高压成套电器的设计.docx

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高压成套电器的设计

JIANGSUUNIVERSITY

本科毕业论文

高压成套电器的工程设计

Theengineeringdesignofhigh-voltageelectricalequipment

学院名称：

电气信息工程学院

专业班级：

电气0704

******

指导教师姓名：

姜晋文

指导教师职称：

副教授

2011年06月

高压成套电器的工程设计

专业班级:

电气0704学生姓名：

任康

指导教师：

姜晋文职称：

副教授

摘要电力系统正常运行需要安全、经济、可靠的开关设备作保障，随着科学技术的进步和对供用电质量要求的日益提高，开关柜技术的使用范围在扩大。

品种在不断增多，自动化、智能化的程度也愈来愈高。

本文分别介绍了开关设备在电力系统中的作用和分类方法，以及高压开关设备的型号含义与技术参数，其中较详细地讲述了开关设备中关于“五防”功能及其实现方法。

又着重从高压开关柜的电气设计入手，对涉及到的高压一，二次元器件进行了大量阐述，特别地对其中的高压一次断路器、高压二次综合保护装置进行了更为详细地说明，本文最后对开关柜电气一次电路和二次回路的构成及分类作了简明的描述，最终将应用到的一二次原件有合理地组合成完整的6.3kV系统方案。

文章结论部分对目前行业动作了简单总结，也对高压成套设备结合电力电子与通信工程而实现的开关柜智能化和远程化进行了展望。

关键词：

开关设备高压电器元件工程设计

Thedesignofhigh-voltageelectricalequipment

AbstractNormaloperationofpowersystemneedsofsecurity,economic,andreliableswitchingdeviceforprotection,withthescientificandtechnologicalprogressandqualityrequirementsfortheincreasinguseofelectricity,theswitchcabinettoexpandtheuseoftechnology.Varietyontherise,automation,higherandhigherdegreeofintelligence.Thispaperdescribestheswitchingequipmentinpowersystemandclassificationoftheroleandmeaningofhigh-voltageswitchgearandtechnicalparametersofthemodel,whichdescribesindetailtheswitchingequipmentonthe"FiveAnti"functionanditsimplementation.Alsofocusonthedesignfromthestartofelectricalhighvoltageswitchgear,highvoltageinvolvedtothefirstandsecondcomponentswereextensivelyelaborated,particularlyoneofthemhigh-voltagecircuitbreakers,highvoltageintegratedprotectiondevicewasthesecondmoredetaileddescriptionofFinally,acircuitofelectricalswitchgearandthecompositionofthesecondarycircuitmade​​aconcisedescriptionandclassification,andultimatelywillbeappliedtoasecondthereisareasonablecombinationoftheoriginalintoacompletesystemsolution6.3kV.Conclusionofthearticleabriefsummaryofthecurrentindustrymovement,butalsocompletesetsofequipmentwithhighpowerelectronicsandcommunicationengineeringandimplementationofintelligentswitchgearandlong-rangeprospects.

Keywords:

SwitchgearHigh-voltageelectricalcomponentsEngineeringDesign

第1章电力系统与成套电器

1.1电力系统概述

电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。

它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置（主要包括锅炉、汽轮机、发电机及电厂辅助生产系统等）转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心，通过各种设备再转换成动力、热、光等不同形式的能量，为地区经济和人民生活服务。

由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，故其生产、输送、分配和消费都在同一时间内完成，并在同一地域内有机地组成一个整体，电能生产必须时刻保持与消费平衡。

因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就制约了电力系统的结构和运行。

据此，电力系统要实现其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统，以便对电能的生产和输运过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。

建立结构合理的大型电力系统不仅便于电能生产与消费的集中管理、统一调度和分配，减少总装机容量，节省动力设施投资，且有利于地区能源资源的合理开发利用，更大限度地满足地区国民经济日益增长的用电需要。

电力系统建设往往是国家及地区国民经济发展规划的重要组成部分。

电力系统的出现，使高效、无污染、使用方便、易于调控的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，发生了第二次技术革命。

电力系统的规模和技术水准已成为一个国家经济发展水平的标志之一。

1.2开关电器在电力系统中的作用与分类

开关电器是一种重要的输配电设备，它是电力系统及电力输送系统中的控制和保护设备，凡是电能生产、传输、变换、供应、分配和使用的场所都要使用开关电器设备。

开关柜是金属封闭开关设备的俗称，主要用于发电、输电、配电及变电等电力系统的开关装置，及与其有关的控制、测量、保护和调节装置的组合，以及上述开关和装置的内部连接件，辅件外壳和支持件所组装好的一种组合体统称。

