断路器设计范例

摘要:

在成套产品设计及应用中，针对影响低压断路器性能的因素，主要探讨了断路器的载流量、保护性能以及短路特性对断路器性能与安全的影响。结合相关企业实例，着重分析了影响断路器载流量的因素，为低压断路器在成套设备中安全使用提供依据。

关键词:

低压断路器;低压成套设备;载流量;保护性能;短路特性

0引言

随着低压断路器和低压成套设备越来越趋于智能化，以及通信技术在产品中的广泛应用，对于成套设备的核心器件———低压断路器在成套设备设计和应用中有了更高的要求。由于大部分低压断路器生产企业没有提供足够的技术数据，如温升和功耗方面的详细参数，同时低压成套设备设计人员在设计和应用过程中缺乏相关的经验和能力，对断路器的安全和保护性能没有充分的理解，使得低压断路器的功能达不到预期的目标。因此为了保证成套设备的高可靠性，必须全面地了解低压断路器在成套产品设计及应用时应考虑的因素。结合这些因素，设计生产质量和可靠性都满足使用要求的低压成套设备产品。目前对低压断路器和低压成套设备安全的应用主要依据GB14048．2—2008《低压开关设备和控制设备第二部分:断路器》和GB7251．1—2013《低压成套开关设备和控制设备第一部分:总则》。当断路器应用在成套设备中时，其中环境相比于自由空气时有很大的差别，因此断路器在自由空气中满足GB14048．2各项参数不一定能够满足成套产品标准。成套设备都有一个比较封闭的壳体，断路器在成套设备内部的工作环境会更加严苛，对断路器的安全和性能应有更高的要求［1］。低压成套开关设备和控制设备温升可以通过IEC60890∶1987《评估部分型式试验的低压成套开关设备和控制设备(PTTA)温升的外推法》进行理论上的计算，主要用于确定外壳内空气的温升。但这种方法要求满足的条件较多，如外壳内功率损耗近似均匀分布、内装设备布局使空气流通几乎没有阻碍、总电流等级不超过3150A、框架单元中的水平隔板不多于3个、承载大电流的导体和机构部件的布局使涡流损耗可以忽略不计［2-3］。由此可见该标准使用局限性较大，考虑的因素较为理想化，不一定能满足实际应用的需求，但是在理论分析与计算时可以参考使用。因此，本文将对低压断路器在成套产品设计及应用时应考虑的因素进行介绍与分析，为低压断路器在成套设备中安全使用提供依据。

1影响断路器性能的因素

摘要：对成套产品设计以及中低压断路器性能进行分析，主要对断路器载流量、保护性能、短路特性进行阐述。基于相关实例，分析断路器载流量因素，为成套产品设计及应用中低压断路器提供依据。

关键词：断路器；载流量；保护性能

引言

随着对断路器及其成套设备研究的深入，其应用呈现智能化的特点，被广泛地应用到通信领域中。作为成套设备的核心器件，制造地区断路器的企业，并没有提供详细的技术数据，如温升、功耗参数，同时部分设计人员缺乏经验和能力，没有充分认识断路器的保护性能，使得这一器件的应用达不到预期目标。为了保证中低压断路器在成套产品的应用，需要全面了解该器件的各项性能影响因素。

