第四章 电气设备的安全选用

第一节 高压电器的安全选用

一、选用电器的技术条件

选择的高压电器，应能在长期工作条件下发生过电压、过电流的情况下保持正常运行。各种高压电器的一般技术条件如表4-1所示。

（一）长期工作条件

1.电压

选用的电器允许最高工作电压Umax不得低于该回路的最高运行电压Ug，即Umax≥Ug，三相交流3kV及以上设备的最高电压见表4-2。

2.电流

选用电器额定电流IN不得低于所在回路各种可能运行方式下的持续工作电流Ig，即IN≥Ig。

不同回路的持续工作电流可按表4-3中所列原则计算。

由于变压器短时过载能力很大，双回路出线的工作电流变化幅度也较大，故其计算工作电流应根据实际需要确定。

高压电器没有明确的过载能力，所以在选择其额定电流时，应满足各种可能运行方式下回路持续工作电流的要求。

3.机械荷载

所选电器端子的允许荷载，应大于电器引线在正常运行和短路时的最大作用力。各种电器的允许荷载见相应各节。

电器机械何载的安全系数，由制造部门在产品制造中统一考虑。套管和绝缘子的安全系数不应小于表4-4所列数值。

（二）绝缘水平

在工作电压和过电压的作用下，电器的内外绝缘应保证必要的可靠性。电器的绝缘水平，应按电网中出现的各种过电压和保护设备相应的保护水平来确定。当所选电器的绝缘水平低于国家规定的标准数值时，应通过绝缘配合计算，选用适当过电压保护设备。

二、环境条件要求

（一）温度

选择电器用的环境温度按表4-5选取。

按国标《交流高压电器在长期工作时的发热》的规定，普通高压电器在环境最高温度为＋40℃时，允许按额定电流长期工作。当电器安装点的环境温度高于＋40℃（但不高于60℃时），每增高1℃，建议额定电流减少1.8%；当低于＋40℃时，每降低1℃，建议额定电流增加0.5%，但总的增加值不得超过额定电流的20%。

普通高压电器一般可在环境最低温度为一30℃时正常运行。在高寒地区，应选择能适应环境最低温度为一40℃的高寒电器。

在年最高温度超过40℃，而长期处于低湿度的干热地区，应选用型号带“TA”字样的干热带型产品。

（二）日照

屋外高压电器在日照影响下将产生附加温度。但高压电器的发热试验在避免阳光直射的条件下进行的。如果制造部门未能提出产品在日照下额定载流量下降的数据，在设计中可暂按电器额定电流的80%选择设备。

在进行试验或计算时，日照强度取0.1W/cm2，风速取0.5m/s。

（三）风速

一般高压电器可在风速不大于35m/s的环境下使用。

选择电器时所用的最大风速，可取离地10m高、30年一遇的10min平均最大风速。最大设计风速超过35m/s地区，可在屋外配电装置的布置采取措施。阵风对屋外电器及电瓷产品的影响，应由制造部门在产品设计中考虑，可不做为选择电器的条件。

对于台风经常侵袭或最大风速超过35m/s的地区，除向制造部门提出特殊订货外，在设计布置时应采取有效防护措施，如降低安装高度、加强基础固定等。

（四）冰雪

在积雪和覆冰严重的地区，应采取措施防止冰串引起瓷件绝缘对地闪络。

隔离开关的破冰厚度一般为10mm。在重冰区（如云贵高原，山东、河南部分地区，湘中、粤北重冰地带以及东北部分地区），所选隔离开关的破冰厚度应大于安装场所的最大覆冰厚度。

（五）湿度

选择电器运行允许的湿度，应采用当地相对湿度最高月份的平均相对湿度（相对湿度——在一定温度下，空气中实际水汽压强值与饱和水汽压强值之比；最高月份的平均相对湿度——该月中日最大相对湿度值的月平均值）。对湿度较高的场所（如岸边水泵房等），应采用该处实际相对湿度。当无资料时，可取比当地湿度最高月份平均值高5%的相对湿度。

