金属铠装中置式高压开关柜的设计

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 39 页摘要本课题的主要内容包括高压开关柜的发展应用，高压开关柜的结构分类，以及高压开关柜一次系统设计及其设备选型，二次系统设计，以及高压开关柜的智能监控系统。高压开关柜设计的具体参数要求如下：额定电压为 10kV，最高工作电压为 12kV，额定短路开断电流为 25kA,额定短路关合电流为 40 kA，4S 热稳定电流为 25 kA，额定动稳定电流为 40 kA。母线的最大工作电流为 1000A，要求母线能承受连接在母线上最大等级的断路器关合电流所产生电动力。电缆室应位于柜体后下部，电缆室电缆接入高度700mm。电缆室内设有电缆连接导体可以同时并接 13 根电缆，在电缆室内底部应配制开缝可卸的不锈钢板，以确保现场施工方便。关键词：高压开关柜；结构；一次系统；二次系统中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 39 页ABSTRACTThe main topics include the development and application of high voltage switchgear, high voltage switchgear structure classification, as well as a high voltage switchgear system design and equipment selection, the secondary system design, and high voltage switchgear, intelligent surveillance systems. High Voltage Switchgear design requirements of the specific parameters are as follows: rated voltage 10kV, the maximum operating voltage of 12kV, rated short-circuit breaking current of 25kA, Rated short-circuit current of 40 kA, 4S thermal current is 25 kA, rated dynamic current to 40 kA. The maximum operating current of busbar 1000A, requires bus connected to the bus can withstand the maximum level of the circuit breaker closing current generated by electric power. Cable compartment should be located after the lower cabinet, cable entry cable compartment height 700mm. Cable Indoors cable conductors can be connected simultaneously and 1 to 3 cables, the cable should be prepared indoors bottom slit removable stainless steel plate, in order to ensure on-site to facilitate construction.Keywords：high voltage switch cabinet ；construction； first system；second system中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 39 页目 录1 绪论 11.1 概述 11.2 高压开关柜的类型 11.3 高压开关柜的主要技术参数21.4 高压开关柜的技术发展 31.5 本课题的主要任务32 高压开关柜的一次接线设计42.1 开关柜的总体结构（以中置式真空断路器柜为例）42.1.1 基本要求42.1.2 主回路方案的确定52.2 进线柜52.2.1 一次接线62.2.2 一次电气原件的选择62.2.3 母线的选择与布置92.3 PT柜132.3.1 PT 柜的作用 132.3.2 一次接线 132.3.3 一次电气元件的选择142.4 出线柜162.4.1 一次接线 162.4.2 一次电气元件的选择163 高压开关柜二次接线设计203.1 进线柜二次电路设计203.1.1 操作机构 21中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 39 页3.1.2 二次电路设计253.1.3 二次元件的选择253.2 进线柜二次电路安装接线图设计263.3 计量柜二次电路设计273.4 出线柜二次电路设计274 高压开关柜微型综合测量/保护装置284.1 微机测量 284.2 微机保护 284.3 微型综合测量/保护装置的选型29结论 31参考文献 32致谢34附录 A 开关柜一次图附录 B 开关柜二次原理图中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 39 页1 绪论1.1 概述随着社会经济的高速发展，作为基础的电力工业也得到了长期快速的发展。