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  • 浅谈中压配电柜小型化
    日期:2017/10/25 | 浏览:1038次


    浅谈中压配电柜小型化

    Discuss The Miniaturization Of Medium Voltage Switchgear

    作者Writer

    王晖(Wang Hui)彭建光(Peng Jian Guang)  朱雪涛(Zhu XueTao)  

    上海捷灵电力工程有限公司

    法乐绮西甲赞助商ballbet贝博(上海)有限公司(Faleqi Electric (Shanghai) Co.Ltd.

    思吾宁西甲赞助商ballbet贝博(上海)有限公司(Siwuning Electric(Shanghai) Co.Ltd)

    摘要:本文介绍了现在城市配电的特点和中压配电的重要性,通过中压柜的分类,各自的特点、优势和缺点的介绍,列出了典型产品的数据并作了比较分析,也进一步加强理解了国家政策的导向和市场需求,低碳,环保和小型化。

    关键词:中压开关柜;真空断路器、空气绝缘柜、气体绝缘柜、固体绝缘柜、温室效应、六氟化硫、环氧树脂、硅橡胶、易维护、监测、自愈性、低碳、环保、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 resinsilicon Rubbereasy maintenance,monitor, self recover, low-carbon, environmental protection, Miniaturization.

              正文:

         随着经济的发展和城市的建设,城市土地资源越来越稀缺,然而城市的一些地区用电需求却越来越大。近些年国家电网也在通过不断的优化和改造,满足不断变化的电力需求。据统计,2010年上海、北京、广州繁华地区的供电密度达到30~80MW/km2;与此同时,城市美观和供电可靠性,以及环境保护的要求也在不断提高。根据最新的国家配电网规划,到2020年要全面建成安全可靠、经济高效、灵活先进、绿色低碳、环境友好的智能配电网;城市电网统一规划、统一标准、科技创新、清洁发展、优化布局;要尽可能采用少(免)维护、节能环保,具备有扩展功能的成熟设备。

    目前国内城网配电一般分4个层次;大城市220KV110KV;中小城市110KV66KV;城市内中压配电一般是35~10KV;低压配电380/220V,其中全国城市的用电接近全国用电2/3;根据《全国供用电规程》,送电超过160KVA,用电超过250KW160~250KVA,需采用6KV供电;送电超过315KVA以上,需采用10KV供电。有关资料显示,380V提高到10KV供电,可减少线路损耗60%,减少用铜量及总投资52%,经济效益可观。 城市电网的建设和改造,这涉及增加或改造增容大量的中压(主要是10KV级别)配电设备;公用配电站,小容量、密布点5、短半径,环境友好、小型化是城市供电改造和城市进一步发展提出的新要求、新目标。在城市中心城区,一般情况是配电房面积大小很难再变化,但原有的设备需要更换,变配电站需要升级改造,供电容量也还要增加,往往采用小型化配电设备就是设计的比较好的选择。

    目前市场上中压配电柜类型不少,主要是35KV,20KV10KV的产品,如果按柜内绝缘介质的方式分类,大约可分三大类:常规空气绝缘开关柜 Air Insulated Switchgear (以下简称通用型柜,或AIS);气体绝缘开关柜Gas Insulated Switchgear(以下简称气体柜或GIS);固体绝缘开关柜,Solid  Insulated Switchgear (以下简称固体柜或SIS)

    空气式绝缘开关柜

    一般大多是常规的通用性配电柜,柜内元件导电体之间靠常压下空气绝缘,空气中绝缘距离见表1,特点是,中高电压产品绝缘距离特别大,所以一般通用性产品外形尺寸也比较大,尤其35KV产品。此类柜子的优点是:经济,通用性好,产品有良好的自愈性,可靠性高,维护简单,运行成本低。此类产品产品规格齐全,可配套元器件多,通用性、扩展性好,生产厂家多,工艺成熟,市场价格稳定,是市场的主流产品。目前国内通用的产品型号主要有KYN61-40.5(35KV)KYN28(A)-1210KV)、XGN17-35(35KV)XGN2-1210KV)等。缺点是尺寸普遍比价大,占地方。

    1. 空气绝缘距离,根据GB50060-2008(海拔2000M以下

    额定电压等级(KV)

    35

    20

    10

    6

    空气绝缘距离(mm)

    300

    180

    125

    100

    2 国内城市常见通用性空气绝缘(中置式)中压柜外型尺寸(真空断路器柜)

