10kV开闭所电气接线及保护配置选择

二零一三届电气工程及其自动化专业1106971题目10kV开闭所电气接线及保护配置选择指导教师李响职称讲师2 1第一节10kV开闭所基本介绍 21.1、10kV开闭所的主要功能 21.2、10kV开闭所的设置原则 21.3、10kV开闭所电气主接线方式可分为单母线接线、单母线分段接线、双母线 21.4、10kV开闭所按其在电网中的功能可分为环网型和终端型 1.5、10kV开闭所接入系统的方案 1.6、10kV开闭所的最终建设规模 第二节10kV开闭所的基本接线方式及适用范围 32.1、单母线接线 32.2、单母线分段接线 42.3、双母线接线 5 73.1、方案1的电气技术条件和电气主接线图 73.1.1、电气技术条件一览表 73.1.2、电气主接线图 73.2、方案2的电气技术条件和电气主接线图 73.2.1、电气技术条件一览表 73.1.2、电气主接线图 83.3、方案3的电气技术条件和电气主接线图 83.3.1、电气技术条件一览表 83.3.2、电气主接线图 3.4、方案4的电气技术条件和电气主接线图 93.4.1、电气技术条件一览表 93.4.2、电气主接线图 第四节10kV开闭所典型设计方案的保护配置的分析 94.1、总述 4.2、电流、电压互感器在保护配置中的应用 94.2、对于各个方案的具体分析 第五节10kV开闭所设计实例 5.1.1、短路电流计算目的 5.1.3、一般规定 35.2、短路点位置的选择 5.2.1、选择原则 5.3、短路电流计算 5.4、电气设备的选择 5.4.1、母线的选择 5.4.2、电缆的选择 5.4.3、熔断器的选择 5.4.4、电流互感器的选择和校验 5.4.5、电压互感器的选择 5.4.6、断路器的选择 5.5、继电保护配置的简单说明 参考文献 附录 1开闭所不仅在大、中城市的配电网中得到广泛的使用，而且在县城配电网和其他负荷密集的城镇配电网中也已普遍使用，10kV开闭所已成为配电网的主要设施之一。10kV的数量还在迅速增长之中，他在城镇配电网中扮演者越来越重要的角色。为了在实际应用中能够更好的将10kV开闭所建设好，本文将对10kV开闭所建设的经验和典型案例进行总结，并通过实际工程来说明该怎样结合实际把这些优秀的典型案例适当的融入进我们的实际设计中。本文的主要内容包括：10kV开闭所的基本介绍、10kV开闭所的基本接线方式及适用10kV开闭所；主接线方式；典型设计方案；保护配置2第一节10kV开闭所基本介绍10kV开闭所式变电所10kV母线的延伸，由变电所送出较大容量的馈线至开闭所。再由10kV开闭所按用户需要送出馈线至用户。10kV开闭所接受和重新分配10kV出线。减少高压变电所10kV出线间隔和出线走廊，可用作配电线路间的联络枢纽，还可为用户提供此外，配电网中10kV开闭所的合理设置，可以加强对配电网的控制，提高电网运行及调度的灵活性，从而提高整个配电网供电的可靠性。有了一定数量的开闭所，可实现对配电网的优化调度，部分城网设备检修时，可以进行运行方式的调整，做到设备检修时用户不停电；当设备发生故障时，开闭所可发挥其操作灵活性的优势，迅速隔离故障单元，减由于10kV开闭所能加强对配电网的控制，提高配电网供电的灵活性和可靠性，因此在重要用户附近或电网联络部位应设10kV开闭所。由于10kV开闭所具有变电所10kV母线延伸的功能，对电能进行二次分配，为周边用户提供电源，因此在用户比较集中的地区如大型住宅小区、高层住宅小区、商业中心区、工业园区等地，应设置10kV开闭所。由于10kV开闭所内有大量的10kV开关柜等中压设备，这些设备对环境的要求比较高，为了便于管理，要求10kV开闭所设置在通道顺畅、巡视检修方便、电缆进出方便的位置。一般情况下要求10kV开闭所设置在单独的建筑物中，或附设在建筑物一楼的裙房中，尽量不要设置在大楼的地下室内。室外环网柜或电缆分接箱与室内的开闭所相比具有体积小、占地面积小、设置比较灵活等优点，一般可设置在绿地或绿化带上。