中压负荷开关浅谈

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/ G; ?/ z3 K- a9 X% q中压负荷开关浅析
1 n8 f9 y2 I3 i! |* p厦门市工业设计院 黄家室
8 y/ L' A  V' \6 l9 }摘要 介绍中压负荷开关的种类、操作性能、使用要求及选用注意事项。
- P' m; ]% r+ v7 _  H: ]* t关键词 中压负荷开关 操作性能 转移电流
2 ]8 _$ f- x; q在中压供电系统中，随着环网供电的推广，中压环网柜的使用日益增多，原因是
" p( k- L! \5 t! ~: Y经济、简易、维护方便、安全可靠，即技术经济指标合理。环网柜主要由中压负
荷开关单独组成，或由中压负荷开关和熔断器组合元件组成，在设计中如何选用，
很关键的是如何选定柜中的中压负荷开关元件。该负荷开关应按国际所规定的具
有隔离作用的通用负荷开关，即能够进行配电系统中正常发生的直到其额定开断
" m; H& v0 n+ ?& ~6 z. \电流的所有关合和开断操作，以及能承载和关合短路电流，位置的指示应能识别
) @+ j7 L  t2 ?# R% j$ \开关的分闸和合闸位置，即或开关的气隙、断口是可见的，或触头的位置用一可
靠指标装置指明。
! L8 y+ N( M  O6 j1.中压负荷开关的种类
( Y; \9 y8 z( Y& u按介质或灭弧方式不同，中压负荷开关的种类主要有四种：产气式、压气式、真
. y: R$ D% L% _4 ~/ P2 |7 n空式、SF6 式等，逐一做个简介。
: l7 l( U+ {/ a$ c- O% U# z0 W1.1 产气灭弧式中压负荷开关
该开关采用固体产气材料产气灭弧方法，即当开关分闸时产生电弧加热固体产气
- N$ C. [! r1 _  Q# k材料产生灭弧气体熄灭电弧，开关有明显断开点，可做为隔离作用。这种型式开
- m9 C0 R& p- W3 F' w. B. ~7 k0 i关属早期产品，由于产气材料对大电弧易烧损，对小电弧热量不足，产气不足，
灭弧性能不稳定，目前基本上属淘汰产品，不再生产和使用。
; L) H0 h# D% y% f- G, c1.2 压气灭弧式中压负荷开关
灭弧装置由压气装置及喷嘴构成，压气装置外部为绝缘汽缸，内部为活塞，汽缸
1 b: b) |% q. j# A2 G还兼绝缘支柱作用。分闸时，传动机构带活塞在汽缸内运动，刀闸开断时，压缩
空气经喷嘴喷出而将电弧吹熄，开关有明显断开点，可做为隔断作用。该产品性
能一般，价格便宜，最大开断电流不高，但性价比不错，当前还是有一定使用市
场。
1 `+ j' h  z; o( f! c9 O! t* A1.3 真空灭弧式中压负荷开关
; X9 s5 {* @4 p; a该开关采用真空灭弧的方式，主开关触头安装在封闭的真空灭弧室内，开合电流
  q# k/ m: R! s- T3 E时触头拉开，电弧在真空中没有载流的介质很快自行熄灭。由于触头在封闭的真
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% D) k- _4 N% l# E8 p9 z/ M: H空室内，当开关拉开时没有明显的断开点，因此真空灭弧式的中压负荷开关。但
主刀和隔离刀必须依一定的操作程序可靠联锁，即合闸时隔离刀先合主刀后合，
拉闸时主刀先断隔离刀后断，不管是合闸或拉闸主刀和隔离刀是联动的。当然，
有的负荷开关不但还带有地刀，操作不一定是联动，但必须遵循一定联锁程序。
, M' Y7 Q( ~0 I/ L: P$ S/ w# A真空灭弧式中压负荷开关，灭弧快不需电弧电流过零，最大开断电流大，是发展
方向，但价格较贵，对产生操作过电压应有防护措施，尤其是拉断5％额定有功
负载的小电流，更易引起操作过电压。
1.4 SF6 灭弧式中压负荷开关
把负荷开关的触头安装在一个金属机壳内，内部充满惰性气体SF6 作为绝缘及灭
弧用，这就是SF6 灭弧式的中压负荷开关。惰性气体SF6 具有很强的电负性、高
( k5 M# p  L; F阻燃性和稳定的物理化学特性，用在电力设备上已经有几十年的历史，实践证明
明具有非常的可靠、安全、减小设备的体积等优点。当负荷开关触头断开电流电
5 P5 l4 j1 X+ M# Z5 D路时，产生电弧，在充满SF6 的灭弧室内，设有永久磁铁制成的灭弧栅，电弧在
磁铁的磁场中产生电磁力，把电弧拉长或长弧切断成若干段短弧，最后借助于
- f/ }+ D, z" ^9 ~SF6 气体的灭弧性能当电弧的电流过零时熄灭电弧。
为了运行操作或维护检修的需要，负荷开关还装有接地开关，两者之间按一程序
3 `; l6 H- p6 F* z/ G, R1 s' k8 b联锁操作，整个开关有三种位置：开关闭合运行、开关断开、开关断开关接地。
