电力工程基础课件

1. 电力工程基础课件 制作：福州大学 等

2. 第五章 电气设备的选择 本章内容重点 • 电气设备的发热和电动力 • 电气设备选择的一般条件 • 母线、电缆和绝缘子的选择 • 高低压电器的选择 • 发电厂和变电所主变压器的选择

3. 第一节 • 电气设备的发热和电动力

4. 发热 发热的原因:电阻损耗磁滞和涡流损耗介质损耗分类:长期发热，由正常工作电流产生的；短时发热，故障时由短路电流产生的。

5. 发热 • 发热对电气设备的影响： • （1）使绝缘材料的绝缘性能降低 • （2）使金属材料的机械强度下降 • （3）使导体接触部分的接触电阻增加

6. 导体在正常和短路时的最高允许温度及热稳定系数导体在正常和短路时的最高允许温度及热稳定系数

7. 电动力 载流导体通过电流时，相互之间的作用力，称为电动力。 短路时冲击电流所产生的交流电动力达到很大的数值，可能导致设备变形或损坏。为保证电器和导体不致破坏，电器和导体因短路冲击电流产生的电动力作用下的应力不应超过材料的允许应力。 硬导体材料的最大允许应力， 硬铜 140MPa、硬铝70MPa

8. 导体短时发热计算 图5-1 短路时导体的发热过程

9. 短路时导体发热的平衡方程式 （5-1） 其中： 代入式（5-1）得： （5-2）

10. （5-2） 整理得： （5-3） 积分得： （5-4）

11. 短路发热计算 （5-5） 式中： 由此得出： （5-9）

12. 短路发热计算 图5-2 导体的θ=f(A)曲线

13. 短路电流热效应值Qk的计算 • Qk常用的计算方法为近似数值积分法。 短路全电流中包含周期分量Ip和非周期分量Inp，其热效应Qk也由两部分构成：

14. Qk的计算—周期分量Qp计算 任意函数y=f(x)的定积分采用辛普生公式计算 : 取n＝4

15. Qk的计算—周期分量Qp计算 进一步简化计算，近似认为y2=1/2(y1+y3), 称为1-10-1法

16. Qk的计算—非周期分量Qnp计算 当tk>0.1s时, 式中Ta为非周期分量时间常数值

17. Qk的计算—非周期分量Qnp计算 表5-2 非周期分量时间常数Ta

18. 导体短路时的电动力计算 （5-18） • 两根细长平行导体间的电动力计算 三相导体水平放置受力最大的为中间相导体短路的电动力

19. 电动力最大值的计算 （5-22） 还应考虑母线共振影响对电动力的影响，引入修正系数β

20. 母线的一阶固有振动频率 ：

21. 考虑共振电动力最大值的计算 电动力的振动频率为50Hz和100Hz。导体的固有振动频率低于30Hz或高于160Hz时，β约等于1，既不考虑共振影响。

22. 第二节 • 电气设备选择的一般条件

23. 电气设备选择的一般条件 一、按正常工作条件选择 1、额定电压选择 UN≥UNS　　　　　（5－25） 2、额定电流选择 ΙN≥Ιmax　　　　　（5－26） 3、按当地环境条件校核 要考虑气温、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对电气设备的影响

24. 电气设备选择的一般条件 二、按短路情况校验 1、短路热稳定校验，校验导体短时发热 （5-28） 2、电动力稳定校验，校验导体的最大受力 （5-29）

25. 短路电流计算条件 1、容量和接线：最大运行方式 2、短路种类 ：一般为三相短路 3、计算短路点： 可能通过被选设备的最大短路电流 4、短路计算时间： tk=tpr＋tab

26. 表5-3 主要电气设备的选择和校验项目

27. 第三节 • 母线、电缆和绝缘子的选择

28. 一、母线选择 • 母线选择和校验项目： • 确定母线的材料、截面形状、布置方式 • 选择母线的截面积 • 校验母线的热稳定和动稳定 • 对重要的和大电流的母线，要共振校验 • 对110及以上的母线进行电晕校验

29. 一、母线选择 1.母线的材料： 常用的母线材料有铜、铝和铝合金三种 （一）母线的材料、截面形状、布置方式 2.母线的结构： 硬裸母线的截面形状有矩形、槽形和管形。 矩形母线散热条件好,易于安装与连接,但集肤效应系数大。 槽形母线通常是双槽形一起用,载流量大,集肤效应小,用于电压等级不超过35kV,电流不超过8000A的回路中。 管形母线的集肤效应最小,机械强度最大,还可以采用管内通水或通风的冷却措施

30. 一、母线选择 3.母线的布置形式

31. 槽形形母线的布置形式

32. 一、母线选择 方法： 1.按最大长期工作电流选择,用于发电厂的主母线和引下线以及持续电流较小，年利用小时数较低的其他回路的导线 。 2.按经济电流密度选择,用于年利用小时数高而且长度较长负荷大回路的导线 。 （二）母线截面积选择

