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第1章 电力系统与成套电器
1.1 电力系统概述
电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置（主要包括锅炉、汽轮机、发电机及电厂辅助生产系统等）转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心，通过各种设备再转换成动力、热、光等不同形式的能量，为地区经济和人民生活服务。由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，故其生产、输送、分配和消费都在同一时间内完成，并在同一地域内有机地组成一个整体，电能生产必须时刻保持与消费平衡。因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就制约了电力系统的结构和运行。据此，电力系统要实现其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统，以便对电能的生产和输运过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。
建立结构合理的大型电力系统不仅便于电能生产与消费的集中管理、统一调度和分配，减少总装机容量，节省动力设施投资，且有利于地区能源资源的合理开发利用，更大限度地满足地区国民经济日益增长的用电需要。电力系统建设往往是国家及地区国民经济发展规划的重要组成部分。
电力系统的出现，使高效、无污染、使用方便、易于调控的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，发生了第二次技术革命。电力系统的规模和技术水准已成为一个国家经济发展水平的标志之一。
1.2 开关电器在电力系统中的作用与分类
开关电器是一种重要的输配电设备，它是电力系统及电力输送系统中的控制和保护设备，凡是电能生产、传输、变换、供应、分配和使用的场所都要使用开关电器设备。
开关柜是金属封闭开关设备的俗称，主要用于发电、输电、配电及变电等电力系统的开关装置，及与其有关的控制、测量、保护和调节装置的组合，以及上述开关和装置的内部连接件，辅件外壳和支持件所组装好的一种组合体统称。
1.2.1 开关电器的作用
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（1）控制 根据电网或其他电能电路运行需要，把某部分设备或线路投入或退出运行，
即在正常负荷电流条件下，接通祸端来电路。
（2）保护 当电力线路或电气设备发生故障时将故障部分从电网快速切除，保障电网
中的无故障部分继续正常运行。
（3）隔离 退出运行或需要进行检修的电力线路及设备从电网中切除后，还必须可
靠的与电源隔离开来，使之与电源形成一个明显的断口，防止在误操作和过电压的情况之下接通电源，以保障设备和检修人员的安全。
（4）接地 电力接线和电力设备在检修之前，除断开电源和隔离电源外，还要把三
相短接接地，起作用一是对地泄放掉电力线路和电力设备上的残留电荷；二是使电力线路和电力设备与地保持零电位，以防万一突然来点造成人员伤亡事故。
1.2.2 开关设备的分类
(1) 按使用场合分为：户内，户外；
(2）按使用环境分为：一般环境用；特殊环境用（矿用、高原、船用，对于高原、高寒、
重污秽地区，往往要求加大绝缘距离，如面板加宽至1000mm）； (3）按电压等级分为：110KV及以上为高压开关设备；
3～35KV为中压开关设备（习惯称为高压开关设备）； AC1200V , DC1500V及以下为低压开关设备； (4）按产品结构分为：屏：正面全防护，其它五个面至少一个面不全防护； 箱：六面防护，体积较小； 柜：六面防护，体积较大； 台：现场控制用，远离设备；
所谓成套设备即指多台屏或柜并列安装，成组使用。它主要有四大类产品：低压成套开关设备、高压开关柜、预装式变电站和GIS。本文主要探讨有关高压开关设备的问题。
1.3 高压开关柜概述
高压开关柜是3.6—40.5kv交流金属封闭开关设备的习称。按电力行业标准DL/T404-1997的定义，高压开关柜是指由高压断路器、负荷开关、接触器、高压熔断器、
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隔离开关、接地开关、互感器及站用变压器，以及控制、测量、保护、调节装置、内部连接件、辅件、外壳和支持件等组成的成套配电装置。这种装置的内部空间以空气或复合绝缘材料作为介质，用作接受和分配电网的三相电能。
1.3.1 金属封闭开关柜的分类
(1） 按柜体结构，金属封闭开关设备可分为三种类型：
① 铠装式：主开关及其两端的元件具有单独的隔室，隔室由接地的金属隔板构成。
隔板均满足规定的防护等级要求。用金属板的好处是当柜内发生内部电弧故障时，可将故障电弧限制在产生的隔室内，若电弧触及金属隔板，即被引入地内。在相邻隔室带电时，也可使主开关室不带电，保证检修人员安全。
