現狀10 kV開關柜在鉆石型配電網內的應用

王世峻，陳 博，毛姝旻，謝 容

(1.國網上海市電力公司經濟技術研究院，上海 200120； 2.上海電力設計院有限公司，上海 200020)

為了對標國際先進城市，建設卓越的城市配電網，解決站間負荷轉供能力不足等問題，以上海現狀開關站單環網為基礎，滿足110，35 kV變電站共存、大量開關站、分層結構，不低于現狀單環網備自投可靠性的要求，提出上海鉆石型配電網發展思路，建設具有上海特色、適應中心城區的配電網網架結構[1-3]。

1 鉆石型配電網簡介

鉆石型配電網是指以開關站為核心節點、雙側電源供電、雙環網連接、開環運行、配置自愈的電纜主干網，具有“全電纜、全斷路器、全互聯、全自愈”的特征。鉆石型接線示意圖如圖1所示。

圖1 鉆石型接線示意圖

雖然鉆石型配電網具有強大的負荷轉供及平衡能力、多元化設施柔性接納能力以及秒級的供電能力，但是鉆石型配電網雙側電源接線、多級運行、自愈系統配置可能會造成原有變電站、開關站所使用的開關柜無法適應。

(1)鉆石型配電網主干網全開關站配置，適應分布式電源及多元化負荷的接入，大規模分布式電源接入鉆石型配電網后會提高10 kV電網短路電流水平，可能超過原10 kV設備的短路耐受能力。

(2)鉆石型配電網雙環網開環運行，運行方式靈活多變，滿足“N-1”條件帶負荷能力較單環網高：一方面線路載流量較傳統單環網高；另一方面可能造成配網潮流超過開關站、變電站原有電流互感器的限值。

針對這些問題，基于上海配電網建設現狀10 kV開關柜對鉆石型配電網的適應性，提出了鉆石型配電網變電站和開關站開關柜設備的選型要求，為有效推進上海鉆石型配電網的標準化建設提供依據。

鉆石型接線采用分層、分級的結構，分為10 kV主干網和10 kV次干網兩個層級，不同層級的電網采用差異化的接線模式。

10 kV主干網是以全部進出線均配置斷路器的開關站為核心節點，形成雙環網的網絡結構。每組雙環網接線含4～6座開關站。開關站開關設備均為斷路器，采用單母線分段接線。雙環網線路所供負荷能夠滿足高峰負荷正常方式“N-1”和春秋季負荷檢修方式“N-1”。第一級開關站兩路電源來自同一變電站不同母線或不同變電站；其他開關站兩路電源來自相鄰開關站不同母線，并且兩座開關站之間設兩回聯絡專線開環運行。

10 kV次干網是以全部進出線均配置環網開關的環網站為核心節點，以開關站為上級電源，形成單(雙)側電源供電的單環網或雙側電源供電的雙環網結構。

2 10 kV開關柜適應性研究

現有10 kV配電裝置均采用10 kV開關柜，一般采用空氣絕緣開關柜，壽命不低于40年，防護等級不低于IP4X。在受環境條件等限制的情況下可選用氣體絕緣開關柜，防護等級不低于IP5X。應選用技術成熟、可靠性高、國內領先的優質產品。開關柜應具有完善的“五防”連鎖功能，可有效防止誤操作。

2.1 絕緣介質

10 kV開關柜按絕緣介質可分為10 kV空氣絕緣開關柜和氣體絕緣開關柜，氣體絕緣開關柜主要絕緣氣體為SF6和N2。空氣絕緣開關柜常規設備尺寸為800 mm×1 500 mm×2 200 mm，氣體絕緣開關柜主要有4種尺寸，如表1所示。

