現(xiàn)狀10 kV開關(guān)柜在鉆石型配電網(wǎng)內(nèi)的應(yīng)用

王世峻，陳 博，毛姝旻，謝 容

(1.國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 200120； 2.上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200020)

為了對(duì)標(biāo)國際先進(jìn)城市，建設(shè)卓越的城市配電網(wǎng)，解決站間負(fù)荷轉(zhuǎn)供能力不足等問題，以上?，F(xiàn)狀開關(guān)站單環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)，滿足110，35 kV變電站共存、大量開關(guān)站、分層結(jié)構(gòu)，不低于現(xiàn)狀單環(huán)網(wǎng)備自投可靠性的要求，提出上海鉆石型配電網(wǎng)發(fā)展思路，建設(shè)具有上海特色、適應(yīng)中心城區(qū)的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[1-3]。

1 鉆石型配電網(wǎng)簡介

鉆石型配電網(wǎng)是指以開關(guān)站為核心節(jié)點(diǎn)、雙側(cè)電源供電、雙環(huán)網(wǎng)連接、開環(huán)運(yùn)行、配置自愈的電纜主干網(wǎng)，具有“全電纜、全斷路器、全互聯(lián)、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(wǎng)具有強(qiáng)大的負(fù)荷轉(zhuǎn)供及平衡能力、多元化設(shè)施柔性接納能力以及秒級(jí)的供電能力，但是鉆石型配電網(wǎng)雙側(cè)電源接線、多級(jí)運(yùn)行、自愈系統(tǒng)配置可能會(huì)造成原有變電站、開關(guān)站所使用的開關(guān)柜無法適應(yīng)。

(1)鉆石型配電網(wǎng)主干網(wǎng)全開關(guān)站配置，適應(yīng)分布式電源及多元化負(fù)荷的接入，大規(guī)模分布式電源接入鉆石型配電網(wǎng)后會(huì)提高10 kV電網(wǎng)短路電流水平，可能超過原10 kV設(shè)備的短路耐受能力。

(2)鉆石型配電網(wǎng)雙環(huán)網(wǎng)開環(huán)運(yùn)行，運(yùn)行方式靈活多變，滿足“N-1”條件帶負(fù)荷能力較單環(huán)網(wǎng)高：一方面線路載流量較傳統(tǒng)單環(huán)網(wǎng)高；另一方面可能造成配網(wǎng)潮流超過開關(guān)站、變電站原有電流互感器的限值。

針對(duì)這些問題，基于上海配電網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀10 kV開關(guān)柜對(duì)鉆石型配電網(wǎng)的適應(yīng)性，提出了鉆石型配電網(wǎng)變電站和開關(guān)站開關(guān)柜設(shè)備的選型要求，為有效推進(jìn)上海鉆石型配電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)提供依據(jù)。

鉆石型接線采用分層、分級(jí)的結(jié)構(gòu)，分為10 kV主干網(wǎng)和10 kV次干網(wǎng)兩個(gè)層級(jí)，不同層級(jí)的電網(wǎng)采用差異化的接線模式。

10 kV主干網(wǎng)是以全部進(jìn)出線均配置斷路器的開關(guān)站為核心節(jié)點(diǎn)，形成雙環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每組雙環(huán)網(wǎng)接線含4～6座開關(guān)站。開關(guān)站開關(guān)設(shè)備均為斷路器，采用單母線分段接線。雙環(huán)網(wǎng)線路所供負(fù)荷能夠滿足高峰負(fù)荷正常方式“N-1”和春秋季負(fù)荷檢修方式“N-1”。第一級(jí)開關(guān)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(guān)站兩路電源來自相鄰開關(guān)站不同母線，并且兩座開關(guān)站之間設(shè)兩回聯(lián)絡(luò)專線開環(huán)運(yùn)行。

10 kV次干網(wǎng)是以全部進(jìn)出線均配置環(huán)網(wǎng)開關(guān)的環(huán)網(wǎng)站為核心節(jié)點(diǎn)，以開關(guān)站為上級(jí)電源，形成單(雙)側(cè)電源供電的單環(huán)網(wǎng)或雙側(cè)電源供電的雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

2 10 kV開關(guān)柜適應(yīng)性研究

現(xiàn)有10 kV配電裝置均采用10 kV開關(guān)柜，一般采用空氣絕緣開關(guān)柜，壽命不低于40年，防護(hù)等級(jí)不低于IP4X。在受環(huán)境條件等限制的情況下可選用氣體絕緣開關(guān)柜，防護(hù)等級(jí)不低于IP5X。應(yīng)選用技術(shù)成熟、可靠性高、國內(nèi)領(lǐng)先的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。開關(guān)柜應(yīng)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(zhì)

