浅谈一二次融合成套环网箱-环保气体的三工位开关布置方案及其技术分析.pdf

342023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术浅谈一二次融合成套环网箱-环保气体的三工位开关布置方案及其技术分析郑川崎（天一同益电气股份有限公司）摘要：针对一二次融合成套环网箱-环保气体的三工位开关布置方案进行阐述。在分析不同布置方案优缺点的同时，对一二次融合成套环网箱-环保气体在线路侧三工位开关布置方案所面临的问题提出相应的解决思路。关键词：一二次融合成套环网箱；三工位开关0 引言在 10kV 配电系统的环网电缆线路中，一二次融合成套环网箱已发展成最为常用的智能终端变电设备。在近几年中，由于 SF6气体及其衍生物对于环境的危害愈发得到重视，一二次融合成套环网箱-SF6已逐步淡出配网市场，取而代之的其中一类变电设备是一二次融合成套环网箱-环保气体。在12 千伏环网柜（箱）标准化设计方案（2022版）中，为响应国家可持续发展的号召，设备选型方案部分删去了 SF6气体绝缘环网柜的相关内容，增设环保气体绝缘环网柜的相关说明。环保气体顾名思义是温室效应较小的一类气体。此类气体在具备环保因素同时，也拥有较高的耐电强度。其中包括自然气体（如氮气、干燥空气等，禁止充入微量 SF6气体）与合成气体（如 C4、C5及其混合气体等）。目前，市面上大多数生产厂家均采用氮气或者干燥空气作为设备的绝缘介质。1 发展现状在一二次融合成套环网箱-环保气体结构中，均要求采用三工位开关。此类开关共有合闸、隔离和接地三个工作位置，分别用于隔离开关主断口的接通、断开和接地侧的连接。通俗来讲，三工位开关就是整合了隔离开关和接地开关两者功能，并通过一把刀来实现功能切换。在此情况下，由于每个时刻一把刀的工作位置是唯一的，它必定处于合闸、隔离或接地三个不同位置之一，由此实现机械闭锁，防止主回路带电合地刀。现阶段，一二次融合成套环网箱-环保气体的三工位开关布置方案主要分为以下两种：1）母线侧三工位开关布置方案（简称上隔离方案），如图 1 所示。2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 342023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 342023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49352023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术环网柜名称一次接线图额定电压额定电流绝缘介质灭弧介质（断路器）断路器隔离/接地开关电流互感器避雷器带电显示器12kV630A干燥空气真空630A，20kA1组1组1组1组断路器柜环网柜名称一次接线图额定电压柜体尺寸800mm850mm1650mm（长宽高，不含仪表室）额定电流绝缘介质断路器隔离/接地开关充电接口负荷开关电压互感器电流互感器熔断器避雷器带电显示器12kV630A干燥空气630A，20kA630A，20kA1组1组1组1组1组1组1组断路器柜图 1 上隔离方案系统三工位开关配置图表 1 下隔离方案断路器柜馈线支路表 2 下隔离方案断路器柜进线支路该布置方案是目前市面上配网系统装设三工位开关的主流形式，为大多数省份的国网电力有限公司所采用。在12 千伏环网柜（箱）标准化设计方案（2022版）中，三工位开关均采用母线侧布置方案，并将其描述修改为母线侧组合功能接地开关。2）线路侧三工位开关布置方案（简称下隔离方案），如表 1 和表 2 所示。该布置方案目前仅被浙江省和江西省的国网电力有限公司所采用。其中，江西省国网公司于 2022 年首次在配网系统中引入了一二次融合成套环网箱-环保气体，并于 2023 年起要求统一采用线路侧三工位开关的布置方案。以上两种三工位开关的布置方案各有利弊，由于涉及电力安全问题，在国网系统中引起不小的争议。2 具体分析2.1“五防”分析（1）上隔离方案从该方案的系统配置图可以看出，接地开关与隔离开关均位于主开关的母线侧，而出线电缆则是通过断路器与接地开关相连。在 GB 268602011电力安全工作规程 发电厂及变电站电气部分一文中明确规定，接地线、接地刀闸与检修设备之间不得连有断路器或熔断器。若由于设备原因，接地开关与检修设备之间连有断路器，在接地开关与断路器合上之后，应有保证断路器不会分闸的措施。因此，工作人员在2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 352023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 352023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49362023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术检修出线单元时，为防止带电合接地刀闸（带电挂地线）引起接地短路损坏设备停电与危及检修操作人员安全情况的发生，需对进线单元的开关采取分闸操作。