6 |$ E) D; A# e8 t: V( v该种负荷开关开断时没有外置的明显断开点，但靠操作机构的操作位置严格与开
& f5 u3 C% ^2 i) i+ T关触头的位置相吻合，符合开关触头位置用一可靠指示装置指明要求，认为有隔
离作用。加上接地开关配合使用，在开关断开并接地的位置，对电路的隔离功能
' v' u( C/ C! y! p更是可靠。该种开关性能优良，不产生操作过电压、体积小，但技术难度大，价
格贵，当前国内市场投放产品大部分是外资或合资生产厂家制造的。
: j4 G( I5 m2 R# |2.中压负荷开关的主要操作性能
2.1 额定电流
; X) u' `* m. ?: b$ [, Y表示开关长期正常工作运行的最大电流，该电流值等于开关额定有功负载的开断
电流和额定闭环开断电流，所谓额定有功负载按国际规定，其负载功率因数COS
! X* ?% D5 z- _3 n0 kΨ=0.7±0.05 的额定负载电流。
2.2 额定电缆充电开断电流
# H; }  }. t- K) r3 R, B+ A0 g对于3～35kV 电压等级的负荷开关，国际规定为在空载情况下，开断电缆回路时
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- \# t' S) z- `( {0 F0 J+ ]8 y8 Z的额定开断电流为10A，属容性电流。该参数衡量开关能够开断空载运行的电缆
9 }3 t! P1 S. t8 T% B- F) s5 t: F线路长短，数值越大允许开断电缆线路越长。
) e6 b7 }2 t$ `2.3 额定空载变压器开断电流
( x6 k4 g3 z5 k' e9 S, n对于3～35kV 电压等级的负荷开关，国际规定开断额定容量为1250kVA 配电变压
器的空载电流，属感性电流。
2.4 额定单个电容器组开断电流
. Q% r# X0 U& L该值为负荷开关额定电流的0.8 倍。
# U; S  i4 N; a$ I8 M2 N2.5 其它参数
1 n* A# O( l+ J7 N4 g/ D3 ?3 ]3 秒额定热稳定电流□kA/3S；
" T0 ]  C9 d. x短时的额定峰值动稳定电流□kA，该值等于开关的额定短路关合电流。
3.转移电流
本文前面已经阐述过，中压环网柜或是由中压负荷开关与熔断器构成组合电器元
件组成。该组合电器中负荷开关作为操作用，即在正常运行情况下关合或开断回
5 G. K( _9 \8 u3 ]2 j8 J( L路额定负载电流，熔断器作为保护用，即回路负载电流过载超过给定值一定时间
6 A5 }/ f; ?# h# ]) K# y后或者回路出现短路故障时断开回路。为了防止熔断器三相中一相熔断损坏造成
3 p( c7 r3 ^+ y, w: @3 I回路两相运行即缺相，产生过电压或不能正常用电，损坏电器或用电设备，采用
' O* I4 y# D5 F' w撞针式熔断器，作为缺相保护，当熔断器任何一相熔断后弹出撞针撞击负荷开关
$ j9 U" o) @" |! G. g机械型脱扣器动作开关跳闸。这种缺相运行可能是在正常运行情况，也可能是在
" ^# i; ]) W8 I/ [三相短路故障时，一相熔断器先熔断后把三相电流转变为两相电流，可能转移给
负荷开关开断，这是最严重情况，或负荷开关与余下的两相熔断器同时进行开断，
9 K9 a/ ]  J6 W3 [! w1 W) m1 k严重性低些。因此，在和熔断器组合使用时，对负荷开关就要求一个转移电流参
数。
根据有关资料，转移电流定义为：熔断器最小的熔断时间——电流特性曲线安
—秒特性曲线上t=0.9t0 时对应的电流值。
9 @* o3 a0 {! L' f6 z2 }0 ]* Mt0——熔断器撞针撞击触发负荷开关分闸的时间，一般为0.1 秒。
" U$ B$ m7 [7 n# Q# A& D5 e5 m4 |由以上定义可以看出，转移电流与以下几个方面的关系：
3 c4 S6 R9 B6 S" c7 v3.1 只有负荷开关与熔断器组合使用当一相熔断器断开，三相电流变成两相电流
并由负荷开关单独或与其余两相熔断器共同断开，这时负荷开关所承受的开断电
+ z8 t! k0 p+ P6 J: B) n流便为转移电流。
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0 ?2 O% S$ `5 q" _! k( C' [) J0 h3.2 产生转移电流的原因是因为熔断器的安—秒特性曲线不是一条曲线而是一
条曲线带，即有离散，其离散度越大越可能产生转移电流，但熔断器的安—秒特
! f! `- s/ t5 q( P& l, a# {性曲线，电流越大离散度越小，熔器时间越短，也就越不可能产生转移电流。
3.3 转移电流I1 的估算，可根据熔断器熔丝额定电流I2 的大小按下式估算：
; E# J9 c6 `# eI1= 8～9 ×I2 A I2≤50A ；