也可设置在对行人影响较小的空地上或道路人行道侧。室外环网单母线接线一般只适用于容量小、线路少和对二、三级负荷供电的的开闭所。其优点是接线简单清晰、设备少、操作方便、占地少、便于扩建和采用成套配电装置。其缺点是不够灵活可靠、任意元件故障或检修时均需整个配电装置停电。单母线分段接线适用于为重要用户提供双电源、供电可靠性要求比较高的开闭所。其优点是接线简单清晰、设备少、操作方便、占地少、便于扩建和采用成套配电装置。当一段母线发生故障，可保证正常母线不间断供电，不致使重要负荷停电。其缺点是当一段母线隔离开关发生永久性故障或检修时，则连接在该段母线上的回路在检修期间停电。双母线接线一般有2至4路10kV电源进线间隔，若干路出线间隔，两端母线之间没有联系。双母线接线方式按照功能不同可分为环网型双母线接线和终端型双母线接线，如图2-3所示。环网型双母线接线每段母线上有一进一出2路10kV电源进线间隔，终端双母线3接线的每段母线上只有一路10kV电源进线间隔。1.4、10kV开闭所按其在电网中的功能可分为环环网型开闭所每段母线有2路电源进线间隔，其他为出线间隔，其主要功能是功率交换和线路分段，在城网中实施运行方式的调整。环网型开闭所常以“手拉手”方式进行环网，其开闭所的用户或分支线有较高的供电可靠性。负荷较集中但超出单个开闭所供电范围的居民小区，需要多个分散的开闭所供电。这类开闭所设计为“手拉手”接线方式为终端型开闭所每段母线一般只有一路电源进线间隔，其他为出线间隔。其主要功能是10kV开闭所接入系统时，应考虑其供给电源的配电新路能否承担接入开闭所所增加的负荷。对于为终端型开闭所供给电源的配电线路，其10kV开闭所接入后配电变压器容量一般控制在10000—15000kV·A;对于为环网型开闭所供给电源的配电线路，由于正常运行时两条环网是各自分开的，在事故或其他特殊情况时需要将部分或全部负荷有一条线路供电，所以两条环网线路的负荷率应控制在50%以下，环网内配置的开闭所数量不宜过多，开闭所的设计容量不宜过大，配电变压器的总容量一般不超过20000kV·A。10kV开闭所的规模应根据10kV配电网的规划、用户负荷增长情况、电网结构等因素进行选择。10kV开闭所的规模一般为：每座10kV开闭所内设置1-2段10kV母线，每段10kV母线所接配电变压器总容量不宜大于5000kV·A,进出线回路不宜超过8回；总容量大于5000kV·A的大用户，宜从10kV主干线直接接入该用户或采用10kV专线供电。第二节10kV开闭所的基本接线方式及适用范围开闭所根据不同的用途，有多种接线方式，常用的主要有一下三种接线方式：单母线接线方式、单母线分段接线方式和双母线接线方式。单母线接线方式一般为1至2路10kV电源进线间隔，若干出路出线间隔。个别也有三路及以上电源进线间隔的接线方式，在此不作论述。单母线接线方式按照功能不同刻分为环网型单母线接线方式和终端型单母线接线方式，如图2-1所示。环网型单母线接线有2路10kV电源进线间隔，一进一出构成环网；终端型接线只有一路10kV电源进线间隔。有点：接线简单清晰、规模小投资省。缺点：不够灵活可靠，单母线或进线开关故障或检修时，均可能造成整个开闭所停电。适用范围：一般用于线路分段、环网，或为单电源用户配置的开闭所、户外环网柜、4环入线环入线环出线用户出线主干进线主干进线用户出线单母线分段接线方式一般有2至4路10kV电源进线间隔，若干出线间隔，丽两段母线之间设有联络开关。单母线分段接线按照功能分为环网型分段接线如图2-2所示。断网型单母线分段接线有4路10kV电源进线间隔，即每段母线有源进线间隔(也有多路电源进线间隔的，在此不作论述)5双电源供电。2、当一段母线发生检修或故障时，另一段母线可以正常供电，不致使重要用缺点：1、母线联络占用两个间隔的位置，增加了开闭所的投资。2、当一段母线的供电电源故障或检修时，导入第二段母线供电时，系统的运行方式会变得复杂。