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（ 10 kv 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-voltage switchgear panel）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

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2.1                     10kV真空断路器技术数据

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

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=3 A/ mm2

     Sa=200/3=66.67 mm

 按铜母线标准选择厚度（h）及宽度(b)

取   h=4 mm    b=30 mm   Sa =120 mm2

四．工作制下的稳定温升(Tw )  

Tw = IN2 R /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 = IN2 R /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=1/235     θ0=36.88+40=76.88    

ρ0=1.65×10-8

tk=4s    jk=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=250mm  b=30mm  h=4mm  b/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=0.125ql2            q= FBM/l   

当FBM=337.74N     l=1m 时    q=337.74N/m

       Mmax=0.125×337.74×12=42.22N.m

弯曲应力 σ= Mmax/W   W: 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=195×106 Pa，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=97.5×106 Pa            (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×(E JP/ 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=1.068 kg/m

    L=1 m     JP=b3h/12=303×4×10-12 /12=0.9×10-8 m4

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80 mm.。

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

电压互感器根据其接线方式可选相应型号的产品。35kV高压开关柜尤其是手车柜中的电压互感器要求外形尺寸小，重量轻，环氧树脂浇注全封闭，目前有 JDZ8-35、JDZJ8-35、JDZX8-35等型号可供选择。

选择了JDZ8-10型号的电压互感器。有关参数如下。

表2-4 电压互感器的技术数据

    高压熔断器用于供电线路、电压互感器、电力变压器及电力电容器等电气设备的短路保护和连续过载保护。高压熔断器具有结构简单、造价低廉、容易维护、使用方便的特点。

熔断器是熔管有三种形式：（1）形式A,不带指示器，不带撞击器：（2）形式B带指示器；（3）形式C，带撞击器。熔体是支撑是一个横截面为星型的绕线体，石英砂填充熔管和熔体之间的空腔。撞击器装在熔体支架内。当熔断器熔断时，它动作，并承担脱扣功能。当熔断器熔断时，他同时作为可见指示器。

国内生产的限流熔断器有RN-RN6,XRNT1/SBLAI、XRNTI/SFLAJ、XRNT2/FFLAJ、XRNT2、XRNT3、XRNM/WDF、XRNMI/WFF、XRNP、CEF12、SKDAJ、SFLAJ等。其中，RN2专用于保护电压互感器。

   在此选择了RN3户内熔断器，主要技术参数如下表2.5。

表2.5                     RN3户内熔断器的技术数据

    F-C回路柜是由高压限流熔断器（Fuse）、高压接触器(Contactor)、集成化的多功能综合保护装置等组成的高压开关柜。它具有占地面积小、寿命长、能频繁操作、维护量少、维修强度低、防火性能好、噪音低、环保性能好、内部故障概率小（由高压限流熔断器的限流持性所决定）、使用经济等优点。

 F-C回路柜主要用于操作高压电动机。高压限流熔断器独特的开断短路电流的能力，加上高压接触器适用于频繁操作的特点，使得F-C回路开关柜在操作高压电动机的场合被广泛应用。

开关柜采用F-C回路后，大量的控制操作由高压接触器来完成，少量的保护功能由熔断器来完成。这样，在F-C柜中，各元件真正做到了物尽其用。

F-C回路柜配装的高压接触器有真空和SF6两种类型。接触器的普遍特点是：体积比较小，机械寿命和点寿命比较高。此外，智能化的高压接触已经出现，如对真空接触器异常温度升高的监视，分合闸线圈断线监视及真空灭弧室的真空度劣化监视等。

由于高压接触器体积小，F-C柜可设计成双层结构，一面柜可容纳两台真空接触器，成本低，使用经济，占地面积小。

F-C回路柜具有独特是故障电流的功能，使是在使用F-C回路柜的系统中相应电器和线路就不必要具有较大的故障承受能力，整个系统就因此而可以节省投资。采用F-C柜后，速断保护由限流熔断器完成，与使用断路器配置继电保护装置相比，减少了中间时延。电流越大，限流熔断器断开故障电流的时间越短。当短路电流达到7kA时，熔断器的断开时间将小于10ms。因此，F-C 柜对电机及电缆保护将更有利，其快速切断特性将减少故障对电网的影响。

在F-C柜中，由于高压限流熔断器的限流作用，预期电流为40kA的短路电流被在峰值40kA以下，而该电流的持续时间又不大于10ms，这样，电缆的截面积减少很多。统计数据表明，使用F-C柜后，可节省电缆投资30%以上。