该操作将导致在检修期间必须扩大停电范围，造成不必要的经济损失，也是国网系统中运维、供用电等部门反对上隔离方案的主要原因。（2）下隔离方案从该方案的一次接线图可以看出，接地开关与隔离开关均位于主开关的出线侧，而出线电缆则是直接与接地开关相连。该配置结构满足GB 268602011 电力安全工作规程 发电厂及变电站电气部分中“接地线、接地刀闸与检修设备之间不得连有断路器或熔断器”的相关要求。因此，在下隔离方案中，检修部门在检修出线单元时能够直接对出线单元的断路器进行分闸操作，无需涉及进线单元相应开关的操作，由此保障了检修期间所需停电的最小范围。除此之外，上隔离方案与下隔离方案中三工位开关的联锁操作顺序有所差别。在上隔离方案中，为确保安全操作，需将断路器先断开，且三工位开关处于接地状态之后，再将断路器合闸，下出线回路同时接地。此时，电缆室不带电，操作完后才能打开电缆室。在下隔离方案中，将断路器分闸后就可以操作三工位开关。将三工位开关置于接地状态，且下出线回路接地后，此时电缆室不带电，操作完后即可打开电缆室。与上隔离方案相比较，下隔离方案操作更为简单。另一方面，考虑到近十年来国网系统大力推广 SF6环网柜，而该类型环网柜中的三工位开关配置均采用下隔离方案。因此，在国网系统中，运维检修部门的工作人员对于下隔离方案的操作已烂熟于心，这也导致其大都抵触复杂且陌生的上隔离方案。2.2 安全可靠性能分析（1）上隔离方案从该方案的系统配置图可以看出，其是通过三工位开关与断路器的组合方式来完成接地开关的接地关合功能。该过程可表述为将三工位开关先置于接地模式，再将断路器闭合，完成电缆出线侧接地。在此情况下，得益于真空断路器的真空灭弧能力，通过该断路器关合电缆出线的短路故障电流，可以防止外泄电弧分解物，确保环网柜的绝缘性能。（2）下隔离方案从该方案的一次接线图可以看出，其直接通过三工位开关关合电缆出线的短路故障电流。因此，如何保证该方案下环网柜的绝缘性能显得极为关键。得益于 SF6气体良好的电气绝缘及灭弧性能，一二次融合成套环网箱-SF6基本上都采用下隔离方案对三工位开关进行配置。然而，环保气体不具备 SF6气体所拥有的良好电气绝缘性能与灭弧性能。在同等的压力情况下，SF6的耐电强度是 N2的 2.5 倍，灭弧能力更是空气的 100 倍。该现象表明，倘若一二次融合成套环网箱-环保气体采用下隔离方案来配置三工位开关，就得确保关合速度足够快，否则无法满足关合短路电流的需求，即无法达到灭弧效果（当环网柜高压电路断开时，电压会击穿空气发生高温高导电率的游离气体，表现为瞬间的高温火花，这便是电弧。原本断开的两个触点由于电弧的存在将产生电流，该现象延长了开关电器断开电路的时刻，加剧了电力系统短路缺电的危害。）。环保气体相比于 SF6气体的弱电气绝缘性能与灭弧性能，是国网系统中大多数省份否定下隔离方案的主要原因。3 解决思路随着一二次融合成套环网箱-环保气体在国网系统中所占比重越来越大，如何解决下隔离方案中三工位开关配置的不足之处已成为目前电气行业各制造商的首要攻克方向。毕竟，精准控制停电范围，是国网系统2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 362023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 362023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49372023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术序号123主母线额定电流额定短路开断电流A630456额定短时耐受电流7额定短路关合电流（峰值）8额定短路持续电流额定短路持续时间s充气隔室IP67，其余IP4X910防护等级11分合闸装置和辅助回路的额定电源电压充气要求VDC110/22012额定充气压力（20时表压）13最小功能压力（20时表压）14压力释放装置释放压力（20时表压）15年漏气率机械寿命16真空断路器17三工位隔离接地开关18额定绝缘水平1min工频耐受电压雷电冲击耐受电压（峰值）辅助和控制回路工频耐受电压相间、相对地kVkAMPa次V2000隔离断口、真空断口间相间、相对地隔离断口、真空断口间额定电流630424875852020505040.0150.00.060.01%100003000额定电压额定频率Hz50kV12名称单位数值图 2 一二次融合成套环网箱-环保气体的基础设计结构表 3 一二次融合成套环网箱-环保气体的主要技术参数保障民生问题的核心工作。倘若谁能优先保证绝缘性能，就能优先一步抢占先机。国网江西省电力有限公司在 2023 年起要求采用下隔离方案配置三工位开关时提出，环网柜必须满足“短路关合电流为50kA，短路关合次数大于等于2次”等条件。