作为电力工业中的重要设备，高压开关成为电力系统、输电、配电、电能转换和消耗中必不可少的部分，社会需求量很大，同时也对高压开关设备提出了更高的要求。在实际使用中大多数都是将真空断路器装入金属柜内，构成高压开关柜 1。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移开式（手车式）两大类；按柜体结构型式可分为金属封闭铠装式开关柜、金属封闭间隔式开关柜、金属封闭箱式开关柜和敞开式开关柜四大类。按电力行业标准 DL/T404-2007 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、起隔离电路作用的隔离开关、起安全保障作用的接地开关、起测量或保护作用的电流互感器和电压互感器、起过电压保护作用的避雷器或 RC 吸收器，以及内部连接件、辅件、外壳和支持件等组成的有相对独立组合功能的配电装置 2。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 电网中最大面积的配电设备。国内外许多有实力的高压开关柜制造商都开发了自由的竞争力产品，提高了绝缘水平，改变了开关柜的结构，使得高压开关柜发展很快，水平逐年提高 3。从开关柜的设计类别上看，铠装式是主流，间隔式日趋减少。从开关柜的结构形式上看，中置式开关柜的生产厂家越来越多。从开关柜的外绝缘介质上说，空气绝缘开关占中压的绝大多数。国外还有采用 SF 气体绝缘的开关拒。这种开关柜将整个导电回路，包括母线、隔离开关、真空断路器、电流、电压互感器、避雷器，甚至电线头等元件全部包容在一个密闭的柜体中，内充稍高于大气压力的 SF 气体，由 SF 作为绝缘介质，称为充气柜 4。其优点是体积缩小，与外部环境条件(如湿度、海拔高度、灰尘、中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 39 页雾、污秽等)完全没有关系，缺点是技术复杂、精度高、电器元件本身的可靠性要求极高，价格异常高昂。我国尚未有此类产品投放市场。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） FC 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一下几项：（1）额定电压（2）额定绝缘水平：1min 工频耐压和雷电冲击耐压（全波）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）额定短路开断电流（有效值）（6）4s 热稳定电流（有效值）（7）额定动稳定电流（峰值）（8）防护等级 5。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 3，6，102 1min 工频耐受电压 KV 对地，相间：42；断口：483 额定雷击耐受电压 KV 对地，相间：75；断口：854 额定频率 Hz 505 额定电流 A 630，1250，1600，2000，2500，31506 额定短路开断电流（有效值） KA 20，25，31.5，40，507 额定短路关合电流（峰值） KA 50，63，80，100，125中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 39 页8 额定动稳定电流（峰值） KA 40，50，63，80，100，1259 4S 热稳定电流（有效值） KA 16，20，25，31.5，40，5010 防护等级 外壳 IP4X，隔离间、断路器室门打开为 IP2X1.4 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、PT 柜、出线柜）的电气进行设计。（1）三种开关均采用中置移开式结构；（2）进线柜采用真空断路器，其操作机构为弹簧操作机构；其测量保护采用微机型测量/保护装置；（3）出线柜将电能送至电力变压器，同样采用真空断路器，其操作机构为弹簧操作机构；其测量保护采用微机型测量/保护装置；中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 39 页（4）PT 柜使用三相电压互感器，监测母线电压，实现保护功能。2 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 KYN28A-12(Z)高压开关柜为例，开关设备由固定的柜体和可抽出部件（即手车）两大部分组成。手车为断路器手车，主要的电气元件有断路器（装在小车上） 、接地开关和隔离经触头座等。柜内由敷铝锌钢板分隔成四个独立的隔室如图 2.1 所示：母线室、断路器手车室、继电器仪表室、电缆室。隔室之间有隔板隔开，以保障检修时的安全。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。柜体前面是继电器室和手车室，依续工作 6。装有断路器等的小车靠推进机构在导轨上前后运动。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。除继电器仪表室外，其余三隔室都分别有其泄压通道。由于采用了中置式形式，电缆室位置大大增加，因此设备可接多路电缆。开关设备的门军采用静电喷塑使其表面抗撞击、耐腐蚀、外形美观。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，推入柜体内使开关柜继续工作。