10kV开关柜电气设计及智能化改进对策

薛文生

厦门ABB开关有限公司，福建厦门，361101

0 引言

开关柜主要被用于电力系统发电、输电、配电以及电能转换等，外线先进入柜内主控开关，再进入分控开关，各个分路需要按照实际需求进行设置，包括仪表、电动机磁力开关和交流接触器等。开关柜在实际运行的过程中可能会由于接触不良和设计缺陷等问题，出现绝缘失效的情况，为更好地服务于用户，应利用先进的传感器技术、软件控制技术、数据分析技术和相关平台，通过专业知识，洞察数据内涵，分析开关设备运行趋势，发现潜在风险，指导运行和维护，为电力的可靠供应保驾护航。

1 10kV开关柜的分类与使用功能

根据不同的分类标准可以将10kV开关柜分成以下几类：首先，根据电压的波形进行分类，可以分成交流开关柜、直流开关柜；其次，按照开关柜的内部结构可以分成抽出式开关柜、低压分隔式开关柜等；最后，根据开关柜的主要用途可以分成进线柜、出线柜、计量柜以及母线柜等[1]。由于开关柜具有架空进出线、母线联络等诸多功能，现阶段，主要被应用在发电厂、变电站、工业企业以及住宅小区等。

2 10kV开关柜的技术发展分析

10kV开关柜是将10kV开关、互感器、测量仪等元件结构安装在金属柜内，通过成套组合的方式供用户使用。随着现代化技术的不断涌现，10kV开关柜的智能化发展是技术发展过程中的关键，可以通过智能化系统的设计将原有开关柜设备上的VD4断路器改造为智能断路器，并通过对设备的可视化管理和健康管理实现对开关运行状态的动态监测，可最大程度避免由于定期计划性停电、设备检修而造成的经济损失，显著降低非预期停电的风险[2]。

3 10kV开关柜电气设计与结构

3.1 开关柜总体结构设计

开关柜的进线柜和馈线柜结构相似，都是由电器元件和柜体组成，电器元件主要包括真空断路器、接地开关等，柜体主要是通过接地的钢板进行分割，分隔成母线室和手车室等[3]。在针对开关柜进行总体设计的过程中，需要充分考虑开关柜在正常运行过程中的实际情况以及后续维护监测工作的开展情况，需要针对开关柜的使用环境条件进行检测，与此同时，还需要考虑相关设备的使用经济性，保证在设计过程中各种相关设备配置的科学性与完整性。

对10kV开关柜的设计需要充分考虑设备运行过程中的稳定性，可以对其运行状态进行有效监控，例如，在设计时，需要对各个元器件的使用环境进行检验，在满足工作条件的基础上，降低设计成本，在应用新技术和新设备的过程中，需要重点针对其进行检测。

3.2 开关柜的外壳设计

10kV开关柜的外壳作用主要是保护内部结构，因此在进行外壳设计时，必须保证符合防护等级规定，外壳材料需要具备一定的机械强度和刚度，进而实现整体结构的稳定性，保证开关柜使用过程中不会因为故障导致柜体出现变形或折断。外壳设计要点主要包括以下几个部分。第一，设计盖板和门结构时，需要选择金属材料，避免使用网状编织物，防护等级应该与外壳结构相同，金属封闭式的活门可以是金属的，也可以是非金属的，若活门是绝缘材料制成的，则不应成为外壳的一部分，如果选择金属材料，需要保证结构接地，若活门是外壳的一部分，防护等级则应与外壳相同。如果活门是绝缘材料制成的，而且作为加强绝缘的一部分，要求活门能承受150%额定电压的作用。第二，观察窗的设计需要达到外壳所规定的防护等级，同时需要选择具有足够机械强度的耐火透明材料。第三，通风窗需要使用网状编织材料或类似的材料，保证其具有足够的强度，在选择通风窗和排气口的位置时，保证位置选择不会影响开关柜设备的正常运行。第四，在完成外壳设计后，工作人员需要针对开关柜的外壳和支架结构进行防锈处理，可在表面涂刷油漆，在正式处理之前，清理表面的锈蚀物[4]。

