10 kV智能開關(guān)柜的設(shè)計(jì)

陳 濤

（北京市設(shè)備安裝工程集團(tuán)有限公司，北京 100022）

0 引 言

傳統(tǒng)的10 kV開關(guān)柜主要由斷路器、接觸器、熱繼電器、熔斷器、控制繼電器、互感器以及各式各樣的電工儀表構(gòu)成，可用于電氣控制，實(shí)現(xiàn)配電、控制、保護(hù)和監(jiān)視功能。這種開關(guān)柜存在操作復(fù)雜、維修不便、需要人工以及沒有預(yù)警等亟待解決的問題。近年來，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)傳輸以及電子科學(xué)的不斷進(jìn)步，越來越多的新技術(shù)融入到電力控制領(lǐng)域，智能開關(guān)柜的技術(shù)水平不斷提高[1]。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，智能開關(guān)柜能迅速動(dòng)作，實(shí)施快速切斷，并采取無線通訊方式（如手機(jī)短信和終端反饋），將故障信息迅速反饋至用戶及相關(guān)人員，有利于電力企業(yè)及時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的安全運(yùn)行狀況。智能開關(guān)柜在未來將發(fā)展為兼具遠(yuǎn)程監(jiān)控保護(hù)、數(shù)據(jù)采集分析以及故障清除等諸多功能的新型智能電力控制系統(tǒng)。

1 10 kV智能開關(guān)柜設(shè)計(jì)

10 kV智能開關(guān)柜是在傳統(tǒng)高壓柜基礎(chǔ)上配置智能型保護(hù)、控制及監(jiān)測(cè)單元，具有自檢、自控、自我診斷、自我恢復(fù)、數(shù)字顯示以及高壓開關(guān)狀態(tài)顯示等功能。

新型10 kV智能開關(guān)柜采用固體絕緣材料作為主絕緣介質(zhì)，可將真空滅弧室及其導(dǎo)電連接、接地開關(guān)、主母線以及分支母線等主導(dǎo)電回路單一或組合后用固體絕緣介質(zhì)包覆封裝為一個(gè)或幾個(gè)具有一定功能、可再次組合或擴(kuò)張的具備全絕緣、全密封性能的模塊。先進(jìn)保護(hù)、控制和監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)可通過全面集成保證系統(tǒng)更高的可靠性和能效，通過帶有內(nèi)置通信功能和本地管理功能的開關(guān)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)饋線自動(dòng)化；通過集成的智能計(jì)量功能實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理 ；通過監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)管理；通過集成的電源投切方案減少停電時(shí)間。

通過采用嵌入式系統(tǒng)作為智能開關(guān)柜的核心控制設(shè)備，開關(guān)柜中的各種類型傳感器可采集不同種類的數(shù)據(jù)，具有保護(hù)電力系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行與控制、采集數(shù)據(jù)以及收發(fā)信息等諸多功能，在硬件條件有限的制約因素下，依然能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能[2]。結(jié)合繼電保護(hù)的特別需求與監(jiān)控的實(shí)際情況，系統(tǒng)將監(jiān)控裝置與保護(hù)裝置分開裝配，智能控制單元的說明如表1所示[3-4]。開關(guān)柜的智能化可以通過智能控制裝置與保護(hù)裝置的同時(shí)運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，待相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推行后，智能控制系統(tǒng)與保護(hù)裝置便可實(shí)現(xiàn)合并，統(tǒng)一控制。

1.1 饋線斷路器開關(guān)柜

以典型的饋線斷路器開關(guān)柜為例，其主要配置智能型保護(hù)、控制及監(jiān)測(cè)單元，具有自檢、自控、自我診斷、自我恢復(fù)、數(shù)字顯示以及高壓開關(guān)顯示等功能。系統(tǒng)的控制核心由繼電保護(hù)裝置和智能控制裝置兩部分組成，包含遠(yuǎn)程控制和本地控制，可與開關(guān)柜內(nèi)的智能電子設(shè)備（如故障檢測(cè)元器件和測(cè)量元器件）通過Rs485網(wǎng)絡(luò)與項(xiàng)目監(jiān)控中心連接，構(gòu)成主要網(wǎng)絡(luò)。由項(xiàng)目監(jiān)控中心協(xié)調(diào)彼此間的工作，并傳輸控制指令。同時(shí)，手動(dòng)控制裝置上的控制按鈕也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相應(yīng)設(shè)備的控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 10 kV智能開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）新型10 kV智能開關(guān)柜主要由核心單元、低壓室、電纜室、母線室、電纜測(cè)試模塊以及泄壓模塊組成，其中電纜測(cè)試模塊和泄壓模塊皆需選配，核心單元包括操作機(jī)構(gòu)、氣箱、傳感器（如CT等）、真空滅弧室以及傳動(dòng)系統(tǒng)等[5]。智能開關(guān)柜配備不同的操作機(jī)構(gòu)，第一種操作機(jī)構(gòu)用于負(fù)荷開關(guān)，不具備快速分合閘能力，但可配電動(dòng)操作；第二種操作機(jī)構(gòu)主要用于變壓器，保護(hù)用斷路器，具備快速分閘能力，可在不具備輔助電源的環(huán)境下輕松解決相間或接地故障；第三種操作機(jī)構(gòu)主要用于線路，保護(hù)用重載斷路器，具備自動(dòng)重合閘功能。

