低壓開關(guān)柜的電氣設(shè)計(jì)

低壓開關(guān)柜的電氣設(shè)計(jì)低壓開關(guān)柜的主回路每種型號(hào)的低壓開關(guān)柜，都由受電柜(進(jìn)線柜)、計(jì)量柜、聯(lián)絡(luò)柜、雙電源互投柜、饋電柜和電動(dòng)機(jī)控制中心(MCC)、無功補(bǔ)償柜等組成。以下以MNS抽出式低壓開關(guān)柜為例，對(duì)低壓開關(guān)柜的各種主回路進(jìn)行歸類說明（見CAD圖紙）低壓開關(guān)柜的輔助回路低壓開關(guān)柜中的輔助電路主要有斷路器操作控制電路、測(cè)量(計(jì)量)電路、電動(dòng)機(jī)(不可逆和可逆)控制電路、雙電源互投控制電路等。低壓開關(guān)柜設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的事項(xiàng)1）必須明確系統(tǒng)的進(jìn)出線方式，如：（a）母線上進(jìn)（側(cè)進(jìn)）電纜下出；（b）母線下進(jìn)電纜下出；（c）電纜下進(jìn)電纜下出；（d）電纜上進(jìn)電纜上出。2）必須明確系統(tǒng)中所有開關(guān)柜的排列順序和操作面方向，搞清楚是靠墻（靠墻的開關(guān)柜要考慮安裝和檢修）還是離墻安裝？3）設(shè)計(jì)時(shí)要保證系統(tǒng)圖上的外形尺寸和平面布置圖上的外形尺寸一致，并考慮各柜的安裝空間是否夠用？4）系統(tǒng)中有母線橋的情況，要考慮母線橋的走向與系統(tǒng)進(jìn)出線方式有無沖突，并考慮母線橋進(jìn)出線位置有無困難？5）設(shè)計(jì)時(shí)要考慮面板和測(cè)控板布局合理，要保證相同容量的回路或其備用回路的互換性。6）抽屜內(nèi)裝塑殼斷路器時(shí)，注意斷路器本身帶的附件（如：分勵(lì)、輔助、欠壓等）可能會(huì)增加其外形尺寸，有可能無法安裝在抽屜內(nèi)。7）額定電流在400A~630A的電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)回路，應(yīng)避免采用抽屜安裝。原因：①因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)啟動(dòng)電流大，頻繁啟動(dòng)導(dǎo)致抽屜插接件過熱，從而引發(fā)故障；②因?yàn)槌閷瞎癞a(chǎn)品自身的缺陷，抽屜在進(jìn)行一定次數(shù)的插拔后，導(dǎo)致插接件接觸不好，容易因插接件發(fā)熱引發(fā)故障。8）在材料清單中要特別注意元器件的型號(hào)、參數(shù)要符合樣本和資料上的書寫規(guī)范；查資料時(shí)首先考慮生產(chǎn)廠家的樣本，尤其是參數(shù)（包括外形及安裝尺寸）。9）在提元器件清單時(shí)，首先要確認(rèn)系統(tǒng)圖、原理圖的設(shè)計(jì)是否合理；其次要保證其參數(shù)和性能要符合二次原理圖的要求，如各種元件帶的附件是否齊全、時(shí)間繼電器的觸點(diǎn)性質(zhì)是否符合要求、輔助觸點(diǎn)是否夠用、控制電壓是否符合要求等等。母線的分類1）按其橫截面分，可分為矩形、槽形和管形(或雙D形)母線3種。a.矩形母線單片矩形母線具有集膚效應(yīng)系數(shù)小、散熱條件好、安裝簡(jiǎn)單、連接方便等優(yōu)點(diǎn)，一般適用于工作電流不超過2000A的回路中。多片矩形母線集膚效應(yīng)系數(shù)比單片母線的大，所以附加損耗。因此載流量不是隨導(dǎo)體片數(shù)增加而成倍增加的，尤其是每相超過三片以上時(shí)，導(dǎo)體的集膚效應(yīng)系數(shù)顯著增大。在工程實(shí)用中多片矩形母線一般用于工作電流不超過4000A的回路中。b.槽形母線槽形母線的電流分布比較均勻，與同截面的矩形導(dǎo)體相比，其優(yōu)點(diǎn)是散熱條件好、機(jī)械強(qiáng)度高。載流能力比同截面的矩形導(dǎo)體約大35%，因此槽形母線一般用于電流較大、電動(dòng)力效應(yīng)要求高的設(shè)備中。如：發(fā)電機(jī)出口開關(guān)柜，其額定電流大，一般達(dá)到5000A以上。c.管形母線管形母線是空芯導(dǎo)體，集膚效應(yīng)系數(shù)小，防電暈效果好,但連接比較復(fù)雜。2）按材質(zhì)分，可分為銅母線、鋁母線、鐵母線，其中銅母線由于載流量大，抗腐蝕性能和力效應(yīng)好，應(yīng)用最廣泛。鋁質(zhì)母線在電流小、非沿海和非石化系統(tǒng)也有應(yīng)用。使用鐵母線主要從經(jīng)濟(jì)上考慮，應(yīng)用于PT連接線。3）按自然狀態(tài)可分為硬母線和軟母線。軟母線主要應(yīng)用于連接不便可以吸收一些力效應(yīng)的場(chǎng)所，如斷路器內(nèi)部、電容器等。