1.2.1开关电器的作用

（1）控制根据电网或其他电能电路运行需要，把某部分设备或线路投入或退出运行，即在正常负荷电流条件下，接通祸端来电路。

（2）保护当电力线路或电气设备发生故障时将故障部分从电网快速切除，保障电网中的无故障部分继续正常运行。

（3）隔离退出运行或需要进行检修的电力线路及设备从电网中切除后，还必须可靠的与电源隔离开来，使之与电源形成一个明显的断口，防止在误操作和过电压的情况之下接通电源，以保障设备和检修人员的安全。

（4）接地电力接线和电力设备在检修之前，除断开电源和隔离电源外，还要把三相短接接地，起作用一是对地泄放掉电力线路和电力设备上的残留电荷；二是使电力线路和电力设备与地保持零电位，以防万一突然来点造成人员伤亡事故。

1.2.2开关设备的分类

（1）按使用场合分为：

户内，户外；

（2）按使用环境分为：

一般环境用；特殊环境用（矿用、高原、船用，对于高原、高寒、重污秽地区，往往要求加大绝缘距离，如面板加宽至1000mm）；

（3）按电压等级分为：

110KV及以上为高压开关设备；

3～35KV为中压开关设备（习惯称为高压开关设备）；

AC1200V,DC1500V及以下为低压开关设备；

（4）按产品结构分为：

屏：

正面全防护，其它五个面至少一个面不全防护；

箱：

六面防护，体积较小；

柜：

六面防护，体积较大；

台：

现场控制用，远离设备；

所谓成套设备即指多台屏或柜并列安装，成组使用。

它主要有四大类产品：

低压成套开关设备、高压开关柜、预装式变电站和GIS。

本文主要探讨有关高压开关设备的问题。

1.3高压开关柜概述

高压开关柜是3.6—40.5kv交流金属封闭开关设备的习称。

按电力行业标准DL/T404-1997的定义，高压开关柜是指由高压断路器、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。

