高压设备选择的基本原则

高压电气设备选择

第一节 高压电气设备选择的一般条件和原则

为了保障高压电气设备的可靠运行，高压电气设备选择与校验的一般条件有：按正常工作条件包括电压、电流、频率、开断电流等选择；按短路条件包括动稳定、热稳定校验；按环境工作条件如温度、湿度、海拔等选择。

由于各种高压电气设备具有不同的性能特点，选择与校验条件不尽相同，高压电气设备的选择与校验项目见表7-1。

表7-1 高压电气设备的选择与校验项目

设备名称 断路器 负荷开关 隔离开关 熔断器 电流互感器 电压互感器 支柱绝缘字 穿墙套管 母线 电缆 额定电压 额定电流 开断能力 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 短路电流校验 环境 其它 操作性能 操作性能 操作性能 上、下级间配合 二次负荷、准确等级 二次负荷、准确等级 动稳定 热稳定 条件 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 注：表中“√”为选择项目，“○”为校验项目。

一、按正常工作条件选择高压电气设备 （一）额定电压和最高工作电压

高压电气设备所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，常高于电网的额定电压，故所选电气设备允许最高工作电压Ualm不得低于所接电网的最高运行电压。 一般电气设备允许的最高工作电压可达1.1~1.15UN ，而实际电网的最高运行电压Usm一般不超过1.1UNs，因此在选择电气设备时，一般可按照电气设备的额定电压UN不低于装置地点电网额定电压UNs的条件选择，即

UN ≥UNs （7-1）

（二）额定电流

电气设备的额定电流IN是指在额定环境温度下，电气设备的长期允许通过电流。IN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Imax，即 IN ≥Imax （7-2） 计算时有以下几个应注意的问题：

（1）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Imax为发电机、调相机或变压器的额定电流的1.5倍；

（2）若变压器有过负荷运行可能时， Imax应按过负荷确定（1.3~2倍变压器额定电流）； （3）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Imax；

（4）出线回路的Imax除考虑正常负荷电流（包括线路损耗）外，还应考虑事故时由其它回路转移过来的负荷。

（三）按环境工作条件校验

在选择电气设备时，还应考虑电气设备安装地点的环境(尤须注意小环境)条件，当气温、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超过一般电气设备使用条件时，应采取措施。例如:当地区海拔超过制造部门的规定值时，由于大气压力、空气密度和湿度相应减少，使空气间隙和外绝缘的放电特性下降，一般当海拔在1000~3500m范围内，若海拔比厂家规定值每升高l00m，则电气设备允许最高工作电压要下降1%。当最高工作电压不能满足要求时，应采用高原型电气设备，或采用外绝缘提高一级的产品。对于110kV及以下电气设备，由于外绝缘裕度较大，可在海拔2000m以下使用。

当污秽等级超过使用规定时，可选用有利于防污的电瓷产品，当经济上合理时可采用屋内配电装置。

当周围环境温度θ0和电气设备额定环境温度不等时，其长期允许工作电流应乘以修正系数K，即

Ialθ?KIN??max??0IN （7-3）

?max??N我国目前生产的电气设备使用的额定环境温度θN=40℃。如周围环境温度θ0高于40℃(但低于60℃)时，其允许电流一般可按每增高1℃，额定电流减少1.8%进行修正，当环境温度低于40℃时，环境温度每降低1℃，额定电流可增加0.5%，但其最大电流不得超过额定电流的20%。

二、按短路条件校验 （一）短路热稳定校验

短路电流通过电气设备时，电气设备各部件温度(或发热效应)应不超过允许值。满足热稳定的条件为

Itt?I?tdz （7-4）

式中 It —由生产厂给出的电气设备在时间t秒内的热稳定电流。

I∞—短路稳态电流值。 t—与It相对应的时间。 tdz—短路电流热效应等值计算时间。 （二）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，也称动稳定。满足动稳定的条件为

22ies?ich (7-5) 或 Ies?Ich （7-6）

式中 ich、Ich—短路冲击电流幅值及其有效值；

ies 、Ies——电气设备允许通过的动稳定电流的幅值及其有效值。

下列几种情况可不校验热稳定或动稳定：

（1）用熔断器保护的电器，其热稳定由熔断时间保证，故可不校验热稳定。

（2）采用限流熔断器保护的设备，可不校验动稳定。

（3）装设在电压互感器回路中的裸导体和电气设备可不校验动、热稳定。 （三）短路电流计算条件

为使所选电气设备具有足够的可靠性、经济性和合理性，并在一定时期内适应电力系统发展的需要，作校验用的短路电流应按下列条件确定。

（1）容量和接线按本工程设计最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划(一般为本工程建成后5~10年)；其接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式，但不考虑在切换过程中可能短时并列的接线方式(如切换厂用变压器时的并列)。

（2）短路种类一般按三相短路验算，若其它种类短路较三相短路严重时，则应按最严重的情况验算。

（3）计算短路点选择通过电器的短路电流为最大的那些点为短路计算点。 （四）短路计算时间

校验热稳定的等值计算时间tdz为周期分量等值时间tz及非周期分量等值时间tfz之和，对无穷大容量系统，I???I?，显然tz按和短路电流持续时间相等,按继电保护动作时间tpr和相应断路器的全开断时间tab之和，即

tz=tb+tkd (7-7)