因此槽形母線一般用于電流較大、電動(dòng)力效應(yīng)要求高的設(shè)備中。如：發(fā)電機(jī)出口開關(guān)柜，其額定電流大，一般達(dá)到5000A以上。c.管形母線管形母線是空芯導(dǎo)體，集膚效應(yīng)系數(shù)小，防電暈效果好,但連接比較復(fù)雜。2）按材質(zhì)分，可分為銅母線、鋁母線、鐵母線，其中銅母線由于載流量大，抗腐蝕性能和力效應(yīng)好，應(yīng)用最廣泛。鋁質(zhì)母線在電流小、非沿海和非石化系統(tǒng)也有應(yīng)用。使用鐵母線主要從經(jīng)濟(jì)上考慮，應(yīng)用于PT連接線。3）按自然狀態(tài)可分為硬母線和軟母線。軟母線主要應(yīng)用于連接不便可以吸收一些力效應(yīng)的場(chǎng)所，如斷路器內(nèi)部、電容器等。母線的載流量2.1、載流量的定義母線的載流量是指母線在規(guī)定的條件下能夠承載的電流有效值?！耙?guī)定的條件”中主要指標(biāo)是環(huán)境溫度。2.2、影響載流量的因素1）布置方式母線立放時(shí)載流量比平放時(shí)要高一些，一般當(dāng)母線平放且寬度小于60㎜時(shí)，其載流量為立放時(shí)的0.95倍,寬度大于60㎜時(shí)其載流量為立放時(shí)的0.92倍，這是由于立放時(shí)散熱性能要比平放時(shí)要好的緣故。2）環(huán)境溫度3）母線的材質(zhì)4）散熱條件載流量表母線的熱效應(yīng)和電動(dòng)力效應(yīng)3.1、母線的熱效應(yīng)母線的熱效應(yīng)是指母線在規(guī)定的條件下能夠承載的因電流流過而產(chǎn)生的熱效應(yīng)。在開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備中指在規(guī)定的使用和性能條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),母線承載的額定短時(shí)耐受電流。3.1.1、根據(jù)額定短時(shí)耐受電流來確定母線最小截面根據(jù)GB3906-2006《3.6～40.5kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》[附錄D]中的公式：來確定母線的最小截面積。式中：S--導(dǎo)體截面，mm2；I--額定短時(shí)耐受電流，A；α--材質(zhì)系數(shù)，以表示，并按下列規(guī)定取值：銅為13，鋁為8.5，鐵為4.5，鉛為2.5；t--額定短路持續(xù)時(shí)間（s）；△θ--溫升（K），對(duì)于裸導(dǎo)體一般取180，如果時(shí)間超過2s，但小于5s，△θ值可在同一公式中增加到215。根據(jù)以上公式計(jì)算得出：25kA/4s系統(tǒng)銅母線最小截面積S=（25000/13）*√（4/215）≈260mm231.5kA/4s系統(tǒng)銅母線最小截面積S=（31500/13）*√（4/215）≈330mm240kA/4s系統(tǒng)銅母線最小截面積S=（40000/13）*√（4/215）≈420mm263kA/4s系統(tǒng)銅母線最小截面積S=（63000/13）*√（4/215）≈660mm280kA/4s系統(tǒng)銅母線最小截面積S=（80000/13）*√（4/215）≈840mm2根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，得出4s額定短時(shí)耐受電流下銅母線的最小規(guī)格如下：根據(jù)DL404-2007《3.6kV~40.5kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》中5.3條規(guī)定，對(duì)于中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，接地回路的短時(shí)耐受電流最大值可達(dá)到主回路的額定短時(shí)耐受電流值；對(duì)于中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)，接地回路的短時(shí)耐受電流最大值可達(dá)到主回路的額定短時(shí)耐受電流的87%。對(duì)于3~35kV系統(tǒng)，一般為中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)，根據(jù)此要求可以計(jì)算出各種系統(tǒng)短路容量下的高壓開關(guān)柜接地母線的最小截面積。