    电压等级

    名称型号规格

    外形尺寸mm:宽xx

    35KV

    40.5KV

    国内KYN61(A)-40.51250A

    1400x2800x2600;1400x2600x2400

    1200x2600x2400(局部复合绝缘)

    Eaton公司XGN17C-40.5

    1918x2500x3100

    SiemensNXAIR-40.5

    1200x2650x2800

    10KV

    (12KV)

    国产KYN28A-12(GZS1-12)

    1250A:800x1500x2300(1000x1500x2300);

    650x1500x2300(局部复合绝缘)

    Siemens 8BK20-12;

    国产KYN18-12

    1250A :840x(1650~1800)x2200

    1600A: (900~1000)x(1650~1800)x2200

    4000A: 1100x2150x2350

    Siemens NXAIR-12

    800x1350x2300(1000x1350x2300);

    650x1350x2300(局部复合绝缘)

    Eaton公司 ET1

    800x1500x2300

    ABB Calor Emag公司 ZS-1

    1600A; 800x1350x2300(1000x1350x2300);

    1250A: 650x1350x2300(局部复合绝缘)

    备注说明:

    1. 通用性35KV柜,正常柜宽1400mm;  1200柜宽,一般采用局部复合绝缘。

    2. 通用性10KV柜,正常柜宽800mm;宽度600~650mm一般采用局部复合绝缘。

    气体柜:

    即中压气体绝缘金属封闭开关设备,GIS,俗称充气柜, 就是将西甲赞助商ballbet贝博元件,如母线、断路器、隔离开关、互感器、电力电缆封闭在有一定压力气体(SF6气体一般是0.02~0.05Mpa)的壳体内,如SF6N2SF6/N2混合气体或者干空气体,依靠柜内充满的密封状态的和有一定压力的绝缘气体,可大大较少裸露元器件之间的距离,缩小柜子的体积。因为SF6是温室效应的元凶之一,第二代产品由于需要在现场充气,在上世纪90年代已经受到环保部门的限制。(气体绝缘柜的发源地-欧盟签署了联合国发起的限制温室效应气体排放的《联合国气候变化框架公约》的补充条款——《京都议定书》)。目前气体柜已经发展到第三代产品,即中压C-GIS三相共箱式气体绝缘现场不充气开关柜产品(SF6),这些柜子特点大多是SF6气体绝缘,一次导电部分单机封闭,激光气密焊接,耦合无接触压力测量显示,三工位开关,母线和馈线隔离开关,通过内部长绝缘波纹管操作。采用固定的真空断路器,不锈钢板密封应答式防误操作联锁机构,固体绝缘圆形铜母线,外部套半导体导电层的硅橡胶屏蔽,确保电场均匀。三工位开关(或可加限流熔断器)。通过内部长绝缘波纹管操作。SF6充气柜大大缩小了柜体的外形尺寸,不仅仅适合凝露、污秽等场所使用,更主要原因有利于变电站小型化,节约土地资源。

    中压充气柜目前产品有10KV(即12KV)、20KV(24KV)35KV(40.5KV)35KV充气柜最能体现SF6充气柜体积小的优势,节约空间。现在的SF6气体柜产品由于采用先进的生产工艺,漏气非常小,不用加气,能保证20~30年的正常使用。关于其他气体柜,比如氮气,由于氮气的绝缘性能远不如SF6, 40.5KV气体柜,N需和SF6混合使用,产品体积比较大,在实际使用维护中随时要监控,因为氮气比空气轻,需要有比较大的压力才能保持比较高的绝缘,实际使用中容易渗透和泄漏,生产和运行都需要检测和监测。

