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低压成套开关设备主回路系统设计


低压电器(2009N09) 通用低压电器篇

?研究与分析?

低压成套开关设备中的 主回路系统设计
张白帆

(厦门ABB低压电器设备有限公司,福建厦门361006)

登、母联?主母线的置计,阐述了母线免遭短路故障设计方法及负载分配原则。这对开 关柜设计有一定的借鉴意义。 关键词:.主回

路;进线主回路;母联主回路!孽路 文献标识码:B文章编号:100l_553l(2009)09躺舶
中图分类号:TM
591

张白帆(1953一), 男,工程师,主要从 事变电站自动化的 设计和工程工作。

Design of

Main

Circuits for Low Voltage Switchgear
ZHANG Baifan

(ABB

Xiamen Low Voltage Electric Equipment Co.,Ltd.,Xiamen voltage switchgear
was

361006,China)

Abstract:The design of main circuits for low couple and main bus
was

studied.The design of incomer line,bus method which prevent bus

introduced in
were

detail.The
can

load distribution principle and design help design of switchgear.

from suffering short circuit Key

expounded.It

words:main circuits;incomer circuits;bus coupler circuits;short circuit
10kV 10 kV







本文以ABB的MNS2.0低压开关柜为例,对

低压成套开关设备设计的进线主回路、母联主回 路及母线系统进行概要性地阐述。


进线和母联主回路
图1为两进线和单母联组成的低压系统,包

1.1进线主回路
发电 断

括两低压进线开关、母联开关、主母线、以及母线 上的馈电同路和补偿电容凹路等。
发电机进线开关与I段母线上的市电进线开

图1

两进线和单母联组成的低压系统

关互锁,即在任何时刻只能闭合其中1只开关。
两进线配套的测量仪表包括:电压U、电流,、

线槽的方式进线,则断路器一般采用上进下出的 方式,即断路器的上部一次接线端子连接母线槽, 而断路器的下部一次接线端子则连接到低压成套 开关设备中的主母线上。若电力变压器与低压进 线之间采用电缆的方式连接,则大多采用下进上
出的方式。 图2为MNS2.0进线柜的模式图。断路器下

有功功率P、无功功率Q和功率因数PF;母联和
发电机进线配套的测量仪表包括:电压U和电流

,。A相中多配套了1只电流互感器,用于为本段 母线的补偿电容回路控制器提供电流信息。
1.1.1

进线回路断路器的进出线方式

低压成套开关设备中的进线主回路有进出线 方式问题。若电力变压器与低压进线之间采用母
——6——

部一次接线端子连接了电缆u形连接铜排,来自

万方数据

?研究与分析?

低压电器【2009N09) 通用低压电器篇

图2

MNS2.0低压进线开关柜模式图

于变压器的电缆就搭接在u形连接铜排上。断
路器的上部一次接线端子通过连接铜排连接到水 平母线上。 这是一台典型的下进上出进线同路。MNS 2.0低压成套开关设备的主母线配置在开关柜的

图3低压进线电参量采集

电压测量的采集点位于电力变压器的低压

侧,测量同路上配备了熔断器。
其他测量则通过电流波形和参量以及电压波

后部,称为母线后置式开关柜。从图中还可见到 进线断路器和相邻的无功补偿柜。 1.1.2进线回路中的断路器 低压进线断路器一般采用抽出式ACB,断路
器上下端的接插符号表示抽出式结构。若低压进

形和参量联合计算获得。 零序电流的测量通过接在中性线上的零序电 流互感器进行。
测量既可依靠断路器外部的电流、电压测量

回路进行,也可依靠断路器自身的测量系统进行。 测量值的显示可采用普通测鼍表计或多功能 数字表计,若选用断路器自身测量则电参量将显 示在保护单元的面板上。 主进线回路断路器的参数选择关系到全低压 系统的主母线容量、保护参数选择和匹配、保护接 地形式等,同时还对配电线路的过载、欠压、失压、 短路和接地故障等参数产生影响。因此,主进线 回路是事关全局的重要功能单元。 1.1.5选择低压进线回路断路器的额定电流和
保护参数

