毕业设计高压固定开关设备及其电气设计.pdf

1 第一章第一章概述概述 1.1 电力系统概述 1.1.1电力系统的定义 在动力系统中同时生产电能和转变的能量，全部或其中的主要部分是电能 的称为电能系统，其中的电气部分称为电力系统。发电厂是生产电能的工厂，它 担负着把不同种类的一次能源转换成电能的任务。 根据一次能源的不同又可分为 火力发电厂，水力发电厂，地热发电厂，潮汐发电厂及核能发电厂。由发电厂生 产的电能,经过由变压器和输电线路组成的网络输送到城市，农村和工矿企业供 给用户的用电设备消耗。变电所是联系发电厂和用户的中间环节，一般安装有变 压器及其控制和保护装置，起着变换和分配电能的作用。在电力系统中，升压和 降压变电所和各种不同电压等级的配电线路称为电力网。 电力网的作用是将电能 从发电厂送至电力用户。 由发电厂内的发电机， 电力网内的变压器和输电线路以及用户的各种用户设 备，这些生产、输送、分配、消费电能的发电机、变压器、电力线路及各种用电 设备联系在一起构成的统一整体称为电力系统。在电力系统的基础上，还把发电 厂的动力部分，例如火力发电厂的锅炉、汽轮机、火力发电厂的水库，水轮机以 及核动力发电厂的反应堆等都包括的内系统，称为动力系统。 由此可知，是电力用户和电力网构成了电力系统；电力系统加上原动机力能 部分构成动力系统。 1.1.2电力系统的形成 在电力系统中，发电机、变压器、线路和受控电器等直接参与生产、输送、 分配和使用电能的电力设备常称为主设备或称一次设备， 由一次设备连接在一起 构成的电路称为一次接线或主接线。 还包括对一次设备进行监察、控制、测量、调整和保护的低压设备，称为二 次设备，又称为辅助设备，包括测量仪表、控制和信号器具、继电保护装置、自 动远动装置、操作电源、控制电缆及熔断器等。由二次设备互相连接构成的电路 2 称为二次接线，又称二次回路。 二次接线是发电厂和变电所电气接线的重要组成部分，是电力系统安全生 产、经济运行的可靠保障。二次接线的基本任务是：反映一次设备的工作状况， 控制一次设备；当一次设备发生故障时，能将故障部分迅速退出工作，以保证电 力系统在最佳运行状态。 电力系统由一次接线和二次接线共同组成，他们是不可分割的一个整体。如 果将电力系统比喻成一个人的话，其一次接线是人的骨骼和肌肉，而二次接线则 是人的神经系统，只有二者都处在良好的状态，才能保证电力系统的正常运行。 尤其是在高度自动化的现代电网中，二次接线的重要作用更显突出。 1.1.3电力负荷的分类 1.电力负荷的概念 电力系统的总负荷就是系统中所有用电设备消耗总功率的总和；将工业、农 业、邮电、交通、市政、商业以及城乡居民所消耗的功率相加，就得电力系统的 综合用电负荷； 综合用电负荷加网络损耗的功率就是系统中各发电厂应供应的功 率，称为电力系统的供电负荷（供电量） ；供电负荷再加各发电厂本身消耗的功 率（即厂用电） ，就是系统中各发电机应发的功率，称为系统的发电负荷（发电 量） 。 电力负荷是指电路中的电功率，直流电路中负荷就是电功率。在交流电路中， 电功率包括有功功率，称为有功负荷，单位 KW；无功功率称为无功负荷，单位 Kvar。视在功率包括有功和无功两部分，往往以负荷电流取而代之。由于系统电 压比较稳定，电压乘电流就是视在功率，所以负荷电流也就反映了系统中的视在 功率，因此，系统中的电力负荷也可以通过负荷电流反映出来。 2.按电力系统中负荷发生的不同部位而分类 发电负荷：这部分负荷是指电力系统中，发电厂的发电机向电网输出的电 力。对电力系统来说时发电厂相电网的总供电负荷。 供电负荷： 是指电力系统向电网输出的发电负荷扣除厂用电和发电厂变压 器的损耗以后的负荷称为供电负荷。 线损负荷：是指电力网在输送和分配电能的过程中，线路和变压器的功率 损耗的总和。 3 用电负荷：电力系统中，用电实际消耗的负荷。一般供电负荷扣除线损负 荷可即为用电负荷。 3.工、企事业用电单位按其用电性质及重要性分类 一级负荷 一级负荷是指中断供电将造成人员伤亡和重大设备损坏，使生产长期停顿且 难以恢复，产品和原材大量报废，造成经济上的重大损失或者在政治上造成重大 不良影响的电力负荷。 一级负荷的电力用户只要类型是重要交通枢纽、重要通讯枢纽、国民经济中 国重点企业的连续生产线及重要设备、重要的宾馆、政治和外交活动中心、医院 的急诊室、监护室和手术室等。 在一级负荷中，当供电中断将造成中毒、爆炸和火灾等情况的负荷以及重要 场所的不允许中断供电的负荷，应视为特别重要负荷，通常称为保安负荷。 保安负荷用户主要类型有：正常电源中断供电时处理安全停产所必需的安全 照明，通信系统、保证安全生产的制动装置等，民用建筑中大型金融中心的关键 电子计算机系统和防盗报警系统、大型国际比赛的计分系统及监控系统等。 （2）二级负荷 二级负荷是指中断供电会在政治经济上造成较大损失的负荷。如停电使主要 设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需要较长时间才能恢复，或者会 影响重要单位的正常工作，或者会产生社会公共秩序混乱等后果的电力负荷。 二级负荷电力用户主要类型有交通枢纽、通信枢纽、重要企业的重点设备、 大型影剧院和大型商场等大型公共场所等，如普通办公楼、高层普通住宅区、百 货商场等用户中的客梯电力，主要通道照明等用电设备也是二级负荷设备。 （3）三级负荷 三级负荷是指除了一级负荷和二级负荷外的其他电力负荷。三级负荷应符合 发生短路时中断供电不至于产生严重后果的影响。 4.各级电力负荷对供电电源的要求 一级负荷中分为普通一级负荷和一级负荷中特别重要的一级负荷。普通一级 负荷应由两个独立电源供电，且当其中一个电源故障时，另一个电源不应受到损 坏。 4 凡同时具备以下两个条件的发电厂、变电所的不同母线均属于独立电源。 （1） 每段母线的电源来自不同发电机。 （2） 母线段之间无联系或还有联系但当其中一段母线发生故障时， 能自动 断开联系，不影响其余母线段继续供电。 对于特别重要的一级负荷，应由 独立电源点供电，如两个发电厂；一 个发电厂和一个区域供电所。或者电力系统中两个区域供电所，或一个区域 变电所和一个工厂自备发电厂。 对于特别重要的一级负荷要增加在电气上与电力系统完全独立的应急 电源，以免当工作电源中断时，保证企业工厂安全停产。应急电源一般有： 独立于正常电源的发电机组，干电池、蓄电池，供电网络中有效地独立于正 常电源的专门供电线路。 二级负荷一般应有两个电源回路线路供电， 可以来自同一区域变电所的 两个不同变压器，或者来自两个区域变电所。 三级负荷对电源无特殊要求，一般由单回线路供电即可。 5.电力负荷的基本特性：负荷是随机变化的用电设备的启动或停止、负荷随 工作的变化，完全是随机的，但却显示出某种程度的规律性。例如某些负荷随季 节（冬、夏季） 、企业工作制（一班或倒班作业）的不同而出现一定程度的变化。 其变化的规律性可用负荷曲线来描述。 所谓负荷曲线就是指在某一段时间内用电 设备有功、 无功负荷随时间变化的图形， 分别构成有功负荷曲线和无功负荷曲线。 常用的是有功负荷曲线。每类负荷曲线按时间坐标长短的不同，可分为日负荷曲 线、 年负荷曲线等。 按描述的负荷范围不同还可区分为用户 （变电所） 负荷曲线、 地区负荷曲线和电力系统、发电厂负荷曲线等等。 负荷曲线对变电所、发电厂和电力系统的运行有重要意义。它是变电所负荷 控制，发电厂安排日发电计划，确定电力系统运行方式和主变压器、发电机组等 设备检修计划以及制变电所、发电厂扩建新建规划的依据。各类电力用户的最大 负荷和最小负荷出现的时刻是不尽相同的 因此，反映在变电所或发电厂日负荷 曲线上的最大负荷 Pmax 总是小于各用户最大负荷之和，而其最小负荷 Pmin 一 般均大于各用户最小负荷之和。 通过合理地、 有计划地安排种类用户的用电时间， 5 可减小最大负荷和最小负荷的差值，使负荷曲线图形较为平坦，从而有利于充分 利用发电、供电设备（主变压器等）容量，提高系统运行的经济性。 电力负荷取用的功率一般随电力系统运行电压和频率的改变而变化，当频率 f 保持额定值不变时， 以异步电动机为主的工业负荷取用的有功功率 P 和无功功 率 Q，随电压增大而分别呈非线性特性增加；而电压减小时 P，Q 分别按非线性 特性递减。当负荷的端电压保持不变，而系统频率 f 在允许范围内变动时，工 业负荷取用的有功功率 P 随频率 f 的改变按正比例线性变化；其无功功率 Q 则 随频率 f 的改变按非线性特性呈反比例变化。上述特性称为负荷的静态特性。 谐波电流源 对于带有电磁藕合装置（如变压器、饱和电抗器等）、电力电子换 流装置和电弧炉、电焊机等大功率非线性负荷，对系统而言它们可视为谐波电流 源。将在电源侧产生谐波，对电力系统和电力用户带来堵多不良影响（参见电力 谐波）。必须采取各种有效措施，以限制谐波含量。 1.1.4 电力系统的运行特点与要求 1. 电力系统运行的特点 （1） 过渡过程非常短促。电力系统内任一处故障将以光速波及全系统，电力系 统从一种运行方式过渡到另一种方式的过渡过程也非常短促。 （2） 电能不能存储。电能的生产、输送、分配和消费实际上是同时进行的，目 前还不能大量储存电能， 即发电厂任何时候生产的功率必须等同于该时刻 用电设备的消费和网络损失功率之和。 电力系统必须保持发电和用电的动 态平衡。 （3） 与国名经济的各部门的关系密切。 供电中断会严重影响国名经济各部门和 人民的生活。