② 间隔式：设置与铠装式相同，但允许一个或多个隔板是非金属材料制成，结构
比较紧凑。但用绝缘板，电弧可能烧穿绝缘隔板，进入其他隔室甚至窜入其他柜子，造成火烧连营。
③ 箱式：隔室的数目少于铠装式和间隔式，或隔板的防护等级达不到规定的要求。
结构比较简单，成本低。
(2) 按柜内主要电器元件的特点分类
① 固定式（G） 柜内所有的元件都是固定安装的，结构简单，价格较低。 ② 移开式（Y） 又叫手车式，柜内主要电器元件（如断路器、电压互感器、避雷
器等）安装在可移动的小车上，小车中电器与柜内电路通过插入式触头连接。 移开式开关柜由柜体和可移动部分组成，根据小车所配置的主电器的不同，小车可分为断路器小车、电压互感器小车、隔离小车和计量小车等。
移开式开关柜具有检修方便、恢复供电时间短的优点。当小车上的电器元件出现严重故障时，可方便地将小车拉出柜体进行检修，也可以换上备用的小车，推入柜体内继续工作，大大缩短了线路的停电时间。
移开式开关柜又分为落地式和中置式（z）两种型式。
落地式开关柜的小车本身落地，在地面上推入或拉出，中置式小车装于柜子中部，小车的装卸需要专用装卸车。与落地式开关柜相比，中置式小车的推拉是在门封闭的情况下进行的，给操作人员安全感。中置式开关柜的柜体下部分空间较大，使电缆的检修和安装方便，还可以安置电压互感器和避雷器等，以充分利用空间。
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(3) 按母线组数分类
按开关柜的主接线形式，可分为桥式接线开关柜、单母线开关柜、双母线开关柜、单母线分段开关柜、双母线带旁路母线开关柜、单母线分段带旁路母线开关柜。 (4) 按主电器元件的种类分类
通用型高压开关柜以空气为主绝缘介质，主电器元件为断路器的成套金属封闭开关设备，即断路器柜。
① F-C回路开关柜 主电器元件采用高压限流器-高压接触器组合电器。 ② 环网柜 主电器元件采用负荷开关或负荷开关-熔断器组合电器，它们常用于环网供电系统，故通常称为环网柜。 (5) 按安装场所分 户内式和户外式
(6) 按柜内主绝缘介质分类 大气绝缘和气体绝缘柜
1.3.2 开关柜的型号
机电部于1983年制定了JB/DQ4085开关柜型号编制办法的部标。自此以后开发的新产品按此规定编制型号，使型号管理走上科学化。
开关柜的型号有二种：一种叫产品型号，用字母来代表产品名称、结构特征、使用场所、设计顺序号(由行业归口部门认定颁发)、额定电压和改进代号等表征。另一种叫全型号，由产品型号再后加具体规格、参数、环境特征代号等组成。 老系列高压开关柜全型号的表示和含义如下： □□-□□-□□-□
从左到右分别用①②③④⑤⑥⑦代表上面的7个□，这7个□各代表的含义分别为：
① 产品名称：高压开关柜G；
② 型式特征：固定式G，手车式C，半封闭式B，封闭式F； ③ 设计序号；
④ 改进型A，防误型F，计量用J； ⑤ 额定电压KV；
⑥ 断路器操动机构：手力式S，电磁式D，弹簧式T； ⑦ 一次线路方案编号。
新系列高压开关柜全型号的表示和含义如下： □□□□-□-□□
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从左到右分别用①②③④⑤⑥⑦代表上面的7个□，这7个□各代表的含义分别为： ①产品名称：箱式X，间隔式J，铠装式K，环网H；
②型式特征：固定式G，移开式Y； ③使用场所：户内用N，户外用W； ④设计系列序号； ⑤额定电压KV； ⑥一次线路方案编号；
⑦断路器操动机构：电磁式D，弹簧式T。
如XGN2-12(Z)中各项代表的意义为：X-箱型高压开关柜、G-固定、N-户内、2-设计序号、12-12KV、(Z)-断路器型号(真空)。
1.3.3 开关柜的主要技术参数
高压开关柜的主要技术参数有以下几项： (1)额定电压；
(2)额定绝缘水平：用1min工频耐受电压（有效值）和雷电冲击耐受电压（峰值）表示； (3)额定频率；
(4)额定电流：指柜内母线的最大工作电流；
(5)额定短时耐受电流：指柜内母线以及主回路的热稳定电流，应同时指出“额定短路
持续时间”通常为4s；
(6)额定峰值耐受电流：指柜内母线及主回路的动稳态电流；
(7)防护等级：配电柜的防护等级是用来描述配电柜的密封程度、防外物进入配电柜的
能力，用IPXX表示。
第一个X表示防止固体异物进入配电柜内部及防止人体触及内部的带电部分的防护。分七级，用数字0、1、2、3、4、5、6表示。0. 无防护；1. 大于50mm的物体不能进入配电柜；2. 大于12mm的物体不能进入配电柜；4. 大于1mm的物体不能进入配电柜；5. 防尘；6. 尘密。
第二个X表示防止液体异物进入配电柜内部达到有害程度的防护。分九级，用数字0、1、2、3、4、5、6、7、8表示。0：无防护；1. 防滴水；2. 防15°倾角滴水；3. 防60°淋水；4. 防任何方向的溅水；5. 防喷水；6. 防海浪或强力喷水；7. 防浸水；8. 防潜水。
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