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SF6全绝缘环网柜的工程设计


SF6 全绝缘环网柜的结构特点和工程设计
黄冬玥 (上海天灵开关厂有限公司 上海 201800)

[摘 要]
本文以上海天灵 LMG/LCG-12 环网柜为例,主要介绍了 SF6 全绝缘环网柜的结构、功能 和特点,并论述了 SF6 全绝缘环网柜在 10kV 配网供电系统中如何进行工程设计。

[关键词]
10

kV;SF6;全绝缘;环网柜

1 引言
随着国家经济建设的快速发展,城市电网负荷越来越大,密度越来越高,城市电网供电 方式逐步向环网型供电方式发展。 环网供电技术以其独特的优越性在城网配电系统中得到了 广泛运用,在配电网系统中发挥着控制和保护作用。 SF6 全绝缘环网柜是一种以低压力 SF6 气体作为绝缘和灭弧介质的开关柜, 与 SF6 半绝 缘环网柜相比,更具安全可靠,免维护,结构紧凑,小型化,易扩展,方案组合灵活多样等 优越性,是环网供电和终端供电的重要开关设备,因此在国内已得到普遍使用。LMG/LCG-12 系列环网柜是由上海天灵和加拿大雷泽瑞奇公司合资生产的开关设备。综合这一产品的结 构、性能和特点,就 SF6 全绝缘环网柜在 10kV 配网供电系统中如何进行工程设计作以下详 细的论述。

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SF6 全绝缘环网柜的结构特点

2.1 概述
SF6 全绝缘环网柜以负荷开关、负荷开关-熔断器组合电器、隔离开关-断路器等主开关 构成各功能单元和密封气箱,它将所有高压带电部分如负荷开关、母线侧接地开关、母线等 密封在充有低压力 SF6 气体的不锈钢箱体内, 以 SF6 作为灭弧介质, 采用电动或手动储能弹 簧操动机构,其母线通过母线连接器可以在左右方向任意扩展。适用于中压配电系统,可以 根据不同的设计方案,任意排列,完成不同的配电任务。

2.2 SF6 全绝缘环网柜的类型

图 1

SF6 全绝缘环网柜的 9 种基本柜型

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1、SF6 全绝缘环网柜按用途可分为以下 9 种基本类型(见图一) : ① 负荷开关柜(C) 主要应用于:电缆进出线连接、分支、分段和控制等。 ② 负荷开关+熔断器组合电器柜(F) 主要应用于:二次配电网容量在 1250kVA 及以下的终端配电变压器的控制和保护。 ③ 断路器柜(V2) 不仅可应用于:电缆进出线连接、分支、分段和控制等。 也可应用于:较大容量配电变压器的控制和保护。 ④ 电缆引入柜(B) SF6 气体绝缘,高压部分在 SF6 气体内。 主要应用于:电缆进线的引入。 ⑤ 计量柜(M2) 空气绝缘。 主要应用于:供电部门进线计量。 ⑥ 母联柜(I) 主要应用于:两段母线的分段与联络。 ⑦ 电缆引入柜(A2) 空气绝缘,电缆接头与母线直接相连,有金属保护外壳。 主要应用于:电缆进线的引入。 ⑧ 压变柜(CPT) 带负荷开关的 PT 柜,可以拖动电机照明设备,便于 PT 维护和检修。 ⑨ 压变柜(APT1) 空气绝缘。 PT 最大容量为 5000VA,可以拖动电机照明设备。 2、SF6 全绝缘环网柜按结构可分为模块式(LMG-12)和共箱式(LCG-12)两大类。 ① 模块式(LMG-12) :气箱为单气箱,即每间隔只有一个气箱。 ② 共箱式(LCG-12):气箱为共气箱,即几个间隔(两至四间隔)共用一个气箱。共箱 式每个模块最多具有四个功能单元(四个单元中 C、F 功能任意组合,如 CC、CF、CCF、 CCC、CFF、CCCC、FCCF、CFFF 等) 。