由于故障供电给国民经济造成的损失远远大于用电费用。如 1977 年美国纽约电力系统事故造成大面积停电，停电时间 25h，影响 900 万居民供电，根据最保守的估计，这次停电造成的直接和间接经济损失约 三亿五千万美金。 2. 对电力系统运行的基本要求 （1） 安全性。在电能生产、输送、非配和使用中，应确保不发生人身和设备事 故。 （2） 可靠性。在电力系统运行过程中，应避免发生供电中断，以满足用户对供 6 电可靠性的要求。各种用户对供电的可靠性要求也是不同的，因此，必须 根据实际情况对待不同类型的用户。 （3） 优质。满足用户对电压和频率等质量的要求，电压和频率是标志电能质量 的两个指标，也是设备制造的基本参数。运行电压和频率超过允许偏移值 时，不仅要影响设备安全运行，而且也可能要造成减产和废品。除频率和 电压外，电压和电流波形也是电能质量的一个重要指标。正弦波形畸变是 由于三相不平衡负载，晶闸管或非线性原件等形成谐波所致，反过来它又 影响用户的正常运行并对通讯系统产生干扰。 （4） 经济。降低电力系统的投资和运行费用，尽可能的节约有色金属消耗量， 铜鼓合理规划和调整，减少电能损耗，实现电力系统的经济运行。 1.1.5 电力系统接地问题 电力系统的中性点是指电力系统中作为电源的发电机、变压器的中性点，即 指接成星形的发电机定子绕组的公共点或三相变压器绕组的公共点。 中性点接地 方式对电力系统的方式对电力系统的运行有很大的影响， 特别是系统发生单相故 障时有明显影响。这是一个综合性的技术问题。 电工中的“地”的定义是不受入地电流的影响而保持着零电位的土地。电力 设备导电部分和非导电部分与大地的人为连接称为接地。 埋入地下与土壤有良好 接触的金属导体（角钢、扁钢、钢管等）称为接地体。连接接地体和电气装置接 地部分的导线称为接地引线。接地装置是接地体和接地引线的总称。电气设备需 要接地的部分与大地的连接是靠接地装置来实现的，按照不同的作用，接地可分 为： 1. 工作接地。工作接地。为了保证电气设备在正常或发生故障情况下可靠的工作而采 取的接地称为工作接地。工作接地一般都是通过电气设备的中性点来实现的，所 以又称为电气系统中性点接地。 中性点是指线路首端电压所连接的发电机、 、变压器的三相绕组成星形接线 时绕组的末端连接点。它与电压等级、单相接地短路电流、过电压水平、保护配 置等有关，直接影响电网的绝缘水平、系统供电的可靠性和连续性及对通信线路 的干扰等。 (1)中性点直接接地，即直接于接地装置连接。因入地电流大于 500A，所以 7 也称大电流接地系统。供电可靠性低。因这种系统一旦出现一相接地时，与直接 接地的中性点形成了两个接地点而构成了短路回路，形成了很大的接地短路电 流，为了防止损坏设备，必须迅速切除接地相甚至三相。但由于种方式过电压较 低，绝缘水平可以下降，减少了网络造价，用于高压和超高压电网的经济效益显 著。高压（110KV 以上）用，而以其他措施来提高供电可靠性，只要系统中不将 所有的中性点都接地， 接地短路电流和工频过电压就可以减少到设备能承受的范 围内。 (2)电源中心点经小电阻接地系统，由于小电阻的存在，使中性点对地电位 较小，基本维持了原有的相电压水平，从而抑制了电网过电压，使变压器绝缘水 平要求降低，另一方面，由于中性点电阻的限流作用，使这种接地系统接地电流 比电源直接接地系统要略小，故对邻近通信线路干扰减弱，同时又可以使蓄电保 护装备快速可靠动作，迅速切除故障线路，启动系统备用电源投入装置，恢复对 重要负荷供电，提高了城市供电的可靠性。 (3)中性点不接地，即电网的中性点与大地是绝缘。采用此方式，不构成短 路回路，接地电流不大，不必切除接地相，因此供电可靠性高。但这时非接地相 的对地电压却升高为相电压的3倍，使电网的绝缘水平较中性点直接接电电网 增高了 20%30%，因此，在我国对凡接地电流不超过 10A 的 35KV 以下的电网通 常采用中性点不接地方式。 (4)中性点经消弧线圈接地。随系统扩大，电网额定电压升高，中性点接地 电流增大了，发生瞬时接地的故障相难以自动熄弧，产生弧光接地过电压威胁系 统安全， 这时宜采用中性点经消弧接地方式。 消弧线圈时一个带铁芯的电抗线圈， 外形好像一个单相变压器。为避免磁饱和使线圈的电流与所加电压成正比，并保 持有效的消弧作用，铁芯柱中留有很多间隙，间隙中填以绝缘板。线圈有若干个 分接头，以此可调整线圈匝数改变电感电流。消弧线圈的工作原理是当接地电容 电流超过允许值时，其电感电流对接地电容电流自动进行补偿，保证接地电弧快 速熄灭，以消除弧元间隙接地过电压。对接地故障残余电流不超过 10A 的 63KV 或 35KV 电网，可采用消弧线圈接地方式。 