电气设备的选择

2.6.1 电气设备选择的一般原则

变电所中尽管不同电气设备的运行要求和工作条件不一样，但对它们的基本技术要求是一致的，必须按长期正常工作条件进行选择，按短路情况校验动稳定和热稳定。各种电气设备进行选择和校验的项目，如表2.6.1所示。

表2.6.1 各种电气设备进行选择和校验的项目

注：√表示选择此项，×表示不选择此项。

1.按正常工作条件选择电气设备

电气设备按正常工作条件选择，主要包含以下几个方面。

（1）按工作电压选择。选用电气设备的最高工作电压不应低于所在系统的系统最高电压值。由于电气设备的允许最高工作电压为其额定电压UN的1.1～1.15倍，而因电力系统负荷变化和调压等引起的电网最高运行电压不超过电网额定电压UN的1.1倍，所以一般按电气设备的额定电压UN不得低于所在电网的额定电压UNS的条件来选择电气设备，即

UN≥UNS （2－10）

（2）按工作电流选择。选用导体的长期允许电流Ial（载流量）不得小于该回路最大持续工作电流Imax，当实际环境温度θ不同于导体的额定环境温度θ0（在我国一般取为＋40℃）时，其长期允许电流应该进行修正，K为综合修正系数。

式中，θmax为导体长期工作时的最高允许温度；θ为导体安装地点的实际环境温度。

对于断路器、隔离开关、组合电器、负荷开关等长期工作电气，在选择其额定电流IN时，应满足各种可能运行方式下回路最大持续工作电流Imax的要求，即

IN（或KIal）≥Imax （2－12）

（3）按当地环境条件校核。电气设备正常使用环境的海拔高度不超过1 000m，若海拔高度增加，由于空气稀薄，气压降低，空气绝缘强度会减弱，使电气对外绝缘水平降低而对内绝缘没有影响。安装在海拔高度高于1 000m不超过4 000m的电器设备：对外绝缘，海拔高度每升高100m，其外绝缘强度约下降1％；对于允许温升，当最高周围空气温度为40℃时，海拔高度每超过100m（以海拔高度1 000m为起点），允许温升降低0.3％。

我国目前生产的电气设备使用的额定环境温度为＋40℃。当周围空气温度在40～60℃时，环境温度每增高1℃，推荐减小额定电流1.8％；当周围空气温度低于＋40℃时，环境温度每降低1℃，推荐增加额定电流0.5％，但其最大过负荷不得超过额定电流的20％。选择电气设备的实际温度与其类别及安装场所（户内或户外）有关。

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，同时也要考虑防尘、防火、防爆、防腐等要求。

2.按短路条件校验热稳定和动稳定

1）电气设备热稳定性校验

电气设备能耐受短路电流流过时间内的热效应而不致损坏，则认为该电气设备对短路电流是热稳定的。

（1）导体通常按最小截面法校验热稳定。其满足热稳定的条件为

式中，Smin为导体（架空线路、母线、电缆）所需的最小截面积（mm2）；Qk为短路电流热效应（kA2·s）；C为热稳定系数（）。不同工作温度下裸导体的C值，Qk的计算和C值大小可以查阅相关设计手册。

（2）电器通常按热稳定电流及其通过时间来校验热稳定。其满足热稳定的条件为

式中，It为所选用电器t（单位为s）时间内允许通过的热稳定电流。

2）电气设备动稳定性校验

动稳定是指电气设备承受短路电流产生的电动力效应而不损坏的能力。电气设备动稳定按应力和电动力校验，电气设备满足动稳定的条件为

ies≥i M或 Ies≥IM （2－15）

式中，i M、IM分别为短路冲击电流的幅值和有效值，i M＝ KMI″，其中，I″为短路电流周期分量最大有效值（又称次暂态短路电流有效值），KM为冲击系数，取值与被校验电气设备的安装位置有关，发电机端取1.9，发电厂高压母线及发电机电压电抗器后取1.85，远离发电机时取1.8；ies、Ies分别为电气设备允许通过的动稳定电流幅值和有效值，生产厂商用此电流表示电器的动稳定特性，在此电流作用下电气设备能继续正常工作而不发生机械损坏。

2.6.2 电气设备的选择

在发电厂和变电所中，用来升压向电力系统或降压向用户输送电能的变压器，称为主变压器；用于两种电压等级之间交换电力的变压器，称为联络变压器；另外，用于本厂（所）自用电系统供电的厂（所）用变压器，称为自用变压器。发电厂、变电所中主变压器的选择包括变压器容量、台数和型式的选择。

