斷路器設計范例

摘要:

在成套產品設計及應用中，針對影響低壓斷路器性能的因素，主要探討了斷路器的載流量、保護性能以及短路特性對斷路器性能與安全的影響。結合相關企業實例，著重分析了影響斷路器載流量的因素，為低壓斷路器在成套設備中安全使用提供依據。

關鍵詞:

低壓斷路器;低壓成套設備;載流量;保護性能;短路特性

0引言

隨著低壓斷路器和低壓成套設備越來越趨于智能化，以及通信技術在產品中的廣泛應用，對于成套設備的核心器件———低壓斷路器在成套設備設計和應用中有了更高的要求。由于大部分低壓斷路器生產企業沒有提供足夠的技術數據，如溫升和功耗方面的詳細參數，同時低壓成套設備設計人員在設計和應用過程中缺乏相關的經驗和能力，對斷路器的安全和保護性能沒有充分的理解，使得低壓斷路器的功能達不到預期的目標。因此為了保證成套設備的高可靠性，必須全面地了解低壓斷路器在成套產品設計及應用時應考慮的因素。結合這些因素，設計生產質量和可靠性都滿足使用要求的低壓成套設備產品。目前對低壓斷路器和低壓成套設備安全的應用主要依據GB14048．2—2008《低壓開關設備和控制設備第二部分:斷路器》和GB7251．1—2013《低壓成套開關設備和控制設備第一部分:總則》。當斷路器應用在成套設備中時，其中環境相比于自由空氣時有很大的差別，因此斷路器在自由空氣中滿足GB14048．2各項參數不一定能夠滿足成套產品標準。成套設備都有一個比較封閉的殼體，斷路器在成套設備內部的工作環境會更加嚴苛，對斷路器的安全和性能應有更高的要求［1］。低壓成套開關設備和控制設備溫升可以通過IEC60890∶1987《評估部分型式試驗的低壓成套開關設備和控制設備(PTTA)溫升的外推法》進行理論上的計算，主要用于確定外殼內空氣的溫升。但這種方法要求滿足的條件較多，如外殼內功率損耗近似均勻分布、內裝設備布局使空氣流通幾乎沒有阻礙、總電流等級不超過3150A、框架單元中的水平隔板不多于3個、承載大電流的導體和機構部件的布局使渦流損耗可以忽略不計［2-3］。由此可見該標準使用局限性較大，考慮的因素較為理想化，不一定能滿足實際應用的需求，但是在理論分析與計算時可以參考使用。因此，本文將對低壓斷路器在成套產品設計及應用時應考慮的因素進行介紹與分析，為低壓斷路器在成套設備中安全使用提供依據。

1影響斷路器性能的因素

摘要：對成套產品設計以及中低壓斷路器性能進行分析，主要對斷路器載流量、保護性能、短路特性進行闡述?；谙嚓P實例，分析斷路器載流量因素，為成套產品設計及應用中低壓斷路器提供依據。

關鍵詞：斷路器；載流量；保護性能

引言

隨著對斷路器及其成套設備研究的深入，其應用呈現智能化的特點，被廣泛地應用到通信領域中。作為成套設備的核心器件，制造地區斷路器的企業，并沒有提供詳細的技術數據，如溫升、功耗參數，同時部分設計人員缺乏經驗和能力，沒有充分認識斷路器的保護性能，使得這一器件的應用達不到預期目標。為了保證中低壓斷路器在成套產品的應用，需要全面了解該器件的各項性能影響因素。

