供配电系统设备及电缆的选择要点

第五章供配电系统设备及电缆的选择
答案
5-1交流电弧产生的原因及熄灭的条件是什么？
答：电弧实际上是触头间气体在电场作用下产生的放电现象。

即触头间隙中的气体被游离产生大量的电子和离子，在强电场作用下，大量的带电粒子作走向运动，于是绝缘的气体就由于游离而成了导体。

电流通过这个游离区时所消耗的电能转换为热能和光能发出光和热的效应，以电弧的形式表现出来。

只要电流过零后，弧隙介质强度永远大于恢复电压，弧隙不再被击穿，电弧即熄灭；否则电弧会重燃。

5-2开关电器和熔断器的常用灭弧方式有哪些？各种灭弧方式依据的基本原理分别是什么？
答：开关电器和熔断器的常用的灭弧方式及其基本原理如下：
（1）磁吹灭弧：利用气体或油吹动电弧灭弧，广泛应用于各种电压的开关电器，特别是大容量高压断路器中。

（2）采用多断口灭弧：这种方式在高、中、低压开关中都有应用。

采用多断口是把电弧分割成多个电弧段，在相等的触头行程下，多断口比单断口的电弧门．拉长了，从而增大孤隙间隙，同时电弧被拉长的速度也增加了（即开断速度增加），也增大了介质强度的恢复速度。

由于加在每个断口的电压降低，使弧隙的恢复电压降低，因此灭弧性能更好。

（3）利用短弧的近阴极效应灭弧：灭弧栅灭弧由于近阴极效应的存在，可将电弧分割成许多短弧，利用其起始介质强度，当所有的阴极的介质强度总值大于加在触头上的电压时，电弧将会熄灭。

（4）利用固体介质的狭缝灭弧：这种灭弧方式是利用固体介质壁的冷却作用使电弧熄灭。

5-3试比较中压断路器、中压负荷开关和中压隔离开关的异同。

答：断路器不仅可以分合负荷电流，还能分断短路电流，即断路器应具有很好的灭弧能力，因此需要专用的灭弧装置。

中压断路器可以按安装地点分为户内式和户外式，但中压断路器一般都安装在成套配电装置内，所以大多做成户内式。

中压开关电器通常按灭弧室中的灭弧介质进行分类，主要有少油式断路器、真空断路器和六氟化硫断路器。

中压负荷开关具有简单的灭弧装置，常用来分合负荷电流和较小的过负荷电流，但不能分断短路电流。

负荷开关常与熔断器一起使用，利用熔断器切除故障电流，这种形式广泛用
于城网改造和农村电网。

目前，中压负荷开关主要有产气式、压气式、真空式和SF。

等类型，主要用于 10kV电网。

负荷开关也可分为户内式和户外式两大类。

中压隔离开关的主要功能是隔离电源，以保证需隔离设备和线路的检修安全及人身安全，隔离开关分断后具有明显的可见断开间隙，绝缘可靠，但隔离开关没有灭弧装置，不能带负荷分、合闸，不过可用来分合一定的小电流，如励磁电流不超过ZA的空载变压器、电容电流不超过SA的空载线路以及电压互感器和避雷器等。

中压隔离开关按安装地点分户内式和户外式两大类。

按有无接地开关可分为不接地、单接地、双接地三类。

5-4低压断路器的主要功能有哪些？
答：低压断路器又叫低压自动空气开关，是低压系统中既能分合负荷电流也能分断短路电流的开关电器。

低压断路器除了具有一般开关通断电路的功能外；同时还具有反映系统的故障状态，判断是否需要分断电路，并执行分断动作的功能，即具有对系统的保护功能。

5-5万能式低压断路器、塑料外壳式低压断路器和小型断路器的组成和功能上的主要区别是什么？
答：万能式低压断路器一般具有一个有绝缘衬垫的钢制框架，所有部件均安装在这个框架内，所以又成为框架式断路器。

