配电网10kV新型智能开关柜技术研究

2015-03-25云南电网有限责任公司玉溪供电局鲁诗速付发群麦建国

电子世界 2015年14期

云南电网有限责任公司玉溪供电局鲁诗速付发群麦建国

配电网10kV新型智能开关柜技术研究

云南电网有限责任公司玉溪供电局鲁诗速付发群麦建国

对国内外10kV开关柜的现状、SF6产品和树脂固封绝缘产品的发展沿革进行了简要分析，通过深入对比分析目前10KV开关柜在可靠性和环保等方面的优缺点，提出了在10kV配电网中，固定式、密闭空气绝缘加局部复合绝缘的紧凑型开关柜是将来的发展方向，建议加强相应紧凑断路器柜的开发。

开关柜；配电；绝缘类型；固定式

1 引言

城市电网的建设与改造主要在城市市区进行,现代化的城市也是工矿企业、人员、物流重要聚集区域,用电负荷中心,通过采用环网供电可以解决城市负荷密度增加的主要措施。而目前10kV配电网线路上环网设备普遍使用是SF6气体绝缘负荷开关柜,虽然有着高绝缘强度、占地少的优点,但也存在因SF6气体泄漏造成绝缘性能及灭弧性能减弱导致开断失败出现内燃弧故障从而引发箱体爆炸的危险。作为公用电网运营企业,研究10kv新型智能开关柜技术就相当重要了。

2 国内开关柜发展及现状

随着社会的经济发展,城市化进程的不断加速,对配电网建设提出了更多的要求,技术成熟可靠、少/免维护类产品,对环境应用适应性高,通过紧凑、小型化的产品应用节省电力设备对土地的占用,高效集约利用土地资源的设备符合中国电网公司一直倡导采用“资源节约型”电力设施和建设绿色电网要求。近年,电网公司开始大规模建设“现代配电网“,而遍至电网终端的配电网分布着众多的开关站、配电站、开闭所、配电房,若按照紧凑节约型的标准建设,将产生巨大的社会效益与企业利益。为了适应现代配网建设的要求,各种紧凑型的电气开关柜不断涌现。而其重大的技术突破主要来源于二十年前采用了SF6(六氟化硫)气体绝缘技术在中压配网紧凑小型设备上的应用。SF6作为一种绝缘气体,有卓越的绝缘性能,优异的冷却电弧特性。在电气设备的应用中,可以大幅缩少设备的尺寸,提高设备绝缘的可靠性,所以SF6绝缘开关柜曾经广泛应用电力市场。

近年由于绿色电力发展的背景下,对SF6气体绝缘开关设备的应用反思,特别是在中压系统的配电设备可以通过其他的方式在满足配电网的应用同时,还能兼顾解决环境的影响因素成为了电力装备业界的重要选择。SF6气体由于具有高度稳定性,可以在自然环境中稳定存在3400年,若在应用中由于泄漏等诸多因素排放在大气中时,能持续影响地球气候变化,对人类的生存环境带来明显的危害。由于SF6是目前为止发现的全球增温潜势(GWP)最高的的物质,即是最强烈的温室效应气体,温室效应是CO2的23900倍,在1997年通过的《联合国气候变化框架公约京都议定书》六种规定减排的温室气体中温室效应排列第一。其次SF6在电弧放电时会分解形成有毒性的硫低氟化合物。第三其密封箱体是在带压力状态下工作,密封要求高,加工困难,检测维护复杂,一旦发生泄漏,绝缘破坏,极易造成人身伤亡事故。全球对SF6应用对策：超高压、高压电气设备严格循环回收应用,在中低压电气设备限制使用。

作为代替SF6紧凑小型化的应用技术措施,正在试验与开发的技术主要有环氧树脂固体全封闭的环网柜绝缘技术,应用SF6+N2(氮气)绝缘技术,压缩空气的绝缘技术(加压至十多个大气压)这几种。在2008年4月23日授权公告的中国专利,公告号为CN201051616Y,其公告了一种固体绝缘的全封闭环网柜,部分电网用户希望将其作为代替SF6绝缘的应用技术。

但由于环氧树脂固体绝缘的真空加工工艺要求极高,其通常由双组份或多组份液体材料搅拌浇注加工固化,容易在加工中产生微小汽泡,存在在高电压时产生局部放电,过电压时形成击穿致绝缘失效的风险。同时环氧树脂固体材料是一种脆性材料,在安装和运输容易损伤。生产过程会产生固体废弃物。