图 2 和表 3 分别展示一二次融合成套环网箱-环保气体的基础设计结构以及其主要技术参数。在一二次融合成套环网箱-环保气体采用下隔离设计方案的前提下，本文通过多方面举措来确保环网柜的运行可靠性。3.1 一二次融合成套环网箱-环保气体生产工艺需求1）绝缘件采用阻燃性的绝缘材料，以确保其阻燃性能不低于 V-1 级。2）断路器室和电缆室需要设有排气通道和泄压装置，当内部故障电弧产生时，泄压通道将自动被触发开启，释放内部压力，以确保工作人员和环网柜的安全。3）环网柜需要设计用来连接气体处理装置和其他设备的合适连接点（阀门），并装设气体监测设备。4）壳体（气箱）材质采用 304 不锈钢，壳体（气箱）材质标称厚度（mm）2mm。柜体框架材质采用敷铝锌板（镀锌层厚度达到 AZ150 及以上，按照 GB/T 14978连续热镀铝锌合金镀层钢板及钢带）或镀锌钢板（牌号为：DX51D+Z275，可按照 GB/T 25182008连续热镀锌钢板及钢带）。板材框架材质标称厚度 2mm，尺寸允许偏差应满足 GB/T 708 冷轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差的 B 级精度要求。仪表室、机构室以及电缆室门板材质标称厚度 2mm，电缆室门无观察窗，尺寸允许偏差满足GB/T 708冷轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差的 B 级精度要求。5）额定充气压力下非灭弧隔室测得水分含量（20时）不大于 1000L/L；灭弧隔室测得水分含量2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 372023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 372023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49382023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术（20时）不大于 150L/L。6）接地需求：接地母线采用扁铜排，截面 240mm2，连接所有需要接地的设备与回路。另外，为将接地母线与开关站的接地系统相连，要至少储备两个适用于 120mm2铜电缆的端末连接器。环网柜外壳需通过专门的接地点进行可靠接地，接地回路应满足短路电流的动、热稳定要求。除主回路及辅助回路外，所有拟需接地的金属部分都应接地。外壳、框架等的相互电气连接应使用紧固连接，以保证电气上的连通。接地点所接触面积与接地连线的截面积应足够安全通过故障接地电流。主回路应配备有安全可靠的接地设施，保障维修工作的安全进行。3.2 一二次融合成套环网箱-环保气体安全技术措施1）采用触头前端嵌钨的方式来提高抗电弧烧蚀性，更改触头材质以提高其导电性，特殊热处理工艺保证触头硬度减少变形，改变触头加工工艺，确保镀银层厚实耐磨，并经过 1000h 的盐雾试验，保证其防锈蚀能力，整体采用电泳漆工艺，采用不锈钢材质，这样触头发生熔断或者炸裂问题就能大大减少等方案，以保证设备触头具备更高的抗电弧烧蚀性及更好的导电能力。2）针对性地将各一次导体搭接处进行电场均匀化处理，通过仿真为结构优化提供方向，降低验证次数。最终，优化后的结构实现 95kV 对地雷电冲击性能这一国内领先技术水平。3）在隔离开关动触头分闸处增设绝缘罩，让隔离开关被包覆在自身动作范围的空间内，有效提高其绝参考文献1234567812 千伏环网柜（箱）标准化设计方案（2022版）S.GB 268602011 电力安全工作规程 发电厂及变电站电气部分 S.GB/T 11022 高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求 S.2006.DL/T 7282000 气体绝缘金属封闭开关设备订货技术导则 S.T/CERS 00022018 3.6kV 40.5kV 交流金属封闭开关设备和控制设备（环保气体）S.国家电网公司.Q/GDW 7422012 配电网施工检修工艺规范 M.北京：中国电力出版社，2012.DL/T 6211997 交流电气装置的接地 S.GB 39062006 3.6kV40.5kV 交流金属封闭开关设备和控制设备 S.（收稿日期：2023-04-08）缘性能。4 结束语“2030 碳达峰，2060 碳中和”不仅仅只是一句口号，更是各行各业的行动指标。一二次融合成套环网箱-环保气体的推行，确保了环保柜的安全可靠运行，有效改善了民生环境，也是电气行业的前行方向。2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 382023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 382023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49