万能式断路器有一般式、多功能式、高性能式和智能式等几种功能层次；有固定式、捅入式两种安装方式；有手动和电动两种操作方式。

万能式断路器同时具有瞬时、短延时和长延时动作的电流保护特性，主要用于低压配电网主干线的开关和保护。

塑料外壳式断路器的主要特征是有一个采用聚酯绝缘材料模压而成的外壳，所有部件都装在这个封闭型外壳中。

塑料外壳式断路器也有固定式、插入式两种安装方式。

大容量塑料外壳式断路器的操作机构采用储能式，小容量（50A以下）断路器常采用手柄扳动式。

塑料外壳式断路器一般只有瞬时和长延时的保护特性。

主要用于低压配电开关柜（箱）中，作配电线路、电动机、照明电路及电热器等设备的电源控制开关及保护。

在正常情况下，断路器可分别作为线路的不频繁投切及电动机的不频繁起动之用。

模数化小型断路器属于配电网的终端电器，是组成终端组合电器的主要部件之一。

终端电器是指装于线路末端的电器，对有关系统和用电设备进行分合控制和保护。

模数化小型断路器所有部件都置于一绝缘外壳中。

有的产品有报警开关、辅助触头组、分励脱扣器、欠电压脱扣器和漏电脱扣器等附件，供需要时选用。

模数化小型断路器一般也只有瞬时和长延时的保护特性。

主要用于线路和交流电动机等的电源控制开关及过载、短路等保护之用，广泛应用于工矿企业、建筑及家庭等场所。

5-6智能化断路器与普通断路器相比有哪些特点？
答：智能化断路器的特征是采用以微处理器或单片机为核心的智能控制器（智能脱扣器），它不仅具备普通断路器的各种保护功能，同时还具备实时显示电路中的各种电气参数（电流、电压、功率、功率因数等），对电路进行在线监视、自选调节、测量、试验、自诊断、可通信等功能；能够对各种保护功能的动作参数进行显示、设定和修改；保护电路动作时的故障参数能够存储在非易失存储器中。

5-7低压隔离器、刀开关的主要用途是什么？
答：低压隔离器在断开位置能符合规定的隔离功能要求的开关电器称为低压隔离器。

在对电气设备的带电部分进行维修时，必须一直保持这些部分处于无电状态，所以必须将电气设备从电网断开并隔离。

隔离器分断时能将电路中所有电流通路切断，并保持有效的隔离距离。

隔离器一般属于无载通、断电器，只能接通或分断“可忽略的电流”（指套管、母线、联接线和电缆等的分布电容电流和电压互感器或分压器的电流），但能承受正常电路条件下的电流以及短时非正常电路条件下（如短路）的电流。

低压隔离开关在断开位置能满足隔离器要求的开关称为低压隔离开关。

低压隔离开关是一种结构简单，应用十分广泛的手动电器，主要供无载通断电路用，即在不分断负载电流或分断时各极两触头间不会出现明显电压差的条件下接通或分断电路用。

有时也可用来通断较小工作电流、作为照明设备和小型电动机作不频繁操作的电源开关用。

5-8剩余电流保护装置的工作原理及作用是什么？
答：剩余电流保护装置又称为漏电保护装置，是对电气回路的不平衡电流进行检测而发出信号的装置，当回路中有电流泄漏且达到一定值时，剩余电流保护装置可向断路器发出跳闸信号，切断电路，以避免触电事故的发生或因泄漏电流造成火灾事故的发生。

剩余电流保护装置主要由零序电流互感器、漏电脱扣器、试验装置等组成。

其关键部件是零序电流互感器，用于测出电气回路的不平衡电流。

剩余电流保护装置必须与断路器或负荷开关配合使用。

若将剩余电流保护装置与断路器合成为一个电器，则称为剩余电流断路器；若将剩余电流保护装置与负荷开关合成为一个电器，则称为剩余电流开关。

剩余电流保护装置的脱扣器分为电磁式和电子式。

电磁式剩余电流保护装置能直接通过脱扣器操作断路器；而电子式则需经过电子放大器将信号放大后才能使脱扣器动作操作断路器，它需要专门的电源才能工作。

因此前者动作可靠性更高，但价格较高。

5-9中压、低压开关电器的选择应遵循哪些条件？
答：开关电器的选择原则具有共通性，即不仅要保证开关电器正常时的可靠工作，还应保证系统故障时，能承受短时的故障电流的作用，同时尚应满足不同的开关电器对电路分断能力的要求，因此，开关电器的选择应符合下列基本条件：
（一）满足正常工作条件
1．满足工作电压要求
2．满足工作电流要求
3．满足工作环境要求选择电气设备时，应考虑其适合运行环境条件要求，如：温度、风速、湿度、污秽、海拔、地震烈度等。

