配電網10kV新型智能開關柜技術研究

云南電網有限責任公司玉溪供電局 魯詩速 付發群 麥建國

配電網10kV新型智能開關柜技術研究

云南電網有限責任公司玉溪供電局 魯詩速 付發群 麥建國

對國內外10kV開關柜的現狀、SF6產品和樹脂固封絕緣產品的發展沿革進行了簡要分析，通過深入對比分析目前10KV開關柜在可靠性和環保等方面的優缺點，提出了在10kV配電網中，固定式、密閉空氣絕緣加局部復合絕緣的緊湊型開關柜是將來的發展方向，建議加強相應緊湊斷路器柜的開發。

開關柜；配電；絕緣類型；固定式

1 引言

城市電網的建設與改造主要在城市市區進行,現代化的城市也是工礦企業、人員、物流重要聚集區域,用電負荷中心,通過采用環網供電可以解決城市負荷密度增加的主要措施。而目前10kV配電網線路上環網設備普遍使用是SF6氣體絕緣負荷開關柜,雖然有著高絕緣強度、占地少的優點,但也存在因SF6氣體泄漏造成絕緣性能及滅弧性能減弱導致開斷失敗出現內燃弧故障從而引發箱體爆炸的危險。作為公用電網運營企業,研究10kv新型智能開關柜技術就相當重要了。

2 國內開關柜發展及現狀

隨著社會的經濟發展,城市化進程的不斷加速,對配電網建設提出了更多的要求,技術成熟可靠、少/免維護類產品,對環境應用適應性高,通過緊湊、小型化的產品應用節省電力設備對土地的占用,高效集約利用土地資源的設備符合中國電網公司一直倡導采用“資源節約型”電力設施和建設綠色電網要求。近年,電網公司開始大規模建設“現代配電網“,而遍至電網終端的配電網分布著眾多的開關站、配電站、開閉所、配電房,若按照緊湊節約型的標準建設,將產生巨大的社會效益與企業利益。為了適應現代配網建設的要求,各種緊湊型的電氣開關柜不斷涌現。而其重大的技術突破主要來源于二十年前采用了SF6(六氟化硫)氣體絕緣技術在中壓配網緊湊小型設備上的應用。SF6作為一種絕緣氣體,有卓越的絕緣性能,優異的冷卻電弧特性。在電氣設備的應用中,可以大幅縮少設備的尺寸,提高設備絕緣的可靠性,所以SF6絕緣開關柜曾經廣泛應用電力市場。

近年由于綠色電力發展的背景下,對SF6氣體絕緣開關設備的應用反思,特別是在中壓系統的配電設備可以通過其他的方式在滿足配電網的應用同時,還能兼顧解決環境的影響因素成為了電力裝備業界的重要選擇。SF6氣體由于具有高度穩定性,可以在自然環境中穩定存在3400年,若在應用中由于泄漏等諸多因素排放在大氣中時,能持續影響地球氣候變化,對人類的生存環境帶來明顯的危害。由于SF6是目前為止發現的全球增溫潛勢(GWP)最高的的物質,即是最強烈的溫室效應氣體,溫室效應是CO2的23900倍,在1997年通過的《聯合國氣候變化框架公約京都議定書》六種規定減排的溫室氣體中溫室效應排列第一。其次SF6在電弧放電時會分解形成有毒性的硫低氟化合物。第三其密封箱體是在帶壓力狀態下工作,密封要求高,加工困難,檢測維護復雜,一旦發生泄漏,絕緣破壞,極易造成人身傷亡事故。全球對SF6應用對策：超高壓、高壓電氣設備嚴格循環回收應用,在中低壓電氣設備限制使用。

作為代替SF6緊湊小型化的應用技術措施,正在試驗與開發的技術主要有環氧樹脂固體全封閉的環網柜絕緣技術,應用SF6+N2(氮氣)絕緣技術,壓縮空氣的絕緣技術(加壓至十多個大氣壓)這幾種。在2008年4月23日授權公告的中國專利,公告號為CN201051616Y,其公告了一種固體絕緣的全封閉環網柜,部分電網用戶希望將其作為代替SF6絕緣的應用技術。

