路電流的熱效應(yīng),發(fā)熱計算,右邊的積分結(jié)果為： 則原積分式變?yōu)椋?發(fā)熱計算,變量A的數(shù)值與導(dǎo)體材料和導(dǎo)體實際溫度有關(guān)。

5、 實際應(yīng)用中，往往將A與導(dǎo)體溫度的關(guān)系按各種材料的平均參數(shù)值代入上式，計算后制成相應(yīng)曲線 。 將短路全電流id分解為周期分量電流izt與非周期分量電流ift 兩部分，則代入后并化簡得到： QZ、Qfi分別為短路周期分量電流、非周期分量電流的發(fā)熱效應(yīng)。,發(fā)熱計算,短路電流周期分量和非周期分量熱效應(yīng)的計算 1.用數(shù)值積分法計算QZ 2.Qfi的計算 當(dāng)td0.1s 當(dāng)td0.1s,短路電流作用下母線電動力計算,電動力的實質(zhì)是載流導(dǎo)體所受磁場力，可用畢奧-沙伐定律計算 實用中引形狀系數(shù)Kx修正 對于圓形導(dǎo)體，Kx=1,短路電流作用下母線電動力計算,三相導(dǎo)體短路時的電動力 B相受的力最大，應(yīng)以中間B相

6、電動力值為標(biāo)準(zhǔn) 同一地點(diǎn)發(fā)生短路時，以三相短路時最大電動力為大，因此應(yīng)以三相短路來計算最大電動力。,2.電氣設(shè)備選擇,母線的選擇 母線常用銅、鋁和鋼三種材料制成。 銅的導(dǎo)電性能最好，機(jī)械強(qiáng)度大，耐腐蝕； 鋁的導(dǎo)電性比銅差，機(jī)械強(qiáng)度小，但比重小，成本低。根據(jù)我國資源情況和技術(shù)政策，盡量以鋁代銅。 鋼的導(dǎo)電性能最差，但機(jī)械強(qiáng)度最大，通常只在小電流情況下采用。 硬母線一般采用矩形截面，且已標(biāo)準(zhǔn)化。,母線的選擇,母線截面的選擇 1.按最大長期工作電流選擇截面 IXU為相應(yīng)于母線工作的環(huán)境溫度和其放置方式下，母線長期容許電流值(查附錄二表13) Igmax為母線在電路中的最大長期工作電流。 對于牽引變壓

7、器一般取Igmax=1.3Ie 注：當(dāng)環(huán)境溫度不為25時，需乘以修正系數(shù),2.按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇母線截面 S為導(dǎo)體的經(jīng)濟(jì)截面 jn為經(jīng)濟(jì)電流密度，使導(dǎo)體年計算費(fèi)用為最低的電流密度,母線的選擇,母線的選擇,3.按短路條件校驗?zāi)妇€的熱穩(wěn)定性 校驗短路熱穩(wěn)定可以根據(jù)短路電流熱效應(yīng)計算方法，確定出短路最終溫度 ，應(yīng)使其與所選母線短路容許溫度滿足關(guān)系： 若校驗結(jié)果不滿足熱穩(wěn)定要求，則按 可得到母線的最小容許截面Smin，即,母線的選擇,4.按短路條件校驗?zāi)妇€的機(jī)械穩(wěn)定性 短路沖擊電流通過母線時，使其承受較大的機(jī)械應(yīng)力可能使固定在支持絕緣子上的母線產(chǎn)生彎曲變形甚至折斷，因而必須按這時加在母線上的彎矩進(jìn)行應(yīng)

8、力計算。 當(dāng)跨距數(shù)大于2時，母線的最大彎距為： 當(dāng)跨距數(shù)等于2時，,母線的選擇,母線的最大應(yīng)力為： W為截面系數(shù)，或稱抗彎模量 母線的最大應(yīng)力應(yīng)小于材料的容許應(yīng)力 則認(rèn)為母線的機(jī)械穩(wěn)定性可以滿足要求。,解： 1.按最大長期工作電流選擇母線的截面 可按變壓器過載1.3倍考慮 由附錄二表3查出鋁母線153的允許載流量為156A，大于最大工作電流71.5A，故初步確定選用153=45mm2截面的鋁母線。,2.校驗?zāi)妇€的短路熱穩(wěn)定性 要求短路最終溫度 ，應(yīng)先求出起始溫度 ，根據(jù) ，利用曲線 ，找出對應(yīng)的 值， 再由 求出 ，再次利用曲線 找出對應(yīng)的 。,25,0.25104,短路電流計算時間 短路電流

