现状10 kV开关柜在钻石型配电网内的应用

2021-07-15王世峻毛姝旻

电力与能源 2021年3期

王世峻，陈博，毛姝旻，谢容

(1.国网上海市电力公司经济技术研究院，上海 200120； 2.上海电力设计院有限公司，上海 200020)

为了对标国际先进城市，建设卓越的城市配电网，解决站间负荷转供能力不足等问题，以上海现状开关站单环网为基础，满足110，35 kV变电站共存、大量开关站、分层结构，不低于现状单环网备自投可靠性的要求，提出上海钻石型配电网发展思路，建设具有上海特色、适应中心城区的配电网网架结构[1-3]。

1 钻石型配电网简介

钻石型配电网是指以开关站为核心节点、双侧电源供电、双环网连接、开环运行、配置自愈的电缆主干网，具有“全电缆、全断路器、全互联、全自愈”的特征。钻石型接线示意图如图1所示。

图1 钻石型接线示意图

虽然钻石型配电网具有强大的负荷转供及平衡能力、多元化设施柔性接纳能力以及秒级的供电能力，但是钻石型配电网双侧电源接线、多级运行、自愈系统配置可能会造成原有变电站、开关站所使用的开关柜无法适应。

(1)钻石型配电网主干网全开关站配置，适应分布式电源及多元化负荷的接入，大规模分布式电源接入钻石型配电网后会提高10 kV电网短路电流水平，可能超过原10 kV设备的短路耐受能力。

(2)钻石型配电网双环网开环运行，运行方式灵活多变，满足“N-1”条件带负荷能力较单环网高：一方面线路载流量较传统单环网高；另一方面可能造成配网潮流超过开关站、变电站原有电流互感器的限值。

针对这些问题，基于上海配电网建设现状10 kV开关柜对钻石型配电网的适应性，提出了钻石型配电网变电站和开关站开关柜设备的选型要求，为有效推进上海钻石型配电网的标准化建设提供依据。

钻石型接线采用分层、分级的结构，分为10 kV主干网和10 kV次干网两个层级，不同层级的电网采用差异化的接线模式。

10 kV主干网是以全部进出线均配置断路器的开关站为核心节点，形成双环网的网络结构。每组双环网接线含4～6座开关站。开关站开关设备均为断路器，采用单母线分段接线。双环网线路所供负荷能够满足高峰负荷正常方式“N-1”和春秋季负荷检修方式“N-1”。第一级开关站两路电源来自同一变电站不同母线或不同变电站；其他开关站两路电源来自相邻开关站不同母线，并且两座开关站之间设两回联络专线开环运行。

10 kV次干网是以全部进出线均配置环网开关的环网站为核心节点，以开关站为上级电源，形成单(双)侧电源供电的单环网或双侧电源供电的双环网结构。

2 10 kV开关柜适应性研究

现有10 kV配电装置均采用10 kV开关柜，一般采用空气绝缘开关柜，寿命不低于40年，防护等级不低于IP4X。在受环境条件等限制的情况下可选用气体绝缘开关柜，防护等级不低于IP5X。应选用技术成熟、可靠性高、国内领先的优质产品。开关柜应具有完善的“五防”连锁功能，可有效防止误操作。

2.1 绝缘介质

10 kV开关柜按绝缘介质可分为10 kV空气绝缘开关柜和气体绝缘开关柜，气体绝缘开关柜主要绝缘气体为SF6和N2。空气绝缘开关柜常规设备尺寸为800 mm×1 500 mm×2 200 mm，气体绝缘开关柜主要有4种尺寸，如表1所示。

表1 10 kV气体绝缘开关柜尺寸表

最大设备尺寸为600 mm×1 100 mm×2 250 mm，同时考虑柜前、柜后检修通道距离，空气绝缘开关柜单列布置时，柜前距离约为2 000(单车长+1 200)mm，面对面双列布置时约为2 500(双车长+900)，柜后为800 mm；气体绝缘开关柜柜前为1 500 mm，柜后为300 mm。以10 kV侧2进16出(含站变)KF2站为例，使用空气绝缘开关柜的开关站尺寸为19.7 m×8 m，面积为157.6 m2；使用气体绝缘开关柜的开关站尺寸为16.0 m×5.6 m，面积为89.6 m2。另外，气体绝缘开光柜，柜内高压元件(断路器、隔离开关、接地开关及高压带电体等)重要部件均安装于柜内充气隔室中，气密性较好，充气隔室防护等级达到IP65，年漏气率低于1‰，重要部件不受周边环境影响。

考虑气体绝缘开关柜价格较高，每单台气体绝缘开关柜较空气绝缘开关柜价格高出10万元；气体绝缘柜部件均安装于气室内。如后期设备损坏需连同气室一起更换，后期设备检修较为困难，也存在气体泄漏隐患。

在周边运行环境恶劣(周边2 km存在化工厂、其他重污染源或处于重污区)或地形、空间等受限制的开关站应采用气体绝缘开关柜，其余站点仍应使用空气绝缘开关柜。

2.2 断路器

开关柜采用弹簧储能操作机构的真空断路器，机械操作寿命不小于20 000次，具备手动和电动操作功能。

根据钻石型接线主干网，在不同情况下对断路器的额定电流进行分析。现状电网设备及通用设备10 kV开关柜断路器额定电流参数均为1 250 A，短路电流参数为25(31.5) kA。

2.2.1 额定电流

根据钻石型接线主干网，在不同情况下对断路器的额定电流进行分析。

(1)正常工作状态。若钻石型接线含4座开关站，则线路最大负载为2段母线(1座开关站)负荷；若钻石型接线含5座开关站，则线路最大负载为3段母线(1.5座开关站)负荷；若钻石型接线含6座开关站，则线路最大负载为3段母线(1.5座开关站)负荷，如图2所示。