1.发电厂主变压器的容量和台数

主变压器容量和台数的确定应该遵循以下原则。

1）发电机电压母线与系统之间的主变压器

其容量应按下列条件计算。

（1）母线上所连的发电机满输出运行时，在扣掉发电机电压最小值配负荷及厂用负荷后，母线上剩余的有功功率和无功功率应能通过主变压器送入系统，但不考虑稀有的最小负荷情况。

（2）当发电机电压母线上最大一台发电机组故障或检修时，母线上的主变压器应能从电力系统倒送功率，以满足发电机电压母线上最大负荷的需要。若发电厂在分期建设过程中发生上述情况，可考虑该主变压器的允许过负荷能力和限制非重要负荷措施。

（3）对于水电比重较大的电力系统，由于经济运行的要求，有时在丰水期可能停用火电厂的部分或全部机组，以节省燃料。此时，火电厂上的主变压器应有从系统倒送功率满足发电机电压母线上最大负荷需要的能力。

（4）按上述条件计算时，应考虑发电机电压母线上负荷的逐年发展。特别应注意发电厂初期运行，当发电机电压母线上负荷不大时，不影响本母线上所连的发电机向系统送电。

（5）发电机电压母线与系统连接的主变压器一般为两台。对于主要向发电机电压母线供电的地方电厂，系统电源仅作为备用，则允许只装设一台主变压器作为发电厂与系统间的联络。对于小型发电厂，接在发电机电压母线上的主变压器宜设置一台。若发电机电压母线上装设了两台或以上的主变压器，则当其中容量最大的一台主变压器退出运行时，其他主变压器在允许正常过负荷范围内，应能输送母线剩余功率的70％以上。

2）单元接线的主变压器

发电机与主变压器为单元接线时，主变压器的容量可按下列条件中的较大者选择。

（1）按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10％的裕度。

（2）按发电机的最大连续输出容量扣除本机组的厂用负荷。

当采用扩大单元接线时，应采用分裂绕组变压器，其容量应等于按上述（1）或（2）算出的两台机容量之和。

3）连接两种升高电压母线的联络变压器

（1）满足两种电压网络在各种不同运行方式下，网络间的有功和无功功率交换。

（2）其容量一般不小于接在两种电压母线上最大一台机组的容量，以保证最大一台机组故障或检修时，通过联络变压器来满足本侧负荷的要求；同时，也可在线路检修或故障时，通过联络变压器将剩余容量送入另一侧系统。

（3）为了布置和引接线的方便，联络变压器一般装设一台，最多不超过两台。

变电所主变压器的容量和台数的确定原则有以下几点。

（1）主变压器容量一般按变电所建成后5～10年的规划负荷选择，适当考虑远期10～20年的负荷发展。

（2）有一、二级负荷的变电所宜装设两台主变压器，当技术经济比较合理时，可装设两台以上主变压器；变电所有其他电源能保证主变压器故障停运后的一级负荷，则可装设一台主变压器。对地区性孤立的一次变电所或大型工业专用变电所，可设三台主变压器。凡装有两台及以上主变压器的变电所，其中一台主变压器事故停运后，其余主变压器容量应保证该所全部负荷的70％，在计及过负荷能力后的允许时间内，应保证用户中的一、二级负荷。

（3）变压器台数多，运行率可提高，但过多的台数会引起接线复杂，事故时，均匀转移负荷困难；单台变压器容量选择过大时，会引起短路容量太大和低压侧出线过多，不易馈出。因此，我国《城市电力网规划设计导则》规定，主变压器的台数不宜少于两台或多于四台；选择单台变压器容量不宜大于下列数值，即220kV，180MV·A；110kV，63MV·A；63kV， 31.5MV·A；35kV，20MV·A。

在一个城市电网中，同一级电压的主变压器单台容量规格不宜超过三种；在同一变电所中，同一级电压的主变压器宜采用相同的规格。

2.主变压器的型式

（1）相数的确定。发电厂、变电所主变压器采用三相或是单相，主要考虑变压器的制造条件、可靠性要求及运输条件等因数。特别是大型变压器，尤其需要考察运输的可能性，运输尺寸是否超过隧洞、涵洞、桥洞的允许通过限制，运输重量是否超过桥梁、车辆、船舶等运输工具的允许承载能力。

