10kV開關柜電氣設計及智能化改進對策

薛文生

廈門ABB開關有限公司，福建廈門，361101

0 引言

開關柜主要被用于電力系統發電、輸電、配電以及電能轉換等，外線先進入柜內主控開關，再進入分控開關，各個分路需要按照實際需求進行設置，包括儀表、電動機磁力開關和交流接觸器等。開關柜在實際運行的過程中可能會由于接觸不良和設計缺陷等問題，出現絕緣失效的情況，為更好地服務于用戶，應利用先進的傳感器技術、軟件控制技術、數據分析技術和相關平臺，通過專業知識，洞察數據內涵，分析開關設備運行趨勢，發現潛在風險，指導運行和維護，為電力的可靠供應保駕護航。

1 10kV開關柜的分類與使用功能

根據不同的分類標準可以將10kV開關柜分成以下幾類：首先，根據電壓的波形進行分類，可以分成交流開關柜、直流開關柜；其次，按照開關柜的內部結構可以分成抽出式開關柜、低壓分隔式開關柜等；最后，根據開關柜的主要用途可以分成進線柜、出線柜、計量柜以及母線柜等[1]。由于開關柜具有架空進出線、母線聯絡等諸多功能，現階段，主要被應用在發電廠、變電站、工業企業以及住宅小區等。

2 10kV開關柜的技術發展分析

10kV開關柜是將10kV開關、互感器、測量儀等元件結構安裝在金屬柜內，通過成套組合的方式供用戶使用。隨著現代化技術的不斷涌現，10kV開關柜的智能化發展是技術發展過程中的關鍵，可以通過智能化系統的設計將原有開關柜設備上的VD4斷路器改造為智能斷路器，并通過對設備的可視化管理和健康管理實現對開關運行狀態的動態監測，可最大程度避免由于定期計劃性停電、設備檢修而造成的經濟損失，顯著降低非預期停電的風險[2]。

3 10kV開關柜電氣設計與結構

3.1 開關柜總體結構設計

開關柜的進線柜和饋線柜結構相似，都是由電器元件和柜體組成，電器元件主要包括真空斷路器、接地開關等，柜體主要是通過接地的鋼板進行分割，分隔成母線室和手車室等[3]。在針對開關柜進行總體設計的過程中，需要充分考慮開關柜在正常運行過程中的實際情況以及后續維護監測工作的開展情況，需要針對開關柜的使用環境條件進行檢測，與此同時，還需要考慮相關設備的使用經濟性，保證在設計過程中各種相關設備配置的科學性與完整性。

對10kV開關柜的設計需要充分考慮設備運行過程中的穩定性，可以對其運行狀態進行有效監控，例如，在設計時，需要對各個元器件的使用環境進行檢驗，在滿足工作條件的基礎上，降低設計成本，在應用新技術和新設備的過程中，需要重點針對其進行檢測。

3.2 開關柜的外殼設計

10kV開關柜的外殼作用主要是保護內部結構，因此在進行外殼設計時，必須保證符合防護等級規定，外殼材料需要具備一定的機械強度和剛度，進而實現整體結構的穩定性，保證開關柜使用過程中不會因為故障導致柜體出現變形或折斷。外殼設計要點主要包括以下幾個部分。第一，設計蓋板和門結構時，需要選擇金屬材料，避免使用網狀編織物，防護等級應該與外殼結構相同，金屬封閉式的活門可以是金屬的，也可以是非金屬的，若活門是絕緣材料制成的，則不應成為外殼的一部分，如果選擇金屬材料，需要保證結構接地，若活門是外殼的一部分，防護等級則應與外殼相同。如果活門是絕緣材料制成的，而且作為加強絕緣的一部分，要求活門能承受150%額定電壓的作用。第二，觀察窗的設計需要達到外殼所規定的防護等級，同時需要選擇具有足夠機械強度的耐火透明材料。第三，通風窗需要使用網狀編織材料或類似的材料，保證其具有足夠的強度，在選擇通風窗和排氣口的位置時，保證位置選擇不會影響開關柜設備的正常運行。第四，在完成外殼設計后，工作人員需要針對開關柜的外殼和支架結構進行防銹處理，可在表面涂刷油漆，在正式處理之前，清理表面的銹蝕物[4]。

