新型環(huán)網(wǎng)柜帶充電裝置的應(yīng)用研究

馮 哲

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢430060）

由于我國電力市場的經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)連接不上、不安全等問題也是引起電網(wǎng)設(shè)備以及其電力需求不平衡的原因之一。所以，目前對于加強(qiáng)城市配網(wǎng)自動化建設(shè)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。環(huán)網(wǎng)柜是一個(gè)壓力比較高且由鋼制成的供電配件，它的主要零部件有開關(guān)、斷路器等，它的用途也比較廣泛。一般情況下主要起到對整體電流的控制作用，可以對其實(shí)施保護(hù)，對于其電流過程中的線路具有一定的充電功能。在國外，環(huán)網(wǎng)柜被稱為環(huán)網(wǎng)供電單元（RMU），德國某家公司在一次公共展覽會上第一次展出了SF6環(huán)網(wǎng)柜，這個(gè)部件具有靈活且部件很小、比較智能化、制造成本比較低的優(yōu)點(diǎn)。

目前，我們國家特別注重節(jié)能減排、綠色無污染的生活環(huán)境，電網(wǎng)企業(yè)是作為其負(fù)責(zé)的主要單位之一。所以各個(gè)電網(wǎng)公司都對其線路的配置以及劃分做了嚴(yán)格的要求與管理。

環(huán)網(wǎng)柜作為比較現(xiàn)代化的設(shè)備，在電網(wǎng)的應(yīng)用與建設(shè)之中具有重要的意義。除此以外，新型環(huán)網(wǎng)柜也成為了很多研究者研究的主要對象。其電源設(shè)備包括用于將所述商業(yè)電力的交流電壓轉(zhuǎn)換為第一直流電壓的整流器穩(wěn)壓電路，用于將所述電流互感器獲得的電能轉(zhuǎn)換為第二直流電壓的取電電路、電源電路，用于將電流互感器獲得的電能轉(zhuǎn)換為第二直流電壓；繼電器開關(guān)電路，用于將第一直流電壓和第二直流電壓組合為第一直流母線電壓，所述第一直流母線電壓和第二直流母線電壓分別與所述整流器穩(wěn)壓電路和所述取電電路連接，所述取電電路用于所述電容器充電管理電路為超級電容器充電和完成電池充放電的電池充放電管理電路分別與繼電器切換電路相連。超級電容器在智能環(huán)網(wǎng)柜電源裝置中的應(yīng)用，可以解決大電流充放電問題，使得電池的極性得到降低，加強(qiáng)電池的使用力度，提高電池的性能，實(shí)現(xiàn)智能環(huán)網(wǎng)柜的可靠供電。

1 環(huán)網(wǎng)柜供電的技術(shù)研究

環(huán)網(wǎng)柜供電技術(shù)的預(yù)期成效是：采用控制裝置嵌入式集成到智能環(huán)網(wǎng)柜之中。達(dá)到芯片化DTU功能的集成：（1）減少板卡的數(shù)量；（2）縮小其體積；（3）提升防護(hù)的等級。對于電纜接頭溫度、環(huán)境溫濕度、分合閘電電流進(jìn)行監(jiān)測，通過串口以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約接入芯片化DTU。所采用的關(guān)鍵技術(shù)是基于氮?dú)獾沫h(huán)保氣體絕緣技術(shù)，采用圓形母線，使得空間之間的電場造成的不平衡性減小；使用絕緣性能的材料，最好采用復(fù)合型材料，從而使得空間的電場強(qiáng)度得到降低；優(yōu)化絕緣結(jié)構(gòu)，使得表面電池的性能得到降低，并使得表面的絕緣水平得到提高。其中開關(guān)柜的主要用途是在這個(gè)用電系統(tǒng)之中，使其能夠?qū)崿F(xiàn)電能自由轉(zhuǎn)換的一個(gè)過程，其主要可以對用電的設(shè)備起到一個(gè)保護(hù)的作用。其中斷路器件、互感器是其主要的部件。在進(jìn)行開關(guān)柜的操作過程中，需要有相關(guān)的工作人員配合操作，防止誤點(diǎn)且發(fā)生其他操作不當(dāng)?shù)囊馔馐鹿省＜偃绮捎玫脑O(shè)備比較智能，便可以迅速完成工作。因此智能環(huán)網(wǎng)柜是一個(gè)具有多種功能的設(shè)備。