2.1.1 基本要求（1）环境条件：高压交流开关柜工作于划为非爆炸危险环境的封闭的工厂变电所内；（2）电气条件：当电压变化为1%，频率变化为1%时，高压交流开关柜应能在无损伤的情况下连续运行；（3）在室门闭合的情况下，应能进行如下操作：将可移出部件由工作位置移至实验位置/断开位置，反之亦然；主开关装置的机械开/断工作；接地开关的开/断动作（4）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；中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 39 页（5）应按当地使用条件校验；（6）应力求技术先进和经济合理。图 2.1 开关设备结构示意图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 KYN28A-12(Z)高压开关柜为例进行设计。2.2 进线柜进线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中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 10 页 共 39 页机构，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 2.2 所示。图 2.2 真空断路器柜的一次接线图2.2.2 一次电气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、性中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 11 页 共 39 页能参数、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 VS-12/1250-31.5（进线）和 VS-12/630-31.5（出线） ，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 7。但真空断路器不足之处在于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额定动稳定电流 (kV)热稳定电流(kV)型 号额定电压（kV）额定电流（A）额定开断电流(kV)峰 值 4s固有分闸时间(ms)合闸时间(ms)VS-12/1250-31.512 1250 31.5 80 31.5 50 100VS-12/630-31.512 630 31.5 80 31.5 50 100二. 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。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 12 页 共 39 页表 2.2 电流互感器的技术数据额定二次输出型号额定电流比（A） 级数组合 0.2S 10P101 秒热稳定电流（KA）动稳定倍数（KA）LZZBJ9-10 50/5 10 15 20 50LZZBJ9-10 75/5 10 15 32 90LZZBJ9-10 200/50.2S/10P10 15 45 112.5三带电显示器的种类和选择带电显示器是一种直接安装在室内电气设备上，直观显示出电气设备是否带有运行电压的提示性安全装置。当设备带有运行电压时，该显示器显示窗发出闪光，警示人们高压设备带电，无电时则无指示 8。该系列装置一般安装在进线母线、断路器、主变、开关柜、GIS 组合电器及其它需要显示的是否带电的地方，防止电气误操作， 该系列装置须符合中华人民共和国电力行业标准 DL/T 538-2006 高压带电显示装置的标准。带电显示器主要有以下特点：可靠性：感应式(非接触式)传感器,在线路安全距离之外检测线路是否带电，且具有明显的方向性,灵敏度高,安全可靠。经济性：传感器不与带电体直接接触,安装与检修时无需做局放试验，简单方便，维护费用低，使用寿命长。功能全：具有闪光灯显示,自检及启动强制闭锁回路等功能,真正起到全方位强制闭锁的作用。适应性：形式多样,可广泛用于户内、户外、GIS 组合电器及开关柜等各种场所。在此选择了 GSN1-10Q 型号的带电显示器（显示电压） ，有关参数如下：准确度:0.5(误差 0.5%)采样速率：约 3 次/s(可调整)显示方式：双排数码管显示中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 13 页 共 39 页显示分辨力：可自由设置为 1、0.1、0.01、0.001输入回路功耗：电流0.5va、电压1va辅助电源：DC24V 直流供电辅助电源功耗：3va工作环境：温度-1050，湿度85%rh 的无腐蚀性场合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。母线材料主要有铝和铜两种。常用的母线结构形式有矩形、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，导体则应选用利于交流电流分布均匀，散热条件好，机械强度较高的导体，同时对于母线的安装也提出了更高的要求 9 10。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：短时持续电流的热效应计算裸导体截面；热稳定性的效验；动稳定性的效验；中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 14 页 共 39 页导体共振的效验 11。