3.3 開關柜的隔板設計

10kV開關柜的隔板通常是由金屬制成，與開關柜外殼具有相同的機械強度，同時需要保證其接地，如果產品的高壓帶電裸導體與絕緣板之間的距離大于3cm，則可以使用移動式的絕緣隔板。只有在開關處于斷開的狀態中，才可以合上接地開關，并在此基礎上插入絕緣隔板，開關柜的柜門可以進行打開或關閉的操作。

3.4 一次電路的設計

10kV的供電系統屬于中性點不接地式，在進行一次電路設計的過程中，應采取中性點經消弧線圈的接地方式。電氣元件的種類直接影響10kV開關柜的性能和運行狀態，因此在設計的過程中需要從使用性能的基礎上進行綜合考量，包括開關柜的整體結構、安裝中的便利性以及后續維護監督過程中的工作情況。在選擇電氣元件時，需要重點考慮電氣元件的性能參數以及安裝尺寸等。

3.5 二次電路的設計

一般情況下，開關柜的電氣回路包括主回路和二次回路，二次回路的電路是通過計量表、繼電器以及控制開關等電氣元件組成，因此可以將二次回路按照功能和操作電源的種類進行分類，其中按照功能進行區分，可以將二次回路分成控制回路、計量回路、信號回路以及保護回路，按照操作電源的種類可以分成交流電壓、直流回路以及電流回路等[5]。設計二次電路時需要充分考慮配線截面，首先，需要保證測量表計電流回路絕緣導線的截面不小于2.5平方毫米，二次電流的大小不能超過5安培。其次，針對繼電保護裝置絕緣導線的選擇需要充分考慮電流互感器的因素，需要將誤差控制在10%以內。最后，根據機械強度以及相關條件可以選擇電纜線，并保證導線銅芯線的橫截面積大于1.5平方毫米。

4 10kV開關柜電氣設計及智能化改進對策

為滿足用戶的實際需求，保證電力系統的穩定運行，需要對開關柜的使用情況進行動態監測以及智能化控制，因此需要針對10kV開關柜的電氣設計進行智能化改進，本次主要改進的內容包括：第一，針對VD4進行改造，將原有開關柜設備上的VD4斷路器改造為智能斷路器，實現斷路器觸頭溫升監測、環境溫濕度在線監測、斷路器二次元件監測、斷路器機械特性監測。第二，電動操作改造。斷路器手車及接地開關增加電動操作功能，實現手車電動搖入搖出及接地開關電動合分的程序化控制和保護。第三，在VD4改造、電動操作改造及可視化改造的基礎上，通過設備健康管理平臺，對大數據診斷分析，整合設備狀態的在線檢測評估、離線評估，基于先進算法及運行環境參數進行診斷及預警，及時提供前瞻性預測，對設備可能的失效提出預警[6]。

4.1 設備可靠性的改進

在對10kV開關柜進行檢修的過程中，可以通過智能化監測技術實現對故障的定位，并將故障區域進行隔離，通過自動化的網絡重構，實現在無人值班的過程中對開關柜進行遠程遙控，可以有效優化開關柜的工作模式，進而提升設備的可靠性，降低電力系統的運營成本。

4.2 自動化電動操作的改進

在進行智能化改進的過程中，自動化的電動操作主要包括在斷路器手車增加電動操作功能和在接地開關增加電動操作功能。斷路器手車增加電動操作功能是通過將原手動底盤整體更換為電動底盤，實現斷路器手車在運行位置和試驗位置之間的電動搖進/搖出。其主要包括電動底盤（圖1）和SmiS MC585電機驅動模塊（圖2），斷路器手車在使用過程中同時備手動與電動操作兩套完整的閉鎖機構，兩種操作模式可以根據實際需求進行切換，電動操作功能相比于手動操作更加準確，可以有效避免不規范的操作行為損害機械聯鎖機構，通過自動化的電動操作功能，可以實現遠程操控，在變電站無人值守的情況下進行遠程操作，有效提升設備運行的安全性[7]。

