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摘要：对中压开关设备的设计，从供电系统的运行方式、开关设备的结构方案变化、一次元件的选择和布置、二次元器件的布置、二次电缆的走线合理性等方面，进行了系统的分析，具体的阐述了一个供电系统从输入到输出的整个过程，以及在产品设计过程中需要注意的一些问题。
关键词：系统；结构；一次元件；二次元件
1.引言
系统正常运行需要安全、可靠的保障，随着科学技术的不断进步及用电设备对供电质量要求的日益提高；开关设备技术的使用范围在不断扩大，种类在不断增多，自动化、智能化的程度也越来越高，开关设备的系统化、智能化、模块化等设计理念，推动着开关设备的不断发展、不断进步。
2.系统概述
2.1电力系统是由发电厂、变电站、输配电线路及用户，在电气相互连接，组成一个完整的供配电系统的整体。一般把输配电线路以及由它所联系起来的各类变电站称为电力网络。电力系统的结线方式与电力系统运行的基本要求以及负荷的性质有关，主要有以下几个方面满足系统可靠性运行要求、能够适应各种可能的运行方式，力求节约，使用电网的建设和运行都比较经济。
2.2电力系统结线方式
电力系统结线方式有以下几种：
（1）单电源方式，如图1所示，该配电系统只有一路电源进线，适用于对配电质量要求不高的场所使用；当电源侧出现故障，系统不能及时恢复供电时，也不会对负载造成太大损失的情况下进行使用；
（2）双电源方式，该类配电系统内具有两路电源进线，一路工作电源、一路备用电源，两组电源之间通过电气闭锁，可实现自动和手动切换，如果工作电源出现故障，备用电源会马上投入，可实现连续供电（图2）；
图1
图2
（3）旁路母线方式，一台负载由一个出线送电，如果该出线发生故障，则通过“倒旁”，利用旁路母线的出线给该负载送电，以提高运行的可靠性；
（4）双母线方式，双母线方式类似于旁路母线方式，都是给同一个负载送电，不同的是主母线和设备用母线都有各自的电源进线。
3.开关设备结构
结构方面，现在的开关设备大多为组装式结构，组装式结构变化简便、加工简单、生产周期短、制造成本低、工艺美观等优点。以12kV的开关设备为例，一般分有5个功能单元小室：断路器室、母线室、电缆室、仪表室、小母线室，各个小室之间既相互独立又紧密联系。一次元件在结构中的布置，既要安全合理，又要讲求经济效益。
3.1一次方案在结构上的实现
一次方案在结构上是否能实现；在结构方案设计时，需要考虑各元器件在设备中的布置与装配的可行性，其中一次元器件包括：断路器、电流互感器、电压互感器、零序互感器、接地开关、避雷器、熔断器、变压器、接触器等；在设计的过程中，不但要考虑各元器件安装零件的结构强度，又要考虑其所能承受的动热稳定值，同时满足绝缘距离及工频耐压的要求，如6kV开关设备的空气绝缘距离是100mm、工频耐压为32KV；10kV开关设备的空气绝缘距离是125mm、工频耐压为42KV。
3.2开关设备的结构布置
下面介绍开关设备的5个小室。
断路器室，在断路器室内，断路器的安装分有固定式和手车式，固定式安装是将柜内分支母线直接固定在断路器的上、下接线端头上，手车式安装是通过一次隔离插拔触头装置将手车与柜内母线连接起来，手车与开关设备有三个位置，即试验位置、运行位置、移开位置。
母线室，母线室是许多间隔的主母线需要贯通的小室，母线的大小和支撑强度须满足母线动、热稳定值的要求。
小母线室，小母线室内安装有控制、合闸、电压、低压电、照明等，小母线一般也是贯穿整列开关设备的。
电缆室，电缆室内一般有电流互感器、零序互感器、电接开关、避雷器，有时也装有电压互感器、变压器等。
仪表室，仪表室内全都是二次元件，通过二次线将所有元件联系起来，实现开关设备的控制、保护、计量、测量、信号的传输等功能。
3.3开关设备的连锁装置
开关设备的连锁装置直接关系到设备和地场人员的安全，开关设备的“五防”技术，使产品的安全可靠性大大迈进了一步，（1）防止误分、误合断路器；（2）防止误分、误合断路器、负荷开关、接触器；（3）防止接地开关处于闭合位置时关合断路器、负荷开关；（4）防止在带电时误合接地开关；（5）防止误入带电隔室。防止误分、误合断路器主要是防止操作人员认错柜号，除这一条可采用提示性的措施外，其余四防为强制性闭锁。
4.一次元器件
4.1开关设备主母线
主母线规格的选择必须满设计院提供的一次系统蓝图上所要求的规格、额定电流或负载容量等要求；同时，不管主母线规格以何种方式在技术资料中体现，都要认真复核母线规格与所要求的额定电流相符合。
4.2高压真空断路器
真空断路器是正常情况下接通和断开高压电路中的空载及负荷电流，在系统发生故障时能与保护装置和自动装置相配合，迅速切断故障电流，防止事故扩大,从而保证系统安全运行。
