电气主进线回路与电流互感器配备方式优化建议

图4-1所示为两进线和单母联组成的低压系统。图中可见两低压进线和母联开关，还可见I段和II段主母线，以及母线上的馈电回路和补偿电容回路。

图4-1 两进线和单母联组成的系统

从图4-1中可见到发电机进线开关，并且发电机进线开关与I段进线开关存在互锁关系。

两进线配套的测量仪表包括：电压U、电流I、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I。

两进线在A相中多配套了1只电流互感器，用于为补偿电容回路的控制装置提供电流信息。

（1）进线主回路的进出线方式

以图4-2中的“上进下出”为例：这里的“上进”是指电力变压器的低压侧电源引至进线回路断路器上部一次接线端子，而断路器下部一次接线端子则连接至水平母线。

图4-2 进出线方式

图4-3中可见断路器下部一次接线端子连接了电缆U形连接铜排，来自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回路。

（2）进线回路中的断路器

低压进线断路器一般采用抽出式框架断路器ACB，断路器上下端的接插符号表示抽出式结构。若低压进线回路的电流比较小，则也可以采用塑壳断路器MCCB。

1）线路保护方式：断路器的保护方式包括长延时过载L保护、短延时短路S保护、瞬时短路速断I保护和接地G保护。

2）断路器操作方式：断路器的操作方式分为断路器本体手动操作和电动操作两种方式。电动操作机构中包括：储能电动机、电动弹簧储能机构、YC合闸线圈、YO分闸线圈等。

3）进线断路器的保护方式：进线断路器一般采用三段或者四段的线路保护方式，即L-S-I或者L-S-I-G。

图4-3 低压进线开关柜的模式图

（3）低压开关柜内的保护接地形式

保护接地形式为TN-S或TN-C。若采用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；若采用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。

在低压开关柜内，主母线包括相线主母线铜排L11/L12/L13，还包括中性线N铜排和保护接地线PE铜排或者PEN铜排。

（4）低压进线回路的电参量测量

低压进线主回路的测量的具体内容包括：

电压测量：三相电压U_a、U_b、U_c、U_ab、U_bc、U_ca。

电流测量：三相电流I_a、I_b、I_c，零序电流I_n。

功率、电能和功率因数测量：三相有功功率P、三相无功功率Q、三相有功电能W、三相功率因数PF。

频率测量和谐波测量：频率F和谐波的百分率。

对电流的测量依靠进线回路的电流互感器。系统共配置的4只电流互感器，其中3只用于电流测量，1只用于补偿电容控制器的电流测量。电压测量的采集点位于电力变压器的低压侧，测量回路上配备了熔断器。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，也可依靠断路器脱扣器的测量系统来实现。

测量值的显示可采用普通测量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。

（5）低压进线回路的参数选择

低压成套开关设备主进线回路断路器的参数选择关系到低压配电的全局，它关系到低压开关柜内的主母线载流量，关系到各级断路器保护参数的选择及保护匹配，同时还对配电线路的过载、欠电压、失电压、短路保护和接地故障保护等参数产生影响。因此，主进线回路是事关全局的重要功能单元。

低压开关电器需要执行断开短路电流的任务。对于断路器来说，额定极限短路分断能力是指当断路器在1.1倍额定工作电压、额定频率以及规定的功率因数时能断开的短路电流。它应当不小于安装地点的短路全电流的有效值。

如前所述，当低压电网发生短路时，超过额定电流数倍乃至于十几倍的短路电流流过低压断路器和低压成套开关柜各有关部件，对低压电器和低压成套开关柜产生巨大的短路电动力冲击和热冲击。短路过程结束后，低压成套开关设备需要继续工作，所以额定短路分断能力和短时耐受电流就是衡量低压开关电器的动热稳定性的技术指标。

电力变压器的额定电流、短路电流和冲击短路电流峰值的计算方法见本书1.4.1节的式（1-21）～式（1-23）。

我们来看断路器的时间-电流特性曲线，如图4-4所示。

图4-4 低压进线断路器的时间-电流特性曲线

断路器的过载长延时L参数的脱扣电流为I_r1，短路短延时S参数的脱扣电流为I_r2，短路瞬时I参数的脱扣电流为I_r3。

从图4-4中可以看出：I_r3<I_cw<I_cu，即短时耐受电流I_cw居于断路器的I参数脱扣电流I_r3和额定极限短路分断能力I_cu之间。由于断路器的额定短路接通能力峰值I_cm等于断路器额定极限短路分断能力I_cu与峰值系数n的乘积，所以当冲击短路电流峰值I_pk流过断路器时，断路器仍然能保持正常而不至于损坏。

这一点是非常重要的。因为断路器分断短路电流的瞬时脱扣时间是12～30ms左右，因此冲击短路电流峰值I_pk一定会流过断路器，断路器必须要具有承受冲击短路电流的能力。

冲击短路电流峰值I_pk流过断路器后将被引至低压成套开关设备的水平主母线上，所以低压成套开关设备的水平主母线也必须要能够承受I_pk的冲击。

断路器的动热稳定性用额定短时耐受电流I_cw来表达，额定短时耐受电流I_cw应当满足式（4-1）：

I²_cwT≥I²_k（T_k+0.05） （4-1）

式中 I_cw——开关电器的额定短时耐受电流；

I_k——持续短路电流；(https://www.xing528.com)

