摘要：介紹了城網(wǎng)配電網(wǎng)一次設(shè)備及負(fù)荷開關(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)電廠發(fā)出的電能，最后降到6～35kV等級(jí),，經(jīng)過配電網(wǎng)變?yōu)槌青l(xiāng)居民,、工業(yè)，農(nóng)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(nóng)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(jì)性及可靠性,。

　　配電網(wǎng)的主要設(shè)備是負(fù)荷開關(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)開關(guān)柜和中壓電流互感器等,，二次設(shè)備是自動(dòng)控制,、數(shù)據(jù)采集、規(guī)劃,、故障定位,、檢測(cè)計(jì)量、通訊等,。隨著一,、二次技術(shù)(特別是二次技術(shù))的發(fā)展，使兩者緊密結(jié)合,，形成了自動(dòng)化配電網(wǎng),。例如：自動(dòng)配電開關(guān)設(shè)備相互配合的配電自動(dòng)化系統(tǒng)(稱為ASDAS)；基于饋線終端設(shè)備(FTU)的配電自動(dòng)化系統(tǒng)(稱為FTDAS),，它們自動(dòng)對(duì)故障線路進(jìn)行判斷及實(shí)現(xiàn)故障隔離,；故障排除后，重合器重合恢復(fù)供電,；在調(diào)度中心對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷測(cè)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(shè)備的技術(shù)性能,；二是二次設(shè)備的技術(shù)性能；三是配電網(wǎng)接線方式,。

2　負(fù)荷開關(guān)—熔斷器組合電器

　　負(fù)荷開關(guān)是用來開,、合負(fù)載電流的開關(guān)裝置，它一般具有關(guān)合短路電流能力,，但是它不能開斷短路電流,。負(fù)荷開關(guān)可以單獨(dú)使用在遠(yuǎn)離電源中心、且容量較小的終端變電站,，用于投切無功補(bǔ)償回路,、并聯(lián)電抗器及電動(dòng)機(jī)等。

　　熔斷器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、價(jià)格便宜,、維護(hù)方便,，仍然具有發(fā)展前途。熔斷體是熔斷器的主要元件,，當(dāng)熔斷體通過的電流超過一定值時(shí)，熔斷體本身產(chǎn)生的焦耳熱,，使本身溫度升高,，在達(dá)到熔斷體熔點(diǎn)時(shí)，熔斷體自行熔斷切斷過載電流或短路電流,。

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—切斷過程中電流波形

ia1—截止電流,；tb2—?jiǎng)幼鲿r(shí)間

　　負(fù)荷開關(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圍的石英砂冷卻電弧,，達(dá)到有效熄滅電弧,，用于在強(qiáng)力冷卻熄弧過程中建立起高于工作電壓的電弧電壓，因而具有很強(qiáng)限流能力(圖1),。由曲線可見到,，短路開始后電流上升，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，開始沿ab線段下降,，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,，它是指熔斷器的開斷電路時(shí),，最大截止電流和預(yù)期電流穩(wěn)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(hù)的電器設(shè)備內(nèi)發(fā)生短路故障時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械和熱效應(yīng),。

　　負(fù)荷開關(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(hù)開關(guān)設(shè)備,。

2.1負(fù)荷開關(guān)—熔斷器組合電器保護(hù)變壓器的優(yōu)點(diǎn)

　　試驗(yàn)表明,，當(dāng)變壓器內(nèi)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(nèi),。采用斷路器保護(hù)的話,，斷路器最快全開斷時(shí)間(繼電保護(hù)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以內(nèi)切除故障,。

　　由于同電壓等級(jí)負(fù)荷開關(guān)的價(jià)格大約是斷路器的價(jià)格的1/4～1/5,，而負(fù)荷開關(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(fù)荷開關(guān)+熔斷器有較大經(jīng)濟(jì)性,。

　　由于斷路器是用于開斷短路故障電流,、大負(fù)荷電流、容性電流等通用的開關(guān)設(shè)備,，因此體積大,、笨重，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜,。相比之下負(fù)荷開關(guān)體積小,，簡(jiǎn)單易開發(fā)。