但由于環氧樹脂固體絕緣的真空加工工藝要求極高,其通常由雙組份或多組份液體材料攪拌澆注加工固化,容易在加工中產生微小汽泡,存在在高電壓時產生局部放電,過電壓時形成擊穿致絕緣失效的風險。同時環氧樹脂固體材料是一種脆性材料,在安裝和運輸容易損傷。生產過程會產生固體廢棄物。

3 環網柜故障分析以及對新式環網柜的要求

3.1 故障分析

參考2010年南方電網公司《高壓開關設備運行情況及故障分析》和《高壓開關行業通訊》2006第3期“國家電網公司高壓開關運行分析”,所統計的10千伏開關柜運行中主要存在的故障主要為機械故障、載流故障和絕緣故障三類,故障的比例排序分別為66.3%,18.6%, 14.3%。

a)機械故障包括彈簧操作機構、五防機械閉鎖、分合閘線圈故障,而在操作機構故障主要是各類開關分合卡澀、拒合、拒動,機械壽命短等,還有要實現五防的機械聯鎖穩定性極差,應用中需要經常性調整、檢修。

b)載流故障,在載流故障中,觸頭過熱、引線過熱,擴大為絕緣事故存在較大的潛在隱患。分析原因多是一次插頭接觸不良,梅花插頭容易偏心等原因接觸不良、接觸壓力夠,出現局部過熱,起弧而燒壞設備。

現階段10kV主流產品中置式手車柜,這類產品在運行中存在的主要問題是,手車式斷路器柜的一次觸頭與靜觸頭的插接處容易過熱。由于一次插頭在觸頭盒內,其散熱性差,由于制造尺寸偏差、安裝質量等原因,部分開關柜不能長期安全運行,曾多次發生絕緣件斷裂、燒毀等一級設備事故。分析原因：手車式斷路器柜是敞開式開關柜,對流散熱的縫隙在運行中,粉塵的進入覆蓋在絕緣器件上,或其他維護、檢修工作頻繁發生,反復進行的動靜觸頭插拔,容易造成一次插頭偏移和接觸壓力不足,進而導致接觸電阻增大,而局部發熱引致接觸電阻再次擴大,擴大后的發熱面積必將形成狀況的持續循環,局部的發熱將會波及全柜的其他導電件,最終造成開關柜崩燒的燒毀。

典型的例子：在《高壓開關》2005年第1期,《12kV開關柜事故分析及其教訓》一文中提到,事故燒損的開關柜,從事故分析上可以知到手車動觸頭與開關柜觸頭存在高度誤差,其分析測量數據高度誤差為12mm,事故形成了配電室同排手車柜嚴重燒損。

c)絕緣故障。主要是柜內放電、CT出現閃絡和開關柜相間閃絡、絕緣尺寸不足、柜內絕緣隔板存在吸潮。

3.2 10kv新型智能開關柜具體要求

a)實現故障就地隔離,可有效減少停電時間和停電范圍,提高供電可靠性,減少停電時間,創造社會效益。

b)節省維護成本：

10kv新型智能開關柜要具備斷路器功能,配備繼電保護裝置,具有隔離故障能力,不存在采用熔斷器-負荷開關組合電器對用戶變壓器進行保護的情況,不需到現場更換熔絲,節省了到現場更換熔絲的維護成本。

c)滿足配網自動化、未來智能電網要求,減少重復投資。

d)實現用戶故障不出門。e)智能化。

f)前瞻性設計。

10kv新型智能開關柜整體設計要圍繞智能、環保、緊湊型和適應智能電網和配網自動化的方案而系統開發,滿足未來智能電網的發展需求,可從源頭避免重復投資;斷路器設計方案,具有額定動熱穩定、短路關合和開斷能力(負荷開關無短路開斷能力)。能實現故障就地快速處理、隔離,是構筑智能電網和配網自動化的設備基礎。