    气体柜的缺点也很明显,无论是在生产中还是在运输和运行中,都有一个无法回避的问题------漏气。SF6气体常温时是空气质量的5倍,正常情况下配电间一般在底楼或在地下室,泄露的SF6气体及其分解物不容易扩散,会积聚在低洼地带,气体泄漏会让人窒息,对人产生伤害,所以在运行中需要随时进行监测,并配置报警装置。SF6如果泄漏后柜内压力到正常的40%,还会导致绝缘失效。低温地区应用时,需要考虑温度过低SF6气体液化,温差过大还要考虑箱子变形等问题。SF6 充气柜于上世纪40 年代在工业发达地区开始应用,目前此类产品在工业发达的国家已被限制使用,其主要原因是SF6 气体是全球温室效应的六类主要气体之一。我国已于1998 年加入了《京都协定》,预示着发展中国家亦将对SF6 气体的使用进行相应限制。SF6 气体一个分子对温室效应的影响为CO2 气体的25000 倍,同时,排放在大气中的SF6 气体寿命约为3400 年,排放在空气中的SF6至少100年以上不会分解。SF6 气体的回收难度大、成本高,企业往往直接排放到空气中,直接造成对环境的污染,故不用或少用SF6 将是发展的趋势。根据《联合国气候变化框架公约的京都议定书》为了促进各国完成温室气体减排目标SF6被有条件限制使用,目前国内有的地方10KV级配电柜SF6产品已经被限制或禁止使用。

    3: 国内常见气体开关柜(配真空断路器)

    名称型号

    外形尺寸mm

    xx

    备注

    SIMENS  8DA10单母线/8DB10双母线

    12~40.5KV ~2500A,4000A

    600X1625/2660X2350

    SF6气体绝缘

    SIMENS NXPLUS, 24kv,40.5kv, 2500A/31.5KA

    600x1600x2450

    SF6气体绝缘

    ABB公司 ZV2,ZX 35kv

    630A~1250A,20~31.5KA

    500x1050x2250

    500x1100x2250

    SF6气体绝缘

    西安森源开关技术研究所GZX -2~40.5KV, 630~1250A~2000A  25KA/31.5KA

    400x1045X2100,

    700x(1365+150)x2250

    SF6气体绝缘

    ABB ZX1-12~40.5KV

    1250A: 600x1760x2300

    2500A: 800x1760x2300

    SF6气体绝缘

    ABB ZX0-12KV, 630A~1250A/25KA

    400/600x850x2100/2250

    SF6气体绝缘

    ABB ZX0-24KV, 630A~1250A/25KA

    400/600x1000x2100/2250

    SF6气体绝缘

    SIMENS  NXPLUS C  7.2~24KV

    600x1100x2250

    SF6气体绝缘

    SIMENS  8DC11-12/24KV,1250A,25KA

    600x952x2250

    小型充气柜,SF6气体绝缘

    上海天灵开关厂 N2X-12/24KV

    12~24KV630~3150A,25~40KA,

    1250A: 500x1050x2250

    3150A: 800X1500X2410

    12KV采用N2(氮气), 24KV40.5KV采用N2/SF6混合气体为绝缘介质

    上海天灵开关厂 N2S-40.5KV;630A~2500A

    600x1300x2300

    Areva(AEG)公司 WSA,WSB 12~36KV,630A~2500A

    600x1200x2300/2800

    SF6气体绝缘

    东芝公司 GD-24/36KV,1250~2000A

    600x1200x2400

    SF6气体绝缘

    三菱公司 CX-24/36KV,630~2000A

    700x1650x2300

    SF6气体绝缘

     

    固体绝缘柜:

    用环氧树脂和硅橡胶等绝缘材料把西甲赞助商ballbet贝博元件固定在封闭在柜体内,依靠填充绝缘材料,缩小元件之间的距离,选用可靠性高、技术成熟、免维护的真空断路器和真空开关作为主开关元件,目前主要用于配电终端的环网柜。13此类产品优点是不排放有毒有害气体,无漏气和内部燃弧,可不受环境影响,可用于污秽,高原等环境,而且免维护,应用前景不错。目前,国家也正在制定相关的标准。

    固体绝缘材料,例如环氧树脂,硅橡胶等,应用于有电工领域有良好的粘接性、机械强度高、西甲赞助商ballbet贝博绝缘性能优良的特点,但对研发和生产的要求相当高,设计必须精确的尺寸和严谨的工艺,保证配合尺寸,保证互相连接后不会发生沿面闪络。固体绝缘材料由于有老化的特性,其缺点也相当明显,散热差、材料易老化开裂、脆性大、抗开裂性能差,产品浇注后开裂、存放期开裂、低温开裂,震动后开裂等等,另外一个重要的缺点是在制造、运输和使用运行中绝缘材料需要承受各种应力,冲击,容易开裂,加上由于电场分布不均,材料容易老化。加上有的厂家绝缘材料的产品质量还有隐患问题,生产中还有工艺的问题等,绝缘件开裂后,导致绝缘下降,达不到规定的安全标准,引起放电等问题,产生严重的安全隐患。目前固体柜的产品大多电流比较小,主要是用于终端环网柜,实际运行中,由于散热差,为保障安全,需要对柜内进行温度监测。虽然环氧树脂不会产生有毒有害气体,但不易分解,对酸碱比较稳定,很难批量处理,长期大量的使用环氧树脂亦将对环境造成很大的压力。