1影響低壓斷路器性能的因素

所謂載流量是斷路器允許通過的最大電流，也被稱為額定電流。當短路在特殊環境下運行，如溫度過高，就需要根據實際情況調低工作電流，使斷路器更好地適應高溫環境。額定電流值需要調整多少，需要根據斷路器產品設計以及應用的條件考慮。成套設備規定的額定電流，即主開關斷路器最大工作電流，與斷路器的額定電流并不一定相等。通過斷路器接線端子溫升，能夠發現其載流量。國標中對于載流量有嚴格規定，即成套設備中溫升限制不大于70K，由于載流量的溫升限制，斷路器的性能未能完全發揮出來。同時過低的載流量也會限制斷路器的利用率。過高的載流量致使成套設備器件溫度升高，破壞產品的絕緣[1]。斷路器設置的保護性能，主要分為短時延時保護、欠電壓保護等，斷路器視為成套設備的核心器件，在通、斷電操作中發揮作用，是保護電路安全的重要器件。因此斷路器保護性能，也是判斷其性能的重要參考指標，當斷路器過載長延時保護，超過器件本身設置的額定電流，則會自動斷開電路，限制額定電流的系數。通常成套產品應用，其載流量設置會相對降低，這是考慮到斷路器過載保護性能整定值、實際載流量的關聯性，避免回路過載時不能及時脫扣造成的損失。所謂短路特性，它與保護性能一樣是斷路器的性能和安全指標，當電路發生短路事故時，斷路器能否自動斷開電路，是保障整個電力系統安全的關鍵。所以成套產品的設計及應用是為了保證設備運行安全，要充分考慮斷路器的短路特性是否符合運行環境的需求。斷路器的短路特性體現在多個方面，受到安裝方式、空間限制以及拉合閘容易程度等條件影響。例如，在高海拔地區斷路器的短路特性會受到一些影響，由于空氣稀薄使得滅弧時間延長，在運行過程中觸頭嚴重燒毀，通斷能力因此降低。同樣空間大小也會對短路特性造成影響，斷路器斷開過程會產生大量的能量，釋放過程會破壞柜體結構，導致設備損壞，嚴重影響使用功能。因此將斷路器應用到成套設備中，需要對其短路特性進行測試，確保其性能符合運行要求，防止設備損壞造成的損失。

2斷路器載流量影響因素

摘要:分析高海拔環境氣壓和空氣密度、濕度、溫度及污穢程度等對風電機組斷路器的影響，推薦選用“五合一”組合式。并提出必須提高其外絕緣水平，增大高壓帶電體的空氣絕緣凈距，加大表面爬電距離，改進帶電體形狀、增大電極的曲率半徑以防尖端放電。同時要求風電機組斷路器必須具有不低于使用地海拔高度的型式試驗報告，必須通過低溫型式試驗驗證。

關鍵詞:斷路器;高海拔;外絕緣;海拔修正

風力發電是我國大力發展的清潔能源之一，風電輸變電系統中每臺風力發電機都需要一套35kV箱式變電站。目前國內基本以華變為主，其內高壓部份的關鍵元件就是風電機組斷路器。而據測算，我國1000m以上高海拔地區面積占全國總面積65%。因此，風電機組斷路器如何滿足高原環境使用要求成為我們必須解決的問題。本文以大唐四川普格采乃風電場為背景，就高海拔地區高壓電器設備的設計要求、元器件制造等方面，淺談高海拔地區使用的風電機組斷路器的技術建議與選用思路。大唐四川采乃風電場位于四川省涼山州普格縣境內的高原山區，海拔在3000～3550m之間，風場總裝機容量99.2MW，2021年12月全部機組建成投運，并通過240h試運行。

1風電機組斷路器的基本結構選擇

采乃風電場每臺風機塔筒外部的地面都安裝1套風電箱式變電站(YB－37/0.69－3600kVA)，是將風機發電的低壓電升至高壓電再并網傳輸的設備，其接線原理圖如圖1［1］。從圖1可以看出，風電箱式變電站(華變)高壓室(雙點劃線框內)主要功能元件包括斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器、避雷器等。其傳統結構方案是斷路器選用電力行業標準的固定式真空斷路器，各功能元件組裝為一個固定式開關柜(結構示意見圖2)裝于風電箱式變電站高壓室來滿足要求。目前，國內以四川寶光電器等少數斷路器生產廠家根據風電箱式變電站(華變)接線原理圖對高壓室部份進行了科學的優化設計，把斷路器本體、隔離開關、接地開關、電流互感器、避雷器等各種功能元件合并為一個高度集成化的整體，設計為“五合一”組合式風電機組斷路器(結構示意見圖3)，該型產品直接裝于箱變內(不需要開關柜柜體)，其在風電箱式變電站(華變)內的安裝示意見圖4。傳統結構方案需要風電35kV箱式變電站高壓室的底面積必須大于6m2(固定式開關柜寬2m，深3m)，連接母線用量達14.2m;“五合一”組合式風電圖4“五合一”組合式風電機組斷路器安裝示意機組斷路器結構方案只需要風電35kV箱式變電站高壓室的底面積4.1m2(安裝后箱變高壓室寬2.4m，深1.7m)即可(節約超30%)，連接母線用量也只需要3.6m(節約超70%)?！拔搴弦弧苯M合式風電機組斷路器結構方案比傳統結構方案在占地面積及母線使用量都有大幅下降，大大節約土建成本、運輸成本及材料成本，更節約、環保，因此風電箱式變電站(華變)斷路器推薦選用“五合一”組合式風電機組斷路器。