2 2保护接地和保护接零保护接地和保护接零 保护接地的作用：将电气设备金属外壳、金属构件或互感器的二次侧等接 8 地，防备由于绝缘损坏而使外壳带危险电压，以保护工作人员在接触时的安全， 触电分三类： 与带电部分直接接触，包括带感应电，带静电和由于绝缘损坏使金属部件 带电等。 接地故障时，人处于接触电压和跨步电压的危险区。 与带电部分间隔在安全距离之内。 保护接零：在中性点直接接地的低压电力网中，把电气设备的外壳与接地 中性点（也称零线）直接连接，以实现对人生安全的保护作用，称为保护接零或 简称接零。 保护接地和保护接零 保护接地，按国际 GB4776，规定分 IT、TT、TN 三种方式，保护接零是保护接地 的一种。重复接地是接地零线的再接地。 IT 接地方式。字母 I 为电源中性点不接地或经高阻接地，T 为设备的金属 外壳接地，这种保护方式的实质是通过降低接地电阻，限制故障设备外壳的接地 电压。 TT 接地方式。第一个 T 表示电源中性点接地，第二个 T 是设备的金属外 壳接地，这种方式高压系统普遍采用。在高压电力网中，由于电压高，接地电流 大，外壳接地保护装置将快速将故障切除。 TN 接地方式。又称保护接地，T 表示电源中性点接地，N 表示零线（在低 压三相四线制系统中由于电源中性点接地，引出的中性点就处于零电位，故称为 零线，相应的电源相线称为火线，PE 表示保护线） 。 a.TN-S 系统(三相五线制)。字母 S 表示表示 N 与 PE 分开，工业用电设备通 常是三相电（A、B、C） ，电流从电源流出，流过负载，再流回电源；构成一个闭 环回路。ABC 三相是流出的电流，电流流回电源通过的是零线（N） 。设备中性点 与 N 相连接，设备金属外壳与 PE 相连接，其优点是 PE 中没有电流，故设备金属 外壳对地电位为零。主要用于数据处理，精密检测，高层建筑的供电系统。 b.TN-C 系统（三相四线制） 。字母 C 表示 N 与 PE 合并成 PEN,实际上是四线 制供电方式。当设备 A、B、C 三相负载完全平衡时，如电动机负载，三相电流值 相同。因为三相电是交流电，并且每一相的相位角差为 120，所以三相电流的 9 矢量和为零。此时没有电流流回电源，故不需要零线。设备中性点和金属外壳都 与 N 连接。由于 N 正常时流通三相不平衡电流和谐波电流，故设备金属外壳正常 对地带有一定电压，通常用于一般供电场所。 c.TN-C-S 系统。一部分 N 与 PE 合并，一部分 N 与 PE 分开，是四线半制供 电方式，应用于环境较差的场所。当 N 与 PE 分开后不允许在合并。 TN 接地方式，若设备发生碰壳故障，就形成火线、金属外壳和 N 或 PE（当引自 电源中性点时）的一个金属闭合回路，短路电流较大，能够保护装置迅速非故障 切除。 3.3.防雷接地防雷接地。针对防雷保护的需要而设置的接地。例如避雷针、避雷线、避 雷器的接地。目的使雷电流顺利导入地中，以防低雷电过电压。 1.2开关设备在电力系统中的作用 1.2.1开关设备的定义 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。 1.2.2开关设备在电力系统中的作用 （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 10 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。 1.2.3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 335KV 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 成套设备：多台屏或柜并列安装，成组使用 成套设备主要有四大类产品：低压成套开关设备、高压开关柜、预装式变电站和 GIS。在本文中我们主要探讨有关高压开关设备的问题。 第二章高压开关柜的一般知识 2.1高压开关柜概述 21.1高压开关柜的定义 高压开关柜是 3.640.5kv 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。 21.2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： 11 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。 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。 