10 kV智能開關柜的設計

陳 濤

（北京市設備安裝工程集團有限公司，北京 100022）

0 引 言

傳統的10 kV開關柜主要由斷路器、接觸器、熱繼電器、熔斷器、控制繼電器、互感器以及各式各樣的電工儀表構成，可用于電氣控制，實現配電、控制、保護和監視功能。這種開關柜存在操作復雜、維修不便、需要人工以及沒有預警等亟待解決的問題。近年來，隨著計算機科學、網絡通訊、數據傳輸以及電子科學的不斷進步，越來越多的新技術融入到電力控制領域，智能開關柜的技術水平不斷提高[1]。當出現故障時，智能開關柜能迅速動作，實施快速切斷，并采取無線通訊方式（如手機短信和終端反饋），將故障信息迅速反饋至用戶及相關人員，有利于電力企業及時監控系統的安全運行狀況。智能開關柜在未來將發展為兼具遠程監控保護、數據采集分析以及故障清除等諸多功能的新型智能電力控制系統。

1 10 kV智能開關柜設計

10 kV智能開關柜是在傳統高壓柜基礎上配置智能型保護、控制及監測單元，具有自檢、自控、自我診斷、自我恢復、數字顯示以及高壓開關狀態顯示等功能。

新型10 kV智能開關柜采用固體絕緣材料作為主絕緣介質，可將真空滅弧室及其導電連接、接地開關、主母線以及分支母線等主導電回路單一或組合后用固體絕緣介質包覆封裝為一個或幾個具有一定功能、可再次組合或擴張的具備全絕緣、全密封性能的模塊。先進保護、控制和監測功能的實現可通過全面集成保證系統更高的可靠性和能效，通過帶有內置通信功能和本地管理功能的開關設備可實現饋線自動化；通過集成的智能計量功能實現負載管理 ；通過監控功能實現資產管理；通過集成的電源投切方案減少停電時間。

通過采用嵌入式系統作為智能開關柜的核心控制設備，開關柜中的各種類型傳感器可采集不同種類的數據，具有保護電力系統、監視系統運行與控制、采集數據以及收發信息等諸多功能，在硬件條件有限的制約因素下，依然能夠實現多種功能[2]。結合繼電保護的特別需求與監控的實際情況，系統將監控裝置與保護裝置分開裝配，智能控制單元的說明如表1所示[3-4]。開關柜的智能化可以通過智能控制裝置與保護裝置的同時運行來實現。目前國內缺乏統一的行業標準，待相關國家標準推行后，智能控制系統與保護裝置便可實現合并，統一控制。

1.1 饋線斷路器開關柜

以典型的饋線斷路器開關柜為例，其主要配置智能型保護、控制及監測單元，具有自檢、自控、自我診斷、自我恢復、數字顯示以及高壓開關顯示等功能。系統的控制核心由繼電保護裝置和智能控制裝置兩部分組成，包含遠程控制和本地控制，可與開關柜內的智能電子設備（如故障檢測元器件和測量元器件）通過Rs485網絡與項目監控中心連接，構成主要網絡。由項目監控中心協調彼此間的工作，并傳輸控制指令。同時，手動控制裝置上的控制按鈕也能夠實現對相應設備的控制。系統結構如圖1所示。

1.2 10 kV智能開關柜的結構設計

（1）新型10 kV智能開關柜主要由核心單元、低壓室、電纜室、母線室、電纜測試模塊以及泄壓模塊組成，其中電纜測試模塊和泄壓模塊皆需選配，核心單元包括操作機構、氣箱、傳感器（如CT等）、真空滅弧室以及傳動系統等[5]。智能開關柜配備不同的操作機構，第一種操作機構用于負荷開關，不具備快速分合閘能力，但可配電動操作；第二種操作機構主要用于變壓器，保護用斷路器，具備快速分閘能力，可在不具備輔助電源的環境下輕松解決相間或接地故障；第三種操作機構主要用于線路，保護用重載斷路器，具備自動重合閘功能。

表1 智能控制單元功能說明

圖1 系統結構

（2）在智能開關柜的主母線設計過程中，對主母線額定電流的控制極為重要，不僅要設定好主母線的額定電流值，還要提前確定主母線的規格參數。無論客戶對主母線的設計做出何種要求，均需認真對待主母線的設計，特別是主母線的額定電流值或具體規格[6-8]。此外，進線柜、聯絡柜和分段柜使用的分支母線需要與主母線規格一致，只能在特殊情況下對更改規格，且更改仍要以滿足額定電流要求為原則。

（3）在高壓真空斷路器設計方面，通常，智能開關柜的斷路器只起到接通或斷開回路中負荷電流的作用，而當故障發生后，斷路器需要同繼保裝置協調配合，迅速切斷故障電流，防止事故危害擴大，保障電力可靠安全。

