高压开关柜的二次回路

高压开关柜的二次回路

前言

变配电系统中的电气二次回路，作为一个技术分类来说，理论性和实践性都很强、内容很丰富，对于从事成套产品专业生产的行业来说，同样是一个重要的组成部分，二次回路的设计是否正确合理、安装是否可靠，对今后成套产品的安全运行有着十分密切的关系。为了使从事高压开关柜电气工程设计的年轻学员，对二次回路理论上有所启发、在二次回路设计过程中有所帮助，为此编写了《高压开关柜的二次回路》。本人从事本专业工作已五十余年，在长期地实践过程中遇到过各种困难和挫折、也有过不少失败的教训，总结这些挫折和教训也就是经验积累的过程，愿将此留给年轻学员，在学习过程中提供一些帮助。

高压开关柜的二次回路涉及面非常广泛、本人水平有限，因此只能针对从事高压开关柜电气工程设计工作的学员提供一些力所能及的帮助，错误和不妥之处在所难免，欢迎学员在学习过程中勇于提问，并恳请广大同行多提宝贵意见。

第一部分高压开关柜的一次系统和一次元件

一、什么是高压开关柜的一次系统

电力系统中凡是直接参与生产、输送、分配电能的设备及对这些设备进行控制、安全防护的设备均称为一次设备，如发电机、输电线路、变压器、母线、隔离开关、断路器、电流互感器、电压互感器、避雷器等。

将这些设备通过一定的方式连接起来、组成一个完整的系统，此系统称为一次系统。

一次系统可以由单独设备(如发电厂的发电机、变压器)分散安置，并通过母线、连接导体将其组合起来，也可以由成套装置来组成(如高低压开关柜)。

二、高压开关柜一次系统的组成部分

电力系统的一次系统内容很广泛，高压开关柜仅是电力系统中的一个组成部分。高压开关柜按其结构不同可以分很多种型式，如GG-1A型、KY1型、KY28型、XGN型等；但每一种型式的高压开关柜都包含以下几种不同功能——