    从目前投入运行的固体绝缘柜已经发生的故障和事故来看,大多是发热、老化、开裂引起的,结构复杂的输变电设备及部件应力集中问题显著,容易开裂。除了发热和老化开裂等固体绝缘柜先天存在的问题,还有传统的由于设计和制造工艺引起的机械故障问题,比如材料耐磨性差,加工精度不高,热处理不好,防腐差,设计不合理,恢复不到位等,产品号称免维护,实际情况是,用户对产品是无法维护的,出现故障只能整体更换,代价高昂。

    一般的环网柜,属于配电的终端产品,柜型简单,容量小,功能有限,分断能力不高,无论是空气绝缘、气体绝缘,或者固体绝缘方式,柜子体积均可以做的比较小,一般可以做到,宽375~500mm,深度900~1000mm左右,高度1800mm左右。可配备熔断器保护、SF6开关或小容量真空断路器或开关,一般用于800KVA及以下,所以这里也不做过多比较讨论。

    中压开关柜小型化的方式目前市场上主要有几种方式,除了采用气体柜和固体柜以外,在传统的空气绝缘方式下局部采用复合绝缘方式,一般对裸露母线和金属导电部分采用绝缘材料覆盖,例如采用硅橡胶材料包裹金属导体,可适当减少元器件之间的距离,相应减小柜子的宽度等外型尺寸;还有采用全新设计的小型化元器件,小型化真空断路器、小型化隔离开关、小型化互感器等等。

    以下表格对这几大类开关柜做个简单的比较。

    4: 目前国内小型化10KV中压柜典型产品(真空断路器柜, 采用复合绝缘技术)

    名称

    型号

    外形尺寸mm:宽xx

    ABB公司

    10kv金属铠装中置开关柜

    Unigear550 10KV

    630~2000A/31.5KA

    550X1340(1390)X2200

    施耐德公司

    PIX-12,1250A/31.5KA

    500x1350x2200

    施耐德公司

    MVnex-12,1250A

    550X1400X2250

    SIMIENS

    NXAIR-12

    650X1350X2250

     

    5: 目前国内小型化完全采用空气绝缘技术的10KV中压柜产品(真空断路器柜)

    名称

    型号

    外形尺寸mm:宽xx

    ALSTOM

    VISAX -12,1250A/31.5KA

    600x1400x2200

    上海法乐绮公司:450系列10kv金属铠装中置开关柜

    630A~1600A/31.5KA:

    KYN450-12

    XGN450-12

    XGN450C-12

    手车式:475x1100x2200;

    固定式: 375x1000x2000;

    完全抽出式: 450x1000x2200.

     

    6;空气绝缘柜,气体绝缘柜,固体绝缘柜的特点比较

    比较项目

    空气绝缘柜

    SF6气体绝缘柜

    固体绝缘柜

    复合绝缘柜

    通用性

    柜子和元件通用性好。

    柜体和机构专门设计,操作特别,不通用。

    柜体专门设计,不通用

    由于固体柜散热差,一般大多只有630A产品,用于终端配电。

    元件等通用性不好

    环境友好

    生产、使用均会造成气体泄漏,SF6危害环境。

    不产生有害气体但需大量绝缘材料;以后回收困难。

    一般

    使用安全

    安全性好,产品使用寿命长可达20~30年以上。

    SF6有人身伤害危险,需随时监测

    一般,散热不好,防止过热需监测设备

    一般,硅橡胶等绝缘容老化,寿命不长。

    也不满足国家电网的安全措施

    易于维护

    维护简单,有自愈性。

    第三代产品20~30年免维护。运行需监测设备。

    免维护,即无法维护。

    故障时需整体更换。

    免维护也难维护

    市场价格

    低,比较经济

    体积

    通用性产品体积大;

    小型化产品体积小。

    中等

    在《国网上海市电力公司非居民电力用户业扩工程技术导则(2014版)》和《国网上海市电力公司新建住宅区供电配套工程技术导则(2014版)》规定,外环线以内优先采用小型化站型方案,外环线以外优先采用通用站型方案。对10KV中压柜尺寸也做了以下规定,(宽xx高)。

