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
2、则重新 选择，再校验。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,1、电器与载流导体正常工作下的发热容许温度 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。,发热的结果可能引起：发热导致金属材料的机械强度下降；发热导致电器设备的绝缘热老化；发热导致电能损耗增加；大电流甚至会烧毁电器（如导体之间的连接处）。为了防止出现以上情况，在电器与载流导体的选 择时
3、，要根据负荷电流选择电器的额定电流，根据 经济电流密度计算并选择导线截面。,2、电器和载流导体在正常工作容许发热下的过 载能力发热导致的温度升高，分两种情况：一种是长期 发热，另一种是短期发热。导体的散热形式有：传导、辐射和对流。无论是何种发热情况，其热平衡方程式都是：发热量=散热量+导致温度升高所需要的热量,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) (长期工作电流),2.短路电流通过导体时的发热和
4、电动力计算,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。,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,求解微分方程，得到稳定温升：最后得到：,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，需按采用的环境温度乘以校正系数Kt,2.
5、导体短时发热上面在进行导线温升计算时，并没有考虑一旦出现短路的情况，在导线中流过短路电流时，由于短路发生到消失过程很短暂，因此，可以认为，短路电流产生的热量几乎无法散发到大气中，也就是说，短路电流产生的热量全部为导线吸收。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。,短路电流引起的导体发热，可以不考虑发热过程中的散热。,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,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
6、成比例，因而称为短路电流的热效应,右边的积分结果为：则原积分式变为：,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 。 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。,3.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QZ(2) Qfi的计算 当td0.1s 当td0.1s,4.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
7、修正对于圆形导体，Kx=1,三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。,选择电气设备时短路计算点的确定在进行变电所电器设备选择时，需要对电器设备 进行热稳定和动稳定校验，进行上述校验的数据来源 于短路电流计算的结果，因此在进行上述校验前，要 进行短路计算，就必须首先确定假想短路点。把可能出现的最大短路电流计算出来，因此计算 短路电流的条件是最大运行方式下的最大短路电流。我们知道：在最大运行方式（可能投运的发电机 投入运行、可能出现的变压器并联运行方式、可能出 现的输电线路并联运行方式和可能
8、出现的母线运行方 式）的条件下，可能出现最大短路电流的短路故障,方式有三相短路和两相短路。如果变电所与电源之 间的电气距离较远，就取三相短路电流。在进行短路电流计算时，根据不同的用途分别计 算出不同时间的短路电流。通常在末端变电所的短路计算时，给出的条件是 变电所入口处的短路容量，实际上，这个短路容量 对应着一个短路电抗。在选择短路点时，要考虑到设备可能受到的最大 短路电流的影响。短路电流计算时，需要考虑系统是作为无穷大容 量电源出现还是有限容量电源出现。关于短路电流 计算的方法，可参照电力系统分析 有关章节内容。,确定假想短路点选择实例,三相双绕组牵引变压器的变电所110kV、27.5kV、
9、10kV短路计算如图所示，在这个图中，d2、d3、d4为电路上的同一节点，只要选择其中一个计算即可。,2.电气设备选择,变电所主要一次设备：断路器、隔离开关、母线、导线、电缆、绝缘子、电流互感器、电压互感器、避雷器、电抗器等。在进行变电所设计时，大量的数据来源于电力工程设计手册这一类的资料。一般来说：根据设备的运行地点、环境、正常工作电压和电流（含可能出现的过负荷情况）等初步确定选用的设备型号；根据短路计算参数对所初步选定的设备进行校验，如果校验通过，则所选设备合格，否则就要调整选择，对调整后的设备再校验，直至合格。,如果没有办法在现有设备中选出合格的，则要采取技术措施确保选择设备合格（如加限
10、流备）。,通常根据短路参数校验的项目，对于不同的设备 有所差别，主要校验项目有：动稳定（在短路电流 引起的电动力作用下，设备不会受到损坏）和热稳 定（短路电流发热不会造成设备的损坏）。通常，对于载流设备（如开关、母线）需要进行 热稳定校验，对于需要承受短路电流引起的电动力 的设备（如绝缘子、开关），需要进行动稳定校验， 有些设备只要进行上述两种校验之一（如绝缘子），而 有些设备则两种校验都要进行（如开关）。除了上述两种校验项目之外，其它的一些校验项目 则与具体的设备有关，如互感器的容量校验。,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
