摘要：介紹了城網(wǎng)配電網(wǎng)一次設備及負荷開(kāi)關(guān)與熔斷器的配合
關(guān)鍵詞：配電網(wǎng) 箱式變電站 斷路器 自動(dòng)分段器
(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
由發(fā)電廠(chǎng)發(fā)出的電能，最后降到6～35kV等級，經(jīng)過(guò)配電網(wǎng)變?yōu)槌青l居民、工業(yè)，農業(yè)，商業(yè)用電。因此，配電網(wǎng)的可靠性直接關(guān)系到人民生活、工農業(yè)生產(chǎn)安全，另外，完善的電力市場(chǎng)、電價(jià)也要求配電網(wǎng)提高經(jīng)濟性及可靠性。
配電網(wǎng)的主要設備是負荷開(kāi)關(guān)—熔斷器組合電器、斷路器、箱式變電站、自動(dòng)重合器、自動(dòng)分段器、環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)柜和中壓電流互感器等，二次設備是自動(dòng)控制、數據采集、規劃、故障定位、檢測計量、通訊等。隨著(zhù)一、二次技術(shù)(特別是二次技術(shù))的發(fā)展，使兩者緊密結合，形成了自動(dòng)化配電網(wǎng)。例如：自動(dòng)配電開(kāi)關(guān)設備相互配合的配電自動(dòng)化系統(稱(chēng)為ASDAS)；基于饋線(xiàn)終端設備(FTU)的配電自動(dòng)化系統(稱(chēng)為FTDAS)，它們自動(dòng)對故障線(xiàn)路進(jìn)行判斷及實(shí)現故障隔離；故障排除后，重合器重合恢復供電；在調度中心對配電網(wǎng)負荷測定，進(jìn)行管理及重組，因此，決定配電網(wǎng)綜合自動(dòng)化性能的因素有三個(gè)：一是一次設備的技術(shù)性能；二是二次設備的技術(shù)性能；三是配電網(wǎng)接線(xiàn)方式。
2 負荷開(kāi)關(guān)—熔斷器組合電器
負荷開(kāi)關(guān)是用來(lái)開(kāi)、合負載電流的開(kāi)關(guān)裝置，它一般具有關(guān)合短路電流能力，但是它不能開(kāi)斷短路電流。負荷開(kāi)關(guān)可以單獨使用在遠離電源中心、且容量較小的終端變電站，用于投切無(wú)功補償回路、并聯(lián)電抗器及電動(dòng)機等。
熔斷器結構簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、維護方便，仍然具有發(fā)展前途。熔斷體是熔斷器的主要元件，當熔斷體通過(guò)的電流超過(guò)一定值時(shí)，熔斷體本身產(chǎn)生的焦耳熱，使本身溫度升高，在達到熔斷體熔點(diǎn)時(shí)，熔斷體自行熔斷切斷過(guò)載電流或短路電流。
圖1限流熔斷器切斷短路電流時(shí)電流波形
1—切斷前電流波形：2—切斷過(guò)程中電流波形
ia1—截止電流；tb2—動(dòng)作時(shí)間
負荷開(kāi)關(guān)—熔斷器組合電器中使用限流型高壓熔斷器，這種熔斷器是依靠填充在熔體周?chē)氖⑸袄鋮s電弧，達到有效熄滅電弧，用于在強力冷卻熄弧過(guò)程中建立起高于工作電壓的電弧電壓，因而具有很強限流能力(圖1)。由曲線(xiàn)可見(jiàn)到，短路開(kāi)始后電流上升，熔體發(fā)熱，溫度上升，電流升到a點(diǎn)，熔體熔化，由于熔斷器的限流作用，電流上升停止，開(kāi)始沿ab線(xiàn)段下降，在b點(diǎn)電流下降到零，此時(shí)完成熄弧。這種熔斷器的整個(gè)動(dòng)作過(guò)程發(fā)生在密封的瓷管中，在熄滅電弧時(shí)，巨大氣流不會(huì )沖出管外。
熔斷器的限流特性，它是指熔斷器的開(kāi)斷電路時(shí)，最大截止電流和預期電流穩態(tài)方均根的關(guān)系，可以從限流特性的截止電流值可估算出被限流熔斷器所保護的電器設備內發(fā)生短路故障時(shí)產(chǎn)生的機械和熱效應。