线回路的电流比较小,则也可以采用MCCB。 1.1.3低压开关柜内的保护接地形式
若低压电力系统保护接地形式为TN—S,则将

电力变压器的低压侧中性线直接接地后分为N
线和PE线连同三条相线一同引入低压开关柜;

若低压电力系统保护接地形式为TN—C,则将电力 变压器的低压侧中性线与接地线合并为PEN后
连同三条相线一同引入低压开关柜。

1.1.4低压进线回路的电参量测量 测量的具体内容包括:①电压测量:三相电 压U;②电流测量:三相电流L、厶、t,零序电流 L;③功率测鼍和功率因数测量:三相有功功率
P、三相无功功率Q、三相有功电能形、三相功率因

短路电流对低压成套开关设备的热冲击强度 取决于冲击短路电流L,而短路电流对低压成套 开关设备的电动力冲击强度则取决于冲击短路电 流峰值,。。,在实际应用中要求对这两个电流的数 值给出估算值。
当三相电网发生短路时,系统中出现的最大

数PF;④频率测量和谐波测量:频率F和谐波的
百分率(见图3)。 对电流的测量依靠进线回路的电流互感器。 系统共配置4只电流互感器,3只用于电流测量,

短路电流是初始短路电流,:和冲击短路电流L。
以和,|计算如下:

1只用于补偿电容控制器的电流测量。

一7一

万方数据

低压电器(20(D1№9) 通用低压电器篇

?研究与分析?

Tf

CUE

CUP

为参考校核使用。 以下对低压进线断路器的选型进行描述:

‘,8z。

万× ̄/《+磁
Ik=,:

(1)确定断路器额定工作电流,u。,。应不小 于变压器低压侧输f{{额定电流,。,即J『。≥,。。 (2)确定断路器的保护参数

Ipk=n,/21,≈1.84Ik ,。=1.05一l,1,k

式中

玑——变压器低压侧的额定电压
值1.05

卜电压系数,计算三相短路电流时取
核:

,I。:毒L 穆坼uh


,。。≥1.1,k

毛——短路电路的总阻抗(mD.) 尺。——短路电路的总电阻(m11) 噩——短路电路的总电抗(mD.) J。——持续短路电流(kA) ,Dk——短路电路的冲击短路电流峰值(kA) n——求得冲。旨短路电流,。的系数 对于低压成套开关设备而言,没有必要通过
上述公式进行繁复的计算,只需估算出k、,。和 J『k即叮。

L。≥1.84Ik 若能够知道实际的短路时间,则低压成套开

关设备和低压进线同路的热稳定性可用下式来校 《。t≥圪ti。 式中£——开关电器的热稳定时间(s) ,。——电网稳态短路电流(kA),可以等效
认为等于,。

tim——等效短路时间(s),一般为实际短路
时间加卜0.05


由于在发牛短路时,首先要求断路器在短路 电流还未到达电流峰值之前就切断电路,同时对 产生的电弧进行有效的熄火。前者通过电磁斥力 推动速断脱扣器使断路器行使分断操作,而后者
则肩动电流过零熄弧或者舣金属片导电排高电阻 的办法来限制电弧的能量,以达到熄弧的日的。

对于开关电器的动稳定性校核条件是,低压

成套开关设备的额定峰值耐受电流小小于,,。,,畦
≈1.841k。

1.1.6选择低压进线回路断路器的级数
若低压系统的接地方式为TN—C,则低压进线

因此,断路器已经能够将短路电流的最大值限制
在接近,。的水平。

可采用三极断路器;若低压系统的接地方式为
TN.S并采用四段的ISIG保护,则低压进线建议

断路器的热稳定性用额定短时耐受电流,c。 来表达,,。。应满足 ,2。T≥《(巩+0.05) 式中,瓦、r分别为短路时问、热稳定试验时间。 估算中常用的表格如表1所示,本表参见
IEC 60439.1。

采用四极断路器,卡H应地主母线也要采用四极的 母排配置力.案。 1.1.7低压进线回路与母联回路的互锁关系和
方式

进线同路断路器和母联回路断路器的投退需
要满足一定的逻辑关系,以两进线单母联的系统

表1短路电流与短路冲击系数n换算表(供参考)

