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高压开关柜电气设计
第1章高压开关柜电气设计
1.1概述
称套配电装配又叫成套配电柜,也是以开关为主的成套电器,故也俗称开关柜。
它用于配电体系,作为接收与分派电能之用。
据电压高低,它可分为高压开关柜和低压开关柜两大年夜类:
按装配地点的不合,又分户外式与户内式(10kv及以下的多采取户内式);按开关电器是否能够移动,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给的高压配电装配。
在这种封闭或半封闭的柜中可装设各类高压电器、测量外表、爱护电器和操纵开关等等。
平日一个柜就构成一个单位回路(须要时也可用两个柜),因此一个柜也就成为一个距离。
应用时可按设计的主回路筹划,选用合适各类电路距离的开关柜,然后使可构成全部高压配电装配。
也具有占地少、安装应用及爱护检修便利,适于大年夜量临盆等特点,故应用专门广泛。
高压开关柜种类较多,分类方法亦有多种:
按断路器的安装方法可分为固定式和手车式两大年夜类;按柜体构造型式可分为开启式与封闭式两种;还可分为一样情形和专门情形用(后者包含矿用、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-voltageswitchgearpanel)是指由高压断路器、负荷开关、接触器、高压熔断器、隔分开关、接地开关、互感器及站用电变压器,以及操纵、测量、爱护、调剂装配,内部连接件、辅件、外壳和支撑件等构成的成套配电装配。
这种装配的内部空间以空气或复合绝缘材料作为介质,用作接收和分派电网的三相电能。
1.2高压开关柜的类型
高压开关柜是3-35kV交换金属封闭开关设备的俗称,它是3-35kV电网中最大年夜面积是配电设备。
因为国表里市场需求的日益多样化和国外代以先辈技巧的赓续引进,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,打破了高压开关柜往常几十年一向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法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依照手车的地位分落地式和中置式两种。
按安稳等级分为铠装式、距离式和箱式。
按柜内主绝缘介质分为空断气缘柜和气体绝缘柜(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:
主开关元件采取高压限流熔断器(fuse)—高压接触器(contactor)组合电器。
(3)环网柜:
主开关元件采取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体系,故平日称为环网柜。
1.3高压开关柜的重要技巧参数
高压开关柜的重要技巧参数有以下几项:
(1)额定电压:
(2)额定绝缘程度:
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:
指柜内母线的最大年夜工作电流;
(5)额定短路是耐受电流:
指柜内母线及主回路的热稳固度,应同时指出“额定短路连续时刻”,平日为4s;
(6)额定峰值耐受电流:
指柜内母线及回路是动稳固度;纺护等级。
(7)纺护等级。
表1.1为高压开关柜的重要技巧参数
表1.1高压开关柜的重要技巧参数
序号
项目
单位
技巧参数
1
额定电压
KV
3,6,10
2
1min工频耐受电压
KV
对地,相间:
42;断口:
48
3
额定雷击耐受电压
KV
对地,相间:
75;断口:
85
4
额定频率
Hz
50
5
额定电流
A
630,1250,1600,2000,2500,3150
6
额定短路开断电流(有效值)
KA
20,25,31.5,40,50
7
额定短路关合电流(峰值)
KA
50,63,80,100,125
8
额定动稳固电流(峰值)
KA
50,63,80,100,125
9
额定热稳固电流4S(有效值)
KA
20,25,31.5,40,50
10
防护等级
外壳IP4X,断路器室门打开为IP2X
1.4高压开关柜的技巧成长
从20世纪60年代末期起,我国高压开关行业开端自行设计高压开关柜。
自80年代以来,跟着引进消化国外产品,技巧程度灵敏进步,品种也灵敏增长到几十种,有距离式,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,也开创了中置式和双层柜。
同时还开创出在专门场合,如铁路、矿山应用的开关柜。
今朝我国高压开关柜的技巧程度可归纳为:
(1).产品容量增大年夜。
最大年夜容量为:
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).产品品种齐备,能知足严格前提、高寒、地动地区和矿山、铁道部分应用。
(3).靠得住性进步,相符标准的金属封闭式开关柜慢慢替代了老产品。
(4).应用新工艺设备的技巧
1)数控钣金加工技巧。
已稀有百家企业拥稀有控加工设备“三大年夜前提”,在此差不多上的柔性加工体系,进步了壳体尺寸精度和临盆效力。
2)较先辈的涂装工艺设备。
喷漆临盆和喷粉工艺线使产品防护才能和外不雅都有较大年夜的进步。
3)专用的母线加工设备。
1.5本课题的重要义务
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)三种开关柜均采取中置移开式构造;
