浅析配电房高低压主要开关设备的选择与保护配合

浅析配电房高低压主要开关选择与保护配合[摘要]：配电房是商业楼房或住宅小区的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系市区电网和用户负荷的中间环节，起着变换和分配电能的作用。额定电压、额定电流及线路中的短路电流，直接关系着配电房中电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是配电房电气部分投资大小的决定性因素。本文以酒店项目中的配电房为例，对其进行短路电流计算，根据各短路点计算出各点短路稳态电流和短路冲击电流，从三相短路计算中得到当短路发生在各电压等级的工作母线时，其短路稳态电流和冲击电流的值。最后，根据各电压等级的额定电压和最大持续工作电流进行设备选择，然后进行校验来完成设备保护配合。[关键词]：配电房断路器短路电流1.工程概况商务中心的二期工程，由两栋超高层公寓、一栋高层酒店及地下室、裙房组成，本工程产权管理划分为三个部分：商业部分（含部分地下车库）、酒店部分、公寓及公共部分（含部分地下车库）。三个部分的高低压供配电系统、配电设备及冷水机组、空调、水泵、消防等机电设备均分别设置，并分别独立管理。本工程供电电源为四路10kV电源，由市政管网及高压总开关房引入商业高压配电室；平时两路电源工作，各供约50%负荷用电，一路备用，当其中一路工作电源发生故障时，备用电源投入。2.设备特点2.1高压开关（1）负荷开关作为仅开断关合工作电流的开关,国内早已开始使用,起初多为产气式和压气式两种,进入20世纪90年代后,开始使用SF6及真空负荷开关,目前主要以SF6三工位负荷开关和真空负荷开关为主,因其可靠性高、成本低、免维护,日益受到广大用户的欢迎。（2）负荷开关-熔断器组合电器,主要用于保护变压器的开关设备。其中的负荷开关只开断和关合工作电流,具有有限的开断能力,而短路保护功能则由熔断器来完成。在负荷开关与熔断器之间存在着一定的过电流区域段,在该区段内,只有负荷开关与熔断器相互协调、正确配合,才能真正实现对配电系统的贴切保护。（3）中压断路器作为能开断短路电流的开关,从灭弧介质和绝缘介质类型来看,主要分为SF6断路器和真空断路器两大类,这两种类型的中压断路器采用了弹簧操动机构。目前,国内正在开发永磁式操动机构。随着继电保护智能化的发展,断路器保护越来越齐全,但一般使用的大致分为二段或三段式保护,或带反时限功能的保护。2.2变压器（1）变压器通过升高或降低电压来完成电能的合理输送、分配和使用。变压器的分为油浸式变压器和干式变压器。按调压方式分为有载调压和无载调压。（2）变压器在多尘或有腐蚀性气体严重影响变压器安全的场所，应选择密闭型变压器或防腐型变压器；在供电系统中没有特殊要求和民用建筑独立变电所常采用三相油浸自冷电力变压器；对于高层建筑、地下建筑、发电厂、化工等单位对消防要求较高场所，宜采用干式电力变压器；（3）安装在总降压变电所的变压器通常称为主变压器（简称主变），《35～110kV变电所设计规范》规定，主变压器的台数和容量，应根据地区供电条件、负荷性质、用电容量和运行方式等条件综合考虑确定。2.3低压开关2.3.1A类断路器按照IEC942-2《低压开关设备和控制设备第二部分断路器》使用类别中规定:“在短路情况下,断路器无明确指明用作串联在负荷侧另一短路保护装置的选择性保护,即在短路情况下,选择性保护无人为的短延时,因而不要求额定短时耐受电流。”这就是A类断路器,此种断路器只有过载长延时、短路瞬动,而无短路短延时保护特性。A类断路器绝大部分是塑壳断路器,如HM3,CM1,TIM1的系列产品,一部分万能式断路器(如采用热继电器和电磁铁作过载、短路保护的)也属于A类。2.3.2B类断路器在上述IEC942-2标准中还规定:“在短路情况下,断路器明确在作串联在负载侧的另一短路保护装置的选择性保护,即在短路情况下,选择性保护有人为短延时(可调节),这类断路器具有要求的额定短时耐受电流。”