适用范围：一般适用于为重要用户提供双电源、供电可靠性要求比较高的开闭所。环入线环入线环出绒用户出线杯入线系出线用户出线主干进线主干进线用户出线主干进线用产出线图2-2单母线分段接线方式(a)环网型(b)终端型双母线接线一般有2至4路10kV电源进线间隔，若干路出线间隔，两端母线之间没有联系。双母线接线方式按照功能不同可分为环网型双母线接线和终端型双母线接线，如图2-3所示。环网型双母线接线每段母线上有一进一出2路10kV电源进线间隔，终端双母线接线的每段母线上只有一路10kV电源进线间隔(也有多路电源进线间隔的，在此不作论述)。优点：1、供电可靠性高。对于环网型双母线接线每一段母线均可以有两个不同的电源供电，两回电源线路中的任意一回线路故障或检修，均不影响用户的供电。对终端型双母适用范围：一般适用于为重要用户提供双电源供电、供电可靠性要求较高的环网型开环入线环出线图2-3双母线接线方式(a)环网型(b)终端型7第三节10kV开闭所在实际应用中的典型设计方案类型号电气主接线主要设备选择设备布置1单母线1回进线2至3回出线充气式负荷开关柜户外单列2单母线分段2进2环出2至6回出线户外双列3单母线1进1环出1至7回出线充气式负荷开关柜户内单列4单母线分段2回进线2至14回出线空气绝缘断路器柜户内双列3.1、方案1的电气技术条件和电气主接线图序号项目名称内容110kV进线、出线回路数10kV进线1回、出线2--3回，全部采用电缆出线2电气主接线10kV采用单母线接线3短路电流10kV短路电流20kA/2s4主要设备选型10kV充气式负荷开关柜510kV开关柜采用单列布置于户外箱体内说明：本方案属于终端型单母线接线方式。适用装3芯300平方铜芯电缆。出现电缆应根据实际容量进行选用，一般采用铝芯。电缆进线和出线处均应装设带电显示装置和测量用电流互感器(0。5s),电流互感器在进线柜处选用600/5、出线柜出选用400/5。负荷开关在进线柜处选用额定电流选用630A、出线用200A,开断电流均为20kA。PT柜内应装设熔断器以对电压互感器进行必要的保护。见附录13.2、方案2的电气技术条件和电气主接线图序号项目名称内容110kV进线、出10kV进线2回，2回环出，出线2--6回，全部采8线回路数2电气主接线10kV采用单母线分段接线，预留PT柜，最终规模可按需要配置PT柜。3短路电流10kV短路电流20kA/2s。4主要设备选型10kV充气式负荷开关柜。510kV开关柜采用单列布置于户外箱体内。说明：本方案属于环网型单母线分段接线方式。适用于乙烯铠装3芯300平方铜芯电缆。出现电缆应根据实际容量进行选用，一般采用铝芯。电缆进线和出线处均应装设带电显示装置和测量用电流互感器(0。5s),电流互感器在进线柜处选用200A,开断电流均为20kA。PT柜内应装设熔断器以对电压互感器进行必要的保见附录23.3、方案3的电气技术条件和电气主接线图序号项目名称内容110kV进线、出线回路数10kV进线1回，1回环出，出线1--7回，全部采用电缆出线。2电气主接线10kV采用单母线接线，预留PT柜，最终规模可按需要配置PT柜。3短路电流10kV短路电流20kA/2s。4主要设备选型10kV充气式负荷开关柜。510kV开关柜采用单母线户内单列布置。说明：本方案属于环网型单母线接线方式。适用于容量闭所，内设1环进柜、1环出柜、1PT柜、7出线柜共十面柜子。电缆进线采用阻燃聚氯乙烯铠装3芯300平方铜芯电缆，出现电缆应根据实际容量进行选用，一般采用铝芯。电缆进线和出线处均应装设带电显示装置和测量用电流互感器(0。5s),电流互感器在进线柜处选用200A,开断电流均为20kA。PT柜内应装设熔断器以对电压互感器进行必要的保护。见附录393.4、方案4的电气技术条件和电气主接线图3.4.1、电气技术条件一览表序号项目名称内容110kV进线、出线回路数10kV进线2回，出线6回，站用变一回，进出线全部采用电缆。