負荷開(kāi)關(guān)與熔斷器配合使用于箱變和環(huán)網(wǎng)柜，可替代斷路器，作為變壓器的保護開(kāi)關(guān)設備。
2.1負荷開(kāi)關(guān)—熔斷器組合電器保護變壓器的優(yōu)點(diǎn)
試驗表明，當變壓器內部發(fā)生故障，為使油箱不爆炸，故障切除時(shí)間必須限在20ms內。采用斷路器保護的話(huà)，斷路器最快全開(kāi)斷時(shí)間(繼電保護動(dòng)作時(shí)間+斷路器固有動(dòng)作時(shí)間+燃弧時(shí)間)一般需要2～3個(gè)周波(40mes～60ms)左右，而限流熔斷器則可保證在10ms以?xún)惹谐收稀?/p>
由于同電壓等級負荷開(kāi)關(guān)的價(jià)格大約是斷路器的價(jià)格的1/4～1/5，而負荷開(kāi)關(guān)+熔斷器的價(jià)格僅僅是斷路器的價(jià)格的1/3，因此采用負荷開(kāi)關(guān)+熔斷器有較大經(jīng)濟性。
由于斷路器是用于開(kāi)斷短路故障電流、大負荷電流、容性電流等通用的開(kāi)關(guān)設備，因此體積大、笨重，結構也復雜。相比之下負荷開(kāi)關(guān)體積小，簡(jiǎn)單易開(kāi)發(fā)。
2.2負荷開(kāi)關(guān)與熔斷器的配合概念
組合電器將控制和保護功能分開(kāi)，大量經(jīng)常發(fā)生的切負荷工作由負荷開(kāi)關(guān)來(lái)完成，而極少發(fā)生的短路開(kāi)斷則由熔斷器來(lái)完成(圖2)。由于熔斷器是一次性開(kāi)斷元件，負荷開(kāi)關(guān)可連續多次“合、分”，因此，一般原則是盡可能延伸負荷開(kāi)關(guān)動(dòng)作范圍，使負荷開(kāi)關(guān)多動(dòng)作，而熔斷器少動(dòng)作。
圖2負荷開(kāi)關(guān)與熔斷器的功能配合
區域I：(I≤Ink)為工作電流范圍，Ink為組合電器的額定電流，它小于熔斷器的額定電流InHH，組合電器的額定電流開(kāi)斷由負荷開(kāi)關(guān)單獨完成。負荷開(kāi)關(guān)三相開(kāi)斷，三相熄弧。
區域Ⅱ：(Ink<I<3×InHH)時(shí)，在此范圍內器承受超過(guò)其額定電流的過(guò)電流，從2×InHH起，熔體動(dòng)作，但熔斷器尚不能熄弧。熔斷器撞擊器觸發(fā)，使負荷開(kāi)關(guān)動(dòng)作，三相開(kāi)斷并熄弧。
區域Ⅲ：轉移電流范圍內(3×InHH<I<15×InHH)，從3×InHH起，三相熔斷器之一首先動(dòng)作，同時(shí)撞擊器觸發(fā)負荷開(kāi)關(guān)分閘。另外兩相線(xiàn)路可能由負荷開(kāi)關(guān)切斷，也可能由熔斷器開(kāi)斷，即熔斷器與負荷開(kāi)關(guān)配合共同完成開(kāi)斷任務(wù)。
區域Ⅳ：限流范圍。當故障電流更大時(shí)(大約從20倍熔斷器額定電流起)，熔斷器在電流的第—個(gè)半波就已動(dòng)作，并使故障電流的峰值限制到它的允許通流電流ID，熔斷器在過(guò)半波后，已開(kāi)斷三相電路，三相短路電流全由熔斷器開(kāi)斷，負荷開(kāi)關(guān)是無(wú)電流開(kāi)斷。
因此，轉移電流是指熔斷器與負荷開(kāi)關(guān)轉換開(kāi)斷職能時(shí)的三相對稱(chēng)電流值。大于該值時(shí)，三相電流僅由熔斷器開(kāi)斷；小于該值時(shí)，首開(kāi)相電流由熔斷器開(kāi)斷，其它兩相由負荷開(kāi)關(guān)開(kāi)斷。
2.3熔斷器、負荷開(kāi)關(guān)與變壓器參數適配
如何合理選配熔斷器、負荷開(kāi)關(guān)與變壓器參數，涉及到能否合理發(fā)揮熔斷器和負荷開(kāi)關(guān)作用，這里僅舉例說(shuō)明。
例：現有11kV、400kVA變壓器，高壓側最大故障短路電流16kA，短路阻抗5％，試決定“負荷開(kāi)關(guān)—熔斷器”組合電器參數。
解：(1)變壓器的滿(mǎn)負荷電流為
