高压开关柜电气设计.docx
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高压开关柜电气设计
第1章绪论
1.1概述
称套配电装置又叫成套配电柜，也是以开关为主的成套电器，故也俗称开关柜。
它用于配电系统，作为接受与分配电能之用。
据电压高低，它可分为高压开关柜和低压开关柜两大类：
按装置地点的不同，又分户外式与户内式（10kv及以下的多采用户内式）；按开关电器是否可以移动，又可分为固定式和手车式。
可见，高压开关柜是成套配电设备的一种，是有由制造厂成套供应的高压配电装置。
在这种封闭或半封闭的柜中可装设各种高压电器、测量仪表、保护电器和控制开关等等。
通常一个柜就构成一个单元回路（必要时也可用两个柜），所以一个柜也就成为一个间隔。
使用时可按设计的主回路方案，选用适合各种电路间隔的开关柜，然后使可组成整个高压配电装置。
也具有占地少、安装使用及维护检修方便，适于大量生产等特点，故应用很广泛。
高压开关柜种类较多，分类方法亦有多种：
按断路器的安装方式可分为固定式和手车式两大类；按柜体结构型式可分为开启式与封闭式两种；还可分为一般环境和特殊环境用（后者包括矿用、化工用、高海拔地区用等）。
按电力行业标准DL/T404-1997的定义，高压开关柜（high-voltageswitchgearpanel）是指由高压断路器、负荷开关、接触器、高压熔断器、隔离开关、接地开关、互感器及站用电变压器，以及控制、测量、保护、调节装置，内部连接件、辅件、外壳和支持件等组成的成套配电装置。
这种装置的内部空间以空气或复合绝缘材料作为介质，用作接受和分配电网的三相电能。
1.2高压开关柜的类型
高压开关柜是3-35kV交流金属封闭开关设备的俗称，它是3-35kV电网中最大面积是配电设备。
由于国内外市场需求的日益多样化和国外代以先进技术的不断引进，20世纪80年来。
国内电器制造行业推出了几十种型号的高压开关柜产品，打破了高压开关柜过去几十年一直以少油断路器为主开关的GG-1和有限的几种手车式开关柜的落后局面。
新推出的高压开关柜所配的主开关元件有真空断路器、SF６断路器、负荷开关、接触器和熔断器。
高压开关柜按柜内主元件的安装方式分为固定式和移开式，简称固定柜和手车柜。
移开式高压开关柜又根据手车的位置分落地式和中置式两种。
按安全等级分为铠装式、间隔式和箱式。
按柜内主绝缘介质分为空气绝缘柜和气体绝缘柜（充气柜）。
按柜内主元件的种类分为以下几类：
（1）通用型高压开关柜：
以空气为主绝缘介质,主开关元件为断路器的成套金属封闭开关设备,既断路器柜。
（2）F—C回路开关柜：
主开关元件采用高压限流熔断器（fuse）—高压接触器（contactor）组合电器。
（3）环网柜：
主开关元件采用负荷开关或负荷开关—熔断器组合电器，它们常用于环网供电系统，故通常称为环网柜。
1.3高压开关柜的主要技术参数
高压开关柜的主要技术参数有以下几项：
（1）额定电压：
（2）额定绝缘水平：
用1min工频耐受电压（有效值）和雷电冲击耐受电压（峰值）表示；
（3）额定频率；
（4）额定电流：
指柜内母线的最大工作电流；
（5）额定短路是耐受电流：
指柜内母线及主回路的热稳定度，应同时指出“额定短路持续时间”，通常为4s；
（6）额定峰值耐受电流：
指柜内母线及回路是动稳定度；纺护等级。
（7）纺护等级。
表1.1为高压开关柜的主要技术参数
表1.1高压开关柜的主要技术参数
序号
项目
单位
技术参数
1
额定电压
KV
3，6，10
2
1min工频耐受电压
KV
对地，相间：
42；断口：
48
3
额定雷击耐受电压
KV
对地，相间：
75；断口：
85
4
额定频率