" J2 {8 |# H' s5 }/ S+ {) uI2= 10～12 ×I2 A I2>50A ；
其中I2 值越大，选的倍数越大。
4.选用注意事项
在工程设计中选用中压负荷开关，首先应根据使用场所的要求；电网参数、用电
2 k- o4 Q# @3 F参数、使用功能等，然后确定选用中压负荷开关的种类和技术参数，下述重点阐
述几个关键的选用问题。
/ T/ o! Y( O7 |- t: N' {4.1 使用在配电变压器
按照中压负荷开关国家制造标准，仅能开断1250KVA 的配电变压器空载电流，因
) V: U' P$ C' Z0 o/ F此，对于负荷开关控制单台或多台并联的变压器也仅仅只能使用在≤1250KVA 变
压器。但各地供电部门规定不尽相同，厦门地区限制在800～1000KVA 及以下。
当负荷开关作为总开关，控制多台并联变压器，各单台变压器小于供电部门限制
的使用值，总容量超过1250KVA，但又小于负荷开关的额定电流的情况，只要总
开关与分开关有可靠联锁，避免误操作断开负荷开关允许的变压器容量空载电
流，在技术上认为还是成立可行的。
' K: `" b2 J# V% ^) q  A; B) M1 Z还应当指出的，从上述可以看出，在选用负荷开关时，并不单独是只要开关的额
, I& M4 a! T# \0 x1 ^定电流大于变压器的额定电流就行，还应考虑负荷开关能拉断变压器的空载电流
大小。原因是开关的额定电流是指功率因数COSΨ=0.7±0.05 的有功负载电流，
而变压器空载电流是COSΨ=0.2 左右，几乎是纯电感性电流。从电工基础知识知
: D1 {; ^5 ?. ?道：e=－L
6 m; Y  W' K! z8 {，即电感回路当电流变化时会产生反电势，变化越快反电势越大。所以开关拉空
7 V' T2 i. d" g; b载变压器电流正是类似这种现象，会在开关触头间产生很大的反电势促使用电弧
# o/ c' S! O& g3 j复燃，很难熄弧开断电路。
( s" ]' p  _$ S% w4 S7 m/ s: `4.2 使用在电缆馈线
负荷开关国家制造标准，额定开断空载电缆回路的开断电流是10A，因此，开关
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; J8 S! G3 D3 M( t3 A+ b" m' W用在电缆馈电回路时应考虑该参数是否能满足。空载电缆回路的电流主要是电缆
8 u1 ^, c/ V8 H' l$ D- J1 y沿线的分布电容电流和小部分漏电导电流组成，即基本上属于电容性电流。与电
& j" \5 F9 I' X( Z1 o0 M7 U( o感性电路不同的是，在电路暂态过程中电感回路中电流不能突变所以产生过电
压，电容回路是电压不能突变，所以产生过电流，但不管是过电压还是过流都使
  ]2 G3 _( h" x  e6 h开关断弧产生困难，对开关应该考虑这些不利因素。
电缆线路的分布电容是固有存在的，基本上与线路长度成正比关系。对于10kV
中压网络，变压器中性点一般是不接地或经小电阻接地，正常运行单个回路空载
% V$ i9 W& T' W0 d6 B- x电缆线路的电容电流是很小的，但当单相接地故障时，主要故障电流就是电缆线
) n  N% m9 w1 [2 s/ M* ~& U5 s2 R路的电容电流了，其估算公式如下：
4 H4 c  x$ O9 ?7 k4 I  dIc=0.1Uel 安
Ic——单相接地电容电流安；
Ue——线路额定线电压千伏；
9 q! I: U- L. W: h' f0 p+ {l——线路长度公里。
当负荷开关拉断空载运行但又单相接地的电缆线路时，是最严重的情况，从上式
可以看出l=10KM 时，Ic=10A。在供电系统中，各级电压电力线路合理的输送功
率和输送距离，对于10kV 电缆线路是≤5000kW、≤10KW。因此认为中压负荷开
1 Y7 ?- C- w9 b2 l关使用在电缆馈电线路时，是完全满足技术要求的。
6 L6 }7 |. I2 V" S2 M6 g4.3 短路故障的校验
负荷开关除了熔断器配合使用有开断转移电流外，单独的负荷开关没有开断短路
$ w; P! _* {& E电流的参数要求，只有短时关合短路电流和热稳定电流的参数要求，应按中高压
电器选择进行校验。工程实践还证明，由于熔断器安—秒特性典线电流越式离散
7 P2 C3 U# d1 {7 i1 K8 u性越小，熔断时间越短，所以负荷开关能够开断的转移电流，一般是过载电流或
电流倍数不大的短路故障电流。
参考资料
3 S7 g) c5 |+ |$ q1.国家标准GB3804－90《3～63kV 交流高压负荷开关》；
) I. a/ i# X! \+ \0 n) N/ N2.施耐德、意大利维益、江苏蓝虹等公司的产品技术资料；
3.《21 世纪建筑电气设计手册》