1、进线柜：通过控制设备或计量装置直接把系统电能送到主母线。

2、电压互感器柜：反映一次系统电压参数，有时把防止系统过电压的设备(避雷器)也装

入该柜。

3、出线柜：将系统电能通过控制设备直接输送到负载(变压器、电动机、架空线、电容

器)。

4、母联柜(分段柜)：对于主母线分成两段运行时，在段与段之间进行联络的设备。它由

分段控制柜和分段隔离柜组成。

5、电容柜：主要负载设备为电容器。按照用途不同，可分为功率补偿作用的电容柜和吸

收系统过电压的电容柜。

6、计量柜：对系统用电设备的有功电能和无功电能的计量。

7、所用变柜：直接为变电所提供照明和动力电源。

8、隔离柜：将系统进行分隔，有明显的断点。分隔功能只有保证在没有负载电流的情况

下才能操作。

三、常用一次元件分类

一次元件按其功能和用途不同可分为三类：

1、控制电器——用来控制一次回路中工作电流和故障电流的关合与分断的元件

(1)、高压断路器——它能关合与分断各种负载电流，在事故状况下分断短路故障电流。

在满足某些特定条件下能进行自动重合闸，又有充当备用电源自动投入等功能。

(2)、高压负荷开关——能在正常条件下，关合与分断负载电流，与高压熔断器配合能

分断短路故障电流。

(3)、高压隔离开关——用来隔离电源与负载回路的设备，在断开状态时有明显断开点。

此外还能分断较小的负荷电流。

(4)、接地开关——负载在断开电源的情况下，为了确保人身安全，可通过接地开关将

负载侧设备进行接地，从而安全地对设备进行维修和保养。

2、测量电器——反映一次回路参数，并通过二次回路进行检测、保护的元件。

(1)、电流互感器——用来检测一次回路中电流的大小，提供给计量回路和保护回路用。

(2)、电压互感器——用来检测一次回路中电压的大小，提供给计量回路和保护回路用。

(3)、高压带电传感器——检测一次回路是否带高压电，将信号输给高压带电显示器显

示是否带高压电。

3、保护电器——直接对一次元件实施保护功能的元件。

(1)、避雷器——限制系统中过电压对一次设备的破坏。

(2)、电抗器——限制系统中非常态正常工作电流对一次设备的破坏。

四、一次系统图的制图要求

1、图形符号按GB/T4728(2000年版)标准的规定进行制图。

2、一次系统图的图面布局：

图面布局合理，字符大小适中，线条粗细有别，元件符号标准，表格书写规范。

对于同一元件，其技术特征相同的型号参数，可统一在一次元件材料表中表示出；

而型号相同、规格不同的元件，可分别在各台柜元件数量表格中分别表示出。

3、一次系统图上电压互感器和电流互感器不同接线组的表示方法：

4、断路器、接触器、变压器、架空线和电缆线、零序电流互感器、避雷器、高压带电显示器的图形符号见一次系统图。

5、在一次系统图上应把所有柜体的实际排列表达出来，并指出操作面方向。

6、一次系统图实例。见图1。

五、系统短路电流简述

1、短路电流的产生

系统短路过程中短路电流的变化情况，决定于系统电源容量的大小和短路点离电源的距离。在工程计标中，当系统的电源容量大于企业供电容量的50倍、阻抗较系统的阻抗大的多时，可认为系统的阻抗接近无限小。当企业供电系统发生短路时，系统压降接近为零，故电力系统母线上的电压几乎不变。这就是无穷大容量电力系统的一个重要特性。把系统作无穷大系统来计算短路电流要比实际短路电流大，这对选择高压电器元件来说就留有一定的余量，对保证设备的安全运行也是合理的。

当无穷大容量电力系统供电网络中出现短路时，由于系统馈电电压不变，而短路回路阻抗要比正常供电工作回路的阻抗减小很多。根据欧姆定律，短路电流会比正常工作中的电流i增大很多，这一短路电流就是短路电流的周期性分量，如图2中所示曲线i p。由于短路回路中存在电感，因此在突然发生短路时，按照楞茨定律，在电路中的电感会产生反电势，以维持电路中的电流不致突变。由这一反电势产生的电流是一个逐步衰减的单一方向电流，这就是短路电流的非周期分量，如图2中所示曲线i np。

短路电流周期分量和非周期分量叠加就是短路的全电流，如图2中所示曲线i k。

图2 短路电流i p，i np，i k变动曲线

从图2中可以看出，当短路发生后半个周期(即0.01s)时的全短路电流的瞬间值

也是短路电流的最大值，称短路冲击电流i sh。

当短路电流非周期分量衰减完毕后，短路全电流的有效值称稳态短路电流。

2、短路电流计算的意义

(1)、通过短路电流计算可以达到正确设计和选择电气设备的目的，使其在发生短路故

障的情况下不至于遭到破坏。

(2)、通过短路电流计算，可以正确的设置过电流保护装置，以便在短路故障时能可靠、

迅速地切断故障，保证非故障部分继续运行。

(3)、通过短路电流计算可以正确地选择限制短路电流的电气元件提供依据，如限流电

抗器的选择。

3、短路电流的估算

短路电流的正确计算，需要电力部门提供系统短路容量和短路阻抗等参数，在实际生产中对于一般中小用户是不具备条件的、也无法获得以上参数，但可以根据上一级变压器的额定容量S N、阻抗电压U K、额定电压U N、额定电流I N等数据进行估算。

目前城市区域变电站的主变大多数为110kV/10kV级(也有35kV/10kV级)，容量在16~40MVA，忽略110kV的系统阻抗、近似认为110kV侧为无穷大容量系统，系统阻抗折算到变压器二次侧可以忽略的话，可认为短路发生时母线电压维持不变，就可用下列估算的办法——

I K=I2N×100/U K%

上式中：

I K——稳定短路电流有效值(A)

I2N——变压器10kV侧额定电流(A) (假设主变低压侧额定电压为10kV)

U K%——变压器短路电压

例：

主变参数为：

变比：110/10kV

容量：16000kVA

短路电压：U K%=10

估算变压器10kV侧三相短路电流I K为：

I K＝I2N×100/U K% (I2N为变压器10kV侧额定电流)

I2N＝16000/(3×10)＝925A

I K＝925×100/10＝9250A＝9.25kA

六、一次系统图的设计要求

1、确定主接线型式

通常中小容量客户，其主接线常采用单母线和单母线分段，而供电电源有单电源和双电源供电。在某些特别重要用电场所还有三路供电电源。在确定主接线方案时，应从工程特点、负荷性质、地区供电条件等因素确定一次系统图的主接线方案。

2、确定高压开关柜的型式

高压开关柜的正式名称为“金属封闭式开关设备”。它是一种组合电器，将一次元件及相应的测量装置、控制装置、保护装置、信号装置等集中安装在金属柜内。现在高压柜的种类繁多，主要品种有以下四类——