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 12 (1)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。 (2)F-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。 (3)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。 2.1.3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： - 从左到右分别用代表上面的 7 个， 这 7 个各代表的含义 分别为： 产品名称：高压开关柜 G；型式特征：固定式 G，手车式 C，半封闭式 B， 封闭式 F；设计序号；改进型 A，防误型 F，计量用 J；额定电压 KV； 断路器操动机构：手力式 S，电磁式 D，弹簧式 T；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： - 从左到右分别用代表上面的 7 个， 这 7 个各代表的含义 分别为： 产品名称：箱式 X，间隔式 J，铠装式 K，环网 H；型式特征：固定式 G， 移开式 Y；使用场所：户内用 N，户外用 W；设计系列序号；额定电压 KV； 一次线路方案编号；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)。 13 2.1.4 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。 2.1.5 “五防”功能及其实现 1 1 五防功能：五防功能： 防止误分误合断路器、负荷开关、接触器（允许提示性）； 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 14 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）； 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)； 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）； 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）。 1.11.1移开式高压开关柜的连锁要求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。 2 五防功能的实现五防功能的实现 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： 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。 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。 15 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”。 第三章高压开关柜的一次、二次元器件知识 3.1电气名词解释 3.1.1短路、短路电流、短路保护 1.定义：短路 1) 短路就是电源未经过负载而直接由导线接通成闭合回路。 短路电流是 指不接用电器时的电流，相当于直接找个导线把电池的正负相连接时的电 流。(通常这是一种严重而应该尽可能避免电路的故障,会导致电路因电流过 大而烧毁并发生火灾。) 2) 在并联电路中,用导线或开关直接将某电路元件或负载的两端连接 起来。(这是因需要并不会导致因电流过大而发生烧毁现象的安全连接,是一 种局部或部分的短路。如用几十只小灯泡串联而成的节日小彩灯,为了延长 它的使用寿命,当其中某只灯丝断开而损坏后,其内部的特别结构会自动将 其两端连接而使其他小灯泡正常工作。) 2.定义：短路电流 电力系统在运行中 ，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正 常连接（即短路）时流过的电流。其值可远远大于额定电流 ，并 取决于 短 路点距电源的电气距离。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的 短路电流最大瞬时值可达额定电流的 1015 倍。大容量电力系统中，短路 电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。 