Hz
50
5
额定电流
A
630，1250，1600，2000，2500，3150
6
额定短路开断电流（有效值）
KA
20，25，31.5，40，50
7
额定短路关合电流（峰值）
KA
50，63，80，100，125
8
额定动稳定电流（峰值）
KA
50，63，80，100，125
9
额定热稳定电流4S（有效值）
KA
20，25，31.5，40，50
10
防护等级
外壳IP4X，断路器室门打开为IP2X
1.4高压开关柜的技术发展
从20世纪60年代末期起，我国高压开关行业开始自行设计高压开关柜。
自80年代以来，随着引进消化国外产品，技术水平迅速提高，品种也迅速增加到几十种，有间隔式，铠装式、箱式等开关柜：
有可移动式，也有固定式柜：
在移开式产品中，不仅有落地式，也开发了中置式和双层柜。
同时还开发出在特殊场所，如铁路、矿山使用的开关柜。
目前我国高压开关柜的技术水平可归纳为：
（1）．产品容量增大。
最大容量为：
12kV柜：
额定电流4000A，额定短路开断电流63kV。
40.5kV柜：
额定电流2500A，额定短路开断电流31.5kV。
（2）.产品品种齐全，能满足严酷条件、高寒、地震地区和矿山、铁道部门使用。
（3）.可靠性提高，符合标准的金属封闭式开关柜逐步替代了老产品。
（4）.应用新工艺装备的技术
1）数控钣金加工技术。
已有数百家企业拥有数控加工设备“三大条件”，在此基础上的柔性加工系统，提高了壳体尺寸精度和生产效率。
2）较先进的涂装工艺设备。
喷漆生产和喷粉工艺线使产品防护能力和外观都有较大的提高。
3）专用的母线加工设备。
1.5本课题的主要任务
为了更好的说明高压开关柜我选择了三种类型的高压开关柜（进线柜、电能计量柜、F-C柜）的电气进行设计。
（1）三种开关柜均采用中置移开式结构；
（2）进线柜采用真空断路器，其操作机构为电磁操作机构或弹簧操动机构；其测量保护采用传统的继电器/仪表或微机型测量/保护装置；
（3）F-C柜为高压电动机控制柜，要求具有相应的控制功能；
（4）变电站电压为10kV，进线计算电流为200A，高压母线三相短路电流周期分量为10kV。
第2章高压开关柜一次接线设计
2.1开关柜的总体结构（以中置式真空断路器柜为例）
以JYN2-10（Z）高压开关柜为例，其结构可分为柜体和手车两部分。
手车为断路器手车，主要的电器元件有断路器（装在小车上）、接地开关和隔离静触头座等。
柜内由接地的钢板分隔成四个独立的隔室：
母线室、手车室、继电器仪表室、电缆室。
柜体的后下侧成为电缆室，安装有电缆和电流互感器。
其上为主母线室。
隔室之间有隔板隔开，以保障检修时的安全。
柜体前面是继电器室和手车室。
依续工作。
靠推进机构是装有断路器等的小车在导轨上前后运动。
向内推入能使断路器上下两个隔离动触头插入隔离静触头座完成电路联结；反之，当断路器开断电路后，将小车向外拉出，隔离动、静触头分开，形成明显的隔离间隙，相当于隔离开关的作用。
利用专用的运载车，可将装有断路器的小车方便地推入或拉出柜体。
当断路器出现严重故障或损坏时，同样可使用专用的运载车将断路器小车拉出柜体进行检修。
也可换上备用的断路器小车，推入柜体内继
2.1.1基本要求
（1）高压开关柜设计，应使得高压开关柜正常运行、监视和维护工作能安全方便的进行，维护工作包括：
元件是检修、试验、故障的寻找和处理；
（2）对于额定参数和结构相同而需要替代的元件应能互换；
（3）对于可移开部件的高压开关柜，如果可移开部件的额定参数和结构相同则应能互换；
（4）应按当地使用条件校验；
（5）应力求技术先进和经济合理；
（6）选择的新产品均应具有可靠的试验数据，并经正试鉴定合格。
2.1.2主回路方案的确定