1影响低压断路器性能的因素

所谓载流量是断路器允许通过的最大电流，也被称为额定电流。当短路在特殊环境下运行，如温度过高，就需要根据实际情况调低工作电流，使断路器更好地适应高温环境。额定电流值需要调整多少，需要根据断路器产品设计以及应用的条件考虑。成套设备规定的额定电流，即主开关断路器最大工作电流，与断路器的额定电流并不一定相等。通过断路器接线端子温升，能够发现其载流量。国标中对于载流量有严格规定，即成套设备中温升限制不大于70K，由于载流量的温升限制，断路器的性能未能完全发挥出来。同时过低的载流量也会限制断路器的利用率。过高的载流量致使成套设备器件温度升高，破坏产品的绝缘[1]。断路器设置的保护性能，主要分为短时延时保护、欠电压保护等，断路器视为成套设备的核心器件，在通、断电操作中发挥作用，是保护电路安全的重要器件。因此断路器保护性能，也是判断其性能的重要参考指标，当断路器过载长延时保护，超过器件本身设置的额定电流，则会自动断开电路，限制额定电流的系数。通常成套产品应用，其载流量设置会相对降低，这是考虑到断路器过载保护性能整定值、实际载流量的关联性，避免回路过载时不能及时脱扣造成的损失。所谓短路特性，它与保护性能一样是断路器的性能和安全指标，当电路发生短路事故时，断路器能否自动断开电路，是保障整个电力系统安全的关键。所以成套产品的设计及应用是为了保证设备运行安全，要充分考虑断路器的短路特性是否符合运行环境的需求。断路器的短路特性体现在多个方面，受到安装方式、空间限制以及拉合闸容易程度等条件影响。例如，在高海拔地区断路器的短路特性会受到一些影响，由于空气稀薄使得灭弧时间延长，在运行过程中触头严重烧毁，通断能力因此降低。同样空间大小也会对短路特性造成影响，断路器断开过程会产生大量的能量，释放过程会破坏柜体结构，导致设备损坏，严重影响使用功能。因此将断路器应用到成套设备中，需要对其短路特性进行测试，确保其性能符合运行要求，防止设备损坏造成的损失。

2断路器载流量影响因素

摘要:分析高海拔环境气压和空气密度、湿度、温度及污秽程度等对风电机组断路器的影响，推荐选用“五合一”组合式。并提出必须提高其外绝缘水平，增大高压带电体的空气绝缘净距，加大表面爬电距离，改进带电体形状、增大电极的曲率半径以防尖端放电。同时要求风电机组断路器必须具有不低于使用地海拔高度的型式试验报告，必须通过低温型式试验验证。

关键词:断路器;高海拔;外绝缘;海拔修正

风力发电是我国大力发展的清洁能源之一，风电输变电系统中每台风力发电机都需要一套35kV箱式变电站。目前国内基本以华变为主，其内高压部份的关键元件就是风电机组断路器。而据测算，我国1000m以上高海拔地区面积占全国总面积65%。因此，风电机组断路器如何满足高原环境使用要求成为我们必须解决的问题。本文以大唐四川普格采乃风电场为背景，就高海拔地区高压电器设备的设计要求、元器件制造等方面，浅谈高海拔地区使用的风电机组断路器的技术建议与选用思路。大唐四川采乃风电场位于四川省凉山州普格县境内的高原山区，海拔在3000～3550m之间，风场总装机容量99.2MW，2021年12月全部机组建成投运，并通过240h试运行。

1风电机组断路器的基本结构选择

采乃风电场每台风机塔筒外部的地面都安装1套风电箱式变电站(YB－37/0.69－3600kVA)，是将风机发电的低压电升至高压电再并网传输的设备，其接线原理图如图1［1］。从图1可以看出，风电箱式变电站(华变)高压室(双点划线框内)主要功能元件包括断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、避雷器等。其传统结构方案是断路器选用电力行业标准的固定式真空断路器，各功能元件组装为一个固定式开关柜(结构示意见图2)装于风电箱式变电站高压室来满足要求。目前，国内以四川宝光电器等少数断路器生产厂家根据风电箱式变电站(华变)接线原理图对高压室部份进行了科学的优化设计，把断路器本体、隔离开关、接地开关、电流互感器、避雷器等各种功能元件合并为一个高度集成化的整体，设计为“五合一”组合式风电机组断路器(结构示意见图3)，该型产品直接装于箱变内(不需要开关柜柜体)，其在风电箱式变电站(华变)内的安装示意见图4。传统结构方案需要风电35kV箱式变电站高压室的底面积必须大于6m2(固定式开关柜宽2m，深3m)，连接母线用量达14.2m;“五合一”组合式风电图4“五合一”组合式风电机组断路器安装示意机组断路器结构方案只需要风电35kV箱式变电站高压室的底面积4.1m2(安装后箱变高压室宽2.4m，深1.7m)即可(节约超30%)，连接母线用量也只需要3.6m(节约超70%)。“五合一”组合式风电机组断路器结构方案比传统结构方案在占地面积及母线使用量都有大幅下降，大大节约土建成本、运输成本及材料成本，更节约、环保，因此风电箱式变电站(华变)断路器推荐选用“五合一”组合式风电机组断路器。