供电网络中发生短路时,很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力 作用而遭到损坏,同时使网络内的电压大大降低,因而破坏了网络内用电设 备的正常工作.为了消除或减轻短路的后果,就需要计算短路电流,以正确地 选择电器设备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件. 3.1.2过电流（过载） ，过电流长延时保护 回路中的线缆和用电设备所能承受的电流是有限的，因为 P=I 2 R，线缆和设 备的电阻 R 是固定的，所以当电流越大时，热损耗 P 就成倍的地变大。如果线缆 和设备的发热超过它们的承受能力，线缆和设备就会烧毁。如上例，短路发生时 16 的电流极大，电缆会在极短的时间烧毁。但如果回路中的电流超过线缆或设备的 安全设定值，又没有大到短路电流那种程度，这种情况被称为过电流或过载。当 过载发生时，线缆或设备的发热超过安全设定值，这种发热经过长时间的积累也 会将线缆或设备烧换毁。 为了避免过载对线缆和设备的损害，回路中的断路器大部分都具有过 载保护功能。当回路电流超过断路器的过载保护设定值时，断路器的脱扣 器经过一定时间的延时，就会使断路器跳闸，断路器的主触点断开，从而 切断回路中的电流。如果回路电流超过断路器的过载保护设定值越多，那 么，断路器的脱扣器经过更短的时间延时就使断路器跳闸，这被称为反时 限。 例如，断路器的过载设定值为 100A，回路中的实际电流为 120A，那么 断路器可能经过 10 分钟跳闸；如果回路中的电流为 150A，那么断路器可能经过 3 分钟就跳闸。 3.2高压一次元件 一次设备是指直接用于生产、输送和分配电能的生产过程的高压电气设备。 它包括发电机、变压器、断路器、隔离开关、自动开关、接触器、刀开关、母线、 输电线路、电力电缆、电抗器、电动机等。由一次设备相互连接，构成发电、输 电、配电或进行其他生产过程的电气回路称为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较多，同一类型的电器元件品种也多，且 型式多样，在选用开关柜一次电器元件时，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，熔断器，仪用互感器，避雷 器等。 3.2.1 高压断路器 高压断路器可用来自动断开电网中的短路故障， 也能执行其它开断与闭合电路的 任务。 系统中发生短路故障时， 短路电流很大， 开断时在触头之间产生强大电弧， 因此在结构上需要专门的灭弧装置。 17 （1 1）断路器的保护）断路器的保护 断路器可以有四种保护，分别为： 过载长延时保护，用字母 L 表示； 短路短延时保护，用字母 S 表示； 短路瞬时动作保护，用字母 I 表示； 接地保护，用字母 G 表示。 所有的断路器都有短路瞬时保护，其它为可选项。如果一个断路器同时有过 载长延时保护、短路瞬动保护，就称断路器具有二段保护；如果在二段保护基础 上增加短路短延时保护，就称断路器具有三段保护；如果在三段保护的基础上增 加接地保护，就称断路器具有四段保护。大部分的断路器都是二段保护，作为进 线的总断路器一般具有三段保护。 例如：一个额定电流 1000A 的断路器，具有四段保护。过载长延时保护整定 在 1000A；短路短延时保护整定在 8000A，延时时间为 400ms；短路瞬动保护整 定在 12000A；接地保护整定在 100A，动作延时 200ms。当回路中的电流在 1000A 以下时，断路器可以长期正常工作；当回路中的电流在 10008000A 之间时，就 是过载发生了，断路器会延时一段时间跳闸，电流越大，延时的时间越短，时间 从数十分钟到几秒钟（按其特性曲线动作） ；当回路中的电流在 800012000A 之间时，就是短路但延时动作，断路器会在延时 400ms（事先已设定）后立即跳 闸；当回路中的电流在 12000A 以上时，就是短路瞬时动作，断路器会立即跳闸， 所用的时间只有大约 1020ms。如果线路中有电流泄漏，并且超过了 100A，那 么断路器会在 200ms（事先已设定）后立即跳闸。 （2 2）断路器的三个工作状态（合闸、分闸、跳闸）断路器的三个工作状态（合闸、分闸、跳闸） 合闸：转换开关 KK 转至合闸位置，KK5-8 导通，中间继电器(放跳继电器)TBJ 得电，开关 TBJ 闭合，行程开关 LK 在电动机储能结束时闭合，合闸线圈 HQ 得电，断路器自动合闸，行程开关 DL 常开触点闭合，合闸指示灯亮 起，DL 常闭触点断开，跳闸指示灯熄灭。 分闸：有 2 种情况引起断路器跳闸 一是计量柜中电力定量器的辅助触点 1ZJ 由于电能量超过设定值时闭合， 断路器跳闸继电器 TQ 得电，断路器自动跳闸。 