高压开关柜的主电路也叫一次线路，它是根据电力系统和供配电系统的实际需要而确定的，每种型号的高压开关柜的主电路方案少则几十种，多则上百种，通常包括以下类别：
所用变柜、计量柜、隔离柜、接地手车柜、电容器柜、高压电机控制柜（F-C柜）等。
开关柜主电路方案组合要考虑的问题包括：
（1）根据一次系统图及其一次回路工作电流大小以及控制、保护、测量等要求，选择相应主电路方案的开关柜；
（2）进出线类型以及开关柜之间的选择。
以JYN2-10（Z）高压开关柜为例进行设计。
2.2真空断路器柜
真空断路器柜是装有真空断路器为主的开关柜，它配有专用的、带有自由脱扣的操动机构，除了作为普通配电保护断路器外，尤其适用于频繁操作及故障较多的场合。
由于真空断路器具有可连续多次操作、开段性能好、灭弧迅速、运行维护简单、灭弧室不需要检修、无爆炸危险及噪声低等良好的技术性能，并且有具有一定的经济性，近年来，在新设计的35kV及以下变电所中得到了广泛的应用。
2.2.1一次接线
10kV系统属于中性点不接地式，亦称中性点非有效接地系统。
应采用中性点经消弧线圈接地的运行方式，两相互感器测量A、C相，断路器柜的一次接线，如下图2.1所示。
图2-1真空短路器柜的一次接线图
2.2.2一次电器元件的选择
各功能单元主回路的导体（包括主母线和分支母线）和串联的元件（不包括有熔断器连到电压互感器或变压器的短线连接），应考虑该回路各元件参数的配合和该功能单元应能通过所规定的额定电流和动、热稳定电流。
在考虑母线的允许温度或温升时，应根据触头、连接和与绝缘材料接触的金属部分的温度或温升的情况而定。
高压开关柜内一次电器元件类型较多，同一类型的电器元件可选的品种也多，且型式多样，在设计开关柜主电路方案和选用一次电器元件时，要综合考虑开关柜的性能要求、结构与安装布置、操作维护、通用性和电器元件的技术条件、性能参数、外形与安装尺寸等因素。
一．断路器的种类和选择
高压开关柜可选用是断路器包括少油断路器、真空断路器、SF6断路器等。
少油断路器曾经一段时期在高压开关柜中占统治地位，但随着用户对开关电器无油化要求的日益增强，少油断路器的地位让给真空断路器。
少油断路器目前在高压开关柜中用的越来越少。
当然，为降低开关柜的造价，一些用户还是选用少油断路柜。
SF6断路器价格昂贵，除非有特殊要求的用户（如发电厂），目前一般用户选SF6断路器柜还是比较少。
所以，目前在高压开关柜中，真空断路器是主流。
按设计要求选择了真空断路器（ZN-10C/630或ZN12-10I），由于真空断路器具有可连续多次操作、开段性能好、灭弧迅速、运行维护简单、灭弧室不需要检修、无爆炸危险及噪声低等良好的技术性能，并且有具有一定的经济性，近年来，在新设计的35kV及以下变电所中得到了广泛的应用。
但真空断路器不足之处的分段感性负载时产生
截流过电压，为限制过电压，对经常分断高压电动机或电弧炉变压器等感性负载的真空断路器必须配置专用的R-C吸收装置或金属氧化物避雷器。
真空断路器及电磁操动机构的参数如下表2.1
表2.110kV真空断路器技术数据
型号
额定电压（kV）
额定电流（A）
额定断开电流（kV）
额定动稳定电流（kV）
热稳定电流（kV）
固有分闸时间（s）
合闸
时间
（s）
额定
最大
峰值
4s
ZN-10C/630
10
11.5
630
20
50
20
≤0.06
≤0.15
ZN12-10I
10
11.5
1250
31.5
80
31.5
≤0.065
≤0.075
二．电流互感器的种类和选择
对于测量和保护用的电流互感器，型号较多，可选LA、LZZB、AS12系列等。
在此选择了LZZB系列的电流互感器。
有关参数如下表2.2。