而 tkd=tgf+th

式中tkd—断路器全开断时间； td—保护动作时间；

tgf—断路器固有分闸时间，可查附录1；

th—断路器开断时电弧持续时间，对少油断路器为0.04~0.06s，对SF6和压缩空气断路器

约为0.02~0.04s。

开断电器应能在最严重的情况下开断短路电流，考虑到主保护拒动等原因，按最不利情况，取后备保护的动作时间。

第二节 高压断路器、隔离开关、重合器和分段器的选择

一、高压断路器的选择

高压断路器选择及校验条件除额定电压、额定电流、热稳定、动稳定校验外，还应注意以下几点：

（一）断路器种类和型式的选择

高压断路器应根据断路器安装地点、环境和使用条件等要求选择其种类和型式。由于少油断路器制造简单、价格便宜、维护工作量较少，故在3~220kV系统中应用较广，但近年来，真空断路器在35kV及以下电力系统中得到了广泛应用，有取代油断路器的趋势。SF6断路器也已在向中压10~35kV发展，并在城乡电网建设和改造中获得了应用。

高压断路器的操动机构，大多数是由制造厂配套供应，仅部分少油断路器有电磁式、弹簧式或液压式等几种型式的操动机构可供选择。一般电磁式操动机构需配专用的直流合闸电源，但其结构简单可靠；弹簧式结构比较复杂，调整要求较高；液压操动机构加工精度要求较高。操动机构的型式，可根据安装调试方便和运行可靠性进行选择。

（二）额定开断电流选择

在额定电压下，断路器能保证正常开断的最大短路电流称为额定开断电流。高压断路器的额定开断电流INbr，不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量Izt，即

INbr≥Izt （7-8）

当断路器的INbr较系统短路电流大很多时，为了简化计算，也可用次暂态电流I\进行选择即

INbr≥I\ （7-9）

我国生产的高压断路器在做型式试验时，仅计入了20%的非周期分量。一般中、慢速断路器，由于开断时间较长(>0.1s)，短路电流非周期分量衰减较多，能满足国家标准规定的非周期分量不超过周期分量幅值20%的要求。使用快速保护和高速断路器时，其开断时间小于0.1s，当在电源附近短路时，短路电流的非周期分量可能超过周期分量的20%，因此需要进行验算。短路全电流的计算方法可参考有关手册，如计算结果非周期分量超过20%以上时，订货时应向制造部门提出要求。

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。 （三）短路关合电流的选择

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，动、静触头间在未接触时即有巨大的短路电流通过(预击穿)，更容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，此时还要求能够切断短路电流，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iNcl不应小于短路电流最大冲击值ich ， 即

iNcl≥ich (7-10)

二、隔离开关的选择

隔离开关选择及校验条件除额定电压、额定电流、热稳定、动稳定校验（以上参见本章第一节）外，还应注意其种类和形式的选择，尤其屋外式隔离开关的型式较多，对配电装置的布置和占地面积影响很大，因此其型式应根据配电装置特点和要求以及技术经济条件来确定。

隔离开关选型参考表

使用场合 特 点 参 考 型 号 GN2，GN6，GN8，GN19 GN10 GN11 GN18，GN22，GN2 GN14 大电流10000~13000A 220kV及以下各型配电装置 屋 高型，硬母线布置 外 硬母线布置 20kV及以上中型配电装置 双柱式，220kV及以下 V型，35~110kV 单柱式，220~500 kV 三柱式，220~500 kV GW4 GW5 GW6 GW7 屋内配电装置成套高压开关柜 三级， 10kV以下 单极，大电流3000~13000A 屋 三级，15kV，200~600A 发电机回路，大电流回路 内 单极，插入式结构，带封闭罩20 kV， 三级，10kV，大电流2000~3000A

[例7-1] 如右图所示降压变电所中一台变压器，容量为7500kVA，其短路电压百分值为Ud%=7.5，二次母线电压为10kV，变电所由无限大容量系统供电，二次母线上短路电流为 I\∞=5.5kA。作用于高压断路器的定时限保护装置的动作时限为ls，瞬时动作的保护装置的动作时限为0.05s，拟采用高速动作的高压断路器，其固有开断时间为0.05s，灭弧时间为0.05s，断路器全开断时间则为tkd=0.05+0.05=0.1s，试选择高压断路器与隔离开关。

解：通过所选断路器的工作电流为

I.max=

75003UN=

75003?10=433A

短路电流冲击值为 ich=2.55 I\短路电流热效应的等值计算时间为

tz=t=tb+tkd=1+0.1=1.1s>1s,可忽略tfz,z则 tdz= tz=1.1s

根据上述计算数据结合具体情况和选择条件，由产品样本或附录1、2选择户内SN10-10I-600型的高压断路器和GN7-10-600型的隔离开关，经短路稳定性校验，均合格。将计算数据和其额定数据列于表7-3中，并选取CD10与CS7-lT型操作机构。

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