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1、供变电工程课程设计,概述,变电所设计步骤1.选择供变电工程的主结线2.根据设备工作的正常条件对设备进行初步选择3.根据设备工作的异常条件对设备进行校验4.在完成高压设备的选择设计后，进行配电装置的设计，绘出平面布置图和断面图5.完成配电装置的设计后，进行防雷系统的设计,概述,6.在完成一次系统的设计后，分别对二次系统的控制、测量和保护部分进行设计，完成对二次设备的选择和校验，绘出二次系统展开图7.对交流电源、直流电源系统进行设计上述步骤仅仅是一个一般性流程，在实际设计中，可能存在某些步骤的反复。,概述,对于具体的高压设备来说，设计可归纳为：选择、校验；如果校验通过，则选择合格，否则重新选择，再
2、校验。对于设备的选择依据通常是设备工作的正常条件；对于设备的校验依据通常是设备工作的异常条件。针对设备校验，主要从发热和受力两个方面考虑。,1.电器与载流导体的发热和负载能力,发热问题电气设备的发热：导体和电接触部分电阻的存在电阻损耗由于交变磁场的作用，在周围的铁磁体内 涡流、磁滞损耗绝缘体内的介质损耗损耗热能，加热了导体，电气设备温度升高。,一、发热问题,电气设备的长期发热允许温度主要由绝缘材料的允许温度和接触部分的允许温度确定。短时发热允许温度主要取决于导体的机械强度和绝缘材料的性能。容许温度（允许温度）：指使电气设备能保持正常的连续工作所允许的最高发热温度。限制条件：(容许电流)(长期工
3、作电流),二、发热计算,1.导体长期发热 导体中没有通过电流时，其温度与周围温度相等。导体内通过电流时，其内部产生的热量一部分使导体本身温度升高，另一部分散失到周围介质中去，它们之间呈动态分配，直至导体发热过渡到稳态时，导体发热温度达到稳态温升。,发热计算,这一变化过程可以用热平衡方程描述：,dt时间内的总发热,导体质量,导体比热,导体温度,周围环境温度,导体散热系数,导体散热面积,发热计算,求解微分方程，得到稳定温升：最后得到：,发热计算,工程中常采用查表的方式求母线和导体的容许电流(载流量)，它是按环境温度为25时由IXU计算式得到的(附录二附表13)，当实际环境温度变化时，需按采用的环境
4、温度乘以校正系数Kt,发热计算,2.导体短时发热为了保证系统中的导体设备能满足恶劣工况的要求，必须进行短路电流通过时热稳定校验。目的：找出短路时的发热温度，以便与导体规定的短时发热容许温度比较。,发热计算,导体短路时，热平衡方程为：,任一时刻的短路电流有效值,温度为时的导体电阻,温度为时的导体比热,发热计算,整理后：要求短路最高发热温度，对上式两边积分：与短路存在过程中产生的热量成比例，因而称为短路电流的热效应,发热计算,右边的积分结果为：则原积分式变为：,发热计算,变量A的数值与导体材料和导体实际温度有关。实际应用中，往往将A与导体温度的关系按各种材料的平均参数值代入上式，计算后制成相应曲线
5、。将短路全电流id分解为周期分量电流izt与非周期分量电流ift 两部分，则代入后并化简得到：QZ、Qfi分别为短路周期分量电流、非周期分量电流的发热效应。,发热计算,短路电流周期分量和非周期分量热效应的计算1.用数值积分法计算QZ2.Qfi的计算当td0.1s 当td0.1s,短路电流作用下母线电动力计算,电动力的实质是载流导体所受磁场力，可用毕奥-沙伐定律计算实用中引形状系数Kx修正 对于圆形导体，Kx=1,短路电流作用下母线电动力计算,三相导体短路时的电动力B相受的力最大，应以中间B相电动力值为标准同一地点发生短路时，以三相短路时最大电动力为大，因此应以三相短路来计算最大电动力。,2.电
6、气设备选择,母线的选择母线常用铜、铝和钢三种材料制成。铜的导电性能最好，机械强度大，耐腐蚀；铝的导电性比铜差，机械强度小，但比重小，成本低。根据我国资源情况和技术政策，尽量以铝代铜。钢的导电性能最差，但机械强度最大，通常只在小电流情况下采用。硬母线一般采用矩形截面，且已标准化。,母线的选择,母线截面的选择1.按最大长期工作电流选择截面IXU为相应于母线工作的环境温度和其放置方式下，母线长期容许电流值(查附录二表13)Igmax为母线在电路中的最大长期工作电流。对于牵引变压器一般取Igmax=1.3Ie注：当环境温度不为25时，需乘以修正系数,2.按经济电流密度选择母线截面S为导体的经济截面jn