2.2負(fù)荷開關(guān)與熔斷器的配合概念

　　組合電器將控制和保護(hù)功能分開,，大量經(jīng)常發(fā)生的切負(fù)荷工作由負(fù)荷開關(guān)來完成,，而極少發(fā)生的短路開斷則由熔斷器來完成(圖2)。由于熔斷器是一次性開斷元件,，負(fù)荷開關(guān)可連續(xù)多次“合,、分”，因此,，一般原則是盡可能延伸負(fù)荷開關(guān)動(dòng)作范圍,，使負(fù)荷開關(guān)多動(dòng)作，而熔斷器少動(dòng)作,。

圖2負(fù)荷開關(guān)與熔斷器的功能配合

　　區(qū)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斷由負(fù)荷開關(guān)單獨(dú)完成,。負(fù)荷開關(guān)三相開斷，三相熄弧,。

　　區(qū)域Ⅱ：(Ink<I<3×InHH)時(shí),，在此范圍內(nèi)器承受超過其額定電流的過電流，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(fù)荷開關(guān)動(dòng)作,，三相開斷并熄弧。

　　區(qū)域Ⅲ：轉(zhuǎn)移電流范圍內(nèi)(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(fù)荷開關(guān)分閘。另外兩相線路可能由負(fù)荷開關(guān)切斷,，也可能由熔斷器開斷,，即熔斷器與負(fù)荷開關(guān)配合共同完成開斷任務(wù)。

　　區(qū)域Ⅳ：限流范圍,。當(dāng)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,，熔斷器在過半波后,，已開斷三相電路,，三相短路電流全由熔斷器開斷,，負(fù)荷開關(guān)是無電流開斷。

　　因此,，轉(zhuǎn)移電流是指熔斷器與負(fù)荷開關(guān)轉(zhuǎn)換開斷職能時(shí)的三相對(duì)稱電流值,。大于該值時(shí)，三相電流僅由熔斷器開斷,；小于該值時(shí),，首開相電流由熔斷器開斷，其它兩相由負(fù)荷開關(guān)開斷,。

2.3熔斷器,、負(fù)荷開關(guān)與變壓器參數(shù)適配

　　如何合理選配熔斷器、負(fù)荷開關(guān)與變壓器參數(shù),，涉及到能否合理發(fā)揮熔斷器和負(fù)荷開關(guān)作用,，這里僅舉例說明。

　　例：現(xiàn)有11kV,、400kVA變壓器,，高壓側(cè)最大故障短路電流16kA，短路阻抗5％,，試決定“負(fù)荷開關(guān)—熔斷器”組合電器參數(shù),。

　　解：(1)變壓器的滿負(fù)荷電流為

(2)允許過載15％，－5％分接頭處抽頭,，這時(shí)變壓器短時(shí)過載電流IP為：

IP=21×150％×1.05=33A

(3)變壓器勵(lì)磁電流為：Is＝21×12=252A,，其持續(xù)時(shí)間Is＝0.1s。

(4)茲選用某公司熔斷器12kV,，額定電流IN=40A,，額定開斷電流≥16kA，最小開斷電流為(2.5～3)Ie＝(2.5～3)×40＝100～120A,。

　　從該熔斷器產(chǎn)品說明書查得(從熔斷器40A的時(shí)間—電流特性曲線)：滿足在252A勵(lì)磁電流,、且持續(xù)0.1s的要求,。

　　熔斷器最小開斷電流(2.5～3)Ie＝100～120A，在負(fù)荷開關(guān)額定開斷電流范圍內(nèi),。

(5)變壓器二次側(cè)直流短路故障時(shí),，反映到變壓器一次側(cè)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(fù)荷開關(guān)VN=12kV,；IN=400A,，分閘時(shí)間0.05s(50ms)，轉(zhuǎn)移電流1000A,。

　　因負(fù)荷開關(guān)分閘時(shí)間T0＝0.05s,，所以Tm＝0.9T0＝0.045s，從時(shí)間—電流曲線上查得：所需組合電器轉(zhuǎn)移電流為280A,。這個(gè)值小于由負(fù)荷開關(guān)額定分?jǐn)嗄芰Q定的組合電器的額定轉(zhuǎn)移電流(1000A),，也小于二次側(cè)直接短路時(shí)一次側(cè)的短路電流IK(420A)，因此提高轉(zhuǎn)移電流數(shù)值,，可以減少限流熔斷器的動(dòng)作次數(shù),。