(1)、通用型空气绝缘高压金属封闭开关设备(KYN28-12)

(2)、负荷开关熔断器组合柜(环网柜)

(3)、SF6气体绝缘开关柜

(4)、熔断器——高压真空接触器开关柜(F-C回路柜)

3、一次回路主要元器件的选择

一次回路主要元器件的选择首先要考虑在额定工作电压和最高工作电压能符合要求的前提下，再按照开关柜的型式和不同元器件的技术要求合理地选用。

(1)、主母线截面的选择(详见参考资料1)

主母线截面的合理选择主要从以下三方面考虑——

A、根据长期允许负荷电流选择母线截面

B、短时持续电流时母线的热稳定校验

C、额定峰值耐受电流时母线的动稳定校验

(2)、断路器的选择

选择断路器时，除了断路器的额定电压、最高工作电压符合要求外，要特别关注以下参数的配合。

A、额定电流的确定

额定电流主要按照最大负载实际工作电流来选择，同时要考虑近期负载的扩容并留有一定的安全裕量。在规定的环境温度下，断路器长期通过

额定电流时，断路器导电回路各部件的温升均不得超过允许值。

B、额定短路开断电流

当系统发生短路故障后，继电保护装置动作可延时或瞬时将断路器分闸，但继电器动作需要一定的时间、而断路器本身也有一固有分闸时间，

如高压真空断路器的分闸时间在20~50ms之间，所以断路器真正经受考验

的开断电流是稳态短路电流的有效值。在10kV这一级有16、20、25、31.5、

40、50kA。在选择开断电流时要按照系统实际情况进行必要的计算或估算，

既要留有足够的安全裕量，也要考虑设备的投资成本。

C、额定短时耐受电流(热稳定电流)

当短路电流通过断路器时，会使导电部分发热，其热量与电流的平方成正比，所以当通过短路电流时，有可能造成动静触头熔焊直至损坏断路

器。因此断路器规定了在一定时间内(3~4s)通过额定短时耐受电流时的热

效应能力，该值基本上和额定短路开断电流相同。

D、额定峰值耐受电流(动稳定电流)

断路器在合闸位置时所允许通过的最大短路电流(短路电流的最大值)，也称短路冲击电流。它发生在短路故障后半个周期(即0.01s)时。断

路器在通过这一短路电流时，不因为电动力的作用而发生任何机械损坏，

其值可按短路开断电流的2.5倍来考虑。

E、选择断路器的型式时，还要考虑操动机构的选择。如果断路器本身不带操

动机构，就需要另外选择操动机构。有的断路器，其操动机构和断路器是一整合体，则不需要再选择。目前常用的操动机构有“弹簧操作机构”和“电磁操作机构”两种，设计时应考虑合适选择。

