1、第 6章 交流与直流牵引变电所设第 章计第1节 概述变电所设计涉及的主要内容是变电所高压设备的选择，一般按照以下步骤进行：选择供变电工程的主结线 ；根据设备的正常工作条件对设备进行初步选择（ 如额定电压 额定电流 最大工作电流 户内还（ 、 、 、是户外等）；根据设备工作的异常工作条件对设备进行校验（如根据短路电流进行热稳定校验和动稳定校验、根据过电压进行耐压水平校验等 ）；）；如果校验通过，则所选设备可以正常工作，否则要重新选择 注意在选择设备时要注意工程的经济，性；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；完成配电装置的设计后，进行防雷系统的设计；在完成一次
2、系统的设计后，分别二次系统的控制、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 ；， ；对交流电源和直流电源系统进行设计。上述步骤仅仅是一个一般性的流程，在实际设计中，可能存在某些步骤的反复。对于具体的高压设备来说 ， 设计可归结为 ： 选， ： 选择、校验，如果校验通过，则选择合格，否则重新选择 再校验， 。对设备的选择依据通常是工作的正常条件。对设备的检验依据通常是设备工作的异常条件 。针对对设备校验，主要从发热和受力两个方面考虑。第 2节 电器与载流导体的发热和负载能力第 节1、电器与载流导体正常工作下的发热容许温度或载 中 发热 发电器 或载流导体中流 过
3、 的 电 流将导 致其 发热 ， 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，要根据负荷电流选择电器的额定电流。2、 电器和载流导体在 正 常 工 作容许发热下的过常 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 辐射和对流导 、 。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 即= 。 即 ：dtKSGCddtQ
4、+=热 源 有 ：电 流流 过 导体所产 生 的热 量 ， 涡流 损 耗产生的热量，介质损耗产生的热量等（焦耳）；导体温度升高所吸收的热量：G 导体质量（公斤 ） C导体比热 （ 焦耳 /公斤 ）；斤 ）， （ 焦耳 公斤 ）；散热：对于暴露在空气中导体，考虑其散热形式为辐射，K 散热系数（W/平方米 ），S 散热有效面积 导体温升， 。注意：温度与温升的差别。上式的解为 ：TtTtwee+=0)1( 其中： 为稳态温升， 为温度变化KSQw=KSGCT =时间常数。上式与 一 阶电路的解具有相似的意义 ， 当发热量阶电路的解具有相似的意义 ，与散热量相等时，导体的最终温度将稳定下来，比热 散
5、热系数等可以通过查手册获得热 、 。当导线电流减小后，导线温度下降，因此导线冷却时的温度变化量：t对于裸导线 导线电阻为 R 导线的最终容许温Twe=， ，度为 ，则导体的容许电流为 ：XUXUIKS设计中采用的导线材料 导线安装方式 导线RIXUXU=、 、 导线的运行环境等，对于导线的容许电流有很大的影响。导线的发热和散热计算是很复杂的，因此，按自然冷却条件（环境温度25、导体最高温度70）计算和编制了标准截面导线的长期允许电流表，供设计时查用。所以在设计时，对这种情况，一般就是查表 。上面的温升计算结果是在导线中 电流稳定 的情况下获得 。由于导线中流过的电流不是一个恒定值，因此导致导线
6、发热计算的复杂化，通常的做法是根据等效发热原则：把日负荷曲线分成若干段（视曲线的形状定），每段曲线中把最大负荷段单独划分出来 把剩下部分，根据持续平均电流产生的热量与除最大负荷电流外负荷 产生的热量相等的原则 可以计算出等效持续平均荷 ，电流，则导线温升曲线计算就是其温度上升，然后下降，再上升，在下降，最终找出导线的最高温升。1）计算最大负荷系数：pIk =-周期内除了最大电流以外的其他电流平均电流值， - 周期内最大电流值。MpIpIMI2）计算电流过载系数tt-一周期时间 ， -最大负荷电 流持续 时 间 。MpMttkK+=.2Mt间如果 1，则说明该设备可以过负荷运行。MK该设备的最大
7、允许工作电流为：以上计算的允许工作电流在进行导线和开关选择eMIK 的时候会用到。第 3节 短路电流通过导体时的发热和电动第 节力计算1 载流导体短路时的发热计算、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 由短路， ， 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 。的热 部为导线 收短路电流引起的导体发热，可以不考虑发热过程中的散热 因此导体温度与短路电流产生热量之间的，关系为（具体推导过程略）：szfzzAAQQ =+、 分别为短路电流周期分量和非周期