当不受运输条件限制时，330kV及以下变电所的主变压器和与容量为300MW及以下机组单元接线的主变压器，均应采用三相变压器；若受到运输条件限制，则宜选用两台小容量三相变压器代替一台大容量三相变压器，或选用单相变压器组。单相变压器组相对投资大、占地多、运行损耗也较大，同时配电装置结构复杂，也增加了维修工作量。500kV及以上变电所的主变压器和与容量为600MW机组单元接线的主变压器选用三相或单相，应综合运输和制造条件，经技术经济比较确定。当选用单相变压器组时，可根据系统和设备情况确定是否在本变电所（发电厂）或本地区装设一台备用相。

（2）绕组数的确定。变压器按其绕组数分类有双绕组式、三绕组式、自耦式以及低压绕组分裂式等型式。发电厂如以两种升高电压级向用户供电或与系统连接时，可以采用一台三绕组变压器或两台双绕组变压器；若两种升高电压均系中性点直接接地系统，且技术经济合理时，可选用自耦变压器。

最大机组容量为125MW及以下的发电厂以两种升高电压级向用户供电或与电力系统连接时，其主变压器宜采用三绕组变压器，但每个绕组的通过容量应达到该变压器额定容量的15％以上，否则绕组未能充分利用，反而不如选用两台双绕组变压器合理。通常一台三绕组变压器及其配套设备的价格，与满足同功能的两台双绕组变压器及其配套设备的价格相比要低。

容量为200MW及以上的机组，升压的主变压器一般采用双绕组变压器。发电机回路及厂用分支回路采用分相封闭母线；如高压和中压间需要联系时，可在发电厂设置联络变压器，其联络变压器宜选用三绕组变压器，低压绕组可作为厂用备用电源或厂用启动电源，也可连接无功补偿装置。当采用扩大单元接线时，应优先选用低压分裂绕组变压器，这样可以大大限制短路电流。

（3）连接组标号的确定。变压器三相绕组的连接组必须和系统电压相位一致，否则，不能并列运行。电力系统采用的绕组连接方式有Y（星形）连接和△（三角形）连接两种，采用何种连接方式应根据具体工程来确定。我国110kV及以上电压，变压器绕组都采用YN连接；35kV电压采用Y连接，其中性点多通过消弧线圈接地；35kV以下电压（不包括低压）都采用△连接。

在发电厂和变电所中，一般考虑系统或机组的同步并列要求以及限制3次谐波对电源的影响等因素，根据以上绕组连接方式的原则，三相变压器连接组标号一般都选用Yn，△11常规接线，尽量不选用全星形连接，如必须选用，应增加三角形连接的稳定绕组（配电变压器除外）。

（4）调压方式的确定。为保证发电厂或变电所的供电电压在允许范围内变化，一般通过变压器绕组的分接头开关切换，改变变压器高压绕组匝数，从而改变其电压比，实现电压调整。变压器分接头开关有两种切换方式：一种为不带电切换，称无励磁调压，通常调压范围为±5％，一般用于电压波动范围较小，且电压变化较少的场所；另一种为带负荷切换，称有载调压，通常调压范围为±8×1.25％，一般用于电压波动范围较大，且电压变化频繁的场所。因有载调压分接头开关，结构较复杂，价格较贵，对500kV变压器选用有载调压时，应经技术经济论证。对大型发电机的升压变压器可不设分接头。

（5）冷却方式的确定。变压器的冷却方式随其型式和容量不同而异，一般推荐油浸式自冷或风冷、强迫油循环水冷或风冷，强迫导向油循环风冷或水冷等几种类型。其中，强迫导向油循环风冷或水冷是利用潜油泵将冷油压入线圈之间、线饼之间和铁芯的油道中，使铁芯和绕组中的热量直接由具有一定流速的油带走，而热油到变压器的上层后由潜油泵抽出，经过风冷却器或水冷却器冷却后，再由潜油泵注入变压器油箱底部，构成变压器的油循环。

3.高压断路器的选择

（1）种类和型式选择。高压断路器应根据其安装地点、环境条件和使用技术条件等进行选择，还应考虑便于施工调试和运行维护，并进行必要的技术经济比较。35～220kV电网可选用少油断路器、SF6断路器或真空断路器；330kV及以上电网首选SF6断路器，也可选用真空断路器和少油断路器。

（2）额定电压与电流选择。断路器的额定电压UN按不得低于其所在电网额定电压UNS的条件来选择；断路器的额定电流IN按不得小于所在回路最大持续工作电流Imax的条件来选择。