(3)、电流互感器参数的选择和应用

A、额定电压的确定

电流互感器的一次额定工作电压应与其所连接系统的额定电压一致，同时能够承受系统所规定的最高绝缘电压。例如，额定电压为10kV级别的

电流互感器的额定绝缘电压为12kV。

B、额定电流的选择

a、一次额定电流的选择

仪表测量用电流互感器：其量程可按负载额定电流的1.25倍选择；

若负载为异步电动机则可选择负载额定电流的1.5倍。

继电保护用电流互感器：当与仪表测量用电流互感器共同组合时，选择相同的一次电流；若单独使用时可按大于负载设备额定电流的数倍

来选择。对于高压电流互感器，若保护装置动作时不能满足10%倍数曲

线要求时，可特殊加工成双变比电流互感器，把保护用电流互感器的变

比放大，以提高保护级的负载阻抗。

b、二次额定电流的选择

电流互感器二次额定电流有1A和5A两种规格，通常选择5A。但当二次负载超过电流互感器的额定负载时，可选择二次额定电流采用1A，

负载阻抗可提高25倍。

C、电流互感器的精度——表示电流互感器电流变比误差的程度。

对于测量级，其精度等级通常分为：0.2S、0.5S、0.2、0.5、1、3等

级别。当二次侧负载为额定负载的25%~100%之间，在额定频率下的电流比误差应不超过下表所列的限值：

准确级

在下列一次额定电流(%)时的电流误差

1 5 20 100 120

0.2 0.75 0.35 0.2 0.2

0.5 1.5 0.75 0.5 0.5

0.2S 0.75 0.35 0.2 0.2 0.2

0.5S 1.5 0.75 0.5 0.5 0.5

注：0.2S、0.5S仅用于二次额定电流为5A的互感器。

例：100/5A电流互感器，如果精度要达到0.5级时，当互感器电流为5A时，其二次折称量5/20=0.25

(二次折称量-二次实测值)/二次折称量=0.015=1.5%

按照上式要求，其二次实测值应为0.24b25A。如果二次实测值不小于

0.24b25A时，则可认为达到了0.5级。运行中若测量级一次电流过载1.2

倍额定电流值时，应仍能保持其精度、同时可经受5~8倍额定电流冲击时不受到损坏。

保护级的精度用下式来表达：

D、电流互感器的极性

电流互感器一、二次绕组端子都有统一的标记。用P1、P2表示一次绕组，S1、S2表示二次绕组。运行时，在感应电动势的作用下，初级绕组和次级绕组同时到达高电位或同时到达低电位的两端就称为同名端或同极性。按此要求，P1和S1属同名端(P2和S2也是同名端)。凡是同名端的电

位变化规律是相同的。由于二次绕组中流过的电流I2所产生的磁通和一次绕组电流I1产生的磁通二者方向始终保持相抵消的关系，所以又称这种极性表达成减极性表示法。

E、负载阻抗值对电流互感器精度的影响

对于计量级，二次负载不得大于电流互感器的额定负载阻抗。如果超过允许值，计量精度就得不到保证，解决办法：

a、增大二次回路导线截面积；

b、低压可用2台电流互感器串联使用；高压可采用特殊订货办法，一台互

感器中安排两组参数相同的测量级、取消保护级，然后将两个次级串联，这样可增大一倍负载能力；

c、改变二次额定电流值为1A；

d、远距离测量时可使用电流变送器。

对于保护级，当保护装置动作时，若二次负载大于允许值，可采取以下措施使其满足10%误差：

a、增加连接导线截面以减小实际二次负荷。

b、选择变比较大的电流互感器，减小一次电流倍数，可增大二次负荷。

c、采用特殊订货办法，一台互感器中安排两组参数相同的保护级、取消测

量级，然后将二组绕组串联起来，使其允许二次负荷增大一倍。

d、对于星——三角接线的变压器，其微机型变压器差动保护电流互感器二

次侧全部采用星型接线，可使负载计算阻抗减小，其相位补偿问题可由程序设定来解决。

F、电流互感器动热稳定电流能满足要求

a、热稳定电流——短路故障后1秒内电流互感器发热不使其损坏的允许极

限电流值(有效值)，通常热稳定电流是电流互感器额定电流的150~200倍。

注意：电流互感器生产厂家在产品样本上都以1秒表达热稳定电流。

为了配合断路器短路故障以4秒的考核，为此可将电流互感器1秒的热稳定电流换算成4秒的热稳定电流值。

例如：LZZBJ9-10 400/5A 0.5/10P15

1秒钟热稳定电流为55kA(137.5倍额定电流)

(55kA)2×1s＝X2×4s

X＝27.5kA————(4秒的热稳定电流)

b、动稳定电流——通过三相短路冲击电流瞬时值时，电流互感器机械强度

不会受到电动力作用而损坏的电流值，该值等于2.5倍的热稳定电流值。

G、电流互感器的10%倍数曲线

a、什么是电流互感器的10%倍数曲线——

电流互感器的保护级，主要为继电保护提供信号电流。当系统发生短路故障时，一次短路电流很大，电流互感器铁芯饱和，导致二次电流与一次电流变成非线性关系。当一次电流增加到使二次电流开始饱和时，此时电流互感器的变比误差△I%＝10%，即是通常所说的10%倍数曲线，也就是指在变比误差△I%＝10%的情况下的电流误差曲线，如图3所示。

/

/

图3 LMZJ1-10型电流互感器10%倍数曲线

从图3中可以看出——

二次负荷阻抗越小，越能获得更大的过载倍数或者在相同的二次负荷阻抗下，变比越大，过载倍数越大。

b、如何按照10%倍数曲线校验电流互感器？

?按照保护装置类型和短路电流值，计算电流互感器一次电流过载倍数。

?根据电流互感器的型号、变比和一次电流倍数在10%倍数曲线上，确定电流互感器的允许二次负荷。

?按照电流互感器二次负荷最严重的短路类型，计算电流互感器的实际二次负荷。

?比较实际二次负荷与允许二次负荷。若实际二次负荷小于允许二次负荷，表示电流互感器的误差不超过10%；若实际二次负荷

大于允许二次负荷，则应采取措施，使其满足10%的误差。