(2)进线柜采取真空断路器,其操作机构为电磁操作机构或弹簧操念头构;其测量爱护采取传统的继电器/外表或微机型测量/爱护装配;
(3)F-C柜为高压电念头操纵柜,要求具有响应的操纵功能;
(4)变电站电压为10kV,进线运算电流为200A,高压母线三相短路电流周期重量为10kV。
第2章高压开关柜一次接线设计
2.1开关柜的总体构造(以中置式真空断路器柜为例)
以JYN2-10(Z)高压开关柜为例,其构造可分为柜体和手车两部分。
手车为断路器手车,重要的电器元件有断路器(装在小车内)、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自力的隔室:
母线室、手车室、继电器外表室、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,以保证检修时的安稳。
柜体前面是继电器室和手车室。
依续工作。
靠推动机构是装有断路器等的小车在导轨上前后活动。
向内推入能使断路器高低两个隔离动触头插入隔离静触头座完成电路联络;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,相当于隔分开关的感化。
应用专用的运载车,可将装有断路器的小车便利地推入或拉出柜体。
当断路器显现严峻故障或破坏时,同样可应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全然要求
(1)高压开关柜设计,应使得高压开关柜正常运行、监督和爱护工作能安稳便利的进行,爱护工作包含:
元件是检修、实验、故障的查找和处理;
(2)关于额定参数和构造雷同而须要替代的元件应能交换;
(3)关于可移开部件的高压开关柜,假如可移开部件的额定参数和构造雷同则应能交换;
(4)应按本地应用前提校验;
(5)应力争技巧先辈和经济合理;
(6)选择的新产品均应具有靠得住的实验数据,并经正试剖断合格。
2.1.2主回路筹划切实事实上定
高压开关柜的主电路也叫一次线路,它是依照电力体系和供配电体系的实际须要而确信的,每种型号的高压开关柜的主电路筹划少则几十种,多则上百种,平日包含以下类别:
所用变柜、计量柜、隔离柜、接地手车柜、电容器柜、高压电机操纵柜(F-C柜)等。
开关柜主电路筹划组合要推敲的问题包含:
(1)依照一次体系图及其一次回路工作电流大年夜小以及操纵、爱护、测量等要求,选择响应主电路筹划的开关柜;
(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、带有自由脱扣的操念头构,除了作为通俗配电爱护断路器外,专门有用于频繁操作及故障较多的场合。
因为真空断路器具有可连续多次操作、开段机能好、灭弧灵敏、运行爱护简单、灭弧室不须要检修、无爆炸危险及噪声低等优胜的技巧机能,同时有具有必定的经济性,近年来,在新设计的35kV及以下变电所中获得了广泛的应用。
2.2.1一次接线
10kV体系属于中性点不接地式,亦称中性点非有效接地体系。
应采取中性点经消弧线圈接地的运行方法,两互相感器测量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
各功能单位主回路的导体(包含主母线和分支母线)和串联的元件(不包含有熔断器连到电压互感器或变压器的短线连接),应推敲该回路各元件参数的合营和该功能单位应能经由过程所规定的额定电流和动、热稳固电流。
在推敲母线的许可温度或温升时,应依照触头、连接和与绝缘材料接触的金属部分的温度或温升的情形而定。
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筹划和选用一次电器元件时,要综合推敲开关柜的机能要求、构造与安装安排、操作爱护、通用性和电器元件的技巧前提、机能参数、外形与安装尺寸等身分。
一.断路器的种类和选择
高压开关柜可选用是断路器包含少油断路器、真空断路器、SF6断路器等。
少油断路器曾经一段时代在高压开关柜中占统治地位,但跟着用户对开关电器无油化要求的日益加强,少油断路器的地位让给真空断路器。
少油断路器今朝在高压开关柜顶用的越来越少。
因此,为降低开关柜的造价,一些用户照样选用少油断路柜。
SF6断路器价格昂贵,除非有专门要求的用户(如发电厂),今朝一样用户选SF6断路器柜照样比较少。
因此,今朝在高压开关柜中,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),因为真空断路器具有可连续多次操作、开段机能好、灭弧灵敏、运行爱护简单、灭弧室不须要检修、无爆炸危险及噪声低等优胜的技巧机能,同时有具有必定的经济性,近年来,在新设计的35kV及以下变电所中获得了广泛的应用。
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,为限制过电压,对经常分断高压电念头或电弧炉变压器等感性负载的真空断路器必须设备专用的R-C接收装配或金属氧化物避雷器。
真空断路器及电磁操念头构的参数如下表2.1
表2.110kV真空断路器技巧数据
型号
额定电压(kV)
额定电流(A)
额定断开电流(kV)
额定动稳固电流(kV)
热稳固电流(kV)
固有分闸时刻(s)
合闸
时刻
(s)
额定
最大年夜
峰值
4s
ZN-10C/630
10
11.5
630
20
50
20
≤0.06
≤0.15
ZN12-10I
10
11.5
1250
31.5
80
31.5
≤0.065
≤0.075
二.电流互感器的种类和选择