3 环网柜故障分析以及对新式环网柜的要求

3.1 故障分析

参考2010年南方电网公司《高压开关设备运行情况及故障分析》和《高压开关行业通讯》2006第3期“国家电网公司高压开关运行分析”,所统计的10千伏开关柜运行中主要存在的故障主要为机械故障、载流故障和绝缘故障三类,故障的比例排序分别为66.3%,18.6%, 14.3%。

a)机械故障包括弹簧操作机构、五防机械闭锁、分合闸线圈故障,而在操作机构故障主要是各类开关分合卡涩、拒合、拒动,机械寿命短等,还有要实现五防的机械联锁稳定性极差,应用中需要经常性调整、检修。

b)载流故障,在载流故障中,触头过热、引线过热,扩大为绝缘事故存在较大的潜在隐患。分析原因多是一次插头接触不良,梅花插头容易偏心等原因接触不良、接触压力够,出现局部过热,起弧而烧坏设备。

现阶段10kV主流产品中置式手车柜,这类产品在运行中存在的主要问题是,手车式断路器柜的一次触头与静触头的插接处容易过热。由于一次插头在触头盒内,其散热性差,由于制造尺寸偏差、安装质量等原因,部分开关柜不能长期安全运行,曾多次发生绝缘件断裂、烧毁等一级设备事故。分析原因：手车式断路器柜是敞开式开关柜,对流散热的缝隙在运行中,粉尘的进入覆盖在绝缘器件上,或其他维护、检修工作频繁发生,反复进行的动静触头插拔,容易造成一次插头偏移和接触压力不足,进而导致接触电阻增大,而局部发热引致接触电阻再次扩大,扩大后的发热面积必将形成状况的持续循环,局部的发热将会波及全柜的其他导电件,最终造成开关柜崩烧的烧毁。

典型的例子：在《高压开关》2005年第1期,《12kV开关柜事故分析及其教训》一文中提到,事故烧损的开关柜,从事故分析上可以知到手车动触头与开关柜触头存在高度误差,其分析测量数据高度误差为12mm,事故形成了配电室同排手车柜严重烧损。

c)绝缘故障。主要是柜内放电、CT出现闪络和开关柜相间闪络、绝缘尺寸不足、柜内绝缘隔板存在吸潮。

3.2 10kv新型智能开关柜具体要求

a)实现故障就地隔离,可有效减少停电时间和停电范围,提高供电可靠性,减少停电时间,创造社会效益。

b)节省维护成本：

10kv新型智能开关柜要具备断路器功能,配备继电保护装置,具有隔离故障能力,不存在采用熔断器-负荷开关组合电器对用户变压器进行保护的情况,不需到现场更换熔丝,节省了到现场更换熔丝的维护成本。

c)满足配网自动化、未来智能电网要求,减少重复投资。

d)实现用户故障不出门。e)智能化。

f)前瞻性设计。

10kv新型智能开关柜整体设计要围绕智能、环保、紧凑型和适应智能电网和配网自动化的方案而系统开发,满足未来智能电网的发展需求,可从源头避免重复投资;断路器设计方案,具有额定动热稳定、短路关合和开断能力(负荷开关无短路开断能力)。能实现故障就地快速处理、隔离,是构筑智能电网和配网自动化的设备基础。

G)环保、节能。

h)10kv新型智能开关柜要有效减少停电时间,降低社会损失;无SF6温室气体;不使用熔断器,无熔断器长期功率损耗;没有大量的环氧树脂固体废弃物,90～95%的部件都是可回收利用的。

i)结构紧凑,模块化设计。

10kv新型智能开关柜体积要与SF6环网柜相差无几,模块化设计,线路馈电柜十分容易转变为变压器馈电柜。

4 10kv密封箱型环网柜同类成品

目前国内外密封箱型环网柜参数达到额定电压l2、24、40.5kV,额定电流200,400,630,1250A,额定短时耐受电流16,20,25kA,柜宽：密封充气式多为350～400mm,空气绝缘式为600mm左右。

4.1 施耐德12/24kV RM6系列环网柜

RM6系列环网柜是SF6充气环网单元柜的代表产品,由于将带电部件和主开关都放置在封闭的金属密封箱体内,带电部件和主开关不会受到外界环境条件的影响,根本上杜绝了由于运行环境污染而容易产生污秽闪络的风险,减少了清理粉尘的维护时间,同时密封箱全绝缘,可以提高设备运行可靠性及操作人员的安全。

RM6系列环网柜中,主方案有负荷开关I方案、负荷开关+熔断器组合电器Q方案、断路器方案。断路器有200A专门用于配电变压器馈线的D方案,630A/1250A网络节点线路保护的B方案,两者有相同的用户界面。其额定电压为12/24kV,额定电流200A,630A/1250A。

4.2 LMG、LCG系列SF6环网柜

该产品是上海天灵开关厂有限公司小型化SF6环网柜。LMG系列为紧凑型,单回路气箱结构,用SF6气体绝缘,LCG系列为扩展型,多回路共箱体结构,SF6气体绝缘。单回路和多回路两种系列的产品可任意组合,从左右两侧通过连接套件可进行扩展。