（二）满足短路故障时的动、热稳定条件
1．满足动稳定要求
2．满足热稳定要求开关电器自身可以承受的热脉冲应大于短路时最大可能出现的热脉冲，称为满足热稳定要求
（三）满足开关电器分断能力的要求
1．断路器断路器应能分断最大短路电流。

2．负荷开关负荷开关应能分断最大负荷电流
5-10什么叫熔断器的安秒特性？熔断器的种类有哪些？熔断器的选择应遵循哪些条件？答：熔体熔断时间与通过电流的关系，称为熔断器的安秒特性——又称保护特性。

熔断器分为中压和低压熔断器，其中低压熔断器一般有瓷播式、螺旋式、有填料高分断熔断器和自复式熔断器等几种类型。

熔断器的选择一般应该遵循以下几方面的原则：
（－）满足正常工作条件
1．满足工作电压要求
2．满足工作电流要求由于熔断器有熔断器额定电流和熔体额定电流之分，因此需对两个电流进行选择。

3．满足工作环境要求
（二）满足分断能力的要求
熔断器分为限流式熔断器和不限流式熔断器。

限流式熔断器能在约0015内（即短路电流达到最大值之前）熄灭电弧，切断电路；不限流的熔断器需在电流第一次过零时才能熄灭电弧，切断电路。

5-11互感器的作用是什么？电流互感器、电压互感器的工作特点分别是什么？
答：若欲了解供配电系统的工作情况，则需对其电流、电压等电气量进行测量。

然而，对于大电流、高电压的系统，不能直接将电流、电压表计接入系统，这就要将大电流、高电压成比例地变换为小电流、低电压。

通常利用互感器完成这种变换。

互感器的主要作用是：（1）互感器可使测量或保护用仪器仪表与系统一次回路隔离，避免短路电流流经仪器仪表，从而保证设备和人身安全。

（2）由于互感器一、二次侧只有磁的联系，而无电的直接联系，因而降低了二次仪表对绝缘水平的要求。

（3）互感器可将一次回路的高电压统一变为 100V或 100／3V的低电压，将一次回路中的大电流统一变换成5A的小电流。

电流互感器的工作特点如下：
（1）一次线圈串联在一次主电路中，匝数很少（有的只有一匝），而二次线圈匝数很多。

（2）二次侧所接的仪表和继电器等的线圈阻抗非常小，所以正常情况下电流互感器的二次侧是在接近短路状态下运行的。

（3）电流互感器二次绕组绝对不允许开路。

电压互感器的工作特点如下：
（1）一次绕组并联于电路上，匝数较多，而二次绕组匝数很少。

（2）二次侧所接测量仪表或继电器的电压线圈阻抗非常大，因此在正常运行时，电压互感器接近于空载状态。

（3）电压互感器二次侧短路时，二次回路会有短路电流通过，为避免其损坏互感器，电压互感器二次侧不允许短路。

5-12影响电流、电压互感器误差的因素分别是什么？
答：影响电流互感器误差的因素如下：
（1）一次侧电流大小会影响电流互感器的电流误差。

（2）二次侧负荷的大小也影响电流互感器的电流误差。

影响电压互感器误差的因素如下：
（1）电压互感器电压误差受互感器励磁电流的影响。

（2）二次侧负荷的大小也影响电压互感器的电压误差。

5-13互感器选择时应遵循哪些基本条件？
答：电流互感器选择应遵循以下几点：
电流互感器应能做到系统正常时长期运行，并取得准确度等级要求的电流传变值。

同时尚应能承受短时短路电流的作用。

1．满足工作电压要求
2．满足工作电流要求
3．应满足准确度等级的校验要求
4.电流互感器的动、热稳定困线路短路时，短路电流会流过电流互感器的一次绕组，所以应做动、热稳定校验。