GB3906-2006《3.6～40.5kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》第5.3.2節(jié)規(guī)定：如果接地導(dǎo)體是銅質(zhì)的，則在規(guī)定的接地故障條件下，當(dāng)額定短路持續(xù)時(shí)間為1s時(shí)，電流密度不超過200A/mm2；當(dāng)額定短路持續(xù)時(shí)間為3s時(shí)，電流密度不超過125A/mm2。且其截面不得小于30mm2。如果接地導(dǎo)體不是銅質(zhì)的，則應(yīng)滿足等效的熱效應(yīng)要求。在實(shí)際項(xiàng)目中，如果沒有特殊要求，建議高壓柜的接地母排按照1s的短時(shí)耐受電流考慮。母線的電動(dòng)力效應(yīng)電動(dòng)力效應(yīng)是指短路電流通過平行導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁效應(yīng)。母線受電流的作用力與電流、母線形狀、母線間的距離有關(guān)。3.2.1、根據(jù)額定峰值耐受電流來確定銅母線的最大跨距（即：相鄰支撐件之間的最大距離）原則：作用在母線上的作用應(yīng)力kg/cm2≤母線允許應(yīng)力公式：式中：△js—作用于母線的作用應(yīng)力，kg/cm2；△y—母線允許最大應(yīng)力，MPa；1MPa=10kg/cm2當(dāng)母線為銅質(zhì)時(shí)取1400，當(dāng)母線為鋁質(zhì)時(shí)取700；L—母線支撐間距（cm）；a—相間距離（cm）；W——矩形母線截面系數(shù)（cm3），又稱抗彎矩；ich——短路沖擊電流（kA）。根據(jù)上式導(dǎo)出：常見的幾種母線截面系數(shù)如下：其中：b-母線寬度（cm），δ-母線厚度（cm）。舉例說明：對(duì)于額定短時(shí)耐受電流40kA，額定峰值耐受電流100kA系統(tǒng)，主母線選用TMY-80×6厚度相對(duì)時(shí)，a=30cm(中置柜)，則：矩形母線截面系數(shù)：Ｗ＝0.167b2δ=0.167×82×0.6=6.4128cm3母線最大支撐間距：Lmax=892√(aW)/ich=892√（30×6.4128）/100≈123.7cm=1237mm也就是說，母線厚度相對(duì)時(shí)，KYN28A-12型產(chǎn)品選用TMY-80*6，理論上距離1237mm以內(nèi)可不加支撐；3.3、不需進(jìn)行熱效應(yīng)和電動(dòng)力效應(yīng)的情況根據(jù)工廠配電設(shè)計(jì)原則，下列部位的母線不需進(jìn)行母線熱效應(yīng)和電動(dòng)力效應(yīng)校驗(yàn)：（3）在架設(shè)對(duì)列母線橋的兩臺(tái)開關(guān)柜中，有一臺(tái)柜中的主母線需要調(diào)整相序；另外，也可以采用母線橋內(nèi)換相的方式，如下圖：（4）對(duì)于出口項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，要注意出口國(guó)的母線相序的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。如印度高壓三相母線（A、B、C）的顏色標(biāo)準(zhǔn)分別為紅色、黃色和藍(lán)色。母線的絕緣方式在開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備中，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全絕緣、全工況，減少外部短路事故和防止觸電以及防止由于凝露污穢引起的爬電等事故一般在母線外部采用絕緣材料將母線裸露部分包縛。其方法主要有：（1）熱縮護(hù)套：可以提高母線間的絕緣水平，但護(hù)套有絕緣老化的問題，同時(shí)母線的散熱條件也會(huì)變差，也增加了生產(chǎn)成本；（2）冷縮護(hù)套：操作簡(jiǎn)單，無需加熱。但成本高，也有絕緣老化和母線散熱條件變差的問題；（3）硫化噴涂：生產(chǎn)工藝過程較為復(fù)雜，當(dāng)出現(xiàn)碰傷后無法補(bǔ)救，母線的連接處不能作噴涂處理；（4）SF6氣體絕緣：在密封的主母線室和斷路器室中充以0.04MPa的SF6氣體，可以提高母線間的絕緣性能；主母線在全壽命周期內(nèi)不用檢修和維護(hù)，也不受外界環(huán)境的影響，安全可靠性高.但生產(chǎn)工藝過程較復(fù)雜，是目前GIS充氣柜主要的絕緣方式；（5）加裝隔板：當(dāng)相間或相對(duì)地間凈距達(dá)不到安全距離時(shí)，可在相間或與地間加裝絕緣隔板。按國(guó)標(biāo)要求，SMC絕緣隔板與帶電體的最小距離要求是：10kV開關(guān)柜≮30mm。4.3、母線應(yīng)用的注意事項(xiàng)（1）根據(jù)GB3906-2006規(guī)定，開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備中母線的載流量最小應(yīng)比額定電流有10%的裕度。