产品具特点：

①高压带电部位密封在充以低压SF6气箱内,不受外界环境影响,可实现全绝缘。

②模块化设计。各种主接线由不同模块组合,实现紧凑小型化。

③进出线电缆采用硅橡胶绝缘层的全绝缘屏蔽型。④扩展采用硅橡胶连接器,实现相邻柜之间的电气连接。

4.3 12/24kV UNIFLUORC系列SF6环网柜

该产品是顺德开关厂有限公司引进意大利VEI公司产品。

产品由不锈钢壳体焊接成的完全密封的箱体。所有带电部件及开关密封于不锈钢壳体内。整个主导电器件与开关装置不受外部环境的影响,是免维护型产品。主开关是压缩式喷气灭弧结构,由于主要灭弧由压缩式喷气完成,不主要依赖SF6气体进行灭弧,其灭弧能力较强,具有高达2100A的转移电流能力。通过扩展连接套件可进行扩展,产品方案任意组合,模块化设计。

产品特点：

①主灭弧原理可靠。UNIFLUORC系列SF6环网柜采用先进的压缩式喷气灭弧结构。

②独特的双重灭弧结构。开关的压缩式喷气主灭弧结构,辅以SF6气体灭弧介质加强灭弧,双重灭弧保障。

③零表压能力。开关的压缩式喷气主灭弧结构,辅以SF6气体灭弧介质加强灭弧,在零表压的情况下仍然能够正常分合操作。

④技术成熟。压缩式喷气主灭弧结构从单压式开关移植,成熟可靠。

4.4 Xiria（西瑞）型环网柜

该产品由荷兰Holec公司研制成。Holec公司被美国Eaton(伊顿)公司电力部收购后,交由其中国工厂在江苏常州进行本土化生产。

Xiria型环网柜有l2kV和24kV两个电压等级,额定电流630A。

产品特点：

①首位采用干燥空气进行绝缘的环保型环网柜,没有采用SF6气体进行绝缘;

②使用真空断路器保护配电变压器,代替传统三工位SF6负荷开关+限流熔断器,让保护范围更宽;

③干燥空气密封箱体设计。带电元件终身密封在密封箱体内,使主要带电元件不受运行环境影响;

④小型化。这是通过优化电场、优选绝缘材料及采用小型化真空灭弧室实现。

例如3单元环网柜尺寸(mm)为1100(宽)×600 (深)×1305(高)。

4.5 SafeRing Air概念环网柜

ABB对中国电网公司提出的一个环保型概念型的产品,目前在研制开发当中。

SafeRinG Air设计概念是将SafeRinG,SafePull系列产品通过环保气体替代原来的SF6气体绝缘,通过采用热塑性材料等技术方案,实现大部分材料的可再生应用,从而在环保、节能方面实现产品的换代升级。

SafeRinG Air设计概念环网柜中,主方案有负荷开关C方案、断路器V方案。而断路器V方案直接取代了原来SafeRinG的负荷开关+熔断器组合电器F方案、断路器也从SafeRinG的200A专门用于配电变压器馈线的V方案,升级至630A的新型V方案,拥有更高的开断能力。

产品外形尺寸：420*900*1510～1930

4.6 LNS氮气绝缘环网柜

LNS氮气绝缘环网柜是苏州朗格电气有限公司研制的新概念环保产品。

LNS N2绝缘环网柜主要产品特点是通过N2绝缘代替SF6气体绝缘,实现产品的环保概念性能,在保护小型化的要求同时,提出免维护的设计,零表压的绝缘性能要求。主方案有负荷开关L方案、断路器C方案。而断路器C方案直接取代了原来大多数环网柜的负荷开关+熔断器组合电器方案。

产品外形尺寸：375*1000*1900

5 10kv新型智能开关柜

5.1 10kv新型智能开关柜主要性能

a)产品作为新型固定式断路器柜和具有高精度智能化功能产品,可作为智能配电网的一次配电基础设备,智能配电网二次配电和配网自动化主要设备。

b)通过全新设计能实现故障就地隔离的快速响应的真空断路器功能的开关柜布置在配电网的开关节点上(要求开关柜动作+继保动作时间100ms≤变电站10KV出线断路器继保的250～300ms延时设定);结合欧洲专利的相不对称暂态判断的高精度故障检测(检测至0.5A)、保护、RTU一体化的智能组件实现配网自动化和智能配电网的高供电可靠性要求,实现零停电,确保供电可靠性达到99.9999%水平。

