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高压开关柜电气设计毕业论文
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不明觉厉呀亲
摘要1
ABSTRACT1
第一章绪论2
1.1概述2
1.2高压开关柜的类型2
1.3高压开关柜的主要技术参数3
1.4高压开关柜的技术发展4
1.5本课题的主要任务5
第2章高压开关柜一次接线设计6
2.1开关柜的总体结构（以中置式真空断路器柜为例）6
2.1.1基本要求6
2.1.2主回路方案的确定7
2.2真空断路器柜7
2.2.1一次接线7
2.2.2一次电器元件的选择8
2.2.3母线的选择与布置10
2.3计量柜14
2.3.1电能计量柜的基本要求参数14
2.3.2电能计量柜的基本技术要求14
2.3.3一次接线16
2.3.4一次电器元件的选择16
2.4F-C柜18
2.4.1一次接线19
2.4.2一次电器元件的选择20
第3章高压开关柜二次接线设计23
3.1真空断路器柜二次电路设计23
3.1.1操动机构25
3.1.2二次电路设计27
3.1.3二次元件的选择27
3.2真空断路器柜二次电路安装接线图设计28
3.3计量柜二次电路设计29
第4章高压开关柜微机型综合测量保护装置30
4.1微机测量30
4.2微机保护30
4.2.1微机保护的硬件31
4.2.2微机保护的软件35
摘要
成套配电装置又叫成套配电柜，也是以开关为主的成套电器，故也俗称开关柜。
它用于配电系统，作为接受与分配电能之用。
据电压高低，它可分为高压开关柜和低压开关柜两大类：
按装置地点的不同，又分户外式与户内（10kv及以下的多采用户内式）；按开关电器是否可以移动，又可分为固定式和手车式。
可见，高压开关柜是成套配电设备的一种，是有由制造厂成套供应的高压配电装置。
在这种封闭或半封闭的柜中可装设各种高压电器、测量仪表、保护电器和控制开关等等。
通常一个柜就构成一个单元回路，所以一个柜也就成为一个间隔。
使用时可按设计的主回路方案，选用适合各种电路间隔的开关柜，然后使可组成整个高压配电装置。
也具有占地少、安装使用及维护检修方便，适于大量生产等特点，故应用很广泛。
关键词：
配电柜设计
ABSTRACT
Completesetsofpowerdistributionequipmentandcompletesetsofpowerdistributioncabinets,alsoisgiveprioritytoinordertoswitchthecompletesetsofelectricalappliances,itisalsocommonlyknownasswitchgear.Itisusedforpowerdistributionsystem,fortheuseofacceptanceanddistributionofelectricalenergy.Accordingtothebedividedintotwobroadcategories:
bemoved,andcanbedividedintofixedandequipment,aresuppliedbymanufacturersofcompletesetsofequipment.Insuchaclosedorsemi-closedarkcanfurnishallkindsofandcontrolswitch,etc.Usuallyaark,makeupaunitcircuit,soaarkalsobecameainterval.Whenusedaccordingtothedesignofmaincircuitscheme,choosesuitableforallkindsofcircuitintervaloftheswitchgearcabinet,thenmakecanformthewholeequipment.Alsoandmaintenance,suitableformassproduction,sotheapplicationisveryextensive.