1.1 控制電氣的組件

控制電氣組件的設(shè)備分為兩種：一次設(shè)備與二次設(shè)備。其中一次設(shè)備的主要功能是可以直接對于電能進(jìn)行生產(chǎn)利用，迅速得到傳送與電力的相互轉(zhuǎn)換，它主要包括斷路器、閘刀等元器件。一次設(shè)備主要是指所連接設(shè)備的開關(guān)情況以及可以進(jìn)行分合閘的系統(tǒng)操作的電氣裝置，這也被稱為無源元件。大多數(shù)負(fù)荷開關(guān)柜是手動操作的，一次設(shè)備分為有源元件和無源元件。二次設(shè)備是一種低壓電氣設(shè)備，用于監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)和保護(hù)一次設(shè)備的工作，為運(yùn)行維護(hù)人員提供運(yùn)行條件或生產(chǎn)指揮信號。二次設(shè)備主要用途是保護(hù)一次設(shè)備，還可以作為監(jiān)視使用，二次設(shè)備被稱為有源配件。因?yàn)檫@些電器配件的主要裝置位置不一，因此，對于一個(gè)相對比較完整的電氣控制系統(tǒng)來講，需要對其進(jìn)行組件的劃分。一次設(shè)備和二次設(shè)備進(jìn)行組成的主要關(guān)鍵點(diǎn)：（1）將具有相似功能的配件結(jié)合到一塊，盡最大所能使其連接的數(shù)量減到最小，并將控制的元器件放在同一個(gè)配件之中；（2）值得注意的是，需要將控制強(qiáng)電和弱電的控制器分開，避免其產(chǎn)生干擾情況；（3）除此以外，為了保持其外貌上的干凈美觀，可以將外表相同、大小尺寸一致的元器件放在一起；（4）將常常需要維修或者易損的配件放在外圍組合在一起，方便后續(xù)的檢查。在對電氣控制柜元件的分類工作中，需要對其配件和電氣箱之間的連線方式問題進(jìn)行進(jìn)一步解決。電氣的控制柜與其配件的接線方式一般有以下原則：元器件之間的連接需要按照電流的大小以及線的數(shù)量進(jìn)行連接；電氣柜和控制柜等器件和它們所屬的器件連接時(shí)，需要使用聯(lián)排器進(jìn)行連接；電流比較小的控制組件或者印刷的電路板組件需要分別采取不同種類的插件連接。

1.2 手動開關(guān)柜

配網(wǎng)自動化中一個(gè)最重要的設(shè)備是安全控制器，這一器件對于安全問題有巨大的作用。DTU所需要的全部信號都是由安全控制器提供的。進(jìn)行DTU安裝工作之前，需要對環(huán)網(wǎng)柜的電動操作和遙控等信號進(jìn)行采集工作，工作人員需要具備能獨(dú)立進(jìn)行電動操作的能力，并且在安裝了DTU設(shè)備之后，不再需要進(jìn)行第二次的停電，只需要將控制器的電源關(guān)閉即可進(jìn)行安裝工作。

1.3 加裝電動操作控制器

電動操作控制器一般需要對電氣的控制柜或其他部件進(jìn)行獨(dú)立的制作。對其制作需要考慮以下幾個(gè)方面：需要針對操作的需求以及控制面板箱（柜）等各種器件的尺寸進(jìn)行電氣箱的總體大小設(shè)計(jì)。在正常情況下，需要對電氣控制柜的總體大小進(jìn)行基本結(jié)構(gòu)和大小的設(shè)置。依據(jù)其尺寸和結(jié)構(gòu)形式，對箱體進(jìn)行支架的安裝，并且需要對其主要部件進(jìn)行尺寸標(biāo)注，同時(shí)還需要對其材料進(jìn)行進(jìn)一步的選擇。依據(jù)現(xiàn)場的安裝位置以及尺寸和操作等要求，需要對電氣控制柜的開門方法以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了方便控制柜的通風(fēng)散熱，需要對其在恰當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行通風(fēng)櫥的設(shè)置，并且在必要的時(shí)候需要在柜子表面設(shè)計(jì)通風(fēng)孔。其中電動機(jī)是所有部件之中的一種中間配件，它的主要作用是用于一次和二次信號之間的相互轉(zhuǎn)換和傳遞功能。其中DTU末尾的信號通過控制器的放大功率轉(zhuǎn)化成為電機(jī)之間的驅(qū)動電流，然后把環(huán)網(wǎng)柜開關(guān)上面各個(gè)線路的信號以及電路安全地接入保護(hù)系統(tǒng)之中，從而使得開關(guān)上面的其他線路能夠得到有效替換，這可以使環(huán)網(wǎng)柜之間集中利用。其中能夠?qū)⑦@些部件統(tǒng)一控制起來是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)手段，這可以在沒有安裝DTU的情形之下，單獨(dú)地將電氣來回轉(zhuǎn)換。控制器上有柜體氣壓自動檢測裝置，當(dāng)發(fā)現(xiàn)柜體氣壓有危險(xiǎn)時(shí)，控制器能自動鎖定所有電機(jī)驅(qū)動回路。DTU設(shè)備沒有必要控制。當(dāng)氣壓導(dǎo)致鎖定時(shí)，控制器邏輯切斷電流并禁止所有的打開和關(guān)閉操作。每個(gè)賽道都配備了自動閉鎖裝置。當(dāng)電路中有故障或危險(xiǎn)信息時(shí)，能夠使其自動鎖住，從而保證了運(yùn)行的安全性，防止產(chǎn)生意外事故。