c)产品是紧凑小型空气绝缘真空断路器固定柜,常压的空气密封箱体结构,不采用紧凑柜的带压力SF6绝缘气体材料,没有温室气体的泄漏,符合绿色,低碳的社会发展潮流,符合国家电网公司绿色电网设备的选型。

d)长寿命免维护的设计,均匀电场和局部复合绝缘技术,可实现与全绝缘充气柜相约的尺寸,在目前城市高速发展中节省大量的珍贵用地和特别紧、窄、低安装场合的应用。可代替全绝缘,全密封充气柜,提高供电可靠性,减少停电。

e)在开环环网线路上利用基于相不对称检测专利原理基础上构成故障前后二个断路器点对点故障电流的相异状态判断,就能实现故障的就地隔离和保持故障点前线路的不停电方案,可以构成不依赖后台主站、通讯条件的初级配网自动化方案;而在具备光纤的通讯条件,利用后台主站、光纤通讯就能建成故障的瞬间就地隔离(隔离时间短于变电站10KV出线断路器继保的250～300ms延时设定,出线断路器不需跳闸),瞬间复电“零停电”的低成本配网自动化方案(故障检测、保护、RTU一体化的智能组件比传统配网自动化节省了大量元件成本、造价,可靠性更高)。

f)产品为新型的固定式断路器开关柜,由真空灭弧室和三工位的隔离开关和接地开关构成长寿命免维护主导电断路器组件,密封在带呼吸过滤装置的干净空气绝缘的金属箱体内;配套简洁、高可靠的手动和电动操作机构在密封箱体外,方便更换维护,没有移动部件,可靠性高,大幅减少维护工作量,满足长寿命免维护选型要求,配置一体化智能组件。

G)产品有完善的“五防”连锁机构,有明显可视隔离断口,接地开关有E2级关合能力

5.2 箱体结构性能介绍

a)采用空气绝缘的共箱紧凑型断路器开关柜,包括柜体,设有一至三个进出线的导电回路共箱的填充常压空气的密封气箱,二次室、机构室、电缆室在密封气箱之外,二次室、机构室在气箱布置前后侧,放置在柜体的中部,柜体的下部是电缆室。

b)基于现代配电设备的应用需求,改善现有技术存在的一些缺陷,开关柜内部结构以均匀电场与局部复合绝缘技术为基础,通过真空灭弧室灭弧,填充常压空气的密封箱体实现缩小设备尺寸的新型开关设备。

c)该装置所述常压密封箱体通过采用钣金箱板专用长效密封胶填封接缝形成箱体的静密封和密封圈拼接操作转动轴孔形成箱体的动密封。将运行环境中的尘埃,污秽,潮湿空气隔离,有效地减缓了电源体的腐蚀,延长了开关柜的使用寿命,确保免维护的结构长寿命有效工作。

d)本结构箱体可以通过透明的观察孔进行隔离和接地位置的可视。接地开关具有E2级额定短路电流的关合能力,能减少故障扩大,提高电力设备的供电可靠性。

5.3 新型智能开关柜优点

中压紧凑型智能开关柜与施耐德的RM6、ABB的Safe RinG等环网柜相比,最大的优点：

a)满足未来电网要求。故障停电,瞬间复电,减少停电时间。

b)断路器设计。能实现就地切除、隔离故障点。

而国厂商仍在大量使用负荷开关和熔断器,这两种产品恢复和更换时间长,安全性差。

c)环保。采用可自愈的空气绝缘结构设计,非SF6的紧凑型全封闭RMU不受碳关税制约的行业绿色友好型低碳代表性产品。中压紧凑型智能开关柜通过采用大型计算机进行电场强度仿真模拟和辅助计算,实现了电场强度的平衡设计,保证在空气绝缘的情况下,产品能够安全工作,配合真空灭弧装置,保证产品的高可靠性和超长使用寿命。

d)安全可靠。保障人身和系统安全。

每路开关都有接地开关、观察孔和锁定装置,保证操作人员安全;没有SF6气体,所以不存在由于SF6气体泄漏所导致的漏电和绝缘性能下降而带来的的危险;

e)易扩展。具有很高的安装灵活性。

f)节能。没有熔断器功耗损耗。

G)断路器,可实现故障不出门——全范围断路器设计,配合继电保护装置实现就地对用户侧的过电流、相间短路、单相接地短路等故障进行保护和隔离,解决了目前配网系统用户界面内故障出门引致整条10kV馈线线路跳闸的停电事故,提高供电的可靠性。

h)配备智能组件,集成供电、继电保护、开关参量上传、远程控制等功能,与光纤通信配合,可在150毫秒之内隔离故障线路,并恢复对其它电路的正常供电。

i)具有额定短路关合能力的E2级接地开关。

j)具有最少5次关合短路电流能力,确保设备安全。