（3）额定开断电流选择。断路器的额定开断电流INbr应不小于其触头刚分开时的断路电流有效值Ik，即

INbr≥Ik （2－16）

从发生短路到断路器的触头刚刚分开所经历的时间称为开断计算时间tbr，为保证断路器能开断最严重情况下的短路电流，开断计算时间等于主保护动作时间tpr与断路器固有分闸时间tin之和，即

tbr＝tpr＋tin

对于非快速动作断路器（其tbr≥0.1s），计算开断短路电流时可略去短路电流非周期分量的影响，简化用短路电流周期分量OS有效值I″校验断路器的开断能力，即

INbr≥I″ （2－17）

对于快速动作断路器（其tbr＜0.1s），当在发电机附近短路时，开断短路电流中非周期分量可能超过周期分量的20％，需要用tbr时刻的短路全电流有效值校验断路器的开断能力。

（4）额定关合电流选择。如果在断路器关合前已存在短路故障，则断路器合闸时也会产生电弧，为了保证断路器关合时不发生触头熔焊及合闸后能在继电保护控制下自动分闸切除故障，断路器额定关合电流i Nc1不应小于短路电流最大冲击值，即

i Nc1≥i M （2－18）

（5）热稳定与动稳定校验。热稳定应满足式（2－14），即

动稳定应满足式（2－15），即

ies≥i M或 Ies≥IM

4.电流互感器的选择

（1）种类和型式的选择。选择电流互感器应该根据安装地点（户内或户外）、安装方式（支持式、装入式和穿墙式）和一次绕组匝数（单匝LD、多匝LF和母线式LM），来选择其型式。

3～35kV户内配电装置的电流互感器，采用瓷绝缘结构或树脂浇注绝缘结构。35kV及以上配电装置的电流互感器，宜采用油浸瓷箱式、树脂浇注式、SF6气体绝缘结构或光纤式的独立式电流互感器。

（2）额定电压与电流的选择。电流互感器的额定电压UN按不得低于其安装回路的电网额定电压UNS选择；电流互感器的一次额定电流IN1按不应小于所在回路的最大持续工作电流Imax选择。

（3）准确级与额定容量的选择。为保证测量仪表的准确度，电流互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。用于电能计量的电流互感器，准确级不应低于0.5级，500kV宜采用0.2级；供运行监视仪表用的电流互感器，准确级不应低于1级；非重要回路测量仪表用的电流互感器，准确级可用3级；稳态保护用的电流互感器选用P级；暂态保护用的电流互感器选用TP级。

电流互感器的额定容量SN2是指在额定二次电流IN2和额定二次阻抗ZN2下运行时，二次绕组输出的容量，即，制造厂商一般提供电流互感器的ZN2（Ω）值。

为保证所选电流互感器的准确级，其最大相二次负荷S2应不大于所选准确级相应的额定容量，即

S2≤SN2

由和，可得

Z2L≤ZN2（2－19）

Z2L为电流互感器最大相二次负荷阻抗（Ω），若忽略阻抗中很小的电抗，则二次负荷阻抗为

Z2L＝Ra＋Rre＋Rl＋Rc

式中，Ra、Rre分别为测量仪表和继电器的电流线圈电阻（Ω），可由其线圈消耗的功率求得；Rl为仪表和继电器至电流互感器的连接导线电阻（Ω）；Rc为接触电阻（Ω），一般取0.1Ω。

（4）热稳定校验。对于带有一次绕组的电流互感器，需要进行热稳定校验，校验条件为

式中，It为电流互感器1s内允许通过的热稳定电流；Kt为电流互感器的1s内的热稳定倍数，Kt＝It／IN1。

（5）动稳定校验。当短路电流通过电流互感器时，会在其内部产生电动力。内部动稳定校验条件为

式中，ies、Kes分别为电流互感器的动稳定电流和动稳定电流倍数，Kes＝ies／IN1。

5.电压互感器的选择

（1）种类和型式的选择。应根据安装地点及使用条件来选择电压互感器的种类和型式。

3～35kV户内配电装置，一般采用油浸绝缘结构或树脂浇注绝缘结构的电磁式电压互感器，大多采用后者；35kV户外配电装置，宜采用油浸绝缘结构的电磁式电压互感器；110 kV及以上配电装置，当容量和状况度等级满足要求时，宜采用电容式电压互感器；SF6全封闭组合电器的电压互感器宜采用电磁式。