18 二是转换开关 KK 旋至跳闸状态，KK6-7 导通，TQ 得电，断路器自动跳闸。 跳闸：当信号小母线发出事故信号时，KK 状态开关处于合闸状态时， KK1-3,KK17-19 同时导通，断路器自动跳闸。 （3 3）高压断路器的种类）高压断路器的种类 高压断路器的分类方法很多较多，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；就环境条件不同可分为户内式和户外式断路器；就动作时间不 同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；就力学性 能或机械寿命不同可分为一般操作断路器与频繁操作断路器； 就灭弧方式不同又 可以分为以下类型的断路器： 少油断路器的油量很少（一般只有几千克），其油只作为灭弧介质。一般 335KV 户内配电装置中广泛采用少油断路器，SN10-10 型少油断路器是我国统 一设计、推广应用的一种新型少油断路器，此断路器可配用 CD型电磁操动机 构或 CT型弹簧储能操动机构。 多油断路器的油量多，其油一方面作为灭弧介质，另一方面又作为相对地 （外壳）甚至作为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 较慢，钢材及油用量大，体积庞大，笨重，有起火和爆炸的危险等，已逐渐为少 油断路器所取代。但在电压较低时，由于其结构简单，外壳不带电，户外装置安 装费用也较少，所以在 635KV 的电力网中仍被采用。 真空断路器是利用 “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电弧很难发生。 但是在实际的感性负荷电路中，灭弧速度过快，瞬间切断电流 i，将使 di/dt 极 大，从而使电路出现极高的过电压（由 uL=Ldi/dt 可知），这对电力系统是十 分不利的。因此，这“真空”不宜是绝对的真空，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，这电弧称为“真空电弧”，它能在电流第一次 过零时熄灭。这样，燃弧时间既短（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，燃弧及全分断时间均短；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； 适宜于频繁操作和快速切断负载电路； 体积小、 重量较轻, 结构简单，真空灭弧室和触头无需检修；对环境污染小，不生成污染环境物质， 19 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。 有两种结构形式：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持在上方， 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 灭弧室均很方便；传动效率高（分、合闸操作时直上、直下，传动环节少，摩擦 小）；整体重心较低，稳定性好，操作时振动小；纵深尺寸小，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。 悬挂式真空断路器宜用于手车式开关柜， 其操动机构与高压隔离， 便于检修。 其缺点是纵深尺寸大，耗用钢材多，重量大，绝缘子要承受弯曲力，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。 6 SF断路器：在灭弧室吹弧过程中，作为熄弧和绝缘介质的 6 SF气体不排向 大气，只在封闭系统中循环使用。此断路器的结构按其灭弧方式分，有双压式和 单压式两类。 双压式具有两个气压系统， 压力低的作为绝缘， 压力高的作为灭弧。 单压式只有一个气压系统，灭弧时， 6 SF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 6 SF断路器均为单压式。特点：六氟化硫气体是 无毒、无臭、不燃烧的惰性气体，能在弧区的游离气体中吸附自由电子，加强复 合， 具有优良的绝缘特性及灭弧能力。 与普通空气相比， 其绝缘能力高两倍以上， 灭弧能力则高近百倍，因此可以大大减小断路器尺寸，增大断流能力。另外，六 氟化硫被电弧分解后不产生碳化物，本身不会变质，可以重复使用。这种断路器 具有灭弧室断口耐压强度高，开断容量大，性能好，电器寿命长（约 10 年无需 检修），无噪音公害，无火灾危险等优点。缺点是对结构的密封性、元件加工精 度及六氟化硫气体质量的要求很高，因而造价较高，维护较困难。 