淺談中壓配電柜小型化

Discuss The Miniaturization Of Medium Voltage Switchgear

作者Writer：

王暉(Wang Hui)、彭建光(Peng Jian Guang)  朱雪濤（Zhu XueTao）  

上海捷靈電力工程有限公司

思吾寧電氣（上海）有限公司(Siwuning Electric(Shanghai) Co.Ltd)

摘要：本文介紹了現在城市配電的特點和中壓配電的重要性，通過中壓柜的分類，各自的特點、優(yōu)勢和缺點的介紹，列出了典型產品的數據并作了比較分析，也進一步加強理解了政策的導向和市場需求，低碳，環(huán)保和小型化。

關鍵詞：中壓開關柜；真空斷路器、空氣絕緣柜、氣體絕緣柜、固體絕緣柜、溫室效應、六氟化硫、環(huán)氧樹脂、硅橡膠、易維護、監(jiān)測、自愈性、低碳、環(huán)保、小型化。

Abstract:  Introduced features of city electric power disribution and importance of Medium Voltage power disribution, classify Medium Voltage Switchgear (MV), discuss the advangtages and shortcoming of the different MV Switchgears , deeply understand country policy & market demands on electric power disribution : energy-saving and emission-reduction, friendly enviroment, miniaturization.

Key Words: MV Switchgear,Vacuum Breaker,Air insulated Switchgear, GIS(Gas Insulated Switchgear), SIS(Solid Insulated Switchgear), Warm Enviroment, SF6,  epoxy resin，silicon Rubber，easy maintenance,monitor, self recover, low-carbon, environmental protection, Miniaturization.

          正文：

     隨著經濟的發(fā)展和城市的建設，城市土地資源越來越稀缺，然而城市的一些地區(qū)用電需求卻越來越大。近些年電網也在通過不斷的優(yōu)化和改造，滿足不斷變化的電力需求。據統(tǒng)計，2010年上海、北京、廣州繁華地區(qū)的供電密度達到30~80MW/km²；與此同時，城市美觀和供電可靠性，以及環(huán)境保護的要求也在不斷提高。根據的配電網規(guī)劃，到2020年要建成安全可靠、經濟、靈活先進、綠色低碳、環(huán)境友好的智能配電網；城市電網統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準、科技創(chuàng)新、清潔發(fā)展、優(yōu)化布局；要盡可能采用少（免）維護、節(jié)能環(huán)保，具備有擴展功能的成熟設備。

目前國內城網配電一般分4個層次；大城市220KV或110KV；中小城市110KV或66KV；城市內中壓配電一般是35~10KV；低壓配電380/220V，其中全國城市的用電接近全國用電2/3；根據《全國供用電規(guī)程》，送電超過160KVA，用電超過250KW或160~250KVA，需采用6KV供電；送電超過315KVA以上，需采用10KV供電。有關資料顯示，380V提高到10KV供電，可減少線路損耗60%，減少用銅量及總投資52%，經濟效益可觀。 城市電網的建設和改造，這涉及增加或改造增容大量的中壓（主要是10KV級別）配電設備；公用配電站，小容量、密布點^（5）、短半徑，環(huán)境友好、小型化是城市供電改造和城市進一步發(fā)展提出的新要求、新目標。在城市中心城區(qū)，一般情況是配電房面積大小很難再變化，但原有的設備需要更換，變配電站需要升級改造，供電容量也還要增加，往往采用小型化配電設備就是設計的比較好的選擇。

目前市場上中壓配電柜類型不少，主要是35KV,20KV和10KV的產品，如果按柜內絕緣介質的方式分類，大約可分三大類：常規(guī)空氣絕緣開關柜 Air Insulated Switchgear (以下簡稱通用型柜，或AIS柜)；氣體絕緣開關柜Gas Insulated Switchgear(以下簡稱氣體柜或GIS)；固體絕緣開關柜，Solid  Insulated Switchgear (以下簡稱固體柜或SIS柜)。

空氣式絕緣開關柜：

一般大多是常規(guī)的通用性配電柜，柜內元件導電體之間靠常壓下空氣絕緣，空氣中絕緣距離見表1，特點是，中高電壓產品絕緣距離特別大，所以一般通用性產品外形尺寸也比較大，尤其35KV產品。此類柜子的優(yōu)點是：經濟，通用性好，產品有良好的自愈性，可靠性高，維護簡單，運行成本低。此類產品產品規(guī)格齊全，可配套元器件多，通用性、擴展性好，生產廠家多，工藝成熟，市場價格穩(wěn)定，是市場的主流產品。目前國內通用的產品型號主要有KYN61-40.5(35KV)、KYN28(A)-12（10KV）、XGN17-35(35KV)、XGN2-12（10KV）等。缺點是尺寸普遍比價大，占地方。

