第6章交流与直流牵引变电所设计

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：选择、 后进行校验，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。 针对设备校验，主要从发热和受力两个方面考虑。
1）计算最大负荷系数：
kp = Ip IM
I I p ---周期内平均电流值， M ---周期内最大电流值。
2）计算电流过载系数
KM = t 2 k pt + tM
t---一周期时间， t M ---最大负荷电流持续时间。 如果 K M > 1 ，则说明该设备可以过负荷运行。 该设备的最大允许工作电流为： K M • I e 以上计算的允许工作电流在进行导线和开关选择 的时候会用到。
实际环境温度t不是25℃时，需要对查表得到的I XU 乘以 温度修正系数 kθ ，其中 θ xu − t kθ = θ xu − 25 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。
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。
选择计算项目 校验计算项目 动稳定校验
长期最大工作电流 经济电流密度 热稳定校验
每种材料的导线都有一个经济电流密度（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： Ig S= jn 式中：I g 为导线长期工作电流（A），j n 为经济电流 密度（A/ mm 2 ）。 故导线截面的选择有两种方法：根据最大长期工作 根据最大长期工作 电流，根据经济电流密度。 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， 根据经济电流密度选择导线的实际流程 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
第6章 交流与直流牵引变电所设计 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，一般按照以下步骤进行： 1）选择供变电工程的主结线； 2）根据设备的工作正常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）； 3）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（如根据短路电流 校验、根据过电压进行耐压水平校验等）；
对于短路电流非周期分量热效应，一般情况下取：
t fz = 0.05β ''2
3、短路电流作用下母线电动力的计算
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： l F = 2i1i2 × 10 −7 牛 a 上式成立的前提条件是导线为细长导线（ l >> a ）
I t . xu = Kθ I xu
θ xu − t 式中： Kθ = 或通过查表获得。 θ xu − 25
实际计算时，可首先修正长期工作电流，即： I g . max ' I g . max = Kθ 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。
KS
上式与一阶电路的解具有相似的意义，当发热量 与散热量相等时，导体的最终温度将稳定下来，比热、 散热系数等可以通过查手册获得。
当导线电流减小后，导线温度下降，因此导线的冷 却时的温度变化量：
τ = τ we
−
t T
对于裸导线，导线电阻为R，导线的最终容许温度 为 τ XU ，则导体的容许电流为 I XU ： KSτ XU I XU = R 设计中采用的导线材料、导线安装方式、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。
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。 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 母线长期工作电流。即：
I xu ≥ I g . max
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一致时，通过下 式修正：
母线、 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。 本课程主要讨论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 地点、 地点 环境、 工作电压和电流（含可能出现的过负荷情况） 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。
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=导致温度升高所需要的热量+散热量。即：
QΣ dt = GCdτ + KSτdt
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/℃）；
比：
' I Z' β = I∞ 由图6.8周期分量等值时间曲线可以查出 ''
，从
tZ 而计算出 ，图中短路时间最大给出了5秒，如果大 于5秒，则 QZ 。查曲线时，需要知道短路 持续时间 t，这个时间可取为被保护设备的继电保护 z = t z (5) + t d − 5 td 最慢动作时间和开关的固有动作时间之和。
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，τ—导体温升。 注意：温度与温升的差别。 上式的解为：
τ = τ w (1 − e ) + τ 0 e
KS
− t T − t T
其中： w = QΣ 为稳态温升，T = GC 为温度变化 τ 时间常数， τ 0 为周围介质温度。
第3节 短路电流通过导体时的发热和电动 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。 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）：
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：
2 2 Qd = QZ + Q fZ = I ∞ t Z + I ∞ t fZ 计算出暂态短路电流周期分量与稳态短路电流之
第2节 电器与载流导体的发热和负载能力
1、电器与载流导正常工作下的发热容许温度
电器或载流导体中流过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，根据经 济电流密度计算并选择导线截面。
上式的最大值为：
l (3) 2 F = 1.73 × K x (ich ) × 10−7 a
上式就是计算导体承受短路电流时电动力的依据。
第4节 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。
否则就要引进修正系数 K x ，该修正系数可以通过查表 图6.10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，则中间导线 所承受的电动力最大：
l 2 F = 2 K x I m sin( 2ϖt − 240°) × 10 −7 a