(2)允許過(guò)載15％，－5％分接頭處抽頭，這時(shí)變壓器短時(shí)過(guò)載電流IP為：
IP=21×150％×1.05=33A
(3)變壓器勵磁電流為：Is＝21×12=252A，其持續時(shí)間Is＝0.1s。
(4)茲選用某公司熔斷器12kV，額定電流IN=40A，額定開(kāi)斷電流≥16kA，最小開(kāi)斷電流為(2.5～3)Ie＝(2.5～3)×40＝100～120A。
從該熔斷器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)查得(從熔斷器40A的時(shí)間—電流特性曲線(xiàn))：滿(mǎn)足在252A勵磁電流、且持續0.1s的要求。
熔斷器最小開(kāi)斷電流(2.5～3)Ie＝100～120A，在負荷開(kāi)關(guān)額定開(kāi)斷電流范圍內。
(5)變壓器二次側直流短路故障時(shí)，反映到變壓器一次側的最大短路電流Ik為：
從40A熔斷的時(shí)間—電流特性中查得熔斷器的動(dòng)作時(shí)間為0.04～0.06s。
(6)選擇負荷開(kāi)關(guān)VN=12kV；IN=400A，分閘時(shí)間0.05s(50ms)，轉移電流1000A。
因負荷開(kāi)關(guān)分閘時(shí)間T0＝0.05s，所以Tm＝0.9T0＝0.045s，從時(shí)間—電流曲線(xiàn)上查得：所需組合電器轉移電流為280A。這個(gè)值小于由負荷開(kāi)關(guān)額定分斷能力決定的組合電器的額定轉移電流(1000A)，也小于二次側直接短路時(shí)一次側的短路電流IK(420A)，因此提高轉移電流數值，可以減少限流熔斷器的動(dòng)作次數。
圖3示出了“與11kV、400kVA的變壓器保護相關(guān)的特性”。
(a)現選擇負荷開(kāi)關(guān)VN=12kV；IN＝400A。
(b)轉移電流1000A是滿(mǎn)足要求的。
(c)目前變壓器容量為315～630kVA，取變壓器短路阻抗5％時(shí)，得到因變壓器二端子短路引起短路電流約330～660A，而負荷開(kāi)關(guān)轉移電流要避開(kāi)這一短路電流(一般轉移電流控制在這一短路電流的70％，即230～460A)，因此用于環(huán)網(wǎng)配電單元變壓器的負荷開(kāi)關(guān)的轉移電流取1000A已有足夠裕度。
(d)采用脫扣器操作的組合電器，則要求求取交接電流。(當故障電流小于交接電流時(shí)，由脫扣裝置動(dòng)作觸發(fā)負荷開(kāi)關(guān)，分斷電流；當故障電流高于交接電流時(shí)，由熔斷器動(dòng)作分斷電流，而負荷開(kāi)關(guān)僅作無(wú)電流分閘)。由圖4看出最大交接電流不得大于負荷開(kāi)關(guān)額定電流最小交接電流，不得小于熔斷器的最小熔化電流，由此可看出，適當提高交接電流數值，可以減少限流熔斷器的動(dòng)作次數(限流熔斷器中電流要大于故障電流時(shí)才動(dòng)作)，從而可減少熔斷管的更換，使用SF6真空負荷開(kāi)關(guān)可以提高交接電流。
圖3與11kV、400kVA變壓器保護相關(guān)的特性
2.4負荷開(kāi)關(guān)—限流熔斷器組合電器型號因為限流熔斷器額定電流為125A，而負荷開(kāi)關(guān)為630A，因此組合電器額定電流為125A，短路開(kāi)斷電流為熔斷器的短路開(kāi)斷電流。由于限流熔斷器是截流開(kāi)斷，其截止電流(瞬時(shí)值)要小于預期短路電流，因此型號中標出的短路電流不能用來(lái)配選主回路。
3 箱式變電站
3.1箱式變電站的結構
通常供電容量在315～630kVA時(shí)，采用戶(hù)外緊湊型箱式變電站，供電容量在750～5000kVA時(shí)，則不采用緊湊型箱式變電站。
箱式變電站有三個(gè)主要組成部分(見(jiàn)圖5)：高壓開(kāi)關(guān)設備、變壓器及低壓開(kāi)關(guān)(配電)裝置。箱式變電站到貨后即可接線(xiàn)投入使用，可以節省大量現場(chǎng)及技術(shù)服務(wù)費。