表1. 空氣絕緣距離，根據GB50060-2008（海拔2000M以下）

表2 國內城市常見通用性空氣絕緣（中置式）中壓柜外型尺寸（真空斷路器柜）

備注說明：

1. 通用性35KV柜，正常柜寬1400mm;  1200柜寬，一般采用局部復合絕緣。

2. 通用性10KV柜，正常柜寬800mm；寬度600~650mm一般采用局部復合絕緣。

氣體柜：

即中壓氣體絕緣金屬封閉開關設備，GIS，俗稱充氣柜, 就是將電氣元件，如母線、斷路器、隔離開關、互感器、電力電纜封閉在有一定壓力氣體（SF6氣體一般是0.02~0.05Mpa）的殼體內，如SF6、N2、SF6/N2混合氣體或者干空氣體，依靠柜內充滿的密封狀態(tài)的和有一定壓力的絕緣氣體，可大大較少裸露元器件之間的距離，縮小柜子的體積。因為SF6是溫室效應的元兇之一，第二代產品由于需要在現場充氣，在上世紀90年代已經受到環(huán)保部門的限制。（氣體絕緣柜的發(fā)源地-歐盟簽署了聯合國發(fā)起的限制溫室效應氣體排放的《聯合國氣候變化框架公約》的補充條款——《京都議定書》）。目前氣體柜已經發(fā)展到第三代產品，即中壓C-GIS三相共箱式氣體絕緣現場不充氣開關柜產品（SF6），這些柜子特點大多是SF6氣體絕緣，一次導電部分單機封閉，激光氣密焊接，耦合無接觸壓力測量顯示，三工位開關，母線和饋線隔離開關，通過內部長絕緣波紋管操作。采用固定的真空斷路器，不銹鋼板密封應答式防誤操作聯鎖機構，固體絕緣圓形銅母線，外部套半導體導電層的硅橡膠屏蔽，確保電場均勻。三工位開關（或可加限流熔斷器）。通過內部長絕緣波紋管操作。SF6充氣柜大大縮小了柜體的外形尺寸，不僅僅適合凝露、污穢等場所使用，更主要原因有利于變電站小型化，節(jié)約土地資源。

中壓充氣柜目前產品有10KV（即12KV）、20KV(即24KV)、35KV(即40.5KV)，35KV充氣柜能體現SF6充氣柜體積小的優(yōu)勢，節(jié)約空間。現在的SF6氣體柜產品由于采用先進的生產工藝，漏氣非常小，不用加氣，能保證20~30年的正常使用。關于其他氣體柜，比如氮氣，由于氮氣的絕緣性能遠不如SF6, 40.5KV氣體柜，N需和SF6混合使用，產品體積比較大，在實際使用維護中隨時要監(jiān)控，因為氮氣比空氣輕，需要有比較大的壓力才能保持比較高的絕緣，實際使用中容易滲透和泄漏，生產和運行都需要檢測和監(jiān)測。

氣體柜的缺點也很明顯，無論是在生產中還是在運輸和運行中，都有一個無法回避的問題------漏氣。SF6氣體常溫時是空氣質量的5倍，正常情況下配電間一般在底樓或在地下室，泄露的SF6氣體及其分解物不容易擴散，會積聚在低洼地帶，氣體泄漏會讓人窒息，對人產生傷害，所以在運行中需要隨時進行監(jiān)測，并配置報警裝置。SF6如果泄漏后柜內壓力到正常的40%，還會導致絕緣失效。低溫地區(qū)應用時，需要考慮溫度過低SF6氣體液化，溫差過大還要考慮箱子變形等問題。SF6 充氣柜于上世紀40 年代在工業(yè)發(fā)達地區(qū)開始應用，目前此類產品在工業(yè)發(fā)達的已被限制使用，其主要原因是SF6 氣體是全球溫室效應的六類主要氣體之一。我國已于1998 年加入了《京都協(xié)定》，預示著發(fā)展家亦將對SF6 氣體的使用進行相應限制。SF6 氣體一個分子對溫室效應的影響為CO₂ 氣體的25000 倍，同時，排放在大氣中的SF6 氣體壽命約為3400 年，排放在空氣中的SF6至少100年以上不會分解。SF6 氣體的回收難度大、成本高，企業(yè)往往直接排放到空氣中，直接造成對環(huán)境的污染，故不用或少用SF6 將是發(fā)展的趨勢。根據《聯合國氣候變化框架公約的京都議定書》，為了促進各國完成溫室氣體減排目標，SF6被有條件限制使用，目前國內有的地方10KV級配電柜SF6產品已經被限制或禁止使用。