圖1 斷路器手車電動底盤結構示意圖

圖2 MC585 電機驅動模塊

4.3 應用在線監測和自診斷技術

在線監測技術在應用過程中其主要功能包括以下幾個方面。

首先，SmiS智能監測單元可以安裝在開關柜的低壓室中，配合相應的傳感器實現如圖3所示的各項在線監測功能。SmiS智能監測單元包括四個部分。第一，MT585智能單元主模塊，具備與上位機通信和連接下游傳感器的能力，可以利用內置電源管理模塊，為下游傳感器供電，并可連接MP58進行實時狀態顯示，該模塊的通信協議和無線頻段上，都保留了原有的協議與制式以提供向下兼容的能力，新增的相間溫升比較算法使溫升異常判斷更智能，新增的事件記錄功能為異常事件溯源提供更多的參考信息。第二，MB585可選擴展模塊可以實現五防在線聯鎖狀態監測。第三，MC585集成了霍爾傳感器和電機驅動模塊，可以對合分閘線圈、儲能電機的動作電流實現非介入式測量，同時具備電動地刀和電動手車的智能控制與防堵轉功能，該模塊繼承了MDC4智能監控單元優秀的電動驅動和保護功能，同時新增電動驅動時的電流錄波和事件記錄功能，為異常事件溯源提供更多的參考信息。第四，MP58就地人機交互界面可以實時顯示開關柜狀態信息，可以為用戶提供更好的性能和交互體驗。

圖3 SmiS 智能監測單元在線監測功能

其次，可以將現場VD4斷路器觸臂替換為帶有溫度探測與信號發射單元的智能觸臂，可以針對觸頭的溫度進行實時采集，無線射頻技術的應用可以實現溫度信號的傳輸，溫度監測模塊采用耐受溫度高達125℃的技術方案，完全滿足開關柜實際運行環境的要求，溫度監測模塊的供電采用感應CT自取電的方式，該技術可以有效提升相關設備的使用壽命，幫助工作人員掌握開關柜的運行情況，進而提升電力系統運行的穩定性。

最后，針對環境的溫濕度進行檢測，該檢測功能可以有效檢測出開關柜運行過程中的環境情況，例如，如果變電室出現漏水的情況，可能會導致斷路器室的濕度超標，儀器發出警告，并精準地定位出現問題的位置。

4.4 配電系統的智能化改進

配電系統的智能化設計主要體現在配電系統的數字化管理以及智慧運維方面，設計人員可以采用IEC61850技術，通過數字化全連接、GOOSE智能選跳，實現全站40ms內故障快速定位，200ms內系統恢復供電，實現母線保護、變壓器保護、數字化弧光保護三大保護功能，最終達到配電系統全面保護[8]。智慧運維功能包含設備運行及健康預警管理、工單管理、數據統計、設備資產臺賬管理等，其中設備運行管理系統可以將設備運行數據和設備健康信息傳輸至就地部署的智慧運維數據庫，客戶在連接內部局域網的前提下，可以通過手機APP及Web端，隨時獲取數據信息，同時結合設備的臺賬信息及設備運行健康數據等信息匯總統計。

4.5 一站式監控系統數字化改進

傳統的10kV開關柜在使用過程中無法實現對運行狀態的實時監控，因此在進行智能化改進的過程中可以從一站式監控系統入手，設計人員可以利用Smart Box全息助手，對運維人員的巡檢模式進行優化，通過整合資產信息和實時數據，集中顯示配電站內設備運行狀態，結合科學算法，實現預測性維護，保障設備及供電安全。全息助手可以顯示的內容包括開關柜運行的實時監測數據、配電柜的運行狀態，同時也可以對開關柜的健康狀態進行評估，顯示設備及斷路器剩余使用壽命，工作人員可以通過整站界面和單柜界面直觀看到站內配電設備健康狀態、當前系統負荷情況及事件記錄，迅速定位故障設備電氣參數狀態和變化趨勢等，從而實現對開關柜的智能化管理。

5 結語

總而言之，隨著信息技術的不斷發展，智能化已經成為電力系統運行的主要發展方向，針對10kV開關柜的電氣設計工作而言，需要加強智能化設備的應用，結合智能電網發展的主要方向和實際需求，采取智能化的改進方案，對開關柜以及相關設備的運行狀態進行動態監測和遠程管控，進而提升電能質量以及電力系統的運行水平。