图2 钻石型接线正常工作状态示意图

现状上海地区开关站整站负荷按最大值取4 MW，正常工作情况下最大线路负载为3段母线，工作电流约为330 A。

(2)线路“N-1”负荷转移状态。若钻石型接线含4座开关站，则在首段线路 “N-1”时，线路最大负载为3段母线(1.5座开关站)负荷；若钻石型接线含5座开关站，则在首段线路“N-1”时，线路最大负载为4段母线(2座开关站)负荷；若钻石型接线含6座开关站，则在首段线路“N-1”时，线路最大负载为4段母线(2座开关站)负荷，如图3所示。

图3 钻石型接线“N-1”示意图

现状上海地区开关站整站负荷按最大值取4 MW，在线路“N-1”负荷转移情况下，线路最大负载为4段母线，工作电流约为440 A。

(3)检修方式“N-1”负荷状态。若钻石型接线含4座开关站，则在检修方式“N-1”时，线路最大负载为4段母线(2座开关站)负荷；若钻石型接线含5座开关站，则在检修方式“N-1”时，线路最大负载为5段母线(2.5座开关站)负荷；若钻石型接线含6座开关站，则在检修方式“N-1”时，线路最大负载为6段母线(3座开关站)负荷，如图4所示。

图4 钻石型接线检修方式“N-1”示意图

现状上海地区开关站整站负荷按最大值取4 MW，在检修方式“N-1”负荷情况下，线路最大负载为6段母线，工作电流约为660 A。

站内其余10 kV馈线柜，主要为站内配变、用户站或次干网供电，10 kV开关站站内配变容量≤1 250 kVA，电流约为90 A；根据《上海电网若干技术原则的规定》(第四版)10 kV用户站容量小于8 000 kVA，电流约为572 A；10 kV次干网每环供应的配变容量(包括用户)≤7 000 kVA，电流约为500 A。

现状电网设备及通用设备10 kV开关柜额定电流为1 250 A，可满足钻石型配电网在不同工况下的需求。

2.2.2 短路电流

根据《上海电网若干技术原则的规定(第四版)》，上海10 kV系统的短路电流水平按照20 kA控制，新建10 kV设备的三相短路电流均按20 kA控制。

变电站10 kV母线系统侧短路电流。考虑220 kV侧大方式短路电流为50 kA控制值，220 kV主变容量240 MVA、高中压阻抗百分比14%、高低压阻抗百分比23%，计算得到110，35 kV变电站10 kV母线大方式短路电流如表2所示。

表2 变电站10 kV母线系统侧短路电流

由表2可知，110，35 kV变电站10 kV母线大方式短路电流根据主变容量及阻抗百分比的不同，在8.3～14.8 kA范围内。

钻石型配电网虽然为多侧电源系统，但在正常运行方式下系统为开环运行，除极短暂且被允许的切换操作过程中，系统任意一点仍然为单侧电源系统，其短路电流小于电源变电站10 kV母线的短路电流，10 kV系统的短路电流水平依旧按照20 kA控制。现状电网设备及通用设备10 kV开关柜断路器短路电流参数25(31.5) kA，均可满足要求。

3 电流互感器

根据《国网上海市电力公司配电网工程通用设计图集(2014版)》现状开关站进线柜为3次级电流互感器，600/5，0.5S/10P20/10P20, 15/20/20VA; 馈线柜为2次级流变，200(400)/5，0.5S/10P20(0.5S),15/20VA；分段柜为2次级流变，600/5，0.5S/10P20(0.5S),15/20VA。在钻石型配电网中，开关站为主干网线路核心节点，在这些线路上使用的电流互感器要考虑其正常运行和故障时各类工况对设备参数的要求。

(1)一次额定电流。根据分析，变电站馈线正常运行的最大工作电流不超过330 A，检修“N-1”情况下最大不超过660 A。因此，现状开关站主干线仓位及分段开关柜电流互感器变比无法满足要求，应更换为400(800)/5带抽头的电流互感器。

(2)次级数量。在钻石型配电网采用自愈系统方案对电流互感器的次级数量提出了新要求。原有线路保护(纵差+过流)和新增自愈终端需要使用P级绕组。计量表计和监控系统遥测需要0.5S级绕组。次级数量的需求为至少为1个P级+1个0.5S级，近年新建或改造的开关站均能满足。如果有条件时，应尽可能选择2个P级绕组，便于纵差和自愈系统调试。

(3)二次绕组容量。对0.5S级绕组，在钻石型电网中其二次负载与现状电网相同。对P级绕组，当线路保护与自愈系统共用绕组时，电流回路负载按照8 VA估计(考虑自愈系统组屏安装于10 kV配电装置室内，电流回路二次电缆长度增加30 m)。计算如下：自愈系统电流回路输入功耗为1 VA/相；线路保护功耗1 VA/相；二次电缆30 m，导线电阻为0.08 Ω，导线功耗4.5 VA；接触电阻取0.1 Ω，接触电阻功耗2.5 VA。当电流互感器P级绕组二次容量为20 VA时，可满足要求。

(4)精度或准确限值系数。对0.5S级绕组，与现状配电网一样，其精度可以满足计量和遥测的要求。对P级绕组，因需要用于纵差保护，校核其准确限值系数ALF很有必要。如果ALF过低使得区外故障时电流互感器饱和，将导致纵差保护误动作，自愈系统中基于纵差原理的故障定位功能也会做出错误的判断导致事故扩大化。