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预制户外SF6开闭所
中压环网柜的发展

作者:李建基  来源:输配电产品应用开关卷 总第79期

1前言
  
  随着国内城市电网建设与改造的加快,高压进入市区,直接深入负荷中心,环网供电成为解决城市负荷密度增加而呈现的必然结果。配电电压从以前的380V提升到10kV,进而从l0kV上升到20kV。《全国供用电规程》规定,凡送电容量超过160kVA,或用电容量超过250kW,则要求上高压。随着城市高楼大厦的崛起,生活小区的形成以及生产的集团化和规模化,需要高压送电给负荷中心。有关资料显示,如果将电压从380V提高到万伏级(10kV),可以减少线路损耗60%,又可减少用铜量及总投资52%,技术效益相当可观。
  
  环网柜属二次配电设备。二次配电设备是指将高压变压器受电的一次配电设备的电能进行再分配的中压开关设备。二次配电设备基础元件为负荷开关和限流熔断器,不但经济,而且保护特性好(如限流熔断器保护变压器)。我国传统二次配电设备是用断路器,不但价格贵,保护性也不好。改革开放后,从珠江三角洲开始,引进的以负荷开关和熔断器为基础的二次配电设备已日益深入人心。我国中压断路器与负荷开关(含接触器)比例已由1980年前的10:l,降为2003年的2.1:1,这是我国二次配电设备政策的革命性变化。但与国外相比,我国断路器与负荷开关之比相去甚远,国外(如德国、日本等)断路器与负荷开关之比为l:5~6,而我国现未达到1:1,要达到1:5~6还要付出巨大努力。
  
2环网柜发展趋势
  
  在城乡电网改造和建设中,推行环网供电,即用电缆、走地下、呈环路,可以减少供电的中断,同时大大减少临时性的故障。因而,这种环网供电单元(环网柜)应运而生。
  
  环网柜英文叫环网供电单元(RMU),它因城市推行环网供电而问世。在国外上世纪80年代初就已推出环网柜。此后世界高压开关制造商纷纷推出自己的环网柜。今天在中国市场上的环网柜,有国外及合资企业的产品,也有国内研制的产品。
  
  我国目前的中压配电电压为l0kV,近年来,由于电力负荷的急剧增加,尤其城市生活用电和乡镇企业用电迅速增长,10kV配电电压已不能满足城乡经济发展的需要。这从国网公司推广20kV配电电压等级中可以看出。去年,根据国家电网公司“关于推广20kV电压等级的通知”的精神,20kV电压等级很快升温。江苏省率先在省内13个市推广20kV电压等级试点供电项目。早在l993年,苏州新加坡工业园区在中国第一个采用20kV电压供电。而目前我国中压配电网基本以10kV为主。随着经济的快速增长,特别是在经济发达地区,现有10kV配电系统容量小、损耗大等问题日益突出,已经很难承受急剧增长的用电负荷。与传统的10kV配电网相比,20kV配电网不但可以增加供电能力,加长供电距离、节约电能、降低75%的电力损耗,还具有显著的环保效益。
  
  据测算,输送同等功率20kV供电线路的有色金属耗量可减少50%,节约建设投资约40%。20kV等级早已列入国际电工委员会标准(IEC38一1983)中,已被数十个国家和地区采用,我国与1993年将24kV配电电压列入GBl56—93标准中。
  
  20kV配电电压的推广,将给高压开关制造带来很大的商机。24kV环网供电单元(环网柜)必然走俏。如ABB于2008年11月宣布为江苏省泰州市靖江地区的24kV配电网提供24kVSafe系列充气环网柜。这是ABB继1993年中标中国第一个24kV供电项目——苏州新加坡工业园区后,第二次参与国内20kV供电项目的建设。
  
  国外制造商早就制造有24kV环网柜,如西门子、ABB等80年代初就推出12/24kV环网柜。这是由于国外许多国家和地区以24kV作为中压配电的主电压。如欧美的美、法、英、德、意、独联体;亚洲的日本、新加坡、印度、韩国.、越南、老挝、缅甸、印尼、孟加拉、伊朗;非洲的埃及、赞比亚、安哥拉等国。因此对国内企业来说,急切需要开发和生产24kV环网柜,这不仅是国内市场的需要,也是国际市场的需要,应抓住这一商机。
  