电压互感器选择应遵循以下几点：
1．满足工作电压要求
2．应满足准确度等级的校验要求
5-14影响电缆载流量的因素是什么？
I是指：导线或电缆在某一特定的环境和敷设条件下，其稳定工作温度答：导线载流量al
不超过其绝缘允许最高持续工作温度的最大负载电流。

θ是指：电线、电缆在其布线的任一位置上，导线绝缘允许最高持续工作温度m ax
∙
N
其绝缘可在长期的持续工作情况下，不受严重损坏地承受的最高温度。

电流通过导线时会因电阻的存在而发热，电流越大，发热产生的温度升高越多。

探导线温度过高时，导线表面因与空气接触发生氧化，使表面电阻增加，从而发热进一步加剧，造成恶性循环，最后烧损线路；绝缘导线或电缆温度过高时，绝缘老化加剧直至损坏，引起短路故
θ低于导线绝缘允许的最高障。

因此当导线正常运行时必须使其发热稳定后的工作温度w
θ。

持续工作温度m ax
N
∙
5-15线路电压降、电压损失的区别是什么？什么叫电压偏差？
答：电压损失是指：线路首、末端电压的代数差。

电压降是指：线路首、末端电压的几何差。

电压偏差是指：当供配电系统改变运行方式或负荷缓慢变化，使系统各点的电压也随之变化时，各点的实际电压与系统标称电压的差值。

5-16什么叫经济电流密度？对其影响的因素有哪些？
答：从线缆选择的经济性角度出发，既要考虑一次投资的节约，也要考虑运行费用的低廉，即线路损耗小。

顾及两方面因素，线缆截面在满足基本运行要求的情况下，截面选择过大不利于一次投资的节约，过小又不利于线路损耗的降低。

使线路的平均年费用支出最小的截面A。

叫经济截面
cc
5-17电力线缆选择时应遵循哪些基本条件？
答：电力线缆的选择应符合如下条件：
（1）线缆应满足正常负荷下的长期运行条件；
（2）应能承受故障时故障电流，尤其是短路电流的短时作用；
（3）为保证电源质量，必须限制线路上的电压损失，以满足线路末端的电压偏差要求，即应该满足线路电压损失的要求；
（4）应满足机械强度要求；
（5）应考虑线路的经济运行。

5-18为什么电力变压器可以短时间过负荷运行？选择时应遵循哪些基本条件？
答：变压器额定容量是指变压器的额定视在功率（即额定电压和额定电流的乘积）。

变压器实际运行时负荷的视在功率超过其额定容量时，称为变压器过负荷。

变压器有一定的过负荷能力，其过负荷能力的大小主要取决于绝缘老化的速度，由如下因素决定：（1）选择变压器时，通常要考虑备用容量，因此变压器额定容量总是大于实际负荷的计算视在功率；其次，变压器的实际负荷是变动的，且实际的瞬时负荷大多数情况下小于计算负荷，即小于变压器的额定容量；此时实际运行时绝缘老化速度较变压器在额定参数下的老化速度慢，相当于延长了使用寿命，储备了一定的过负荷能力。

（2）变压器实际运行环境不一定等同额定工作环境，当实际运行环境较额定工作环境恶劣时，会加速变压器绝缘的老化速度，超支设备绝缘寿命；反之，则能节省绝缘寿命，也储备一定的过负荷能力。

由上述分析可知，变压器有能长期在过负荷情况下运行，但由于正常运行时大都或多偿或少地节省一些寿命，因此，当短时过负荷导致绝缘老化加剧而加速损耗的寿命可以得到补偿，具有一定的短时过负荷能力。

变压器台数的确定在供配电系统中，变压器台数与供电范围内用电负荷大小、性质、重要程度有关。

（1）三级负荷一般设一台变压器，但考虑现有开关设备开断容量的限制，所选单台变压器的额定容量一般不大于1250kVA ；当用电负荷所需的变压器容量大于1250kVA 时，通常应采用两台或更多台变压器。