3.3 开关柜的隔板设计

10kV开关柜的隔板通常是由金属制成，与开关柜外壳具有相同的机械强度，同时需要保证其接地，如果产品的高压带电裸导体与绝缘板之间的距离大于3cm，则可以使用移动式的绝缘隔板。只有在开关处于断开的状态中，才可以合上接地开关，并在此基础上插入绝缘隔板，开关柜的柜门可以进行打开或关闭的操作。

3.4 一次电路的设计

10kV的供电系统属于中性点不接地式，在进行一次电路设计的过程中，应采取中性点经消弧线圈的接地方式。电气元件的种类直接影响10kV开关柜的性能和运行状态，因此在设计的过程中需要从使用性能的基础上进行综合考量，包括开关柜的整体结构、安装中的便利性以及后续维护监督过程中的工作情况。在选择电气元件时，需要重点考虑电气元件的性能参数以及安装尺寸等。

3.5 二次电路的设计

一般情况下，开关柜的电气回路包括主回路和二次回路，二次回路的电路是通过计量表、继电器以及控制开关等电气元件组成，因此可以将二次回路按照功能和操作电源的种类进行分类，其中按照功能进行区分，可以将二次回路分成控制回路、计量回路、信号回路以及保护回路，按照操作电源的种类可以分成交流电压、直流回路以及电流回路等[5]。设计二次电路时需要充分考虑配线截面，首先，需要保证测量表计电流回路绝缘导线的截面不小于2.5平方毫米，二次电流的大小不能超过5安培。其次，针对继电保护装置绝缘导线的选择需要充分考虑电流互感器的因素，需要将误差控制在10%以内。最后，根据机械强度以及相关条件可以选择电缆线，并保证导线铜芯线的横截面积大于1.5平方毫米。

4 10kV开关柜电气设计及智能化改进对策

为满足用户的实际需求，保证电力系统的稳定运行，需要对开关柜的使用情况进行动态监测以及智能化控制，因此需要针对10kV开关柜的电气设计进行智能化改进，本次主要改进的内容包括：第一，针对VD4进行改造，将原有开关柜设备上的VD4断路器改造为智能断路器，实现断路器触头温升监测、环境温湿度在线监测、断路器二次元件监测、断路器机械特性监测。第二，电动操作改造。断路器手车及接地开关增加电动操作功能，实现手车电动摇入摇出及接地开关电动合分的程序化控制和保护。第三，在VD4改造、电动操作改造及可视化改造的基础上，通过设备健康管理平台，对大数据诊断分析，整合设备状态的在线检测评估、离线评估，基于先进算法及运行环境参数进行诊断及预警，及时提供前瞻性预测，对设备可能的失效提出预警[6]。

4.1 设备可靠性的改进

在对10kV开关柜进行检修的过程中，可以通过智能化监测技术实现对故障的定位，并将故障区域进行隔离，通过自动化的网络重构，实现在无人值班的过程中对开关柜进行远程遥控，可以有效优化开关柜的工作模式，进而提升设备的可靠性，降低电力系统的运营成本。

4.2 自动化电动操作的改进

在进行智能化改进的过程中，自动化的电动操作主要包括在断路器手车增加电动操作功能和在接地开关增加电动操作功能。断路器手车增加电动操作功能是通过将原手动底盘整体更换为电动底盘，实现断路器手车在运行位置和试验位置之间的电动摇进/摇出。其主要包括电动底盘（图1）和SmiS MC585电机驱动模块（图2），断路器手车在使用过程中同时备手动与电动操作两套完整的闭锁机构，两种操作模式可以根据实际需求进行切换，电动操作功能相比于手动操作更加准确，可以有效避免不规范的操作行为损害机械联锁机构，通过自动化的电动操作功能，可以实现远程操控，在变电站无人值守的情况下进行远程操作，有效提升设备运行的安全性[7]。