当需要测量零序电压时，3～20kV配电装置可以采用三相五柱式电压互感器，也可以采用三台单相式电压互感器。

（2）额定电压的选择。电压互感器一次侧绕组的额定电压应与安装地点的电网电压相同，二次侧绕组的额定电压标准化为100V。

（3）准确度等级和二次侧负荷的选择。根据测量时电压互感器误差的大小和用途，发电厂和变电所中电压互感器的准确级分为0.2、0.5、1、3级及3P和6P级（保护级）。为保证测量仪表的准确度，电压互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。

为保证所选电压互感器的准确级，其最大相二次负荷S2（V·A）应不大于所选准确级相应的一相额定容量SN2，否则，准确级将相应降低，校验条件为S2≤SN2，即

式中，Si，φi分别为接在同一相或相同相间的各仪表线圈消耗的视在功率和功率因数角。计算电压互感器二次侧负荷时，应该根据电压互感器和负荷的实际接线方式，查阅相关设计手册中给出的计算公式。选择电压互感器要注意的是，由于电压互感器的三相负荷通常并不相等，为了满足准确度要求，通常是按最大相负荷进行选择；连接电压互感器与测量仪表的铜线截面不得小于1.5mm2，铝线截面不得小于2.5mm2。

由于电压互感器的两侧都装有熔断器，所以，不需要进行短路电流的动稳定和热稳定性的校验。

6.高压熔断器的选择

1）额定电压选择

非限流式高压熔断器，其额定电压应大于或等于安装点电网的额定电压。限流式高压熔断器一般不宜使用在电网工作电压低于熔断器额定电压的电网中，以避免熔断器熔断截流时产生的过电压超过电网允许的2.5倍工作相电压。这是由于限流式高压熔断器灭弧能力很强，电流突然减小到零，其所在电路因具有电感而产生过电压。若将其用在低于其额定电压的电网中，因熔体较长，过电压高达3.5～4倍相电压，可能使其他电器因过电压而损坏；而将其用在等于其额定电压的电网中，过电压一般为2～2.5倍相电压，不超过电网允许的2.5倍工作相电压。

2）额定电流选择

高压熔断器的额定电流选择包括熔管额定电流和熔体额定电流的选择，其中熔管额定电流INt应按大于或等于熔体额定电流INs选择。

（1）保护35kV及以下电力变压器的熔体额定电流选择。应按通过变压器回路最大持续工作电流、变压器的励磁涌流和保护范围以外的短路电流及电动机自启动等引起的冲击电流时，其熔体不应误熔断来选择，即INs＝KImax。式中，K为系数，当不考虑电动机自启动时，可取1.1～1.3；当考虑电动机自启动时，可取1.5～2.0。

（2）保护并联电容器的熔体额定电流选择。应按电网电压升高、波形畸变引起电容器回路电流增大或运行中出现涌流时，其熔体不应误熔断来选择，即INS＝KINC。式中，K为系数，对于限流式熔断器，当保护一台电容器时，可取1.5～2.0，当保护一组电容器时，可取1.43～1.55；INC为电容器回路的额定电流。

（3）保护电压互感器高压熔断器，只需按额定电压和断流容量选择，熔体的选择只限承受电压互感器的励磁冲击电流，不必校验额定电流。

3）额定开断电流校验

（1）非限流式熔断器，用冲击电流的有效值IM进行校验，校验条件为INbr≥IM。

（2）限流式熔断器，因在短路电流达到最大值之前，已将其切断，故可不计非周期分量的影响，校验条件为INbr≥I″，式中，INbr为熔断器的额定开断电流，它与断流容量的关系为SNbr＝UNINbr。

（3）选择跌落式熔断器时，其断流容量应分别按上、下限值校验。开断电流应以短路全电流校验。

（4）后备熔断器除校验额定最大开断电流外，还应满足最小开断电流的要求。

4）选择性校验

选择熔体时，应保证前后两级熔断器之间、熔断器与电源侧或负荷侧继电保护之间的动作选择性，使它们的动作时间互相配合，熔断器的熔断时间可根据其安秒特性曲线和短路电流来确定。

7.隔离开关的选择

隔离开关没有灭弧装置，不能用来开断和接通负荷电流及短路电流，故没有开断电流和关合电流的校验。但隔离开关具有切合电感、电容性小电流的能力，在正常操作时，能可靠切除电压互感器、避雷器、空载母线、励磁电流不超过2A的空载变压器及电容电流不超过5A的空载线路等。

隔离开关的种类和型式选择应根据配电装置的布置特点和使用要求等因素进行综合技术经济比较后确定。隔离开关的额定电压、额定电流选择和热稳定、动稳定校验项目与断路器的相同。