10 kV智能开关柜的设计

陈 涛

（北京市设备安装工程集团有限公司，北京 100022）

0 引 言

传统的10 kV开关柜主要由断路器、接触器、热继电器、熔断器、控制继电器、互感器以及各式各样的电工仪表构成，可用于电气控制，实现配电、控制、保护和监视功能。这种开关柜存在操作复杂、维修不便、需要人工以及没有预警等亟待解决的问题。近年来，随着计算机科学、网络通讯、数据传输以及电子科学的不断进步，越来越多的新技术融入到电力控制领域，智能开关柜的技术水平不断提高[1]。当出现故障时，智能开关柜能迅速动作，实施快速切断，并采取无线通讯方式（如手机短信和终端反馈），将故障信息迅速反馈至用户及相关人员，有利于电力企业及时监控系统的安全运行状况。智能开关柜在未来将发展为兼具远程监控保护、数据采集分析以及故障清除等诸多功能的新型智能电力控制系统。

1 10 kV智能开关柜设计

10 kV智能开关柜是在传统高压柜基础上配置智能型保护、控制及监测单元，具有自检、自控、自我诊断、自我恢复、数字显示以及高压开关状态显示等功能。

新型10 kV智能开关柜采用固体绝缘材料作为主绝缘介质，可将真空灭弧室及其导电连接、接地开关、主母线以及分支母线等主导电回路单一或组合后用固体绝缘介质包覆封装为一个或几个具有一定功能、可再次组合或扩张的具备全绝缘、全密封性能的模块。先进保护、控制和监测功能的实现可通过全面集成保证系统更高的可靠性和能效，通过带有内置通信功能和本地管理功能的开关设备可实现馈线自动化；通过集成的智能计量功能实现负载管理 ；通过监控功能实现资产管理；通过集成的电源投切方案减少停电时间。

通过采用嵌入式系统作为智能开关柜的核心控制设备，开关柜中的各种类型传感器可采集不同种类的数据，具有保护电力系统、监视系统运行与控制、采集数据以及收发信息等诸多功能，在硬件条件有限的制约因素下，依然能够实现多种功能[2]。结合继电保护的特别需求与监控的实际情况，系统将监控装置与保护装置分开装配，智能控制单元的说明如表1所示[3-4]。开关柜的智能化可以通过智能控制装置与保护装置的同时运行来实现。目前国内缺乏统一的行业标准，待相关国家标准推行后，智能控制系统与保护装置便可实现合并，统一控制。

1.1 馈线断路器开关柜

以典型的馈线断路器开关柜为例，其主要配置智能型保护、控制及监测单元，具有自检、自控、自我诊断、自我恢复、数字显示以及高压开关显示等功能。系统的控制核心由继电保护装置和智能控制装置两部分组成，包含远程控制和本地控制，可与开关柜内的智能电子设备（如故障检测元器件和测量元器件）通过Rs485网络与项目监控中心连接，构成主要网络。由项目监控中心协调彼此间的工作，并传输控制指令。同时，手动控制装置上的控制按钮也能够实现对相应设备的控制。系统结构如图1所示。

1.2 10 kV智能开关柜的结构设计

（1）新型10 kV智能开关柜主要由核心单元、低压室、电缆室、母线室、电缆测试模块以及泄压模块组成，其中电缆测试模块和泄压模块皆需选配，核心单元包括操作机构、气箱、传感器（如CT等）、真空灭弧室以及传动系统等[5]。智能开关柜配备不同的操作机构，第一种操作机构用于负荷开关，不具备快速分合闸能力，但可配电动操作；第二种操作机构主要用于变压器，保护用断路器，具备快速分闸能力，可在不具备辅助电源的环境下轻松解决相间或接地故障；第三种操作机构主要用于线路，保护用重载断路器，具备自动重合闸功能。

表1 智能控制单元功能说明

图1 系统结构

（2）在智能开关柜的主母线设计过程中，对主母线额定电流的控制极为重要，不仅要设定好主母线的额定电流值，还要提前确定主母线的规格参数。无论客户对主母线的设计做出何种要求，均需认真对待主母线的设计，特别是主母线的额定电流值或具体规格[6-8]。此外，进线柜、联络柜和分段柜使用的分支母线需要与主母线规格一致，只能在特殊情况下对更改规格，且更改仍要以满足额定电流要求为原则。

（3）在高压真空断路器设计方面，通常，智能开关柜的断路器只起到接通或断开回路中负荷电流的作用，而当故障发生后，断路器需要同继保装置协调配合，迅速切断故障电流，防止事故危害扩大，保障电力可靠安全。