一般高压电器可使用在＋20℃，相对湿度为90%的环境中（电流互感器为85%）。在长江以南和沿海地区，当相对湿度超过一般产品使用标准时，应选用湿热带型高压电器。这类产品的型号后面一般都标有“TH”字样。

湿热带型高压电器的使用环境条件见表4-6。

（六）污秽

在距海岸1～2km或盐场附近的盐雾场所，在火电厂、炼油厂、冶炼厂、石油化工厂和水泥厂等附近含有由工厂排出的二氧化硫、硫化氢、氨、氯等成分烟气、粉尘等场所，在潮湿的气候下将形成腐蚀性或导电的物质。污秽地区内各种污物对电气设备的危害，取决于污秽物质的导电性、吸水性、附着力、数量、比重及距污源的距离和气象条件。在工程设计中，应根据污秽情况选用下列措施：

（1）增大电瓷外绝缘的有效泄漏比距或选用有利于防污的电瓷造型，大小伞、大倾角、钟罩式等特制绝缘子。

（2）采用屋内配电装置。2级及以上污秽区的63～110kV配电装置采用屋内型。当技术经济合理时，污秽区220kV配电装置也可采用屋内型。

发电厂、变电所污秽分级标准见表4-7。

（七）海拔

电器的一般使用条件为海拔高度不超过1000m。海拔超过1000m的地区称为高原地区。

高原环境条件的特点是：气压气温低，日温差大，绝对湿度低，日照强。对电器的绝缘、温升、灭弧、老化等的影响是多方面的。

在高原地区，由于气温降低足够补偿海拔对温升的影响，因而在实际使用中其额定电流值可与一般地区相同。

对安装在海拔超过1000m地区的电器外绝缘一般应加强，可选用高原型产品或选用外绝缘提高一级的产品。在海拔3000m以下地区，220kV及以下配电装置也可选用性能良好的避雷器来保护一般电器的外绝缘。

由于现有110kV及以下大多数电器的外绝缘有一定裕度，故可使用在海拔2000m以下的地区。

高原电器使用的环境条件是表4-8。

（八）地震

地震对电器的影响主要是地震波的频率和地震振动的加速度。一般电器的固有振动频率与地震振动频率很接近，应设法防止共振的发生，并加大电器的阻尼比。地震振动的加速度与地震烈度和地基有关，通常用重力加速度g的倍数表示。

选择电器时，应根据当地的地震烈度选用能够满足地震要求的产品。电器的辅助设备应具有与主设备相同的抗震能力。一般电器产品可以耐受地震烈度为8度的地震力。在安装时，应考虑支架对地震力的放大作用。根据有关规程的规定，地震基本烈度为7度及以下地区的电器可不采取防震措施。在7度以上地区，电器应能承受的地震力，可按表4-9所列加速度值和电器的质量进行计算。

三、高压断路器的安全选用

（一）参数选择

断路器及其操动机构应按表4-10所列技术条件选择，并按表中使用环境条件校验。

表4-10中一般项目按本节有关要求进行选择，并补充说明如下：

（1）频率的要求主要针对进出口产品。

（2）断路器的额定关合电流，不应小于短路冲击电流值。

（3）关于分合闸时间，对于110kV以上的电网，当电力系统稳定要求快速切除故障时，分闸时间不宜大于0.04s。用于电器制动回路的断路器，其合闸时间不宜大于0.04～0.06s。

（4）当断路器的两端为互不联系的电源时，设计中应按以下要求校验：

1）断路器断口间的绝缘水平应满足另一侧出现工频反相电压的要求。

2）在反相下操作时的开断电流不超过断路器的额定反相开断电流。

3）断路器同极断口间的泄漏比距为对地的1.5倍。

当缺乏上述技术参数时，应要求制造部门进行补充试验。

（5）不应选用手动操作机构。

（二）型式选择

断路器型式的选择，除应满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑便于施工调试和运行维护，并经技术经济比较后确定。一般可按表4-11所列原则选型。

