创新型中压开关设备的当前应用

2012-06-25姚峥

电器工业 2012年12期

文/姚峥

0 简介

输配电网络用户注重稳定性，所以中压和高压开关设备的预期使用寿命通常达30多年，这也迎合了用户相对保守的观念。如果用户的使用习惯没有发生改变，那么更长的操作寿命很可能更容易实现。然而，事实上每隔20～30年就会出现一次开关设备技术的重大革新。

近年来，智能电网的发展对相关设备提出了很多新要求。比如，用户需要使用寿命更长、能在任何环境下使用的免维护断路器。随着配电网技术的进步，用户需要通过远程控制、一体化智能设备和在配电网中配备更多测量点来实现更高的灵活性和自动化水平。从经济角度来看，用户越来越看重包括设计、建造、安装、维护和回收等在内的全寿命周期运维成本，而不是单单考虑采购成本。针对以上这些趋势和用户新的需求，设计新一代中压开关设备时，必须考虑这些因素。

1 中压开关设备技术的发展历史

经过几十年的发展，在很多应用中，固定式设备慢慢取代了抽出式设备。随着中压开关设备技术的不断革新，开关的架构方案也不断地受到挑战。空气和油开断技术逐步被SF6和真空开断技术所取代。保护继电器从机械或电子式演变为数字式。电流和电压互感器日益适应于新型继电器设计和开关架构的创新。

2 断路器的技术革新

断路器最初以空气作为开断的介质，利用了电弧在空气中的自然扩散来达到灭弧的目的，因此断路器体积较大。由于此类断路器需要频繁的维护和维修，所以它们被设计成可抽出式的。为了减少占地面积，人们后来开发了油断路器。但是油断路器仍然需要频繁的维护和维修，因为绝缘油在几次操作后被电弧碳化而需要更换。此外，油断路器容易在发生故障时因油起火而导致致命事故，给操作员和公众带来安全威胁。

图1 带电简易灭弧功能的抽出式油断路器

在上世纪六十年代晚期，人们发明了SF6和真空断路器。SF6和真空技术的应用使得断路器结构非常紧凑。它们更安全、大大降低了火灾的风险。从故障电流开断和正常载荷开断性能角度看，此类断路器具有更高的稳定性和电气寿命。因此，预防性和纠正性的维护措施变得越来越没有必要，目前，这种先进的断路器被称之为“免维护”。

图2 抽出式真空和SF6断路器

3 中压开关架构方案的发展历史

1930～1950年间，绝大多数中压开关设备均采用空气绝缘并安装于墙上。此类开关设备只利用简单的防护网来避免人员接触带电部件。

图3 安装于墙上的空气绝缘开关

随着人们更加注重安全性，旧式开关设备逐步被金属封闭空气绝缘开关设备(AIS)所代替，开断技术也经历了从空气或油到SF6和真空的演变。

抽出式断路器架构是最早出现的，至今仍然在一些配电应用中使用［1］。这种隔离方式是可视化的，抽出断路器手机，断路器即可被隔离。将接地手车或专门的接地开关直接打到电缆连接端子，便可使开关内部部件或电缆可靠接地。断路器维护非常简单，这对于旧式断路器来说也是必要的。

但是，有些问题仍然不容忽视。远程操控断路器实际并不现实，因为断路器手车需要摇出，而母线接地需要摇进接地手车，接地手车非常重，不方便操作。测试电缆时，需要直接搭接电缆，并开启电缆室门。另外，设备需要安装在洁净的环境中，因为AIS设备对于环境状况较为敏感。自上世纪九十年代起，固定式断路器的应用越来越广泛。最近，还出现了配固定式断路器的金属封闭开关设备，其中绝缘部件由环氧树脂或其他类型树脂制成。这些开关通常被称之为固体绝缘开关(SIS)。但是，若没有被正确地安装在受控的环境中，AIS和SIS开断都将极大地受到环境状况 (灰尘、湿度等)的影响。在这种状况下，上世纪九十年，人们又发明了带充SF6的密封箱体的金属封闭气体绝缘开关(GIS)。

图4 典型的抽出式空气绝缘开关和它的单线图

图5 典型的固定式GIS开关和它的单线图

需要特别注意的一点是，由于开关架构采用了五工位模式，并具有上游三工位隔离/接地开关和下游二工位断路器，所以操作方式并不是很直观。尤其是电缆接地必须通过闭合断路器来实现，为确保操作员安全，操作时，断路器必须处于闭合状态。

对于二次配电来说，由于开关设备的需求量比较大，因而是否简单、对恶劣运行条件的适应性以及成本效益就成为了评判标准。环网柜 (RMU)配置产生于上世纪五十年代。环网柜从带熔断器的油断路器演变成为SF6环网柜，后者具有更多的断路器方案保护中压/低压变压器。得益于三工位一体的开关架构，工作人员仅通过一个简单的操作便能实现隔离，这是一种三工位方案 (接通、分闸并隔离、接地)。直观的单线图让本地和远程操作更简单，电缆接地更加直接，接地线距离电缆连接器更近，不同位置间的联锁可靠性更高。使用电缆测试设备非常容易，这样操作人员无需打开电缆室门或接触电缆就能直接操作电缆测试。

图6 带断路器的SF6环网柜和它的单线图

当需要具备四五种以上功能单元的更大尺寸的开关设备或需要可扩展的开关设备时，能满足灵活性和紧凑性的环网柜解决方案的优点就有其局限性了。

4 保护继电器和传感器的发展历史

保护继电器从机电式发展为电子式，后来又进一步发展为数字式。对于现代化的数字式继电器来说，传感器信号功耗非常低，于是人们就开发了一种新型电流传感器——低功耗电流互感器(LPCT)。此类互感器可产生代表主回路电流的电压信号。相比于额定二次电流为5安培或1安培的传统型电流互感器，这种新式互感器具有尺寸小、灵活性高的优势。