表1 智能控制單元功能說明

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（2）在智能開關(guān)柜的主母線設(shè)計(jì)過程中，對(duì)主母線額定電流的控制極為重要，不僅要設(shè)定好主母線的額定電流值，還要提前確定主母線的規(guī)格參數(shù)。無論客戶對(duì)主母線的設(shè)計(jì)做出何種要求，均需認(rèn)真對(duì)待主母線的設(shè)計(jì)，特別是主母線的額定電流值或具體規(guī)格[6-8]。此外，進(jìn)線柜、聯(lián)絡(luò)柜和分段柜使用的分支母線需要與主母線規(guī)格一致，只能在特殊情況下對(duì)更改規(guī)格，且更改仍要以滿足額定電流要求為原則。

（3）在高壓真空斷路器設(shè)計(jì)方面，通常，智能開關(guān)柜的斷路器只起到接通或斷開回路中負(fù)荷電流的作用，而當(dāng)故障發(fā)生后，斷路器需要同繼保裝置協(xié)調(diào)配合，迅速切斷故障電流，防止事故危害擴(kuò)大，保障電力可靠安全。

（4）柜體除觀察窗外皆選用金屬材料，主要采用覆鋁鋅鋼板封閉相關(guān)隔室，并以噴涂的金屬鋼板為外殼，泄壓通道有清晰的標(biāo)識(shí)，并明確方向。柜體外殼設(shè)置有隔熱與通風(fēng)裝置，可保證系統(tǒng)在日常運(yùn)行過程中工作溫度低于設(shè)備的最大允許溫度，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

（5）在智能柜的進(jìn)線和出線位置安裝有檢測(cè)電纜側(cè)方電壓的設(shè)備，同時(shí)檢測(cè)設(shè)備可將結(jié)果實(shí)時(shí)輸出至帶電顯示器。主開關(guān)和接地刀之間為內(nèi)置式機(jī)械聯(lián)鎖，只有主開關(guān)處于分閘位置時(shí)才允許操作接地開關(guān)，同時(shí)，只有接地開關(guān)處于分閘位置時(shí)才允許操作主開關(guān)，并通過撥片的形式實(shí)現(xiàn)。電纜室門與接地開關(guān)具備機(jī)械聯(lián)鎖功能，即當(dāng)接地開關(guān)不在接地位置時(shí)，無法打開電纜室門。

1.3 10 kV智能開關(guān)柜的電氣設(shè)計(jì)

新型10 kV智能開關(guān)柜測(cè)控裝置具有智能化的計(jì)量、控制、保護(hù)及通信等功能。其二次接線工作也十分簡(jiǎn)潔，只需要將電壓與電流信號(hào)、斷路器狀態(tài)位置信號(hào)以及出口控制信號(hào)等與開關(guān)柜內(nèi)相應(yīng)一次元件的端子進(jìn)行連接即可。

智能化測(cè)控裝置通過采集電壓與電流信號(hào)、斷路器狀態(tài)信號(hào)以及接地故障狀態(tài)，可自主完成數(shù)據(jù)處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制、保護(hù)與顯示功能，并經(jīng)過通信接口實(shí)時(shí)上傳有關(guān)信息。與電氣設(shè)計(jì)相比，智能化測(cè)控裝置在開關(guān)柜中的應(yīng)用不僅功能更多，且精度更高，簡(jiǎn)潔高效。

2 10 kV新型智能開關(guān)柜技術(shù)特點(diǎn)