（2）当季节性或昼夜性的负荷较多时，可将这些负荷采用单独的变压器供电，以便这些负荷不投入使用时，切除相应的供电变压器，减少空载损耗。

（3）当有较大的冲击性负荷时，为避免对其他负荷供电质量的影响，可单独设变压器对其供电。

（4）当有大量一、二级负荷时，为保证供电可靠性，应设两台或多台变压器。

以起到相互备用的作用。

变压器容量的确定
（1）单台变压器容量一般不大于1250kVA 。

若负荷集中且确有需要，可采用1600kVA 或更大的变压器。

（2）最大负荷率一般取为%85~%75/==rT c S S β，其中c S 为正常运行时的计算负荷。

这是综合考虑变压器的经济运行和变压器的一次投资得到的负荷率。

（3）两台变压器互为备用时，当一台变压器故障或检修，另一台变压器容量就能保证向所有一、二级负荷供电。

（4）变压器容量应能保证电动机起动要求，否则应对电动机采取降压起动措施或提高变压器容量。

一般来讲，直接起动的笼型电动机最大容量不应超过变压器容量的30％。

5-19 柴油发电机选择时应遵循哪些基本条件？
答：当对一级负荷中特别重要负荷供电时，或对一级负荷提供第二电源时，常使用柴油发电机组。

此时，柴油发电机组一般作为备用电源，为使其能迅速投入运行，一般采用高速发电机组，同时可使机组体积缩小、重量降低。

1．柴油发电机起动方式选择 柴油发电机组通常是为重要负荷而设，它的首要任务是必 赔应急情况下，能够可靠起动并投入正常运行，因此应具有快速自起动功能。

通常使用配 有整流充电设备的电压为24V 的蓄电池组作起动电源，其容量应保证柴油发电机连续起动6次。

同时，为了避免柴油发电机组与电网故障的相互影响，柴油发电机组应与电网之间有互销关系，不得并联运行。

当电网恢复供电后，柴油发电机组应能自动退出工作并延时停机。

2．柴油发电机中性点运行方式选择为降低系统内部过电压以及同时兼顾三相和单相设
备的供电，柴油发电机采用中性点直接接地的中性点运行方式。

3．柴油发电机台数的选择柴油发电机总台数一般不超过2台。

多台机组应选择型号、规格和特性相同的成套设备，所用燃油性质应一致。

4．柴油发电机容量的选择柴油发电机容量应根据应急负荷大小以及单台电动机最大的起动容量、起动时母线电压降等因素综合考虑确定。

5-20 某10kV 线路首端设隔离开关和断路器，线路上计算电流A I C 200=，线路首端短路电流kA I k 5.9=，短路冲击电流kA i sh 25=，假想时间S t im 4.1=，试选择隔离开关和断路器。

解：1 选择隔离开关（查Page294附录12）
（1）满足工作电压要求：kV U U N r 10==
（2）满足工作电流要求：A I A I I r C r 200,200==≥取
（3）满足动稳定要求：()A I kA i kA i r sh 200255.25max ==>=
（4）满足热稳定要求：S A t I t ⋅=⨯=222500510
S A t I im k ⋅=⨯=⋅22235.1264.15.9
显然，im k t t I t I 22>
故：选择G T GN 200/1068-型的隔离开关。

2 试选择SN10-10I 断路器（查Page293，附录11）
（1）满足工作电压要求：kV U U N r 10==
（2）满足工作电流要求：A I A I C r 200630=>=
（3）满足动稳定要求：kA i kA i sh 2540max =>=
（4）满足热稳定要求：S A t I t ⋅=⨯=2221024416
S A t I im k ⋅=⨯=⋅22235.1264.15.9
显然，im k t t I t I 22>
（5）满足分断能力要求：kA I kA I k br 5.916=>=
故：选择SN10-10I/630A 型的少油户内断路器。

同理，可选择ZN3-10Ⅱ/1000A 型真空户内断路器或LN2-10/1250A 型的六氟化硫（SF6）户内断路器。

5-21 有一条10kV 架空线路，全长3km ，在距首端2km 处接有计算负荷kW P 6801=，75.0cos 1=φ；末端接有计算负荷kW P 12502=，8.0cos 2=φ。