2.3 SF6 全绝缘环网柜的主要特点
1、全密封、全绝缘 所有高压带电部分全部密封在充低压力 SF6 气箱内,不受外界环境影响,如: 污秽、潮湿、盐雾、小动物等。 2、柜体尺寸小 使用三工位旋转式负荷开关,有效减少零部件数量,实现了机械五防联锁。真 空断路器充以 SF6 绝缘气体使整体结构更紧凑。 限流熔断器也向小型化发展,两 者结合,柜体越来越小。 3、模块化的设计 采用模块化的设计方案, 其基本模块单元为负荷开关模块、 负荷开关-熔断器组 合电器模块、 隔离开关-断路器模块及其他特殊功能模块任意组合, 任何模块之间都 可以利用硅橡胶母线连接器实现任意扩展和连接。 4、绝缘性能高 气箱采用进口 3mm 不锈钢板激光焊接完成,保证设备在运行中的高强度要求, 防腐蚀,防涡流影响,防护等级可达 IP67。气密性非常好,可保证 30 年不漏气。
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5、零表压下耐压 即使发生漏气,或漏到零表压,仍能确保设备的绝缘和开断性能,正常使用。 7、激光焊接 防止长期使用中, 气箱焊缝因温差变化引起的气箱呼吸效应使得焊缝疲劳开裂。 8、全屏蔽电缆进出线 电缆连接采用标准 DIN 标准型的电缆套管,安装方便、可靠。

2.4 SF6 全绝缘环网柜的结构特点 2.4.1 总体结构
SF6 全绝缘环网柜总体结构分为两大部分,充气的密封箱体部分 和控制室、电缆室、框架、泄压通道等不充气部分。高压主回路置于 充气的密封箱体内, 机构室位于正面的上方, 电缆室位于正面的下方, 泄压通道位于后下方。用全屏蔽电缆终端进出线。

图 2 柜体结构

2.4.2 部件结构 2.4.2.1 密封箱体
气箱充以 SF6 气体,采用全焊接密封技术,并经过同步抽真空氦检漏。在整个运行寿命 期间不需要重新充气而能保持安全操作。

2.4.2.2 三工位负荷开关
安装在充气壳体内的负荷开关是三工位负荷开关,有合闸、分闸及接地三个位置。当动 刀片位于分闸位置时, 它有足够的绝缘距离。 用一个操作手柄可以分别对主开关和接地开关 进行合分操作,主开关和接地开关之间有机械联锁。

图 3 三工位负荷开关

合闸状态

分闸状态 图 4 三种开关位置状态

接地状态

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2.4.2.3 熔断器接地开关
在负荷开关+限流熔断器的组合电器柜中,装有与三工位负荷开关联动的熔断器接地开 关,对熔断器出线端提供可靠接地;当负荷开关在合闸、分闸操作中该熔断器接地开关基本 不动作, 当负荷开关接地操作时, 该熔断器接地开关同时动作与熔断器出线端的静触座可靠 接触,以保证熔断器出线侧可靠接地。

2.4.2.4 熔断器
熔断器+负荷开关构成变压器保护回路, 高遮断限流熔断器装于环氧浇注的绝缘壳体内。 当发生短路时熔断器熔断后,弹出的撞针使负荷开关分闸,使故障线路得到切除。熔断器撞 击器选用弹簧式撞击器。

2.4.2.5 柜架
柜架(除去密封箱体以外的壳体部分)是所有零部件装配的基体,同时对密封箱体起支 撑和固定作用。选用敷铝锌板采用多重折弯成形,通过高强度螺栓、螺母(8.8 级)和拉铆 螺母连接。柜架可分为三个主要隔室:控制室、电缆室和泄压通道;控制室内有机构、熔断 器固定架和二次回路; 电缆室内有电缆及其固定架、 接地母排, 根据需要可配置电流互感器; 泄压通道在电缆室的后面。压力表、动态主接线模拟图、带电显示器、操作孔及操作按钮、 铭牌、机构室的门、电缆室的门等均位于正面。