2电气主接线10kV采用单母线接线，设有PT柜，站用变柜。3短路电流10kV短路电流20kA/2s。4主要设备选型10kV空气绝缘断路器柜。510kV开关柜采用单母线户内双列布置。内开闭所，内设2进线柜、2联络柜、1PT柜、1占用变柜、4出线柜共十面柜子。电缆进线采用阻燃聚氯乙烯铠装3芯400平方铜芯电缆，出现电缆应根据实际容量进行选用，一般采用铝芯。电缆进线和出线处均应装设带电显示装置和测量用(0。5s)、保护用(15p)电流互感器，电流互感器在进线柜处选用600/5、出线柜出选用400/用额定电流选用1250A、出线柜处选用630A,开断电流均为20kA。PT柜内应装设熔断器见附录4第四节10kV开闭所典型设计方案的保护配置的分析环网型开闭所的环进环出柜内一般是不配置任何保护的，主要之间是以手拉手的方式开环运行的，它常应用于市区，而市区在5km以内，线路是很短的。一条10kV主干线一般会连接2—4个开闭所，每个开闭所按装设最少的两个断路器开关计，则一条10kV主干线相当于装设了4—8个断路器开关，由于线路很短各个开关之间的短路时间无法进行配合。一旦关和变电所的出现开关都可能发生都可能跳闸，起不到隔终端型开闭所进线柜一般会配置熔断器保护或断路器在电力系统中，通过测量线路电流或电压来判定线路是否出现电流、电压互感器来间接的反应实际线路中的电压、电流情况，这样既能避免主电路电流、电压互感器在连接于主电路中会因保护的内容及场合不同而有不同的接线方式。10kV电力系统中常用的电流互感器接线方式有两相V形接线和三相星形接线，常用的电压互感器接线方式有两个单相电压互感器接成V/V形，三个单相电压互感器接成Y₀/Y₀形、三个单相三绕组电压互感器或一个三相五芯柱三绕组电压互感器接成Y₀/Y₀/△(开口三角过电流保护和电流速断保护基本都采用两相V形接线或两相电流差接线，V形接线反应的是未接保护的那一相的相电流，两相电流差接线其电流大小为相电流的√3倍。小电流系统绝缘监视装置中的电压互感器接线形式基本采用Y₀/Y₀/△(开口三角形)接线形式。4.2、对于各个方案的具体分析方案二和方案三属于环网型开闭所，所以他们的环进环出柜的没有配置任何保护，只是简单的配置了负荷开关柜。而对于方案一虽是属于终端型的，也只是简单的配置了负荷开关柜，其原因主要是方案一所使用的是小容量的三级负荷，简单经济，基本能满足用户的用点要求。方案二和方案三的出线均配置了负荷开关+熔断器保护，以满足出线柜过负荷和过电流保护的要求。但方案三熔断器和负荷开关具有联动性(当任一相熔丝熔断后负荷开关也随即断开),而方案二的出线保护却不具有这种功能。需要指出的是现在出线柜保护配置一般会采用方案三而不采用方案二，方案三能够避免出现缺相运行情况，从而隔离故障点。采用方案三时应注意出线所能承载的容量问题，一般出线所供负荷不超过2000kW,原因是目前国内厂家生产的熔丝的最大额定电流为125A(国外进口的熔丝最大额定电流为200A)。当所供负荷电流大于125A或所供变压器容量大于2000kVA时，国产熔丝将无法满足要求，对于这种情况可采用断路器柜或其他方式。方案四属于终端型开闭所，供电容量较大，负荷级别较高，因此保护配置要求也比较高。本方案中进线柜、出线柜、联络柜均采用了手车式断路器，以满足较高保护配置的要求，实现根据线路的运行情况自动的切断和闭合线路。在进行保护配置时可采用两段式或三段式保护。进线处的断路器以保护母线为主，出线出断路器以保护出线线路和变压器为主。在进线处可采用两段式保护，出线处采用三段式保护。由于进线保护距离较短，进线处的第一段保护应采用略带时限的电流速断保护作为母线的主保护，第二段保护应采用定时限过电流保护作为母线的近后备保护。此外，母线出应安装有绝缘监视装置，当母线处或出线线路出线单相接地短路时绝缘监视装置将发出报警信号。