創新型中壓開關設備的當前應用

文/姚崢

0 簡介

輸配電網絡用戶注重穩定性，所以中壓和高壓開關設備的預期使用壽命通常達30多年，這也迎合了用戶相對保守的觀念。如果用戶的使用習慣沒有發生改變，那么更長的操作壽命很可能更容易實現。然而，事實上每隔20～30年就會出現一次開關設備技術的重大革新。

近年來，智能電網的發展對相關設備提出了很多新要求。比如，用戶需要使用壽命更長、能在任何環境下使用的免維護斷路器。隨著配電網技術的進步，用戶需要通過遠程控制、一體化智能設備和在配電網中配備更多測量點來實現更高的靈活性和自動化水平。從經濟角度來看，用戶越來越看重包括設計、建造、安裝、維護和回收等在內的全壽命周期運維成本，而不是單單考慮采購成本。針對以上這些趨勢和用戶新的需求，設計新一代中壓開關設備時，必須考慮這些因素。

1 中壓開關設備技術的發展歷史

經過幾十年的發展，在很多應用中，固定式設備慢慢取代了抽出式設備。隨著中壓開關設備技術的不斷革新，開關的架構方案也不斷地受到挑戰。空氣和油開斷技術逐步被SF6和真空開斷技術所取代。保護繼電器從機械或電子式演變為數字式。電流和電壓互感器日益適應于新型繼電器設計和開關架構的創新。

2 斷路器的技術革新

斷路器最初以空氣作為開斷的介質，利用了電弧在空氣中的自然擴散來達到滅弧的目的，因此斷路器體積較大。由于此類斷路器需要頻繁的維護和維修，所以它們被設計成可抽出式的。為了減少占地面積，人們后來開發了油斷路器。但是油斷路器仍然需要頻繁的維護和維修，因為絕緣油在幾次操作后被電弧碳化而需要更換。此外，油斷路器容易在發生故障時因油起火而導致致命事故，給操作員和公眾帶來安全威脅。

圖1 帶電簡易滅弧功能的抽出式油斷路器

在上世紀六十年代晚期，人們發明了SF6和真空斷路器。SF6和真空技術的應用使得斷路器結構非常緊湊。它們更安全、大大降低了火災的風險。從故障電流開斷和正常載荷開斷性能角度看，此類斷路器具有更高的穩定性和電氣壽命。因此，預防性和糾正性的維護措施變得越來越沒有必要，目前，這種先進的斷路器被稱之為“免維護”。

圖2 抽出式真空和SF6斷路器

3 中壓開關架構方案的發展歷史

1930～1950年間，絕大多數中壓開關設備均采用空氣絕緣并安裝于墻上。此類開關設備只利用簡單的防護網來避免人員接觸帶電部件。

圖3 安裝于墻上的空氣絕緣開關

隨著人們更加注重安全性，舊式開關設備逐步被金屬封閉空氣絕緣開關設備(AIS)所代替，開斷技術也經歷了從空氣或油到SF6和真空的演變。

抽出式斷路器架構是最早出現的，至今仍然在一些配電應用中使用［1］。這種隔離方式是可視化的，抽出斷路器手機，斷路器即可被隔離。將接地手車或專門的接地開關直接打到電纜連接端子，便可使開關內部部件或電纜可靠接地。斷路器維護非常簡單，這對于舊式斷路器來說也是必要的。

但是，有些問題仍然不容忽視。遠程操控斷路器實際并不現實，因為斷路器手車需要搖出，而母線接地需要搖進接地手車，接地手車非常重，不方便操作。測試電纜時，需要直接搭接電纜，并開啟電纜室門。另外，設備需要安裝在潔凈的環境中，因為AIS設備對于環境狀況較為敏感。自上世紀九十年代起，固定式斷路器的應用越來越廣泛。最近，還出現了配固定式斷路器的金屬封閉開關設備，其中絕緣部件由環氧樹脂或其他類型樹脂制成。這些開關通常被稱之為固體絕緣開關(SIS)。但是，若沒有被正確地安裝在受控的環境中，AIS和SIS開斷都將極大地受到環境狀況 (灰塵、濕度等)的影響。在這種狀況下，上世紀九十年，人們又發明了帶充SF6的密封箱體的金屬封閉氣體絕緣開關(GIS)。