8、分量引起的热效应。 Az、 As 分别为短路起始和终了zQfzQ时的“热脉冲”。2、 短路电流周期分量和非周期分量热效应的计、算从前面的分析 ， 不难知道 ： 短路电流发热可以， ：分为两部分，一部分是短路电流周期分量的热效应，另 一 部分是非周期分量的热效应 。部分是非周期分量的热效应 。按理我们可以分别计算出短路电流周期和非周期分量短路电流的热效应后，获得短路电流的热效应，但是，实际上这是不可能的，因为短路电流是时间的函数 而且是非线性函数， 。当然，通过对短路电流函数的积分来获得结果，过积分值的计算也 是 件容易的事 对条给不过积分值的计算也不是 一 件容易的事 ， 对 于一 条给定的曲
9、线，我们当然可以实现其积分计算，但对于一条 确定的 线 则 分 会存在 差 从条不 是 确定的 曲 线 ， 则 积 分 结 果会存在误差 。 从 工 程实践的角度出发，对积分的结果精度也没有过高的要求 ， 因此 ， 实 际 上积分结 果 通 常 用若干时 间点 上 的值通过数值计算的方法获得。显然，在工程应用中，如果采取上述计算方法，则计算过程将会比较复杂，等值时间法计算导体的发热是一个简捷而有效的方法。由前述内容可知：导体发热温度计算实际上归结为短路电流在某一时间段上导体发热量的计算问题。等值时间法计算热效应的思想是 ： 用于计算热效应的：电流是 短路电流的稳态值 ，相应的短路电流周期分量发
10、热时间和短路非周期分量的发热时间不取以实际短路电流通过时间，而是分别以和来代替，从而有：22计算出暂态短路电流周期分量与稳态短路电流之fZZfZZdtItIQQQ+=+=I比：由周期分量等值时间曲线可以查出 ， 从而计=IZZt，算出 ，如果短路时间最大给出了5秒，如果大于5秒 则 查曲线时 需要知道 短路持续ZQ5+ttt秒 ， 则 。 ，)5(=dzz时间， 这个时间可取为被保护设备的继电保护最慢动作时间和开关的固有动作时间之和。对于短路电流非周期分量热效应 ， 一 般情况下，取：3 短路电流作用下母线电动力的计算205.0 =fzt、当导线中有电流通过时，在导线周围就会产生一个磁场，如果
11、附近存在导线且导线中流过电流，则该导线将受力 （ 电动力 ）， 对于空气中两平行细导线（ ），（中心间距为a，导线长度为 l），有：牛7102liiF牛上式成立的前提条件是导线为细长导线（ ）21=aal 否则就要引进修正系数 ，该修正系数可以通xK过查表获得。在三相交流电路中，流过导线的是交流电流，各相导线所受到的电动力是不同的，且每时刻的电动力也是不同的 如果三相导线平放在同 一 平面中 则， 平面中 ， 则中间导线所承受的电动力最大：2732 i (2 240 ) 10lFK I 上式的最大值为：s n2xmta= 上式就是计算导体承受短路电流时电动力的依据(3) 2 71.73 10x
12、chlFKia= 。第 4节 选择电气设备时短路计算点的确定第 节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， ， 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、 、 可能出现的输电线路并联运行方式和可能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式 ） ，方式有三相短路和两相短路。如果变电所与电源之间
13、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。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课程的有关章节内容。第5节 母线、电缆与支持绝缘子的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。本课程主要地设计变电所一次设备的选择和校验问题 。 在进行变电所设计时 大量的数据来源于 电。 ， 电力工程设计手册这一类的资料。般来说 根据设备的运行 地
14、点 环境 正常工一 ： 、 、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， ， 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（如加限流设备）。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
