文/姚崢

0 簡(jiǎn)介

輸配電網(wǎng)絡(luò)用戶注重穩(wěn)定性，所以中壓和高壓開關(guān)設(shè)備的預(yù)期使用壽命通常達(dá)30多年，這也迎合了用戶相對(duì)保守的觀念。如果用戶的使用習(xí)慣沒有發(fā)生改變，那么更長(zhǎng)的操作壽命很可能更容易實(shí)現(xiàn)。然而，事實(shí)上每隔20～30年就會(huì)出現(xiàn)一次開關(guān)設(shè)備技術(shù)的重大革新。

近年來，智能電網(wǎng)的發(fā)展對(duì)相關(guān)設(shè)備提出了很多新要求。比如，用戶需要使用壽命更長(zhǎng)、能在任何環(huán)境下使用的免維護(hù)斷路器。隨著配電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，用戶需要通過遠(yuǎn)程控制、一體化智能設(shè)備和在配電網(wǎng)中配備更多測(cè)量點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)更高的靈活性和自動(dòng)化水平。從經(jīng)濟(jì)角度來看，用戶越來越看重包括設(shè)計(jì)、建造、安裝、維護(hù)和回收等在內(nèi)的全壽命周期運(yùn)維成本，而不是單單考慮采購成本。針對(duì)以上這些趨勢(shì)和用戶新的需求，設(shè)計(jì)新一代中壓開關(guān)設(shè)備時(shí)，必須考慮這些因素。

1 中壓開關(guān)設(shè)備技術(shù)的發(fā)展歷史

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在很多應(yīng)用中，固定式設(shè)備慢慢取代了抽出式設(shè)備。隨著中壓開關(guān)設(shè)備技術(shù)的不斷革新，開關(guān)的架構(gòu)方案也不斷地受到挑戰(zhàn)?？諝夂陀烷_斷技術(shù)逐步被SF6和真空開斷技術(shù)所取代。保護(hù)繼電器從機(jī)械或電子式演變?yōu)閿?shù)字式。電流和電壓互感器日益適應(yīng)于新型繼電器設(shè)計(jì)和開關(guān)架構(gòu)的創(chuàng)新。

2 斷路器的技術(shù)革新

斷路器最初以空氣作為開斷的介質(zhì)，利用了電弧在空氣中的自然擴(kuò)散來達(dá)到滅弧的目的，因此斷路器體積較大。由于此類斷路器需要頻繁的維護(hù)和維修，所以它們被設(shè)計(jì)成可抽出式的。為了減少占地面積，人們后來開發(fā)了油斷路器。但是油斷路器仍然需要頻繁的維護(hù)和維修，因?yàn)榻^緣油在幾次操作后被電弧碳化而需要更換。此外，油斷路器容易在發(fā)生故障時(shí)因油起火而導(dǎo)致致命事故，給操作員和公眾帶來安全威脅。

圖1 帶電簡(jiǎn)易滅弧功能的抽出式油斷路器

在上世紀(jì)六十年代晚期，人們發(fā)明了SF6和真空斷路器。SF6和真空技術(shù)的應(yīng)用使得斷路器結(jié)構(gòu)非常緊湊。它們更安全、大大降低了火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。從故障電流開斷和正常載荷開斷性能角度看，此類斷路器具有更高的穩(wěn)定性和電氣壽命。因此，預(yù)防性和糾正性的維護(hù)措施變得越來越?jīng)]有必要，目前，這種先進(jìn)的斷路器被稱之為“免維護(hù)”。

圖2 抽出式真空和SF6斷路器

3 中壓開關(guān)架構(gòu)方案的發(fā)展歷史

1930～1950年間，絕大多數(shù)中壓開關(guān)設(shè)備均采用空氣絕緣并安裝于墻上。此類開關(guān)設(shè)備只利用簡(jiǎn)單的防護(hù)網(wǎng)來避免人員接觸帶電部件。

圖3 安裝于墻上的空氣絕緣開關(guān)

隨著人們更加注重安全性，舊式開關(guān)設(shè)備逐步被金屬封閉空氣絕緣開關(guān)設(shè)備(AIS)所代替，開斷技術(shù)也經(jīng)歷了從空氣或油到SF6和真空的演變。

抽出式斷路器架構(gòu)是最早出現(xiàn)的，至今仍然在一些配電應(yīng)用中使用［1］。這種隔離方式是可視化的，抽出斷路器手機(jī)，斷路器即可被隔離。將接地手車或?qū)ｉT的接地開關(guān)直接打到電纜連接端子，便可使開關(guān)內(nèi)部部件或電纜可靠接地。斷路器維護(hù)非常簡(jiǎn)單，這對(duì)于舊式斷路器來說也是必要的。