G)環保、節能。

h)10kv新型智能開關柜要有效減少停電時間,降低社會損失;無SF6溫室氣體;不使用熔斷器,無熔斷器長期功率損耗;沒有大量的環氧樹脂固體廢棄物,90～95%的部件都是可回收利用的。

i)結構緊湊,模塊化設計。

10kv新型智能開關柜體積要與SF6環網柜相差無幾,模塊化設計,線路饋電柜十分容易轉變為變壓器饋電柜。

4 10kv密封箱型環網柜同類成品

目前國內外密封箱型環網柜參數達到額定電壓l2、24、40.5kV,額定電流200,400,630,1250A,額定短時耐受電流16,20,25kA,柜寬：密封充氣式多為350～400mm,空氣絕緣式為600mm左右。

4.1 施耐德12/24kV RM6系列環網柜

RM6系列環網柜是SF6充氣環網單元柜的代表產品,由于將帶電部件和主開關都放置在封閉的金屬密封箱體內,帶電部件和主開關不會受到外界環境條件的影響,根本上杜絕了由于運行環境污染而容易產生污穢閃絡的風險,減少了清理粉塵的維護時間,同時密封箱全絕緣,可以提高設備運行可靠性及操作人員的安全。

RM6系列環網柜中,主方案有負荷開關I方案、負荷開關+熔斷器組合電器Q方案、斷路器方案。斷路器有200A專門用于配電變壓器饋線的D方案,630A/1250A網絡節點線路保護的B方案,兩者有相同的用戶界面。其額定電壓為12/24kV,額定電流200A,630A/1250A。

4.2 LMG、LCG系列SF6環網柜

該產品是上海天靈開關廠有限公司小型化SF6環網柜。LMG系列為緊湊型,單回路氣箱結構,用SF6氣體絕緣,LCG系列為擴展型,多回路共箱體結構,SF6氣體絕緣。單回路和多回路兩種系列的產品可任意組合,從左右兩側通過連接套件可進行擴展。

產品具特點：

①高壓帶電部位密封在充以低壓SF6氣箱內,不受外界環境影響,可實現全絕緣。

②模塊化設計。各種主接線由不同模塊組合,實現緊湊小型化。

③進出線電纜采用硅橡膠絕緣層的全絕緣屏蔽型。④擴展采用硅橡膠連接器,實現相鄰柜之間的電氣連接。

4.3 12/24kV UNIFLUORC系列SF6環網柜

該產品是順德開關廠有限公司引進意大利VEI公司產品。

產品由不銹鋼殼體焊接成的完全密封的箱體。所有帶電部件及開關密封于不銹鋼殼體內。整個主導電器件與開關裝置不受外部環境的影響,是免維護型產品。主開關是壓縮式噴氣滅弧結構,由于主要滅弧由壓縮式噴氣完成,不主要依賴SF6氣體進行滅弧,其滅弧能力較強,具有高達2100A的轉移電流能力。通過擴展連接套件可進行擴展,產品方案任意組合,模塊化設計。

產品特點：

①主滅弧原理可靠。UNIFLUORC系列SF6環網柜采用先進的壓縮式噴氣滅弧結構。

②獨特的雙重滅弧結構。開關的壓縮式噴氣主滅弧結構,輔以SF6氣體滅弧介質加強滅弧,雙重滅弧保障。

③零表壓能力。開關的壓縮式噴氣主滅弧結構,輔以SF6氣體滅弧介質加強滅弧,在零表壓的情況下仍然能夠正常分合操作。

④技術成熟。壓縮式噴氣主滅弧結構從單壓式開關移植,成熟可靠。

4.4 Xiria（西瑞）型環網柜

該產品由荷蘭Holec公司研制成。Holec公司被美國Eaton(伊頓)公司電力部收購后,交由其中國工廠在江蘇常州進行本土化生產。

Xiria型環網柜有l2kV和24kV兩個電壓等級,額定電流630A。

產品特點：

①首位采用干燥空氣進行絕緣的環保型環網柜,沒有采用SF6氣體進行絕緣;

