低压成套开关设备配电优化方案

1.点状和线状配电网络

低压成套开关设备按配电型式可分为两种方案：点状配电方案和线状配电方案，如图1-21所示。

点状配电方案是指电力系统自一个点以辐射状向外分配电能，以此形成一个点状配电网；线状配电方案是指电力系统通过线状母线传送电能至负载，以此形成一个线状配电网。在低压成套开关设备中，所有配电网络形式都是点状配电方案和线状配电方案的组合。

在图1-21中，可以看出电力变压器、低压进线和某段母线构成点状配电形式，而两段母线、各个馈线回路则构成线状配电形式。

2.低压成套开关设备的各种配电方案

（1）低压成套开关设备单路进线的配电方案

低压成套开关设备单路进线的配电形式见图1-22。其中图1-22a从主母线中部进线，图1-22d从主母线的一端（左侧）进线。

图1-21 点状和线状配电方案

单路进线的配电方案属于点状配电方案，也是最简单的配电方案。单路进线的配电方案仅能对负荷提供最低水平的供电可靠性，因为一旦供电中断后没有冗余电源提供第二路电能支持。

图1-22 单路进线的配电形式

因为负载在主母线上是平均分配的，所以当进线安排在主母线的中间时，我们从图1-22b看到，主母线实际载流量只有变压器额定电流的一半，这对于降低主母线的温升是有利的。

当进线安排在主母线的端点时，主母线的实际载流量等于变压器的额定电流。在图1-22e中，我们看到主母线左侧的电流最大，接近于变压器额定电流；主母线电流从左至右逐步递减。从整体来说，从主母线某端进线的方案与从主母线中间进线的方案相比，前者的主母线温升要高于后者。

从图1-22的图c和图f可以看出，当发生短路时，两种进线方案的短路电流是相同的，主母线承受的最大电流都是冲击短路电流峰值i_pk，因此按两种进线方案配套的低压成套开关设备，其动稳定性要求是相同的，也即低压配电系统对低压开关柜主母线峰值耐受电流的要求是一致的。

（2）双路进线的配电方案

双路进线的配电方案如图1-23所示。

双路进线的配电方案中，有2套电力变压器与2套进线回路。

图1-23a是双路进线供电方案之1，其中有两套电力变压器可单独供电或者并列供电。若电力变压器单独供电则两进线开关之间需要配备机械或电气合闸互锁。当某路供电中断时，系统能立即切换到另一路供电，因而提高了供电的可靠性。

图1-23b是双路进线供电方案之2，其中采用了自动切换开关ATSE实现电源之间的自动切换。

图1-23 双路进线的配电方案

图1-23c是双路进线供电方案之3，其中采用母线联络开关（以后简称为母联开关）将母线分段运行。在此方案中，2套电力变压器可各自为本段母线系统的负荷供电；当某电力变压器发生供电故障时，可通过闭合母联开关使得故障段母线获得能量供应。如果单侧电力变压器容量供应不充裕则需要抛掉若干不重要的三级负荷。

图1-23d是双路进线供电方案之4，其中采用ATSE实现市电与发电机之间的供电切换。

现在我们对图1-23中的各种方案仔细分析，探讨主母线上的负荷排布方式与运行电流和短路电流之间的关系，如图1-24所示。

我们先看图1-24a：图中的变压器位于低压开关柜主母线的两端，因为系统中未见母联开关，所以这两台变压器属于并列运行。又由于主母线上的负载是平均分布的，因此主母线上的运行电流就等于变压器的额定电流I_n。

再看主母线上的短路电流。当主母线发生短路时，两台变压器从两侧向短路点注入短路电流，因此，主母线上各处的短路电流最大值均为1倍i_pk。当馈电回路的出口处发生短路时，我们发现流过馈电单元的短路电流为2倍i_pk（2i_pk）。

我们再看图1-24b：图中的变压器位于低压开关柜主母线的中间，主母线的运行电流等于变压器的额定电流I_n，而主母线上的最大短路电流等于2倍i_pk，流过馈电回路的最大短路电流也等于2倍i_pk。

再看图1-24c：图中两台变压器靠近主母线的1/4处和3/4处。图中主母线的运行电流为I_n的1/2，在两台变压器中间的主母线上最大短路电流为i_pk，在变压器外侧的主母线上最大短路电流为2倍i_pk。图中所有馈电回路出口处的短路电流均等于2倍i_pk。

我们由此可以得出如下结论：

1）如果低压成套开关设备的主母线上由两台以上的变压器供电，且主母线未分段，则称此主母线为未受限主母线。向未受限主母线供电的变压器可以并列运行。

2）设低压成套开关设备有N台变压器并列供电，则未受限主母线上的最大短路电流为

式中 I_BK.MAX——未受限主母线上的冲击短路电流峰值；

N——未受限主母线上并列供电的变压器台数；

i_pk——变压器冲击短路电流峰值。

3）母联开关的用途是将未受限主母线变成受限主母线，切断短路电流叠加的途径；提高供电的可靠性。

图1-24 双路进线配电方案的运行电流和短路电流分析

4）未受限主母线上各主回路断路器的分断能力：

式中 I_cu——断路器极限短路分断能力；

N——向未受限主母线供电的变压器台数；

I_k——变压器稳态短路电流。

【例1-10】 已知3台并列运行的电力变压器容量为1600kV·A，阻抗电压为6%。此3台变压器构成的低压配电系统如图1-25所示。

试确定在此情况下低压成套开关设备各段主母线的最大短路电流，并确定进线断路器、母联断路器、馈电断路器的极限短路分断能力I_CU的值。

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图1-25 三进线两母联系统的短路电流分析

解：计算变压器参数：

1）各段主母线的运行电流：

2）各段主母线最大瞬时短路电流：

从这里我们可以看出，当主母线独立运行时，主母线上的最大瞬时短路电流等于1倍i_pk，而当主母线并列运行时，主母线上的最大瞬时短路电流可达3倍i_pk，等效于低压成套开关设备的动稳定性也增加了3倍。