为例,若l、2段进线断路器的符号是QF。和QF:, 母联断路器的符号是QF,,则三者之问的合闸互
锁关系如下: QFl合闸=QF2+QF3 QF2合闸=QFl+QF3 QF3合闸=QFl+QF2

QF。=l,表示该断路器处于闭合状态;QF,= o,表示处于打开状态。符号上方加横杠表示求
反。 表中的cos妒实质为电力变压器高压侧的数 该式的物理意义是,3台断路器在任何时刻 只允许两台断路器同时合闸。

值,故计算出来的数值偏大,用于低压电网时可作 一8一

万方数据

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低压电器(2009N09) 通用低压电器篇

进线、母联之间的互锁关系可通过3种方式
建立:


1.2.1母联回路断路器的进出线方式
对于MNS 3.0侧出线低压开关柜来说,其母

(1)机械互锁。通过机械结构(拉杆或钢丝

线是后置的。当主母线中的电流比较小时,两段
主母线分别安排在母线小窜的卜部和F部,母联

软线)建立互锁关系。机械互锁性能可靠,但有 控制距离的限制。 (2)电气互锁。电气互锁尤需机械结构件, 只需将控制电缆在3台断路器的二次控制回路中 建立互锁关系即可。电气互锁尢距离限制,安装
方便,控制灵活。特别是当系统中配套了以PLC

断路器的进出线一次接线端子通过连接铜排连分
别连接主母线上;当电流比较大时,则每段的主母

.线都将占满母线小窜的上部和F部,母联断路器 的进出线一次接线端子将通过连接铜排连接到各 段主母线的上部和下部铜排上。 图4为母联柜的模式图。两段丰母线以母联 为中心对称地安排在母线室的上部和下部,母联 断路器利用连接铜排与两段主母线分别搭接。

作为逻辑控制单元后,可实现任意复杂程度的瓦
锁关系。 (3)合闸钥匙互锁。断路器的奉体合闸按钮 可以用钥匙锁定或解锁。为3台需要互锁的断路 器仅配套2把钥匙,则可实现合闸钥匙互锁。 1.1.8低压进线回路的“四遥”

低压进线同路可实现“四遥”操作,实现“四 遥”的方法有多种:
(1)通过断路器脱扣器实现“四遥”功能。 断路器的脱扣器按要求配上与总线系统对应的通

信扩展模块,并且对通信接口进行定义后就可实
现“四遥”功能。

(2)通过进线单元的智能仪表实现“三遥”
功能。通过进线单元配置的智能仪表能够实现 “三遥”功能,即遥测、遥信和遥控,但不能实现遥 调功能。

图4母联主回路中t母线排布模式图

1.2.2母联回路中的断路器 低压母联回路的断路器与进线回路的断路器 相同,一般采用抽出式ACB,当电流较小时也町
采用MCCB。

另外,进线回路的短路数据也无法通过智能
仪表检测出来。一般进线回路配氍的电流互感器

母联断路器的保护对象是母线,采取长延时 过载L保护和瞬时速断短路l保护。 当低压成套开关设备的保护接地形式为TN— s,若低压进线同路采用带接地故障的四段保护方
式,则母联必须采用四极断路器;若低压成套开关

是为测量正常工作电流而没置的,囚而其过载倍 数为2倍,。,当进线凹路的一次导线中流过相当 于6—12倍,。的短路电流时,电流瓦感器将进入
饱和状态而无法实现测量短路电流的功能。因 此,利用智能仪表只能测量一般的T作电流,最多 只能扩展到测龟过载电流。

设备的接地形式为TN.C,且进线断路器采用三段 保护,则母联可以采用i极断路器。 冈为母联断路器仪负责对主母线中1/2的负 载提供电能,故母联断路器的额定工作电流可按
进线断路器的额定工作电流减小一个等级来选 取,但最小不得低于进线断路器额定工作电流的
1/2。

(3)利用传感器加上PLC实现“三遥”功能。 利用传感器加卜PLC能够实现类似智能仪表的 遥测、遥控和遥信功能,f日同样不能实现遥凋功能
及遥测短路电流的功能。 1.2母联主回路 如果说低压进线断路器的保护对象主要是电 力变压器,那么母联断路器的保护对象就是低压

1.2.3母联回路的电气测量 母联同路电气测鼍的具体内容包括:母线三 相电压u;三相电流L、厶、,r。母联同路共配置的 一9一

成套开关设备中的母线。

万方数据

低压电器(2009N09 J 通用低压电器篇

?研究与分析?