33. 按最大长期工作电流选择 • 保证母线正常工作时的温度不超过允许温度 （5-32） 母线实际允许载流量与周围环境温度及母线的布置方式有关，若实际周围环境温度与规定的环境温度不同时，母线的允许温度要修正，即引入温度修正系数kθ。

34. 2.按经济电流密度选择 • 导体通过电流时,会产生电能损耗。把投资择算到每年费用,加上年损耗费为年计算费用,使年计算费用最小的截面为经济截面Se,J为经济密度,与年最大负荷利用小时数有关 。 （5-34） 选出的导体还要按按最大长期工作电流校验 （5-32）

35. 一、母线选择 方法： 计算满足短时发热要求的最小截面积,只要选择的导体截面积大于此面积,就满足热稳定要求. （三）母线的热稳定校验 (5-35) 只要S＞Smin就满足热稳定要求

36. 一、母线选择 方法：校验导体受到电动力时，电动力产生的计算应力与导体材料允许应力的比较，当计算应力小于材料允许应力时，动稳定满足。 （四）硬母线的动稳定校验 (5-39)

37. 一、母线选择 1、每相为单条矩形母线的应力计算 （四）硬母线的动稳定校验 (5-37) (5-38) W=bh2/6 W=b2h/6

38. 一、母线选择 若不满足公式: 就需要采用一定的措施: • 限制短路电流 • 变更母线放置方式以加大截面系数 • 增大母线相间距离 • 减小绝缘子间的跨距或增大母线截面积 计算满足动稳定要求的最大绝缘子跨距

39. 一、母线选择 1、每相为多条矩形母线的应力计算 （四）硬母线的动稳定校验 图5-8 两条矩形母线衬垫布置

40. 一、母线选择 （四）硬母线的动稳定校验 1、每相为多条矩形母线的应力计算 计算思路: 每相由多条矩形母线组成,作用 在每条导体上总的最大计算应力由相间应力和同相不同条间的应力组成, 应分别计算相间应力和条间应力,再进行相加,不能超过材料的允许应力,相间应力的计算方法同每相单条导体情况,只是截面系数W 不同。

41. 计算条间应力时，主要是计算条间单位长度的受力，要注意同相母线条间的形状系数、电流的分配及电流方向。计算条间应力时，主要是计算条间单位长度的受力，要注意同相母线条间的形状系数、电流的分配及电流方向。 条间应力的计算 每相两条矩形导体，可认为相电流在两条母线之间平均分配，而且条间距离为2倍的b值。 每相三条矩形导体，可认为电流分布为中间条为20%，两边条分别为40% 。 其他计算方法同相间应力计算，截面系数一定为W=b2h/6

42. 二、电力电缆选择 电力电缆选择和校验项目： • 电缆芯线材料及型号 • 额定电压 • 截面选择 • 允许电压降校验 • 热稳定校验。

43. 二、电力电缆选择 （一）电缆芯线材料及型号选择 电缆芯线有铜芯和铝芯，国内工程一般选用铝芯电缆 电缆的型号很多，应根据其用途、敷设 方式和使用条件进行选择 • 潮湿或腐蚀地区应选用塑料护套电缆 • 高温场所宜用耐热电缆 • 重要直流回路宜选用阻燃型电缆 • 敷设在高差大的地点，应采用不滴流或塑料电缆 • 直埋地下一般选用钢带铠装电缆

44. 二、电力电缆选择 （二）电缆额定电压选择 电缆的额定电压应大于等于所在电网的额定电压 （5-47）

45. 二、电力电缆选择 （三）电缆截面积选择 电力电缆截面一般按长期发热允许电流选择，当电缆的最大负荷利用小时Tmax=5000小时，且长度超过20m时，则应按经济电流密度选择。电缆截面选择方法与裸导体基本相同，只是修正系数多考虑一些。 K1、K2为空气中多根电缆并列和穿管敷设时的修正系数 K3为直埋电缆因土壤热阻不同的修正系数 K4为土壤中多根并列修正系数

46. 二、电力电缆选择 （四）电缆允许电压损失校验

47. 三 、支柱绝缘子和穿墙套管的选择

48. 三 、支柱绝缘子和穿墙套管的选择 支柱绝缘子选择项目： 类型和额定电压选择 短路时动稳定校验 穿墙套管选择项目： 类型、额定电压和额定电流选择 短路条件校验热稳定 短路条件校验动稳定。

49. 第四节 • 高压电器的选择选择

50. 一、高压断路器的原理与选择 高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，它的作用在正常情况下接通或断开电路，在系统发生故障时自动地迅速地断开故障电路。断路器能完成以上功能是因为断路器有完善的灭弧装置，能够熄灭在开断电路时所产生的电弧。 断路器是功能最完善、任务最繁重、结构最复杂、价格也最昂贵的开关电器。