箱式變電站，一般在地下埋入一個(gè)水泥結構體，而在地面箱體高度2.5m左右。“德國式”箱式變電站則埋入地下1m，露出地面高度不超過(guò)1.6m。“德國式”變電站的優(yōu)點(diǎn)是箱變與環(huán)境協(xié)調而不影響視線(xiàn)，缺點(diǎn)是洪水季節，水能浸入箱體，危害設備。
箱式變電站的總體布置有兩種形式：其一是組合式(歐式)；其二是一體式(美式)。組合式是高壓開(kāi)關(guān)設備、變壓器及低壓開(kāi)關(guān)(配電)裝置各為一室(見(jiàn)圖9)。一體式是指以變壓器為主體的油箱體，熔斷器及負荷開(kāi)關(guān)等裝入油箱體內而構成一體，箱體采用全封閉結構，變壓器一般是三相五柱式。
3.2中壓開(kāi)關(guān)設備
如果箱式變電站處于終端接線(xiàn)，則使用負荷開(kāi)關(guān)—熔斷器組合電器(在第三節中敘述)；如果處于環(huán)網(wǎng)接線(xiàn)，則采用環(huán)網(wǎng)供電單元。環(huán)網(wǎng)供電單元的結構見(jiàn)圖6，它至少由三個(gè)間隔組成，即2個(gè)環(huán)纜進(jìn)出間隔和一個(gè)變壓器回路間隔(負荷開(kāi)關(guān)+熔斷器)。通過(guò)斷開(kāi)接通開(kāi)關(guān)A、B，可以隔離故障段，及時(shí)恢復對正?；芈饭╇?，熔斷器F在中壓/低壓變壓器發(fā)生內部故障及變壓器二次端點(diǎn)發(fā)生直接短路時(shí)起保護作用，而開(kāi)關(guān)C對熔斷器和變壓器還起隔離和接地作用。
3.3變壓器
箱式變電站用的變壓器是降壓變壓器，一般將10kV降到380V/220V，直接供用戶(hù)使用。變壓器容量—般為160～1600kVA，變壓器可以是油浸變壓器、耐燃液變壓器、環(huán)氧樹(shù)脂干式變壓器。在防火要求嚴格的場(chǎng)合，如在高層建筑中規定不能使用帶油的電器，所以使用真空、SF6開(kāi)關(guān)、干式變壓器。由于S9系列配電變壓器的負荷損耗要比ST系列配電變壓器低25％左右，要積極采用之。城鎮居民用電時(shí)間集中(如晚上)，而其余時(shí)間用電量少，為了減少配電變壓器的空載損耗，可使用非晶合金鐵心變壓器，非晶合金鐵心變壓器比硅鋼鐵心變壓器的空載損耗減少60％～70％，空載電流下降70％左右。
變壓器的通風(fēng)散熱可采用自然通風(fēng)和機械強迫通風(fēng)兩種，從經(jīng)濟效益考慮，當然應優(yōu)化考慮自然通風(fēng)。
3.4低壓開(kāi)關(guān)設備
低壓開(kāi)關(guān)設備單獨裝在低壓室，在低壓開(kāi)關(guān)設備內裝有一臺主保護開(kāi)關(guān)(主開(kāi)關(guān))和4～8臺饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)。由饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)將電能送到用戶(hù)。
低壓室內還裝有低壓計量裝置及靜補裝置
圖4決定交接電流的特性圖
A：最小分閘時(shí)間與最大熔斷時(shí)間交點(diǎn)
B：最大開(kāi)斷時(shí)間與最小熔斷時(shí)間交點(diǎn)
圖5箱式變電站外形及結構
3.5電纜
圖6環(huán)網(wǎng)供電單元
圖7智能溫濕度控制器
由于架空線(xiàn)路暴露在大氣中，易受雷擊，絕緣易受工業(yè)污穢，受大風(fēng)吹動(dòng)易與大樹(shù)相碰，因此故障率極高，為了降低故障，在城網(wǎng)中一般采用地下電纜。
在環(huán)網(wǎng)單元中，裝有電纜插接件，用于連接電纜與環(huán)網(wǎng)供電單元。為了安全，電纜插接件做成封閉式。
高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣(XLPE)電纜附件是20世紀60年代后技術(shù)發(fā)展最快的電力電纜品種，附件有終端與接頭。高壓XLPE電纜連同附件，在城市電網(wǎng)改造及箱式變、大型工礦的變電站等輸配電系統應用廣泛，但目前我國XLPE電纜及附件與國際先進(jìn)水平尚有一定差距。