表1 10 kV氣體絕緣開關柜尺寸表

最大設備尺寸為600 mm×1 100 mm×2 250 mm，同時考慮柜前、柜后檢修通道距離，空氣絕緣開關柜單列布置時，柜前距離約為2 000(單車長+1 200)mm，面對面雙列布置時約為2 500(雙車長+900)，柜后為800 mm；氣體絕緣開關柜柜前為1 500 mm，柜后為300 mm。以10 kV側2進16出(含站變)KF2站為例，使用空氣絕緣開關柜的開關站尺寸為19.7 m×8 m，面積為157.6 m2；使用氣體絕緣開關柜的開關站尺寸為16.0 m×5.6 m，面積為89.6 m2。另外，氣體絕緣開光柜，柜內高壓元件(斷路器、隔離開關、接地開關及高壓帶電體等)重要部件均安裝于柜內充氣隔室中，氣密性較好，充氣隔室防護等級達到IP65，年漏氣率低于1‰，重要部件不受周邊環境影響。

考慮氣體絕緣開關柜價格較高，每單臺氣體絕緣開關柜較空氣絕緣開關柜價格高出10萬元；氣體絕緣柜部件均安裝于氣室內。如后期設備損壞需連同氣室一起更換，后期設備檢修較為困難，也存在氣體泄漏隱患。

在周邊運行環境惡劣(周邊2 km存在化工廠、其他重污染源或處于重污區)或地形、空間等受限制的開關站應采用氣體絕緣開關柜，其余站點仍應使用空氣絕緣開關柜。

2.2 斷路器

開關柜采用彈簧儲能操作機構的真空斷路器，機械操作壽命不小于20 000次，具備手動和電動操作功能。

根據鉆石型接線主干網，在不同情況下對斷路器的額定電流進行分析。現狀電網設備及通用設備10 kV開關柜斷路器額定電流參數均為1 250 A，短路電流參數為25(31.5) kA。

2.2.1 額定電流

根據鉆石型接線主干網，在不同情況下對斷路器的額定電流進行分析。

(1)正常工作狀態。若鉆石型接線含4座開關站，則線路最大負載為2段母線(1座開關站)負荷；若鉆石型接線含5座開關站，則線路最大負載為3段母線(1.5座開關站)負荷；若鉆石型接線含6座開關站，則線路最大負載為3段母線(1.5座開關站)負荷，如圖2所示。

圖2 鉆石型接線正常工作狀態示意圖

現狀上海地區開關站整站負荷按最大值取4 MW，正常工作情況下最大線路負載為3段母線，工作電流約為330 A。

(2)線路“N-1”負荷轉移狀態。若鉆石型接線含4座開關站，則在首段線路 “N-1”時，線路最大負載為3段母線(1.5座開關站)負荷；若鉆石型接線含5座開關站，則在首段線路“N-1”時，線路最大負載為4段母線(2座開關站)負荷；若鉆石型接線含6座開關站，則在首段線路“N-1”時，線路最大負載為4段母線(2座開關站)負荷，如圖3所示。

圖3 鉆石型接線“N-1”示意圖

現狀上海地區開關站整站負荷按最大值取4 MW，在線路“N-1”負荷轉移情況下，線路最大負載為4段母線，工作電流約為440 A。

(3)檢修方式“N-1”負荷狀態。若鉆石型接線含4座開關站，則在檢修方式“N-1”時，線路最大負載為4段母線(2座開關站)負荷；若鉆石型接線含5座開關站，則在檢修方式“N-1”時，線路最大負載為5段母線(2.5座開關站)負荷；若鉆石型接線含6座開關站，則在檢修方式“N-1”時，線路最大負載為6段母線(3座開關站)負荷，如圖4所示。

圖4 鉆石型接線檢修方式“N-1”示意圖

現狀上海地區開關站整站負荷按最大值取4 MW，在檢修方式“N-1”負荷情況下，線路最大負載為6段母線，工作電流約為660 A。

站內其余10 kV饋線柜，主要為站內配變、用戶站或次干網供電，10 kV開關站站內配變容量≤1 250 kVA，電流約為90 A；根據《上海電網若干技術原則的規定》(第四版)10 kV用戶站容量小于8 000 kVA，電流約為572 A；10 kV次干網每環供應的配變容量(包括用戶)≤7 000 kVA，電流約為500 A。