9、熱效應(yīng),由 ，從圖中查得 則由 得： 再由 ，查得 ，而 (見表6.1)，即： ，不滿足熱穩(wěn)定性要求。,由 ，查表6.3，C=99 滿足熱穩(wěn)定的最小截面為： 應(yīng)選擇254的鋁母線。,3.校驗?zāi)妇€的機(jī)械穩(wěn)定性 三相短路沖擊電流為 設(shè)母線采用水平排列平放， 已知：a=40cm，l=100cm，h=25mm，b=4mm則 三相短路時的相間電動力為,母線平放及水平排列時，其抗彎模量為： 母線的計算應(yīng)力為： 由表6.4鋁母線的允許應(yīng)力為 ，即： ，不能滿足機(jī)械應(yīng)力穩(wěn)定性要求。 因開關(guān)柜尺寸固定不變，l、a不能再增大，需增大母線截面以增大W。 當(dāng)采用截面為304mm2的鋁母線，仍為水平布置，則：,故最后由

10、于機(jī)械穩(wěn)定性的需要，確定選擇截面為S=304=120mm2的鋁母線。,母線的選擇,設(shè)計內(nèi)容：母線的導(dǎo)電截面積，結(jié)構(gòu)形式和材料 硬母線多用于屋內(nèi)配電裝置 室內(nèi)采用矩形母線便于施工、安裝、運(yùn)行。矩形母線比圓形母線的周長大，因而矩形母線的散熱面大。 軟母線多用于屋外配電裝置 室外母線可以允許較大線間距離，采用多股膠線便于施工、安裝。 實際上，按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇導(dǎo)線截面積的方法多用于輸電線而不是母線，母線通常按照最大長期工作電流來選擇其截面積。,母線涂色： 可以增加輻射能力 有利于母線散熱 防腐蝕 便于識別： A相-黃色 B相-綠色 C相-紅色,母線放置： 母線在正常運(yùn)行中，因通過電流而發(fā)熱，如果母線

11、本身的發(fā)熱量等于向周圍空氣散出熱量時，母線溫度不變，所以母線溫度與散熱條件有很大關(guān)系。在溫升一定的條件下，如果散熱條件不同，則即使是同一規(guī)格的母線，其允許的額定電流也不相同。,對于矩形母線來說，豎裝進(jìn)散熱條件較好，平裝時散熱條件稍差。一般在保持同等溫升的條件下，豎裝母線要比平裝母線的額定電流大5%-8%，但豎裝母線的動穩(wěn)定性要比平裝母線差。由于平裝母線便于布線，故在實際應(yīng)用中，仍以平裝母線較為常見。,絕緣子的選擇,絕緣子廣泛用于配電裝置中，它主要用來支持和固定帶電導(dǎo)體，并使導(dǎo)體與地或與處在其它電位下的設(shè)備絕緣。因而必須具有足夠的絕緣強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度，并能在惡劣環(huán)境下安全運(yùn)行。 支柱式絕緣子和穿墻

12、套管 選擇時首先根據(jù)使用地點(diǎn)、電壓等級、污穢等級確定它們的類型（戶內(nèi)或戶外）和型號。,絕緣子的選擇,對于穿墻套管，應(yīng)按最大長期工作電流選擇導(dǎo)體截面，并與選擇母線的方式相同進(jìn)行短路時熱穩(wěn)定和機(jī)械穩(wěn)定性校驗，而支持絕緣子只需校驗短路的機(jī)械穩(wěn)定性。 （一）按電壓條件選擇 應(yīng)使UgUmax；其中Ug 、 Umax分別為支持絕緣子與穿墻套管的工作電壓和最大工作電壓。,絕緣子的選擇,（二）按最大長期工作電流選擇絕緣套管 應(yīng)滿足IgIe； Ig其中為絕緣套管的額定電流， Ie為安裝絕緣套管的電路中最大長期工作電流。 由于上述Ie是按環(huán)境溫度+40時考慮的，當(dāng)環(huán)境溫度高于+40但小于+60的情況下，其容許工作

13、電流Ixu應(yīng)按下式換算,5.6 開關(guān)設(shè)備的選擇 開關(guān)設(shè)備包括斷路器、熔斷器、隔離開關(guān)和負(fù)荷開關(guān)等電器，因其各自的技術(shù)特性和功能不同，雖然在選擇時所根據(jù)的條件有些不同，但也各有其特點(diǎn)和不同要求，現(xiàn)分別討論如下。 5.6.1 高壓斷路器的選擇 （一）斷路器種類、形式的選擇 對于開斷電路中負(fù)荷電流和短路電流的高壓斷路器，首先應(yīng)按使用地點(diǎn)環(huán)境、負(fù)荷種類及使用技術(shù)條件選擇斷路器的類型與型號，即戶內(nèi)或戶外式，以及滅弧介質(zhì)的種類。,對10KV220KV三相系統(tǒng)，廣泛采用少油式或SF6斷路器（當(dāng)前者不能滿足要求時），交流牽引由于故障跳閘頻繁，從減少運(yùn)行維修工作量考慮，較普遍采用真空斷路器或SF6斷路器，地鐵與