10 kV開關(guān)柜按絕緣介質(zhì)可分為10 kV空氣絕緣開關(guān)柜和氣體絕緣開關(guān)柜，氣體絕緣開關(guān)柜主要絕緣氣體為SF6和N2。空氣絕緣開關(guān)柜常規(guī)設(shè)備尺寸為800 mm×1 500 mm×2 200 mm，氣體絕緣開關(guān)柜主要有4種尺寸，如表1所示。

表1 10 kV氣體絕緣開關(guān)柜尺寸表

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

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

在周邊運(yùn)行環(huán)境惡劣(周邊2 km存在化工廠、其他重污染源或處于重污區(qū))或地形、空間等受限制的開關(guān)站應(yīng)采用氣體絕緣開關(guān)柜，其余站點(diǎn)仍應(yīng)使用空氣絕緣開關(guān)柜。

2.2 斷路器

開關(guān)柜采用彈簧儲(chǔ)能操作機(jī)構(gòu)的真空斷路器，機(jī)械操作壽命不小于20 000次，具備手動(dòng)和電動(dòng)操作功能。

根據(jù)鉆石型接線主干網(wǎng)，在不同情況下對(duì)斷路器的額定電流進(jìn)行分析。現(xiàn)狀電網(wǎng)設(shè)備及通用設(shè)備10 kV開關(guān)柜斷路器額定電流參數(shù)均為1 250 A，短路電流參數(shù)為25(31.5) kA。

2.2.1 額定電流

根據(jù)鉆石型接線主干網(wǎng)，在不同情況下對(duì)斷路器的額定電流進(jìn)行分析。

(1)正常工作狀態(tài)。若鉆石型接線含4座開關(guān)站，則線路最大負(fù)載為2段母線(1座開關(guān)站)負(fù)荷；若鉆石型接線含5座開關(guān)站，則線路最大負(fù)載為3段母線(1.5座開關(guān)站)負(fù)荷；若鉆石型接線含6座開關(guān)站，則線路最大負(fù)載為3段母線(1.5座開關(guān)站)負(fù)荷，如圖2所示。

圖2 鉆石型接線正常工作狀態(tài)示意圖

現(xiàn)狀上海地區(qū)開關(guān)站整站負(fù)荷按最大值取4 MW，正常工作情況下最大線路負(fù)載為3段母線，工作電流約為330 A。

(2)線路“N-1”負(fù)荷轉(zhuǎn)移狀態(tài)。若鉆石型接線含4座開關(guān)站，則在首段線路 “N-1”時(shí)，線路最大負(fù)載為3段母線(1.5座開關(guān)站)負(fù)荷；若鉆石型接線含5座開關(guān)站，則在首段線路“N-1”時(shí)，線路最大負(fù)載為4段母線(2座開關(guān)站)負(fù)荷；若鉆石型接線含6座開關(guān)站，則在首段線路“N-1”時(shí)，線路最大負(fù)載為4段母線(2座開關(guān)站)負(fù)荷，如圖3所示。

圖3 鉆石型接線“N-1”示意圖

現(xiàn)狀上海地區(qū)開關(guān)站整站負(fù)荷按最大值取4 MW，在線路“N-1”負(fù)荷轉(zhuǎn)移情況下，線路最大負(fù)載為4段母線，工作電流約為440 A。

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

圖4 鉆石型接線檢修方式“N-1”示意圖

現(xiàn)狀上海地區(qū)開關(guān)站整站負(fù)荷按最大值取4 MW，在檢修方式“N-1”負(fù)荷情況下，線路最大負(fù)載為6段母線，工作電流約為660 A。

站內(nèi)其余10 kV饋線柜，主要為站內(nèi)配變、用戶站或次干網(wǎng)供電，10 kV開關(guān)站站內(nèi)配變?nèi)萘俊? 250 kVA，電流約為90 A；根據(jù)《上海電網(wǎng)若干技術(shù)原則的規(guī)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(wǎng)每環(huán)供應(yīng)的配變?nèi)萘?包括用戶)≤7 000 kVA，電流約為500 A。

現(xiàn)狀電網(wǎng)設(shè)備及通用設(shè)備10 kV開關(guān)柜額定電流為1 250 A，可滿足鉆石型配電網(wǎng)在不同工況下的需求。

2.2.2 短路電流

根據(jù)《上海電網(wǎng)若干技術(shù)原則的規(guī)定(第四版)》，上海10 kV系統(tǒng)的短路電流水平按照20 kA控制，新建10 kV設(shè)備的三相短路電流均按20 kA控制。

變電站10 kV母線系統(tǒng)側(cè)短路電流。考慮220 kV側(cè)大方式短路電流為50 kA控制值，220 kV主變?nèi)萘?40 MVA、高中壓阻抗百分比14%、高低壓阻抗百分比23%，計(jì)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(tǒng)側(cè)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(jù)主變?nèi)萘考白杩拱俜直鹊牟煌?，?.3～14.8 kA范圍內(nèi)。