2高原环境气象条件及影响

2.1高海拔地区气象条件的主要特征

1高压直流输电系统的设备及技术应用

1．1高压直流电网的技术发展

 欧洲专家介绍了近海岸直流电网示范工程的研究结论，这项研究工作包括近海岸间歇性能源，直流电网经济，控制保护等问题。两个著名硬件设备开发商参与了该项目，完成用于测试控制技术开发的低功率模拟器，并证明保护算法可用于直流电网，开发出了基于电力电子和机械技术创新的直流断路器；另有专家提出了利用有限的直流断路器操作，设计具有故障清除能力直流网络，模拟研究表明使用直流断路器可迅速隔离直流侧电网故障，即可在点对点的电缆方案中使换流器继续支撑交流网络。针对此问题，中国专家发言指出可采用全桥型子模块拓扑结构来清除直流侧故障，实现与电网换相换流器（LCC）相同的功能。德国专家提出了关于采用电压源换流器（VSC）的交直流混合架空线运行的特殊要求，虽然混合运行可提高现有输电通道的容量，但存在一系列挑战，包括利用可控、有效的方式实现多终端的操作管理，交直流系统的耦合效应，直流电压和电流匹配原则以及机械特性差异等。韩国专家提出了用于晶闸管换流阀的新型合成运行试验回路，该回路可向测试对象施加试验用交、直流电压和电流脉冲，并配置了可在试验前给电容充电的可控硅开关，以及为试验回路中晶闸管门极提供触发能量的独立高频电源。

1．2可再生能源的并网

美国专家提出了近海岸高压直流输电系统设计方案的可靠性分析方法，研究了平均失效时间和平均修复时间等可靠性指标，并结合概率（蒙特卡洛）技术来评估风速波动对风电场的影响，且评估不同的系统互联、系统冗余以及使用直流断路器与否等技术方案的能量削减水平，提议将能量削减作为量化直流电网可靠性的指标。为设计人员选择不同的技术方案、拓扑结构和保护方案提供依据。近海岸直流输电换流站选址缺乏相关的标准、项目参考及工程经验，难以给项目相关者提供合理的建议，并且可能会在项目的开发过程中引入风险。挪威专家针对此情况提出了一种从石油和天然气行业经验总结得出的技术资格要求，将有助于更加快速、高效、可靠地部署海上高压直流输电系统。

1．3工程项目规划、环境和监管

哥伦比亚和意大利专家提出了哥伦比亚与巴拿马电气互联优化设计方案，初步设计方案额定容量为600MW／±450kV，经过综合比较，方案优化为300MW／±250kV，400MW／±300kV的双极结构，并使用金属回线作为最佳的技术和经济解决方案。线路长度由原来的600km变为480km，但考虑到哥伦比亚输电系统的强度问题，决定保留原来的输电路线。贝卢蒙蒂第一条800kV特高压直流输电线路项目规划构想了额定参数为2×4GW／±800kV双极结构，直流线路长2092km，连接巴西北部与南部的直流输电工程方案；印尼第一条Java－Sumatra直流输电工程，额定参数为3GW／±500kV，双极结构，直流线路包含架空线和海底电缆，考虑采用每极双十二脉动换流器和备用海底电缆来提高系统的可靠性和可用率；太平洋直流联接纽带介绍了延长太平洋北部换流站寿命的最佳方案，将原有的换流器变为传统的双极双换流器结构，但保留多余的2个换流器阀厅，现以3．8GW／±560kV为额定参数运行。

