【正文】 第 6章 交流與直流牽引變電所設(shè) 計(jì) 第 1節(jié) 概述 變電所設(shè)計(jì)涉及的主要內(nèi)容是變電所高壓設(shè)備的 選擇，一般按照以下步驟進(jìn)行： 選擇供變電工程的主結(jié)線； 根據(jù)設(shè)備的工作正常條件對(duì)設(shè)備進(jìn)行初步選擇 （如額定電壓、額定電流、最大工作電流、戶內(nèi)還 是戶外等）； 根據(jù)設(shè)備工作的異常工作條件對(duì)設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn) （如根據(jù)短路電流進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)和動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)、 根據(jù)過(guò)電壓進(jìn)行耐壓水平校驗(yàn)等）； 如果校驗(yàn)通過(guò)，則所選設(shè)備可以正常工作，否則 要重新選擇，注意在選擇設(shè)備時(shí)要注意工程的經(jīng)濟(jì) 性； 在完成高壓設(shè)備的選擇設(shè)計(jì)后，進(jìn)行配電裝置 的設(shè)計(jì)，繪出平面布置圖和斷面圖； 完成配電裝置的設(shè)計(jì)后，進(jìn)行防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； 在完成一次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，分別二次系統(tǒng)的控 制、測(cè)量和保護(hù)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成對(duì)二次設(shè)備的 選擇和校驗(yàn)，繪出二次系統(tǒng)展開(kāi)圖； 對(duì)交流電源和直流電源系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 上述步驟僅僅是一個(gè)一般性的流程，在實(shí)際設(shè)計(jì) 中，可能存在某些步驟的反復(fù)。 對(duì)于具體的高壓設(shè)備來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)可歸結(jié)為：選 擇、校驗(yàn)，如果校驗(yàn)通過(guò)，則選擇合格，否則重新 選擇，在校驗(yàn)。 對(duì)設(shè)備的選擇依據(jù)通常是工作的正常條件。 對(duì)設(shè)備的檢驗(yàn)依據(jù)通常是設(shè)備工作的異常條件。 針對(duì)對(duì)設(shè)備校驗(yàn)，主要從發(fā)熱和受力兩個(gè)方面考 慮。 第 2節(jié) 電器與載流導(dǎo)體的發(fā)熱和負(fù)載能力 電器與載流導(dǎo)體正常工作下的發(fā)熱容許溫度 電器或載流導(dǎo)體中流過(guò)的電流將導(dǎo)致其發(fā)熱，發(fā) 熱的結(jié)果可能引起： 發(fā)熱導(dǎo)致金屬材料的機(jī)械強(qiáng)度下降； 發(fā)熱導(dǎo)致電器設(shè)備的絕緣熱老化； 發(fā)熱導(dǎo)致電能損耗增加； 大電流甚至?xí)龤щ娖鳎ㄈ鐚?dǎo)體之間的連接 處）。 為了防止出現(xiàn)以上情況，在電器與載流導(dǎo)體的選 擇時(shí)，要根據(jù)負(fù)荷電流選擇電器的額定電流，根據(jù) 經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算并選擇導(dǎo)線截面。 電器和載流導(dǎo)體在正常工作容許發(fā)熱下的過(guò)載能力 發(fā)熱導(dǎo)致的溫度升高，分兩種情況：一種是長(zhǎng)期 發(fā)熱，另一種是短期發(fā)熱。導(dǎo)體的散熱形式有：傳 導(dǎo)、輻射和對(duì)流。 無(wú)論是何種發(fā)熱情況，其熱平衡方程式都是： 發(fā)熱量 =散熱量 +導(dǎo)致溫度升高所需要的熱量。即： 熱源有：電流流過(guò)導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量，渦流損耗 產(chǎn)生的熱量，介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱量等（焦耳）； 導(dǎo)體溫度升高所吸收的熱量： G— 導(dǎo)體質(zhì)量（公 斤）， C— 導(dǎo)體比熱（焦耳 /公斤 /℃ ）； dtKSG C ddtQ ?? ??? 散熱：對(duì)于暴露在空氣中導(dǎo)體，考慮其散熱形 式為輻射， K— 散熱系數(shù)（ W/平方米 /℃ ）， S— 散熱 有效面積， τ — 導(dǎo)體溫升。 注意：溫度與溫升的差別。 上式的解為： 其中： 為穩(wěn)態(tài)溫升， 為溫度變化 時(shí)間常數(shù)。 上式與一階電路的解具有相似的意義，當(dāng)發(fā)熱量 與散熱量相等時(shí)，導(dǎo)體的最終溫度將穩(wěn)定下來(lái)，比 熱、散熱系數(shù)等可以通過(guò)查手冊(cè)獲得。 TtTtw ee?? ???0)1( ???KSQw??? KSGCT ? 當(dāng)導(dǎo)線電流減小后，導(dǎo)線溫度下降，因此導(dǎo)線的 冷卻時(shí)的溫度變化量： 對(duì)于裸導(dǎo)線，導(dǎo)線電阻為 R，導(dǎo)線的最終容許溫 度為 ，則導(dǎo)體的容許電流為 ： 設(shè)計(jì)中采用的導(dǎo)線材料、導(dǎo)線安裝方式、導(dǎo)線 的運(yùn)行環(huán)境等，對(duì)于導(dǎo)線的容許電流有很大的影 響。