鉆石型配電網(wǎng)雖然為多側(cè)電源系統(tǒng)，但在正常運(yùn)行方式下系統(tǒng)為開環(huán)運(yùn)行，除極短暫且被允許的切換操作過程中，系統(tǒng)任意一點(diǎn)仍然為單側(cè)電源系統(tǒng)，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(tǒng)的短路電流水平依舊按照20 kA控制?，F(xiàn)狀電網(wǎng)設(shè)備及通用設(shè)備10 kV開關(guān)柜斷路器短路電流參數(shù)25(31.5) kA，均可滿足要求。

3 電流互感器

根據(jù)《國網(wǎng)上海市電力公司配電網(wǎng)工程通用設(shè)計(jì)圖集(2014版)》現(xiàn)狀開關(guān)站進(jìn)線柜為3次級(jí)電流互感器，600/5，0.5S/10P20/10P20, 15/20/20VA; 饋線柜為2次級(jí)流變，200(400)/5，0.5S/10P20(0.5S),15/20VA；分段柜為2次級(jí)流變，600/5，0.5S/10P20(0.5S),15/20VA。在鉆石型配電網(wǎng)中，開關(guān)站為主干網(wǎng)線路核心節(jié)點(diǎn)，在這些線路上使用的電流互感器要考慮其正常運(yùn)行和故障時(shí)各類工況對(duì)設(shè)備參數(shù)的要求。

(1)一次額定電流。根據(jù)分析，變電站饋線正常運(yùn)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(xiàn)狀開關(guān)站主干線倉位及分段開關(guān)柜電流互感器變比無法滿足要求，應(yīng)更換為400(800)/5帶抽頭的電流互感器。

(2)次級(jí)數(shù)量。在鉆石型配電網(wǎng)采用自愈系統(tǒng)方案對(duì)電流互感器的次級(jí)數(shù)量提出了新要求。原有線路保護(hù)(縱差+過流)和新增自愈終端需要使用P級(jí)繞組。計(jì)量表計(jì)和監(jiān)控系統(tǒng)遙測(cè)需要0.5S級(jí)繞組。次級(jí)數(shù)量的需求為至少為1個(gè)P級(jí)+1個(gè)0.5S級(jí)，近年新建或改造的開關(guān)站均能滿足。如果有條件時(shí)，應(yīng)盡可能選擇2個(gè)P級(jí)繞組，便于縱差和自愈系統(tǒng)調(diào)試。

(3)二次繞組容量。對(duì)0.5S級(jí)繞組，在鉆石型電網(wǎng)中其二次負(fù)載與現(xiàn)狀電網(wǎng)相同。對(duì)P級(jí)繞組，當(dāng)線路保護(hù)與自愈系統(tǒng)共用繞組時(shí)，電流回路負(fù)載按照8 VA估計(jì)(考慮自愈系統(tǒng)組屏安裝于10 kV配電裝置室內(nèi)，電流回路二次電纜長度增加30 m)。計(jì)算如下：自愈系統(tǒng)電流回路輸入功耗為1 VA/相；線路保護(hù)功耗1 VA/相；二次電纜30 m，導(dǎo)線電阻為0.08 Ω，導(dǎo)線功耗4.5 VA；接觸電阻取0.1 Ω，接觸電阻功耗2.5 VA。當(dāng)電流互感器P級(jí)繞組二次容量為20 VA時(shí)，可滿足要求。

(4)精度或準(zhǔn)確限值系數(shù)。對(duì)0.5S級(jí)繞組，與現(xiàn)狀配電網(wǎng)一樣，其精度可以滿足計(jì)量和遙測(cè)的要求。對(duì)P級(jí)繞組，因需要用于縱差保護(hù)，校核其準(zhǔn)確限值系數(shù)ALF很有必要。如果ALF過低使得區(qū)外故障時(shí)電流互感器飽和，將導(dǎo)致縱差保護(hù)誤動(dòng)作，自愈系統(tǒng)中基于縱差原理的故障定位功能也會(huì)做出錯(cuò)誤的判斷導(dǎo)致事故擴(kuò)大化。

4 結(jié)語

現(xiàn)有10 kV開關(guān)柜斷路器參數(shù)可滿足鉆石型電網(wǎng)主干線的電流要求；進(jìn)線與分段開關(guān)柜流變應(yīng)按400(800)/5考慮；同時(shí)應(yīng)根據(jù)開關(guān)站周邊環(huán)境及站體尺寸選用適合的空氣絕緣開關(guān)柜或氣體絕緣開關(guān)柜。