表2.2电流互感器的技术数据
型号
额定电流比（A）
级数组合
二次负荷（欧）/10%倍数
秒热稳定倍数
动稳定倍数
0.5
级
1
级
3
级
D、B
级
Ω
倍数
LZZB6-10
5-200/5
0.5/B
10
15
B级
B级
150
150kV*2.55
LZZB6-10
200/5
0.5/B
0.4
10
122.5
220
LZZB6-10
200-300/5
0.5/B
10
15
15
10
24.5
44
2.2.3母线的选择与布置
一．母线的类型
开关柜中的母线分为两部分：
一是连通各柜的水平母线，称为主母线，起集散电流的作用；二是各柜内部垂直方向上联接各电器元件的母线，称为分支母线。
母线材料有铝和铜两种。
常用的母线结构形式与矩形、槽形和管形等。
单片矩形导体具有散肤效应系数小、散热条件好、安装简单、连接方便等优点，一般适用于工作电流≤2000A的回路中。
多片矩形导体集肤效应系数比单片导体的大，所以附加损耗增大。
因此载流量不是随导体片数增加而成倍增加的，尤其是每相超过三片以上时，导体的集肤效应系数显著增大。
在工程实用中多片矩形导体适用于工作电流≤4000A的回路。
当工作电流为4000A以上时，导体则应选用有利于交流电流分布比较均匀，散热条件好，机械强度较高，安装也不方便。
二．母线规格的选择
母线的截面积，应考虑现状的负荷电流并顾及将来扩容的可能性。
主母线的电流是由进线开关柜提供的，而进线开关柜负荷电流大小在选取断路器参数时是预先确定了的，所以分支母线的截面原则上可按断路器额定电流的大小来选取，除非实际负荷电流甚小，且今后也不大可能在增加负荷的情况下才选择小截面母线。
开关柜中母线规格的选择要考虑以下条件：
（1）按导体长期发热允许载流量选择截面；
（2）热稳定性的效验；
（3）动稳定性的效验；
（4）导体共振的效验。
按设计要求选择了30×4mm²的配置。
首先，按母线的额定电流及长期工作制备下的电流密度决定母线面积，再按铜母线标准选择厚度及宽度，并检验母线在长期工作制下的稳定温升，及通过短路电流时的动热稳定性。
三．截面积（Sa）
Sa=IN/Ja[mm2]（2.1）
式中IN：
母线额定电流（A）
Ja：
母线电流密度（A/mm2）取铜母线Ja=3A/mm2
Sa=200/3=66.67mm
按铜母线标准选择厚度（h）及宽度（b）
取h=4mmb=30mmSa=120mm2
四．工作制下的稳定温升（Tw）
Tw=IN2R/KTSb（2.2）
式中R:
母线电阻
式中Sb=母线散热面积Sb=2（h+b）L=68mm²
将JYN2－10母线有关数据代入上式中
Tw=IN2R/KTSb＝36.88Ｋ（2.3）
按GB736－74交流高压电器在长期工作制的最大允许发热温度铜母线在环境温度为40度的空气中允许温升为70K，此母线温升合格．
五．检验母线的热稳定性
通过短路电流时，母线的温度（θk ）可按下式计算
式中 α0 ：
温度为0度时母线材料的电阻温度系数
θ0 ：
发生短路前母线的温度
ρ0 ：
温度为0度时，母线材料的电阻温度系数
tk ：
短路电流持续时间
jk ：
短路电流密度
c ：
母线材料的比热
r ：
母线材料的密度
JYN2-10母线的4S热稳定电流为10kA
α0=1/235θ0=36.88+40=76.88
ρ0=1.65×10-8
tk=4sjk=10×103/250×10-6=4×107A/mm2
r=8.9×103Kg/m3将以上数据代入上式中
θk=103.50C
按国标1984－80的规定铜母线短路时通过短路电流时，极限允许温度为300度，故此母线的热稳定性合格。
六．检验母线的电动稳定性