但是，有些問題仍然不容忽視。遠(yuǎn)程操控?cái)嗦菲鲗?shí)際并不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)閿嗦菲魇周囆枰獡u出，而母線接地需要搖進(jìn)接地手車，接地手車非常重，不方便操作。測(cè)試電纜時(shí)，需要直接搭接電纜，并開啟電纜室門。另外，設(shè)備需要安裝在潔凈的環(huán)境中，因?yàn)锳IS設(shè)備對(duì)于環(huán)境狀況較為敏感。自上世紀(jì)九十年代起，固定式斷路器的應(yīng)用越來越廣泛。最近，還出現(xiàn)了配固定式斷路器的金屬封閉開關(guān)設(shè)備，其中絕緣部件由環(huán)氧樹脂或其他類型樹脂制成。這些開關(guān)通常被稱之為固體絕緣開關(guān)(SIS)。但是，若沒有被正確地安裝在受控的環(huán)境中，AIS和SIS開斷都將極大地受到環(huán)境狀況 (灰塵、濕度等)的影響。在這種狀況下，上世紀(jì)九十年，人們又發(fā)明了帶充SF6的密封箱體的金屬封閉氣體絕緣開關(guān)(GIS)。

圖4 典型的抽出式空氣絕緣開關(guān)和它的單線圖

圖5 典型的固定式GIS開關(guān)和它的單線圖

需要特別注意的一點(diǎn)是，由于開關(guān)架構(gòu)采用了五工位模式，并具有上游三工位隔離/接地開關(guān)和下游二工位斷路器，所以操作方式并不是很直觀。尤其是電纜接地必須通過閉合斷路器來實(shí)現(xiàn)，為確保操作員安全，操作時(shí)，斷路器必須處于閉合狀態(tài)。

對(duì)于二次配電來說，由于開關(guān)設(shè)備的需求量比較大，因而是否簡(jiǎn)單、對(duì)惡劣運(yùn)行條件的適應(yīng)性以及成本效益就成為了評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。環(huán)網(wǎng)柜 (RMU)配置產(chǎn)生于上世紀(jì)五十年代。環(huán)網(wǎng)柜從帶熔斷器的油斷路器演變成為SF6環(huán)網(wǎng)柜，后者具有更多的斷路器方案保護(hù)中壓/低壓變壓器。得益于三工位一體的開關(guān)架構(gòu)，工作人員僅通過一個(gè)簡(jiǎn)單的操作便能實(shí)現(xiàn)隔離，這是一種三工位方案 (接通、分閘并隔離、接地)。直觀的單線圖讓本地和遠(yuǎn)程操作更簡(jiǎn)單，電纜接地更加直接，接地線距離電纜連接器更近，不同位置間的聯(lián)鎖可靠性更高。使用電纜測(cè)試設(shè)備非常容易，這樣操作人員無需打開電纜室門或接觸電纜就能直接操作電纜測(cè)試。

圖6 帶斷路器的SF6環(huán)網(wǎng)柜和它的單線圖

當(dāng)需要具備四五種以上功能單元的更大尺寸的開關(guān)設(shè)備或需要可擴(kuò)展的開關(guān)設(shè)備時(shí)，能滿足靈活性和緊湊性的環(huán)網(wǎng)柜解決方案的優(yōu)點(diǎn)就有其局限性了。

4 保護(hù)繼電器和傳感器的發(fā)展歷史

保護(hù)繼電器從機(jī)電式發(fā)展為電子式，后來又進(jìn)一步發(fā)展為數(shù)字式。對(duì)于現(xiàn)代化的數(shù)字式繼電器來說，傳感器信號(hào)功耗非常低，于是人們就開發(fā)了一種新型電流傳感器——低功耗電流互感器(LPCT)。此類互感器可產(chǎn)生代表主回路電流的電壓信號(hào)。相比于額定二次電流為5安培或1安培的傳統(tǒng)型電流互感器，這種新式互感器具有尺寸小、靈活性高的優(yōu)勢(shì)。

5 中壓開關(guān)設(shè)備未來的挑戰(zhàn)

電網(wǎng)用戶對(duì)中壓開關(guān)設(shè)備的興趣日益增大。有關(guān)機(jī)構(gòu)實(shí)施了一次大規(guī)模的全球市場(chǎng)調(diào)研活動(dòng)，此次調(diào)研不僅確定了當(dāng)前需求，同時(shí)也預(yù)測(cè)了未來趨勢(shì)，尤其是增長(zhǎng)速度快、潛力巨大的國家的市場(chǎng)趨勢(shì)。電網(wǎng)用戶對(duì)于電網(wǎng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、簡(jiǎn)單性日益重視。可應(yīng)用于各類環(huán)境、使用壽命更長(zhǎng)、免維護(hù)的斷路器越來越受歡迎。電網(wǎng)用戶更加注重包括設(shè)計(jì)、采購、施工、安裝、維護(hù)、壽終、回收處理等成本在內(nèi)的全壽命周期運(yùn)維成本。

