第五章 电气设备的选择

5 电气设备的选择

电气设备的选择是发电厂和变电所电气设计的主要内容之一。正确选择电气设备是电气主接线和配电装置达到安全、可靠、经济运行的重要条件。在进行电器选择时，应根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥地采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电气设备。尽管电力系统中各种电器的作用和工作条件并不一样，具体选择方法也不完全相同，但对它们的基本要求确是一致的。电气设备要可靠地工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验动、热稳定性。本设计，电气设备的选择包括：断路器和隔离开关的选择，电流、电压互感器的选择、导线的选择。

5.1 电气设备选择的一般原则

在变电所中，电气设备的种类很多，它们的工作条件和运行要求各不相同，但选择这些电气设备的基本要求确实一致的。选择电气设备的一般条件是：保证电气设备在正常工作条件不能可靠工作，而在短路情况下不被破坏。即按长期工作条件进行选择，按短路情况进行校验。

1.按正常工作条件选择

电气设备按正常工作条件选择，主要包括以下几个方面：

（1）使用环境条件：主要包括设备的安装地点、环境温度、海拔、相对湿度等，还要考虑防尘、防腐、防爆、防火等要求。即根据安装地点的坏境不同，可以分为室内型和室外型两种。

（2）额定电压：电气设备的额定电压应要不小于设备安装地点电网的最高工作电压，即：

（3）额定电流：电气设备的额定电流应不小于设备正常工作时的最大负荷电流，即：

目前，我国生产的电气设备是按环境温度设计的，如果安装地点的实际环境温度，则额定电流应乘以温度校正系数

式中，为电气设备长期工作时的最高允许温度；为设备安装地点的实际环境温度。

电气设备的最大长期工作电流，取线路的计算电流或变压器的额定电流。

2.按短路情况进行校验

（1）动稳定校验：动稳定是指电气设备承受短路电流力效应的能力，满足动稳定的条件是：

或

式中，、分别为电气设备允许通过的最大电流峰值和有效值；、分别为设备安装地点短路冲击电流的峰值和有效值。

（2）热稳定校验：热稳定是指电气设备承受短路电流热效应的能力，满足热稳定的条件是

式中，为电气设备在t时间内的热稳定电流（kA）；为三相短路稳态短路电流（kA）；t为厂家给出的热稳定试验时间（s）；t为假想时间（s）。

设备名称电压/kV电流/A 断流容量

/MV.A

短路电流效应检验

动稳定热稳定

高压断路器√√√√√高压隔离开关√√×√√高压负荷开关√√×√√熔断器√√√××低压断路器√√√××低压刀开关√√×××低压负荷开关√√×××电流互感器√√×√√电压互感器√√×××限流电抗器√√×√√消弧线圈√√×××

注：表中“√”表示选择此项，“×”表示不选择此项。

5.2 高压电气设备一般配置

5.2.1 断路器的配置

容量为100～300MW的发电机与双绕组变压器为单元接线时，在发电机与变压器之间不应该装设断路器，负荷开关或隔离开关，但应有可拆连接点。

5.2.2 隔离开关的配置

（1)容量为100MW及以上大机组于双绕组变压器为单元连接时，发电机出口不装设隔离开关，但应有可拆连接点；

（2)接在母线上的避雷器和电压互感器宜合用一组避雷器开关；

（3)断路器的两侧均应配置隔离开关，以便在断路器检修时隔离电源；

（4)中性点直接接地的普通型变压器均应通过隔离开关接地；

5.2.3 接地刀闸或接地器的配置

（1)为保证电器和母线的检修安全，35KV 及以上每段母线根据长度宜装设1～2组接地刀闸或接地线。

（2)63KV及以上配电装置的断路器两侧隔离开关和线路隔离开关的线路侧宜配置接地刀闸，双母线接线两组母线隔离开关的断路器侧可共用一组接地刀闸。

（3)63KV及以上主变压器进线隔离开关的主变压器侧宜装设一组接地刀闸。

5.2.4 电压互感器的配置

（1)电压互感器的数量和配置与主接线方式有关，并应满足测量、保护、同期和自动装置的要求，电压互感器的配置应能保证在运行方式改变时，保护装置不得失压，同期点的两侧都能取得电压。