2.4.1 一次接线

该柜采用三相电流互感器，装有RC过电压吸收器和接地开关，如下图2.3所示。

图2.3  F-C柜一次接线图

2.4.2  一次电器元件的选择

一．高压限流式熔断器的类型和选择

高压限流式熔断器利用过载和短路电流将熔体熔化后，由石英砂吸收弧能，冷却、熄灭电弧。其熔体材料为纯铜或纯银，额定电流较小是用线状熔体，额定电流较大的用带状熔体。

限流熔断器可以单独使用，也可以与高压负荷开关、高压接触器组合使用，取代某些场合用的断路器。

熔断器是熔管有三种形式：（1）形式A,不带指示器，不带撞击器：（2）形式B带指示器；（3）形式C，带撞击器。熔体是支撑是一个横截面为星型的绕线体，石英砂填充熔管和熔体之间的空腔。撞击器装在熔体支架内。当熔断器熔断时，它动作，并承担脱扣功能。当熔断器熔断时，他同时作为可见指示器。

国内生产的限流熔断器有RN-RN6,XRNT1/SBLAI、XRNTI/SFLAJ、XRNT2/FFLAJ、XRNT2、XRNT3、XRNM/WDF、XRNMI/WFF、XRNP、CEF12、SKDAJ、SFLAJ等。其中，RN2专用于保护电压互感器。

在此选择了RN3户内熔断器，主要技术参数如下表2.6。

表2.6                      RN3户内熔断器的技术数据

高压接触器是一种高压控制电器，主要用于对高压电动机、变压器、电容器等电气设备进行控制和频繁操作。高压接触器频繁操作性能很好，最高的可达200万次。

    高压接触器按绝缘介质分，有空气式、真空式和SF6式三种类型；按电压等级分3.6、7.2、12kV三种；按布置方式分有上下布置和前后布置两种结构。合闭保持方式有机械保持和电保持两种。还有采用高性能永久磁铁作锁扣的，称永磁保持。

    高压真空接触器和SF6接触器具有寿命长、操作频繁、安全可靠、体积下、重量轻、不污染环境、价格底和良好的开断性能等一系列优点。特别是高压真空接触器，有具有不爆炸及检修方便的特点。

真空或SF6接触器与高压限流熔断器等元件构成的组合单元（F-C回路）在治金、化工、煤炭、港口等许多需要频繁操作的场所大量采用。由于在不降低要求是情况下采用F-C柜比使用高压真空断路器、SF6断路器至少节约一次性投资30%以上，节约长期性投资更可观，有明显的经济效益，故在此选择电压等级为12kV的高压真空接触器用于F-C回来开关柜中。

三．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2.7。

表2.7                      电流互感器的技术数据

   电力系统的过电压分为内部过电压（包括操作过电压、弧光接地的过电压、铁磁谐振过电压）和外部过电压（雷击过电压）两类。高压开关柜根据其用途，应配置相应的过电压保护装置，用于防止雷电过电压的高压开关柜，可配阀式避雷器或氧化锌避雷器（压敏电阻避雷器）；操作过电压的防止，例如作为高压电容器组投切、高压电动机和电弧炉的切合等用途的高压开关柜，可选配RC过电压吸收器、氧化锌避雷器等。

在此选择了RC过电压吸收器（LG型等）的电阻器与电容器串联电路，用电容削平过电压波，用电阻吸收能量，和一个JNZ-10Z/31.5接地开关。

第3章 高压开关柜二次接线设计

3.1 真空断路器柜二次电路设计

二次回路是各类开关设备的一个重要组成部分，对于成套电器更是如此。成套电器的电气回路由主回路和辅助回路（即二次回路）构成。

二次回路图是用规定的图形符号和标号将该回路中的所有元件相互连接，按照动作原理依次表示出来。二次回路图按用途分包括原理图和安装接线图两类。原理电路图用于表示仪表、继电器、控制开关、信号位置、开关电器的辅助触点等二次元件和操作电源相互之间的电气连接、动作顺序和工作原理。安装接线图用来表示二次元件之间连接关系，它是一种电气施工图，主要用于二次回路的安装接线、线路检查、维修和故障处理。