圖3示出了“與11kV、400kVA的變壓器保護(hù)相關(guān)的特性”,。

(a)現(xiàn)選擇負(fù)荷開關(guān)VN=12kV,；IN＝400A。

(b)轉(zhuǎn)移電流1000A是滿足要求的,。

(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(fù)荷開關(guān)轉(zhuǎn)移電流要避開這一短路電流(一般轉(zhuǎn)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(fù)荷開關(guān)的轉(zhuǎn)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(dāng)故障電流小于交接電流時(shí),，由脫扣裝置動(dòng)作觸發(fā)負(fù)荷開關(guān),，分?jǐn)嚯娏鳎划?dāng)故障電流高于交接電流時(shí),，由熔斷器動(dòng)作分?jǐn)嚯娏?，而?fù)荷開關(guān)僅作無電流分閘)。由圖4看出最大交接電流不得大于負(fù)荷開關(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(dāng)提高交接電流數(shù)值,，可以減少限流熔斷器的動(dòng)作次數(shù)(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(fù)荷開關(guān)可以提高交接電流。

圖3與11kV,、400kVA變壓器保護(hù)相關(guān)的特性

2.4負(fù)荷開關(guān)—限流熔斷器組合電器型號(hào)因?yàn)橄蘖魅蹟嗥黝~定電流為125A,，而負(fù)荷開關(guān)為630A，因此組合電器額定電流為125A,，短路開斷電流為熔斷器的短路開斷電流,。由于限流熔斷器是截流開斷，其截止電流(瞬時(shí)值)要小于預(yù)期短路電流,，因此型號(hào)中標(biāo)出的短路電流不能用來配選主回路,。

3　箱式變電站

3.1箱式變電站的結(jié)構(gòu)

　　通常供電容量在315～630kVA時(shí)，采用戶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(見圖5)：高壓開關(guān)設(shè)備,、變壓器及低壓開關(guān)(配電)裝置,。箱式變電站到貨后即可接線投入使用,，可以節(jié)省大量現(xiàn)場(chǎng)及技術(shù)服務(wù)費(fèi),。

　　箱式變電站，一般在地下埋入一個(gè)水泥結(jié)構(gòu)體,，而在地面箱體高度2.5m左右,。“德國(guó)式”箱式變電站則埋入地下1m，露出地面高度不超過1.6m,。“德國(guó)式”變電站的優(yōu)點(diǎn)是箱變與環(huán)境協(xié)調(diào)而不影響視線,，缺點(diǎn)是洪水季節(jié)，水能浸入箱體,，危害設(shè)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),。組合式是高壓開關(guān)設(shè)備,、變壓器及低壓開關(guān)(配電)裝置各為一室(見圖9)。一體式是指以變壓器為主體的油箱體,，熔斷器及負(fù)荷開關(guān)等裝入油箱體內(nèi)而構(gòu)成一體,，箱體采用全封閉結(jié)構(gòu)，變壓器一般是三相五柱式,。

3.2中壓開關(guān)設(shè)備

　　如果箱式變電站處于終端接線,，則使用負(fù)荷開關(guān)—熔斷器組合電器(在第三節(jié)中敘述)；如果處于環(huán)網(wǎng)接線,，則采用環(huán)網(wǎng)供電單元,。環(huán)網(wǎng)供電單元的結(jié)構(gòu)見圖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(fù)荷開關(guān)+熔斷器),。通過斷開接通開關(guān)A,、B，可以隔離故障段,，及時(shí)恢復(fù)對(duì)正?；芈饭╇姡蹟嗥鱂在中壓/低壓變壓器發(fā)生內(nèi)部故障及變壓器二次端點(diǎn)發(fā)生直接短路時(shí)起保護(hù)作用,，而開關(guān)C對(duì)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)氧樹脂干式變壓器。在防火要求嚴(yán)格的場(chǎng)合,，如在高層建筑中規(guī)定不能使用帶油的電器,，所以使用真空、SF6開關(guān),、干式變壓器,。由于S9系列配電變壓器的負(fù)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(zhèn)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(jī)械強(qiáng)迫通風(fēng)兩種,，從經(jīng)濟(jì)效益考慮，當(dāng)然應(yīng)優(yōu)化考慮自然通風(fēng),。