2.4.2.6 泄压装置
在密封箱体下部的泄压通道设有防爆膜, 当万一发生内部燃弧故障时, 密封箱体内部的 高压力气体可将防爆膜冲开, 释放压力, 同时 SF6 气体通过泄压通道排入地沟以确保操作人 员的安全。

2.4.2.7 接地回路
在电缆室内单独设有 5×30mm 的主接地铜排,贯穿整个排列,供直接接地的组件使用。 三工位负荷开关的接地触座通过铜排与主接地铜排相连, 构成接地回路, 使整个柜子都处于 良好的接地状态,确保操作人员的安全。
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2.4.2.8 母线连接器
母线连接器由三只硅橡胶接合器组成, 安装在欲连接的各柜的侧面上水平排列的内锥套 管(母线输出)之间,为母线提供连续性,并封闭结合处。使用这种连接器可以使不同的开 关柜的母线方便简单的连接在一起而不需更换 SF6 气体。 不仅能够防止局部放电和保证绝缘 特性,还可以耐受开关柜可能具有的额定及短路电流。

图 5 母线连接器
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2.4.2.9 五防机械联锁
环网柜、 负荷开关柜及组合电器柜均有可靠的机械联锁, 且主接线模拟图有开关状态的 指示,必须按规定的操作程序操作才能得以进行。 ① 只有当负荷开关在分闸位置时,接地开关才能进行合闸操作; ② 只有当接地开关在分闸位置时,负荷开关才能进行合闸操作; ③ 只有当接地开关在接地位置时,柜门才能打开; ④ 只有当柜门关闭后,接地开关才能进行分闸操作。

2.5 SF6 全绝缘环网柜的主要技术参数
1 2 3 4 5 6 7 8 额定电压 额定频率 额定电流 额定短路开断电流 组合电器额定转移电流 对地、相间 1min工频耐压 隔离断口 对地、相间 雷电冲击耐受电压 隔离断口 主回路4s 热稳定电流 接地开关2s (有效值) 接地连接回路2s 主回路 动稳定电流(峰值) 接地开关 接地连接回路 额定短路关合电流 负荷开关 (峰值) 接地开关 负荷开关额定有功负载开断电流 负荷开关 (断路器) 机械寿命 接地开关 (隔离开关) SF6气体额定压力(20℃、表压) SF6气体漏气率 kV Hz A kA A kV kV kA 负荷开关 组合电器 12 50 630 125 31.5 1760 42 48 75 85 20/25 20 17.4 50/63 50/63 43.5 50 630 6000/10000 2000 0.03 ≤0.1% 断路器柜

630 20/25

9 10 11 12 13 14

kA kA A 次 次 MPa 年

表 1 主要技术参数

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SF6 全绝缘环网柜的工程设计
气箱类型的选择

SF6 全绝缘环网柜气箱有单气箱和共气箱两种类型,其性能完全相同。从节约成本的角 度来说,选择共气箱更为经济实惠,但是从另一角度来看,一旦其中一台柜子发生事故,需 要更换的是一整台气箱,这样就提高了维护成本。所以在设计时应该根据用户的需求,结合 经济等因素考虑来选择。共气箱一般只能由 C、F 单元任意组合,因为 C、F 单元相对功能简 单,发生事故率较低,而断路器单元经常容易发生事故,所以不可以和其他单元共气箱。而 且至多四个间隔共一个气箱,以免发生事故,维护成本上升。

扩展方式的选择
SF6 全绝缘环网柜的使用场所分为户内和户外。如果用于户内,大部分开闭所会面临 二期增容扩建和改造的问题, 所以在工程设计中需要考虑将 SF6 全绝缘环网柜的端柜母线采 用两侧可扩展的方式,当不需要扩展时,可用堵头封堵,当需要二期增容或改造时,再用插 拔式硅橡胶母线连接器拼柜连接。便于用户或变电所增容改造。 如果用于户外,一般不考虑增容,所以端柜可不用考虑扩展。但如遇特殊要求,比如 户外房只作为临时站用途,等使用一段时间后,开关设备放入户内使用,那么还是采用两侧
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可扩展的连接方式。