5 中压开关设备未来的挑战

电网用户对中压开关设备的兴趣日益增大。有关机构实施了一次大规模的全球市场调研活动，此次调研不仅确定了当前需求，同时也预测了未来趋势，尤其是增长速度快、潜力巨大的国家的市场趋势。电网用户对于电网的安全性、可靠性、经济性、简单性日益重视。可应用于各类环境、使用寿命更长、免维护的断路器越来越受欢迎。电网用户更加注重包括设计、采购、施工、安装、维护、寿终、回收处理等成本在内的全寿命周期运维成本。

6 智能电网面临的挑战

智能电网具有两个重要目标:一个是优化能量供求关系，另一个是管理更多分布式可回收能量。由于网络管理发生了变化，集中式能量生成模式对应的单向能量流演变为分布式能量生成模式对应的双向能量流，这就带来了较大的技术挑战。其中一个亟待解决的问题便是:中压开关设备是否能应对这种挑战？从当前电网和一些试点项目来看，我们可以利用开关设备的一些特征来应对这些挑战。

智能电网将包含更多断路器来增加电能可用性［2］。遥控功能将成为智能电网的一项必备要求。这样一来，开关设备将包含结构更加优化的一体式智能设备。低功耗电流互感器 (LPCT)和低功耗电压互感器 (LPVT)对于进一步开发电能管理技术意义重大。测量设备必须结构更加紧凑、性能更加可靠、成本更加经济。

为了这些不同应用的需求，模块化和高灵活性对于智能电网来说是不可或缺的。

7 通过技术创新开发的新一代中压开关设备

为了满足所有的这些需求，一个可以满足很多不同应用的优化解决方案应运而生，其得益于开关技术的突破，同时也受益于三工位一体的开关架构和屏蔽式固体绝缘系统 (2SIS)。

8 新型三工一体架构

如今，虽然技术没有发生重大变化，但是人们日益倾向于在中压二次配电中使用真空断路器。最近的技术进步带来了一种新型架构，它一方面保留了气体绝缘开关设备的三工位方案的显著优点，另一方面使用了真空开断技术。

此架构包括一个上游带隔离功能的真空负荷开关或真空断路器，以及一个下游接地开关，后者可在电缆和母线间实现双断口隔离。三工位包括闭合、分闸并隔离、接地，再加上直观的状态指示是操作开关设备的最简单、最安全的模式。

相比于传统设计，操作员仅需一个简单操作便能完成分闸并隔离，创新型真空灭弧室具有比传统真空断路器更大的真空开距和更耐电弧烧蚀的触头。下游电缆接地开关位于充满干燥空气的终身密闭箱体中，具备很强的短路关合和容性电流开断能力。

图7 新三工位方案图和含真空隔离断路器的典型设备

直观的状态指示让操作非常简单。安全的内置式联锁装置，且采取主动拨动方式解锁。专业电缆测试设备和前面板符合最新修订的IEC 62271-200版本［3］——“开关设备标准中定义的中压开关设备电缆测试功能最新规范”，这更好地保护了操作员的安全。

图8 专业电缆测试设备

在实施电缆测试之前，打开带隔离功能的负荷开关或断路器并合上接地开关，使得电缆和母线之间的绝缘得到双断口的保障。完全互锁的、安全的接地联接处于可打开状态，打开接地联接即能直接搭接电缆导体。测试期间，无需打开电缆室，无需松开电缆联接头，无需操作接地开关。这种推荐的测试方式可最大限度地确保测试操作员的安全，并避免对主回路或电缆连接部件造成损坏。

9 屏蔽式固体绝缘系统（2SIS）

为了匹配气体绝缘开关的优点，新的架构应当对于恶劣环境具有较低敏感性，无需维护。这可以通过适用于整条中压线路的创新型屏蔽式固体绝缘系统(2SIS)来实现，该系统采用了一些人们熟知的技术和材料(树脂和其他橡胶如EPDM)。母线、真空灭弧室和接地开关壳体由固体绝缘材料制成，其上面包覆了一层与大地导通的导电层。若要把所有电场限制在固体绝缘材料里，那么根据 IEC 62271-201 规范，所有表面必须具有地电势，确保防护级别能达到PA等级(操作人员偶尔会接触到)［4］。专利型扁平联接可确保屏蔽层的接地连续性，不仅保证了安装的简单性、模块化和灵活性高的优点，而且还使得其尺寸紧凑、安全。

图9 所有高压带电部件都固体绝缘并屏蔽绝系统

2SIS系统降低了内部电弧风险，提高了操作安全性，降低了开关设备对恶劣环境的敏感性，不仅延长了使用寿命，还大大降低了维护的成本，即大大降低了全寿命周期运维成本。2SIS 系统适用于任何开关功能，比如负荷开关功能、断路器功能、紧凑型计量功能、电流和电压互感器等。

10 智能电网

相比于气体绝缘开关，支持2SIS技术和最新三工位一体架构的新一代开关设备具有更好的模块化优点，因为其整个架构均基于单个单元。新型开关设备集成了最新的控制、监控设备和数字保护继电器，并可以使用低功耗电流互感器 (LPCT)和低功耗电压互感器 (LPVT)，因此，这种先进的管理解决方案使用更容易。为了能以更加灵活的方式来监控和控制必要的功能，模块化开关设备可将各种嵌入式智能电子设备连接到一起，从而扩展为规模更大的架构。