3国内环网柜的生产现状
  
  我国1998年实施城乡电网建设与改造,由于高压直接进人市区,深入负荷中心,推行环网供电,这就加速了环网柜的研发与生产。于是环网柜特别是12kV环网柜产量剧增。根据高压开关行业协会统计,2003年12kV环网柜产量为9265台,而2006年产量达87955台,几乎为2003年的10倍,而这仅仅过了3年。2006年的87955台相比2005年的69445台,增加185l0台,增长率为27%。生产环网柜的企业多达133家。产量3000台以上的企业有5家,分别为亚洲电力设备(深圳)有限公司(12380台)、宁波天安(集团)股份有限公司(8957台)、苏州阿海珐开关有限公司(4675台)、上海天灵开关厂(3698台)、北京科锐配电自动化股份有限公司(3150台),这些企业产量合计占行业总量的37%。而40.5kV环网柜仅84台,24kV环网柜产量空缺。在国网公司推广24kV电压等级的今天,必须加快24kV环网柜的生产。
  
  环网柜有空气绝缘柜和气体绝缘柜。在这两种柜中,气体绝缘柜用的最多,成为主导产品。气体绝缘柜主要是SF6环网柜。SF6环网柜因利用绝缘性能优异的SF6气体绝缘,故整个柜子不受外部环境的影响,同时SF6气体的绝缘性能是空气的三倍,因而SF6环网柜体积小,占地面积少,备受用户的青睐。
  
4环网柜的结构
  
  环网柜是因高压直接进入市区,深入负荷中心,形成“高压受电——变压器降压——低压配电”的供电格局而兴起。环网柜一般由三间隔组成:即两个环缆进出线间隔和一个变压器间隔。在这里,高压开关面临对变压器故障时的保护问题。对变压器的保护,一般有两个途径:一是利用断路器;另一个是利用负荷开关+限流熔断器。但实践证明,后者保护效果更好。其原因主要是负荷开关+限流熔断器能保护故障时的变压器,这早已被国外做的短路试验所证实。这里保护的变压器一般为小容量变压器。当变压器内部发生故障时,为使变压器油箱不爆炸,必须在20ms内切除故障。这时若用断路器来切除故障,断路器的全开断时间由三部分组成:继电保护时间+固有分闸时间+燃弧时间,一般需要三周波(60mms),因此断路器因动作时间长,难以在20ms内有效保护变压器。而限流熔断器有速断功能,能在l0ms内切除故障,并与负荷开关联动,令负荷开关三相动作,有效保护变压器。这就是环网柜普遍使用负荷开关+限流熔断器的最主要原因。
  
  在负荷开关+限流熔断器组合电器中,对负荷开关提出比一般负荷开关更高的要求。它必须能够开断远大于其额定电流的转移电流和交接电流。
  
  现代负荷开关有两个明显的特点:一是三工位,即合一分一接地,完成开断、隔离和接地任务;二是灭弧与载流分开。灭弧系统专门灭弧,不承受动热稳定电流,而载流部分专门承载正常电流,不参与灭弧。
  
  负荷开关在结构上有多种多样,其中油负荷开关与磁吹负荷开关已被淘汰。目前,负荷开关主要有以下4种:产气式、压气式、真空式、SF6式。而这4种中,从使用的情况看明显趋于SF6式。
  
  SF6式负荷开关有了很大发展,这主要表现在如下方面:(1)灭弧方法更加丰富,除了原先用得多的压气式,最新出现了灭弧栅式和旋弧式,这使灭弧更加简单,不像压气式那样需由操动机构提供压缩功;(2)壳体原先多为浇铸树脂壳体,现又出现了不锈钢壳体。不锈钢壳体强度大、且可接地,更加安全;(3)原先SF6负荷开关模块中将母线外露,现有的已装入气室内,不会触电,增加了安全感;(4)原SF6负荷开关的动刀位置主要靠指示,现在壳体内设有大视窗,可直接观察到动刀位置,更直观。这些特点在ABB负荷开关中可明显看出。ABB负荷开关经历了SFL一SFG—Safering。其中SFL为浇注树脂壳体,回转压气式;SFG型为浇注树脂壳体,灭弧栅灭弧,设有大视窗,Safering型环网柜内SF6负荷开关为不锈钢壳体,开有大视窗,用灭弧栅灭弧,母线置于气室内。
  