圖4 典型的抽出式空氣絕緣開關和它的單線圖

圖5 典型的固定式GIS開關和它的單線圖

需要特別注意的一點是，由于開關架構采用了五工位模式，并具有上游三工位隔離/接地開關和下游二工位斷路器，所以操作方式并不是很直觀。尤其是電纜接地必須通過閉合斷路器來實現，為確保操作員安全，操作時，斷路器必須處于閉合狀態。

對于二次配電來說，由于開關設備的需求量比較大，因而是否簡單、對惡劣運行條件的適應性以及成本效益就成為了評判標準。環網柜 (RMU)配置產生于上世紀五十年代。環網柜從帶熔斷器的油斷路器演變成為SF6環網柜，后者具有更多的斷路器方案保護中壓/低壓變壓器。得益于三工位一體的開關架構，工作人員僅通過一個簡單的操作便能實現隔離，這是一種三工位方案 (接通、分閘并隔離、接地)。直觀的單線圖讓本地和遠程操作更簡單，電纜接地更加直接，接地線距離電纜連接器更近，不同位置間的聯鎖可靠性更高。使用電纜測試設備非常容易，這樣操作人員無需打開電纜室門或接觸電纜就能直接操作電纜測試。

圖6 帶斷路器的SF6環網柜和它的單線圖

當需要具備四五種以上功能單元的更大尺寸的開關設備或需要可擴展的開關設備時，能滿足靈活性和緊湊性的環網柜解決方案的優點就有其局限性了。

4 保護繼電器和傳感器的發展歷史

保護繼電器從機電式發展為電子式，后來又進一步發展為數字式。對于現代化的數字式繼電器來說，傳感器信號功耗非常低，于是人們就開發了一種新型電流傳感器——低功耗電流互感器(LPCT)。此類互感器可產生代表主回路電流的電壓信號。相比于額定二次電流為5安培或1安培的傳統型電流互感器，這種新式互感器具有尺寸小、靈活性高的優勢。

5 中壓開關設備未來的挑戰

電網用戶對中壓開關設備的興趣日益增大。有關機構實施了一次大規模的全球市場調研活動，此次調研不僅確定了當前需求，同時也預測了未來趨勢，尤其是增長速度快、潛力巨大的國家的市場趨勢。電網用戶對于電網的安全性、可靠性、經濟性、簡單性日益重視。可應用于各類環境、使用壽命更長、免維護的斷路器越來越受歡迎。電網用戶更加注重包括設計、采購、施工、安裝、維護、壽終、回收處理等成本在內的全壽命周期運維成本。

6 智能電網面臨的挑戰

智能電網具有兩個重要目標:一個是優化能量供求關系，另一個是管理更多分布式可回收能量。由于網絡管理發生了變化，集中式能量生成模式對應的單向能量流演變為分布式能量生成模式對應的雙向能量流，這就帶來了較大的技術挑戰。其中一個亟待解決的問題便是:中壓開關設備是否能應對這種挑戰？從當前電網和一些試點項目來看，我們可以利用開關設備的一些特征來應對這些挑戰。

智能電網將包含更多斷路器來增加電能可用性［2］。遙控功能將成為智能電網的一項必備要求。這樣一來，開關設備將包含結構更加優化的一體式智能設備。低功耗電流互感器 (LPCT)和低功耗電壓互感器 (LPVT)對于進一步開發電能管理技術意義重大。測量設備必須結構更加緊湊、性能更加可靠、成本更加經濟。

為了這些不同應用的需求，模塊化和高靈活性對于智能電網來說是不可或缺的。

7 通過技術創新開發的新一代中壓開關設備

為了滿足所有的這些需求，一個可以滿足很多不同應用的優化解決方案應運而生，其得益于開關技術的突破，同時也受益于三工位一體的開關架構和屏蔽式固體絕緣系統 (2SIS)。

8 新型三工一體架構

如今，雖然技術沒有發生重大變化，但是人們日益傾向于在中壓二次配電中使用真空斷路器。最近的技術進步帶來了一種新型架構，它一方面保留了氣體絕緣開關設備的三工位方案的顯著優點，另一方面使用了真空開斷技術。

此架構包括一個上游帶隔離功能的真空負荷開關或真空斷路器，以及一個下游接地開關，后者可在電纜和母線間實現雙斷口隔離。三工位包括閉合、分閘并隔離、接地，再加上直觀的狀態指示是操作開關設備的最簡單、最安全的模式。

相比于傳統設計，操作員僅需一個簡單操作便能完成分閘并隔離，創新型真空滅弧室具有比傳統真空斷路器更大的真空開距和更耐電弧燒蝕的觸頭。下游電纜接地開關位于充滿干燥空氣的終身密閉箱體中，具備很強的短路關合和容性電流開斷能力。