（4）柜體除觀察窗外皆選用金屬材料，主要采用覆鋁鋅鋼板封閉相關隔室，并以噴涂的金屬鋼板為外殼，泄壓通道有清晰的標識，并明確方向。柜體外殼設置有隔熱與通風裝置，可保證系統在日常運行過程中工作溫度低于設備的最大允許溫度，實現設備的平穩運行。

（5）在智能柜的進線和出線位置安裝有檢測電纜側方電壓的設備，同時檢測設備可將結果實時輸出至帶電顯示器。主開關和接地刀之間為內置式機械聯鎖，只有主開關處于分閘位置時才允許操作接地開關，同時，只有接地開關處于分閘位置時才允許操作主開關，并通過撥片的形式實現。電纜室門與接地開關具備機械聯鎖功能，即當接地開關不在接地位置時，無法打開電纜室門。

1.3 10 kV智能開關柜的電氣設計

新型10 kV智能開關柜測控裝置具有智能化的計量、控制、保護及通信等功能。其二次接線工作也十分簡潔，只需要將電壓與電流信號、斷路器狀態位置信號以及出口控制信號等與開關柜內相應一次元件的端子進行連接即可。

智能化測控裝置通過采集電壓與電流信號、斷路器狀態信號以及接地故障狀態，可自主完成數據處理，同時實現控制、保護與顯示功能，并經過通信接口實時上傳有關信息。與電氣設計相比，智能化測控裝置在開關柜中的應用不僅功能更多，且精度更高，簡潔高效。

2 10 kV新型智能開關柜技術特點

（1）實現故障就地隔離，從根本上縮小停電市場及停電范圍，加強供電穩定性，為社會創造高效收益。

（2）節省維護成本，新型10 kV智能開關柜具備斷路器功能，配備繼電保護設備，不存在通過熔斷器一負荷開關組合電器保護用戶變壓設施的情況，無需前往現場換置熔絲，從根本上縮減費用。

（3）滿足配網自動化及未來智能電網的基本需要，降低重復性費用，達到用戶故障無需出門需求，節能環保，實現智能化。

（4）前瞻性研究，10 kV新型智能開關柜整體設計依附于智能、環保、緊湊型以及匹配于智能電網的需求，需要滿足未來智能電網發展的基本需要，從根源消除重復性費用。斷路設備設計方案內容主要包括額定動熱制衡、短路閉合及開斷能力以及故障及時處理與隔離，是構建智能電網及配網自動化的設備基礎。

（5）新型10 kV智能開關柜可縮短停電時長，進而縮減資金損失，且無SF6溫室氣體存在，未使用熔斷設備，熔斷器沒有長時間的功率損耗，同時不產生大量的ER固體廢棄物，超過90%的部件均能夠被再利用。

（6）新型10 kV智能開關柜具有模塊化、結構緊湊、免維護與可抵御惡劣運行環境等優點。

3 10 kV智能化開關柜的應用

3.1 用于10 kV配電開閉所中

若開閉所內部發生故障時，智能開關柜能夠迅速切斷進線開關，而當開閉所的下游產生故障時，本級開關柜通過與上級智能開關柜協調配合，選擇性切斷出線開關，最大限度減小開閉所故障對整個配電網的危害[9]。

3.2 用于10 kV用戶箱式變電站

當箱式變電站內部發生故障時(包含單相接地情況)，智能開關柜可迅速斷開進線開關，而在多個箱式變電站相互聯通[10-12]，其中一個箱式變電站產生故障情況下，可以通過本級智能開關柜與上級智能開關柜的互相結合，選擇性斷開出線開關，保證下游箱式變電站的故障不會影響到上級配電網的正常工作，將因電力故障導致停電的范圍縮小至故障發生點以下區域，不會影響上游區域的電力供應。

3.3 用于10 kV用戶配電所

當用戶配電所內部出現故障時，智能開關柜能夠實現對進線開關的快速切斷，而當配電所的下游有故障發生時（包含單相接地故障），智能開關柜可以選擇性切斷出線開關，有利于及時保護配電網的安全運行，同時避免用戶側故障造成的危害波及正常區域。

4 結 論

保證電力生產的安全異常重要，及時的預防正是其中的關鍵環節。10 kV高壓開關柜是電力系統中重要的成套設備，保障其保持高效狀態運行，能夠對供配電網的供電質量產生直接顯著的影響。開關柜的設計工作需要有新技術的不斷加入，在實踐中也要多多利用新的技術和材料。開關柜設計人員應多總結經驗，科學運用設計手段，提升產品的結構設計與制造水平，提高開關柜的運行效率和經濟效益，不斷制造出性能優質的高壓開關柜。