1.3.1金属封闭开关柜的分类

（1）按柜体结构，金属封闭开关设备可分为三种类型：

①铠装式：

主开关及其两端的元件具有单独的隔室，隔室由接地的金属隔板构成。

隔板均满足规定的防护等级要求。

用金属板的好处是当柜内发生内部电弧故障时，可将故障电弧限制在产生的隔室内，若电弧触及金属隔板，即被引入地内。

在相邻隔室带电时，也可使主开关室不带电，保证检修人员安全。

②间隔式：

设置与铠装式相同，但允许一个或多个隔板是非金属材料制成，结构比较紧凑。

但用绝缘板，电弧可能烧穿绝缘隔板，进入其他隔室甚至窜入其他柜子，造成火烧连营。

③箱式：

隔室的数目少于铠装式和间隔式，或隔板的防护等级达不到规定的要求。

结构比较简单，成本低。

（2）按柜内主要电器元件的特点分类

①固定式（G）柜内所有的元件都是固定安装的，结构简单，价格较低。

②移开式（Y）又叫手车式，柜内主要电器元件（如断路器、电压互感器、避雷器等）安装在可移动的小车上，小车中电器与柜内电路通过插入式触头连接。

移开式开关柜由柜体和可移动部分组成，根据小车所配置的主电器的不同，小车可分为断路器小车、电压互感器小车、隔离小车和计量小车等。

移开式开关柜具有检修方便、恢复供电时间短的优点。

当小车上的电器元件出现严重故障时，可方便地将小车拉出柜体进行检修，也可以换上备用的小车，推入柜体内继续工作，大大缩短了线路的停电时间。

移开式开关柜又分为落地式和中置式（z）两种型式。

落地式开关柜的小车本身落地，在地面上推入或拉出，中置式小车装于柜子中部，小车的装卸需要专用装卸车。

与落地式开关柜相比，中置式小车的推拉是在门封闭的情况下进行的，给操作人员安全感。

中置式开关柜的柜体下部分空间较大，使电缆的检修和安装方便，还可以安置电压互感器和避雷器等，以充分利用空间。

（3）按母线组数分类

按开关柜的主接线形式，可分为桥式接线开关柜、单母线开关柜、双母线开关柜、单母线分段开关柜、双母线带旁路母线开关柜、单母线分段带旁路母线开关柜。

（4）按主电器元件的种类分类

通用型高压开关柜以空气为主绝缘介质，主电器元件为断路器的成套金属封闭开关设备，即断路器柜。

1F-C回路开关柜主电器元件采用高压限流器-高压接触器组合电器。

2环网柜主电器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。

（5）按安装场所分户内式和户外式

（6）按柜内主绝缘介质分类大气绝缘和气体绝缘柜

1.3.2开关柜的型号

机电部于1983年制定了JB/DQ4085开关柜型号编制办法的部标。

自此以后开发的新产品按此规定编制型号，使型号管理走上科学化。

开关柜的型号有二种：

一种叫产品型号，用字母来代表产品名称、结构特征、使用场所、设计顺序号（由行业归口部门认定颁发）、额定电压和改进代号等表征。

另一种叫全型号，由产品型号再后加具体规格、参数、环境特征代号等组成。

老系列高压开关柜全型号的表示和含义如下：

□□-□□-□□-□

从左到右分别用①②③④⑤⑥⑦代表上面的7个□，这7个□各代表的含义分别为：

1产品名称：

高压开关柜G；

2型式特征：

固定式G，手车式C，半封闭式B，封闭式F；

3设计序号；

4改进型A，防误型F，计量用J；

5额定电压KV；

6断路器操动机构：

手力式S，电磁式D，弹簧式T；

7一次线路方案编号。

新系列高压开关柜全型号的表示和含义如下：

□□□□-□-□□

　　从左到右分别用①②③④⑤⑥⑦代表上面的7个□，这7个□各代表的含义分别为：

　　①产品名称：

箱式X，间隔式J，铠装式K，环网H；

②型式特征：

固定式G，移开式Y；

③使用场所：

户内用N，户外用W；

④设计系列序号；

⑤额定电压KV；

⑥一次线路方案编号；

⑦断路器操动机构：

电磁式D，弹簧式T。

如XGN2-12（Z）中各项代表的意义为：

X-箱型高压开关柜、G-固定、N-户内、2-设计序号、12-12KV、（Z）-断路器型号（真空）。

1.3.3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）额定短时耐受电流：

指柜内母线以及主回路的热稳定电流，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：

指柜内母线及主回路的动稳态电流；

（7）防护等级：

配电柜的防护等级是用来描述配电柜的密封程度、防外物进入配电柜的能力，用IPXX表示。

第一个X表示防止固体异物进入配电柜内部及防止人体触及内部的带电部分的防护。

分七级，用数字0、1、2、3、4、5、6表示。

0.无防护；1.大于50mm的物体不能进入配电柜；2.大于12mm的物体不能进入配电柜；4.大于1mm的物体不能进入配电柜；5.防尘；6.尘密。

第二个X表示防止液体异物进入配电柜内部达到有害程度的防护。

分九级，用数字0、1、2、3、4、5、6、7、8表示。

0：

无防护；1.防滴水；2.防15°倾角滴水；3.防60°淋水；4.防任何方向的溅水；5.防喷水；6.防海浪或强力喷水；7.防浸水；8.防潜水。

常用的防护等级有IP20、IP30、IP32、IP40、IP42、IP54、IP65等等。

一般配电柜的防护等级不低于IP30，打开柜门后，配电柜内部的防护等级要求达到IP20，防止触摸；室外安装的成套配电产品防护等级要达到IP65或IP67。

1.3.4“五防”功能及其实现

（1）五防功能：

①防止误分误合断路器、负荷开关、接触器（允许提示性）；

②防止带负荷分、合隔离开关（如高压开关柜内的真空断路器在工作合闸运行时，无法退出小车断路器的工作位置；高压开关柜内的真空断路器小车在试验位置合闸后，小车断路器无法进入工作位置）；

