1、高 壓 開 關 柜 的 二 次 回 路前 言變配電系統中的電氣二次回路，作為一個技術分類來說，理論性和實踐性都很強、內容很豐富，對于從事成套產品專業生產的行業來說，同樣是一個重要的組成部分，二次回路的設計是否正確合理、安裝是否可靠，對今后成套產品的安全運行有著十分密切的關系。為了使從事高壓開關柜電氣工程設計的年輕學員，對二次回路理論上有所啟發、在二次回路設計過程中有所幫助，為此編寫了高壓開關柜的二次回路。本人從事本專業工作已五十余年，在長期地實踐過程中遇到過各種困難和挫折、也有過不少失敗的教訓，總結這些挫折和教訓也就是經驗積累的過程，愿將此留給年輕學員，在學習過程中提供一些幫助。高壓開關柜的二

2、次回路涉及面非常廣泛、本人水平有限，因此只能針對從事高壓開關柜電氣工程設計工作的學員提供一些力所能及的幫助，錯誤和不妥之處在所難免，歡迎學員在學習過程中勇于提問，并懇請廣大同行多提寶貴意見。 第一部分 高壓開關柜的一次系統和一次元件一、什么是高壓開關柜的一次系統電力系統中凡是直接參與生產、輸送、分配電能的設備及對這些設備進行控制、安全防護的設備均稱為一次設備，如發電機、輸電線路、變壓器、母線、隔離開關、斷路器、電流互感器、電壓互感器、避雷器等。將這些設備通過一定的方式連接起來、組成一個完整的系統，此系統稱為一次系統。一次系統可以由單獨設備(如發電廠的發電機、變壓器)分散安置，并通過母線、連接導

3、體將其組合起來，也可以由成套裝置來組成(如高低壓開關柜)。二、高壓開關柜一次系統的組成部分電力系統的一次系統內容很廣泛，高壓開關柜僅是電力系統中的一個組成部分。高壓開關柜按其結構不同可以分很多種型式，如GG-1A型、KY1型、KY28型、XGN型等；但每一種型式的高壓開關柜都包含以下幾種不同功能1、進線柜：通過控制設備或計量裝置直接把系統電能送到主母線。2、電壓互感器柜：反映一次系統電壓參數，有時把防止系統過電壓的設備(避雷器)也裝入該柜。3、出線柜：將系統電能通過控制設備直接輸送到負載(變壓器、電動機、架空線、電容器)。4、母聯柜(分段柜)：對于主母線分成兩段運行時，在段與段之間進行聯絡的設

4、備。它由分段控制柜和分段隔離柜組成。5、電容柜：主要負載設備為電容器。按照用途不同，可分為功率補償作用的電容柜和吸收系統過電壓的電容柜。6、計量柜：對系統用電設備的有功電能和無功電能的計量。7、所用變柜：直接為變電所提供照明和動力電源。8、隔離柜：將系統進行分隔，有明顯的斷點。分隔功能只有保證在沒有負載電流的情況下才能操作。三、常用一次元件分類一次元件按其功能和用途不同可分為三類：1、控制電器用來控制一次回路中工作電流和故障電流的關合與分斷的元件(1)、高壓斷路器它能關合與分斷各種負載電流，在事故狀況下分斷短路故障電流。在滿足某些特定條件下能進行自動重合閘，又有充當備用電源自動投入等功能。(2

5、)、高壓負荷開關能在正常條件下，關合與分斷負載電流，與高壓熔斷器配合能分斷短路故障電流。(3)、高壓隔離開關用來隔離電源與負載回路的設備，在斷開狀態時有明顯斷開點。此外還能分斷較小的負荷電流。(4)、接地開關負載在斷開電源的情況下，為了確保人身安全，可通過接地開關將負載側設備進行接地，從而安全地對設備進行維修和保養。2、測量電器反映一次回路參數，并通過二次回路進行檢測、保護的元件。(1)、電流互感器用來檢測一次回路中電流的大小，提供給計量回路和保護回路用。(2)、電壓互感器用來檢測一次回路中電壓的大小，提供給計量回路和保護回路用。(3)、高壓帶電傳感器檢測一次回路是否帶高壓電，將信號輸給高壓帶