②使用真空斷路器保護配電變壓器,代替傳統三工位SF6負荷開關+限流熔斷器,讓保護范圍更寬;

③干燥空氣密封箱體設計。帶電元件終身密封在密封箱體內,使主要帶電元件不受運行環境影響;

④小型化。這是通過優化電場、優選絕緣材料及采用小型化真空滅弧室實現。

例如3單元環網柜尺寸(mm)為1100(寬)×600 (深)×1305(高)。

4.5 SafeRing Air概念環網柜

ABB對中國電網公司提出的一個環保型概念型的產品,目前在研制開發當中。

SafeRinG Air設計概念是將SafeRinG,SafePull系列產品通過環保氣體替代原來的SF6氣體絕緣,通過采用熱塑性材料等技術方案,實現大部分材料的可再生應用,從而在環保、節能方面實現產品的換代升級。

SafeRinG Air設計概念環網柜中,主方案有負荷開關C方案、斷路器V方案。而斷路器V方案直接取代了原來SafeRinG的負荷開關+熔斷器組合電器F方案、斷路器也從SafeRinG的200A專門用于配電變壓器饋線的V方案,升級至630A的新型V方案,擁有更高的開斷能力。

產品外形尺寸：420*900*1510～1930

4.6 LNS氮氣絕緣環網柜

LNS氮氣絕緣環網柜是蘇州朗格電氣有限公司研制的新概念環保產品。

LNS N2絕緣環網柜主要產品特點是通過N2絕緣代替SF6氣體絕緣,實現產品的環保概念性能,在保護小型化的要求同時,提出免維護的設計,零表壓的絕緣性能要求。主方案有負荷開關L方案、斷路器C方案。而斷路器C方案直接取代了原來大多數環網柜的負荷開關+熔斷器組合電器方案。

產品外形尺寸：375*1000*1900

5 10kv新型智能開關柜

5.1 10kv新型智能開關柜主要性能

a)產品作為新型固定式斷路器柜和具有高精度智能化功能產品,可作為智能配電網的一次配電基礎設備,智能配電網二次配電和配網自動化主要設備。

b)通過全新設計能實現故障就地隔離的快速響應的真空斷路器功能的開關柜布置在配電網的開關節點上(要求開關柜動作+繼保動作時間100ms≤變電站10KV出線斷路器繼保的250～300ms延時設定);結合歐洲專利的相不對稱暫態判斷的高精度故障檢測(檢測至0.5A)、保護、RTU一體化的智能組件實現配網自動化和智能配電網的高供電可靠性要求,實現零停電,確保供電可靠性達到99.9999%水平。

c)產品是緊湊小型空氣絕緣真空斷路器固定柜,常壓的空氣密封箱體結構,不采用緊湊柜的帶壓力SF6絕緣氣體材料,沒有溫室氣體的泄漏,符合綠色,低碳的社會發展潮流,符合國家電網公司綠色電網設備的選型。

d)長壽命免維護的設計,均勻電場和局部復合絕緣技術,可實現與全絕緣充氣柜相約的尺寸,在目前城市高速發展中節省大量的珍貴用地和特別緊、窄、低安裝場合的應用。可代替全絕緣,全密封充氣柜,提高供電可靠性,減少停電。

e)在開環環網線路上利用基于相不對稱檢測專利原理基礎上構成故障前后二個斷路器點對點故障電流的相異狀態判斷,就能實現故障的就地隔離和保持故障點前線路的不停電方案,可以構成不依賴后臺主站、通訊條件的初級配網自動化方案;而在具備光纖的通訊條件,利用后臺主站、光纖通訊就能建成故障的瞬間就地隔離(隔離時間短于變電站10KV出線斷路器繼保的250～300ms延時設定,出線斷路器不需跳閘),瞬間復電“零停電”的低成本配網自動化方案(故障檢測、保護、RTU一體化的智能組件比傳統配網自動化節省了大量元件成本、造價,可靠性更高)。

f)產品為新型的固定式斷路器開關柜,由真空滅弧室和三工位的隔離開關和接地開關構成長壽命免維護主導電斷路器組件,密封在帶呼吸過濾裝置的干凈空氣絕緣的金屬箱體內;配套簡潔、高可靠的手動和電動操作機構在密封箱體外,方便更換維護,沒有移動部件,可靠性高,大幅減少維護工作量,滿足長壽命免維護選型要求,配置一體化智能組件。