这就是B类断路器。万能断路器、使用电子脱扣器和智能控制器的断路器都属于B类。它们有三段保护,即过载长延时、短路短延时和短路瞬动保护,如HA,CW11的系列产品。全额保护:是指下级负载发生短路故障时,下级的断路器瞬动,而此故障短路电流也要流向上一级线路,如果上一级断路器没有短路短延时,则在下级发生短路故障的一瞬间,与下级断路器一起跳闸,造成大面积停电,这是非选择保护;如果上级断路器有短路短延时,当下级断路器跳闸(通常它的分断时间在20～30ms之内),上级断路器短路的动作时间只要有0.1s(0.02s的5倍)的延时,则可确保下级断路器分断时间内,上级断路器保持不动,这种配合称为选择性保护。3.主要参数选择（1）一般额定电压是指相间电压,即线电压。（2）壳架等级额定电流:代表断路器的外形大小,以此表示断路器的最大额定电流。额定电流:在规定的条件下,保证断路器正常工作的电流,又称脱扣器额定电流。（3）过载、短路保护特性：过载长延时、短路瞬时,短路瞬时分闸时间一般在20～30ms之内叫二段式保护；过载长延时、短路短延时、短路瞬时,短路短延时一般为0.1s的倍数叫三段保护。（4）在规定的试验条件下,断路器能承载的短时耐受电流值。短时耐受电流ICW只适用于B类断路器,即具有短路短延时特性的断路器。（5）短路分断能力又分极限分断能力ICU和运行短路分断能力ICS。根据断路器的额定短路分断能力应大于或等于线路的预期短路电流的原则,就存在断路器的额定短路分断能力是指极限分断能力ICU还是指运行短路分断能力ICS的问题,目前在电气工程设计中有两种意见。笔者认为还是选择运行短路分断能力ICS为好,保险系数更大些。4.电气设备选择原则电气设备的选择是供配电系统设计的重要步骤，其选择的恰当与否将影响到整个系统能否安全可靠的运行，故必须遵循一定的选择原则。本章对常用的高、低压电器即高压断路器、高压隔离开关、仪用互感器、母线、绝缘子、高低压熔断器及成套配电装置（高压开关柜）等分别介绍了其选择方法，为合理、正确使用电气设备提供了依据。4.1按工作环境及正常工作条件选择电气设备（1）根据电气装置所处的位置（户内或户外）、使用环境和工作条件，选择电气设备型号等。（2）按工作电压选择电气设备的额定电压.NWNUU³（3）按最大负荷电流选择电气设备的额定电流maxNII³或NcII³4.2按短路条件校验电气设备的动稳定和热稳定（1）动稳定校验(3)maxshii³或(3)maxshII³式中，maxi为电气设备的极限通过电流峰值；maxI为电气设备的极限通过电流有效值。（2）热稳定校验22timaItIt¥³式中：tI为电气设备的热稳定电流；imat为热稳定时间。4.3开关电器断流能力校验对具有断流能力的高压开关设备需校验其断流能力，开关设备的断流容量不小于安装地点最大三相短路容量。即：(3).maxockII³或.maxockSS³5.实例参数计算现以二期酒店变配电所的配电情况为例：变配电所是由高压开关柜引进的电源，高压开关柜到变压器距离为200m，单位长度电阻10.4/xkm=W，变压器数据：SGB11-R-1600/10D/Yn1110/0.4/0.23kV，额定短时工频耐受电压为35kV，阻抗电压6%，高压分接范围±2x2.5%，额定电流3200A。5.1设备额定电流计算：设备计算负荷maxS为1295KVA，maxmax1295=3238/56300.4/0.23NNSIIAAAU??由计算出的最大负荷电流来选定变压器的额定电流，当二次侧额定电压是0.4KV时变压器二次侧的开关设备额定电流则应大于或等于3238A；当二次侧额定电压是0.23KV时变压器二次侧的开关设备额定电流则应大于或等于5630A。图1配电房一次接线示意图图2一次接线图简化图5.2设备稳定校验短路电流计算：选取基准容量、额定电压：10BSMVA=，110.5BVKV=，20.42/0.2415BVKV=，计算各元件的标幺值。再计算电路短路时的电流。