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配电系统一次设备探讨
 摘要：介绍了城网配电网一次设备及负荷开关与熔断器的配合 (1.Xi’an High Voltage Electric Apparatus Research Institute，Xi’an 710077,China;2.LIaoning Head Office of Science and Technology Equipment，Shenyang 110004) Abstract：The paper presents primary equipment of distributing network of city network and load breaker switchgear coordination with fuses. Key words：distribution network；box transformer substation；trausformer；fuse；circuit breaker；automatic sec-tionalizer;automatic reclosing device;current transformer 1 前言 由发电厂发出的电能，最后降到6～35kV等级，经过配电网变为城乡居民、工业，农业，商业用电。因此，配电网的可靠性直接关系到人民生活、工农业生产安全，另外，完善的电力市场、电价也要求配电网提高经济性及可靠性。 配电网的主要设备是负荷开关—熔断器组合电器、断路器、箱式变电站、自动重合器、自动分段器、环网开关柜和中压电流互感器等，二次设备是自动控制、数据采集、规划、故障定位、检测计量、通讯等。随着一、二次技术(特别是二次技术)的发展，使两者紧密结合，形成了自动化配电网。例如：自动配电开关设备相互配合的配电自动化系统(称为ASDAS)；基于馈线终端设备(FTU)的配电自动化系统(称为FTDAS)，它们自动对故障线路进行判断及实现故障隔离；故障排除后，重合器重合恢复供电；在调度中心对配电网负荷测定，进行管理及重组，因此，决定配电网综合自动化性能的因素有三个：一是一次设备的技术性能；二是二次设备的技术性能；三是配电网接线方式。 2 负荷开关—熔断器组合电器 负荷开关是用来开、合负载电流的开关装置，它一般具有关合短路电流能力，但是它不能开断短路电流。负荷开关可以单独使用在远离电源中心、且容量较小的终端变电站，用于投切无功补偿回路、并联电抗器及电动机等。 熔断器结构简单、价格便宜、维护方便，仍然具有发展前途。熔断体是熔断器的主要元件，当熔断体通过的电流超过一定值时，熔断体本身产生的焦耳热，使本身温度升高，在达到熔断体熔点时，熔断体自行熔断切断过载电流或短路电流。
图1限流熔断器切断短路电流时电流波形 1—切断前电流波形：2—切断过程中电流波形 ia1—截止电流；tb2—动作时间 负荷开关—熔断器组合电器中使用限流型高压熔断器，这种熔断器是依靠填充在熔体周围的石英砂冷却电弧，达到有效熄灭电弧，用于在强力冷却熄弧过程中建立起高于工作电压的电弧电压，因而具有很强限流能力(图1)。由曲线可见到，短路开始后电流上升，熔体发热，温度上升，电流升到a点，熔体熔化，由于熔断器的限流作用，电流上升停止，开始沿ab线段下降，在b点电流下降到零，此时完成熄弧。这种熔断器的整个动作过程发生在密封的瓷管中，在熄灭电弧时，巨大气流不会冲出管外。 熔断器的限流特性，它是指熔断器的开断电路时，最大截止电流和预期电流稳态方均根的关系，可以从限流特性的截止电流值可估算出被限流熔断器所保护的电器设备内发生短路故障时产生的机械和热效应。 负荷开关与熔断器配合使用于箱变和环网柜，可替代断路器，作为变压器的保护开关设备。 