表3: 國內常見氣體開關柜（配真空斷路器）

固體絕緣柜:

用環(huán)氧樹脂和硅橡膠等絕緣材料把電氣元件固定在封閉在柜體內，依靠填充絕緣材料，縮小元件之間的距離，選用可靠性高、技術成熟、免維護的真空斷路器和真空開關作為主開關元件，目前主要用于配電終端的環(huán)網柜。^（13）此類產品優(yōu)點是不排放有毒有害氣體，無漏氣和內部燃弧，可不受環(huán)境影響，可用于污穢，高原等環(huán)境，而且免維護，應用前景不錯。目前，也正在制定相關的標準。

固體絕緣材料，例如環(huán)氧樹脂，硅橡膠等，應用于有電工領域有良好的粘接性、機械強度高、電氣絕緣性能優(yōu)良的特點，但對研發(fā)和生產的要求相當高，設計必須的尺寸和嚴謹的工藝，保證配合尺寸，保證互相連接后不會發(fā)生沿面閃絡。固體絕緣材料由于有老化的特性，其缺點也相當明顯，散熱差、材料易老化開裂、脆性大、抗開裂性能差，產品澆注后開裂、存放期開裂、低溫開裂，震動后開裂等等，另外一個重要的缺點是在制造、運輸和使用運行中絕緣材料需要承受各種應力，沖擊，容易開裂，加上由于電場分布不均，材料容易老化。加上有的廠家絕緣材料的產品質量還有隱患問題，生產中還有工藝的問題等，絕緣件開裂后，導致絕緣下降，達不到規(guī)定的安全標準，引起放電等問題，產生嚴重的安全隱患。目前固體柜的產品大多電流比較小，主要是用于終端環(huán)網柜，實際運行中，由于散熱差，為保障安全，需要對柜內進行溫度監(jiān)測。雖然環(huán)氧樹脂不會產生有毒有害氣體，但不易分解，對酸堿比較穩(wěn)定，很難批量處理，長期大量的使用環(huán)氧樹脂亦將對環(huán)境造成很大的壓力。

從目前投入運行的固體絕緣柜已經發(fā)生的故障和事故來看，大多是發(fā)熱、老化、開裂引起的，結構復雜的輸變電設備及部件應力集中問題顯著，容易開裂。除了發(fā)熱和老化開裂等固體絕緣柜先天存在的問題，還有傳統(tǒng)的由于設計和制造工藝引起的機械故障問題，比如材料耐磨性差，加工精度不高，熱處理不好，防腐差，設計不合理，恢復不到位等，產品號稱免維護，實際情況是，用戶對產品是無法維護的，出現故障只能整體更換，代價高昂。

一般的環(huán)網柜，屬于配電的終端產品，柜型簡單，容量小，功能有限，分斷能力不高，無論是空氣絕緣、氣體絕緣，或者固體絕緣方式，柜子體積均可以做的比較小，一般可以做到，寬375~500mm，深度900~1000mm左右，高度1800mm左右?？膳鋫淙蹟嗥鞅Ｗo、SF6開關或小容量真空斷路器或開關，一般用于800KVA及以下，所以這里也不做過多比較討論。

中壓開關柜小型化的方式目前市場上主要有幾種方式，除了采用氣體柜和固體柜以外，在傳統(tǒng)的空氣絕緣方式下局部采用復合絕緣方式，一般對裸露母線和金屬導電部分采用絕緣材料覆蓋，例如采用硅橡膠材料包裹金屬導體，可適當減少元器件之間的距離，相應減小柜子的寬度等外型尺寸；還有采用全新設計的小型化元器件，小型化真空斷路器、小型化隔離開關、小型化互感器等等。