（2)6～220KV电压等级的每组主母线的三相上装设电压互感器。

（3)当需要监视和检测线路侧有无电压时，出线侧的一相上应装设电压互感器

（4)当需要在330KV及以下主变压器回路中提取电压时，可尽量利用变压器电容式套管上的电压抽取装置。

（5)发电机出口一般装设两组电压互感器，供测量、保护和自动电压调整装置，当采用零序电压式匝间保护时，可再增设一组电压互感器。

5.2.5 电流互感器的配置

（1)凡装有断路器的回路均应装设电流互感器，其数量应满足测量仪表、保护和自动装置要求。

（2)在未设断路器的下列地点也应装设电流互感器，发电机和变压器的中性点、发电机和变压器的出口。

（3)对直接接地系统，一般按三相配置。对非直接接地系统，以具体要求按两相或三相配置。

5.2.6 避雷器的配置

（1)配电装置的每组母线上,应该装设避雷器，当进出线都装设避雷器时除外。

（2)220KV及以下变压器到避雷器的电气距离超过允许值时，应在变压器附近增设一组避雷器。

（3)下列情况的变压器中性点应装设避雷器：

1）直接接地系统中，变压器中性点为分级绝缘并且装有隔离开关时。

2）不接地和经消弧线圈接地系统中，多雷区的单进线变压器中性点上。

（4)单元接线的发电机出线宜装设一组避雷器。

（5)110～220KV 线路侧一般不装设避雷器。

5.2.7 母线的配置

根据目前电气技术的革新和配置趋势，参照《国家电网220kV变电站典型设计实施方案编制和推广应用手册》全封闭组合电器宜用于110KV及以上电网。35kV 及以下电网均选用高压开关柜。所以本次设计中220KV电压等级的电气配置均选用GIS，10KV及厂用电电压等级的电气配置均选用高压开关柜。

1)我国生产的封闭电器为全封闭组合电器。它将断路器、隔离开关、负荷开关、电流互感器、避雷器、母线、出线套管、电缆连接装置、间隔汇控柜等按接线要求组合在一起，构成高压配电装置。除汇控柜外，其余的元件均组合在接地的金属壳内，用环氧树脂等绝缘材料浇注的绝缘子支持导体，并充气体作为绝缘和断路器的灭弧介质。

2)全封闭组合电器与常规敞开式电器相比，其组成的配电装置具有占地面积小、运行可靠、检修周期长、不受外界环境影响等优点。适用于城市电网、严重污秽区和缩小占地后有明显经济价值的变电所。根据目前电气技术的革新和配置趋势，全封闭组合电器宜用于110KV及以上电网。所以本次设计中110KV和220KV电压等级的电气配置均选用全封闭组合电器。本次设计初选西安高压开关厂与三菱合作生产的SF6封闭式组合电器。、高压开关柜的配置

5.3 电气设备的选择条件

正确的选择电器是使电气主接线和配电装置达到安全、经济运行的重要条件。在进行电器选择时，应根据工程实际情况，在保证安全可靠的前提下，积极而稳妥的采用新技术，并注意节省投资，选择合适的电器。电器要能可靠的工作，必须按正常条件下进行选择，并按短路状态来校验热稳定和动稳定。

5.3.1 按正常工作条件选择电气设备

(1)额定电压和最高工作电压

电气设备所在电网的运行电压调压或负荷的变化，有时会高于电网的额定电压，故所选电气设备允许的最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压。通常，规定一般电气设备允许的最高工作电压为设备额定电压的1.1-1.15倍，而电网运行电压的波动范围，一般不超过电网额定电压的1.15倍。因此，在选择电气设备时，所选用的电气设备允许最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压，即。

(2)额定电流

电气设备的额定电流IN是指额定周围环境温度下，电气设备的长期允许电流。应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流，即。

由于发电机、调相机和变压器在电压降低5%时，出力保持不变，故其相应回路的为发电机、调相机或变压器的额定电流的1.05倍；若变压器有过负荷运行可能时，应按过负荷确定（1.3-2倍变压器额定电流）；母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机或变压器的；母线分段电抗器的应为母线上最大一台发电机跳闸时，保证该段母线负荷所需的电流，或最大一台发电机额定电流的50%～80%；出线回路的除考虑正常负荷电流外，还应考虑事故时由其他回路转移过来的负荷。