按设计要求选择了 506mm 的配置。首先，根据短时持续电流的热效应计算裸导体的最小截面，并检验母线短路电流时的动热稳定性，以及对母线导体共振进行校验 12。三截面积（S）根据 GB3906-91 中附录 F“根据短时持续电流的热效应计算裸导体截面的方法”所推荐的计算公式（2.1）式中 S：导体截面积（mm 2） ；I：电流有效值（A） （额定短时耐受电流） ；a：材料系数 铜13 铝8.5；t：额定短路持续时间（秒）；：温升（K），对裸导体取 180K（持续时间小于 2 秒）对于 4 秒持续时间的取 215K。计算得 Sa260 mm 2按铜母线标准选择厚度（h）及宽度(b)，取 h=6 mm b=50 mm Sa =300 mm 2四检验母线的热稳定性 通过短路电流时，母线的截面积 Amin应为（2.2）式中：满足短路热稳定条件的最小截面积，单位 mm2；：母线材料的热稳定系数；：母线通过三项短路稳态电流，单位为 A。KYN28A-12 母线的 4S 热稳定电流为 25kA；查表得铜母线的短路热温度系数为 171As/mm 2；中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 15 页 共 39 页将以上数据代入上式中，得A min292 mm 2选择的母线 A=300 mm2A min，故此母线的热稳定性合格。五检验母线的电动稳定性首先计算母线通过三相短路冲击电流时，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） 三相短路冲击电流为 40kA（峰值） ；（2） 三相母线平行排列，母线间距离；a280mm，母线档距 l800mm；（3） 计算中间相导体所受最大电动力：（2.3）式中 l：档距（母线相邻支持点间的距离） ，单位为 m；a：平行母线间轴线间距离，单位为 m；：通过母线的三相短路冲击电流，单位为 A。带入数据得：F（3） =263.94N（4） 计算相导体所受内应力相导体两端固定，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= F（3） l/8=263.940.88=26.39 （2.4）弯曲应力 = M max/W （2.5）W: 母线的截面系数中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 16 页 共 39 页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=50210-6610-3/6=2.510-6m3 (2.6)=26.39/2.510 -6=15.04106Pa铜母线的屈服强度铜母线屈服强度为 S=19510 6 Pa，一般机械的屈服安全系数ns=1.22，若取 ns=2 则铜母线的许用应力计算如下：= S/ns=19510 6/2=97.5106 Pa (2.7)max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。六.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 (2.8)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=1.131011Pa；JP: 垂直于弯曲方向轴的惯性矩(m 4)；M0: 导体单位长度质量(kg/m)。已知 M0=50610-68.9103=2.67 kg/mL=0.8 m JP=b3h/12=503610-12 /12=6.2510-8m4中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 17 页 共 39 页f=3.5/L2（1.1310116.2510-8/2.67) 0.5=281HZ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 PT 柜PT 柜，即电压互感器柜电压互感器柜采用组合结构，可根据具体工程配置不同数量及种类的 PT，其整体采用移开式金属铠装结构并在面板上配装大面积的观察窗，可随时观察柜子的运行情况，每一 PT 配备一个单独的小车，其一次二次回路均采用抽头结构，实现一次室与二次室的分离。2.3.1 PT 柜的作用PT 柜一般是直接装设到母线上，以检测母线电压和实现保护功能。内部主要安装电压互感器 PT、隔离刀、熔断器和避雷器等。其作用主要是：1、电压测量，提供测量表计的电压回路2、可提供操作和控制电源 3、每段母线过电压保护器的装设 4、继电保护的需要，如母线绝缘、过压、欠压、备自投条件等等。高压柜屏顶电压小母线的电源就是由 PT 柜提供的，PT 柜内既有测量 PT 又有计量 PT（原先都是要求测量 PT 和计量 PT 是分开的，因为规范规定计量用互感器的等级要高于保护用互感器的等级，但现在如没有特殊要求也有不分开的，共用） ，都上接屏顶的电压小母线，为其它出线高压柜提供测量、计量、保护用电源等。高压柜上综保的各种电压保护值都来源于 PT 柜，不出意外情况，就必须投入运行，因为一旦退出所有高压柜的电压保护就都失去了保护，如果高压柜设置了低电压保护那就更不能退出了，一旦退出，那么所有设置低电压保护的高压柜，就会全部跳闸2.3.2 一次接线PT 柜内部装设有熔断器、电压互感器、避雷器以及带点显示器。