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配电系统改进成趋势 环网柜发展方向分析

作者:全国输配电技术协作网    浏览:50    发布时间:2015-09-23 10:38:45

    环网柜(Ring Main Unit)是一组输配电气设备(高压开关设备)装在金属或非金属绝缘柜体内或做成拼装间隔式环网供电单元的电气设备,其核心部分采用负荷开关和熔断器,具有结构简单、体积小、价格低、可提高供电参数和性能以及供电安全等优点。

一、国内城市10kV电网现状

   我国80年代中期以前,10kV配电系统是以放射式为主,放射式与树干式相结合为辅的结线方式,很少采用环网结线。配电系统中开关设备的选用以断路器为主,很少采用负荷开关。据统计,我国负荷开关和断路器的比例大约是1∶10,10kV电压等级成套开关柜的受电、馈电柜几乎都采用断路器。这种传统的10kV配电方式不仅占地面积大、投资高,而且可靠性也低。

随着市场经济的迅速发展,城市高层建筑和大型公共建筑不断涌现,城市功能越来越趋向完善和复杂化,对供电可靠性要求越来越高,许多用户要求有两路或两路以上电源供电。特别是沿海开放城市的人口密度激增(将超过2万人/km2)和城市建筑密度的提高,给线路敷设带来困难,并使电网复杂化,出现故障不易迅速查找和排除。因此,传统的10kV配电系统的改进成为必然。

二、10kV配电系统的发展方向

  传统观念认为放射式配电,用断路器保护变压器,容易实现过流、瓦斯、温度保护,保护系统全面,供电可靠,而对于用熔断器保护变压器总是不够放心。但是,从国外技术发达国家的运行实践和一些资料来看,这些担心是多余的。熔断器保护变压器的特性比断路器更好,能有效地保护变压器。1989年国际配电网会议提供的资料表明,当变压器内部发生短路故障时,短路电弧会使油气化成气泡而占据原先属于油的空间,油将压力传递给变压器壳体,随着短路的持续而压力越来越大,直至油箱炸开。要使油箱不至炸裂,必须在20ms内切断故障。断路器的动作时间为保护动作时间和断路器固有动作时间两部分之和,其值大于60ms,而限流熔断器有速断功能,可在10ms内熔断而切除故障,达到有效地保护变压器的目的。

  负荷开关和断路器的作用不同,因而其结构相差甚远。一个开关投入和切断负荷是经常的,而短路保护则是极个别的,断路器按很少发生的短路电流设计,灭弧要求高,分合闸速度要求快,因此结构复杂,操动机构庞大,造价昂贵;负荷开关+熔断器则是把控制和保护两功能分开,大量的、经常发生的投切负荷用负荷开关来完成,而极少发生的短路保护由熔断器来完成。这样,可将结构复杂、价格昂贵的断路器由结构简单、价格便宜的负荷开关+熔断器代替。事实上,我们使用的断路器,大部分仅起负荷开关的作用。

   负荷开关的造价仅为断路器的30%~50%,负荷开关+熔断器的环网柜仅为用断路器的成套开关柜体积的60%~70%,高度也低,它不仅可减少高压配电室的面积并降低层高,而且环网柜不需操作电源,不需专门的控制室,可进一步减少占用面积,这对于高层建筑物内的配电所更具优越性。环网开关柜安装、调试方便,维护简单,易于实现电网自动化管理。可见采用环网柜比采用断路器柜带来的综合经济效益是显著的。

   早在80年代以前,我国就有人提出环网供电,但由于生产环网柜的技术不成熟,以至影响环网柜的推广。改革开放以来,沿海开放城市资金比较充足,大多选用进口设备,比如ABB公司生产的RGC型SF6环网柜。最近几年,我国在研制和引进技术用于环网结线的负荷开关和熔断器方面取得了很大的成绩,目前可供选择的设备不断问世。且其综合技术性能均达80年代后期国际同类产品的水平。可见,选用环网供电及环网柜是符合我国国情发展的需要,也是必然的。特别是对于负荷较集中地区推广环网供电具有重要意义。

三、环网柜的主要性能特点

  随着我国改革开放的不断深入,国外先进产品不断涌入我国,国内一些企业通过引进或自主开发,已有几家能生产出质量较好的适合于10kV配电系统使用的环网柜。柜内主要设备负荷开关+熔断器负荷开关+熔断器SF6负荷开关+熔断器