現狀電網設備及通用設備10 kV開關柜額定電流為1 250 A，可滿足鉆石型配電網在不同工況下的需求。

2.2.2 短路電流

根據《上海電網若干技術原則的規定(第四版)》，上海10 kV系統的短路電流水平按照20 kA控制，新建10 kV設備的三相短路電流均按20 kA控制。

變電站10 kV母線系統側短路電流。考慮220 kV側大方式短路電流為50 kA控制值，220 kV主變容量240 MVA、高中壓阻抗百分比14%、高低壓阻抗百分比23%，計算得到110，35 kV變電站10 kV母線大方式短路電流如表2所示。

表2 變電站10 kV母線系統側短路電流

由表2可知，110，35 kV變電站10 kV母線大方式短路電流根據主變容量及阻抗百分比的不同，在8.3～14.8 kA范圍內。

鉆石型配電網雖然為多側電源系統，但在正常運行方式下系統為開環運行，除極短暫且被允許的切換操作過程中，系統任意一點仍然為單側電源系統，其短路電流小于電源變電站10 kV母線的短路電流，10 kV系統的短路電流水平依舊按照20 kA控制。現狀電網設備及通用設備10 kV開關柜斷路器短路電流參數25(31.5) kA，均可滿足要求。

3 電流互感器

根據《國網上海市電力公司配電網工程通用設計圖集(2014版)》現狀開關站進線柜為3次級電流互感器，600/5，0.5S/10P20/10P20, 15/20/20VA; 饋線柜為2次級流變，200(400)/5，0.5S/10P20(0.5S),15/20VA；分段柜為2次級流變，600/5，0.5S/10P20(0.5S),15/20VA。在鉆石型配電網中，開關站為主干網線路核心節點，在這些線路上使用的電流互感器要考慮其正常運行和故障時各類工況對設備參數的要求。

(1)一次額定電流。根據分析，變電站饋線正常運行的最大工作電流不超過330 A，檢修“N-1”情況下最大不超過660 A。因此，現狀開關站主干線倉位及分段開關柜電流互感器變比無法滿足要求，應更換為400(800)/5帶抽頭的電流互感器。

(2)次級數量。在鉆石型配電網采用自愈系統方案對電流互感器的次級數量提出了新要求。原有線路保護(縱差+過流)和新增自愈終端需要使用P級繞組。計量表計和監控系統遙測需要0.5S級繞組。次級數量的需求為至少為1個P級+1個0.5S級，近年新建或改造的開關站均能滿足。如果有條件時，應盡可能選擇2個P級繞組，便于縱差和自愈系統調試。

(3)二次繞組容量。對0.5S級繞組，在鉆石型電網中其二次負載與現狀電網相同。對P級繞組，當線路保護與自愈系統共用繞組時，電流回路負載按照8 VA估計(考慮自愈系統組屏安裝于10 kV配電裝置室內，電流回路二次電纜長度增加30 m)。計算如下：自愈系統電流回路輸入功耗為1 VA/相；線路保護功耗1 VA/相；二次電纜30 m，導線電阻為0.08 Ω，導線功耗4.5 VA；接觸電阻取0.1 Ω，接觸電阻功耗2.5 VA。當電流互感器P級繞組二次容量為20 VA時，可滿足要求。

(4)精度或準確限值系數。對0.5S級繞組，與現狀配電網一樣，其精度可以滿足計量和遙測的要求。對P級繞組，因需要用于縱差保護，校核其準確限值系數ALF很有必要。如果ALF過低使得區外故障時電流互感器飽和，將導致縱差保護誤動作，自愈系統中基于縱差原理的故障定位功能也會做出錯誤的判斷導致事故擴大化。

4 結語

現有10 kV開關柜斷路器參數可滿足鉆石型電網主干線的電流要求；進線與分段開關柜流變應按400(800)/5考慮；同時應根據開關站周邊環境及站體尺寸選用適合的空氣絕緣開關柜或氣體絕緣開關柜。