  环网柜的绝缘有用空气绝缘和气体绝缘。而以SF6绝缘的环网柜成为主流产品。国外打入中国市场的环网柜多是SF6环网柜。这些产品在2002年11月13日至l6日在北京举行第系列、8DH系列和SIMOSEC型,ABB的RGC型、Uniswitch型、SFG型及Safering型和Safeplus型,Schneider公司的RM6和SM6型,葡萄牙易发公司的Normofix型,VEI公司的UNIFLUORC型,Areva公司的FBX、Fluokite24型,日本东芝的VRM一1型,德国Drischer公司的MINEX型及ORMAZABAL公司的CGM型等。
  
  除SF6环网柜,还有用于干燥空气绝缘的环网柜,如Eaton的Xiria型环网柜,用于干燥空气绝缘,配用小型真空断路器。此柜尺寸小且环保、安全。
  
  从中国市场上看,可将环网柜分为两种:一种为外资和合资产品,另为国内联合设计和自主开发的产品。联合设计的产品如HXGN6型、HXGN9型、XGN15型等,自主开发的产品如HXGN1型、HXGN2型、HGN24型、HXGN26型、XGN68型等。
  
5典型产品介绍
  
  由以上可见,中国市场上的环网柜类型很多。作为典型产品,这里介绍4种:一种为中标泰州市靖江地区20kV配电网的ABBl2/24kVSafe系列SF6环网柜,另二种为列入上海电器行业名优产品汇编中新秀产品的LMG、LCG系列环网柜和ELA/MINEX系列SF6环网柜,第4种为Eaton公司Xiria(西瑞)型干燥空气绝缘且配小型真空断路器的环网柜。
  
  目前国内外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:空气式多为350mm,最小210mm,空气绝缘式为600mm左右。
  
  (1) ABB12/24kVSafe系列环网柜
  
  2008年3月11日,ABB宣布为江苏省泰州市靖江地区的20kV配电网提供Safe系列充气环网柜。这是ABB继l993年中标中国第一个20kV供电项目——苏州新加坡工业园区后,二次参与国内20kV供电项目的建设。
  
  Safe系列环网柜所有带电部件和开关的封闭在不锈钢壳体内,整个开关装置不受外界环境条件的影响,从而可以确保运行可靠性及人身安全,并且实现了免维护。
  
  Safe系列环网柜中,Safering为紧凑型,Safeplus为扩展型。两者有相同的用户界面。其额定电压为12/24kV,额定电流630A/1250A。Safe环网柜的90%~95%材料可以再生利用,塑料被单独加以标识,以利回收利用。
  
  (2)LMG、LCG系列SF6环网柜
  
  该产品被列为2007年上海电器行业名优产品汇编中新秀产品。
  
  该产品是上海天灵开关厂有限公司应用德国当代先进技术设计开发的新一代小型化SF6环网柜。其参数做到额定电压12—40.5kV。额定电流630A~2500A。
  
  LMG系列为紧凑型,单气箱结构,用SF6气体绝缘,LCG系列为扩展型,多间隔共箱结构,用SF6气体绝缘。两种系列产品可任意组合,左右可灵活扩展。
  
  该产品具有如下特点:
  
  ①不受外界环境影响。所有高压带电部位全部密封在充以低压SF6气箱内,实现全绝缘。
  
  ②模块化设计。由不同模块组合实现各种主接线,实现小型化,模块化。
  
  ③采用硅橡胶连接器,方便且可靠地实现柜与柜之间机械和电气连接。
  
  ④采用全屏蔽电缆进出线。
  
  ⑤可配用高压监视元件、综合数字式继电器。
  
  ⑥可采用无源数字式继电器。
  
  ⑦两个回路进线单元可加装自投装量。
  
  (3)12/24kVGISELA/MINEX系列SF6环网柜
  
  该产品被列入2007年上海电器行业名优产品汇编中新秀产品。
  
  该产品是许继德理施尔电气有限公司在引进德国德理施尔公司最新技术和工艺基础上,使用国内外整套高精尖生产加工设备和试验设备、自行生产的新产品。
  
  该产品是由不锈钢壳体制成的完全密封的完整系统。其所有带电部件及开关密封于不锈钢壳体内。扩展母线完全绝缘和屏蔽,整个开关装置不受外部环境的影响,实现了免维护。通过选择可扩展母线,产品还可以任意组合,达到全模块化设计。该产品参数做到额定电压12/24kV,额定电流630A/l250A。
  
