高压固定开关设备及其电气设计毕业设计

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1、第一章 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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、，线路和变压器的功率损耗的总和。 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

7、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

8、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。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

9、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

10、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。

11、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，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

12、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

13、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

14、，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

15、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

16、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。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，所以也称大电流接地系统。供电可

17、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

18、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

19、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地，防备由于绝缘

20、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

21、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）

22、。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

23、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.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

24、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

25、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

26、：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、

27、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：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

28、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

29、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(1) 通用

30、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

31、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

32、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)。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

33、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；

34、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 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

35、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）。1.1 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 对于屋外式配电装置可以按

36、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

37、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。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

38、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

39、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=IR，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

40、备就会烧毁。如上例，短路发生时的电流极大，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

41、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

42、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。（1）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

43、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10008000

44、A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）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

45、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。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）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

46、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

47、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u=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

48、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，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

49、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。断路器：在灭弧室吹弧过程中，作为熄弧和绝缘介质的气体不排向大气，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，

50、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。断路器主要用于

51、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。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） 断路器操作机构的选用在电力网中，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

52、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

53、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： 来源:高压开关网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80%-85%，上限值为额定值的110%，也就是说，操作机

54、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

55、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。 来源: 综上所

56、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；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

57、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.倒闸操作，在等电位情况下，将双母线制电路中的电气设备或供电线路从一组母线切换到另一组母线上。三.用以开合小电流电路。因没有专门的灭弧装置，所以只能接通和断开只有电压没有负荷电流的电流，如电压互感器，避雷器，无负荷母线等激磁电流不超过2A的无负荷变压器以及电容电流不超过5A的空载线路,这些电流小,不易产生很大的电弧。四接地刀闸互锁实现接地操作。将隔离开关与与接地闸刀连接，可方便、可靠地实现接地操作：先断开隔离开关，后闭合接地刀闸；先断开接地刀闸，后闭合隔离开关。3.2.3 负荷开关负荷开关是一种带有简单灭

58、弧室装置的小开断容量的开关电器，专门用于开断和闭合电路中的负载电流或一定范围的过载电流。负荷开关不能开断短路电流，因此往往与高压熔断器串联使用，即由负荷开关承担关合和开断各种负荷电流，而由熔断器承担开断较大的过载电流和短路电流，以代替高压断路器应用于一些特定的场合，以降低成本。负荷开关在结构上应满足以下要求：在分闸位置时要有明显可见的间隙，这样负荷开关前面就无需串联隔离开关，在检修电气设备时，只要开断负荷开关即可；要能经受尽可能多的开断次数，而无需检修触头和调换灭弧室装置的组成元件；负荷开关虽不要求开断短路电流，但要求能关合短路电流，并能承受短路电流的动稳定性和热稳定性的要求。3.2.4 熔断

59、器熔断器由金属熔件、支持熔件的触头装置和外壳构成。熔件是电路中最脆弱的部分，当熔断器的电流达到或超过一定值时，电熔件本身产生有热量，使其温度升高到金属熔点而自行熔断，切断电路，实现保护。 表征熔断器工作特性的除额定电压、额定电流和开断能力外，还有熔体的热特性： 时间-电流特性：表示熔丝熔化时间与通过电流间关系的曲线，此保护特性为反时限的，从曲线上可以看出：对同一熔体，当熔体电流超过额定值时，通过电流越大则熔断时间越短;对不同额定电流的熔体，通过相同短路电流时，额定电流小的熔体先熔断，根据此特性可以正确选用熔断器及其熔体。当用电设备与电源间有多级熔断器时，其熔体的额定电流应是离电源越近的越大，发

60、生短路时应是离短路点最近的熔断器熔断，使停电范围不致扩大，这就是选择性动作，为了保证选择性动作，相邻两级熔断器的熔体额定电流至少相差12级。最小熔化电流：电流减小时熔丝融化时间增大。当电流减小到某一数值，熔丝的熔断时间为无穷长时的电流，称为熔丝的最小熔化电流，即熔丝电流比稍大时熔丝自动熔断；而熔化电流比稍小时，熔丝虽不会熔断但熔丝的温度却很接近熔丝材料的熔化温度。熔丝不能长期在最小熔化电流下工作，这样会使熔断器某些部件的温度过高，或者会造成熔丝过早熔断的事件。熔丝允许长期工作电流即熔丝的额定电流显然比小。与的比值称为熔丝的熔化系数。熔断系数一般取1.22.5。不同用途的熔断器可以规定不同的熔断

61、系数，过高的熔断系数会使熔断器失去应有的灵敏度，过低的熔断系数则会造成熔断器在工作电流下的误动。熔断器的灭弧室与熔件的种类繁多是最早应用于电网中的一种保护电器，由于其结构简单、价格低廉、维护使用方便，至今仍是一种广泛使用的电气设备。3.2.5 仪用互感器对高电压和大电流的电气设备，必须经过互感器的变换，变成低电压和小电流方可接入测量仪表和监察保护装置。在发电厂和变电所中应用最广的是电流互感器（TA）和电压互感器（TV）。互感器的作用主要有以下几点：1 将一次系统的高电压和大电流变为易于测量的低电压和小电流，并且规定为标准数值，即额定电压为100V和额定电流为5A或1A、0.5A。这样，可使测量

62、仪表、保护控制装置标准化、小型化。2 将电气二次设备与一次设备相隔离，既保证了设备和人身的安全，又使接线灵活、安装方便、维修时不必中断一次设备的运行。3 系统运行参数由互感器二次侧采集，易于实现微机监控和远方操作，便于集中控制。 原理同变压器，高电压、大电流变成低电压、小电流，以便提供测量和继电保护所需装置。电压互感器正常时副边负荷很小，负载阻抗很大，近似开路，当短路时，激磁阻抗远远大于负载阻抗，又因为漏抗都很小，所以电流都从漏抗走，即电流很大，易出事故。电流互感器正常运行时，负载阻抗很小，近似短路，当开路时，副边电流为零，副边电压为激磁电流与激磁阻抗的乘积，即为原边电流与激磁阻抗的乘积，,由

63、于原边电流由一次电路的负载决定，较大，所以副边电压将达到数千数万伏，产生危险的高压。3.2.6 避雷器电能系统中的电气设备在运行中除承受正常的工作电压外，有时还会遭受操作过电压和雷电过电压。过电压的数值远超过工作电压，使设备的绝缘寿命缩短，甚至直接破坏。避雷器是用来限制过电压的一种主要保护电器，广泛用于电能系统中，保护变压器、旋转电机、电缆、电容器等发、变、用电设备的绝缘，它是发电厂、变电所雷保护的基本措施之一。避雷器与被保护电器设备并联，其放电电压应低于被保护设备耐压值。当线路上有雷电波侵入时，首先击穿避雷器对地放电，从而保护了设备的绝缘。3.3 高压二次元件二次设备是指对一次设备的工作进行监测、控制、调节、保护以及为运行、维护人员提供运行工况或生产指挥信号所需的低压电气设备。如熔断器、控制开关、继电器、控制电缆等。由二次设备相互连接，构成对一次设备进行监测、控制、调节和保护的电气回路称为二次回路或二次接线系统。电气一次电路、二次回路设备组