3）变压器并列运行时各断路器的极限短路分断能力I_cu：

在变压器并列运行条件下，当短路点在变压器低压侧，流过进线断路器的短路电流为2倍I_k；当短路点在母线上或者馈电回路出口处，流过进线断路器的短路电流为1倍I_k。

关于低压成套开关设备主回路元器件的论述见第4章相关内容。

例1-10说明当变压器并列运行时，低压成套开关设备中馈电回路断路器的分断能力要大于进线和母联回路断路器的分断能力。

我们来看图1-26。

图1-26 低压开关柜平面布置图

图1-26所示为两进线单母联的低压开关柜的平面布置图，其系统图参见图1-23c。图1-26的上图中母联柜位于柜列的最右侧，而下图中母联柜位于柜列的中部。对于下图来说，母联柜右侧柜体中形成供电电源单向连通的主母线区域。

若两台变压器分别独立运行，在任何时刻两进线断路器和母联断路器只能有两台同时合闸，则系统中各部分的短路电流最大为1倍的I_k。

若两台变压器并列运行，于是两进线和母联断路器均闭合。由前面的论述可知，当短路发生在母联柜和母线槽的左侧时，主母线上的短路电流峰值只有1倍i_pk，进线和母联断路器的极限短路分断能力I_cu取大于1倍I_k即可，而馈电断路器的I_cu则需要大于两倍的I_k；当短路发生在母联柜和母线槽的右侧即单向电源供电的主母线区域中，此主母线区域上的短路电流峰值有2倍i_pk，馈电断路器的I_cu也需要大于2倍的I_k。

在设计变压器并列运行的低压成套开关设备时，尽量不要让低压开关柜内形成单向电源供电的主母线区域。若柜内不得已形成了单向供电区域，则开关柜的动稳定性需要加倍。

（3）重点区域供配电方案和环形供配电方案

图1-27所示为重点区域供配电方案的典型范例。图中Ⅰ段母线和Ⅱ段母线由两台电力变压器组成双路进线供电方案。图1-27中最重要的负荷都在紧急母线上。系统通过ATSE实现市电与发电机供电切换，于是在任何情况下紧急母线中的负荷能获得可靠的电能供应。

环形供配电方案能够实现最完善的供电可靠性，如图1-28所示。

图1-27 重点区域供配电方案

从图1-28中可以看出，4套单路进线的系统两两相连结成环形供配电网络。当本段的进线出现供电中断后，本段母线总能从两侧中的某侧系统中获取电能。

对于环形供配电方案需要注意的是：

1）若电力变压器的容量有限，则在投切母线联络开关之前要切除部分负荷；

2）各个系统中的进线开关和馈电开关之间以及进线开关和母联开关之间必须要设置比较严密的保护匹配施，必要时要配套方向和区域保护；

3）所有为电力变压器供电的中压系统必须来自同一电网。

我们来看一个环形供电的实例。此实例是我国某大型水利工程永久船闸的低压配电系统，如图1-29所示。

图1-28 环形供配电方案

图1-29 环形供配电方案的应用——某水利工程项目

图1-29中的负载都在211母线、202母线、228母线和219母线上。正常状态下各变压器独立运行，电能自上而下地经过3台断路器传送到各段负载母线上。例如T1变压器的电能经过1QF1、1QF3和1QF4三台断路器送到202母线上。

当T1变压器失压后，T4变压器的电能可经过4QF2和1QF2传送到耦合母线201上，再经过1QF3和1QF4输送到202母线上。

图1-29中安全环的用途是某段工作母线向位于左侧或右侧的相邻工作母线供电，其目的是防止耦合母线上的断路器发生故障。

图1-29中除了进线断路器外，其他断路器中的运行电流均可能由于供电关系的改变而反向，因此这些断路器均要配备方向保护以实现上下级选择性，还要配备区域保护以实现系统安全。

（4）采用不间断电源UPS构建的配电方案

采用不间断电源UPS构建的配电方案如图1-30所示。

UPS电源在其内部安装了电池组，有时电池组也可能外置。当外部供电电源正常工作时，外部电源整流电路对UPS内部的电池组实施充电操作，同时又通过逆变电路对负载输出正常工作电压；当外部供电电源停止供电时，则外部负载完全靠电池供电，电池供电时间视电池的容量从20min到数小时或更长的时间。当UPS本身发生故障时，UPS内部的旁路通道执行旁路操作。

在图1-30中，一般负荷由市电和发电机构建的双路进线配电系统经过ATSE开关投切供电，而重要负荷则由UPS供电。通过这样处理后，重要负荷所获取的电能在任何时刻均不会出现中断。

图1-30 UPS供配电方案