5.3.2 按短路情况校验

a.短路热稳定校验

短路电流通过电气设备时,电气设备各部分的温度应不超过允许值.满足热稳定的条件为：

式中：是短路电流产生的热效应，、t分别是电器允许通过的热稳定电流和时间。

b.电动力稳定校验

电动力稳定是电气设备承受短路电流机械效应的能力，亦称动稳定。满足动稳定的条件为：

或

式中、分别为短路冲击电流幅值和有效值；、分别为电气设备允许的动稳定电流的幅值和有效值。

同时，应按电气设备在特定的工程安装使用条件，对电气设备的机械负荷能力进行校验，即电气设备的端子允许荷载应大于设备引线在短路时的最大电动力。

下列几种情况可不校验热稳定或动稳定。

用熔断器保护的电气设备，其热稳定由熔断时间保证，故可不验算热稳定。

采用有限流电阻的熔断器保护的设备可不校验动稳定。

装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备可不验算动、热稳定。

c.短路计算时间

（1）热稳定短路计算时间。该时间用于校验电气设备在短路状态下的热稳定，其值为继电保护动作时间和相应断路器的全开断时间之和，即:

断路器全开断时间是指给断路器的分闸脉冲传送到断路器操动机构的跳闸线圈时起，到各相触头分离后电弧完全熄灭为止的时间段。显然，包括两个部分，即:

（2）短路开断计算时间。断路器不仅在电路中作为操作开关，而且在短路时要作为保护电器，能迅速可靠地切断短路电流。为此，断路器应能在动静触头刚分离时刻，可靠开断短路电流，该短路开断计算时间和断路器固有分闸时间之和，即：

对于无延时保护，为保护启动和执行机构时间之和，传统的电磁式保护装置

一般为0.05～0.06s，微机保护装置一般为0.016～0.03s。

5.4 断路器的选择

断路器的选择，除满足各项技术条件和环境条件之外，还要考虑到要便于安装调试和运行维护条件，并经济技术方面都比较后才能确定。根据目前我国断路器的生产情况，电压等级为10KV～220KV的电网一般选用少油断路器，而当少油断路器不能满足要求时，可以选用断路器。

项目额定电压额定电流开断电流短路关

合电流

热稳定动稳定

高压断路器

其中：、——分别为断路器和电网的额定电压（kV）——断路器的额定电流（kA）

——电网的最大负荷电流（kA）

——额定电压下能保证正常开断的最大的短路电流（kA）

——短路全电流值（kA）

——断路器的额定短路关合电流（kA）

——短路电流最大冲击值（kA）

5.4.1 220kV侧断路器的选择

1.主变断路器的选择与校验

流过断路器的最大持续工作电流：

具体选择及校验过程如下：

（1）额定电压选择：

（2）额定电流选择：A

选择SW6-220/1200型户外少油式断路器，技术数据如下表所示：

型号额定电压

(kV)

额定电流

（A）

额定

开断

电流

（kA）

极限

通过

电流

峰值

（kA）

热稳

定电

流

（kA ）

固有分闸时

间（S）

SW6-220/12

00

22012002155210.04

周期热效应，短路电流的热效应等于周期分量的热效应则：

短路的开断时间,故用校验。

冲击电流：

（1）热稳定校验：

所以满足热稳定性要求。

（2）动稳定校验：

所以满足动稳定性要求。

（3）开断电流校验：,则满足开断电流要求因此，所选断路器满足要求.