11、，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,母线和电缆的选择是根据不同的工作条件确定.设计内容有： 1）母线和电缆的导电截面积、 2）母线电缆的结构形式和材料 3）确定后进行动稳定校验和热稳定校验。,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
12、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,故导线截面的选择有两种方法： 1）根据最大长期工作电流，2）根据经济电流密度。根据经济电流密度选择导线的实际流程：一般来说，选择 导线时，首先确定导线材料，一般是先铝后铜，在铝导线不能 满足要求时才考虑铜导线，根据最大负荷利用小时数和导线材 料确定经济电流密度（查表），计算出导线截面，查表，选择 一款比计算截面大但最接近计算截面的导线。 根据最大长期工作电流选择导线的实际流程：根据给出的最 大长期工作电流，查表，取一款允许电流大于该长期工作电流 且最接近该电流的导线。注意
13、进行环境温度修正。根据经济电流密度选择的导线可能与根据最大长期工作电 流选择的导线不一样，但最终选择的导线截面一定能满足最大 长期工作电流的要求，一般情况下，用经济电流密度选择出来 的导线截面要大一些。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 线路而非母线，母线通常按照最大长期工作电流来选择其截面 积。,母线的校验,1.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,2.按短路条件校验母线的机械稳定性,（1）屋内安装的母线屋内
14、母线为硬母线，导线的截面形状以矩形居多（一般屋内 配电装置的电压等级较低，因此电流较大，为避免趋肤效应引起 导线电阻增大而选矩形）。屋内配电装置的导线从屋外引进时，需要通过墙体，在墙体中 的导线用穿墙套管防护，而在屋内，导线则需要用支持绝缘子固 定，因此，对于屋内安装的母线来说，在短路电流产生的电动力 作用下，母线不会产生变形是进行机械稳定性校验的目标。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：,母线的最大应力为：W为截面系数，或称抗弯
15、模量 母线的最大应力应小于材料的容许应力则认为母线的机械稳定性可以满足要求。,如果不满足要求，可以有两个调整方法：一是重新选择能满足要求的导线截面积、形状和导线放置方式；或者是改变支持绝缘子的位置。一般尽量不要采用增大导线截面的方法。,（2）屋外安装的母线屋外安装的母线和屋内安装的母线，在动稳定 校验上存在一定的差别，前者一般使用软母线（多 股导线，如钢芯铝绞线），而后者则一般使用硬母 线，在安装方式上也存在着差别，同时，自然环境 的差别也是原因之一。,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
16、.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
17、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
18、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
19、实际应用中，仍以平装母线较为常见。,电力电缆的构造及其选择电力电缆的构造电力电缆一般由导电芯线、绝缘层和防护层构成。导电芯 线可以是单股导线，也可以是多股导线，导电材料多是铜或 铝，其截面以圆形和扇形居多。绝缘层用于导体之间的绝缘保 护，以绝缘纸居多。电缆截面的选择、电缆热稳定校验与母线有关的计算相同 （一般不需要进行动稳定性校验），注意查表的差别。,支持绝缘子及穿墙套管的选择母线架设需要支持绝缘子，导线从屋外引进或引出到屋 内需要穿墙套管，对于穿墙套管，由于导线穿过其中，故 其导体必须按照长期最大工作电流选择，同样，其校验方 法与母线的校验方法相同，而支持绝缘子则需校验动稳定。选择时首先根据
20、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。（一）按电压选择要求绝缘子和穿墙套管的工作电压小于其允许最 大电压。户外安装的绝缘子需要进行爬距校验。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。,（二）按最大长期工作电流选择绝缘套管应满足IgIe； 其中Ig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,（三）按短路时热稳定性校验穿墙套管对于穿墙套管，有：（四）按短路时机械稳定性校验机械
21、强度穿墙套管在受力情况方面与支持绝缘子相似，其 受力计算公式为：N 式中：a为绝缘子的中心距， 和 分别为计算绝缘 子与其两侧绝缘子之间的距离，对于穿墙套管， 取 。,小结：支持绝缘子和穿墙套管选择与校验,式中，Fxu拉弯允许作用力，查产品手册；Fjs计算作用力；06安全系数。,第6节 开关设备的选择,1、高压断路器的选择 （一）断路器种类、形式的选择目前一般使用的断路器类型有：少油断路器、 真空断路器、SF6断路器，要根据使用场合和用途选 择断路器类型，少油断路器属于通用产品，如果没 有特殊要求，一般选少油断路器；真空断路器分合 闸时间短、允许动作次数多，一般频繁操作和对动 作时间有特殊要求