通过短路电流来确定设备的电流选择。计算出对应的基准电流：1110000549.863310.5BBBSIAU===´221000013746.43/23906.84330.42/0.2415BBBSIAU===´由于：k%6U=，10.2WLkm=，10.4/xkm=W*122100.40.20.00810BlNSXxlU==创=k11*%6100000.3751001001600BTNUSXS´===´当k1点短路时1*0.008klXXS==k11111250.008kIXSⅱ===(3)1k11125549.8668732.5kBIIIAⅱ==?(3).112.55175267.875shkkIIA==当k2点短路时2*1*0.0080.3750.383klTXXXS=+=+=k22112.610.383kIXSⅱ===(3)2k222.6113746.43/23906.8435878.2/62396.9kBIIIAⅱ==?(3).222.5591489.4/159112.0shkkIIA==在保证设备的安全运行情况下，需要保证设备的额定电流大于等于瞬时短路电流。6.高压开关与低压开关的保护配合6.1低压总开关与高压断路器柜的保护配合高压断路器柜电流速断保护的整定是按躲开变压器二次侧短路时,归算到一次侧的三相最大短路电流来整定的,其计算公式为:(3).11.maxISUrelkIKI式中:.1ISUI---一次侧的三相最大短路电流；relK---可靠性系数,取1.3；(3)1.maxkI---变压器低压侧短路时三相最大短路电流折算到高压侧的电流值。从上述整定原则分析,由于可靠性系数relK取1.3,当变压器低压侧短路故障时,若高压侧速断保护为定时限,从理论上说开关是不会动作的。所以低压侧总开关选用智能式带短路短延时的开关,可实现很好的保护配合。若高压断路器柜的保护为反时限,由于保护整定值可调,那么,低压侧总开关选用智能式带短路短延时的开关,也可实现保护配合。这样就能够满足低压总开关折算到高压侧的动作反时限曲线在高压断路器动作反时限曲线下方的原则。6.2低压总开关与高压负荷开关-熔断器组合电器的保护配合由于高压负荷开关-熔断器组合柜所配的熔丝是与变压器相配套的,其反时限熔断的时间随着安装地点的不同将有所变化。如图2所示,当低压柜母排k2或分支线出口发生三相短路故障，其短路电流折算到高压侧以后，经查阅熔断器时间-电流特性曲线，熔断时间在70～100ms之间。支线二k3发生三相短路故障，其短路电流折算到高压侧以后，熔断时间在110～120ms之间。所以，当低压总开关设有短路短延时(0.1s以上)功能时，若变压器低压出口与支线二k3之间发生三相短路故障，极有可能出现低压总开关未动作而高压侧熔丝先熔断的现象，或者是低压总开关动作时，高压侧熔丝也同时熔断的现象。6.3低压开关类别的选择原则（1）分支线配电开关均选择A类断路器。（2）当变压器高压侧开关为断路器柜时,低压总开关宜选择带短路短延时的断路器(B类断路器)，以实现高低压断路器之间的全额保护配合。（3）当变压器高压侧开关为负荷开关-熔断器组合柜时，经计算,若低压柜母排短路故障,其短路电流折算至高压侧,对照熔丝反时限特性曲线,如果熔丝熔断时间高出100ms的两倍以上,低压总开关应选择带短路短延时的B类断路器,实现全额保护配合。如果高压熔丝与低压总开关、分支开关之间难以实现很好的全额保护配合,提出以下看法:①若低压出线均为大截面电缆出线,其电抗值较小,经计算,在出线的任何一点发生三相短路,其短路电流值均大于变压器低压侧额定电流的10倍。那么,低压总开关宜选择带短路短延时功能的B类断路器。这种保护配合方式,可满足低压总开关与低压出线开关在时间上的配合,其不足之处是当低压母排或低压出线出口处发生三相短路故障时,有可能出现高压侧熔丝熔断的现象。②若低压出线均为架空出线,其电抗值较大,经计算,在出线近处(可定为40～50m)之外发生三相短路故障,其短路电流值小于变压器低压侧额定电流的10倍