以下表格對這幾大類開關柜做個簡單的比較。

表4: 目前國內小型化10KV中壓柜典型產品（真空斷路器柜, 采用復合絕緣技術）

表5: 目前國內小型化完全采用空氣絕緣技術的10KV中壓柜產品（真空斷路器柜）

表6；空氣絕緣柜，氣體絕緣柜，固體絕緣柜的特點比較

在《國網上海市電力公司非居民電力用戶業(yè)擴工程技術導則（2014版）》和《國網上海市電力公司新建住宅區(qū)供電配套工程技術導則（2014版）》規(guī)定，外環(huán)線以內優(yōu)先采用小型化站型方案，外環(huán)線以外優(yōu)先采用通用站型方案。對10KV中壓柜尺寸也做了以下規(guī)定，（寬x深x高）。

表7:

通過以上比較可以看出，35kv SF6氣體柜外型尺寸小型化優(yōu)勢比較明顯，電網公司也在推薦小型化的設計。但是，相比較現在的其他小型化產品，10KV級別氣體柜體積變化不明顯，外形尺寸和一般小型化空氣絕緣和復合絕緣中壓柜差距不大。目前市場上ABB公司Unigear550柜就是比較典型的代表，在大城市的建筑行業(yè)應用多年，產品也比較成熟，在市中心的大樓，等都有大量的運用。

這里尤其值得一提的是的上海法樂綺公司的產品,比氣體柜和固體柜小，完全采用空氣絕緣。ALSTOM的VISAX和上海法樂綺公司450柜這一類完全是空氣絕緣方式的小型化中壓開關柜，由于采用了全新的開關側裝設計技術，開關均是小型化縱向設計的產品，水平母線和開關觸頭呈前后縱向布置，充分利用柜內的空間，隔離開關真空斷路器等極柱以及水平母線聯接基本在一條直線上，母線聯接簡單，連接點少，節(jié)約空間，大大節(jié)約鋼板和銅材料。加上這一類產品，采用的真空斷路器產品機械壽命在三萬次以上，機構采用單渦結構，也可選用固封結構，可靠性大大于其他產品。可以說這一類產品目前已經是小型空氣型真空斷路器柜的，非常適合大量運用于城市配網和建筑電氣設計中，也完全符合電網安全技術措施的要求^（20），在10KV、25MVA以下的系統(tǒng)的城市建設中，可以完全替代氣體絕緣柜和一些大公司的小型復合絕緣柜，滿足經濟、節(jié)能、環(huán)保、靈活先進、智能化的城市供配電的理念。

低碳環(huán)保、環(huán)境友好是的可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略發(fā)展要求，電網安全運行也需要高安全性和可靠性，維護簡單、經濟、功能先進符合市場需求。在目前城市建設中，相對而言可靠性好，環(huán)境友好，維護簡單，安全可靠的小型化中壓柜，尤其是小型化空氣絕緣配電柜（例如450柜）相比氣體柜、固體柜和一般的復合絕緣柜更適合城市的發(fā)展的實際要求；經濟，低碳環(huán)保，功能先進。

（1） GB/T 50293-2014 《城市電力規(guī)劃規(guī)范》

（2） GB50613-2010《城市配電網規(guī)劃設計規(guī)范》

（3）Q/GDW 1738-2012  《配電網規(guī)劃設計技術導則》

（4）DL/T5729-2016：《配電網規(guī)劃設計技術導則》

（5）《城市中低壓配電網改造技術導則》

（6）《110KV及以下配電網規(guī)劃指導原則》

（7）GB50060-2008：《3~110KV高壓配電設備裝置設計規(guī)范》

（8）GB311.1-2012《高壓輸變電設備的絕緣配合》

（9）《新型高中壓開關設備選型及新技術手冊》  李建基 水利水電出版社 2010.2

（10）《高中壓開關設備實用技術》  李建基 機械工業(yè)出版社 2001.1

（11）《SF6氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）》 羅學堔 電力出版社 1999

（12）《SF6氣體及SF6氣體絕緣變電站的運行》 黎明、黃維樞 水利電力出版社1993

（13）GB3906-2006 《3.6kV～40.5kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》

（14）GB/T8905-2012：《六氟化硫電氣設備中氣體管理和檢測導則》

（15）《Unigear550 鎧裝式金屬封閉開關設備 產品說明書》

 廈門ABB電器控制有限公司、ABB有限公司

（16）《450小型化高壓開關柜 產品選型手冊》  

《思吾寧電氣（上海）有限公司》

（17）《施耐德電氣  中壓配電選型手冊》 2012 施耐德電氣

（18）真空開關電器及其成套裝置  熊泰昌  水利水電出版社  2015年7月

（19）Q/GDW 730-2012 《12KV固體絕緣環(huán)網柜技術條件》  電網

（20）《電網公司十八項電網重大反事故措施》（試行） 電網公司生技（2005）400號文