14、輕軌交通牽引（降壓）變電所交流系統(tǒng)，從安全防炎和減少維修考慮廣泛采用真空斷路器。 （二）斷路器額定電壓Ue、額定電流的選擇Ie 應(yīng)滿足 Ue Ug；IeIg ；其中： Ug 、 Ig分別為網(wǎng)絡(luò)工作電壓和斷路器最大長期負(fù)荷電流。,（三）按開斷路器斷流容量選擇 高壓斷路器的額定開斷電流Iek或額定斷流容量Sed應(yīng)滿足以下關(guān)系 （6.63）,式中：Idt為短路后t秒短路電流有效值，對快速斷路器，取Idt =I” t0.1”；Sdt為短路后t秒短路，對快速斷路器Sdt =Sd”。 為了求得短路電流有效值Idt，必須確定切斷短路的計算時間tjs，即從短路發(fā)生到滅弧觸頭分開為止的全部時間，它等于繼電保護(hù)動

15、作時間tb和斷路器固有動作時間tg之和，故tjs=tb+tg。,在設(shè)計牽引變電所和電氣設(shè)備選擇中，由實際選擇的保護(hù)裝置與斷路器型號，可得到tb和tg的實際值，但如無此數(shù)據(jù)時，一般可按下述情況選取。 對快速動作的斷路器，取tg=0.05s，而對非快速動作的斷路器，取tg =0.10.15s。 對于繼電保護(hù)，應(yīng)按具有最小動作時間的速斷主保護(hù)作為動作時間，即tb =0.03s0.05s。因此，對于快速動作的為路器，切斷短路的計算時間 tjs =0.050.1s，對于非快速動作的斷路器， tjs=0.150.2s。,當(dāng)短路發(fā)和后tjs 0.1s，因短路電流的非周期分量已接近衰減完畢，此時短路電流即為短

16、路周期分量電流的有效值，即Idt=Iz。 當(dāng)tjs 0.1s時，則須計入短路電流的非周期分量。 裝有自動重合閘裝置的斷路器，當(dāng)操作循環(huán)符合廠家規(guī)定時，其額定開斷電流不變。 （四）短路關(guān)合電流的校驗 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，觸頭間在未接觸時即有巨大的短路電流通過（預(yù)擊穿 ），更易發(fā)生觸頭熔焊和遭受電動力的損壞。,且斷路器在關(guān)合短路電流時，不可避免地在接通后又自動跳閘，此時要求能切斷短路電流，因此額定關(guān)合電流是斷路器的重要參數(shù)之一。為了保證斷路器在關(guān)合短路時的安全，斷路器的額定關(guān)合電流ieg不應(yīng)小于短路電流最大沖擊值icj，即 ieg icj （6.64）

17、一般斷路器額定關(guān)合電流不會大于額定動穩(wěn)定電流idw，因此，如ieg icj ，則idw icj 。,（五）校驗短路時的熱穩(wěn)定性 短路電流通過時斷路器的熱穩(wěn)定性，由制造廠給出的在t秒（t分別為4s、5s或10s）內(nèi)允許通過的熱穩(wěn)定電流Irt來表征，即在給定時間t內(nèi)，通過斷路器時，其各部分的發(fā)熱溫度不超過規(guī)定的短時最大容許發(fā)熱溫度。因此，以短路電流Id通過斷路器時，其熱穩(wěn)定條件為： I2rttQd （6.65） 式中： Qd為短路電流發(fā)熱效應(yīng)。 Qd =Qz+Qfi,互感器的選擇,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(zhǔn)確級的選擇 二次容量或二次負(fù)載的校

18、驗, 電流互感器一次側(cè)額定電壓和額定電流選擇,1.電流互感器一次側(cè)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(yīng)滿足： 式中 U1e、I1e電流互感器一次額定電壓和電流。當(dāng)周圍實際環(huán)境溫度大于40度時， I1e應(yīng)乘以溫度修正系數(shù)。 為了確保所供儀表的準(zhǔn)確度，互感器的一次側(cè)額定電流應(yīng)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(qiáng)電系統(tǒng)用5A， 弱電系統(tǒng)用1A。, 電流互感器準(zhǔn)確級的選擇,3. 準(zhǔn)確級的選擇 為保證測量儀表的準(zhǔn)確度，互感器的準(zhǔn)確級不得低于所供測量儀表的準(zhǔn)確級。如:裝于重要回路(如發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、變壓器、廠用饋線、出線等)中的電能表和計費(fèi)的電能表一般采用0.51級表，相應(yīng)的互感器的準(zhǔn)確級不應(yīng)低于0.5級；對測量精度要求較高的大容量發(fā)電機(jī)、變壓器、系統(tǒng)干線和500kV級宜用0.2級。供運(yùn)行監(jiān)視、估算電能的電能表和控制盤上儀表一般皆用11.5級的，相應(yīng)的電流互感器應(yīng)為0.51級。供只需估計電參數(shù)儀表的互感器可用3級的。, 電流互感器二次容量或負(fù)載的校驗,4. 電流互感器二次容量或二次負(fù)載的校驗 為了保證互感器的準(zhǔn)確級，互感器二次側(cè)所接實際負(fù)載Z2應(yīng)不大于該準(zhǔn)確級所規(guī)定的額定負(fù)載Z2n，即 Z2n Z2Zi+Rd + Rj Zi 電流互感器二次回路中所接儀表電流線圈