（4）柜体除观察窗外皆选用金属材料，主要采用覆铝锌钢板封闭相关隔室，并以喷涂的金属钢板为外壳，泄压通道有清晰的标识，并明确方向。柜体外壳设置有隔热与通风装置，可保证系统在日常运行过程中工作温度低于设备的最大允许温度，实现设备的平稳运行。

（5）在智能柜的进线和出线位置安装有检测电缆侧方电压的设备，同时检测设备可将结果实时输出至带电显示器。主开关和接地刀之间为内置式机械联锁，只有主开关处于分闸位置时才允许操作接地开关，同时，只有接地开关处于分闸位置时才允许操作主开关，并通过拨片的形式实现。电缆室门与接地开关具备机械联锁功能，即当接地开关不在接地位置时，无法打开电缆室门。

1.3 10 kV智能开关柜的电气设计

新型10 kV智能开关柜测控装置具有智能化的计量、控制、保护及通信等功能。其二次接线工作也十分简洁，只需要将电压与电流信号、断路器状态位置信号以及出口控制信号等与开关柜内相应一次元件的端子进行连接即可。

智能化测控装置通过采集电压与电流信号、断路器状态信号以及接地故障状态，可自主完成数据处理，同时实现控制、保护与显示功能，并经过通信接口实时上传有关信息。与电气设计相比，智能化测控装置在开关柜中的应用不仅功能更多，且精度更高，简洁高效。

2 10 kV新型智能开关柜技术特点

（1）实现故障就地隔离，从根本上缩小停电市场及停电范围，加强供电稳定性，为社会创造高效收益。

（2）节省维护成本，新型10 kV智能开关柜具备断路器功能，配备继电保护设备，不存在通过熔断器一负荷开关组合电器保护用户变压设施的情况，无需前往现场换置熔丝，从根本上缩减费用。

（3）满足配网自动化及未来智能电网的基本需要，降低重复性费用，达到用户故障无需出门需求，节能环保，实现智能化。

（4）前瞻性研究，10 kV新型智能开关柜整体设计依附于智能、环保、紧凑型以及匹配于智能电网的需求，需要满足未来智能电网发展的基本需要，从根源消除重复性费用。断路设备设计方案内容主要包括额定动热制衡、短路闭合及开断能力以及故障及时处理与隔离，是构建智能电网及配网自动化的设备基础。

（5）新型10 kV智能开关柜可缩短停电时长，进而缩减资金损失，且无SF6温室气体存在，未使用熔断设备，熔断器没有长时间的功率损耗，同时不产生大量的ER固体废弃物，超过90%的部件均能够被再利用。

（6）新型10 kV智能开关柜具有模块化、结构紧凑、免维护与可抵御恶劣运行环境等优点。

3 10 kV智能化开关柜的应用

3.1 用于10 kV配电开闭所中

若开闭所内部发生故障时，智能开关柜能够迅速切断进线开关，而当开闭所的下游产生故障时，本级开关柜通过与上级智能开关柜协调配合，选择性切断出线开关，最大限度减小开闭所故障对整个配电网的危害[9]。

3.2 用于10 kV用户箱式变电站

当箱式变电站内部发生故障时(包含单相接地情况)，智能开关柜可迅速断开进线开关，而在多个箱式变电站相互联通[10-12]，其中一个箱式变电站产生故障情况下，可以通过本级智能开关柜与上级智能开关柜的互相结合，选择性断开出线开关，保证下游箱式变电站的故障不会影响到上级配电网的正常工作，将因电力故障导致停电的范围缩小至故障发生点以下区域，不会影响上游区域的电力供应。

3.3 用于10 kV用户配电所

当用户配电所内部出现故障时，智能开关柜能够实现对进线开关的快速切断，而当配电所的下游有故障发生时（包含单相接地故障），智能开关柜可以选择性切断出线开关，有利于及时保护配电网的安全运行，同时避免用户侧故障造成的危害波及正常区域。

4 结 论

保证电力生产的安全异常重要，及时的预防正是其中的关键环节。10 kV高压开关柜是电力系统中重要的成套设备，保障其保持高效状态运行，能够对供配电网的供电质量产生直接显著的影响。开关柜的设计工作需要有新技术的不断加入，在实践中也要多多利用新的技术和材料。开关柜设计人员应多总结经验，科学运用设计手段，提升产品的结构设计与制造水平，提高开关柜的运行效率和经济效益，不断制造出性能优质的高压开关柜。