2.1负荷开关—熔断器组合电器保护变压器的优点 试验表明，当变压器内部发生故障，为使油箱不爆炸，故障切除时间必须限在20ms内。采用断路器保护的话，断路器最快全开断时间(继电保护动作时间+断路器固有动作时间+燃弧时间)一般需要2～3个周波(40mes～60ms)左右，而限流熔断器则可保证在10ms以内切除故障。 由于同电压等级负荷开关的价格大约是断路器的价格的1/4～1/5，而负荷开关+熔断器的价格仅仅是断路器的价格的1/3，因此采用负荷开关+熔断器有较大经济性。 由于断路器是用于开断短路故障电流、大负荷电流、容性电流等通用的开关设备，因此体积大、笨重，结构也复杂。相比之下负荷开关体积小，简单易开发。 2.2负荷开关与熔断器的配合概念 组合电器将控制和保护功能分开，大量经常发生的切负荷工作由负荷开关来完成，而极少发生的短路开断则由熔断器来完成(图2)。由于熔断器是一次性开断元件，负荷开关可连续多次“合、分”，因此，一般原则是尽可能延伸负荷开关动作范围，使负荷开关多动作，而熔断器少动作。
图2负荷开关与熔断器的功能配合 区域I：(I≤Ink)为工作电流范围，Ink为组合电器的额定电流，它小于熔断器的额定电流InHH，组合电器的额定电流开断由负荷开关单独完成。负荷开关三相开断，三相熄弧。 区域Ⅱ：(Ink<I<3×InHH)时，在此范围内器承受超过其额定电流的过电流，从2×InHH起，熔体动作，但熔断器尚不能熄弧。熔断器撞击器触发，使负荷开关动作，三相开断并熄弧。 区域Ⅲ：转移电流范围内(3×InHH<I<15×InHH)，从3×InHH起，三相熔断器之一首先动作，同时撞击器触发负荷开关分闸。另外两相线路可能由负荷开关切断，也可能由熔断器开断，即熔断器与负荷开关配合共同完成开断任务。 区域Ⅳ：限流范围。当故障电流更大时(大约从20倍熔断器额定电流起)，熔断器在电流的第—个半波就已动作，并使故障电流的峰值限制到它的允许通流电流ID，熔断器在过半波后，已开断三相电路，三相短路电流全由熔断器开断，负荷开关是无电流开断。 因此，转移电流是指熔断器与负荷开关转换开断职能时的三相对称电流值。大于该值时，三相电流仅由熔断器开断；小于该值时，首开相电流由熔断器开断，其它两相由负荷开关开断。 2.3熔断器、负荷开关与变压器参数适配 如何合理选配熔断器、负荷开关与变压器参数，涉及到能否合理发挥熔断器和负荷开关作用，这里仅举例说明。 例：现有11kV、400kVA变压器，高压侧最大故障短路电流16kA，短路阻抗5％，试决定“负荷开关—熔断器”组合电器参数。 解：(1)变压器的满负荷电流为
(2)允许过载15％，－5％分接头处抽头，这时变压器短时过载电流IP为： IP=21×150％×1.05=33A (3)变压器励磁电流为：Is＝21×12=252A，其持续时间Is＝0.1s。 (4)兹选用某公司熔断器12kV，额定电流IN=40A，额定开断电流≥16kA，最小开断电流为(2.5～3)Ie＝(2.5～3)×40＝100～120A。 从该熔断器产品说明书查得(从熔断器40A的时间—电流特性曲线)：满足在252A励磁电流、且持续0.1s的要求。 熔断器最小开断电流(2.5～3)Ie＝100～120A，在负荷开关额定开断电流范围内。 (5)变压器二次侧直流短路故障时，反映到变压器一次侧的最大短路电流Ik为： 从40A熔断的时间—电流特性中查得熔断器的动作时间为0.04～0.06s。 (6)选择负荷开关VN=12kV；IN=400A，分闸时间0.05s(50ms)，转移电流1000A。 因负荷开关分闸时间T0＝0.05s，所以Tm＝0.9T0＝0.045s，从时间—电流曲线上查得：所需组合电器转移电流为280A。这个值小于由负荷开关额定分断能力决定的组合电器的额定转移电流(1000A)，也小于二次侧直接短路时一次侧的短路电流IK(420A)，因此提高转移电流数值，可以减少限流熔断器的动作次数。 