3.4低壓開關(guān)設(shè)備

　　低壓開關(guān)設(shè)備單獨(dú)裝在低壓室,，在低壓開關(guān)設(shè)備內(nèi)裝有一臺(tái)主保護(hù)開關(guān)(主開關(guān))和4～8臺(tái)饋線開關(guān)。由饋線開關(guān)將電能送到用戶,。

　　低壓室內(nèi)還裝有低壓計(jì)量裝置及靜補(bǔ)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(jié)構(gòu)

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(jì)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(tǒng)應(yīng)用廣泛,，但目前我國(guó)XLPE電纜及附件與國(guó)際先進(jìn)水平尚有一定差距。

3.6測(cè)控保護(hù)單元

　　箱式變電站安置于戶外,，其箱內(nèi)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(dǎo)致開斷失敗,。而變壓器溫度超過一度范圍，則會(huì)影響受壓的輸出功率,。所以箱內(nèi)應(yīng)安裝溫度,、濕度監(jiān)控裝置,，當(dāng)達(dá)到某一濕度及露點(diǎn)溫度前,，發(fā)出命令，使溫度調(diào)節(jié)器動(dòng)作,；當(dāng)溫度超過某一范圍時(shí),，發(fā)出命令，起動(dòng)風(fēng)扇,，強(qiáng)迫排風(fēng),。凝露控制器在箱內(nèi)安裝見圖7。

　　如果需要,，箱內(nèi)還安裝FTU,，遙控、訊接口,，通過FTU采集故障信息,，經(jīng)遙控、訊口,，與控制中心聯(lián)系,，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能,，對(duì)饋線支路電能量計(jì)量，及時(shí)向控制中心報(bào)告支路電能量計(jì)量,，及時(shí)向控制中心報(bào)告支路負(fù)荷狀況,；并接收控制中心命令，投切功率補(bǔ)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(jié)已提到,，負(fù)荷開關(guān)可以合、分正常的負(fù)荷電流,，它不能開斷短路電流,。

　　自動(dòng)分段器是由配電動(dòng)彈簧操作機(jī)構(gòu)的負(fù)荷開關(guān)、一臺(tái)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故障電流次數(shù),，并且到達(dá)整定次數(shù)后，在無電壓及無電流的情況下自動(dòng)分閘的開關(guān)設(shè)備,，它具有關(guān)合短路電流及開斷與關(guān)合負(fù)荷電流能力,。分段器在10kV配電系統(tǒng)中用來自動(dòng)隔離故障區(qū)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(yīng)用(圖8)

(1)設(shè)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(yīng)用

(2)A處發(fā)生故障,，重合器(QR)檢測(cè)到故障后跳閘,，所有區(qū)段斷電，分段器因斷電而分閘,。

(3)自動(dòng)重合器(QR)經(jīng)過第一次重合間隔時(shí)間延時(shí)后重合,，而各個(gè)分段器Q01～Q04按預(yù)先設(shè)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,，完成線路供電,。

(4)如果永久性故障，則因Q04合閘在故障線路上,，使重合器再次跳閘,，從而所有區(qū)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(nèi)檢測(cè)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(qū)段正常供電,，由于Q04已處于分閘狀態(tài)，已將故障區(qū)與電網(wǎng)隔開,，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,、開斷運(yùn)行回路正常電流，也能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)關(guān)合,、承載及開斷規(guī)定的短路電流的開關(guān)設(shè)備,。也就是說斷路器在合閘狀態(tài)時(shí)，應(yīng)該是接觸良好的導(dǎo)體,，能夠承受正常負(fù)荷電流及規(guī)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(nèi)開斷故障短路電流,，在分閘狀態(tài)下,，能盡可能短地關(guān)合規(guī)定的短路電流，且斷路器觸頭不發(fā)生熔焊,；可單獨(dú)作為主保護(hù)設(shè)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?cè)谥袎号潆娤到y(tǒng)(3～35kV)已得到普遍應(yīng)用,，而無油真空斷路器因重量輕,、分?jǐn)嗄芰?qiáng)，在城市配電中越來越多地受到青睞,。