導(dǎo)線的發(fā)熱和散熱計(jì)算是很復(fù)雜的，因此，按 自然冷卻條件（環(huán)境溫度 25℃ 、導(dǎo)體最高溫度 70℃ ） Ttw e?? ??XU? XUIRKSI XUXU?? 計(jì)算和編制了標(biāo)準(zhǔn)截面導(dǎo)線的長(zhǎng)期允許電流表， 供設(shè)計(jì)時(shí)查用。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)這中情況，一般 就是查表。 上面的溫升計(jì)算結(jié)果是在導(dǎo)線中電流穩(wěn)定的情況 下獲得。 由于導(dǎo)線中流過(guò)的電流不是一個(gè)恒定值，因此導(dǎo) 致導(dǎo)線發(fā)熱計(jì)算的復(fù)雜化，通常的做法是根據(jù)等效 發(fā)熱原則： 把日負(fù)荷曲線分成若干段（視曲線的形狀定）， 每段曲線中把最大負(fù)荷段單獨(dú)劃分出來(lái)，把剩下部分 根據(jù)持續(xù)平均電流產(chǎn)生的熱量與除最大負(fù)荷電流外負(fù) 荷 產(chǎn)生的熱量相等的原則，可以計(jì)算出等效持續(xù)平均 電流， 則導(dǎo)線溫升曲線計(jì)算就是其溫度上升，然后 下降，再上升，在下降，最終找出導(dǎo)線的最高溫 升。 1）計(jì)算最大負(fù)荷系數(shù)： 周期內(nèi)平均電流值， 周期內(nèi) 最大電流值。 2）計(jì)算電流過(guò)載系數(shù) t一周期時(shí)間 ， 最大負(fù)荷 電流持續(xù)時(shí)間。 Mpp IIk ?pI MIMpM ttktK?? .2 Mt 如果 》 1，則說(shuō)明該設(shè)備可以過(guò)負(fù)荷運(yùn)行。 該設(shè)備的最大允許工作電流為： 以上計(jì)算的允許工作電流在進(jìn)行導(dǎo)線和開(kāi)關(guān)選擇 的時(shí)候會(huì)用到。 MKeM IK ?第 3節(jié) 短路電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)的發(fā)熱和電動(dòng)力計(jì)算 載流導(dǎo)體短路時(shí)的發(fā)熱計(jì)算 上面在進(jìn)行導(dǎo)線溫升計(jì)算時(shí)，并沒(méi)有考慮一旦出 現(xiàn)短路的情況，在導(dǎo)線中流過(guò)短路電流時(shí)，由于短路 發(fā)生到消失過(guò)程很短暫，因此，可以認(rèn)為，短路電流 產(chǎn)生的熱量幾乎無(wú)法散發(fā)到大氣中，也就是說(shuō)，短路 電流產(chǎn)生的熱量全部為導(dǎo)線吸收。 短路電流引起的導(dǎo)體發(fā)熱，可以不考慮發(fā)熱過(guò)程 中的散熱，因此導(dǎo)體溫度與短路電流產(chǎn)生熱量之間的 關(guān)系為（具體推導(dǎo)過(guò)程略）： 、 分別為短路電流周期分量和非周期 分量引起的熱效應(yīng)。、分別為短路起始和終了時(shí)的 “熱脈沖”。 短路電流周期分量和非周期分量熱效應(yīng)的計(jì) 算 從前面的分析，不難知道：短路電流發(fā)熱可以 分為兩部分，一部分是短路電流周期分量的熱效應(yīng)， 另一部分是非周期分量的熱效應(yīng)。 按理我們可以分別計(jì)算出短路電流和非周期分量 短路電流的熱效應(yīng)后，獲得 短路電流的熱效應(yīng)， 但是 szfiz AA ???zQ fiQ實(shí)際上這是不可能的，因?yàn)槎搪冯娏魇菚r(shí)間的函數(shù)， 而且是非線性函數(shù)。 當(dāng)然，通過(guò)對(duì)短路電流函數(shù)的積分來(lái)獲得結(jié)果， 不過(guò)積分值的計(jì)算也不是一件容易的事，對(duì)于一條給 定的曲線，我們當(dāng)然可以實(shí)現(xiàn)其積分計(jì)算，但對(duì)于一 條不是確定的曲線，則積分結(jié)果會(huì)存在誤差。從工程 實(shí)踐的角度出發(fā)，對(duì)積分的結(jié)果精度也沒(méi)有過(guò)高的要 求，因此，實(shí)際上積分結(jié)果通常用若干時(shí)間點(diǎn)上的值 通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法獲得。 顯然，在工程應(yīng)用中，如果采取上述計(jì)算方法， 則計(jì)算過(guò)程將會(huì)比較復(fù)雜，等值時(shí)間法計(jì)算導(dǎo)體的發(fā) 熱是一個(gè)簡(jiǎn)捷而有效的方法。 由前述內(nèi)容可知：導(dǎo)體發(fā)熱溫度計(jì)算實(shí)際上歸結(jié) 為短路電流在某一時(shí)間段上導(dǎo)體發(fā)熱量的計(jì)算問(wèn)題。 等值時(shí)間法計(jì)算熱效應(yīng)的思想是：用于計(jì)算熱效應(yīng)的 電流是短路電流的穩(wěn)態(tài)值，相應(yīng)的短路電流周期分量 發(fā)熱時(shí)間和短路非周期分量的發(fā)熱時(shí)間不取以實(shí)際短 路電流通過(guò)時(shí)間，而是分別以和來(lái)代替，從而有： 計(jì)算出暫態(tài)短路電流周期分量與穩(wěn)態(tài)短路電流之 比： 由周期分量等值時(shí)間曲線可以查出 ， 從而計(jì) 算出 ，如果短路時(shí)間最大給出了 5秒，如果大于 5 秒，則 。 查曲線時(shí)，需要知道 短路持續(xù) fZZfZZd tItIQ 22 ?? ?????? IIZ39。39。39。39。?ZtZQ5)5( ??? dzz ttt