2 環(huán)網(wǎng)柜供電的網(wǎng)絡(luò)變化

2.1 初期的開環(huán)分布網(wǎng)

一開始發(fā)明的環(huán)網(wǎng)柜是一種具有開環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)備，之所以設(shè)置成開環(huán)系統(tǒng)，主要是由于其設(shè)備構(gòu)成簡單，在大量的實(shí)踐性操作中，也比較容易。環(huán)網(wǎng)柜最少也需要配備兩種電源能夠使得中壓/低壓之間可以連接到母線上。與換環(huán)網(wǎng)站互相連接的站點(diǎn)有二十多個(gè)。其中電站與環(huán)網(wǎng)站之間主要是通過開關(guān)進(jìn)行聯(lián)系的，除了負(fù)荷開關(guān)斷開以外，其余的開關(guān)全都處于閉合的狀態(tài)。在環(huán)網(wǎng)柜所處的每個(gè)小部分中，都存在著母線，這個(gè)母線具有一定的保護(hù)作用，很多學(xué)者將其視為一次變電站。不管是哪一種電纜發(fā)生的意外，都會引起其母線開關(guān)跳閘或者引起站點(diǎn)之間的母線出現(xiàn)斷開的情況。只有切斷故障電纜之間的兩級開關(guān)，將發(fā)生意外的點(diǎn)切斷開，之后再將母線開關(guān)進(jìn)行閉合，就可以使得電源能夠正常地運(yùn)行。一般情況下，開環(huán)中的開關(guān)需要使用手動操作進(jìn)行電力的恢復(fù)，一般需要幾個(gè)小時(shí)。因?yàn)樗馁M(fèi)時(shí)間過長，所有這種方式及其用電的設(shè)備已經(jīng)逐漸被淘汰。

2.2 初期的閉環(huán)分布網(wǎng)

環(huán)網(wǎng)單位在閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)中最初發(fā)明是由兩個(gè)開關(guān)柜和一個(gè)變壓器組成的。變壓器采用油浸式熔斷器保護(hù)。三位旋轉(zhuǎn)電弧SF6斷路器出現(xiàn)于1980年底，帶熔斷器的環(huán)網(wǎng)單元具有分?jǐn)鄶嗦菲鞫搪冯娏鞯墓δ堋＿@項(xiàng)技術(shù)在維護(hù)和操作安全方面具有諸多優(yōu)勢，并已成功應(yīng)用于環(huán)網(wǎng)供電中取代舊的油浸式熔斷器保護(hù)環(huán)網(wǎng)單元。

為提高電網(wǎng)性能，傳統(tǒng)的三位旋轉(zhuǎn)電弧SF6環(huán)網(wǎng)機(jī)組的設(shè)計(jì)得到了研究者的進(jìn)一步提升，獲得了第二代的三位旋轉(zhuǎn)電弧SF6。環(huán)網(wǎng)單位主要的一個(gè)特征是采用接地的封閉環(huán)氧樹脂外殼SF6，其絕緣的介質(zhì)主要是將2個(gè)負(fù)荷開關(guān)和1個(gè)電弧斷路器進(jìn)行密封，并且還安裝有防爆安全閥。每當(dāng)有故障產(chǎn)生時(shí)，其封閉外殼之間的壓力可以得到一定的釋放，這樣可以確保手動操作人員的安全。連接環(huán)網(wǎng)柜的系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：運(yùn)動的部件比較少，密封氣體的容量也比較小，結(jié)構(gòu)比較緊湊，最大的特點(diǎn)是成本低。近十年來得到了廣泛應(yīng)用，具有較高的穩(wěn)定性和安全性。一般通過對開環(huán)的配電網(wǎng)之中幾個(gè)主要位置的環(huán)網(wǎng)單元進(jìn)行監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制，保證在發(fā)生意外時(shí)，在短時(shí)間之內(nèi)就可以恢復(fù)用戶的用電。一般可以通過減少隔離站點(diǎn)發(fā)生故障的時(shí)間來縮短浪費(fèi)的時(shí)間，減少因?yàn)橛秒姽收隙鴮?dǎo)致用戶產(chǎn)生的損失。但是，目前的控制系統(tǒng)不能使整個(gè)電網(wǎng)的安全性得到提高，所以還是時(shí)常會有意外事故的發(fā)生。