6、電顯示器顯示是否帶高壓電。3、保護電器直接對一次元件實施保護功能的元件。(1)、避雷器限制系統中過電壓對一次設備的破壞。(2)、電抗器限制系統中非常態正常工作電流對一次設備的破壞。四、一次系統圖的制圖要求1、圖形符號按GB/T4728(2000年版)標準的規定進行制圖。2、一次系統圖的圖面布局：圖面布局合理，字符大小適中，線條粗細有別，元件符號標準，表格書寫規范。對于同一元件，其技術特征相同的型號參數，可統一在一次元件材料表中表示出；而型號相同、規格不同的元件，可分別在各臺柜元件數量表格中分別表示出。3、一次系統圖上電壓互感器和電流互感器不同接線組的表示方法：4、斷路器、接觸器、變壓器、架空線

7、和電纜線、零序電流互感器、避雷器、高壓帶電顯示器的圖形符號見一次系統圖。5、在一次系統圖上應把所有柜體的實際排列表達出來，并指出操作面方向。6、一次系統圖實例。見圖1。五、系統短路電流簡述1、短路電流的產生系統短路過程中短路電流的變化情況，決定于系統電源容量的大小和短路點離電源的距離。在工程計標中，當系統的電源容量大于企業供電容量的50倍、阻抗較系統的阻抗大的多時，可認為系統的阻抗接近無限小。當企業供電系統發生短路時，系統壓降接近為零，故電力系統母線上的電壓幾乎不變。這就是無窮大容量電力系統的一個重要特性。把系統作無窮大系統來計算短路電流要比實際短路電流大，這對選擇高壓電器元件來說就留有一定的

8、余量，對保證設備的安全運行也是合理的。當無窮大容量電力系統供電網絡中出現短路時，由于系統饋電電壓不變，而短路回路阻抗要比正常供電工作回路的阻抗減小很多。根據歐姆定律，短路電流會比正常工作中的電流i增大很多，這一短路電流就是短路電流的周期性分量，如圖2中所示曲線ip。由于短路回路中存在電感，因此在突然發生短路時，按照楞茨定律，在電路中的電感會產生反電勢，以維持電路中的電流不致突變。由這一反電勢產生的電流是一個逐步衰減的單一方向電流，這就是短路電流的非周期分量，如圖2中所示曲線inp。短路電流周期分量和非周期分量疊加就是短路的全電流，如圖2中所示曲線ik。圖2 短路電流ip，inp，ik變動曲線從

9、圖2中可以看出，當短路發生后半個周期(即0.01s)時的全短路電流的瞬間值也是短路電流的最大值，稱短路沖擊電流ish。當短路電流非周期分量衰減完畢后，短路全電流的有效值稱穩態短路電流。2、短路電流計算的意義(1)、通過短路電流計算可以達到正確設計和選擇電氣設備的目的，使其在發生短路故障的情況下不至于遭到破壞。(2)、通過短路電流計算，可以正確的設置過電流保護裝置，以便在短路故障時能可靠、迅速地切斷故障，保證非故障部分繼續運行。(3)、通過短路電流計算可以正確地選擇限制短路電流的電氣元件提供依據，如限流電抗器的選擇。3、短路電流的估算短路電流的正確計算，需要電力部門提供系統短路容量和短路阻抗等參

10、數，在實際生產中對于一般中小用戶是不具備條件的、也無法獲得以上參數，但可以根據上一級變壓器的額定容量SN、阻抗電壓UK、額定電壓UN、額定電流IN等數據進行估算。目前城市區域變電站的主變大多數為110kV/10kV級(也有35kV/10kV級)，容量在1640MVA，忽略110kV的系統阻抗、近似認為110kV側為無窮大容量系統，系統阻抗折算到變壓器二次側可以忽略的話，可認為短路發生時母線電壓維持不變，就可用下列估算的辦法IK=I2N×100/UK%上式中： IK穩定短路電流有效值(A)I2N變壓器10kV側額定電流(A) (假設主變低壓側額定電壓為10kV)UK%變壓器短路電壓例：