4.3电流互感器
对于高压电流互感器，其二次绕组应有一点接地。这样，当一、二次绕组间因绝缘破坏而被高压击穿时，则可将高压引入大地，使二次绕组保持低电位，从而确保人身和二次设备的安全。应当注意的是，电流互感的二次回路的接地点应在端子K2处。
4.4电压互感器
电压互感器的二次回路必须接地，其目的是为了保护人身和设备的安全。因为电压互感器在运行中，一次绕组处于高压，而二次绕组则为固定的低电压。如果电压互感器的一、二次绕组之间的绝缘被击穿，一次侧的高压将直接加到二次绕组上，而二次绕组所接的仪表和继电保护装置的绝缘水平很低，工作人员经常要与其接触，这样不但损坏了二次设备，而且直接威胁到工作人员的安全。
4.5零序电流互感器
零序互感器，在正常状态时，通过零序互感器三相电流的相量之和等于零，铁心中不会产生磁通，故二次绕组内也不会产生感应电流。当被保护线路发生单相接地故障时，三相电流之和不再等于零，它等于每相零序电流的三倍，此时，电流互感器的铁心中便产生感应磁通，二次绕组内将有感应电流，从而带动继电器使保护装置动作。一次电缆须能穿过零序互感器，多根时，应计算零序互感器孔径的大小。
4.6过电压保护（避雷器）
通常进线柜、馈线柜、母线PT、进线PT、分段柜中都安装避雷器。系统中一旦出现过电压、或雷击电压，且危及被保护设备绝缘时，避雷器立即动作，将高电压冲击电流导向大地，从而限制电压幅值，保护电气设备绝缘。现在，大多数工程的避雷器采用三相组合式，个别工程也有三相均为单只的，原理上是一致的。
4.7开关柜接地开关
接地开关，用于电路接地部分的机械式开关，它能在一定时间内承载非常条件下的电流（例如短路电流），但不要求它承载正常电路条件下的电流接地开关根据断路器的开断25KA、31.5KA、40KA、50KA。
5.二次元器件布置及接线
5.1开关设备仪表室面板布置
仪表室面板布置总的原则是：监视、观察、操作和调试方便，运行安全可靠；外观整齐、美观。
面板布置应在满足试验、检修、运行、监视、方便的前提下，行当紧凑，以节约成本。设计面板开孔与元件布置时，还应考虑布置在面板上的元件是否与继电器室的端子排或相关元件是否有干涉现象，同时要符合产品相关工艺要求及标准规范要求，根据各种元器件在产品中的功能及运行或维护时的操作频率等情况，进行统一的合理布置，以达到整齐、美观、给人以视觉上的享受。
5.2开关设备内二次端子排
二次端子排的排列顺序：首先是电流回路，电流回路中的计量回路、测量回路、保护回路、备用保护回路和外引预留回路，电流回路的端子必须采用试验端子；其次是电压回路，电压回路是将小母线上的电压A、B、C、N、E中的部分或全部引入综合保护装置、多功能电度表、测量表计、接线盒以及变送器等的回路；第三是控制回路，控制回路应该从正电源开始，中间是远方/就地、合/分闸、断路器的合分闸指示等，最后以负电源结束；第四是信号回路，信号回路则是电度表的脉冲信号、综合保护的开关量信号、及变送器的输出信号等，全都引至端子排上，用来传输到后台的回路，第五是辅助回路，辅助回路是将断路器的辅助接点、接地开关的辅助接点、以及继电器的开点、闭点旨至端子排，用来以后扩展或备用；最后是照明回路，为了安全起见，每个回路之间都要有空端子隔开。端子排上的接线是根据设计院提供的二次原理图以及开关设备上元件的布置做出来的，除了满足本柜需要外，还应根据设计院的二次原理图，预留外引接线端子。
5.3开关设备内控制回路
开关设备内一般有三个控制回路：储能回路、合闸回路、跳闸回路；弹簧机构的断路器都有储能回路，通过储能电机来实现储存能量，以满足断路器合闸时所需要的能量要求，在开关设备面板上可以通过指示灯来显示储能状态。合闸回路，通过合闸线圈的通电动作，在储能弹簧的作用下，使得储能保持掣子脱扣而完成断路器合闸的过程。有就地试验位置合闸、远方运行位置合闸、DCS合闸、保护合闸，即可手合闸，也可以电动合闸，合闸指示灯，以及跳位继电器是合闸回路的辅助回路。跳闸回路，通过跳闸线圈的通电动作，在分闸弹簧的作用下，使得合闸操持掣子脱扣而完成断路器跳闸的过程。有就地试验位置跳闸、远方运行位置跳闸、DCS跳闸、保护跳闸，即可手动分闸，也可以电动分闸，跳闸指示灯，以及合位继电器是分闸回路的辅助回路。
防跳闸回路，防跳回路是断路器在故障状态下防止再次合闸的回路，有三种方式可以实现，采用综合保护装置的防路，采用断路器的防跳，或者采用防路继电器，三种方式只能选用一种。
6.结果语
随着科学技术的进步，用户的严格要求，市场残酷的竞争，促进中压开关设备的生产和设计，更趋于合理化、人性化、模块化、市场化，本文从户内中压开关设备的系统入手，论述了开关设备的设计过程，以及设计时需要注意的问题，对于今后中压开关设备的设计有一定的指导作用。