原理电路图（或称原理结线图）有两种绘制方法。一种绘制方式是将一个二次元件的各组成部分（例如继电器的线圈和触点）集中在一起，二次元件以整体的形式在电路中绘出，通常称之为归总式原理电路图，简称原理图。另一种绘制方式是将一个二次元件的各组成部分分别绘在其相应的回路中，这种原理电路图通常称为展开式原理电路图，简称展开图。 JYN2-10（Z）高压开关柜所采用的原理图（附录）绘制方法是展开式。

在二次回路的原理电路图中，各种电器的触点均按它们的正常状态表示。所谓正常状态，是指开关电器在断开位置和继电器的线圈中没有通电时的状态。

展开图的特点是将交流回路与直流回路划分开。交流回路又分为电流回路与电压回路。直流回路分直流操作回路与信号回路等。阅读展开图的顺序是：①先读交流回路，后读直流回路；②直流电流的流通方向是从左到右，即从正电源经触点至线圈回到负电源；③元件的动顺序是从上到下，从左到右。

为了便于二次回路运行中的维护和检修，在展开图中，应根据回路的不同用途进行标号，如下表3.1。二次回路应具有的功能：（1）断路器控制回路，采用电磁操动机构，防跳跃；（2）信号回路，包括手车位置信号、断路器位置信号（灯光监视，且有闪光信号）、事故信号（采用光字牌）； （3）继电保护（过流和速断）； （4）电流监视。

表3.1                    控制回路标号组划分表

ⅰ.合闸过程

    预备合闸，绿灯闪亮，红灯不亮。合闸后，绿灯灭红灯亮，表明合闸回路完好。

ⅱ.跳闸过程

    跳闸后，红灯灭绿灯亮。

ⅲ.速断保护和预告信号。

速断保护主要由电流互感器和中间继电器完成。其工作过程：当主电路出现短路故障时，电流石互感器检测到的电流使KA1，KA2的线圈通电， KA1，KA2常开触头闭合，同时使KS1线圈通电，回路中YR（断路器跳闸线圈）通电使断路器跳闸。相应光字牌显示故障信号。

ⅳ.过流保护。

当主电路发生过载故障时，KA3，KA4闭合。接通跳闸线圈，其原理基本与短路故障相同，KS2的闭合使信号光字牌显示过载故障信号。

ⅴ.测量表计

电流的测量由电流互感器和电流表完成.

ⅵ.手车位置信号

手车有两个位置：一个是工作位置,另一个是实验位置.这两个位置上都有行程开关。当小车处在某一位置上时,行程常开开关闭合,使信号灯发光,从而显示出不同的位置信号。JYN2-10（Z）高压开关柜的二次电路图见附图

3.1.1 操动机构

断路器的控制回路与断路器的操动机构几操作电源密切相关。3～35kV断路器使用的操动机构有电磁式（CD）和弹簧式（CT）两种，断路器既可使用电磁操动机构，也可使用弹簧操动机构，电磁操动机构必须使用直流操作电源，弹簧操作机构可以用交流电源或直流电源。采用不同操动机构时，控制电路有较大差别。两种操动机构的控制回路见附图，以下对这两种操动机构有关技术数据进行简单介绍，如下表3.2、表3.3和表3.4。

表3.2             CD10型电磁操动机构的主要技术数据

表3.3               CT型弹簧操动机构的储能电机的技术数据

成套电器的电气回路由主回路和辅助回路（二次回路）两部分组成。二次回路有计量表计、继电器、控制开关、信号器具等二次元件（二次设备）互相连接而成，它是低压、小电流回路。

成套电器中的二次回路可按以下方式分类：

（1） 按功能分：包括控制回路、计量回路、保护回路、信号回路等。

（2） 按操作电源种类分，包括交流电压回路、交流电流回路和直流回路。所谓操作电源，是指二次回路工作所谓需要的电源，有交流操作电源和直流操作电源两大类，操作电源的电压通常为220V或110V。对于成套电器中的二次回路，其直流操作电源由发电厂或变电所的直流电源系统提供，交流操作电源由成套电器中的互感器或发电厂、变电所的公共交流操作电源提供。

3.1.3 二次元件的选择

    二次回路中的元器件的选择：包括控制回路、测量回路、保护回路、信号回路等中的各个元件的选择。

一．光监视中的信号灯及附加电路选择

（1）. 当提示灯引出线上短路时，通过跳、合闸回路电流应小于其最小动作电流及长期热稳定电流(一般不大于合闸线圈额定电流的10%来选择)

（2）. 当电流母线电压为95%额定电压时,加在指示灯的电压一般为其额定电压的60%~70%.