11、主變參數為：變比：110/10kV容量：16000kVA短路電壓：UK%=10估算變壓器10kV側三相短路電流IK為：IKI2N×100/UK% (I2N為變壓器10kV側額定電流)I2N16000/(×10)925AIK925×100/109250A9.25kA六、一次系統圖的設計要求1、確定主接線型式通常中小容量客戶，其主接線常采用單母線和單母線分段，而供電電源有單電源和雙電源供電。在某些特別重要用電場所還有三路供電電源。在確定主接線方案時，應從工程特點、負荷性質、地區供電條件等因素確定一次系統圖的主接線方案。2、確定高壓開關柜的型式高壓開關柜的正式名稱為“金

12、屬封閉式開關設備”。它是一種組合電器，將一次元件及相應的測量裝置、控制裝置、保護裝置、信號裝置等集中安裝在金屬柜內。現在高壓柜的種類繁多，主要品種有以下四類(1)、通用型空氣絕緣高壓金屬封閉開關設備(KYN28-12)(2)、負荷開關熔斷器組合柜(環網柜)(3)、SF6氣體絕緣開關柜(4)、熔斷器高壓真空接觸器開關柜(F-C回路柜)3、一次回路主要元器件的選擇一次回路主要元器件的選擇首先要考慮在額定工作電壓和最高工作電壓能符合要求的前提下，再按照開關柜的型式和不同元器件的技術要求合理地選用。(1)、主母線截面的選擇(詳見參考資料1)主母線截面的合理選擇主要從以下三方面考慮A、根據長期允許負荷電

13、流選擇母線截面B、短時持續電流時母線的熱穩定校驗C、額定峰值耐受電流時母線的動穩定校驗(2)、斷路器的選擇選擇斷路器時，除了斷路器的額定電壓、最高工作電壓符合要求外，要特別關注以下參數的配合。A、額定電流的確定額定電流主要按照最大負載實際工作電流來選擇，同時要考慮近期負載的擴容并留有一定的安全裕量。在規定的環境溫度下，斷路器長期通過額定電流時，斷路器導電回路各部件的溫升均不得超過允許值。B、額定短路開斷電流當系統發生短路故障后，繼電保護裝置動作可延時或瞬時將斷路器分閘，但繼電器動作需要一定的時間、而斷路器本身也有一固有分閘時間，如高壓真空斷路器的分閘時間在2050ms之間，所以斷路器真正經受考

14、驗的開斷電流是穩態短路電流的有效值。在10kV這一級有16、20、25、31.5、40、50kA。在選擇開斷電流時要按照系統實際情況進行必要的計算或估算，既要留有足夠的安全裕量，也要考慮設備的投資成本。C、額定短時耐受電流(熱穩定電流)當短路電流通過斷路器時，會使導電部分發熱，其熱量與電流的平方成正比，所以當通過短路電流時，有可能造成動靜觸頭熔焊直至損壞斷路器。因此斷路器規定了在一定時間內(34s)通過額定短時耐受電流時的熱效應能力，該值基本上和額定短路開斷電流相同。D、額定峰值耐受電流(動穩定電流)斷路器在合閘位置時所允許通過的最大短路電流(短路電流的最大值)，也稱短路沖擊電流。它發生在短路

15、故障后半個周期(即0.01s)時。斷路器在通過這一短路電流時，不因為電動力的作用而發生任何機械損壞，其值可按短路開斷電流的2.5倍來考慮。E、選擇斷路器的型式時，還要考慮操動機構的選擇。如果斷路器本身不帶操動機構，就需要另外選擇操動機構。有的斷路器，其操動機構和斷路器是一整合體，則不需要再選擇。目前常用的操動機構有“彈簧操作機構”和“電磁操作機構”兩種，設計時應考慮合適選擇。(3)、電流互感器參數的選擇和應用A、額定電壓的確定電流互感器的一次額定工作電壓應與其所連接系統的額定電壓一致，同時能夠承受系統所規定的最高絕緣電壓。例如，額定電壓為10kV級別的電流互感器的額定絕緣電壓為12kV。B、額