出线保护主要保护线路---变压器，采用三段式保护，第一段保护采用瞬时电流速断保护作为本线路的辅助保护，第二段保护采用略带时限的电流速断保护作为本线路的主保护，第三段保护采用定时限过电流保护，作为本线路的后备保护。此外，出线应安装有零序电流保护，并动作于信号；当危及人身和设备安全时，动作于跳闸。第五节10kV开闭所设计实例项目说明：现需要在A住宅小区建一开闭所。其总用电容量13800kVa,包括A南区6800kVa和A北区4200kVa。A南区的居民生活三级负荷安装容量为5000kVa,消防、电梯、公用等二级负荷的安装容量为1800kVa。A北区南区的居民生活三级负荷安装容量为3200kVa,消防、电梯、公用等二级负荷的安装容量为1000kVa。5.1、关于短路电流的概述1、校验电气接线的合理性，选择限制短路电流的方式。2、进行电气设备和校验。3、整定短路保护的继电保护装置和选择限制短路电流的元件(如电抗器)。由于电力系统供电的住宅小区发生短路时，由于工业企业内所装置的元件，其容量要小，而阻抗则较系统阻抗大得多，当这些元件遇到短路时，系统母线上的电压变动很小，可以为电压维持不变，即系统容量为无限大。所以我们在这里进行短路电流计算方法，以无限大容量电力系统供电作为前提计算的，其步骤如下：1、对各等值网络按个别计算法进行化简，求出计算电抗。2、分别查运算曲线，系统查带有自动电压调整器的“发电机的平均运算曲线”。3、求出短路电流的标么值。4、归算到各电压等级求出有名值。1、计算的基本情况1)电力系统中所有电源均在额定负荷下进行。2)所有同步电机都具有自动调整励磁装置(包括强励装置)。3)短路发生在短路电流最大值的瞬间。4)应考虑对短路电流值有影响的所有元件，但不考虑短路点的电弧电流。2、接线方式计算短路电流时所用的接线方式，应是可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不能用在仅切换过程中可能并联运行的接线方式。3、计算容量应按本工程设计的规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划。4、短路点的种类一般按三相短路计算，若发电机的两相短路式中性点有接地系统的以及自耦变压器等回路中单相(或两相)接地短路较三相短路情况严重时，则应按严重情况的时候进行计算。5.2、短路点位置的选择(1)短路电流的计算，是为了选择电气设备提供依据，使所选的电气设备能在各种情况下正常运行，因此短路点的选择应考虑到电器可能通过的最大短路电流。(2)为了保证选择的合理性及经济性，不考虑极其稀有的运行方式。1、网络计算电路图如图所示：2、10kV开闭所只有一个电压等级，10kV选择10kV侧的断路器及隔离开关时，要考虑当网络在发生短路时流过最大短路电流，因此在10kV母线上设置一个三相短路点D。开闭所5.3、短路电流计算电力系统出口断路器的断流容量为Soc=600MVA,电力系统出口至开闭所的距离为5km,短路计算电压值取Uci=10.5kV。2、电力电缆的电抗：X₂=X₀L=5×0.08=0.4Ω3、D点的等效电路如下图所示：1)三相短路电流周期分量的有效值2)三相短路次暂态电流和稳态电流：3)三相短路冲击电流及第一个周期短路全电流的有效值ish(³=2.55I³=2.55×7.58kIsh(³=1.55I³=1.55×7.58kA5.4、电气设备的选择高压一次设备的选择必须满足一次电路正常条件下和短路故障条件下工作的要求，同时设备应工作安全可靠，运行维护方便，投资经济合理。电气设备按在正常条件下工作进行选择就是要考虑电气装置的环境条件和电气要求。环境条件是指电气装置所处的位置(室内或室外)、环境温度、海拔高度以及有无防尘、防火、防腐等要求。电气要求是指电气装置对设备的电压、电流、频率等的要求。对一些断流电器应考虑其断流能力。电气设备按在故障条件下工作进行选择，就是按照可能发生的最大短路电流时的动稳定度和热稳定度进行校验。部分高压一次设备选择校验的项目和条件如下图所示。