四、隔离开关的安全选择

隔离开关没有灭弧装置，所以它只用于断路器切断状态下，作为接通和切断电源之用。《电力设计技术规范》规定，隔离开关也可以在下列情况下做小功率操作：

（1）切合电压互感器和避雷器回路。

（2）切合励磁电流不超过2A的空载变压器。

（3）切合电容电流不超过2A的空载线路。

（4）切合电压为10kV及以下，电流为15A以下的线路。

（5）切合电压为10kV及以下，环路均衡电流为70A及以下的环路。

隔离开关因无切断故障电流的要求，所以它只根据一般条件进行选择。

五、负荷开关的安全选择

高压负荷开关专门用在高压装置中通断负荷电流，为此负荷开关具有灭弧装置。但它的断流能力不大，因此不能用于开断短路电流。在使用负荷开关时，线路的短路故障电流借助与它串联的高压熔断器进行保护。

在选择负荷开关时，也应根据一般条件来选择。

六、高压熔断器的安全选择

常用的高压熔断器有RN型户内式和RW型户外式两类。其中RN1型适用于3～5kV电力线路和电气设备做短路和过负荷保护；RN2型适用于3～35kV的电压互感器做短路保护；RW型适用于一般户外场所，做电力线路和电力变压器的短路保护，以及做小容量变压器的接通和断开之用。

选择高压熔断器，除应按照一般条件，满足工作电压和工作电流外，还应考虑其断流容量。其关系式为：

式中 UN、IN——断路器及熔体额定电压和额定电流，kV，A；

Ug、Ig——回路工作电压和持续工作电流kV，A；

Sdn、Idn——熔断器额定断流容量和额定断流量MVA，kA；

——短路容量和短路电流MV，kA。

七、电流互感器和电压互感器的安全选择

（一）电流互感器的选择

电流互感器的二次侧额定电流一般是5A。在选择电流互感器时除了按照元件的一般条件进行选择和校验外，因为它是作为测量用的，所以对于测量的准确度是有一定要求的。

电流互感器的准确度通常分为很多等级，如0.2级、0.5级、1级、3级等，如果功率消耗超过该准确度所允许的数值范围，则电流互感器的准确度将降低。

电流互感器二次侧的负载包括所有接仪表和继电器电流线圈的电阻、导线电阻及连接处的接触电阻等。

保证电流互感器准确度的条件为：

PLH.N——电流互感器在某一准确度下的额定容量，W；

I2N——电流互感器二次侧额定电流，5A；

∑R——测量仪表及继电器电流线圈总电阻，Ω，可由手册中查出；

0.1——接触电阻值，Ω；

R＇——连接导线的计算电阻，Ω。

实际上，连接导线的电阻R＇应小于R，否则不能满足准确度的要求。通常连接导线的长度小于2m，其截面大于（或等于）2.5mm2。

（二）电压互感器的选择

选择电压互感器除了考虑它的型式和额定电压，也要考虑它的准确度。和电流互感器一样，也要使它二次侧所接的负荷（电压表和其他仪表及继电器的电压线圈）不得超过其额定负荷。即：

SN≥Sfz

式中 SN——电压互感器的额定容量，kVA；

Sfz——电压互感器二次侧连接负荷所消耗的功率，W。

实用中，需注意负载应尽量在电压互感器二次侧上分布平衡；电压互感器和负载的连接线截面一般取1.5～40mm2。

八、母线、绝缘子和穿墙套管的安全选择

（一）母线的选择

母线的常用材料是铜和铝。

母线的形状大多采用矩形。其固定方式多为横设和立设，横设电线的允许载流量较立设的小5%～8%，但能承受较大的机械作用力。

选择母线截面常按经济电流密度法：

式中 Sjn——母线的经济截面，mm2；

Ijs——母线的计算负荷电流，A；

Jn——经济电流密度，A/mm2。

常用圆形母线的技术数据见表4-12。

（二）绝缘子及穿墙套管的选择

绝缘子通常在支柱式和套管式。支柱式用于支持电器的载流部分；套管式用于穿过墙壁的导线。所有绝缘子都需按照额定电压、装置种类和允许荷重进行选择，套管式绝缘子还应考虑其额定电流。