2高原環境氣象條件及影響

2.1高海拔地區氣象條件的主要特征

1高壓直流輸電系統的設備及技術應用

1．1高壓直流電網的技術發展

 歐洲專家介紹了近海岸直流電網示范工程的研究結論，這項研究工作包括近海岸間歇性能源，直流電網經濟，控制保護等問題。兩個著名硬件設備開發商參與了該項目，完成用于測試控制技術開發的低功率模擬器，并證明保護算法可用于直流電網，開發出了基于電力電子和機械技術創新的直流斷路器；另有專家提出了利用有限的直流斷路器操作，設計具有故障清除能力直流網絡，模擬研究表明使用直流斷路器可迅速隔離直流側電網故障，即可在點對點的電纜方案中使換流器繼續支撐交流網絡。針對此問題，中國專家發言指出可采用全橋型子模塊拓撲結構來清除直流側故障，實現與電網換相換流器（LCC）相同的功能。德國專家提出了關于采用電壓源換流器（VSC）的交直流混合架空線運行的特殊要求，雖然混合運行可提高現有輸電通道的容量，但存在一系列挑戰，包括利用可控、有效的方式實現多終端的操作管理，交直流系統的耦合效應，直流電壓和電流匹配原則以及機械特性差異等。韓國專家提出了用于晶閘管換流閥的新型合成運行試驗回路，該回路可向測試對象施加試驗用交、直流電壓和電流脈沖，并配置了可在試驗前給電容充電的可控硅開關，以及為試驗回路中晶閘管門極提供觸發能量的獨立高頻電源。

1．2可再生能源的并網

美國專家提出了近海岸高壓直流輸電系統設計方案的可靠性分析方法，研究了平均失效時間和平均修復時間等可靠性指標，并結合概率（蒙特卡洛）技術來評估風速波動對風電場的影響，且評估不同的系統互聯、系統冗余以及使用直流斷路器與否等技術方案的能量削減水平，提議將能量削減作為量化直流電網可靠性的指標。為設計人員選擇不同的技術方案、拓撲結構和保護方案提供依據。近海岸直流輸電換流站選址缺乏相關的標準、項目參考及工程經驗，難以給項目相關者提供合理的建議，并且可能會在項目的開發過程中引入風險。挪威專家針對此情況提出了一種從石油和天然氣行業經驗總結得出的技術資格要求，將有助于更加快速、高效、可靠地部署海上高壓直流輸電系統。

1．3工程項目規劃、環境和監管

哥倫比亞和意大利專家提出了哥倫比亞與巴拿馬電氣互聯優化設計方案，初步設計方案額定容量為600MW／±450kV，經過綜合比較，方案優化為300MW／±250kV，400MW／±300kV的雙極結構，并使用金屬回線作為最佳的技術和經濟解決方案。線路長度由原來的600km變為480km，但考慮到哥倫比亞輸電系統的強度問題，決定保留原來的輸電路線。貝盧蒙蒂第一條800kV特高壓直流輸電線路項目規劃構想了額定參數為2×4GW／±800kV雙極結構，直流線路長2092km，連接巴西北部與南部的直流輸電工程方案；印尼第一條Java－Sumatra直流輸電工程，額定參數為3GW／±500kV，雙極結構，直流線路包含架空線和海底電纜，考慮采用每極雙十二脈動換流器和備用海底電纜來提高系統的可靠性和可用率；太平洋直流聯接紐帶介紹了延長太平洋北部換流站壽命的最佳方案，將原有的換流器變為傳統的雙極雙換流器結構，但保留多余的2個換流器閥廳，現以3．8GW／±560kV為額定參數運行。