Keywords:
Powerdistributioncabinet.design
第一章绪论
1.1概述
称套配电装置又叫成套配电柜，也是以开关为主的成套电器，故也俗称开关柜。
它用于配电系统，作为接受与分配电能之用。
据电压高低，它可分为高压开关柜和低压开关柜两大类：
按装置地点的不同，又分户外式与户内式（10kv及以下的多采用户内式）；按开关电器是否可以移动，又可分为固定式和手车式。
可见，高压开关柜是成套配电设备的一种，是有由制造厂成套供应的高压配电装置。
在这种封闭或半封闭的柜中可装设各种高压电器、测量仪表、保护电器和控制开关等等。
通常一个柜就构成一个单元回路（必要时也可用两个柜），所以一个柜也就成为一个间隔。
使用时可按设计的主回路方案，选用适合各种电路间隔的开关柜，然后使可组成整个高压配电装置。
也具有占地少、安装使用及维护检修方便，适于大量生产等特点，故应用很广泛。
高压开关柜种类较多，分类方法亦有多种：
按断路器的安装方式可分为固定式和手车式两大类；按柜体结构型式可分为开启式与封闭式两种；还可分为一般环境和特殊环境用（后者包括矿用、化工用、高海拔地区用等）。
首先，按母线的额定电流及长期工作制备下的电流密度决定母线面积，再按铜母线标准选择厚度及宽度，并检验母线在长期工作制下的稳定温升，及通过短路电流时的动热稳定性。
三．截面积（Sa）
Sa=INJa[mm2]（2.1）
式中IN：
母线额定电流（A）
Ja：
母线电流密度（Amm2）取铜母线Ja=3Amm2
Sa=2003=66.67mm
按铜母线标准选择厚度（b=30mmSa=120mm2
四．工作制下的稳定温升（Tw）
Tw=IN2RKTSb（2.2）
式中R:
母线电阻
式中Sb=母线散热面积Sb=2（²
将JYN2－10母线有关数据代入上式中
Tw=IN2RKTSb＝36.88Ｋ（2.3）
按GB736－74交流高压电器在长期工作制的最大允许发热温度铜母线在环境温度为40度的空气中允许温升为70K，此母线温升合格．
五．检验母线的热稳定性
通过短路电流时，母线的温度（θk ）可按下式计算
式中 α0 ：
温度为0度时母线材料的电阻温度系数
θ0 ：
发生短路前母线的温度
ρ0 ：
温度为0度时，母线材料的电阻温度系数
tk ：
短路电流持续时间
jk ：
短路电流密度
c ：
母线材料的比热
r ：
母线材料的密度
JYN2-10母线的4S热稳定电流为10kA
α0=1235θ0=36.88+40=76.88
ρ0=1.65×10-8
tk=4sjk=10×103250×10-6=4×107Amm2
r=8.9×103Kgm3将以上数据代入上式中
θk=103.50C
按国标1984－80的规定铜母线短路时通过短路电流时，极限允许温度为300度，故此母线的热稳定性合格。
六．检验母线的电动稳定性
首先计算母线通过动稳定电流时，所受电动力，再按此电动力大小及分布情况，计算母线的内应力，应不大于母线材料的许用应力，最后，计算母线的固有振荡频率应小于工频交流电流频率的两倍，以免发生机械共振现象，满足以上要求，则母线的电动稳定性合格。
动稳定电流为25kA（峰值）
三相母线平行排列，母线间距离
S＝250mm，母线长度L＝1000mm
计算回路系数Ｋc
Ｋc=2Ls×[（1+（sl）2）0.5-sl）]（2.4）
=6.24
确定截面积系数λ
a=250mmb=30mmb时q=337.74Nm
Mmax=0.125×337.74×12=42.22N.m
弯曲应力σ=MmaxWW:
母线抗弯截模量
母线的排布是在一个平面内平行排列，电动力与宽边b平行，W可按下式计算：
W=b2h6=302×10-6×4×10-36=0.6×10-6m3（2.7）
σ=42.220.6×10-6=70.37×106Pa<铜母线的屈服强度
铜母线屈服强度为σS=195×106Pa，一般机械的屈服安全系数ns=1.2～2，若取ns=2则铜母线的许用应力[σ]计算如下：
[σ]=σSns=195×1062=97.5×106Pa（2.8）
σmax<[σ]
铜母线在最大电动力作用下，其内应力小于许应力，故机械强度合格。
七.计算母线的固有振荡频率（f）
交流电动力的交变频率为电流的2倍。
如果电动力的频率与导体系统的固有振荡频率相等，导体就会发生共振现象，这将对导体系统产生很大的破坏力。
因此，最好使承受交流电动力的导体系统固有振荡频率低与电动力的频率，以免与高次谐波电动力发生共振。
对于单跨距母线其固有振荡频率可按下式计算
f=35L2×（EJPM0）0.5（2.9）
式中L：
支持绝缘子跨距（m）
E:
导体的弹性模数，对于铜导体E=1.13×1011Pa
JP:
垂直于弯曲方向轴的慣性矩（m4）
M0:
导体单位长度质量（kgm）
已知M0=30×4×10-6×8.9×103=1.068kgm
L=1mJP=b3h12=303×4×10-1212=0.9×10-8m4
f=35L2×（1.13×1011×0.9×10-81.068）0.5
=1080HZ
母线其固有振荡频率大于电动力的频率（100HZ），故不会引起机械共振。
2.3计量柜
计量柜是用于计量电能的消耗量，每种型号都是有电能计量专用柜。
它装有三个仪表：
有功电度表、无功电度表和一个电压表，并有一个电力定量器（DSK）。
2.3.1电能计量柜的基本要求参数
（1）额定电压：
整体式电能计量柜和计量互感器柜，以其主电路的额定电压表示，有：
0.38kv,6kv,10kv,35kv。
（2）额定频率为50Hz。
（3）额定电流：
整体式电能计量柜和计量互感柜，以其主电路的额定电流标示，有：
630A,800A,1000A三挡；
计量仪表柜，以互感器的额定二次电流标示，1A或5A.