    实际上，现在又带附加电阻的信号灯，这样只需按额定电压来选择，常用的信号灯及其附加电阻的技术数据可通过查技术资料得到。

二．二次元件的选择

JYN2-10高压开关柜主要的二次元件见附录中元件明细表。

三．二次回路配线的选择

开关柜中二次回路的导线采用单芯或多芯绝缘导线（也叫控制电缆），其截面积选择方法如下：

（1）测量表计电流回路用绝缘导线的选择

测量表计电流回路用绝缘导线的截面不应小于2.5平方毫米，而电流互感器二次电流不超过5安，所以不需要按额定电流校验。另外，按短路时校验热稳定也是足够的，因此也不需要按短路时热稳定性校验导线截面。

绝缘导线芯线截面，按在电流互感器上的负荷不超过某一准确等级下允许的负荷进行选择。

（2）继电保护装置电流回路用绝缘导线的选择

保护装置电流回路用绝缘导线截面的选择，是根据电流互感器的10%误差曲线

行的。

（3）电压回路用绝缘导线的选择

电压回路用绝缘导线按允许电压损失来选择线芯截面。

（4）控制与信号回路用绝缘导线的选择

控制、信号回路用的导线电缆芯，根据机械强度条件选择，铜线芯线截面不应小于1.5m㎡。合闸回路和跳闸回路流过的电流较大，产生的电压损失增大，为使断路器可靠地工作，此时需根据线路允许电压损失来校验电缆芯截面。

3.2真空断路器柜二次电路安装接线图设计

安装接线图简称接线图.接线图是用来表示成套装置或设备中各元件之间连接关系的一种图形。主要用于二次回路的安装接线、线路检查、线路维修和故障处理。在实际应用中，接线图通常需要与原理电路图、二次元件位置图一起配合作用。接线图有时也与接线表配合使用。

（1）二次元件（设备）的表示方法

由于二次设备都是从属于某一次设备或线路的，而其一次设备或线路又是从属于某一成套电气装置的，因此所有二次设备部必须按GB5094-85规定，标明其项目种类代号，例如，仪表用P表示，电流继电器用KA表示。

（2）接线端子的表示方法

在二次回路的安装接线中，对于在同一屏（板、盘）上的二次元件之间的相互连接，直接用导线连接即可；而屏（板、盘）外的导线或设备与屏（板、盘）上的二次设备相连时，必须通过端子排。端子排由专门的接线端子板组合而成。

接线端子板分为普通端子了、连接端子、试验端子和终端端子等型式。普通端子板用来连接由屏（板、盘）外引至屏（板、盘）上或屏（板、盘）上引至屏（板、盘）外。

在接线端子中，端子排的文字代号为X，端子的前缀符号为“:”。实际上，所有二次元件上都有接线端子。接线图上端子的代号应与二次元件上端子标志一致。如二次元件的端子没有标记时，应在接线图设定端子代号。

（3）连接导线的表示方法

    接线图中端子之间的连接导线有以下两种表示方法：

1）连续线表示方法：端子之间的连接导线实在的线条表示。

2）中断线表示法：端子之间的连接导线不连线条，而只在每一端子处标明相连导线对方端子的代号，即采用“对面标号法”（或称“相对标号法”）来标注端子。

用连续线来表示连接导线，如导线比较多时，就会使二次回路变得相当繁复，不易辨识。因此在不致引起误解的情况下，规定对用加粗的线条来表示导线组或电缆。但是还是不如用中断线表示法简明。因此，配电装置二次回路的接线图多用中断线表示法即“对面标号法”来绘制。这对安装接线和维护检修都很方便。

附录中JYN2-10高压开关柜的接线图就是用的中断线表示法（即“对面标号法”）。见附图

3.3 计量柜二次电路设计

10kV电网中使用的电能计量专用柜二次电路。它有三个仪表：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）。DSK原理与功率表类似，它由供电部门设置一个最大功率值，当用户的负荷超过设定的最大功率值时，这一装置即报警，并延时一定时间后使电源进线上的开关跳闸，切断电源。

二次回路的设计见附图。

 第4章  高压开关柜微机型综合测量/保护装置

4.1 微机测量

智能电器应具有各电量的测量以及电能计量功能，并能通过LED显示出来，完全取代传统的测量和计量仪表。采用单片机对交流电压和电流进行检测，然后通过一定的算法，就可以实现对电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等电参数的测量和计量功能。