（1）實(shí)現(xiàn)故障就地隔離，從根本上縮小停電市場(chǎng)及停電范圍，加強(qiáng)供電穩(wěn)定性，為社會(huì)創(chuàng)造高效收益。

（2）節(jié)省維護(hù)成本，新型10 kV智能開關(guān)柜具備斷路器功能，配備繼電保護(hù)設(shè)備，不存在通過熔斷器一負(fù)荷開關(guān)組合電器保護(hù)用戶變壓設(shè)施的情況，無需前往現(xiàn)場(chǎng)換置熔絲，從根本上縮減費(fèi)用。

（3）滿足配網(wǎng)自動(dòng)化及未來智能電網(wǎng)的基本需要，降低重復(fù)性費(fèi)用，達(dá)到用戶故障無需出門需求，節(jié)能環(huán)保，實(shí)現(xiàn)智能化。

（4）前瞻性研究，10 kV新型智能開關(guān)柜整體設(shè)計(jì)依附于智能、環(huán)保、緊湊型以及匹配于智能電網(wǎng)的需求，需要滿足未來智能電網(wǎng)發(fā)展的基本需要，從根源消除重復(fù)性費(fèi)用。斷路設(shè)備設(shè)計(jì)方案內(nèi)容主要包括額定動(dòng)熱制衡、短路閉合及開斷能力以及故障及時(shí)處理與隔離，是構(gòu)建智能電網(wǎng)及配網(wǎng)自動(dòng)化的設(shè)備基礎(chǔ)。

（5）新型10 kV智能開關(guān)柜可縮短停電時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而縮減資金損失，且無SF6溫室氣體存在，未使用熔斷設(shè)備，熔斷器沒有長(zhǎng)時(shí)間的功率損耗，同時(shí)不產(chǎn)生大量的ER固體廢棄物，超過90%的部件均能夠被再利用。

（6）新型10 kV智能開關(guān)柜具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、免維護(hù)與可抵御惡劣運(yùn)行環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。

3 10 kV智能化開關(guān)柜的應(yīng)用

3.1 用于10 kV配電開閉所中

若開閉所內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，智能開關(guān)柜能夠迅速切斷進(jìn)線開關(guān)，而當(dāng)開閉所的下游產(chǎn)生故障時(shí)，本級(jí)開關(guān)柜通過與上級(jí)智能開關(guān)柜協(xié)調(diào)配合，選擇性切斷出線開關(guān)，最大限度減小開閉所故障對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)的危害[9]。

3.2 用于10 kV用戶箱式變電站

當(dāng)箱式變電站內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)(包含單相接地情況)，智能開關(guān)柜可迅速斷開進(jìn)線開關(guān)，而在多個(gè)箱式變電站相互聯(lián)通[10-12]，其中一個(gè)箱式變電站產(chǎn)生故障情況下，可以通過本級(jí)智能開關(guān)柜與上級(jí)智能開關(guān)柜的互相結(jié)合，選擇性斷開出線開關(guān)，保證下游箱式變電站的故障不會(huì)影響到上級(jí)配電網(wǎng)的正常工作，將因電力故障導(dǎo)致停電的范圍縮小至故障發(fā)生點(diǎn)以下區(qū)域，不會(huì)影響上游區(qū)域的電力供應(yīng)。

3.3 用于10 kV用戶配電所

當(dāng)用戶配電所內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，智能開關(guān)柜能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)進(jìn)線開關(guān)的快速切斷，而當(dāng)配電所的下游有故障發(fā)生時(shí)（包含單相接地故障），智能開關(guān)柜可以選擇性切斷出線開關(guān)，有利于及時(shí)保護(hù)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行，同時(shí)避免用戶側(cè)故障造成的危害波及正常區(qū)域。

4 結(jié) 論

保證電力生產(chǎn)的安全異常重要，及時(shí)的預(yù)防正是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。10 kV高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中重要的成套設(shè)備，保障其保持高效狀態(tài)運(yùn)行，能夠?qū)┡潆娋W(wǎng)的供電質(zhì)量產(chǎn)生直接顯著的影響。開關(guān)柜的設(shè)計(jì)工作需要有新技術(shù)的不斷加入，在實(shí)踐中也要多多利用新的技術(shù)和材料。開關(guān)柜設(shè)計(jì)人員應(yīng)多總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)運(yùn)用設(shè)計(jì)手段，提升產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造水平，提高開關(guān)柜的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益，不斷制造出性能優(yōu)質(zhì)的高壓開關(guān)柜。