T_k——短路时间；

T——开关电器的热稳定试验时间。

在断路器的样本中对额定短时耐受电流I_cw给出两个试验时间，即1s和3s。根据本书1.4.1节的描述，我们已经知道冲击短路电流存在的时间仅仅只有0.1～0.2s左右，取允通电流为I_cw（1s），代入式（4-1）后我们可以得出结论：

I_cw（1s）≥（0.71～0.92）I_k （4-2）

式中 I_cw——断路器短时耐受电流；

I_k——变压器产生的短路电流。

对用于低压进线的断路器，只要其额定短时耐受电流大于变压器产生的持续短路电流I_k的（71%～100%）即可满足要求。

结合本书1.4.1节的相关内容，我们就可以得到进线主回路断路器的参数配置方案，见表4-1。

表4-1 根据变压器容量计算和确定进线断路器规格参数

表4-2是常见的电力变压器参数表。

表4-2 电力变压器的参数

【例4-1】 设某电力系统的变压器规格为S_n=1250kV·A，变压器的阻抗电压为4%或6%。求解低压进线断路器的选用规格。

解：根据表4-2可知：

若变压器阻抗电压取6%，则短路电流I_k=30.1kA，冲击短路电流峰值I_pk=63.2kA。我们来看ABB的Emax系列断路器的技术数据，如图4-5所示。

从图4-5中可以看出，选择E2N2000断路器是最合适的，注意它的极限短路分断能力为65kA，此值远大于变压器的计算短路电流30.1kA。

我们已经知道在故障状态下冲击短路电流峰值I_pk一定会流到低压开关柜的主母线上，那么低压成套开关设备的主母线又应当如何取值呢？我们来看表4-3。

我们看IP31～IP41栏中，与工作电流1804A对应主母线额定电流是2100A，主母线的额定冲击短路电流峰值I_pk为150kA，完全满足抵御63.2kA的冲击短路电流峰值电动作用力的要求。在设计低压成套开关设备进线主回路时，不但要考虑到断路器各项短路参数技术指标，还要考虑到低压成套开关设备主母线承受冲击短路电流峰值I_pk的能力。

冲击短路电流峰值I_pk不会对断路器产生破坏作用。从图4-5中我们看到E2N2000断路器的额定短路接通能力I_cm在400V时为143kA，足以抵御冲击短路电流峰值I_pk的冲击作用。我们还看到E2N2000断路器的I_cw=55kA，此值远大于0.92I_k=0.92×30.1=27.7kA，故能满足热稳定性和允通能量的要求。

图4-5 ABB的Emax系列E1断路器和E2断路器的技术数据

表4-3 某型低压成套开关设备中主母线的电流参数表

（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，则低压进线采用三级断路器；若低压系统的接地方式为TN-S并且采用四段的LSIG保护，则低压进线要采用四极断路器，相应地主母线也要采用四极的母排配置方案。

（7）低压进线回路与母联回路的互锁关系和互锁方式

进线回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为例，若Ⅰ、Ⅱ段进线断路器的符号是QF1和QF2，母联断路器的符号是QF3，则三者之间的合闸互锁关系如下：

式中 QFx=1——该断路器处于闭合状态；

QFx=0——该断路器处于打开状态；符号上方加横杠表示求反；

QFx_合闸——断路器的合闸线圈。

式（4-3）的物理意义是：三台断路器在任何时刻只允许两台断路器同时合闸。

进线、母联之间的互锁关系可通过三种方式建立：

1）互锁方式之1：机械互锁：通过机械结构（拉杆或钢丝软线）建立互锁关系。机械互锁性能可靠，但有控制距离的限制。

2）互锁方式之2：电气互锁：电气互锁无需机械结构件，只需要将控制电缆在3台断路器的二次控制回路中建立互锁关系即可。电气互锁没有距离限制，安装方便，控制灵活。特别是当系统中配套了以PLC作为逻辑控制单元后，可以实现任意复杂程度的互锁关系。

3）互锁方式之3：合闸钥匙互锁：断路器的本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。

（8）低压进线回路的四遥

低压进线回路可实现四遥操作，即遥测、遥信、遥控和遥调操作。其中遥测是指远方测量各种电参量和模拟量；遥信是指各种开关量，例如断路器的状态、保护动作状态、选择开关状态、低电压信号等等开关量；遥控是指远方对断路器实现合分闸操作；遥调是指远方采集和设定保护参数。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对应的通信模块、数据采集模块，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。

一般进线回路配置的电流互感器其过载倍数为2倍额定值。当进线主回路流过相当于6～15倍I_n的短路电流时，电流互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工作电流和过载电流。

测量短路电流必须利用断路器脱扣器来实现。断路器内部测量互感器采用罗氏线圈，它不具有饱和特性，可以准确地测量短路电流。

利用传感器加上PLC实现三遥功能：利用传感器加上PLC能够实现类似智能仪表的遥测、遥控和遥信功能，但同样不能实现遥调功能及遥测短路电流的功能。