（4）准确等级：
计量柜内计量仪表的准确级表示，有0.5级、1.0级两级。
（5）综合误差：
根据电能计量装置类别确定，有±0.70级、±1.20级两级。
2.3.2电能计量柜的基本技术要求
（1）整体式电能计量柜，可由单个柜或几个柜并列组合而成。
其外形及结构与相邻的高、低压开关成套设备协调配合。
（2）分体式电能计量柜，由单个柜或几个柜组合而成。
当与高、低压开关成套柜并列安装时，其外形及结构应相邻的高、低压开关成套设备协调配合。
分离安装的计量仪表柜，宜采用定型的柜作外壳。
（3）电能计量柜的防护等级不应低于GB4208规定的IP20级。
（4）电能计量柜应落地固定安装，电能计量箱可以采用挂墙式安装。
（5）计量电能互感器电路
1）电能表及其他设备。
应分别接于各自的专用二次绕组。
2）二次负载不应超过额定输出。
且不应低于额定输出的25%。
3）计量电路，应先经实验合格后再接入电能表。
（6）计量电压互感器电路：
1）电能表及其他设备。
应分别接于各自的专用二次绕组。
2）二次负载不应超过额定输出。
且不应低于额定输出的25%。
3）整体式电能计量柜计量互感器的二次侧不应装设熔断器（自动开关）和串接隔离开关的辅助触头；计量互感器柜的出线侧可以装设快速熔断器（自动开关），但不应串接隔离开关的辅助触头。
4）计量电路，应先经实验盒后再接至电能表。
5）计量电路不应作为辅助单元的供电电源。
6）计量电路中应装设失压计时器。
（7）二次导线不应有中间接头。
多股导线的端头应搪锡。
（8）整体式电能计量柜应装设防止误操作的安全联锁装置。
（9）电气接地应符合安全技术规定。
（10）信号灯和按钮的颜色应采用：
合闸为红色，分闸为绿色。
（11）计量电压互感器的隔离开关操动机构上应装设机械型子挂锁。
（12）电能计量柜的门上应装设机械型子弹门锁和备有可铅封的设施。
（13）仪表观察窗应采用无色透明的玻璃，面积应满足抄表和监视的要求。
（14）电能计量柜内应设置观察和检修用的照明灯具。
（15）电能表应固定安装在电能夹具上。
（16）可移动部件与固定部分间的连接导线中间不应有接头；经常需要拆卸部件的连接导线，其长度有适当裕度。
（17）电能表安装高度及间距：
1）电能表距地面不应低于600mm。
2）电能表与电能表之间的水平间距不应小于80mm.。
3）电能表与试验盒之间和垂直间距不应小于40mm。
（18）壳体和机械组件应具足够的机械强度，在储运、安装、操作、检修时不应发生有害的变形。
（19）柜中各单元之间宜以隔板或以箱（盒）式组件区分和隔离。
（20）柜式结构的电能计量柜顶部应设置吊装用挂环。
（21）电气设备及部件应选用符合其产品标准要求优质产品。
（22）电能计量柜应做出厂检验和型式检验。
2.3.3一次接线
35kV系统属于小电流接地系统（系统中性点不接地或经消弧线圈接地）因而使用三相两元件电度表。
计量柜的一次接线如下图2.2所示
图2.2计量柜一次接线图
2.3.4一次电器元件的选择
一．电流互感器的种类和选择
对于测量和保护用的电流互感器，型号较多，可选LA、LZZB、AS12系列等。
在此选择了LZZB系列的电流互感器。
有关参数如下表2.3。
表2.3电流互感器的技术数据
型号
额定电流比（A）
级数组合
二次负荷（欧）10%倍数
秒热稳定倍数
动稳定倍数
0.5
级
1
级
3
级
D、B
级
欧
倍数
LZZB6-10
5-2005
0.5B
10
15
B级
B级
150
150kV*2.55
LZZB6-10
2005
0.5B
0.4
10
122.5
220
LZZB6-10
0.5B
10
15
15
10
24.5
44
二．电压互感器的类型和选择
压互感器根据其接线方式可选相应型号的产品。
35kV高压开关柜尤其是手车柜中的电压互感器要求外形尺寸小，重量轻，环氧树脂浇注全封闭，目前有JDZ8-35、JDZJ8-35、JDZX8-35等型号可供选择。
选择了JDZ8-10型号的电压互感器。
有关参数如下。
表2-4电压互感器的技术数据