4.2 微机保护

微机保护不仅可以完全代替传统的继电保护装置，而且可以在不添加硬件的情况下，实现各种性能更好的保护功能。对于35KV以下的系统，最基本的保护是电流保护，只要检测出故障电流，根据相应的算法就可以实现高性能的电流保护。具有以下的特点：

（1）维修调试方便

   比较于过去大量使用的整流型继电保护装置，微机保护装置几乎可以不用调试，微机保护对硬件和软件都有自检功能，装置上电时，有故障就会立即报警，可以大大的减轻运行维护的工作量。

  （2）可靠性高

在各种保护方法中，考虑到了电力系统中的各种情况，具有很强的综合分析和判断能力。微机系统运行时，可以不断进行自检，因此，可以立即检查出微机保护内部的大多数随机故障，而采取适当的纠正措施。

   （3）易于获得各种附加功能

由于计算机的通用性，因而在继电保护硬件的基础上，可以很多方便地通过增加软件的方法获得保护之外的功能。例如，保护的动作顺序记录，故障测距，底频减载等。

  （4）保护性能易于改善

对于相同的硬件，可以通过算法的不同，实现不同的保护。这样，也就可以通过改善算法来不断完善保护性能，而不需要改善硬件。通过软件算法的改善，可以较好的解决原有模拟继电保护装置无法解决的一些问题。

   （5）便于远方监控

目前的微机保护装置均没有通信接口，这样可以方便地将各地保护装置纳入变电站综合自动化系统，可以实现远方修改定值与投切保护装置。

4.2.1 微机保护的硬件

微机保护的硬件系统包括数据采集系统、主机系统和开关量输入/输出系统等三部分，其框图如图4.1所示。

图4.1  微机保护硬件系统框图

一．数据采集系统

(1)电压形成环节  其功能是将电流、电压互感器二次侧来的电流、电压强电信号，变换为适合模数转换（A/D）的弱电信号，并使用微机保护的弱电系统与电力系统的强电系统隔离，且采取一定的过电压保护和抗干扰措施，以保证安全，提高保护的可靠性。

(2)模拟量低通滤波器（ALF）  其功能是用来自电力系统的模拟信号中的高频分量滤波掉，以降低采样频率值，从而降低对微机系统硬件过高的要求。

(3)采样保持器（S/H）  采样就是CPU（处理器）每隔一定时间间隔读取一次输入的模拟信号数据。采样保持器是主要功能是为了在模拟转换（A/D）过程中保持输入的模数信号不变，以满足多路切换的要求。在微机保护中，它还须要保持各相电压、电流之间的相位关系不变，以满足同步采样的要求。采样保持器受CPU主机系统控制。

(4) 转换开关（MPX）  其功能是轮流将各通道中采样保持器输出的模拟信号通过共用的模拟转换器（A/D）转换成微机运算的数字信号。所有通道通过多路转换开关轮流转换所需时间的总和，应小于采样的时间间隔。多路转换开关也受CPU主机系统控制。

(5) 器（A/D）  其功能是将来自电力系统的电流、电压信号的模拟量转换为适于微机运算是数据量。为了保证微机保护的精度要求，目前的微机保护一般采用12位或以上的A/D转换器。

二．微机保护的主机系统

(1)处理器（CPU）  它是微机保护主机系统的中枢。它根据预定的软件程序，执行存放在可擦只读存储器（EPROM）和可擦可写存储器（E²PROM）中的程序，运用其算术和逻辑运算的能力，对由数据采集系统输入至随机存储器（RAM）区的原始数据分析处理，从而完成各种保护功能。

（2）可擦只读存储器（EPROM） 它用来存放编好的程序及一些常数和打印符号码。

（3）写只读存储器（E²PROM）  它具有良好的擦除和重写功能，既能像随机存储器（RAM）那样写入和读出，又能长期保存所有存储的内容，即使电源消失后仍能保持原来存储的内容。因此用它来存放保护整定值是比较理想的。当系统运行方式改变需要修改保护整定值时，只需在同一空间内先擦后写，擦除和重写均用5V电源，其硬件和软件都简单可靠。

