10kV开关柜电气设计及智能化改进方法探析

杨金城

（泉州亿兴电力工程建设有限公司，福建 泉州 362000）

0 引言

目前我国经济已经进入高速发展时代，用电需求也大大增加，因此，电力系统的稳定安全以及可靠运行是我国供电企业发展的工作目标。对我国装机容量的数据进行统计，截至2020年，累计装机容量达12亿kW~13亿kW，已成了目前世界上最大规模、且具有联合性的电力系统网，此外，在我国的电力行业中，不断加强智能电网的建设并创新，应用各种高新技术，为变电站实现数字化、自动化以及智能化奠定了基础，保证电力系统运行的稳定性。

1 中压开关柜的分类及技术发展

我国的中压开关柜发展起步较晚，实现自主设计的时间是在20世纪60年代末，由于不断引进了国外相关产品技术，20世纪80年代我国的设计技术水平得到迅速提升，品种也具有多样性，例如有间隔式、铠装式和箱式开关柜等多种中压开关柜形式，且根据使用环境的不同设计出固定式柜以及可进行自由移动的移开式柜，而随着移开式开关柜产品不断投入运行后，根据实际施工的需要不断进行推陈创新，不仅有落地式，也开发出来了中置式、及双层柜等多种类型。此外，随着技术不断改革创新，针对部分特殊场所的施工要求（如铁路、矿山等），也设计出适用于特殊场所使用的开关柜[1]。

随着信息技术的不断发展，为我国智能化开关柜技术不断创新发展提供技术支撑。目前我国的智能化中压开关柜在现有基础上通过与新型的智能仪器信息技术等结合来进行设计，将智能配电监控以及保护模块等系统的网络接口与中央控制室的计算机网络系统进行联网后，可以对各供配电回路中的电压电流情况及有功/无功的功率情况等参数进行实时监测与控制，也可以对开关柜内的实际运行环境和温湿度以及故障、断路器的分合状态等实时监测，从而快速地对故障点进行定位；除此之外，随着信息化技术的不断运用和发展，对配变所进行无人值守和远程监控，保证供电系统稳定地运行，且其具有非常良好的市场发展前景。

2 中压开关柜电气设计案例

2.1 工程案例

该文以某县公司110kV东园变无人值班及老旧设备智能化改造工程中10kV KYN进线柜及馈线柜的电气设计为例，设计应根据以下规范：1）《10kV及以下电力用户业扩工程技术规范》、《电力工程电缆设计规范》（GB 50217-2007）；2）《20kV及以下变电所设计规范》（GB50053-2013）；3）《福建城市中低压配电网建设改造技术导则（2008年版）》；4）《交流电气装置过电压保护和绝缘配合》（DL/T620-1997）；5）《电力装置的电测量仪表装置设计规范》 （GB/T 50063-2008）。在本次改造项目中采用的2种开关柜均为中置移开式结构[2]，其相关技术参数如下表1所示。

表1 中压开关柜的主要技术参数

2.2 结构设计

2.2.1 进线柜、馈线柜的总体结构设计

进线柜和馈线柜总体结构相近，结构主要都是由电气元件、以及柜体所组成。其中，电气元件主要由真空断路器、接地开关等多种元器件组合而成，而柜体则是通过接地的钢板将其分成母线室、断路器手车室以及电缆室、继电器仪表室4个独立的隔室。此外，在进行中压开关柜设计时，应充分考虑中压开关柜在正常运行和后续监测、及维护工作时的安全性、便捷性，且须根据所使用的环境条件进行校验，在确保技术先进性的同时，也需要重视相关设备的经济性，确保设备配置的科学性和合理性[3]。整体结构如图1所示。

图1 进线柜、馈线柜结构设计

其中，中压开关柜的设计应充分对其运行的稳定性、监控便捷、以及后续维护工作的便利等方面进行考量，以便于元件的检修试验和故障的寻找处理维护工作顺利开展，例如部分额定参数、及结构相同的元器件能方便互换，根据实际使用环境的情况进行合理地校验，选择的元器件应在满足技术要求的前提下保证经济合理，新设备投入运行时应严格对其进行检测，选择鉴定合格并可靠的设备。

2.2.2 一次线路设计

2.2.2.1 一次线路接线情况

10kV供电系统属于中性点不接地式，在一次线路设计时，应采用中性点经消弧线圈的接地方式，且须注意两相电流互感器测量A相和C相，在进线柜以及馈线柜中的一次接线状态。具体接线如下图2和图3所示[4]。

图2 KYN28进线柜一次接线图

图3 KYN28馈线柜一次接线图

2.2.2.2 一次电气元件的选择

在中压开关柜内一次电气的元件类型具有品种多样化和形式多样化的特点。在进行开关柜主电路的方案设计时应充分对开关柜的性能要求进行综合考量，例如开关柜的整体结构、安装是否便利、操作和维护的通用性与便利性，针对电气元件的性能参数情况和外观安装尺寸等因素合理选用一次电气元件。