1電氣主接線設計

1.1主接線的設計原則

變電所中的電氣主接線是電力體系有關接線的首要組成構造。它表明了發電機、變壓器、路線、斷路器等的數目、連接形式和能夠的運作系統，進而完成發電、變電、輸配電的使命。主接線的確定是十分重要的，它的確定直接影響著所有電力體系運作以及配電裝置的安插，對于主接線規劃涉及領域非常廣泛。要遵循國家有關技術經濟政策的有關規定，爭取做到技術一流、經濟合理、安全可靠。

1.2主接線設計的基本要求

變電站的電氣主接線應根據變電站所在電力系統中的主要位置，變電站的計劃容量、負荷性質、路線、變壓器連接元件總數、裝配特色等條件確定，并應斟酌思考供電可靠性、運行矯捷、操作檢驗便利、投資借鑒和過渡或擴建等要求。

1.2.1主接線可靠性的要求。

可靠性的主要事情是對用戶提供穩定的電源。評測可靠性的標準是進行運作實施。主接線的可靠性是通過對其組成元件，包括一、二次部門在運作中可靠性的綜合評估。因而，還要考慮一次裝備對供電可靠性所產生的影響以及繼電保護二次裝置的故障對供電所產生的影響。評測主接線可靠性指標為：（1）斷路器檢驗能夠導致停電；（2）線路、斷路器、母線故障和檢查時，停運線路的回數和停留時間的長短；（3）變電站全停電的幾率。

1影響供電系統的安全可靠性的原因

1.1過載及短路保護

在傳統的低壓供電系統中，應該對過載、短路保護方面進行強調，從而達到保護用電設備和供電線路不受損壞的目的。

1.2電氣接地質量問題

在高層建筑電氣的設計以及施工過程中，低壓配電系統的接地形式有混用的現象，但供電系統沒有進行任何安全有效的接地處理，或者么有按相應工作規范要求進行接地，導致電氣接地的質量出現問題，沒有對關鍵性電子設備進行等電位連接設置，從而造成大量觸電等不該發生的人身傷亡事故。

1.3保護裝置不到位

由于正在運行的低壓配電系統中，保護接零和過流保護裝置等相關安全保護措施設置出現問題，乃至其無法科學有效地對漏電情況進行控制，導致高層建筑經常性出現火災事故，造成嚴重的人身傷亡和財產損失。

1可編程邏輯控制器程序設計

可逆起動器具有兩個型號相同、電源進線接線相序相反的接觸器（現在常見的為真空接觸器），兩接觸器可分別控制電機正轉和反轉。為防止兩接觸器同時接通而導致短路故障，可逆起動器中兩接觸器之間具有互鎖的電路?？赡娼油ㄅc分斷及可逆轉換試驗是交替分別測試兩個接觸器的接通與分斷10倍（額定工作電流≤100A）或8倍（額定工作電流＞100A）可逆起動器主回路額定電流的能力。在試驗過程中必須嚴格控制兩接觸器的接通和分斷順序，防止同時接通而發生短路。試驗流程為：根據可逆起動器主回路可逆接通與分斷及可逆轉換試驗需要電流和電壓值及功率因數要求，計算在試驗電路中需要投入的阻抗的大?。煌ㄟ^阻抗調節控制柜投入計算阻抗；主電路送電，調試出所需功率因數及電流；試驗系統主回路接入可逆起動器主電路；采用設計的可編程邏輯控制器控制系統控制可逆接觸器兩接觸器的接通與分斷。

2設計要點

2.1可編程邏輯控制器性能

本次設計采用西門子S7-200CN型可編程邏輯控制器，本機集成8輸入/6輸出共14個數字量輸入/輸出點，可連接2個擴展模塊。6K字節程序和數據存儲空間。4個獨立的30kHz高速計數器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力。24V直流輸入，24V直流輸出，100～230V交流電源，24V直流輸入繼電器輸出。