柜体高度的选择
LMG/LCG-12 系列环网柜的柜体高度有四种规格(单位 mm) :1200、1450、1600、1800。 柜体的高度需要根据使用场合来定,一般情况下,户内使用 1800,箱变使用 1600,户外使 用 1450、1200。因箱变和户外房用于室外安装,对于外形尺寸的要求很高,它的外壳本身 有一定的大小,如果柜体高度过高,外壳尺寸需相应加大,这样会影响周边环境的美观,所 以必须考虑此因素而降低高度。 而且户内的开关柜操作次数相对频繁, 柜高需与配合运行人 员的高度,如柜体过高,仪表安装位置也相应增高,工作人员不方便操作和观察。如柜体太 低, 运行人员使用负荷开关的操作手柄不方便。 户外型操作频率较低, 可以不考虑这一问题。

柜型的不同组合和方案设计
SF6 全绝缘环网柜可以以不同的任意组合,可以实现不同的方案设计,满足各种不同的 供电要求。 1、箱变方案:可用 CCF 单元。 2、户外房方案:可用 CCCC 或 CCF+F 或 CCC+CC 单元。 3、户内开闭所方案: ① APT+I+CCC+I+CCC 此系统中,APT 为所用变柜,可提供所用变的二次电源,I 柜为母联柜,C 柜作 为环网进出线柜。 ② F+CPT+CC+I+CC+CPT+F 此系统中,C 柜作为环网进出线柜。F 柜为出线柜,与变压器连接,可控制和保 护变压器。CPT 柜作为 PT 柜,测量电压,可以测量电压。I 柜为母联柜。 ③ M1+CPT+V2 此系统中,M1 为带负荷开关计量柜,V2 柜为出线柜,保护和控制变压器。 ④ V2+M+CPT+V2+V2 此系统中,进线为 V2 柜,出线为 V2 柜,M 柜作为进线计量用,可由供电部门安 装电度表等计量装置。 ⑤ C+M+F+I+F+M+C 此系统中,C 柜为进线柜,F 柜为出线柜,M 柜为计量柜,I 柜为母联柜。 4、需注意的问题: 2 2 ① 当进线电缆>240mm 时后背包深度为 890mm,当进线电缆≤240mm 时后背包深度 为 690mm。 ② F 柜所保护的变压器容量最大至 1250kVA,如超出最大值需采用断路器保护。 ③ F 柜高压熔断器额定电流大小需根据用户提供的变压器容量配置。 SFLDJ-12 型高 压熔断器额定电流最大至 125A,

操作机构和控制回路
操作机构可分为手动和电动。手动柜可以加装辅助接点,F 柜可以加装脱扣线圈。为实 现配网自动化,可在操作机构室内加装电机,并在操作机构室上增加控制仪表箱。现场仍可 保留按钮合、分闸功能。电机一般有 AC220V、DC220V、DC110V、DC48V、DC24V 等多种电压 等级供用户选择。 控制回路可以通过外引电源或者压变柜 PT 取电, 还可加装电源转换模块。

电流互感器和电压互感器的选择
电流互感器作为测量仪表、计量装置和继电保护的电流源,由于各自的功能不同,准确 等级不同,对额定电流范围要求也不相同,从而要求电流互感器具有不同功能的二次绕组。