首先计算母线通过动稳定电流时，所受电动力，再按此电动力大小及分布情况，计算母线的内应力，应不大于母线材料的许用应力，最后，计算母线的固有振荡频率应小于工频交流电流频率的两倍，以免发生机械共振现象，满足以上要求，则母线的电动稳定性合格。
（1）动稳定电流为25kA（峰值）
（2）三相母线平行排列，母线间距离
S＝250mm，母线长度L＝1000mm
（3）计算回路系数Ｋc
Ｋc=2L/s×[（1+（s/l）2）0.5-s/l）]（2.4）
=2000/250[（1+（250/1000）2）0.5-250/1000]
=6.24
（4）确定截面积系数λ
a=250mmb=30mmh=4mmb/h=7.5
（a-b）/（b+h）=（250-30）/（30+4）=6.47（2.5）
查电器学第１3页图1－12得λ＝１
（5）计算中间Ｂ相导体所受最大电动力ＦＢＭ
ＦＢＭ＝0.866KCλI2cj×10-7（2.6）
=0.866×6.24×1×（25×103）2×10-7
=337.74N
（6）计算Ｂ相导体所受内应力
Ｂ相导体两端固定，所受电动力为分布载荷，虽是不均匀分布载荷，但对导体中点是对称的，其弯矩最大点，仍为导体中点，故可按均匀分布载荷计算导体所受到电动力作用时的最大弯矩
Mmax=0.125ql2q=FBM/l
当FBM=337.74Nl=1m时q=337.74N/m
Mmax=0.125×337.74×12=42.22N.m
弯曲应力σ=Mmax/WW:
母线抗弯截模量
母线的排布是在一个平面内平行排列，电动力与宽边b平行，W可按下式计算：
W=b2h/6=302×10-6×4×10-3/6=0.6×10-6m3（2.7）
σ=42.22/0.6×10-6=70.37×106Pa<铜母线的屈服强度
铜母线屈服强度为σS=195×106Pa，一般机械的屈服安全系数ns=1.2～2，若取ns=2则铜母线的许用应力[σ]计算如下：
[σ]=σS/ns=195×106/2=97.5×106Pa（2.8）
σmax<[σ]
铜母线在最大电动力作用下，其内应力小于许应力，故机械强度合格。
七.计算母线的固有振荡频率（f）
交流电动力的交变频率为电流的2倍。
如果电动力的频率与导体系统的固有振荡频率相等，导体就会发生共振现象，这将对导体系统产生很大的破坏力。
因此，最好使承受交流电动力的导体系统固有振荡频率低与电动力的频率，以免与高次谐波电动力发生共振。
对于单跨距母线其固有振荡频率可按下式计算
f=35/L2×（EJP/M0）0.5（2.9）
式中L：
支持绝缘子跨距（m）
E:
导体的弹性模数，对于铜导体E=1.13×1011Pa
JP:
垂直于弯曲方向轴的慣性矩（m4）
M0:
导体单位长度质量（kg/m）
已知M0=30×4×10-6×8.9×103=1.068kg/m
L=1mJP=b3h/12=303×4×10-12/12=0.9×10-8m4
f=35/L2×（1.13×1011×0.9×10-8/1.068）0.5
=1080HZ
母线其固有振荡频率大于电动力的频率（100HZ），故不会引起机械共振。
2.3计量柜
计量柜是用于计量电能的消耗量，每种型号都是有电能计量专用柜。
它装有三个仪表：
有功电度表、无功电度表和一个电压表，并有一个电力定量器（DSK）。
2.3.1电能计量柜的基本要求参数
（1）额定电压：
整体式电能计量柜和计量互感器柜，以其主电路的额定电压表示，有：
0.38kv,6kv,10kv,35kv。
（2）额定频率为50Hz。
（3）额定电流：
1）整体式电能计量柜和计量互感柜，以其主电路的额定电流标示，有：
630A,800A,1000A三挡；
2）计量仪表柜，以互感器的额定二次电流标示，1A或5A.
