10kV開關柜電氣設計及智能化改進方法探析

楊金城

（泉州億興電力工程建設有限公司，福建 泉州 362000）

0 引言

目前我國經濟已經進入高速發展時代，用電需求也大大增加，因此，電力系統的穩定安全以及可靠運行是我國供電企業發展的工作目標。對我國裝機容量的數據進行統計，截至2020年，累計裝機容量達12億kW~13億kW，已成了目前世界上最大規模、且具有聯合性的電力系統網，此外，在我國的電力行業中，不斷加強智能電網的建設并創新，應用各種高新技術，為變電站實現數字化、自動化以及智能化奠定了基礎，保證電力系統運行的穩定性。

1 中壓開關柜的分類及技術發展

我國的中壓開關柜發展起步較晚，實現自主設計的時間是在20世紀60年代末，由于不斷引進了國外相關產品技術，20世紀80年代我國的設計技術水平得到迅速提升，品種也具有多樣性，例如有間隔式、鎧裝式和箱式開關柜等多種中壓開關柜形式，且根據使用環境的不同設計出固定式柜以及可進行自由移動的移開式柜，而隨著移開式開關柜產品不斷投入運行后，根據實際施工的需要不斷進行推陳創新，不僅有落地式，也開發出來了中置式、及雙層柜等多種類型。此外，隨著技術不斷改革創新，針對部分特殊場所的施工要求（如鐵路、礦山等），也設計出適用于特殊場所使用的開關柜[1]。

隨著信息技術的不斷發展，為我國智能化開關柜技術不斷創新發展提供技術支撐。目前我國的智能化中壓開關柜在現有基礎上通過與新型的智能儀器信息技術等結合來進行設計，將智能配電監控以及保護模塊等系統的網絡接口與中央控制室的計算機網絡系統進行聯網后，可以對各供配電回路中的電壓電流情況及有功/無功的功率情況等參數進行實時監測與控制，也可以對開關柜內的實際運行環境和溫濕度以及故障、斷路器的分合狀態等實時監測，從而快速地對故障點進行定位；除此之外，隨著信息化技術的不斷運用和發展，對配變所進行無人值守和遠程監控，保證供電系統穩定地運行，且其具有非常良好的市場發展前景。

2 中壓開關柜電氣設計案例

2.1 工程案例

該文以某縣公司110kV東園變無人值班及老舊設備智能化改造工程中10kV KYN進線柜及饋線柜的電氣設計為例，設計應根據以下規范：1）《10kV及以下電力用戶業擴工程技術規范》、《電力工程電纜設計規范》（GB 50217-2007）；2）《20kV及以下變電所設計規范》（GB50053-2013）；3）《福建城市中低壓配電網建設改造技術導則（2008年版）》；4）《交流電氣裝置過電壓保護和絕緣配合》（DL/T620-1997）；5）《電力裝置的電測量儀表裝置設計規范》 （GB/T 50063-2008）。在本次改造項目中采用的2種開關柜均為中置移開式結構[2]，其相關技術參數如下表1所示。

表1 中壓開關柜的主要技術參數

2.2 結構設計

2.2.1 進線柜、饋線柜的總體結構設計

進線柜和饋線柜總體結構相近，結構主要都是由電氣元件、以及柜體所組成。其中，電氣元件主要由真空斷路器、接地開關等多種元器件組合而成，而柜體則是通過接地的鋼板將其分成母線室、斷路器手車室以及電纜室、繼電器儀表室4個獨立的隔室。此外，在進行中壓開關柜設計時，應充分考慮中壓開關柜在正常運行和后續監測、及維護工作時的安全性、便捷性，且須根據所使用的環境條件進行校驗，在確保技術先進性的同時，也需要重視相關設備的經濟性，確保設備配置的科學性和合理性[3]。整體結構如圖1所示。

圖1 進線柜、饋線柜結構設計

其中，中壓開關柜的設計應充分對其運行的穩定性、監控便捷、以及后續維護工作的便利等方面進行考量，以便于元件的檢修試驗和故障的尋找處理維護工作順利開展，例如部分額定參數、及結構相同的元器件能方便互換，根據實際使用環境的情況進行合理地校驗，選擇的元器件應在滿足技術要求的前提下保證經濟合理，新設備投入運行時應嚴格對其進行檢測，選擇鑒定合格并可靠的設備。

2.2.2 一次線路設計

2.2.2.1 一次線路接線情況

10kV供電系統屬于中性點不接地式，在一次線路設計時，應采用中性點經消弧線圈的接地方式，且須注意兩相電流互感器測量A相和C相，在進線柜以及饋線柜中的一次接線狀態。具體接線如下圖2和圖3所示[4]。

圖2 KYN28進線柜一次接線圖

圖3 KYN28饋線柜一次接線圖

2.2.2.2 一次電氣元件的選擇

在中壓開關柜內一次電氣的元件類型具有品種多樣化和形式多樣化的特點。在進行開關柜主電路的方案設計時應充分對開關柜的性能要求進行綜合考量，例如開關柜的整體結構、安裝是否便利、操作和維護的通用性與便利性，針對電氣元件的性能參數情況和外觀安裝尺寸等因素合理選用一次電氣元件。