整条线路截面一致，采用TJ 型钢绞线，线路三角形排列，间距1m ，当地最热月平均气温为32℃。

线路允许电压损失为5％，试进行导线截面选择。

解：1 按导线载流量条件选择导线截面
P C =P 1+P 2=680+1250=1930kW
Q C = P 1tg φ1+ P 2 tg φ2=680tgarccos0.75+1250 tgarccos0.8≈1537.2kvar
kVA Q P S C C C 37.24672.153719302222≈+=+=
A U S I av C
C 45.14210337.24673≈⨯==
查P 300附录27，户外空气中敷设线路的环境温度定为最热月的日最高平均温度，即：C 0132='θ。

查P 300附录28，( C C a 010170,25==θθ)TJ-25的I a1=180A ，修正以后：
C a a a a I A I I >≈⨯--=-'-='4.16518025
703270111111θθθθ 故 选择TJ-25的线。

2 按电压损失校验导线截面
查P 306附录40，TJ-25线路单位长度阻抗值为：
m m r /702.00Ω=，m m x /37.00Ω=
()()
222221111%N U X q R p X q R p U +++=∆
()()3233310100010102
37.075.0arccos 10680702.010680-⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯=tg
()()%505.0101010300037.08.0arccos 101250702.010*******
33==⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯+-tg
所以，满足电压损失条件。

3 按机械强度条件校验
查P 299附录25，架空铜绞线10kV 线路在居民区的最小截面为25mm 2，在非居民区的最小截面为16mm 2。

所以，满足机械强度条件。

综上所述，选择TJ-25的导线。

5-22 某220／380V 线路，其上计算负荷为kW P c 250=，var 180k Q c =；线路长215m ，采用BV －500V 导线穿塑料管暗敷设，试选择导线截面。

解：1 先选相线
（1）按导线载流量条件选择导线截面
57.19438.0380100332222=⨯+=+==r c c r c
c U Q P U S I A
查Page302附录32，四根单芯线穿管（环境温度为300C ）时，2120mm A =ϕ的允许载
流量为201A>57.194=c I A 。

∴选择2
120mm A =ϕ
（2）按电压损失校验
查Page306附录40，管子布线的线路单位长度阻抗值（BV-500，2120mm A =ϕ） m m r o /146.0Ω=， m m x o /08.0Ω=
%5023.0380
21508.080215146.0100%22<≈⨯⨯+⨯⨯=+=∆N U qX pR U ∴满足电压损失条件
（3）按机械强度条件校验
查Page299附录26，铜芯线穿钢管敷设的最小截面为1mm 2。

∴满足机械强度条件。

故，选择2
120mm A =ϕ
2 选择零线截面
考虑为三相基本对称的动力负载，2601205.05.0mm A A N =⨯=≥ϕ。

∴选择270mm A N =。

3 选择保护线截面
∵2235120mm mm A >=ϕ
∴2601205.05.0mm A A PE =⨯==ϕ
∴选取2
70mm A PE =。

故：选择的7017011203500⨯+⨯+⨯--BV 导线。

5-23 某变电站计算负荷为：
（单相）照明设备负荷：520kV A ；（三相）动力设备负荷：620kV A ；其中一、二级负荷有600kw ；应急负荷为150kw 。

试选择变压器和柴油发电机的台数和容量，并说明原因。

（负荷功率因数为0.8）
解：由于有一、二级负荷，所以选用两台变压器；另有应急负荷150kW ，所以再选择一台柴油发电机。

1 选择变压器的容量
（1） 考虑两台变压器并列运行，互为热备用。

因为考虑一台变压器故障或检修时，另一
台变压器容量应能保证向所有一、二级负荷供电。

所以： ()
()
kVA P S S C C T r 5.9378
.0%80600cos =⨯=⋅==⋅ϕββⅠ、ⅡⅠ、Ⅱ 查变压器的容量等级系列，取kVA S T r 1000=⋅
（2） 设照明设备负荷与（三相）动力设备负荷功率因数均为0.8。

则： KVA S C 1140620520=+=
KVA S S C T r 5.7128
.0211402=⨯==⋅β 查变压器的容量等级系列，应取KVA S T r 800=⋅
（3） 综合（1）、（2）结果，应选择每台变压器的容量为1000kV A 。

2 选择柴油发电机的容量（只考虑应急负荷）
kVA p S n k K K C 5.1871
1508.01cos 1=⨯==∑=ηϕσ。