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第十四章 电气设备的选择
本章简要介绍短路电流的电动力效应和热效应，重点介绍发电厂变电站主要电气设备选择的一般要求和选择方法。
第一节 短路电流的效应
一、短路电流电动力效应 1.载流导体的电动力
所谓电动力是指载流导体在相邻载流导体产生的磁场中所受的电磁力。载流导体之间电动力的大小，取决于通过导体电流的数值、导体的几何尺寸、形状以及各相安装的相对位置等多种因素。
在一般情况下，当电力系统中发生三相短路后，导体流过冲击短路电流时必然会在导体之间产生最大的电动力。如果导体和绝缘子的机械强度较低，短路电流所产生的电动力将会引起载流导体变形、绝缘子损坏，甚至于会造成新的短路故障。为了避免短路后再引起新的故障，必须采取相应的技术措施，以保证电气设备的动稳定性合格。
（1）两平行导体间最大的电动力。
当任意截面的两根平行导体分别通有电流i1和i2时，两导体间最大的电动力F根据电工学中比奥—萨伐尔定律，应采用如下公式进行计算：
F?2Kfi1i2L?10?7 （N） （14-1） a式中：i1 、i2—通过导体的电流瞬时最大值，A；
L—平行导体长度，（m）； ɑ—导体轴线间距离，（m）； Kf—形状系数。
形状系数Kf表明实际通过导体的电流并非全部集中在导体的轴线位置时，电流分布对电动力的影响。形状系数Kf与导体截面形状以及导体的相对位置有关。形状系数的确定较复杂，矩形母线截面形状系数曲线如图14－1所示，可供工程计算使用。只有当导体截面积非常小、导体长度比导体之间轴线距离大得多，才能假定通过导体
图14－1 矩形母线截面形状系数曲线
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的电流集中在导体轴线上，这时形状系数Kf等于1。实际工程中，三相母线采用圆截面导体时，当两相导体之间的距离足够大，形状系数Kf取为1；对于矩形导体而言，当两导体之间的净距大于矩形母线的周长时，形状系数Kf可取为1。
通有电流的导体所产生电动力的方向与导体中电流的方向有关：两个载流导体中的电流方向相同时，其电动力为相互吸引；两个载流导体中的电流方向相反时，其电动力为相互排斥。
（2）两相短路时平行导体间的最大电动力。
发生两相短路时，平行导体之间的最大电动力F
（2）
（N）可用下列公式计算：
F?2??2ik?2?式中：i?2?k2L?10?7（N） （14-2） a—两相短路冲击电流，（A）。
（3）三相短路时平行导体之间的最大电动力。
发生三相短路时，每相导体所承受的电动力等于该相导体与其它两相之间电动力的矢量和。三相导体水平布置时，由于各相导体所通过的电流不同，所以边缘相与中间相所承受的电动力也不相同。
(3)边缘相U相与中间相V相导体所承受的最大电动力FU、FV(3)分别为
FU?3??1.61ik?3? FV?3?2?1.73ik?3?2L?10?7 （N） （14-3） aL?10?7 （N） （14-4） a(3)式中：ik—三相冲击短路电流，（A）。
比较式（14-3）和式（14-4）之后可以看出，发生三相短路后，母线为三相水平布置时中间相导体所承受的电动力最大。故计算三相短路时的最大电动力时，应按中间相导体所承受的电动力计算。
当系统中同一处发生三相或两相短路时，短路处三相冲击短路电流与两相冲击短路电流之比为2/3。F(3)/F(2)?1.15，即电力系统中同一地点发生不同种类的短路时，导
体所承受三相短路时的最大电动力比两相短路时的最大电动力大15％。因此，在校验导体的最大电动力时，按三相短路的最严重情况考虑。
二、短路电流的热效应
电气设备在工作过程中，由于自身存在着有功功率损耗，所以必然会引起电气设备的发热。电气设备的功率损耗主要包括以下几部分：导体与导体之间接触电阻上产生的损耗，导体自身电阻上产生的损耗；绝缘材料在电场作用下产生的介质损耗等等。
根据导体通过电流的大小和持续时间长短的不同，可将导体发热分为长期发热和短路时发热两种。长期发热是指正常工作电流在较长时间内所引起的发热；短路时发热是指短路电流在极短的时间内所引起的发热。