PT 柜的一次接线如下图 2.3 所示中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 18 页 共 39 页图 2.3 计量柜一次接线图2.3.3 一次电器元件的选择一电压互感器的类型和选择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。在此选择了 JDZ8-10 型号的电压互感器，有关参数如下 13。表 2-4 电压互感器的技术数据准确级及额定输出（VA）型号 电压级次（kV）额定电压比（kV） 0.2级0.5级1级最大额定绝缘水平（kV）JDZJ-10Q 10 20 40 60 300 12/42/75二高压熔断器的类型和选择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 14。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。当熔断器熔断中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 19 页 共 39 页时，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。在此选择了 XRNP-10/0.5 户内电压互感器保护用高压限流熔断器熔断器，主要技术参数如下表 2.5。表 2.5 XRNP-10/0.5 户内熔断器的技术数据型号额定电压（kV）熔断器额定电流（A）开断能力（kA）XRNP-10/0.5 12 0.5 50三. 避雷器的选择在此选择了氧化锌避雷器（HY5WZ-12.7/45）, 它利用氧化锌良好的非线性伏安特性，使在正常工作电压时流过避雷器的电流极小（微安或毫安级） ；当过电压作用时，电阻急剧下降，泄放过电压的能量，达到保护的效果。这种避雷器和传统的避雷器的差异是它没有放电间隙，利用氧化锌的非线性特性起到泄流和开断的作用。该产品具有以下特点：（1）.体积小、重量轻，耐碰撞、运输无碰损失，安装灵活，特别适合在开关柜内使用；（2）.特殊结构，整体模压成型，无气隙、密封性能好，防潮防爆；（3）.爬电距离大，增水性好，耐污能力强，性能稳定，减少运行维护；（4）.独特配方的氧化锌电阻片，高容量，低泄露；（5）.实配直流参考电压、方波通流容量和大电流耐受能力都高于国家标准。四. 带电显示器的选择在此选择了 GSN1-10Q 型号的带电显示器（显示电压） ，有关参数如下：中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 20 页 共 39 页准确度:0.5(误差 0.5%)采样速率：约 3 次/s(可调整)显示方式：双排数码管显示显示分辨力：可自由设置为 1、0.1、0.01、0.001输入回路功耗：电流0.5va、电压1va辅助电源：DC24V 直流供电辅助电源功耗：3va工作环境：温度-1050，湿度85%rh 的无腐蚀性场合2.4 出线柜出线柜是由真空断路器、电流互感器、避雷器、带点显示器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。出线柜，就是从母线分配电能的开关柜。从 10kV 母线经开关柜送至电力变压器，这个开关柜就是 10kV 的出线柜之一。2.4.1 一次接线该柜采用真空断路器、电流互感器、避雷器、带点显示器，如下图 2.4 所示。图 2.4 出线柜一次接线图2.4.2 一次电气元件的选择中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 21 页 共 39 页一. 按设计按要求选择了真空断路器 VS-12/1250-31.5（进线）和 VS-12/630-31.5（出线） ，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在于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额定动稳定电流 (kV)热稳定电流(kV)型 号额定电压（kV）额定电流（A）额定开断电流(kV)峰 值 4s固有分闸时间(ms)合闸时间(ms)VS-12/1250-31.512 1250 31.5 80 31.5 50 100VS-12/630-31.512 630 31.5 80 31.5 50 100二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 2.7。表 2.7 电流互感器的技术数据额定二次输出型号额定电流比（A） 级数组合 0.2S 10P101 秒热稳定电流（KA）动稳定倍数（KA）LZZBJ9-10 50/5 0.2S/10P 10 15 20 50中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 22 页 共 39 页LZZBJ9-10 75/5 10 15 32 90LZZBJ9-10 200/5 10 15 45 112.5三电压保护装置及接地开关的种类和选择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。在此选择了氧化锌避雷器（HY5WZ-12.7/45）, 它利用氧化锌良好的非线性伏安特性，使在正常工作电压时流过避雷器的电流极小（微安或毫安级） ；当过电压作用时，电阻急剧下降，泄放过电压的能量，达到保护的效果。这种避雷器和传统的避雷器的差异是它没有放电间隙，利用氧化锌的非线性特性起到泄流和开断的作用。