图3示出了“与11kV、400kVA的变压器保护相关的特性”。 (a)现选择负荷开关VN=12kV；IN＝400A。 (b)转移电流1000A是满足要求的。 (c)目前变压器容量为315～630kVA，取变压器短路阻抗5％时，得到因变压器二端子短路引起短路电流约330～660A，而负荷开关转移电流要避开这一短路电流(一般转移电流控制在这一短路电流的70％，即230～460A)，因此用于环网配电单元变压器的负荷开关的转移电流取1000A已有足够裕度。 (d)采用脱扣器操作的组合电器，则要求求取交接电流。(当故障电流小于交接电流时，由脱扣装置动作触发负荷开关，分断电流；当故障电流高于交接电流时，由熔断器动作分断电流，而负荷开关仅作无电流分闸)。由图4看出最大交接电流不得大于负荷开关额定电流最小交接电流，不得小于熔断器的最小熔化电流，由此可看出，适当提高交接电流数值，可以减少限流熔断器的动作次数(限流熔断器中电流要大于故障电流时才动作)，从而可减少熔断管的更换，使用SF6真空负荷开关可以提高交接电流。
图3与11kV、400kVA变压器保护相关的特性 2.4负荷开关—限流熔断器组合电器型号因为限流熔断器额定电流为125A，而负荷开关为630A，因此组合电器额定电流为125A，短路开断电流为熔断器的短路开断电流。由于限流熔断器是截流开断，其截止电流(瞬时值)要小于预期短路电流，因此型号中标出的短路电流不能用来配选主回路。
3 箱式变电站 3.1箱式变电站的结构 通常供电容量在315～630kVA时，采用户外紧凑型箱式变电站，供电容量在750～5000kVA时，则不采用紧凑型箱式变电站。 箱式变电站有三个主要组成部分(见图5)：高压开关设备、变压器及低压开关(配电)装置。箱式变电站到货后即可接线投入使用，可以节省大量现场及技术服务费。 箱式变电站，一般在地下埋入一个水泥结构体，而在地面箱体高度2.5m左右。“德国式”箱式变电站则埋入地下1m，露出地面高度不超过1.6m。“德国式”变电站的优点是箱变与环境协调而不影响视线，缺点是洪水季节，水能浸入箱体，危害设备。 箱式变电站的总体布置有两种形式：其一是组合式(欧式)；其二是一体式(美式)。组合式是高压开关设备、变压器及低压开关(配电)装置各为一室(见图9)。一体式是指以变压器为主体的油箱体，熔断器及负荷开关等装入油箱体内而构成一体，箱体采用全封闭结构，变压器一般是三相五柱式。 3.2中压开关设备 如果箱式变电站处于终端接线，则使用负荷开关—熔断器组合电器(在第三节中叙述)；如果处于环网接线，则采用环网供电单元。环网供电单元的结构见图6，它至少由三个间隔组成，即2个环缆进出间隔和一个变压器回路间隔(负荷开关+熔断器)。通过断开接通开关A、B，可以隔离故障段，及时恢复对正常回路供电，熔断器F在中压/低压变压器发生内部故障及变压器二次端点发生直接短路时起保护作用，而开关C对熔断器和变压器还起隔离和接地作用。 3.3变压器 箱式变电站用的变压器是降压变压器，一般将10kV降到380V/220V，直接供用户使用。变压器容量—般为160～1600kVA，变压器可以是油浸变压器、耐燃液变压器、环氧树脂干式变压器。在防火要求严格的场合，如在高层建筑中规定不能使用带油的电器，所以使用真空、SF6开关、干式变压器。由于S9系列配电变压器的负荷损耗要比ST系列配电变压器低25％左右，要积极采用之。城镇居民用电时间集中(如晚上)，而其余时间用电量少，为了减少配电变压器的空载损耗，可使用非晶合金铁心变压器，非晶合金铁心变压器比硅钢铁心变压器的空载损耗减少60％～70％，空载电流下降70％左右。 变压器的通风散热可采用自然通风和机械强迫通风两种，从经济效益考虑，当然应优化考虑自然通风。 3.4低压开关设备 低压开关设备单独装在低压室，在低压开关设备内装有一台主保护开关(主开关)和4～8台馈线开关。由馈线开关将电能送到用户。 低压室内还装有低压计量装置及静补装置