2.2PLC外接電路設計

該附加系統外接電路需接入線圈電壓為DC24V的繼電接觸器兩個，起動按鈕一個及停止按鈕一個。其中K1、K2為兩個外加線圈電壓DC24V的繼電接觸器，線圈電路中分別串聯K2、K1常閉觸點實現互鎖功能，防止程序時間間隔設計或操作過程中的誤操作而導致K1、K2同時接通,出現試驗系統主電路短路事故。試驗中，通過控制接觸繼電器K1、K2線圈的通斷電，利用其常開觸點的接通與分斷，控制可逆起動器接觸器線圈的通斷電，實現可逆起動器接觸器的接通與分斷。啟動按鈕給可編程邏輯控制器提供觸發信號，可編程邏輯控制器開始運作。停止按鈕實現中止功能，可隨時中止試驗。

摘要：介紹了城市軌道交通供電系統牽引變電所設置原則，結合牽引變電所設置原則和個別線路末端牽引變電所故障退出時存在的問題，提出了一種新的變電所主變接線方案及相應的保護配置方案。

關鍵詞：牽引變電所；主接線；故障；保護配置

0引言

目前國內軌道交通牽引供電系統大多采用DC750和DC1500V兩種電壓等級，供電方式分為接觸軌和接觸網兩種。無論哪種供電方式，供電系統均需根據線路、車輛和運營組織等在線路上設置多座牽引變電所，將交流電源（AC35kV、AC20kV或AC10kV）降壓整流后轉換為24脈波直流電供車輛使用。正線直流牽引供電系統全線連通，相鄰的牽引變電所間可以實現正常雙邊供電及“大雙邊”供電，保證了直流供電系統的可靠性。

1城軌牽引變電所設置原則及存在問題

城市軌道交通牽引變電所的設置原則：（1）牽引變電所的分布應滿足在遠期高峰小時行車交路下，任一座牽引變電所故障解列并由相鄰牽引變電所支援供電時，牽引網最低電壓水平不低于1000V[1]。（2）牽引變電所的分布應結合牽引負荷的分布進行設置，鋼軌電位滿足GB50157、GB50490、GB/T28026.1以及IEC62128.1規范要求。（3）在滿足以上2條原則的前提下，應盡量考慮以下因素：a.正線正常運行時采用雙邊供電，因此線路兩端車站應設置牽引變電所。b.在滿足牽引網電壓和鋼軌電位要求的情況下，牽引變電所應設置在車站，以方便運營管理。c.場段正線接入站應盡量設置牽引變電所，以提高當場段牽引所故障退出時正線對場段支援供電工況下的供電質量。d.牽引變電所的分布應考慮在不影響供電質量的前提下盡量在規模較大的、有配線的車站設置牽引變電所；對于地下區段區間牽引所，盡量選取在區間風井處設置，以減少因設置牽引變電所而增加的土建投資。e.牽引所布點應兼顧考慮雜散電流防護。結合上述供電系統的特點和牽引變電所設置原則，線路末端車站均設置牽引變電所，若末端站后無車輛段或停車場，當末端站牽引變電所故障退出運行，需要相鄰的牽引變電所“單邊”供電至線路末端，此時牽引網電壓和鋼軌電位仍需要滿足標準要求。但個別線路在末端牽引變電所設置時會存在如下困擾：以圖1所示的線路為例，在建線路末端區間的間距較大且后期有延伸線路，經仿真模擬計算，末端3個站均需設置牽引變電所，能保證正常雙邊供電和車站2牽引變電所故障退出運行時由車站1和車站3牽引變電所“大雙邊”供電時的電能質量要求。當車站3牽引變電所故障時，車站2牽引變電所需單邊供電至線路末端，經仿真模擬計算，此時牽引網電壓滿足不低于最低電壓1000V的標準要求，但鋼軌電位高達180～200V，供電質量不能滿足要求。若末端區間增加區間牽引所，可以解決供電質量問題，但增加牽引變電所會帶來土建及設備投資增加，對于與區間風井合建的地下變電所增加的土建和設備投資約600～700萬元，對于地面變電所增加投資約500～600萬元，同時地面變電所建設還可能涉及規劃、征地等接口問題。當線路后期延伸后區間牽引變電所的功能弱化，若延伸線路的車站4設置牽引變電所，車站3牽引變電所故障退出運行，車站2牽引變電所和車站4牽引變電所“大雙邊”供電可以滿足供電質量需求，此時區間牽引變電所又可以取消。此種線路末端牽引變電所的設置方案給設計帶來了困擾。

2變電所主接線新方案