  操作方式手动、交流或直流电动弹簧储能操作手动弹簧储能操作手动弹簧储能操作保护及信号反时限电流保护、可带瓦斯、超温、欠压、接地、电信号反时限电流保护、可带瓦斯、超温、欠压、接地、电信号按所需设置保护、信号设备

外形尺寸(高×宽×高)800×800×2000mm850×900×2000mm1380×635×1400

额定电压/最高工作电压10/11.5kV10/11.5kV10/12kV

额定电流400、630、1250A400、630A630A

额定热稳定电流(有效值)20kA20kA22kA

负荷开关动稳定电流(峰值)50kA50kA50kA

额定短路关合电流(峰值)50kA50kA50kA

工频耐压(相间及于地/断口)42/48kV42/48kV50/50kV

脉冲耐压(相间及于地/断口)75/85kV75/85kV125/145kV

注:开关柜型号中□为开关柜编号;A为F&开关、B为ABB开关。

  目前,我国使用最多的环网柜主要为负荷开关+熔断器柜、空气绝缘负荷开关柜,其次是真空负荷开关柜。SF6绝缘的负荷开关柜、断路器柜除在特区使用较多外,内地很少使用。环网柜不仅适合环式配电系统,同时也适用于当前大多数10kV配电系统的放射式或树干式配电的终端配电所接线。

  过去国产的负荷开关由于易出现触头灭弧性能差,三相不同步分、合闸,故障开断能力小,操作困难,寿命短的缺陷,从而限制了安装在断路器柜内的使用。现在装在环网柜内的新型负荷开关在结构上作了很大的改变,其触头形式为筒形触头,上带筒形灭弧管,在断开电流过程中,主触头分开后几毫秒内还传导电流,然后迅速断开,保证了主触头之间不产生电弧,因此具有良好的电气性能,提高了负荷开关的开断能力和寿命。当前10kV负荷开关的开断能力有400A、630A和 1250A三种,分别可以分合5000kVA、8500kVA和17000kVA负荷。负荷开关的操作方式有伞齿轮手动、旋转手动、交流或直流电动操作。各种操作方式均带弹簧储能机构。当开关轴旋转,使曲柄弹簧机构的螺旋压簧储能,在过死点将触电管相应移至“合”或“分”的位置后,能量释放,达到高速度分、合闸。弹簧储能机构使手动操作人员操作更加方便。现在大多负荷开关环网柜都采用手动操作方式。

   在负荷开关+熔断器组合的环网柜中,熔断器是开断电流很高的限流熔断器,开断过程是熔体熔化而引起的电弧在石英砂作用下灭弧断开电路,同时熔断器撞针启动负荷开关的脱扣键 (即弹簧储能撞击器),使负荷开关三极触头同步分闸。整个开断过程按反时限的时间特性,在10ms内迅速切断故障,不会出现缺相供电现象。由于动作时间很短,转移电流(熔断器的熔体熔断使弹簧储能撞击器将负荷开关分闸的整个过程中线路承受的故障电流)远小于故障电流峰值,有效地保护了线路和设备。因此负荷开关+熔断器环网柜保护更安全、可靠,线路设计也不需短路电流校验,节省了线路造价。环网柜结构紧凑,比手车柜散热好,外形尺寸小,同时可以靠墙或离墙安装,占地面积小,节约土建造价。

四、环网柜的设计运用

   环网柜一般采用手动弹簧储能操作方式。当采用电动弹簧储能操作,并设有继电保护、信号要求功能的环网柜时,应根据要求提供交流或直流二次电源,一般宜采用交流弹簧储能操作方式。交流二次电源可由电压互感器柜提供。小型系统宜采用手动弹簧储能操作方式。此时,超温、瓦斯保护和信号显示所需的电源,因超温和瓦斯都是在变压器运行状态发生,为简化系统、节省投资,保护、信号电源可从变压器低压侧引出,与超温、瓦斯信号线共用一根控制电缆引至环网柜。

   从国外几十年运行经验和深圳特区运行情况来看,10kV电网采用负荷开关+熔断器保护变压器是行之有效的。过去那种不分使用场合和使用性质,一律采用断路器既不经济也不科学,应尽快改变城市电网现状,大力推广环网供电,使城市电网布局更合理。