图4决定交接电流的特性图 A：最小分闸时间与最大熔断时间交点 B：最大开断时间与最小熔断时间交点
图5箱式变电站外形及结构 3.5电缆 图6环网供电单元 图7智能温湿度控制器 由于架空线路暴露在大气中，易受雷击，绝缘易受工业污秽，受大风吹动易与大树相碰，因此故障率极高，为了降低故障，在城网中一般采用地下电缆。 在环网单元中，装有电缆插接件，用于连接电缆与环网供电单元。为了安全，电缆插接件做成封闭式。 高压交联聚乙烯绝缘(XLPE)电缆附件是20世纪60年代后技术发展最快的电力电缆品种，附件有终端与接头。高压XLPE电缆连同附件，在城市电网改造及箱式变、大型工矿的变电站等输配电系统应用广泛，但目前我国XLPE电缆及附件与国际先进水平尚有一定差距。 3.6测控保护单元 箱式变电站安置于户外，其箱内温度、湿度受箱外环境影响大。如果高压室和低压室发生凝露，则危及电器绝缘及导致开断失败。而变压器温度超过一度范围，则会影响受压的输出功率。所以箱内应安装温度、湿度监控装置，当达到某一湿度及露点温度前，发出命令，使温度调节器动作；当温度超过某一范围时，发出命令，起动风扇，强迫排风。凝露控制器在箱内安装见图7。 如果需要，箱内还安装FTU，遥控、讯接口，通过FTU采集故障信息，经遥控、讯口，与控制中心联系，实现保护功能，对馈线支路电能量计量，及时向控制中心报告支路电能量计量，及时向控制中心报告支路负荷状况；并接收控制中心命令，投切功率补偿单元等。 4自动分段器 4.1自动真空分段器 在箱式变电站节已提到，负荷开关可以合、分正常的负荷电流，它不能开断短路电流。 自动分段器是由配电动弹簧操作机构的负荷开关、一台自动分段控制器及辅助装置组成，它是一种能够记忆通过故障电流次数，并且到达整定次数后，在无电压及无电流的情况下自动分闸的开关设备，它具有关合短路电流及开断与关合负荷电流能力。分段器在10kV配电系统中用来自动隔离故障区域。 自动分段器按灭弧介质不同可分为空气、油、SF6和真空四种类型。 4.2自动分段器与自动重合器在辐射式配电网中应用(图8) (1)设Q01～Q03的X时限10s，Q04的X时限30s，故障发生在第V段。
图8自动分段器与自动重合器配合应用 (2)A处发生故障，重合器(QR)检测到故障后跳闸，所有区段断电，分段器因断电而分闸。 (3)自动重合器(QR)经过第一次重合间隔时间延时后重合，而各个分段器Q01～Q04按预先设定的延时时间依次合闸，即Q01在10 s后，Q02在20s后，Q03在30s后，Q04则在10s+30s=40s合闸，完成线路供电。 (4)如果永久性故障，则因Q04合闸在故障线路上，使重合器再次跳闸，从而所有区段再次断电，分段器再次分闸，但这时Q04的控制器在Y时限内检测到又失去电压，而使其闭锁在分闸状态。 (5)重合器第二次重合后，Q01～Q03依次合闸，完成上述区段正常供电，由于Q04已处于分闸状态，已将故障区与电网隔开，因此重合器第二次合闸成功。 5断路器、自动重合器(12kV) 5.1真空断路器 断路器是指能关合、承载、开断运行回路正常电流，也能在规定时间内关合、承载及开断规定的短路电流的开关设备。也就是说断路器在合闸状态时，应该是接触良好的导体，能够承受正常负荷电流及规定短路电流下的发热及电动力；在合闸状态下，能尽可能短的时间内开断故障短路电流，在分闸状态下，能尽可能短地关合规定的短路电流，且断路器触头不发生熔焊；可单独作为主保护设备。 因断路器的灭弧介质而异，而形成不同断路器—油断路器、SF6断路器、真空断路器。它们在中压配电系统(3～35kV)已得到普遍应用，而无油真空断路器因重量轻、分断能力强，在城市配电中越来越多地受到青睐。
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