6 智能電網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

智能電網(wǎng)具有兩個(gè)重要目標(biāo):一個(gè)是優(yōu)化能量供求關(guān)系，另一個(gè)是管理更多分布式可回收能量。由于網(wǎng)絡(luò)管理發(fā)生了變化，集中式能量生成模式對(duì)應(yīng)的單向能量流演變?yōu)榉植际侥芰可赡Ｊ綄?duì)應(yīng)的雙向能量流，這就帶來了較大的技術(shù)挑戰(zhàn)。其中一個(gè)亟待解決的問題便是:中壓開關(guān)設(shè)備是否能應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)？從當(dāng)前電網(wǎng)和一些試點(diǎn)項(xiàng)目來看，我們可以利用開關(guān)設(shè)備的一些特征來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

智能電網(wǎng)將包含更多斷路器來增加電能可用性［2］。遙控功能將成為智能電網(wǎng)的一項(xiàng)必備要求。這樣一來，開關(guān)設(shè)備將包含結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化的一體式智能設(shè)備。低功耗電流互感器 (LPCT)和低功耗電壓互感器 (LPVT)對(duì)于進(jìn)一步開發(fā)電能管理技術(shù)意義重大。測(cè)量設(shè)備必須結(jié)構(gòu)更加緊湊、性能更加可靠、成本更加經(jīng)濟(jì)。

為了這些不同應(yīng)用的需求，模塊化和高靈活性對(duì)于智能電網(wǎng)來說是不可或缺的。

7 通過技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)的新一代中壓開關(guān)設(shè)備

為了滿足所有的這些需求，一個(gè)可以滿足很多不同應(yīng)用的優(yōu)化解決方案應(yīng)運(yùn)而生，其得益于開關(guān)技術(shù)的突破，同時(shí)也受益于三工位一體的開關(guān)架構(gòu)和屏蔽式固體絕緣系統(tǒng) (2SIS)。

8 新型三工一體架構(gòu)

如今，雖然技術(shù)沒有發(fā)生重大變化，但是人們?nèi)找鎯A向于在中壓二次配電中使用真空斷路器。最近的技術(shù)進(jìn)步帶來了一種新型架構(gòu)，它一方面保留了氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的三工位方案的顯著優(yōu)點(diǎn)，另一方面使用了真空開斷技術(shù)。

此架構(gòu)包括一個(gè)上游帶隔離功能的真空負(fù)荷開關(guān)或真空斷路器，以及一個(gè)下游接地開關(guān)，后者可在電纜和母線間實(shí)現(xiàn)雙斷口隔離。三工位包括閉合、分閘并隔離、接地，再加上直觀的狀態(tài)指示是操作開關(guān)設(shè)備的最簡(jiǎn)單、最安全的模式。

相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，操作員僅需一個(gè)簡(jiǎn)單操作便能完成分閘并隔離，創(chuàng)新型真空滅弧室具有比傳統(tǒng)真空斷路器更大的真空開距和更耐電弧燒蝕的觸頭。下游電纜接地開關(guān)位于充滿干燥空氣的終身密閉箱體中，具備很強(qiáng)的短路關(guān)合和容性電流開斷能力。

圖7 新三工位方案圖和含真空隔離斷路器的典型設(shè)備

直觀的狀態(tài)指示讓操作非常簡(jiǎn)單。安全的內(nèi)置式聯(lián)鎖裝置，且采取主動(dòng)撥動(dòng)方式解鎖。專業(yè)電纜測(cè)試設(shè)備和前面板符合最新修訂的IEC 62271-200版本［3］——“開關(guān)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中定義的中壓開關(guān)設(shè)備電纜測(cè)試功能最新規(guī)范”，這更好地保護(hù)了操作員的安全。

圖8 專業(yè)電纜測(cè)試設(shè)備

在實(shí)施電纜測(cè)試之前，打開帶隔離功能的負(fù)荷開關(guān)或斷路器并合上接地開關(guān)，使得電纜和母線之間的絕緣得到雙斷口的保障。完全互鎖的、安全的接地聯(lián)接處于可打開狀態(tài)，打開接地聯(lián)接即能直接搭接電纜導(dǎo)體。測(cè)試期間，無需打開電纜室，無需松開電纜聯(lián)接頭，無需操作接地開關(guān)。這種推薦的測(cè)試方式可最大限度地確保測(cè)試操作員的安全，并避免對(duì)主回路或電纜連接部件造成損壞。