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电气设备在工作过程中所产生的热量会使元件自身的温度升高，电气设备温度升高后会造成一些不良的影响。其主要是：
（1）影响电气设备的绝缘。绝缘材料在高温和电场的作用下会逐渐老化，绝缘老化的速度与温度的高低有关，温度愈高绝缘的老化速度愈快。电气设备根据本身绝缘材料的耐热性能和使用寿命确定其允许的使用温度。电气设备如果在使用中的温度超过所规定的允许温度时，结果会使电气设备的使用年限缩短；反之，能延长电气设备的使用寿命。
（2）影响接触电阻值。如果金属导体的温度在较长时间内超过一定数值，导体表面的氧化速度会加快，会使导体表面金属氧化物增多。由于有些金属氧化物的电阻率较其金属电阻率大许多倍，所以当导体温度过高时会造成接触电阻增大。导体接触电阻增大之后，又引起自身功率损耗加大，其结果导致导体温度再升高；当导体温度升高后，又要引起接触电阻再增大，如此恶性循环下去，会造成导体接触部分的温度急剧升高，甚至于会使接头熔化，造成严重事故。
（3）降低机械强度。金属材料在使用温度超过一定数值之后，其机械强度会显著降低。如果电气设备的使用温度过高，可能会使电气元件的机械强度降低，影响电器的安全运行。
为了限制电气设备因发热而产生不利影响，保证电气设备的正确使用，国家规定了载流导体和电器长期发热和短路时发热的允许温度，详见表14－1所示。
当母线的材料相同、截面相等时，通常称之为均匀导体。均匀导体无电流通过时，其温度与周围环境温度相同。当有工作电流通过时，导体所产生的热量一部分用于导体温度
表14－1 载流导体和电器长期发热和短路时发热的允许温度
长期工作发热 导体种类和材料 允许温度（℃） 铜 裸母线 铝 钢（不和电器直接连接时） 钢（和电器直接连接时） 铜芯10V及以下 油浸纸绝缘电缆 铝芯10V及以下 铜芯20～30kV 充油纸绝缘60～330kV 绝缘电缆 交联聚乙烯绝缘电缆 有中间接头的电缆
橡皮绝缘电缆 聚乙烯绝缘电缆 铜芯 铝芯 锡焊接头 压接接头 70 70 70 70 60～80 60～80 50 70～75 50 60 80 80 允许温升（℃） 45 45 45 45 短路时发热 允许温度（℃） 300 200 400 300 250 200 175 160 150 130 230 200 120 150 允许温升（℃） 230 130 330 230 190～170 140～120 125 90～85 100 70 150 120 296
升高，另一部分则会散布到导体周围的介质中去。这样，导体在不断产生热量的同时，也不断地向周围介质散发热量，当导体所产生的热量与散发的热量相等时，导体温度将会稳定到某一数值。
工作电流所产生的热量引起导体温度的变化如图14－2中曲线AB段所示。图中?0为导体周围介质温度，?1为导体通过工作电流时的稳定温度。稳定温度?1与导体周围介质温度?0的高低以及通过电流的大小有关。当导体周围介质温度?0等于我国所采用的周围媒介质（环境）计算温度，通过工作电流为额定电流时，导体稳定温度恰等于其长期允许工作发热温度。
当短路电流通过导体时，由于短路电流值较正常工作电流大许多倍而且通过的时间很短，所以短路电流所产生的热量几乎全部用于导体温度的升高。短路时导体温度变化如图14－2中曲线BC段所示，?k为短路时的最高温度。短路电流被切除之后，导体温度会逐渐地降至周围环境温度?0，其温度变化如图14－2中曲线C点后的虚线所示。 1.短路时最高发热温度计算
Aθ0θθkCθB1Ot1t2t3t图14－2 导体温度变化曲线
在实用计算中，导体短路时的最高温度可以根据??f?A?关系曲线进行计算。如图14－3所示，图中横坐标为A值，纵坐标为?值。当导体材料的温度?值确定之后，从图
图14－3 导体?
?f?A?曲线图
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