1电气主接线设计

1.1主接线的设计原则

变电所中的电气主接线是电力体系有关接线的首要组成构造。它表明了发电机、变压器、路线、断路器等的数目、连接形式和能够的运作系统，进而完成发电、变电、输配电的使命。主接线的确定是十分重要的，它的确定直接影响着所有电力体系运作以及配电装置的安插，对于主接线规划涉及领域非常广泛。要遵循国家有关技术经济政策的有关规定，争取做到技术一流、经济合理、安全可靠。

1.2主接线设计的基本要求

变电站的电气主接线应根据变电站所在电力系统中的主要位置，变电站的计划容量、负荷性质、路线、变压器连接元件总数、装配特色等条件确定，并应斟酌思考供电可靠性、运行矫捷、操作检验便利、投资借鉴和过渡或扩建等要求。

1.2.1主接线可靠性的要求。

可靠性的主要事情是对用户提供稳定的电源。评测可靠性的标准是进行运作实施。主接线的可靠性是通过对其组成元件，包括一、二次部门在运作中可靠性的综合评估。因而，还要考虑一次装备对供电可靠性所产生的影响以及继电保护二次装置的故障对供电所产生的影响。评测主接线可靠性指标为：（1）断路器检验能够导致停电；（2）线路、断路器、母线故障和检查时，停运线路的回数和停留时间的长短；（3）变电站全停电的几率。

1影响供电系统的安全可靠性的原因

1.1过载及短路保护

在传统的低压供电系统中，应该对过载、短路保护方面进行强调，从而达到保护用电设备和供电线路不受损坏的目的。

1.2电气接地质量问题

在高层建筑电气的设计以及施工过程中，低压配电系统的接地形式有混用的现象，但供电系统没有进行任何安全有效的接地处理，或者么有按相应工作规范要求进行接地，导致电气接地的质量出现问题，没有对关键性电子设备进行等电位连接设置，从而造成大量触电等不该发生的人身伤亡事故。

1.3保护装置不到位

由于正在运行的低压配电系统中，保护接零和过流保护装置等相关安全保护措施设置出现问题，乃至其无法科学有效地对漏电情况进行控制，导致高层建筑经常性出现火灾事故，造成严重的人身伤亡和财产损失。

摘要：介绍了城市轨道交通供电系统牵引变电所设置原则，结合牵引变电所设置原则和个别线路末端牵引变电所故障退出时存在的问题，提出了一种新的变电所主变接线方案及相应的保护配置方案。

关键词：牵引变电所；主接线；故障；保护配置

0引言

目前国内轨道交通牵引供电系统大多采用DC750和DC1500V两种电压等级，供电方式分为接触轨和接触网两种。无论哪种供电方式，供电系统均需根据线路、车辆和运营组织等在线路上设置多座牵引变电所，将交流电源（AC35kV、AC20kV或AC10kV）降压整流后转换为24脉波直流电供车辆使用。正线直流牵引供电系统全线连通，相邻的牵引变电所间可以实现正常双边供电及“大双边”供电，保证了直流供电系统的可靠性。