16、定電流的選擇a、一次額定電流的選擇儀表測量用電流互感器：其量程可按負載額定電流的1.25倍選擇；若負載為異步電動機則可選擇負載額定電流的1.5倍。繼電保護用電流互感器：當與儀表測量用電流互感器共同組合時，選擇相同的一次電流；若單獨使用時可按大于負載設備額定電流的數倍來選擇。對于高壓電流互感器，若保護裝置動作時不能滿足10%倍數曲線要求時，可特殊加工成雙變比電流互感器，把保護用電流互感器的變比放大，以提高保護級的負載阻抗。b、二次額定電流的選擇電流互感器二次額定電流有1A和5A兩種規格，通常選擇5A。但當二次負載超過電流互感器的額定負載時，可選擇二次額定電流采用1A，負載阻抗可提高25倍。C、電

17、流互感器的精度表示電流互感器電流變比誤差的程度。對于測量級，其精度等級通常分為：0.2S、0.5S、0.2、0.5、1、3等級別。當二次側負載為額定負載的25%100%之間，在額定頻率下的電流比誤差應不超過下表所列的限值：準確級在下列一次額定電流(%)時的電流誤20.750.350.20.20.51.50.750.50.50.2S0.750.350.20.20.20.5S1.50.750.50.50.5注：0.2S、0.5S僅用于二次額定電流為5A的互感器。例：100/5A電流互感器，如果精度要達到0.5級時，當互感器電流為5A時，其二次折稱量5/20=0.25(二次

18、折稱量-二次實測值)/二次折稱量=0.015=1.5%按照上式要求，其二次實測值應為0.24b25A。如果二次實測值不小于0.24b25A時，則可認為達到了0.5級。運行中若測量級一次電流過載1.2倍額定電流值時，應仍能保持其精度、同時可經受58倍額定電流沖擊時不受到損壞。保護級的精度用下式來表達：D、電流互感器的極性電流互感器一、二次繞組端子都有統一的標記。用P1、P2表示一次繞組，S1、S2表示二次繞組。運行時，在感應電動勢的作用下，初級繞組和次級繞組同時到達高電位或同時到達低電位的兩端就稱為同名端或同極性。按此要求，P1和S1屬同名端(P2和S2也是同名端)。凡是同名端的電位變化規律是相

19、同的。由于二次繞組中流過的電流I2所產生的磁通和一次繞組電流I1產生的磁通二者方向始終保持相抵消的關系，所以又稱這種極性表達成減極性表示法。E、負載阻抗值對電流互感器精度的影響對于計量級，二次負載不得大于電流互感器的額定負載阻抗。如果超過允許值，計量精度就得不到保證，解決辦法：a、增大二次回路導線截面積；b、低壓可用2臺電流互感器串聯使用；高壓可采用特殊訂貨辦法，一臺互感器中安排兩組參數相同的測量級、取消保護級，然后將兩個次級串聯，這樣可增大一倍負載能力；c、改變二次額定電流值為1A；d、遠距離測量時可使用電流變送器。對于保護級，當保護裝置動作時，若二次負載大于允許值，可采取以下措施使其滿足1

20、0%誤差：a、增加連接導線截面以減小實際二次負荷。b、選擇變比較大的電流互感器，減小一次電流倍數，可增大二次負荷。c、采用特殊訂貨辦法，一臺互感器中安排兩組參數相同的保護級、取消測量級，然后將二組繞組串聯起來，使其允許二次負荷增大一倍。d、對于星三角接線的變壓器，其微機型變壓器差動保護電流互感器二次側全部采用星型接線，可使負載計算阻抗減小，其相位補償問題可由程序設定來解決。F、電流互感器動熱穩定電流能滿足要求a、熱穩定電流短路故障后1秒內電流互感器發熱不使其損壞的允許極限電流值(有效值)，通常熱穩定電流是電流互感器額定電流的150200倍。注意：電流互感器生產廠家在產品樣本上都以1秒表達熱穩定電流。為了配合斷路器短路故障以4秒的考核，為此可將電流互感器1秒的熱穩定電流換算成4秒的熱穩定電流值