在无人值班及老旧设备智能化改造工程中，10kV KYN进线柜、馈线柜均采用真空断路器，并根据相关的设计要求，在选择断路器时选择了真空断路器（国产VS1系列和进口VD4系列），主要是这2种真空断路器都具有良好的可持续操作，且开断性能好，实现对故障的快速灭弧，而且2种真空断路器在投入运行后具有维护简单、操作危险性低以及噪声低等多个优点，采用该断路器在降低投入成本保证良好经济性的同时，降低后续运行维护工作的难度[5]。

2.2.3 二次电路设计

2.2.3.1 二次电路回路的主要分类

通常情况下电气回路主要由以下部分组成：一是主回路，二是辅助回路（也被称为二次回路），而二次回路的电路则是通过计量表计、继电器和控制开关等多个二次电气元件进行组合连接，因此要将二次回路进行分类的话则需重点考虑以下：一是根据功能进行区分，则主要分为控制回路以及计量回路、保护回路、信号回路四种类型；二是根据操作电源的种类进行分类，则可分为交流电压、电流回路、直流回路3种类型。

2.2.3.2 二次回路中配线截面的选择

通常情况下，开关柜中二次回路中的导线一般多采用单芯、或多芯的绝缘导线，因此在确定其导线截面时，应注意以下几个方面：1）测量表计电流回路在选用绝缘导线的截面时，按相关标准要求截面应控制不得小于2.5 mm2，且须确保其电流互感器中的二次电流不得超过5A，确保绝缘导线的负荷符合标准负荷要求；2）须根据电流互感器的误差曲线合理选择继电保护装置的绝缘导线，一般要求控制不得超过其10%；3）电压回路用的绝缘导线在选择时，须注意导线所能允许的电压损失；4）须根据机械强度等相关条件要求来合理选择控制系统以及信号回路中所使用的电缆芯，一般须保证导线的铜芯线截面不小于1.5mm2。

3 中压开关柜的智能化改造成果

3.1 KYN28开关柜智能化改造的总体方案

智能开关柜的核心是控制装置的智能化程度。该项目在改造过程中，选择智能控制装置、与保护装置并列运行的方案来进行施工改造，选择该设计方案可以根据开关柜的不同类型进行差异化、个性化配置，确保整个智能化水平提升。

以该项目中的一个典型馈线柜为例，该智能馈线柜的系统主要由支持IEC61850通信标准的保护装置以及能实现智能控制的装置组成，并且将2个装置系统、以及馈线柜内的多个摄像头与以太网和监控中心进行连接，以此构成完整的开关柜网络系统以实现对馈线柜运行状况的监测和控制[6]。此外，通过断路器上的传感器智能单元、以及数据采集模块，将运行的数据状态进行汇总并上传，为后续馈线柜的维护工作和检修工作提供详细的数据支持。系统结构如下图4所示。

图4 系统结构图

3.2 中压开关柜的智能化改造成果

对中压开关柜进行智能化改造和研究，是促进电力企业智能电网全面覆盖的关键步骤，通过改造中压开关柜为我国电力行业的长远未来发展方向提供一定的技术支持。主要体现在以下3个方面[7]。

3.2.1 实现了电动操作的自动化

自动化技术是实现智能化的基础。在此阶段，以自动化技术标准化为总工作目标，实现智能开关柜各种运行状态的自动转换。

3.2.2 实现在线监测和自诊断技术

将柜中的运行情况及特性和环境等参数，通过智能控制装置的集中处理后，进行汇总和分析，以实现开关柜对自身运行状态进行自动检测诊断以及故障预警，并找出故障点，提高检修工作的准确度，减少因故障带来的不良影响。

3.2.3 实现配电系统的智能化

在前2项技术支持下以实现配电系统的整体智能化发展为目标，以智能化开关柜为基本组成单元，将配电室、开闭所等组成一个智能化网络，从而完成日常的巡视工作，对事故提前预警和对故障点隔离，以及优化运行方式等，使配电系统稳定地运行。

4 总结

随着科学技术的不断进步，中压开关柜被广泛应用于我国智能配电网中，其使用范围不断扩大，尤其是对部分中大型的变电站来说，中压开关柜的应用具有非常重要的作用。而且随着智能电网的概念在我国电力行业中不断落实，对电力行业的稳定发展起到极大的促进作用。随着电力市场竞争加剧，用户对供电质量提出了更高要求，笔者结合当前智能电网发展的大方向和需求，针对性地提出智能化改进的方案，期望为后续的变电站无人值班以及老旧设备智能化改造工程提供依据，促进供电企业的稳定发展。