22、的场合使用；SF6断路器绝缘性能,好，一般用于高压系统中。（二）断路器额定电压、额定电流选择断路器的额定电压应按照断路器安装地点的工作 电压考虑，额定电流要大于断路器长期流过的最大 电流（短路电流除外）。应满足以下条件：且 （三）按开断电流或断路器断流容量选择 断路器的额定开断电流要求大于短路电流，取 何时间短路电流则要看保护的动作时间。,对于快速分闸开关（如真空开关），可以取短路 的次暂态电流为选择用短路电流。对于其它开关，则根据保护的最短动作时间加上 开关的固有分闸时间作为计算短路电流的时间。如果没有保护动作时间的资料，一般可按照 0.030.05秒计；如果没有断路器的固有分闸时间参 数，
23、一般可按照真空断路器，取0.05秒，其它断路 器取0.10.15秒。高压开关的额定开断电流或额定断流容量应满 足：或,为断路器额定开断电流。 为第t秒短路电 流，这个时间由两部分组成： 开关固有分闸时间+继电保护动作时间。 当短路发生后约0.1秒，一般来说，短路电流的 非周期分量就已经衰减完毕，可直接取短路电流的 周期分量计算。,要求：是开关厂家给出t秒的热稳定电流， 为短路 稳态电流， 为短路电流等值时间。对应着短路电流周期分量发热的等值时间，对应着短路电流非周期分量发热的等值时间。 可以通过查表获得， 也可以根据以下公式进行热稳定校验：短路电流周期分量和非周期分量的发热计算， 参见教科书P
24、233。,（四）热稳定校验,为故障切除时间。工程应用中，一般使用前一种方法。 （五）动稳定校验动稳定校验要求：值有开关参数查得。如SN10-10I的 ，SN10-10II的 。,3、高压熔断器的选择按额定电压选择同断路器。按熔管和熔体额定电流选择要求熔管的额定电流熔件的额定电流 电路 的最大长期工作电流。一般取：熔件额定电流=可靠系数负荷最大工 作电流。 4、高压熔断器校验开断电流校验分两种情况处理,对于无限流作用的熔断器，可按其额定开断电流 大于等于最大冲击电流有效值校验；否则按照额定开断电流大于等于短路起始周期 分量来校验，一般产品目录中给出熔断器在其额定 电压下的极限开断电流，可换算成在
25、电网电压下的 极限开断电流=额定电压下极限开断电流额定电压 与电网电压的比值。熔断器选择性配合的校验 熔断器熔断时间与流过的电流之间的关系为熔 体的安-秒特性，如果存在多级熔断器，就必须校验 熔断器之间的熔断选择性。如果存在线路保护，也要与保护进行配合（选择,性）。 5、负荷开关与隔离开关的选择及校验与高压断路器计算相似，无需校验断流容量或 开断短路电流。,小结：开关电器的选择与校验,第7节 仪用互感器的选择与校验,1、电压互感器的选择 电压互感器的选择包含以下内容： 额定电压选择 一般来说要根据测量监视点的电压等级来确定，要 求互感器原边电压满足：,按工作场所选择 户内、户外。 按构造选择，
26、采用油浸式普通结构或环氧树脂浇注干 式结构； ，采用串级式电压互感器。 精确度等级选择有测量仪表或继电器的形式和用途，确定电压互 感器的精确度等级，查表，获得互感器在该精确度 下的额定容量（校验用）。 一般来说，可以根据以下原则确定精确度等级：,计量用（接电能表），0.5级；供给监视用电能表、功率表或发电厂的电压继 电器，1级；供给监视用电压表、电压继电器，3级。 按副边负荷选择 要求：即副边负荷的总和小于相应精确度等级对应的额定 容量。 2、电流互感器的选择 按额定电压选择,即电流互感器安装位置的工作电压小于该电流互感 器允许的最大工作电压。 按额定电流选择即电流互感器安装位置的原边最大长期
27、工作电 流Iw max小于该电流互感器原边额定电流I1n 。以40为界，环境温度每降低1，I1n 可增加 0.5%，直至0.2I1n，当环境温度高于40时，则有按装置种类和互感器的型式选择电压等级610kV的电流互感器，多选择浇注绝,绝缘式，而电压等级为35kV及以上的电流互感器， 多选择户外型或安装在变压器、断路器套管中的。 按精确度等级和副边负荷选择 与电压互感器相似： 计量用（接电度表）：0.5级； 监视用电度表、功率表、发电厂电流表：1级； 监视用其它表计：3级； 只用于观测有无的表计：10级。 要求： 其中： 可以不考虑回路中的电抗，则有：,即为整个串联回路上所有的电阻之和，对于仪表
28、， 其电阻值可查产品手册获得，对于接头，按每个接 头0.1欧姆计，对于导线，根据截面积、导体材料和 导线长度计算。 热稳定校验 要求：不等式右边项的计算在本课程前面内容中讨论过。 不等式左边项数值可查表获得。 动稳定校验 分内部动稳定和外部动稳定两项。,动稳定倍数定义： 为电流互感器极限允 许通过电流与原边线圈额定电流峰值之比。 内部动稳定校验计算： 外部动稳定校验 （1）通过计算电流互感器端部受力完成外部动稳定 校验N 式中： 为电流互感器端部允许力，可由产品手册 查得；为电流互感器端部至最近一个支持绝缘子之间的距,离； 为相间距离。如果产品手册没有给出该值，而是给出了特定距 离（ ）的动稳定倍数 ，则可 用下式校验：其中： （2）如果电流互感器为母线式瓷套绝缘，动稳定决,定于短路电流作用在电流互感器端部瓷套帽处的应 力：N 其中： 为电流互感器瓷套帽端部与最近一个母线支 持绝缘子之间的距离；为电流互感器两端瓷套帽之间的距离。 注：不分结构的电流互感器不需要进行动稳定校验。,