    7:

    名称型号

    外形尺寸mm:宽xx

    通用性空气绝缘开关柜

    800x1500x2200

    小型化空气绝缘开关柜

    550x1340x2200

    小型化气体绝缘开关柜

    500x1050x2250600x1100x2250

    通过以上比较可以看出,35kv SF6气体柜外型尺寸小型化优势比较明显,国家电网公司也在推荐小型化的设计。但是,相比较现在的其他小型化产品,10KV级别气体柜体积变化不明显,外形尺寸和一般小型化空气绝缘和复合绝缘中压柜差距不大。目前市场上ABB公司Unigear550柜就是比较典型的代表,在大城市的建筑行业应用多年,产品也比较成熟,在市中心的大楼,医院等都有大量的运用。

    这里尤其值得一提的是最新的上海法乐绮公司的产品,比气体柜和固体柜小,完全采用空气绝缘。ALSTOMVISAX上海法乐绮公司450柜这一类完全是空气绝缘方式的小型化中压开关柜,由于采用了全新的开关侧装设计技术,开关均是小型化纵向设计的产品,水平母线和开关触头呈前后纵向布置,充分利用柜内的空间,隔离开关真空断路器等极柱以及水平母线联接基本在一条直线上,母线联接简单,连接点少,节约空间,大大节约钢板和铜材料。加上这一类产品,采用的真空断路器产品机械寿命在三万次以上,机构采用单涡结构,也可选用固封结构,可靠性大大领先于其他产品。可以说这一类产品目前已经是小型空气型真空断路器柜的极致,非常适合大量运用于城市配网和建筑西甲赞助商ballbet贝博设计中,也完全符合国家电网安全技术措施的要求20,在10KV25MVA以下的系统的城市建设中,可以完全替代气体绝缘柜和一些国际大公司的小型复合绝缘柜,满足经济高效、节能、环保、灵活先进、智能化的城市供配电的理念。

    低碳环保、环境友好是国家的可持续发展的战略发展要求,电网安全运行也需要高安全性和可靠性,维护简单、经济高效、功能先进符合市场需求。在目前城市建设中,相对而言可靠性好,环境友好,维护简单,安全可靠的小型化中压柜,尤其是小型化空气绝缘配电柜(例如450柜)相比气体柜、固体柜和一般的复合绝缘柜更适合城市的发展的实际要求;高效经济,低碳环保,功能先进。

    (1) GB/T 50293-2014 《城市电力规划规范》

    (2) GB50613-2010《城市配电网规划设计规范》

    3Q/GDW 1738-2012  《配电网规划设计技术导则》

    4DL/T5729-2016:《配电网规划设计技术导则》

    5)《城市中低压配电网改造技术导则》

    6)《110KV及以下配电网规划指导原则》

    7GB50060-2008:《3~110KV高压配电设备装置设计规范》

    8GB311.1-2012《高压输变电设备的绝缘配合》

    9)《新型高中压开关设备选型及新技术手册》  李建基 中国水利水电出版社 2010.2

    10)《高中压开关设备实用技术》  李建基 机械工业出版社 2001.1

    11)《SF6气体绝缘全封闭组合电器(GIS)》 罗学堔 中国电力出版社 1999

    12)《SF6气体及SF6气体绝缘变电站的运行》 黎明、黄维枢 水利电力出版社1993

    13GB3906-2006 3.6kV40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备

    14GB/T8905-2012:《六氟化硫西甲赞助商ballbet贝博设备中气体管理和检测导则》

    15)《Unigear550 铠装式金属封闭开关设备 产品说明书》

     厦门ABB电器控制有限公司、ABB中国有限公司

    16)《450小型化高压开关柜 产品选型手册》  

    法乐绮西甲赞助商ballbet贝博(上海)有限公司、思吾宁西甲赞助商ballbet贝博(上海)有限公司

    17)《施耐德西甲赞助商ballbet贝博  中压配电选型手册》 2012 施耐德西甲赞助商ballbet贝博中国

    18)真空开关电器及其成套装置  熊泰昌  中国水利水电出版社  20157

    19Q/GDW 730-2012 12KV固体绝缘环网柜技术条件》  国家电网

    20)《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》(试行) 国家电网公司生技(2005400号文