1城轨牵引变电所设置原则及存在问题

城市轨道交通牵引变电所的设置原则：（1）牵引变电所的分布应满足在远期高峰小时行车交路下，任一座牵引变电所故障解列并由相邻牵引变电所支援供电时，牵引网最低电压水平不低于1000V[1]。（2）牵引变电所的分布应结合牵引负荷的分布进行设置，钢轨电位满足GB50157、GB50490、GB/T28026.1以及IEC62128.1规范要求。（3）在满足以上2条原则的前提下，应尽量考虑以下因素：a.正线正常运行时采用双边供电，因此线路两端车站应设置牵引变电所。b.在满足牵引网电压和钢轨电位要求的情况下，牵引变电所应设置在车站，以方便运营管理。c.场段正线接入站应尽量设置牵引变电所，以提高当场段牵引所故障退出时正线对场段支援供电工况下的供电质量。d.牵引变电所的分布应考虑在不影响供电质量的前提下尽量在规模较大的、有配线的车站设置牵引变电所；对于地下区段区间牵引所，尽量选取在区间风井处设置，以减少因设置牵引变电所而增加的土建投资。e.牵引所布点应兼顾考虑杂散电流防护。结合上述供电系统的特点和牵引变电所设置原则，线路末端车站均设置牵引变电所，若末端站后无车辆段或停车场，当末端站牵引变电所故障退出运行，需要相邻的牵引变电所“单边”供电至线路末端，此时牵引网电压和钢轨电位仍需要满足标准要求。但个别线路在末端牵引变电所设置时会存在如下困扰：以图1所示的线路为例，在建线路末端区间的间距较大且后期有延伸线路，经仿真模拟计算，末端3个站均需设置牵引变电所，能保证正常双边供电和车站2牵引变电所故障退出运行时由车站1和车站3牵引变电所“大双边”供电时的电能质量要求。当车站3牵引变电所故障时，车站2牵引变电所需单边供电至线路末端，经仿真模拟计算，此时牵引网电压满足不低于最低电压1000V的标准要求，但钢轨电位高达180～200V，供电质量不能满足要求。若末端区间增加区间牵引所，可以解决供电质量问题，但增加牵引变电所会带来土建及设备投资增加，对于与区间风井合建的地下变电所增加的土建和设备投资约600～700万元，对于地面变电所增加投资约500～600万元，同时地面变电所建设还可能涉及规划、征地等接口问题。当线路后期延伸后区间牵引变电所的功能弱化，若延伸线路的车站4设置牵引变电所，车站3牵引变电所故障退出运行，车站2牵引变电所和车站4牵引变电所“大双边”供电可以满足供电质量需求，此时区间牵引变电所又可以取消。此种线路末端牵引变电所的设置方案给设计带来了困扰。

2变电所主接线新方案

1可编程逻辑控制器程序设计

可逆起动器具有两个型号相同、电源进线接线相序相反的接触器（现在常见的为真空接触器），两接触器可分别控制电机正转和反转。为防止两接触器同时接通而导致短路故障，可逆起动器中两接触器之间具有互锁的电路。可逆接通与分断及可逆转换试验是交替分别测试两个接触器的接通与分断10倍（额定工作电流≤100A）或8倍（额定工作电流＞100A）可逆起动器主回路额定电流的能力。在试验过程中必须严格控制两接触器的接通和分断顺序，防止同时接通而发生短路。试验流程为：根据可逆起动器主回路可逆接通与分断及可逆转换试验需要电流和电压值及功率因数要求，计算在试验电路中需要投入的阻抗的大小；通过阻抗调节控制柜投入计算阻抗；主电路送电，调试出所需功率因数及电流；试验系统主回路接入可逆起动器主电路；采用设计的可编程逻辑控制器控制系统控制可逆接触器两接触器的接通与分断。

2设计要点

2.1可编程逻辑控制器性能

本次设计采用西门子S7-200CN型可编程逻辑控制器，本机集成8输入/6输出共14个数字量输入/输出点，可连接2个扩展模块。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。24V直流输入，24V直流输出，100～230V交流电源，24V直流输入继电器输出。

2.2PLC外接电路设计

该附加系统外接电路需接入线圈电压为DC24V的继电接触器两个，起动按钮一个及停止按钮一个。其中K1、K2为两个外加线圈电压DC24V的继电接触器，线圈电路中分别串联K2、K1常闭触点实现互锁功能，防止程序时间间隔设计或操作过程中的误操作而导致K1、K2同时接通,出现试验系统主电路短路事故。试验中，通过控制接触继电器K1、K2线圈的通断电，利用其常开触点的接通与分断，控制可逆起动器接触器线圈的通断电，实现可逆起动器接触器的接通与分断。启动按钮给可编程逻辑控制器提供触发信号，可编程逻辑控制器开始运作。停止按钮实现中止功能，可随时中止试验。