图1 断路器手车电动底盘结构示意图

图2 MC585 电机驱动模块

4.3 应用在线监测和自诊断技术

在线监测技术在应用过程中其主要功能包括以下几个方面。

首先，SmiS智能监测单元可以安装在开关柜的低压室中，配合相应的传感器实现如图3所示的各项在线监测功能。SmiS智能监测单元包括四个部分。第一，MT585智能单元主模块，具备与上位机通信和连接下游传感器的能力，可以利用内置电源管理模块，为下游传感器供电，并可连接MP58进行实时状态显示，该模块的通信协议和无线频段上，都保留了原有的协议与制式以提供向下兼容的能力，新增的相间温升比较算法使温升异常判断更智能，新增的事件记录功能为异常事件溯源提供更多的参考信息。第二，MB585可选扩展模块可以实现五防在线联锁状态监测。第三，MC585集成了霍尔传感器和电机驱动模块，可以对合分闸线圈、储能电机的动作电流实现非介入式测量，同时具备电动地刀和电动手车的智能控制与防堵转功能，该模块继承了MDC4智能监控单元优秀的电动驱动和保护功能，同时新增电动驱动时的电流录波和事件记录功能，为异常事件溯源提供更多的参考信息。第四，MP58就地人机交互界面可以实时显示开关柜状态信息，可以为用户提供更好的性能和交互体验。

图3 SmiS 智能监测单元在线监测功能

其次，可以将现场VD4断路器触臂替换为带有温度探测与信号发射单元的智能触臂，可以针对触头的温度进行实时采集，无线射频技术的应用可以实现温度信号的传输，温度监测模块采用耐受温度高达125℃的技术方案，完全满足开关柜实际运行环境的要求，温度监测模块的供电采用感应CT自取电的方式，该技术可以有效提升相关设备的使用寿命，帮助工作人员掌握开关柜的运行情况，进而提升电力系统运行的稳定性。

最后，针对环境的温湿度进行检测，该检测功能可以有效检测出开关柜运行过程中的环境情况，例如，如果变电室出现漏水的情况，可能会导致断路器室的湿度超标，仪器发出警告，并精准地定位出现问题的位置。

4.4 配电系统的智能化改进

配电系统的智能化设计主要体现在配电系统的数字化管理以及智慧运维方面，设计人员可以采用IEC61850技术，通过数字化全连接、GOOSE智能选跳，实现全站40ms内故障快速定位，200ms内系统恢复供电，实现母线保护、变压器保护、数字化弧光保护三大保护功能，最终达到配电系统全面保护[8]。智慧运维功能包含设备运行及健康预警管理、工单管理、数据统计、设备资产台账管理等，其中设备运行管理系统可以将设备运行数据和设备健康信息传输至就地部署的智慧运维数据库，客户在连接内部局域网的前提下，可以通过手机APP及Web端，随时获取数据信息，同时结合设备的台账信息及设备运行健康数据等信息汇总统计。

4.5 一站式监控系统数字化改进

传统的10kV开关柜在使用过程中无法实现对运行状态的实时监控，因此在进行智能化改进的过程中可以从一站式监控系统入手，设计人员可以利用Smart Box全息助手，对运维人员的巡检模式进行优化，通过整合资产信息和实时数据，集中显示配电站内设备运行状态，结合科学算法，实现预测性维护，保障设备及供电安全。全息助手可以显示的内容包括开关柜运行的实时监测数据、配电柜的运行状态，同时也可以对开关柜的健康状态进行评估，显示设备及断路器剩余使用寿命，工作人员可以通过整站界面和单柜界面直观看到站内配电设备健康状态、当前系统负荷情况及事件记录，迅速定位故障设备电气参数状态和变化趋势等，从而实现对开关柜的智能化管理。

5 结语

总而言之，随着信息技术的不断发展，智能化已经成为电力系统运行的主要发展方向，针对10kV开关柜的电气设计工作而言，需要加强智能化设备的应用，结合智能电网发展的主要方向和实际需求，采取智能化的改进方案，对开关柜以及相关设备的运行状态进行动态监测和远程管控，进而提升电能质量以及电力系统的运行水平。