根据容许荷重选择绝缘子时，应满足：

P（3）≤0.6Pyx

式中 Pyx——绝缘子抗弯破坏荷重，kg；

0.6——安全系数；

P（3）——在三相短路冲击电流作用下，绝缘子受到的荷重，kg，P（3）＝KF（3）；

K——折算系数，见表4-13。

常用绝缘子及穿墙套管技术数据见表4-14。

九、避雷器的安全选择

（一）避雷器的选择步骤

选择避雷器时，通常经过以下步骤。

（1）确定系统的额定电压和频率。

（2）明确避雷器限制的过电压种类以及它保护的对象，估算流过避雷器的雷电流，选择避雷器的型式和等级。

（3）计算避雷器安装处可能出现的最大电压升高，然后据此选择避雷器额定电压值。

（4）查阅避雷器的保护水平，用以验算保护裕度或配合系数。

（5）当选择用于频繁发生操作过电压场所的避雷器时，例如保持输电线路的串联或并联补偿电容器组和真空开关控制的经电缆馈电的冶炼熔炉变压器等设备，氧化锌避雷器的性能更为理想。

（6）需要附加考虑的问题。例如安装地点的高度、是否有强烈震动和严重污秽、被保护设备的特殊性等。当避雷器至被保护设备的连接导线较长时，应该校核这段导线附加的压降对保护裕度的影响。

我国3～110kV系统的避雷器各项电气性能与系数参数之间的配合均在避雷器标准中加以规范化，因此对正常绝缘的设备在选择避雷器时，校验步骤可大为简化。

超过1000m海拔的场所应选用高原式避雷器。为确保安全运行，避免外绝缘闪络事故，最好按下式校验避雷器瓷套的耐受强度：

式中 U0——海拔不超过1000m时的冲击或工频试验电压，kV；

U——在高海拔地区应承受的外绝缘强度，kV；

H——海拔，在1000～4000m之间，m。

海拔愈高，愈应加以重视。另外，还需要在安装场所检验避雷器的密封性能，测量碳化硅避雷器的工频放电电压。

旋转电机防雷需要保护水平相当低的避雷器，运行中的电机防雷保护还需加装电容器、电缆进线段和电抗器等辅助装置。其中，电容器的应用平缓了入侵波的陡度，不仅有利于电机的匝间绝缘，还可使避雷器在响应时其两端呈现的压降不致超过电机的耐受强度。带串联间隙或并联间隙的氧化锌避雷器即为解决问题的措施之一。

（二）氧化锌避雷器的选择

（1）计算或实测避雷器安装处长期的最大工作电压，安装于相一地之间的避雷器，此电压为安装处最大线电压除以。变电所是送端还是受端，长期相电压是不同的，还要考虑不同运行方式可能出现的不利条件。这样根据计算或实测的系统最高工作电压确定氧化锌避雷器的持续运行电压。

（2）根据中性点接地情况，考虑单相接地、甩负荷、发电机电压上升及线路末端容升效应等因素，确定氧化锌避雷器安装点的暂态工频过电压幅值，选择避雷器的额定电压大于或等于此电压。

（3）氧化锌避雷器的残压与被保护设备绝缘水平相配合。正常绝缘的输变电设备和避雷器电气距离符合过电压保护规程要求时，其安全系数K，都相应满足下列数值：

当避雷器紧靠被保护设备时，Ka1≥1.25；

当避雷器不紧靠被保护设备时，K3≥1.4。

（4）通流能力选择。对220kV及以下电网，氧化锌避雷器的通流能力远大于普通阀型避雷和磁吹阀型避雷器，但仍应验算。对大容量电容器组和500kV系统及一些特殊地方，需要进行专门的计算。

（5）标称放电电流的选择。3～220kV电压等级的系统用5kA。