7、为经济电流密度，使导体年计算费用为最低的电流密度,母线的选择,母线的选择,3.按短路条件校验母线的热稳定性校验短路热稳定可以根据短路电流热效应计算方法，确定出短路最终温度，应使其与所选母线短路容许温度满足关系：若校验结果不满足热稳定要求，则按可得到母线的最小容许截面Smin，即,母线的选择,4.按短路条件校验母线的机械稳定性短路冲击电流通过母线时，使其承受较大的机械应力可能使固定在支持绝缘子上的母线产生弯曲变形甚至折断，因而必须按这时加在母线上的弯矩进行应力计算。当跨距数大于2时，母线的最大弯距为：当跨距数等于2时，,母线的选择,母线的最大应力为：W为截面系数，或称抗弯模量母线的最大应力应小于
8、材料的容许应力则认为母线的机械稳定性可以满足要求。,解：1.按最大长期工作电流选择母线的截面可按变压器过载1.3倍考虑由附录二表3查出铝母线153的允许载流量为156A，大于最大工作电流71.5A，故初步确定选用153=45mm2截面的铝母线。,2.校验母线的短路热稳定性要求短路最终温度，应先求出起始温度，根据，利用曲线，找出对应的 值，再由 求出，再次利用曲线 找出对应的。,25,0.25104,短路电流计算时间短路电流热效应,由，从图中查得则由得：再由，查得，而(见表6.1)，即：，不满足热稳定性要求。,由，查表6.3，C=99满足热稳定的最小截面为：应选择254的铝母线。,3.校验母线的
9、机械稳定性三相短路冲击电流为设母线采用水平排列平放，已知：a=40cm，l=100cm，h=25mm，b=4mm则三相短路时的相间电动力为,母线平放及水平排列时，其抗弯模量为：母线的计算应力为：由表6.4铝母线的允许应力为，即：，不能满足机械应力稳定性要求。因开关柜尺寸固定不变，l、a不能再增大，需增大母线截面以增大W。当采用截面为304mm2的铝母线，仍为水平布置，则：,故最后由于机械稳定性的需要，确定选择截面为S=304=120mm2的铝母线。,母线的选择,设计内容：母线的导电截面积，结构形式和材料硬母线多用于屋内配电装置室内采用矩形母线便于施工、安装、运行。矩形母线比圆形母线的周长大，因
10、而矩形母线的散热面大。软母线多用于屋外配电装置室外母线可以允许较大线间距离，采用多股胶线便于施工、安装。实际上，按经济电流密度选择导线截面积的方法多用于输电线而不是母线，母线通常按照最大长期工作电流来选择其截面积。,母线涂色：可以增加辐射能力有利于母线散热防腐蚀便于识别：A相-黄色B相-绿色C相-红色,母线放置：母线在正常运行中，因通过电流而发热，如果母线本身的发热量等于向周围空气散出热量时，母线温度不变，所以母线温度与散热条件有很大关系。在温升一定的条件下，如果散热条件不同，则即使是同一规格的母线，其允许的额定电流也不相同。,对于矩形母线来说，竖装进散热条件较好，平装时散热条件稍差。一般在保
11、持同等温升的条件下，竖装母线要比平装母线的额定电流大5%-8%，但竖装母线的动稳定性要比平装母线差。由于平装母线便于布线，故在实际应用中，仍以平装母线较为常见。,绝缘子的选择,绝缘子广泛用于配电装置中，它主要用来支持和固定带电导体，并使导体与地或与处在其它电位下的设备绝缘。因而必须具有足够的绝缘强度和机械强度，并能在恶劣环境下安全运行。支柱式绝缘子和穿墙套管选择时首先根据使用地点、电压等级、污秽等级确定它们的类型（户内或户外）和型号。,绝缘子的选择,对于穿墙套管，应按最大长期工作电流选择导体截面，并与选择母线的方式相同进行短路时热稳定和机械稳定性校验，而支持绝缘子只需校验短路的机械稳定性。（一
12、）按电压条件选择应使UgUmax；其中Ug、Umax分别为支持绝缘子与穿墙套管的工作电压和最大工作电压。,绝缘子的选择,（二）按最大长期工作电流选择绝缘套管 应满足IgIe；Ig其中为绝缘套管的额定电流，Ie为安装绝缘套管的电路中最大长期工作电流。由于上述Ie是按环境温度+40时考虑的，当环境温度高于+40但小于+60的情况下，其容许工作电流Ixu应按下式换算,5.6 开关设备的选择 开关设备包括断路器、熔断器、隔离开关和负荷开关等电器，因其各自的技术特性和功能不同，虽然在选择时所根据的条件有些不同，但也各有其特点和不同要求，现分别讨论如下。5.6.1 高压断路器的选择（一）断路器种类、形式的
13、选择 对于开断电路中负荷电流和短路电流的高压断路器，首先应按使用地点环境、负荷种类及使用技术条件选择断路器的类型与型号，即户内或户外式，以及灭弧介质的种类。,对10KV220KV三相系统，广泛采用少油式或SF6断路器（当前者不能满足要求时），交流牵引由于故障跳闸频繁，从减少运行维修工作量考虑，较普遍采用真空断路器或SF6断路器，地铁与轻轨交通牵引（降压）变电所交流系统，从安全防炎和减少维修考虑广泛采用真空断路器。（二）断路器额定电压Ue、额定电流的选择Ie 应满足 Ue Ug；IeIg；其中：Ug、Ig分别为网络工作电压和断路器最大长期负荷电流。,（三）按开断路器断流容量选择 高压断路器的额定