型号
电压级次（kV）
额定电压（V）
额定容量（V*A）
备注
不接地单相电压互感器。
两台可接成VV形接线方式
一次
二次
0.5级
1级
3级
最大
JDZ8-10
10
10000
100
（30）50
80
200
400
三．高压熔断器的类型和选择
高压熔断器用于供电线路、电压互感器、电力变压器及电力电容器等电气设备的短路保护和连续过载保护。
高压熔断器具有结构简单、造价低廉、容易维护、使用方便的特点。
熔断器是熔管有三种形式：
（1）形式A,不带指示器，不带撞击器：
（2）形式B带指示器；（3）形式C，带撞击器。
熔体是支撑是一个横截面为星型的绕线体，石英砂填充熔管和熔体之间的空腔。
撞击器装在熔体支架内。
当熔断器熔断时，它动作，并承担脱扣功能。
当熔断器熔断时，他同时作为可见指示器。
国内生产的限流熔断器有RN-RN6,XRNT1SBLAI、XRNTISFLAJ、XRNT2FFLAJ、XRNT2、XRNT3、XRNMWDF、XRNMIWFF、XRNP、CEF12、SKDAJ、SFLAJ等。
其中，RN2专用于保护电压互感器。
在此选择了RN3户内熔断器，主要技术参数如下表2.5。
表2.5RN3户内熔断器的技术数据
型号
额定电压
（kV）
熔断器
额定电流
（A）
三相断
流容量
（MV*A）
熔体额定电流
（A）
重量
（kg）
RN3-10
10
50
75
200
200
6.3
6.9
11.7
2.4F-C柜
F-C回路柜是由高压限流熔断器（Fuse）、高压接触器（Contactor）、集成化的多功能综合保护装置等组成的高压开关柜。
它具有占地面积小、寿命长、能频繁操作、维护量少、维修强度低、防火性能好、噪音低、环保性能好、内部故障概率小（由高压限流熔断器的限流持性所决定）、使用经济等优点。
F-C回路柜主要用于操作高压电动机。
高压限流熔断器独特的开断短路电流的能力，加上高压接触器适用于频繁操作的特点，使得F-C回路开关柜在操作高压电动机的场合被广泛应用。
开关柜采用F-C回路后，大量的控制操作由高压接触器来完成，少量的保护功能由熔断器来完成。
这样，在F-C柜中，各元件真正做到了物尽其用。
F-C回路柜配装的高压接触器有真空和SF6两种类型。
接触器的普遍特点是：
体积比较小，机械寿命和点寿命比较高。
此外，智能化的高压接触已经出现，如对真空接触器异常温度升高的监视，分合闸线圈断线监视及真空灭弧室的真空度劣化监视等。
由于高压接触器体积小，F-C柜可设计成双层结构，一面柜可容纳两台真空接触器，成本低，使用经济，占地面积小。
F-C回路柜具有独特是限制故障电流的功能，使是在使用F-C回路柜的系统中相应电器和线路就不必要具有较大的故障承受能力，整个系统就因此而可以节省投资。
采用F-C柜后，速断保护由限流熔断器完成，与使用断路器配置继电保护装置相比，减少了中间时延。
电流越大，限流熔断器断开故障电流的时间越短。
当短路电流达到7kA时，熔断器的断开时间将小于10ms。
因此，F-C柜对电机及电缆保护将更有利，其快速切断特性将减少故障对电网的影响。
在F-C柜中，由于高压限流熔断器的限流作用，预期电流为40kA的短路电流被限制在峰值40kA以下，而该电流的持续时间又不大于10ms，这样，电缆的截面积减少很多。
统计数据表明，使用F-C柜后，可节省电缆投资30%以上。
2.4.1一次接线
该柜采用三相电流互感器，装有RC过电压吸收器和接地开关，如下图2.3所示。
图2.3F-C柜一次接线图
2.4.2一次电器元件的选择
一．高压限流式熔断器的类型和选择
高压限流式熔断器利用过载和短路电流将熔体熔化后，由石英砂吸收弧能，冷却、熄灭电弧。
其熔体材料为纯铜或纯银，额定电流较小是用线状熔体，额定电流较大的用带状熔体。
限流熔断器可以单独使用，也可以与高压负荷开关、高压接触器组合使用，取代某些场合用的断路器。
熔断器是熔管有三种形式：
（1）形式A,不带指示器，不带撞击器：
（2）形式B带指示器；（3）形式C，带撞击器。