5.4.2 110kV侧断路器的选择

流过断路器的最大持续工作电流：

具体选择及校验过程如下：

（1）额定电压选择：

（2）额定电流选择：A

选择SW4-110/1000型户外少油式断路器，技术数据如下表所示：

型号额定电压

(kV)

额定电流

（A）

额定

开断

电流

（kA）

极限

通过

电流

峰值

（kA）

热稳

定电

流

（kA）

固有分闸时

间（S）

SW4-110/10

00

110100018.455210.06

周期热效应，短路电流的热效应等于周期分量的热效应则：

短路的开断时间,故用校验。

冲击电流：

（1）热稳定校验：

所以满足热稳定性要求。

（2）动稳定校验：

所以满足动稳定性要求。

（3）开断电流校验：,则满足开断电流要求。

因此，所选断路器满足要求。

5.5 隔离开关的选择

隔离开关通常与断路器配对使用，其主要功能是保证高压电器及装置在检修工作时的安全，不能用于切除断、投入负荷电流或开端短路电流，仅可允许用于不产生强大电弧的某些切换操作。其技术校验项目与断路器类似，如下表所示：

表5.5 高压隔离开关校验项目

项目额定电压额定电流开断电流

短路关

合电流

热稳定动稳定

隔离开关

其中：、——分别为隔离开关和电网的额定电压（kV）

——隔离开关的额定电流（kA）

——电网的最大负荷电流（kA）

——短路电流最大冲击值（kA）

5.5.1 220kV侧隔离开关的选择

1.主变侧隔离开关的选择与校验

具体选择及校验过程如下：

（1）额定电压选择：

（2）额定电流选择：A

选择GW4—220D/1000型户外式隔离开关，技术数据如下表所示：型号

额定电压

kV

额定电流

A

热稳定电流

（kA）

动稳定电流峰值

（kA）GW4—

220D/1000

110100021.580冲击电流：

（1）热稳定校验：

所以满足热稳定性要求。

（2）动稳定校验：

所以满足动稳定性要求。

5.5.2 110kV侧隔离开关的选择

1.主变侧隔离开关的选择与校验

具体选择及校验过程如下：

（1）额定电压选择：

（2）额定电流选择：A

选择GW4—110D/1000型户外式隔离开关，技术数据如下表所示：

型号额定电压

kV

额定电流

A

热稳定电流

（kA）

动稳定电流峰值

（kA）

GW4—

110D/1000

110100021.580冲击电流：

（1）热稳定校验：

所以满足热稳定性要求。

（2）动稳定校验：

所以满足动稳定性要求。

5.6 电流互感器的选择

电流互感器是电力系统中仪表、继电保护的二次设备获取一次回路电流信息的传感器。它将一次侧的大电流转变为小电流，电流互感器的一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表与继电保护装置等。为确保工作人员在接触测量仪表和继电保护时的安全,电流互感器的每一个二次绕组必须可靠接地，以防绕组间绝缘损坏而使二次部分长期存在高电压。其次电流互感器的二次侧不能出现开路状况，因为开路是互感器成了空载状态，磁通高出额定时许多除了产生大量铁耗损坏互感器外还在副边感应高压，危害人身安全。

5.6.1 电流互感器选择方法

电流互感器的选择主要考虑以下几点：参数选择、型式选择、一次额定电流选择、短路稳定校验、准确等级确定。

1．参数选择

电流互感器应按表5.8所列技术条件选择，并按表中使用环境条件校验。

电流互感器的二次额定电流有5A和1A两种，一般弱电系统用1A，强电系统用5A，当配电装置距离控制室较远时也可考虑用1A。二次级得数量决定于测量仪表、保护装置和自动装置的要求。一般情况下，测量仪表与保护装置分别接于不同的二次绕组，负责应采取措施，避免互相影响。

2．型式选择

35KV以下屋内配电装置的电流互感器，根据安装使用条件和产品情况，采用瓷绝缘结构或树脂浇注绝缘结构。

35KV以上配电装置一般采用油浸磁箱是绝缘结构的独立式电流互感器，在有条件时，如回路中有变压器套管、穿墙套管，应优先采用套管电流互感器，以节约投资、减少占地。选用母线式电流电流互感器时，应注意校核窗口允许穿过的母线尺寸。

3．一次回路电流电压的选择

一次回路电压和电流应满足：

测量用电流互感器，其一次额定电流应尽量选择比回路中正常工作电流大1/3左右，以保证测量仪器的最佳工作，并在过负荷时使仪表有适当的指示4．准确级和额定容量的选择

为保证测量仪表的准确度，互感器的的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。当所供仪表要求不同准确等级时，应按相应最高级别来确定电流互感器的准确等级下