  该产品具有如下特点:
  
  ①灭弧原理先进。GISELA/MINEX系列SF6环网柜采用先进的吸气活塞和去离子栅灭弧原理。
  
  ②独特的双重气室。开关的灭弧室是独立的、密封的,因此灭弧介质与绝缘介质独立于SF6气体之中。该技术的优越性在于,即使外壳失效,整个开关的开断能力也能得到可靠的保证,在最大程度上确保了设备的正常运行。
  
  ③体积小巧。GISELA/MINEX系列SF6环网柜的负荷开关柜宽度只有315mm,最小可做到210mm,深度只有518mm,高度仅为l300mm。
  
  ④柜体中安装了内部故障电弧限制装置,对人身和设备提供了最大程度的保护。该保护装置通过安装在电缆室内的自动快速接地开关来完成。接地开关将在故障电弧产生的几毫秒内迅速动作熄弧。该装置具有多种优势:没有高温气体从SF6绝缘部分散逸,提供了最好的人身及设备保护;无需单独设置泄压通道,柜体结构变得简单经济;内部故障电弧限制装置安装在电缆室内,可使设备损坏降至最低;故障排除后只需对开关柜进行检查即可继续投用。
  
  ⑤充气压力低。气箱内用于绝缘的压力只有0.017MPa,同体积下使用SF6气量少,既经济又环保,充气后箱体也不会变形。
  
  ⑥同一气箱的单元数量多,一个气箱内可以做到6个单元,最多可以做到10个单元。
  
  (4)Xiria(西瑞)型环网柜
  
  该产品由荷兰Holec公司研制成。在2003年举行的第17届国际配电网会议上,Holec公司以其论文《创新的环网供电单元设计:安全性与适用性》介绍新研制的Holec(西瑞)型环网供电单元(环网柜),后又在2005年第l8届国际配电网会议上,该公司展出了Xiria型环网柜产品。Holec公司为了将它的产品打入北美市场,特别是美国和加拿大,加入了美国Eaton(伊顿)公司电力部,并于2004年在美国成立了EatonHolec公司,现Eaton公司又将Xiria环网柜拿到中国,交给属于它的森源开关公司,本土化生产。
  
  Xiria型环网柜分l2kV和24kV,额定电流630A。其主要特点如下:
  
  ①用干燥空气绝缘,不用SF6气体;
  
  ②使用小型真空断路器,而不用三工位SF6负荷开关+限流熔断器;
  
  ③终身密封设计。一次带电元件与操动机构终身密封在钢板箱体内,使其不受环境影响;
  
  ④周全的保护和控制。配备了新设计的和最佳化的电子保护;
  
  ⑤最大操作安全性。单元接地的完成,通过真空灭弧室从工作位置转换到断开位置,转换隔离开关到接地位置和再合上真空灭弧室。这种接地安全,因为真空灭弧室的设计能够关合短路电流;
  
  ⑥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达到的。例如3单元环网柜尺寸(mm)为1100(宽)×600(深)×1305(高);
  
  ⑦抗内部故障电弧。Xiria型环网柜经受了内部故障电弧试验。其中12kV级通过了20kA/s,24kV级通过了16kA/s。
  
  作者简介:李建基,男,高级工程师,从1958年起一直研究高压开关设备技术已50年,在国内主流期刊撰写了大量国内外有关高压开关设备技术发展水平与动向的论文和信息,并有许多译注和编著。近期编著有《高中压开关设备实用技术》(机械工业出版社,2001年);《高压断路器及其应用》(中国电力出版社,2004年);《高压开关设备实用技术》(中国电力出版社,2005年);《新型中压开关设备选型手册》(中国水利水电出版社,2007年)。

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