3只电流可=感器用于电流测量。母联回路的电压 和电流参量的测量呵借助于测量仪表,也町依靠
断路器自身的保护装置来采集电参量。

两根并行的导线问的电动力,依据两根导线
中的电流是同向或反向而发生相互吸引或相互排 斥。两根平行导线问的相互作用力符合:

1.2.4低压母联回路与进线回路的互锁关系和
互锁方式

F=0.2I;kL/A
式中:F为电动力(N);L为导线长度(母线支撑 绝缘夹之问的距离)(cm);4为导线问的中心距 离(cm)。

母联回路断路器的互锁关系和互锁方式与进 线回路断路器相同,互锁关系也可通过机械巨锁、 电气互锁和合闸钥匙互锁来实现。 母联同路与进线回路的投退关系有四种,分 别是:手投手复模式、手投自复模式、自投手复模 式和自投自复模式。这里所指的“投”是针对母 联断路器的:当某段进线失压后,首先分断进线断 路器,然后投入母联断路器;这里所指的“复”是 针对进线断路器:当某段进线的电压恢复后,首先 分断母联断路器,然后闭合进线断路器。
进线和母联的投退关系义被称为备用电源自

,。。产生的电动力与导线问的距离A及导线
长度£有关。

判断带电导体的磁力线方向是右手定则,而
判断电动力方向的则是左手定则。

在交流电路中,出现三相短路时产生的最大
电动力在中性线上。 在交流电路中,流经导线的足随时问呈正弦 变化的电流,因此,电动力的大小随正弦曲线的平 方而变化。如果短路电流持续uCf.]长于丁频周期

动投切,简称为“备自投”操作。 备自投操作的电气逻辑关系可利用时间继电
器和中间继电器来建立,也可利用PLC来建立。

的一半,则导线上将承受为电网工频双倍的电动
力。 2.1短路电流的电动力冲击作用 图5为MNS 2.0开关柜中两支同相主母线 的排列图。

由于PLC可以建立比较复杂的电气逻辑关系,因 此在电气逻辑关系比较复杂或者投退操作必须要
有足够的时间准确性和可靠性性时,建议采用

PLC来实施备自投投退操作。 值得注意的是:当低压电力系统首次上电时, 不管采用何种自动或手动备自投投退方式,但一 律要采用手控按钮方式将低压进线断路器合闸。
图5
MNS

2.0低瓜歼父柜中的同相母线



水平母线
在MNS 2.0低压成套开关设备中,水平母线

为计算方便起见,不妨认为每支铜排从截面
中心流过,乩/2的短路电流,并且铜排的长度为1 m,铜排的宽度为6(3111,铜排间距为2 cm,而冲击

是后置的。 从侧面看MNS 2.0的母线室,母线室分为上

下两个区域,其中上部区域的水平母线排列方式 从上至下为N、L。、L2、L3,下部区域水平母线排列
方式从上至下为L。、L:、L3、N。

25

短路电流峰值,pk=50 kA,每支铜排分得,Pk/2= kA。将这些参量代入公式则得到

F=0.2丘。L/A=1
2.2短路电流的热冲击作用

562.5 N

当低压系统中出现短路电流后,将对低压成 套开关设备的主母线产生电动力冲击作用和热冲
击作用。 在MNS 2.0低压开关柜中,每相的主母线由

冲击短路电流,。使得电路中的导线剧烈地
发热,发热量与冲击短路电流,。的平方以及持续 的时间成正比: Q=k
1.t

2、4或8支母排构成。若主母线由2支母排构 成,则当母线发生短路时,同相母线的电动力应当 出现在某短路相的两支主母线铜排上,且均为向
内的吸引力。

式中:Q为导线发热量(J);,。为冲击短路电流;t 为冲击短路电流持续的时间。
2.3

MNS 2.0低压成套开关设备中的主母线 图6为MNS 2.0侧出线的后置水平母线,

一10一

万方数据

?研究与分析?