2.3 改進(jìn)的開環(huán)分布網(wǎng)

英國的電力企圖采用在一次母線與正常的斷點(diǎn)之間裝一個(gè)或者多個(gè)分段器，這些分段器可以用來保護(hù)開環(huán)環(huán)網(wǎng)柜的安全性能，因?yàn)檫@些分段器具有如下特點(diǎn)：反時(shí)限的過流保護(hù)、接地故障的保護(hù)。然而，由于缺乏分段器狀態(tài)的遠(yuǎn)程指示，這些技術(shù)還沒有得到實(shí)際性的應(yīng)用。所以這意味著，如果操作失誤，電力公司還沒有采取報(bào)警措施，居民用戶將會出現(xiàn)很久的供電不足的情況，由于對于一次母線的故障檢測時(shí)間太長，所以會很容易增加中壓電纜外部絕緣的負(fù)擔(dān)，從而造成電壓下降時(shí)間的延長。

一般用于網(wǎng)絡(luò)中的分段點(diǎn)是采用上述指出的分段器，可以保護(hù)開式環(huán)網(wǎng)柜的安全問題，從而使其能夠更好地運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)揮更大的功效。環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)斷路器的分?jǐn)嗄芰τ?30A額定電流和20A短路電流。這樣可以使開關(guān)的動力穩(wěn)定性和熱學(xué)穩(wěn)定性得到提高，電纜線路中，變壓器由保險(xiǎn)絲保護(hù)。其中外部所附帶的遠(yuǎn)程控制設(shè)備對斷路器實(shí)施了進(jìn)一步的監(jiān)控，這樣可以對環(huán)網(wǎng)柜起到很大的保護(hù)作用。

3 環(huán)網(wǎng)柜帶充電裝置的應(yīng)用

在我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展中，電力市場的經(jīng)濟(jì)也逐步發(fā)展了起來。在這樣的迅速發(fā)展情況下，配網(wǎng)的缺點(diǎn)已經(jīng)顯現(xiàn)出來，這不僅使得城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到限制，同時(shí)也使得當(dāng)?shù)鼐用竦挠秒娰|(zhì)量降低。所以在電力工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中，建設(shè)符合配網(wǎng)自動化發(fā)展的城市建設(shè)已成為一個(gè)亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)柜有一些設(shè)計(jì)缺陷，而電力系統(tǒng)的運(yùn)行在很大程度上依賴于環(huán)網(wǎng)柜。隨著社會的不斷發(fā)展，環(huán)網(wǎng)柜的應(yīng)用越來越廣泛，其安全性和靈活性要求也相對較高。傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)柜主要是用于無分區(qū)之間的混合方式安裝的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的環(huán)網(wǎng)柜每個(gè)配件之間主要是采取無分區(qū)的混合方式進(jìn)行安裝的，并且與柜體形成了一種固定的模式，從而會使它的靈活性有所降低。而且此安裝方式比較復(fù)雜，所以為了有效地避免這種情況的發(fā)生，需要對其進(jìn)行合理規(guī)劃。目前有些國家已經(jīng)開始使用新型環(huán)網(wǎng)柜帶充電裝置，用起來比較安全方便，并且對于任意類型的配電網(wǎng)都適用，具有多種優(yōu)勢，能夠保障我國配網(wǎng)的信息化及自動化。

截至目前，環(huán)網(wǎng)柜種類繁多，國內(nèi)成本最低的是空氣式開關(guān)，但不足之處是體積過于龐大，而且所需要的電流量大，性價(jià)比不高。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)柜相比，新型環(huán)網(wǎng)柜帶充電裝置在使用性能上具有很多優(yōu)勢，所以工作人員需要利用電子通信技術(shù)對其有故障的地方進(jìn)行一一排查，需要快速處理問題，保證能夠正常供電。只有這樣，才可能使電力系統(tǒng)的供電情況得到極大的改善與提高。新型環(huán)網(wǎng)柜帶充電裝置對于城鄉(xiāng)配電網(wǎng)的投資有著比較大的改善作用，可以在智能化的管理方面實(shí)現(xiàn)雙向互動。