9 屏蔽式固體絕緣系統(tǒng)（2SIS）

為了匹配氣體絕緣開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，新的架構(gòu)應(yīng)當(dāng)對(duì)于惡劣環(huán)境具有較低敏感性，無需維護(hù)。這可以通過適用于整條中壓線路的創(chuàng)新型屏蔽式固體絕緣系統(tǒng)(2SIS)來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)采用了一些人們熟知的技術(shù)和材料(樹脂和其他橡膠如EPDM)。母線、真空滅弧室和接地開關(guān)殼體由固體絕緣材料制成，其上面包覆了一層與大地導(dǎo)通的導(dǎo)電層。若要把所有電場(chǎng)限制在固體絕緣材料里，那么根據(jù) IEC 62271-201 規(guī)范，所有表面必須具有地電勢(shì)，確保防護(hù)級(jí)別能達(dá)到PA等級(jí)(操作人員偶爾會(huì)接觸到)［4］。專利型扁平聯(lián)接可確保屏蔽層的接地連續(xù)性，不僅保證了安裝的簡(jiǎn)單性、模塊化和靈活性高的優(yōu)點(diǎn)，而且還使得其尺寸緊湊、安全。

圖9 所有高壓帶電部件都固體絕緣并屏蔽絕系統(tǒng)

2SIS系統(tǒng)降低了內(nèi)部電弧風(fēng)險(xiǎn)，提高了操作安全性，降低了開關(guān)設(shè)備對(duì)惡劣環(huán)境的敏感性，不僅延長(zhǎng)了使用壽命，還大大降低了維護(hù)的成本，即大大降低了全壽命周期運(yùn)維成本。2SIS 系統(tǒng)適用于任何開關(guān)功能，比如負(fù)荷開關(guān)功能、斷路器功能、緊湊型計(jì)量功能、電流和電壓互感器等。

10 智能電網(wǎng)

相比于氣體絕緣開關(guān)，支持2SIS技術(shù)和最新三工位一體架構(gòu)的新一代開關(guān)設(shè)備具有更好的模塊化優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槠湔麄€(gè)架構(gòu)均基于單個(gè)單元。新型開關(guān)設(shè)備集成了最新的控制、監(jiān)控設(shè)備和數(shù)字保護(hù)繼電器，并可以使用低功耗電流互感器 (LPCT)和低功耗電壓互感器 (LPVT)，因此，這種先進(jìn)的管理解決方案使用更容易。為了能以更加靈活的方式來監(jiān)控和控制必要的功能，模塊化開關(guān)設(shè)備可將各種嵌入式智能電子設(shè)備連接到一起，從而擴(kuò)展為規(guī)模更大的架構(gòu)。

11 結(jié)論

中壓開關(guān)設(shè)備的技術(shù)革新帶來了更多機(jī)會(huì)，給人們帶來了更多中壓開關(guān)設(shè)備新的選擇標(biāo)準(zhǔn)，比如靈活性、對(duì)惡劣環(huán)境的耐受性、緊湊性、遙控系統(tǒng)優(yōu)化程度等。

我們相信，具有三工位一體架構(gòu)和真空滅弧室的2SIS將會(huì)很好地適應(yīng)智能網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展需求。靈活性更高的模塊化結(jié)構(gòu)能夠滿足中壓二次配電網(wǎng)和中壓用戶配電室中眾多應(yīng)用的需求。它也對(duì)使用傳統(tǒng)型抽出式設(shè)備的應(yīng)用有較大的沖擊。從這個(gè)角度講，這種架構(gòu)令傳統(tǒng)型中壓一次和中壓二次設(shè)備的界限日益模糊。

由于技術(shù)創(chuàng)新令設(shè)備更加緊湊、模塊化程度更高，新一代開關(guān)設(shè)備在中壓開關(guān)設(shè)備使用習(xí)慣和技術(shù)規(guī)范方面帶來了重大突破。

參考資料

[1]G.Moesch, JM.Biasse, Y.Li, M.Adams,2010: “中壓輔助開關(guān)設(shè)備固定式隔離斷路器技術(shù)時(shí)代的來臨:最新主電路功能技術(shù)進(jìn)步令操作更簡(jiǎn)單和安全”,CICED 2010年學(xué)報(bào) FP0115號(hào)論文.

[2]P.Deschamps, P.Alibert, JM.Biasse,2011:“通過在配電網(wǎng)內(nèi)引入斷路器的方式來減少停電次數(shù)是夢(mèng)想還是現(xiàn)實(shí)呢？”CICED 2010 年學(xué)報(bào) 0768號(hào)論文.

[3]IEC 62271-200 Ed2.02011 -10, AC額定電壓在1kV至52KV之間的AC金屬封閉式開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備.

[4]IEC 62271-201第一版2006-06, 額定電壓在1kV至52KV之間的AC金屬封閉式開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備.