G)產品有完善的“五防”連鎖機構,有明顯可視隔離斷口,接地開關有E2級關合能力

5.2 箱體結構性能介紹

a)采用空氣絕緣的共箱緊湊型斷路器開關柜,包括柜體,設有一至三個進出線的導電回路共箱的填充常壓空氣的密封氣箱,二次室、機構室、電纜室在密封氣箱之外,二次室、機構室在氣箱布置前后側,放置在柜體的中部,柜體的下部是電纜室。

b)基于現代配電設備的應用需求,改善現有技術存在的一些缺陷,開關柜內部結構以均勻電場與局部復合絕緣技術為基礎,通過真空滅弧室滅弧,填充常壓空氣的密封箱體實現縮小設備尺寸的新型開關設備。

c)該裝置所述常壓密封箱體通過采用鈑金箱板專用長效密封膠填封接縫形成箱體的靜密封和密封圈拼接操作轉動軸孔形成箱體的動密封。將運行環境中的塵埃,污穢,潮濕空氣隔離,有效地減緩了電源體的腐蝕,延長了開關柜的使用壽命,確保免維護的結構長壽命有效工作。

d)本結構箱體可以通過透明的觀察孔進行隔離和接地位置的可視。接地開關具有E2級額定短路電流的關合能力,能減少故障擴大,提高電力設備的供電可靠性。

5.3 新型智能開關柜優點

中壓緊湊型智能開關柜與施耐德的RM6、ABB的Safe RinG等環網柜相比,最大的優點：

a)滿足未來電網要求。故障停電,瞬間復電,減少停電時間。

b)斷路器設計。能實現就地切除、隔離故障點。

而國廠商仍在大量使用負荷開關和熔斷器,這兩種產品恢復和更換時間長,安全性差。

c)環保。采用可自愈的空氣絕緣結構設計,非SF6的緊湊型全封閉RMU不受碳關稅制約的行業綠色友好型低碳代表性產品。中壓緊湊型智能開關柜通過采用大型計算機進行電場強度仿真模擬和輔助計算,實現了電場強度的平衡設計,保證在空氣絕緣的情況下,產品能夠安全工作,配合真空滅弧裝置,保證產品的高可靠性和超長使用壽命。

d)安全可靠。保障人身和系統安全。

每路開關都有接地開關、觀察孔和鎖定裝置,保證操作人員安全;沒有SF6氣體,所以不存在由于SF6氣體泄漏所導致的漏電和絕緣性能下降而帶來的的危險;

e)易擴展。具有很高的安裝靈活性。

f)節能。沒有熔斷器功耗損耗。

G)斷路器,可實現故障不出門——全范圍斷路器設計,配合繼電保護裝置實現就地對用戶側的過電流、相間短路、單相接地短路等故障進行保護和隔離,解決了目前配網系統用戶界面內故障出門引致整條10kV饋線線路跳閘的停電事故,提高供電的可靠性。

h)配備智能組件,集成供電、繼電保護、開關參量上傳、遠程控制等功能,與光纖通信配合,可在150毫秒之內隔離故障線路,并恢復對其它電路的正常供電。

i)具有額定短路關合能力的E2級接地開關。

j)具有最少5次關合短路電流能力,確保設備安全。

6 結論

綜上所述,新型智能開關柜具有緊湊體積小、空氣絕緣、斷路器分斷能力等優點,適用于廣大10kV配電網,用于實現配電網線路故障就地隔離保護,必將大大提高配電網的供電可靠性,為配電網升級改造提供可行解決方案。

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魯詩速（1968—），云南電網有限責任公司玉溪供電局助理技能專家，研究方向：機電。