关于测量和爱护用的电流互感器,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电流互感器的技巧数据
型号
额定电流比(A)
级数组合
二次负荷(欧)/10%倍数
秒热稳固倍数
动稳固倍数
0.5
级
1
级
3
级
D、B
级
Ω
倍数
LZZB6-10
5-200/5
0.5/B
10
15
B级
B级
150
150kV*2.55
LZZB6-10
200/5
0.5/B
0.4
10
122.5
220
LZZB6-10
200-300/5
0.5/B
10
15
15
10
24.5
44
2.2.3母线的选择与安排
一.母线的类型
开关柜中的母线分为两部分:
一是连通各柜的程度母线,称为主母线,起集散电流的感化;二是各柜内部垂直偏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。
常用的母线构造情势与矩形、槽形和管形等。
单片矩形导体具有散肤效应系数小、散热前提好、安装简单、连接便利等长处,一样有用于工作电流≤2000A的回路中。
多片矩形导体集肤效应系数比单片导体的大年夜,因此附加损耗增大年夜。
是以载流量不是随导体片数增长而成倍增长的,专门是每相跨过三片以上时,导体的集肤效应系数明显增大年夜。
在工程有用中多片矩形导体有用于工作电流≤4000A的回路。
当工作电流为4000A以上时,导体则应选用有利于交换电流分布比较平均,散热前提好,机械强度较高,安装也不便利。
二.母线规格的选择
母线的截面积,应推敲近况的负荷电流并顾及今后扩容的可能性。
主母线的电流是由进线开关柜供给的,而进线开关柜负荷电流大年夜小在拔取断路器参数时是预先确信了的,因此分支母线的截面原则上可按断路器额定电流的大年夜小来拔取,除非实际负荷电流甚小,且往后也不大年夜可能在增长负荷的情形下才选择小截面母线。
开关柜中母线规格的选摘要推敲以下前提:
(1)按导体经久发烧许可载流量选择截面;
(2)热稳固性的效验;
(3)动稳固性的效验;
(4)导体共振的效验。
按设计要求选择了30×4mm²的设备。
起首,按母线的额定电流及经久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,并考查母线在经久工作制下的稳固温升,及经由过程短路电流时的动热稳固性。
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=3A/mm2
Sa=200/3=66.67mm
按铜母线标准选择厚度(h)及宽度(b)
取h=4mmb=30mmSa=120mm2
四.工作制下的稳固温升(Tw)
Tw=IN2R/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=IN2R/KTSb=36.88K(2.3)
按GB736-74交换高压电器在经久工作制的最大年夜许可发烧温度铜母线在情形温度为40度的空气中许可温升为70K,此母线温升合格.
五.考查母线的热稳固性
经由过程短路电流时,母线的温度(θk )可按下式运算
式中 α0 :
温度为0度时母线材料的电阻温度系数
θ0 :
产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 :
短路电流连续时刻
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热稳固电流为10kA
α0=1/235θ0=36.88+40=76.88
ρ0=1.65×10-8
tk=4sjk=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经由过程短路电流时,极限许可温度为300度,故此母线的热稳固性合格。
六.考查母线的电动稳固性
起首运算母线经由过程动稳固电流时,所受电动力,再按此电动力大年夜小及分布情形,运算母线的内应力,应不大年夜于母线材料的许用应力,最后,运算母线的固有振荡频率应小于工频交换电流频率的两倍,以免产活力械共振现象,知足以上要求,则母线的电动稳固性合格。
(1)动稳固电流为25kA(峰值)
(2)三相母线平行分列,母线间距离
S=250mm,母线长度L=1000mm
(3)运算回路系数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)确信截面积系数λ
a=250mmb=30mmh=4mmb/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)运算中心B相导体所受最大年夜电动力FBM
FBM=0.866KCλI2cj×10-7(2.6)
=0.866×6.24×1×(25×103)2×10-7
=337.74N
(6)运算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,虽是不平均分布载荷,但对导体中点是对称的,其弯矩最大年夜点,仍为导体中点,故可按平均分布载荷运算导体所受到电动力感化时的最大年夜弯矩
Mmax=0.125ql2q=FBM/l
当FBM=337.74Nl=1m时q=337.74N/m
Mmax=0.125×337.74×12=42.22N.m
曲折应力σ=Mmax/WW:
母线抗弯截模量
母线的排布是在一个平面内平行分列,电动力与宽边b平行,W可按下式运算:
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<铜母线的屈从强度
铜母线屈从强度为σS=195×106Pa,一样机械的屈从安稳系数ns=1.2~2,若取ns=2则铜母线的许用应力[σ]运算如下:
[σ]=σS/ns=195×106/2=97.5×106Pa(2.8)
σmax<[σ]
铜母线在最大年夜电动力感化下,其内应力小于许应力,故机械强度合格。
七.运算母线的固有振荡频率(f)
交换电动力的交变频率为电流的2倍。
假如电动力的频率与导系一切的固有振荡频率相等,导体就会产生共振现象,这将对导系一切产生专门大年夜的破坏力。
是以,最好使遭受交换电动力的导系一切固有振荡频率低与电动力的频率,以免与高次谐波电动力产生共振。
关于单跨距母线其固有振荡频率可按下式运算
f=35/L2×(EJP/M0)0.5(2.9)
式中L:
支撑绝缘子跨距(m)
E:
导体的弹性模数,关于铜导体E=1.13×1011Pa
JP:
垂直于曲折偏向轴的慣性矩(m4)
M0:
导体单位长度质量(kg/m)
已知M0=30×4×10-6×8.9×103=1.068kg/m
L=1mJP=b3h/12=303×4×10-12/12=0.9×10-8m4
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年夜于电动力的频率(100HZ),故可不能引起机械共振。
2.3计量柜
计量柜是用于计量电能的消费量,每种型号差不多上有电能计量专用柜。
它装有三个外表:
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电能计量柜的全然要求参数
(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)计量外表柜,以互感器的额定二次电流标示,1A或5A.
(4)精确等级:
计量柜内计量外表的精确级表示,有0.5级、1.0级两级。
(5)综合误差:
依照电能计量装配类别确信,有±0.70级、±1.20级两级。
2.3.2电能计量柜的全然技巧要求
(1)整体式电能计量柜,可由单个柜或几个柜并列组合而成。
其外形及构造与相邻的高、低压开关成套设备调和合营。
(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,其外形及构造应相邻的高、低压开关成套设备调和合营。
分别安装的计量外表柜,宜采取定型的柜作外壳。
(3)电能计量柜的防护等级不该低于GB4208规定的IP20级。
(4)电能计量柜应落地固定安装,电能计量箱能够采取挂墙式安装。
(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)二次负载不该跨过额定输出。
且不该低于额定输出的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)二次负载不该跨过额定输出。
且不该低于额定输出的25%。
3)整体式电能计量柜计量互感器的二次侧不该装设熔断器(主动开关)和串接隔分开关的关心触头;计量互感器柜的出线侧能够装设快速熔断器(主动开关),但不该串接隔分开关的关心触头。
4)计量电路,应先经实验盒后再接至电能表。
5)计量电路不该作为关心单位的供电电源。
6)计量电路中应装设掉压计时器。
(7)二次导线不该有中心接头。
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稳联锁装配。
(9)电气接地应相符安稳技巧规定。
(10)旌旗灯号灯和按钮的色彩应采取:
合闸为红色,分闸为绿色。
(11)计量电压互感器的隔分开关操念头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枪弹门锁和备有可铅封的举措措施。
(13)外表不雅察窗应采取无色透亮的玻璃,面积应知足抄表和监督的要求。
(14)电能计量柜内应设置不雅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心不该有接头;经常须要拆卸部件的连接导线,其长度有恰当裕度。
(17)电能表安装高度及间距:
1)电能表距地面不该低于600mm。
2)电能表与电能表之间的程度间距不该小于80mm.。
3)电能表与实验盒之间和垂直间距不该小于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、检修时不该产生有害的变形。
(19)柜中各单位之间宜以隔板或以箱(盒)式组件区分和隔离。
(20)柜式构造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相符其产品标准要求优质产品。
(22)电能计量柜应做出厂考查和型式考查。
2.3.3一次接线
10kV体系属于小电流接地体系(体系中性点不接地或经消弧线圈接地)因而应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
关于测量和爱护用的电流互感器,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电流互感器的技巧数据
型号
额定电流比(A)
级数组合
二次负荷(欧)/10%倍数
秒热稳固倍数
动稳固倍数
0.5
级
1
级
3
级
D、B
级
欧
倍数
LZZB6-10
5-200/5
0.5/B
10
15
B级
B级
150
150kV*2.55
LZZB6-10
200/5
0.5/B
0.4
10
122.5
220
LZZB6-10
200-300/5
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