③防止误入带电隔室（如高压开关柜内的真空断路器在合闸工作时，盘柜后门用接地刀上的机械与柜门闭锁）；

④防止带电挂接地线（高压开关柜内的真空断路器在工作时合闸，合接地刀无法投入）；

⑤防止带接地线送电（高压开关柜内的接地刀在合位时，小车断路器无法进合闸）。

（2）移开式高压开关柜的连锁要求

1当断路器、负荷开关或接触器处于分闸位置时，手车才可以抽出或插入。

2只有当手车处于工作位置、试验位置、断开位置、接地位置、移开位置时，断路器、负荷开关、接触器才可以进行分、合闸操作。

3只有当手车接地开关处于分闸位置时，手车才可以进入到工作位置。

4只有手车抽出到试验位置及以后时，接地开关才允许合闸。

（3）五防功能的实现

对于屋外式配电装置可以按照不同的电气主接线所要求的闭锁条件对隔离开关实现电气闭锁或电磁闭锁，对栅栏的门亦可用电磁锁来实现闭锁。

对于屋内式的成套配电装置必须具有以下功能：

①当断路器处于合闸状态时，与断路器联动的机械闭锁挡块推进机构上的连杆，使推进螺杆无法转动，断路器手动不能拉出，反之，只有手车处于试验位置和工作位置时，断路器才能合闸，在其他任何位置，机械闭锁将提起上述推进机构连杆，该连杆抵位与断路器联动的挡块，使断路器无法合闸。

同时，与推进机构闭锁的微动开关也断开合闸回路，实现电气、机械双重保护，保证了只有当断路器处于分闸位置是，手车才能在柜内移动。

②手车推进机构还与接地开关操动机构一起实现了防止带电和接地开关以及在接地状态下和断路器。

当手车进入工作位置时，推进机构的挡杆抵住接地开关合闸机构的帘板装置，使帘板无法打开，接地开关不能合闸，反之，接地开关合闸后，帘板装置挡板将阻挡手车进入柜体，从而避免了接地状态下合断路器的可能性。

③手车遇到试验位置以后，接地的金属隔板就自动落下遮住带电的静触头部分，此时如拉出手车，进入柜体检修，也不会触及带电部分，有效地实现了“防止误入带电间隔”。

第2章高压一次元件

2.1概述

一次设备主要是指直接用于生产、输送和分配电能的高压电气设备。

它一般包括发电机、变压器、断路器、隔离开关、负荷开关、接触器、刀开关、母线排、输电线路、电力电缆、电容器、电抗器、电动机等。

由一次设备相互连接，组成发电、输电、配电或用于其他生产过程的电气回路称作一次回路或一次接线系统。

高压开关柜内的一次电器元件类型比较多，同一类型的电器元件品种也很多，且型式多样，在选用开关柜一次元器件时，要综合考虑到开关柜的性能要求、结构和安装布置、操作维护、通用性以及电器元件的技术条件、性能参数、安装尺寸等因素。

一次电路功能：

传递能量，正常分合，故障分断，电能变换

组成：

一次元件，母线

特点：

高电压，大电流

一次元件包括：

断路器，负荷开关，隔离开关，高压接触器、熔断器，仪用互感器，避雷器、接地开关等。

2.2高压断路器

2.2.1断路器的基本作用：

（1）能切断与闭合正常的负荷电流

（2）能切断与闭合一定的短路电流

（3）与自动保护装置相配合，能快速切除故障，保证系统的安全运行

因高压断路器可用来自动切除电网中的短路故障，也能执行其它开断与闭合电路的任务。

而系统中发生短路故障时，短路电流非常大，开断时在触头之间会产生强大电弧，因此在结构上需要专门的灭弧装置。

2.2.2高压断路器的种类

高压断路器的分类方法比较多，例如：

按开断电流的性质不同可分为交流断路器和直流断路器；按使用环境条件不同可分为户内式和户外式断路器；按动作时间长短可分为三周波断路器、二周波断路器、一周波断路器或同步断路器；按力学性能或机械寿命的不同可分为一般操作断路器和频繁操作断路器；按灭弧方式不同又可以分为以下类型的断路器：