（4）准确等级：
计量柜内计量仪表的准确级表示，有0.5级、1.0级两级。
（5）综合误差：
根据电能计量装置类别确定，有±0.70级、±1.20级两级。
2.3.2电能计量柜的基本技术要求
（1）整体式电能计量柜，可由单个柜或几个柜并列组合而成。
其外形及结构与相邻的高、低压开关成套设备协调配合。
（2）分体式电能计量柜，由单个柜或几个柜组合而成。
当与高、低压开关成套柜并列安装时，其外形及结构应相邻的高、低压开关成套设备协调配合。
分离安装的计量仪表柜，宜采用定型的柜作外壳。
（3）电能计量柜的防护等级不应低于GB4208规定的IP20级。
（4）电能计量柜应落地固定安装，电能计量箱可以采用挂墙式安装。
（5）计量电能互感器电路
1）电能表及其他设备。
应分别接于各自的专用二次绕组。
2）二次负载不应超过额定输出。
且不应低于额定输出的25%。
3）计量电路，应先经实验合格后再接入电能表。
（6）计量电压互感器电路：
1）电能表及其他设备。
应分别接于各自的专用二次绕组。
2）二次负载不应超过额定输出。
且不应低于额定输出的25%。
3）整体式电能计量柜计量互感器的二次侧不应装设熔断器（自动开关）和串接隔离开关的辅助触头；计量互感器柜的出线侧可以装设快速熔断器（自动开关），但不应串接隔离开关的辅助触头。
4）计量电路，应先经实验盒后再接至电能表。
5）计量电路不应作为辅助单元的供电电源。
6）计量电路中应装设失压计时器。
（7）二次导线不应有中间接头。
多股导线的端头应搪锡。
（8）整体式电能计量柜应装设防止误操作的安全联锁装置。
（9）电气接地应符合安全技术规定。
（10）信号灯和按钮的颜色应采用：
合闸为红色，分闸为绿色。
（11）计量电压互感器的隔离开关操动机构上应装设机械型子挂锁。
（12）电能计量柜的门上应装设机械型子弹门锁和备有可铅封的设施。
（13）仪表观察窗应采用无色透明的玻璃，面积应满足抄表和监视的要求。
（14）电能计量柜内应设置观察和检修用的照明灯具。
（15）电能表应固定安装在电能夹具上。
（16）可移动部件与固定部分间的连接导线中间不应有接头；经常需要拆卸部件的连接导线，其长度有适当裕度。
（17）电能表安装高度及间距：
1）电能表距地面不应低于600mm。
2）电能表与电能表之间的水平间距不应小于80mm.。
3）电能表与试验盒之间和垂直间距不应小于40mm。
（18）壳体和机械组件应具足够的机械强度，在储运、安装、操作、检修时不应发生有害的变形。
（19）柜中各单元之间宜以隔板或以箱（盒）式组件区分和隔离。
（20）柜式结构的电能计量柜顶部应设置吊装用挂环。
（21）电气设备及部件应选用符合其产品标准要求优质产品。
（22）电能计量柜应做出厂检验和型式检验。
2.3.3一次接线
10kV系统属于小电流接地系统（系统中性点不接地或经消弧线圈接地）因而使用三相两元件电度表。
计量柜的一次接线如下图2.2所示
图2.2计量柜一次接线图
2.3.4一次电器元件的选择
一．电流互感器的种类和选择
对于测量和保护用的电流互感器，型号较多，可选LA、LZZB、AS12系列等。
在此选择了LZZB系列的电流互感器。
有关参数如下表2.3。
表2.3电流互感器的技术数据
型号
额定电流比（A）
级数组合
二次负荷（欧）/10%倍数
秒热稳定倍数
动稳定倍数
0.5
级
1
级
3
级
D、B
级
欧
倍数
LZZB6-10
5-200/5
0.5/B
10
15
B级
B级
150
150kV*2.55
LZZB6-10
200/5
0.5/B
0.4
10
122.5
220
LZZB6-10
200-300/5
0.5/B
10
15
15
10
24.5
44
二．电压互感
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