3.6測控保護單元
箱式變電站安置于戶(hù)外，其箱內溫度、濕度受箱外環(huán)境影響大。如果高壓室和低壓室發(fā)生凝露，則危及電器絕緣及導致開(kāi)斷失敗。而變壓器溫度超過(guò)一度范圍，則會(huì )影響受壓的輸出功率。所以箱內應安裝溫度、濕度監控裝置，當達到某一濕度及露點(diǎn)溫度前，發(fā)出命令，使溫度調節器動(dòng)作；當溫度超過(guò)某一范圍時(shí)，發(fā)出命令，起動(dòng)風(fēng)扇，強迫排風(fēng)。凝露控制器在箱內安裝見(jiàn)圖7。
如果需要，箱內還安裝FTU，遙控、訊接口，通過(guò)FTU采集故障信息，經(jīng)遙控、訊口，與控制中心聯(lián)系，實(shí)現保護功能，對饋線(xiàn)支路電能量計量，及時(shí)向控制中心報告支路電能量計量，及時(shí)向控制中心報告支路負荷狀況；并接收控制中心命令，投切功率補償單元等。
4自動(dòng)分段器
4.1自動(dòng)真空分段器
在箱式變電站節已提到，負荷開(kāi)關(guān)可以合、分正常的負荷電流，它不能開(kāi)斷短路電流。
自動(dòng)分段器是由配電動(dòng)彈簧操作機構的負荷開(kāi)關(guān)、一臺自動(dòng)分段控制器及輔助裝置組成，它是一種能夠記憶通過(guò)故障電流次數，并且到達整定次數后，在無(wú)電壓及無(wú)電流的情況下自動(dòng)分閘的開(kāi)關(guān)設備，它具有關(guān)合短路電流及開(kāi)斷與關(guān)合負荷電流能力。分段器在10kV配電系統中用來(lái)自動(dòng)隔離故障區域。
自動(dòng)分段器按滅弧介質(zhì)不同可分為空氣、油、SF6和真空四種類(lèi)型。
4.2自動(dòng)分段器與自動(dòng)重合器在輻射式配電網(wǎng)中應用(圖8)
(1)設Q01～Q03的X時(shí)限10s，Q04的X時(shí)限30s，故障發(fā)生在第V段。
圖8自動(dòng)分段器與自動(dòng)重合器配合應用
(2)A處發(fā)生故障，重合器(QR)檢測到故障后跳閘，所有區段斷電，分段器因斷電而分閘。
(3)自動(dòng)重合器(QR)經(jīng)過(guò)第一次重合間隔時(shí)間延時(shí)后重合，而各個(gè)分段器Q01～Q04按預先設定的延時(shí)時(shí)間依次合閘，即Q01在10 s后，Q02在20s后，Q03在30s后，Q04則在10s+30s=40s合閘，完成線(xiàn)路供電。
(4)如果永久性故障，則因Q04合閘在故障線(xiàn)路上，使重合器再次跳閘，從而所有區段再次斷電，分段器再次分閘，但這時(shí)Q04的控制器在Y時(shí)限內檢測到又失去電壓，而使其閉鎖在分閘狀態(tài)。
(5)重合器第二次重合后，Q01～Q03依次合閘，完成上述區段正常供電，由于Q04已處于分閘狀態(tài)，已將故障區與電網(wǎng)隔開(kāi)，因此重合器第二次合閘成功。
5斷路器、自動(dòng)重合器(12kV)
5.1真空斷路器
斷路器是指能關(guān)合、承載、開(kāi)斷運行回路正常電流，也能在規定時(shí)間內關(guān)合、承載及開(kāi)斷規定的短路電流的開(kāi)關(guān)設備。也就是說(shuō)斷路器在合閘狀態(tài)時(shí)，應該是接觸良好的導體，能夠承受正常負荷電流及規定短路電流下的發(fā)熱及電動(dòng)力；在合閘狀態(tài)下，能盡可能短的時(shí)間內開(kāi)斷故障短路電流，在分閘狀態(tài)下，能盡可能短地關(guān)合規定的短路電流，且斷路器觸頭不發(fā)生熔焊；可單獨作為主保護設備。
因斷路器的滅弧介質(zhì)而異，而形成不同斷路器—油斷路器、SF6斷路器、真空斷路器。它們在中壓配電系統(3～35kV)已得到普遍應用，而無(wú)油真空斷路器因重量輕、分斷能力強，在城市配電中越來(lái)越多地受到青睞。
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