熔体是支撑是一个横截面为星型的绕线体，石英砂填充熔管和熔体之间的空腔。
撞击器装在熔体支架内。
当熔断器熔断时，它动作，并承担脱扣功能。
当熔断器熔断时，他同时作为可见指示器。
国内生产的限流熔断器有RN-RN6,XRNT1SBLAI、XRNTISFLAJ、XRNT2FFLAJ、XRNT2、XRNT3、XRNMWDF、XRNMIWFF、XRNP、CEF12、SKDAJ、SFLAJ等。
其中，RN2专用于保护电压互感器。
在此选择了RN3户内熔断器，主要技术参数如下表2.6。
表2.6RN3户内熔断器的技术数据
型号
额定电压（kV）
熔断器
额定电流
（A）
三相断
流容量
（MV*A）
熔体额定电流
（A）
重量
（kg）
RN3-10
10
50
75
200
200
6.3
6.9
11.7
二．高压接触器的选择
高压接触器是一种高压控制电器，主要用于对高压电动机、变压器、电容器等电气设备进行控制和频繁操作。
高压接触器频繁操作性能很好，最高的可达200万次。
高压接触器按绝缘介质分，有空气式、真空式和SF6式三种类型；按电压等级分3.6、7.2、12kV三种；按布置方式分有上下布置和前后布置两种结构。
合闭保持方式有机械保持和电保持两种。
还有采用高性能永久磁铁作锁扣的，称永磁保持。
高压真空接触器和SF6接触器具有寿命长、操作频繁、安全可靠、体积下、重量轻、不污染环境、价格底和良好的开断性能等一系列优点。
特别是高压真空接触器，有具有不爆炸及检修方便的特点。
真空或SF6接触器与高压限流熔断器等元件构成的组合单元（F-C回路）在治金、化工、煤炭、港口等许多需要频繁操作的场所大量采用。
由于在不降低要求是情况下采用F-C柜比使用高压真空断路器、SF6断路器至少节约一次性投资30%以上，节约长期性投资更可观，有明显的经济效益，故在此选择电压等级为12kV的高压真空接触器用于F-C回来开关柜中。
三．电流互感器的种类和选择
对于测量和保护用的电流互感器，型号较多，可选LA、LZZB、AS12系列等。
在此选择了LZZB系列的电流互感器。
有关参数如下表2.7。
表2.7电流互感器的技术数据
型号
额定电流比（A）
级数组合
二次负荷（欧）10%倍数
秒热稳定倍数
动稳定倍数
0.5级
1级
3
级
D、B
级
欧
倍数
LZZB6-10
5-2005
0.5B
10
15
B级
B级
150
150kV*2.55
LZZB6-10
2005
0.5B
0.4
10
122.5
220
LZZB6-10
0.5B
10
15
15
10
24.5
44
四．电压保护装置及接地开关的种类和选择
电力系统的过电压分为内部过电压（包括操作过电压、弧光接地的过电压、铁磁谐振过电压）和外部过电压（雷击过电压）两类。
高压开关柜根据其用途，应配置相应的过电压保护装置，用于防止雷电过电压的高压开关柜，可配阀式避雷器或氧化锌避雷器（压敏电阻避雷器）；操作过电压的防止，例如作为高压电容器组投切、高压电动机和电弧炉的切合等用途的高压开关柜，可选配RC过电压吸收器、氧化锌避雷器等。
在此选择了RC过电压吸收器（LG型等）的电阻器与电容器串联电路，用电容削平过电压波，用电阻吸收能量，和一个JNZ-10Z31.5接地开关。
第3章高压开关柜二次接线设计
3.1真空断路器柜二次电路设计
二次回路是各类开关设备的一个重要组成部分，对于成套电器更是如此。
成套电器的电气回路由主回路和辅助回路（即二次回路）构成。
二次回路图是用规定的图形符号和标号将该回路中的所有元件相互连接，按照动作原理依次表示出来。
二次回路图按用途分包括原理图和安装接线图两类。
原理电路图用于表示仪表、继电器、控制开关、信号位置、开关电器的辅助触点等二次元件和操作电源相互之间的电气连接、动作顺序和工作原理。
安装接线图用来表示二次元件之间连接关系，它是一种电气施工图，主要用于二次回路的安装接线、线路检查、维修和故障处理。
原理电路图
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