电气设备名称电压电流断流能力热稳定校验母线—√—√√电缆√√——√高压断路器√√√√√高压熔断器√√√——电流互感器√√—√√5.4.1、母线的选择10kV侧采用屋内配电装置，所以10kV电压母线选用硬母线。为了经济选用铝硬母线即矩形母线，矩形导体散热条件较好，便于固定和连接，但集肤效应较大。为了避免集肤效应系数过大，单条矩形截面最大不超过1250mm²,当工作电流超过最大截面单条导体允许载流量时，可将2—4条矩形导体并列使用，但多条导体并列的允许电流并不成比例增加。故一般避免采用4条矩形导体并列使用。其长期允许的载流量Ia|=765A按导体长期发热允许电流选择：郑州市最高温度为35℃,查表得温度修正系数为0.88。计算电流的计算按照各种可能的运行方式中计算电流最大的一种计算。即：I(1)30=7800kVa/10√32、热稳定校验：用θ=70℃查铝导体的曲线，对应的K=0.7×10⁴A²·s/mm4而tima=tk+0.05s=Top+top+0.05s=0.6s又断路稳定电流I(3)=7.58kA,母线横截面积A=60×6mm²用Kk去查铝导体曲线可得θk=120℃由查表可得铝母线的最高允许温度θk·max=200℃>θk因此该母线满足断路热稳定度的要求。3、动稳定校验硬母线的动稳定度的校验条件应按下列公式进行计算σal≥0c,其中σal母线材料的最大允许应力(pa),应铝母线σa=70MPA,σc为母线通过ish(³时所受到的最大应力。取母线的档距L=1M,两导体的轴线间的距离a=25CM=0.25MF(³)=√3×(ish(³)²×L×10⁻根据设计经验，一般10kV及以下的高压线路，通常先按发热条件来选择电缆截面，再校验其电压损耗和机械强度。进线应分别能承载各自所属母线所带的负荷。当有任一路进线出现故障或检修时，母联柜中的断路器闭合，三级负荷中的出线柜的断路器应断开一部分，另一路进线应能承载所有的二级负荷正常工作。根据《河南省电力公司城市中低压配电网技术导则及编写说明》中关于10kV电缆的选用的说明应选用UO/U=8.7kV/10kV阻燃型交联聚乙烯绝缘电缆。其中U0为电缆导体与绝缘屏蔽层或金属护套之间的额定工频电压；U为电缆任何两相线之间的额定工频电压。其所承载的容量为7800kVaI(1)30=7800kVa/10√3根据I(1)30查附录表，假定选用400mm²铜线则I(1)AL=378*1.29=487.62A,满足I(1)AL≥I(1)30。所以一号进线应选用400mm²铜电缆所以一号进线电缆应选用的型号为：ZRYJV22-8.7/10-3X4002)二号进线电缆的选择明：电缆主干线的导线截面宜按远期规划一次选定，主干线导线截面不宜超过两种。而且二号进线电缆的承载容量为6000kVa小于一号进线。所以二号进线的选定宜与一号进线保3)三号出线电缆的选择其所承载的容量为5000kVa4)四号出线电缆的选择其所承载的容量为3000kVa考虑到省电力公司规范：选择电缆截面，应在电缆额定载流量(1)主干线：电缆截面(2)次干线：电缆截面铜芯240、300mm2(或铝芯240、300mm2)(3)分支线：电缆截面铜芯95～185mm2(或铝芯120～240mm2)五、六、七、八号出线电缆所承载的容量均小于3000kVa,而省电力公司规定次干线熔断器是最简单的保护电器，它用来保护电气设备免受过载和短路电流的损害，屋内型高压熔断器在变电所中常用于保护电力电容器配电线路和配电变压器，而在电厂中多采断器，对于10kVRN型户内限流熔断器应按下列原则进行选择。1)熔断器额定电压等于安装地点的电网额定电压；2)熔断器的额定电流必须不小于最大长期负荷电流；3)必须校验熔断器的断流能力，即流过熔断器的最大三相短路功率应不大于熔断器2、熔断器选择1)电流互感器的二次额定电流有5A和1A两种，一般弱电系统用1A,强电系统3)二次级的数量决定于测量仪表，保护装置和自动装置的要求，一般情