圖7 新三工位方案圖和含真空隔離斷路器的典型設備

直觀的狀態指示讓操作非常簡單。安全的內置式聯鎖裝置，且采取主動撥動方式解鎖。專業電纜測試設備和前面板符合最新修訂的IEC 62271-200版本［3］——“開關設備標準中定義的中壓開關設備電纜測試功能最新規范”，這更好地保護了操作員的安全。

圖8 專業電纜測試設備

在實施電纜測試之前，打開帶隔離功能的負荷開關或斷路器并合上接地開關，使得電纜和母線之間的絕緣得到雙斷口的保障。完全互鎖的、安全的接地聯接處于可打開狀態，打開接地聯接即能直接搭接電纜導體。測試期間，無需打開電纜室，無需松開電纜聯接頭，無需操作接地開關。這種推薦的測試方式可最大限度地確保測試操作員的安全，并避免對主回路或電纜連接部件造成損壞。

9 屏蔽式固體絕緣系統（2SIS）

為了匹配氣體絕緣開關的優點，新的架構應當對于惡劣環境具有較低敏感性，無需維護。這可以通過適用于整條中壓線路的創新型屏蔽式固體絕緣系統(2SIS)來實現，該系統采用了一些人們熟知的技術和材料(樹脂和其他橡膠如EPDM)。母線、真空滅弧室和接地開關殼體由固體絕緣材料制成，其上面包覆了一層與大地導通的導電層。若要把所有電場限制在固體絕緣材料里，那么根據 IEC 62271-201 規范，所有表面必須具有地電勢，確保防護級別能達到PA等級(操作人員偶爾會接觸到)［4］。專利型扁平聯接可確保屏蔽層的接地連續性，不僅保證了安裝的簡單性、模塊化和靈活性高的優點，而且還使得其尺寸緊湊、安全。

圖9 所有高壓帶電部件都固體絕緣并屏蔽絕系統

2SIS系統降低了內部電弧風險，提高了操作安全性，降低了開關設備對惡劣環境的敏感性，不僅延長了使用壽命，還大大降低了維護的成本，即大大降低了全壽命周期運維成本。2SIS 系統適用于任何開關功能，比如負荷開關功能、斷路器功能、緊湊型計量功能、電流和電壓互感器等。

10 智能電網

相比于氣體絕緣開關，支持2SIS技術和最新三工位一體架構的新一代開關設備具有更好的模塊化優點，因為其整個架構均基于單個單元。新型開關設備集成了最新的控制、監控設備和數字保護繼電器，并可以使用低功耗電流互感器 (LPCT)和低功耗電壓互感器 (LPVT)，因此，這種先進的管理解決方案使用更容易。為了能以更加靈活的方式來監控和控制必要的功能，模塊化開關設備可將各種嵌入式智能電子設備連接到一起，從而擴展為規模更大的架構。

11 結論

中壓開關設備的技術革新帶來了更多機會，給人們帶來了更多中壓開關設備新的選擇標準，比如靈活性、對惡劣環境的耐受性、緊湊性、遙控系統優化程度等。

我們相信，具有三工位一體架構和真空滅弧室的2SIS將會很好地適應智能網絡的未來發展需求。靈活性更高的模塊化結構能夠滿足中壓二次配電網和中壓用戶配電室中眾多應用的需求。它也對使用傳統型抽出式設備的應用有較大的沖擊。從這個角度講，這種架構令傳統型中壓一次和中壓二次設備的界限日益模糊。

由于技術創新令設備更加緊湊、模塊化程度更高，新一代開關設備在中壓開關設備使用習慣和技術規范方面帶來了重大突破。

參考資料

[1]G.Moesch, JM.Biasse, Y.Li, M.Adams,2010: “中壓輔助開關設備固定式隔離斷路器技術時代的來臨:最新主電路功能技術進步令操作更簡單和安全”,CICED 2010年學報 FP0115號論文.

[2]P.Deschamps, P.Alibert, JM.Biasse,2011:“通過在配電網內引入斷路器的方式來減少停電次數是夢想還是現實呢？”CICED 2010 年學報 0768號論文.

[3]IEC 62271-200 Ed2.02011 -10, AC額定電壓在1kV至52KV之間的AC金屬封閉式開關設備和控制設備.

[4]IEC 62271-201第一版2006-06, 額定電壓在1kV至52KV之間的AC金屬封閉式開關設備和控制設備.