在無人值班及老舊設備智能化改造工程中，10kV KYN進線柜、饋線柜均采用真空斷路器，并根據相關的設計要求，在選擇斷路器時選擇了真空斷路器（國產VS1系列和進口VD4系列），主要是這2種真空斷路器都具有良好的可持續操作，且開斷性能好，實現對故障的快速滅弧，而且2種真空斷路器在投入運行后具有維護簡單、操作危險性低以及噪聲低等多個優點，采用該斷路器在降低投入成本保證良好經濟性的同時，降低后續運行維護工作的難度[5]。

2.2.3 二次電路設計

2.2.3.1 二次電路回路的主要分類

通常情況下電氣回路主要由以下部分組成：一是主回路，二是輔助回路（也被稱為二次回路），而二次回路的電路則是通過計量表計、繼電器和控制開關等多個二次電氣元件進行組合連接，因此要將二次回路進行分類的話則需重點考慮以下：一是根據功能進行區分，則主要分為控制回路以及計量回路、保護回路、信號回路四種類型；二是根據操作電源的種類進行分類，則可分為交流電壓、電流回路、直流回路3種類型。

2.2.3.2 二次回路中配線截面的選擇

通常情況下，開關柜中二次回路中的導線一般多采用單芯、或多芯的絕緣導線，因此在確定其導線截面時，應注意以下幾個方面：1）測量表計電流回路在選用絕緣導線的截面時，按相關標準要求截面應控制不得小于2.5 mm2，且須確保其電流互感器中的二次電流不得超過5A，確保絕緣導線的負荷符合標準負荷要求；2）須根據電流互感器的誤差曲線合理選擇繼電保護裝置的絕緣導線，一般要求控制不得超過其10%；3）電壓回路用的絕緣導線在選擇時，須注意導線所能允許的電壓損失；4）須根據機械強度等相關條件要求來合理選擇控制系統以及信號回路中所使用的電纜芯，一般須保證導線的銅芯線截面不小于1.5mm2。

3 中壓開關柜的智能化改造成果

3.1 KYN28開關柜智能化改造的總體方案

智能開關柜的核心是控制裝置的智能化程度。該項目在改造過程中，選擇智能控制裝置、與保護裝置并列運行的方案來進行施工改造，選擇該設計方案可以根據開關柜的不同類型進行差異化、個性化配置，確保整個智能化水平提升。

以該項目中的一個典型饋線柜為例，該智能饋線柜的系統主要由支持IEC61850通信標準的保護裝置以及能實現智能控制的裝置組成，并且將2個裝置系統、以及饋線柜內的多個攝像頭與以太網和監控中心進行連接，以此構成完整的開關柜網絡系統以實現對饋線柜運行狀況的監測和控制[6]。此外，通過斷路器上的傳感器智能單元、以及數據采集模塊，將運行的數據狀態進行匯總并上傳，為后續饋線柜的維護工作和檢修工作提供詳細的數據支持。系統結構如下圖4所示。

圖4 系統結構圖

3.2 中壓開關柜的智能化改造成果

對中壓開關柜進行智能化改造和研究，是促進電力企業智能電網全面覆蓋的關鍵步驟，通過改造中壓開關柜為我國電力行業的長遠未來發展方向提供一定的技術支持。主要體現在以下3個方面[7]。

3.2.1 實現了電動操作的自動化

自動化技術是實現智能化的基礎。在此階段，以自動化技術標準化為總工作目標，實現智能開關柜各種運行狀態的自動轉換。

3.2.2 實現在線監測和自診斷技術

將柜中的運行情況及特性和環境等參數，通過智能控制裝置的集中處理后，進行匯總和分析，以實現開關柜對自身運行狀態進行自動檢測診斷以及故障預警，并找出故障點，提高檢修工作的準確度，減少因故障帶來的不良影響。

3.2.3 實現配電系統的智能化

在前2項技術支持下以實現配電系統的整體智能化發展為目標，以智能化開關柜為基本組成單元，將配電室、開閉所等組成一個智能化網絡，從而完成日常的巡視工作，對事故提前預警和對故障點隔離，以及優化運行方式等，使配電系統穩定地運行。

4 總結

隨著科學技術的不斷進步，中壓開關柜被廣泛應用于我國智能配電網中，其使用范圍不斷擴大，尤其是對部分中大型的變電站來說，中壓開關柜的應用具有非常重要的作用。而且隨著智能電網的概念在我國電力行業中不斷落實，對電力行業的穩定發展起到極大的促進作用。隨著電力市場競爭加劇，用戶對供電質量提出了更高要求，筆者結合當前智能電網發展的大方向和需求，針對性地提出智能化改進的方案，期望為后續的變電站無人值班以及老舊設備智能化改造工程提供依據，促進供電企業的穩定發展。