6 SF断路器主 要用于需频繁操作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。 6 SF断路器配用 CD10 等型电磁操动机构或 CT17 等型弹簧操动机构。 （4 4） 断路器操作机构的选用断路器操作机构的选用 20 在电力网中，断路器是各电压等级开关的重要组成部件，其分、合闸的灵敏 及可靠性决定各级用电设备能否安全经济运行。 断路器配制操作机构的基本情况 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、分闸机构后合和维持机构组成。 合闸机构。合闸机构由合闸电磁铁及传动机构组成，电磁铁使断路器操动 机构储能，以完成合闸动作。 分闸机构。分闸机构由分闸电磁铁及脱扣机构组成，使断路器在跳闸弹簧 作用下跳闸。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，改变力的方向和作用点来实现预设目的，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 储能机构和液压机构均为依靠电力所做的功， 依靠瞬间的能量释放来实现断路器 的动作。从农网改造中所使用的新设备来看，虽然部件有新改进，但仍无重大突 破，仍存在着动作环节太多，动静润滑等方面而造成机构效率的问题，同时又可 能磨损和损坏部件，因此机构的故障率较高。 根据近年来的实践和现场运行经验，在断路器的各种故障中，机构操作为首 位，约为八成，而这些机构故障中，操作机构故障又占绝大部分。究其原因主要 是因为操作机构处于静态运行状态，其各活动环节工作状态无法监视，隐患无法 及时发现，特别是室外设备，由于受环境条件的影响，更易出现故障，所以操作 机构的结构优化，零部件采用新材料、新工艺及提高加工精度等，是今后消除存 在缺陷的一个长期任务。 操作机构应具备的基本要求 由于断咱器能否有效而可靠的动作， 较大程度上取决于操作机构的性能和质 量，所以根据断路器的不同，其配备的操作机构应满足所需性质和其可靠性，主 要有以下几点： 1）操作机构应有足够的合闸功能在实际工作当中，操作机构的能量不会保 持在额定值，而是在一定范围内变化。按原部颁规程要求，其下限值为额定值的 21 80%-85%，上限值为额定值的 110%，也就是说，操作机构在下限值时，能够关合 生、短路电流，而上限值时，不应由于操作力过大而损坏相关部件。 2）应具有保持合闸功能当操作命令持续时间短，操作功能配合短时，应有 保持合闸机构，以保证合闸命令和操作功能消失后，断路器仍保持在合闸位置。 3）具有较短的分闸时间 其合闸时间快慢应于操作者的动作快慢及下达命令时间长短无关， 至少要求 分闸速度不致电弧重燃， 即尽可能地缩短分闸时间， 以减少短路故障存在的时间， 以提高电力系统的稳定性，达到尽可能减小故障范围。 要有防跳跃装置 为了避免断路器合闸后出现连续多次合分现象，要采用机械的或电的方法， 使断路器分闸后不能任意分、合，以减少无谓的动作。 要有联动装置 操作机构中有了联动装置，才能保证路路器可靠性，才能使断路器处于一种 状态时，有因操作机构误动而受影响，一般操作机构应有分闸位置联锁；低气压 与高气压联锁；弹簧机构中的位置联锁等 断路器选用操作机构的原则：比较以上各类操作机构来看，其性能各异，但 从运行可靠性要求考虑，电动储能操作机构是发展方向，适用于中压断路器，特 别适用于小容量配电系统的断路器。气动机构适用于中压、高压和超高压操作断 路器。气动操作机构逐步淘汰。对于改造的变电站，还应看原有的交直流电源容 量和对断路器的特性及可靠性的要求，来提出选用方案。对于新建站，就按设计 要求和实际中对断路器所赋于任务的重要程度， 而对断路器特性要求要求及各种 情况来综合考虑后作出选择。 综上所述，在选用操作机构时，应尽可能在本单位的相同电压等级断路器中 选配同类断路器，同时应选机构经优化的、动作灵活可靠，具有发展方向的产品 作为断路器附件。机构操作能源种类较多，能源的可靠与否，直接影响断路器操 作后电网的安全运行，因此，应先选择容量足大且安全可靠的电源。 3.2.2 隔离开关 隔离开关隔离开关厂和变电所的电气主接线中使用量最多的一种高压电器， 为断路器 的 3-4 倍。在分位置时，触头间有符合规定要求的绝缘距离和明显的断开标志； 22 在合位置时， 能承载正常线路条件下的电流及在规定时间内异常条件 （例如短路） 下的电流的开关。作用：一.隔离电源，通过手动控制方式，因为隔离开关没有 专门的灭弧装置，因此不允许带负荷操作。遵循先通后断的原则，不能带负荷分 合，只能在断路器分合后建立起可靠的绝缘间隙，保证检修安全。二.