（4）随机存储器（RAM）  它作为采样数据及运算过程中数据的暂存器，用来存放采样数据、中间数据和打印数据等。

（5）可编程定时器  它用来计数、产生采样脉冲和实时计时等。

此外，主机中还可根据保护要求，设置中断控制器和直接数据存取控制等。

三．开关量输入输出（I/O）系统

（1）开关量输入回路

在微机保护装置中，有许多外部触点的通断状态需要输入微机中，参与控制保护。这类触点大致分为两类：

1）安装在装置面板上的触点 如安装整定、调试用的或在运行中定期检查用的键盘触点以及切换装置工作方式用的转换开关等。对这类触点，可直接接至微机的并行接口，如下图所示。只要在初始时规定图中可编程的并行接口的PA0为输入口，如图4.2所示。则CPU就可以通过软件查询，随时了解其外部触点SA的状态。

2）从装置外部经端子排引入装置的触点，如需要运行人员不打开装置外盖而在运行中进行切换的各种连接片、转换开关、其保护装置和控制继电器的触点等。对这些触点，应经过光电隔离器V引入微机，如图4.3所示。以免给微机保护引入外部回路的干扰。

（2）．开关量输出回路

    在微机保护装置中，需要输出的开关量主要有保护的跳闸出口以及本地和报警信号等。通常由并行接口的输出来控制于弹簧电器或密封的微型中间继电器等有触点继电器的动作。为了避免有触点继电器将电磁干扰引入微机，也需采用光电隔离措施，如图4.4所示。

                           图4-2  装置面板上的触点与微机接口连接图

      在微机保护装置中，只要有软件使并行接口PB0输出“0”，PB1输出“1”，便可使与非门D2输出底电平，使光敏三极管导通，从而使继电器K通电动作，其触点闭合。如果需要继电器K返回，则应由软件使PB0输出“1”而PB1输出“0”。此输出回路中设置反相器D1和与非门D2，而不是将发光二极管与并行接口相连，这一方面是由于采用与非门后要哦满足两个条件才能使继电器K动作，从而提高了保护的抗干扰能力。此外，并行接口PB0经反相器D1，再同与非门D2相连，而PB1却不经过反相器D1而直接同与非门D2相连，这是为了防止拉合直流电源的过程中继电器K的短时误动。因为拉合直流电源时，当5V电源处在中间某一临界电压值时，可能由于逻辑电路的工作乱而造成保护装置误动作，特别是电源往往接有大量电容器，因此拉合直流电源时，电源电压都是缓慢下降或上升的。从而可造成继电器K短时误动作。采用图4-4接法后，可通过其两个相反条件的元件互制约，防止继电器误动作。

图4-3  装置外部输入触点与微机的连接图

                  图4.4  采用光电隔离措施的开关量输出回路连接图

D1—反相器 D2—与非门 V—光电隔离器 K—有触点继电器

4.2.2 微机保护的软件

一.信号和采样定理

（1）信号的基本概念

信号是指与微机保护有关的电信号，它是是随时间而变化的物理量，通常指电压或电流。按照其时间函数取值特征，信号可分连续信号和离散信号。

1）连续信号  它是指其时间变量是连续的信号，如图4.5所示。它可以含有不连续点。当其幅度也连续时，又称模拟信号。             

2）离散信号 它是指只在时间变量值上有定义信号，而所定义的时间间隔一般是均匀的，当离散信号的幅值也限定为离散值时，又称数字信号。

图4.5 连续信号（a）和离散信号（b）

（2）采样定理

在微机保护中，采样是对连续信号进行数字化处理的第一个环节。采样，就是用可编程定时器产生的采样脉冲信号“采取”一系列的离散样值。要使对连续信号从连续信号中“采取”的离散信号不致失真，就必须遵循以下的“采样定理”：为了使连续信号采样后能够不失真的还原，采样频率必须等于或大与连续信号中最高频率的两倍。

在微机保护中，为了满足采样定理，避免发生频谱混淆现象，通常采取以下两项措施：

1）在采样保持器之前设置模拟低通滤波器，用以滤掉高于二分之一采样频率的频率分量。

2）采样频率选为模拟低通滤波器输出的连续信号最高频率的两倍以上。

二.微机保护的算法

    微机保护的算法，就是建立微机保护的数字模型，也是微机保护计算程序编制的 依据。

    各种微机保护的功能和要求不同，其算法也不一样。衡量算法的主要指标有计算精度、计算速度和计算量，而这三者之间往往是矛盾的。因此在选择算法时，应充分考虑各种算法的特点，根据保护的不同功用、性能指标及不同的硬件系统采用不同的算法。微机保护一般有下列算法：倒数算法、采样值积算法（正弦曲线拟合法）、傅里叶算法、微分方程算法等。下载本文