低压电器(2009N09) 通用低压电器篇

流流通路径,使得短路电流峰值受到限制。若在 图7的主母线中间插入母联开关,则主母线上的
冲击短路电流峰值均为1倍的,,-。

短路点

图6

MNS

2.0低雎开关柜巾的母线系统

上、中、下部分别为A、曰、c相铜排。 从MNS 2.0开关柜的铜排布置中可看出,矩
短路点

形的主母线铜排的安装位置非常靠近C形骨架, 其刚性非常好,同时,同相的两支铜排之间也采用 了坚固的夹紧装置,故能非常可靠地抵御冲击短 路电流峰值,。。的电动力冲击。
在侧出线结构中,同相的两支铜排之间承受

图7母线系统中的工作电流和未受限制的 冲击短路峰值

在实际工程中,低压开关柜中往往都配套了

母联开关将汇流母线分段为多段主母线,各段主 母线分别由本段的电力变压器供电。主母线上的 分段母联开关正常运行状态下处于分断位置,从
而有效地限制了J『。。;当电源出现故障时,脱离本

了最大的电动力。对于四极的母线系统,在C相
母线的下方又安排了N线铜排,若此时C相母线 发生了对零或对地短路,则c相和N线铜排的电 流相等但方向相反。此时的C相铜排和N线铜

段电力变压器后闭合母联开关使得负载能够得到
电能。

排两支铜排之间分别承受相巨吸引的电动力E, 而C相铜排与N线铜排之间则承受相瓦排斥的
推力R,故受电动力最大的是下部C相铜排和上 部N线铜排,它们承受的电动力是F。+吒。
MNS

低压开关柜中的主母线满足冲击短路电流峰 值,。。的要求时,母线系统乃至于全系统低压开关 柜都是稳定的,能够有效地抵抗短路电流产生的
电动力冲击和热冲击效应。

2.0开关柜将母线系统放置在开关柜的

后部能获得最大的结构稳定性和良好的散热能 力。 3

在安排母线上的负载时应当尽量将负载平均 地分配给各段母线,要尽可能地使得两段母线上
的负载基本对称。

母线上的负载分配原则
低压成套开关柜中的低压主母线,在正常工

值得强调指出的是,在主母线上配备母联开

关的作用就是使母线上流过的,。。受到影响,使得 /'pk产生电动力作用时仅仅影响到本段母线而不会 影响到下一段母线,避免了短路事故的故障扩大 化。 【参考文献】
[1] ABB公司.低压配电电气设计安装手册[z].

作状态下起到汇流排的作用,而当发生短路时,母
线则要承受,酞的影响,也即短路的电动力效应。

在图7的上图中两台电力变压器位于母线的 中部,当母线左侧发生未受限制的短路时,左侧母 线中有2倍的,。。流过;在图7的下图中两台电力
变压器位于母线的两侧,当左侧母线中发生未受

[2]ABB公司.ABB MNS2.0[Z]. [3]ABB公司.ABB MNS3.0[Z]. 收稿日期:2009_03—16

限制的短路时,母线中有1倍的,以流过。 可见母联开关的作用是切断母线上的短路电

唁e气e气e气C气e乍e气e气c气eto—罾e农,啦,∞,啦,啦掣,啦水噶e气cle乍e气e气也噶也^也1C气电,啦,啦衣,啦!也乍e乍e气也气也乍e乍e乍e气e乍e勺6

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万方数据

低压成套开关设备中的主回路系统设计
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 张白帆, ZHANG Baifan 厦门ABB低压电器设备有限公司,福建,厦门,361006 低压电器 LOW VOLTAGE APPARATUS 2009,""(9) 0次

参考文献(3条) 1.ABB公司 低压配电电气设计安装手册 2.ABB公司 ABB MNS2.0 3.ABB公司 ABB MNS3.0

本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_dydq200909002.aspx 下载时间:2010年8月6日


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