①少油断路器：

油量很少（一般只有几千克），其油只作为灭弧介质。

一般3～35KV户内配电装置中广泛使用少油断路器

②多油断路器：

油量多，其油除了作为灭弧介质，还用作相对地（外壳）甚至用作相与相之间的绝缘介质。

多油断路器的主要缺点是：

动作速度慢，钢材及油用量较大，体积庞大，笨重，并有起火和爆炸的危险等，已逐渐被少油断路器所取代。

但在电压较低时，因其结构简单，外壳不带电，户外装置安装费用较少，所以在6～35KV的电力网中仍被采用。

③空断路器：

利用“真空”灭弧的一种断路器，其触头装在真空灭弧室内。

由于真空中不存在气体游离问题，所以这种断路器的触头断开时很难发生电弧。

但是在感性负荷电路中，灭弧速度过快，瞬间切断电流i将使di/dt极大，从而使电路出现过电压（由u

=Ldi/dt可知），这对电力系统的稳定是十分不利的。

因此，这种“真空”不能是绝对的真空，实际上能在触头断开时因高电场发射和热电发射产生一点电弧，称之为“真空电弧”，它能在电流第一次过零时熄灭。

这样，既能使燃弧时间很短（至多半个周期），又不至产生很高的过电压。

真空断路器的优点：

灭弧能力强，燃弧及全分断时间短；开断能力强，灭弧后介质强度恢复快；触头电侵蚀小，电器寿命长；触头开距小，操作功率小，机械寿命长；适于频繁操作和快速切断负载电路；体积小、重量轻、结构简单，真空灭弧室和触头无需检修；对环境污染小，无易燃易爆介质，无爆炸及火灾危险，也无严重噪声等。

其缺点是价格昂贵，并易产生危险的过电压。

结构形式有两种：

落地式和悬挂式。

落地式真空断路器以绝缘支撑将真空灭弧室支撑在上方，将操动机构设在下方的基座上，上下两部分通过传动机构相连接。

其优点是：

操作人员观察、更换灭弧室均比较方便；传动效率高（分、合闸操作时直上直下，传动环节少，摩擦小）；整体重心低，稳定性好，操作时振动小；重量小，出入开关柜方便；户内户外产品互换性较好。

其缺点是总体高度大，检修尤其是带电检修时困难。

悬挂式真空断路器适用于手车式开关柜，其操动机构与高压隔离，便于检修。

其缺点是纵深尺寸大，钢材耗用多，重量大，绝缘子要承受较大弯曲力，操动时振动大，传动效率不高。

通常用于户内式中压电压产品。

④

断路器：

是用

气体作为灭弧和绝缘介质的断路器。

气体是无色无味不燃烧的惰性气体，它的密度是空气的5.1倍。

分子有个特殊的性能，它能在电弧间隙的游离气体中吸附自由电子，在分子直径很大的

气体中，电子的自由行程是不大的。

在同样的电场强度下产生碰撞游离机会减少了，因此，

气体有优异的绝缘灭弧性能，其绝缘强度约为空气的3倍，其绝缘强度恢复的速度约为空气的100倍。

因此，采用

作为电器的绝缘介质或灭弧介质，既可以大大缩小电器外型尺寸，减少占地面积，又可利用简单的灭弧结构达到很大的开端能力。

此外，电弧在

中燃烧时电弧电压特别低，燃弧时间也短，因而

断路器每次开断后触头烧损很轻微，不仅适用于频繁操作，同时也延长了检修周期。

由于这些优点，

断路器发展很快。

在灭弧室吹弧过程中，作为灭弧和绝缘介质的

气体不排向大气，只在封闭系统中循环使用。

此断路器的按其灭弧方式分，有双压式和单压式两类。

双压式具有两个气压系统，压力低的用作绝缘，压力高的用作灭弧。

单压式只有一个气压系统，灭弧时

的气流靠压气活塞产生。

单压式结构简单，我国现在生产的LN1、LN2型断路器均为单压式。

缺点：

对结构的密封性、元器件加工精度

气体质量的要求很高，因而造价高，维护困难。

断路器主要用于需频繁操作以及有易燃易爆危险的场所，特别是广泛用作封闭式组合电器。

2.2.3断路器操作机构的选用

在电力电网中，断路器是各电压等级开关的重要组成部分，其分、合闸的灵敏及可靠性决定了各级用电设备能否安全经济运行。

（1）断路器配制操动机构

断路器的操动机构是用来进行合闸、跳闸和维持其闭合状态的传动装置，设置于断路器近旁的操作箱内。

断路器的操动机构由合闸机构、分闸机构及维持机构组成。

①合闸机构:

合闸机构由合闸电磁铁和传动机构组成，电磁铁使断路器操动机构储能，使其完成合闸动作。

②分闸机构：

分闸机构由分闸电磁铁和脱扣机构组成，使断路器在跳闸弹簧作用下跳闸。

③维持机构：

维持结构使断路器保持在合闸状态。

断路器是通过操作机构的传动部件来改变力的方向和作用点从而实现预设目的，其能量来源一般有电力和人力两种，除手动机构外，如电磁机构、气动机构、弹簧储能机构及液压机构等均是依靠电力