（2）同等截面積盡量選擇母線寬度比較大的型號(hào)，如能選擇TMY-80×6的不選擇TMY-60×8的，主要是利于散熱。只有當(dāng)電氣間隙滿足不了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，才可在保證截面不變的情況下減小母線寬度，如將原選擇的TMY-80×6改為TMY-60×8。（3）當(dāng)開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境溫度比規(guī)定溫度略高時(shí)，要充分考慮母線的載流量裕量是否充足。GB311.1-1997《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》中規(guī)定：高于40℃時(shí)額定絕緣電壓應(yīng)乘以溫度校正系數(shù)Kt=1+0.0033(T-40)，一般環(huán)境溫度每增加3℃,試驗(yàn)電壓提高3%；環(huán)境溫度每增加1℃,額定電流應(yīng)減少1.8%。（4）兩段母線之間的聯(lián)絡(luò)母線是主母線的一部分，同樣隔離手車上的母線也應(yīng)視為主母線的一部分。（5）盡量避免兩根母線之間沒有空氣間隙并在一起，應(yīng)保持不小于母線厚度的間隙。（6）額定電流在1500A及以上的母線通過套管或母線護(hù)套等穿越金屬隔板時(shí)，周圍不應(yīng)形成閉合磁路。這是由于電流可以在導(dǎo)磁材料產(chǎn)生渦流和磁滯損耗而產(chǎn)生熱量。一般情況下，應(yīng)在所穿越的金屬上開切斷磁路的防渦流缺口；當(dāng)額定電流大于1500A時(shí)應(yīng)考慮采用不導(dǎo)磁材料，如：無磁不銹鋼板或者硬鋁板。1、高海拔對(duì)開關(guān)設(shè)備的影響1）高海拔地區(qū)的主要特征是大氣壓力和空氣密度的降低。在此首先對(duì)低氣壓下的一些物理機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。根據(jù)氣體狀態(tài)方式求得空氣密度與海拔高度的關(guān)系為：式中：ρH—海拔高度為H時(shí)的空氣密度；ρ0—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度，海平面在攝氏零度氣溫條件下的空氣密度是1292g/m3；H—海拔高度（m）；Τ0—絕對(duì)溫度，為273K；α—空氣溫度梯度，約為0.0065K/m。通過上述方程式，計(jì)算出的結(jié)果見表1從表1中可以看出，海拔高度每升高1000m，相對(duì)大氣壓大約降低約12%，空氣密度降低約10%，絕對(duì)濕度隨海拔高度的升高而降低。另外，隨著海拔高度的升高，空氣溫度也在降低，每升高1000m，溫度降低6.5K?？諝饷芏冉档秃髮?duì)中壓電器產(chǎn)品帶來的直接影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面；一是空氣稀薄后在電場(chǎng)中更容易發(fā)生電離，從而導(dǎo)致絕緣性能的下降；二是空氣稀薄后對(duì)流散熱能力下降導(dǎo)致載流體載流能力的下降。2）高海拔地區(qū)要求對(duì)電器產(chǎn)品的工頻耐壓和雷電沖擊耐壓進(jìn)行修正、對(duì)空氣絕緣距離進(jìn)行修正、對(duì)絕緣件的爬距進(jìn)行修正、對(duì)載流體的載流量進(jìn)行修正。①關(guān)于工頻耐壓和雷電沖擊耐壓的修正，根據(jù)GB/T20626.1-2006《特殊環(huán)境條件高原電工電子產(chǎn)品第1部分：通用技術(shù)要求》中規(guī)定，修正系數(shù)見下表：②關(guān)于空氣絕緣距離的修正，在DL404中規(guī)定每升高1000m，空氣絕緣距離增加10%，在GB311.1和GB50060中也有類似的規(guī)定，在實(shí)際使用中可以按上述規(guī)定進(jìn)行修正。實(shí)際上空氣絕緣距離只是衡量絕緣性能的指標(biāo)之一，帶電體的電場(chǎng)優(yōu)化同樣是決定絕緣性能的一個(gè)非常重要的因素。③關(guān)于爬距的修正，目前國(guó)標(biāo)里對(duì)此沒有明確的規(guī)定，但在實(shí)際使用時(shí)，高海拔情況下必須對(duì)爬距進(jìn)行修正。通過反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)海拔每升高100m，爬距增加1%。比如額定電壓為40.5kV的絕緣件在二級(jí)污穢情況下表面爬距應(yīng)大于810mm，那么在海拔2000m時(shí)，其表面爬距應(yīng)大于891mm，依次類推。④關(guān)于高海拔條件下載流體的降容問題，