14、开断电流Iek或额定断流容量Sed应满足以下关系（6.63）,式中：Idt为短路后t秒短路电流有效值，对快速断路器，取Idt=I”t0.1”；Sdt为短路后t秒短路，对快速断路器Sdt=Sd”。为了求得短路电流有效值Idt，必须确定切断短路的计算时间tjs，即从短路发生到灭弧触头分开为止的全部时间，它等于继电保护动作时间tb和断路器固有动作时间tg之和，故tjs=tb+tg。,在设计牵引变电所和电气设备选择中，由实际选择的保护装置与断路器型号，可得到tb和tg的实际值，但如无此数据时，一般可按下述情况选取。对快速动作的断路器，取tg=0.05s，而对非快速动作的断路器，取tg=0.10.15s
15、。对于继电保护，应按具有最小动作时间的速断主保护作为动作时间，即tb=0.03s0.05s。因此，对于快速动作的为路器，切断短路的计算时间 tjs=0.050.1s，对于非快速动作的断路器，tjs=0.150.2s。,当短路发和后tjs 0.1s，因短路电流的非周期分量已接近衰减完毕，此时短路电流即为短路周期分量电流的有效值，即Idt=Iz。当tjs 0.1s时，则须计入短路电流的非周期分量。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。（四）短路关合电流的校验 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，触头间在未接触时即有巨大的短路电流通过（
16、预击穿），更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，此时要求能切断短路电流，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ieg不应小于短路电流最大冲击值icj，即 ieg icj（6.64）一般断路器额定关合电流不会大于额定动稳定电流idw，因此，如ieg icj，则idw icj。,（五）校验短路时的热稳定性 短路电流通过时断路器的热稳定性，由制造厂给出的在t秒（t分别为4s、5s或10s）内允许通过的热稳定电流Irt来表征，即在给定时间t内，通过断路器时，其各部分的发热温度不超过规定的短时
17、最大容许发热温度。因此，以短路电流Id通过断路器时，其热稳定条件为：I2rttQd（6.65）式中：Qd为短路电流发热效应。Qd=Qz+Qfi,互感器的选择,电流互感器的选择 一次回路额定电压和一、二次额定电流选择 电流互感器种类和型式以及准确级的选择 二次容量或二次负载的校验,电流互感器一次侧额定电压和额定电流选择,1.电流互感器一次侧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：式中 U1e、I1e电流互感器一次额定电压和电流。当周围实际环境温度大于40度时，I1e应乘以温度修正系数。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
18、电流的选择 电流互感器的二次额定电流有5A和1A两种。一般强电系统用5A，弱电系统用1A。,电流互感器准确级的选择,3.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。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0.51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11.5级的，相应的电流互感器应为0.51级。供只需估计电参数仪表的互感器可用3级的。,电流互感器二次容量或负载的校验,4.
19、电流互感器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Z2应不大于该准确级所规定的额定负载Z2n，即 Z2n Z2Zi+Rd+Rj Zi 电流互感器二次回路中所接仪表电流线圈 的总阻抗，可由附表15中查得。Rj 电流互感器二次连线的接触电阻，一般取为0.1。Rd 电流互感器二次联接导线的电阻。,不变,可变,（4）校验短路时的热必定性和机械稳定性 电流互感器的热稳定性，应按下式的条件判断，即（I1eKt）2tQd（或I2tdz）（6.78）式中：Kt为互感器热稳定倍数，即热稳定电流与额定一次电流之比，t为热稳定电流通过的时间（t=1s）；I1e为电流互感器一次额定电流。电流互感器机械稳定性，应按下式的条件判断，即（6.79）式中：Ku为电动力稳定倍数，即互感器允许承受的最大瞬时电流与额定电流振幅值之比；ich为短路电流冲击值。,