15、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， 。母线和电缆的选择是根据不同的工作条件确定，设计内容有 母线和电缆的导电截面积 母线和电： 、缆的结构形式和材料。确定后进行动稳定校验和热稳定校 验。校验计算项目选择计算项目动稳定校验热稳定校验经济电流密度长期最大工作电流母线的选择母线一般有硬母线和软母线，前者多用于屋内配电装置 后者在屋外配电装置中常用 导电材料， 。可以是铜或铝。
16、按最大长期工作电流选择母线截面要求根据导线允许温度查表获得的允许电流大于母线长期工作电流。即：II 查表获得的数据是在标准环境温度（25）下的数据 当环境温度高与该温度不 致时 通过下max.gxu， 一 致时 ，式修正：IKI式中 ： 或通过查表获得xuxut =.=xutK： 。实际计算时，可首先修正长期工作电流，即：25xuKIIggmax.max.=按经济电流密度选择母线截面导线发热损耗随着导线截面积的增加而降低 ，同时，导线截面积的增加将导致导线的投资和维护费用增加 考虑上述两条件可获得导线的年运行费，用，对应年运行费用最小值，就是导线的经济截面积积 。每种材料的导线都有 一 个经济
17、电流密度 （ 根据个经济电流密度 （ 根据最大负荷利用小时数），由导线的长期工作电流除以经济电流密度就可以获得导线的经济截面积 即 ：。 即 ：gjIS =式中： 为导线长期工作电流（A）， 为经济电流n2gInj密度（A/ ）。故导线截面的选择有两种方法： 根据最大长期工mm作电流 ，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 根据铜 ， ， 根据最大负荷利用小时数和导线材料确定 经 济电流密度济电流密度（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 。
18、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， 查表 ， 取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 ， 但最终选择的导线样 ，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 。母线的校验按短路条件校验母线的热稳定性母线的最小容许截面为：fzzQQCS +=1min式中的
19、C值可根据导线材料、短路发生的起始温度通过查表获得 。在这里提一点看法：在进行设计的时候，有很多参数我们不见得完全知道 如上面提到的短路，发生时 导线起始温度 ， 肯定是在环境温度的基础上，加上一个温差，这个温差取多少就与工作经验有关了了 。按短路条件校验母线的机械稳定性分别对屋内和屋外两种条件进行校验 。1屋内安装的母线屋内母线为硬母线，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 ， 因此电流多 （ ，较大，为避免趋肤效应引起导线电阻增大而选矩形 ）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，
20、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 。标 。对于跨距数大于2（对母线的支持点多于3），母线的最大弯距为 ：N.M（牛米）如果跨距数等于 2 则母线的最大弯距为 ：10FlM =， ：8FlM =对于截面积为W的母线，最大计算应力为：（ Pa）822)3(10731=li （ ）对于水平放置的母线，有 ，对于垂直.aWch2)6/1( bhW =放置的母线，有计算出导线的最大应力后，根据材料不同，查得hbW2)6/1(=导线的允许应力，应该有：如果不满足要求 ， 可以有两个调整方法 ： 一 是重xu ， ：新选择能满足要求
21、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 不过 一 般尽； 。 不过 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， （ 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 自然环境线 ， ， 同时 ，的差别也是原因之一。通过上面讨论的母线选择、校验计算方法，可以总结出来在一次设备的选择校验设计中需要关注的问题 ： 该设备需要进行哪些选择项目的计算 ？ 进行： ？ 进行哪些校验项目的计算？如果直接选择不到设备该如何处理 ？ 如果校验通不过该如何处理 ？ 存在多个选？ ？