该产品具有以下特点：（1）.体积小、重量轻，耐碰撞、运输无碰损失，安装灵活，特别适合在开关柜内使用；（2）.特殊结构，整体模压成型，无气隙、密封性能好，防潮防爆；（3）.爬电距离大，增水性好，耐污能力强，性能稳定，减少运行维护；（4）.独特配方的氧化锌电阻片，高容量，低泄露；（5）.实配直流参考电压、方波通流容量和大电流耐受能力都高于国家标准。接地开关是用于将回路接地的一种机械式开关装置。在异常条件(如短路)下，可在规定时间内承载规定的异常电流；但在正常回路条件下，不要求承载电流。它本身的工作原理及结构比较简单，但是由于使用量大，工作可靠性要求高，对变电所、电厂的设计、建立和安全运行的影响均较大。在此选择了 JN15-10 接地开关。四带电显示器的种类和选择带电显示器是一种直接安装在室内电气设备上，直观显示出电气设备是否中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 23 页 共 39 页带有运行电压的提示性安全装置。当设备带有运行电压时，该显示器显示窗发出闪光，警示人们高压设备带电，无电时则无指示。该系列装置一般安装在进线母线、断路器、主变、开关柜、GIS 组合电器及其它需要显示的是否带电的地方，防止电气误操作， 该系列装置须符合中华人民共和国电力行业标准 DL/T 538-2006 高压带电显示装置的标准。带电显示器主要有以下特点：可靠性：感应式(非接触式)传感器,在线路安全距离之外检测线路是否带电，且具有明显的方向性,灵敏度高,安全可靠。经济性：传感器不与带电体直接接触,安装与检修时无需做局放试验，简单方便，维护费用低，使用寿命长。功能全：具有闪光灯显示,自检及启动强制闭锁回路等功能,真正起到全方位强制闭锁的作用。适应性：形式多样,可广泛用于户内、户外、GIS 组合电器及开关柜等各种场所。在此选择了 GSN1-10T 型号的带电显示器（显示功率因数） ，有关参数如下：准确度:0.5(误差 0.5%)采样速率：约 3 次/s(可调整)显示方式：双排数码管显示显示分辨力：可自由设置为 1、0.1、0.01、0.001输入回路功耗：电流0.5va、电压1va辅助电源：DC24V 直流供电辅助电源功耗：3va工作环境：温度-1050，湿度85%rh 的无腐蚀性场合中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 24 页 共 39 页3 高压开关柜二次接线设计3.1 进线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 15。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 16。KYN28A-12(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：先读交流回路，后读直流回路；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；元件的动顺序是从上到下，从左到右 17。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， 。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，中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 25 页 共 39 页防跳跃；（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。KYN28A-12(Z)高压开关柜二次回路主要有以下过程:（1）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。（2）跳闸过程跳闸后，红灯灭绿灯亮。（3）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。（4）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。（5）测量表计电流的测量由电流互感器和电流表完成.（6）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。KYN28A-12(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与操作电源密切相关。335kV 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 18 19。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图 3.1、图 3.2（图中 6 条虚线表示开关的 6 个中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 26 页 共 39 页位置：PC 预备合闸；C 合闸；CD 合闸后；PT 预备跳闸；T 跳闸；TD 跳闸后） ，以下对这两种操动机构有关技术数据进行简单介绍，如表 3.1、表 3.2 和表 3.3。图 3.1 断路器电磁操动机构中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 27 页 共 39 页图 3.2 断路器弹簧操动机构表 3.1 CD10 型电磁操动机构的主要技术数据机构型号 CD10可配断路