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通常电流互感器应具备测量用、 计量用和继电保护用二次绕组。 进出线柜电缆室内可加装低 压穿芯式电流互感器实现对电流的测量。 计量柜安装母排式电流互感器。 电流互感器应根据 供电部门的要求选择变比,精度和准确级,容量要满足测量和保护的要求。电流互感器的外 形尺寸和内径需根据电缆的大小和柜体的宽度和高度进行选择, 以免因柜体尺寸太小不能安 装。 电压互感器的用途是将继电保护装置、 测量仪表和计量装置的电压回路与高压一次回路 安全隔离,并取得固定的 100V 或 100/√3V,220V 二次标准电压。电压互感器按接线方式分 为单相式、三相式和 V 型接线式,按接地方式分有接地式和不接地式。对不同的接线方式, 其额定一次电压和额定二次电压不同。电压互感器应根据供电部门的要求,选择接线方式, 二次绕组的配置要求和额定输出容量大小。

电缆附件的选择 3.7.1 电缆头
可触摸型电缆前接头,在结构上采用多层结构:在电缆头内层为半导体屏蔽层,用来均 衡内部电场,中间一层为绝缘层,选用进口高质绝缘橡胶材料全自动注射工艺制作,确保绝 缘强度。电缆头外层为半导体屏蔽层,确保外屏蔽层接地保持零电位。应力控制体下端内层 与电缆的半导体层紧密接触, 而外半导体屏蔽层与电缆头外半导体层紧密接触, 并通过可触 摸型电缆接头上的接地孔接地,这样不仅解决了电缆终端的外屏蔽层切断处的电场集中问 题,而且使电缆头的外屏蔽层保持零电位,确保维护操作人员人身安全,保证设备正常可靠 运行。 电缆连接室位于环网柜的正前方, 电缆终端头采用预制式可触摸硅橡胶绝缘电缆终端头 在正面插接, 它不仅很好地解决了电缆终端的绝缘恢复和磁场突变等难题, 而且免除了柜体 小带来的电缆安装不便的缺点。运行中不受污秽尘埃、凝露等影响,检修时可拆卸、能快速 恢复、 安装方便。 外表面用新型半导体材料作屏蔽层,运行时外表面接地, 不受潮湿、 凝露、 2 灰尘、污秽的影响,安全性更高,免维护。一般铜芯或铝芯电缆的截面为 35~240mm (F 柜) 2 或 35~500 mm (C 或 V2 柜)。电缆头有前插式和后插式两种。如果有双拼电缆进线或出线, 电缆头一个用前插式,一个用后插式。

3.7.2 避雷器
环网柜内可安装避雷器,实现对环网柜的保护,避雷器为后插式,可插在电缆头上。避 雷器参数有 HY5WZ-17/45 和 HY5WS-17/50。

3.7.3 绝缘帽
绝缘帽是带电套管接头的附属配件, 为带电套管接头提供绝缘封套, 为不带电的套管接 头提供防尘,防潮封套。当预留有备用出线时,必须要用绝缘帽将其密封。所以如果开关柜 作为备用柜,不安装电缆头时,需加装绝缘帽。

带电显示器
环网柜进出线线路侧装设带电显示器, 具有核对相位功能, 以便操作人员监视此回路是 否带电(氖灯泡指示)和校验相位(插孔)。带电显示器分为强制闭锁型(Q型)和提示型(T 型)两种。强制闭锁型带电显示器与电磁锁配合使用,一般装于接地开关,当进线侧有高压 时,电磁锁不能打开,防止带电合接地开关。

故障指示器
故障指示器一般有面板型和电缆型两种,目前普遍使用面板型。短路传感器时刻检测 供电线路中的电流,当其值达到或超过短路电流报警整定值时,短路传感器发出光信号,主

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机通过光纤接收到此信号后, 产生报警指示信号。 接地传感器是检测供电线路中三相电流总 和或零序电流,当其值达到或超过接地电流报警整定值时,主机功过电缆接收到故障后,产 生报警指示信号。并可将此信号送到远方控制室,可自动、手动和遥控复位。故障指示器可 装于仪表箱或操作机构室的面板上。

联锁/程序锁
为防止误操作,环网柜可加装联锁(挂锁、接地电磁锁)或程序锁装置(三锁两钥匙、 两锁一钥匙) 。 挂锁装于操作机构室的负荷开关和接地开关操作孔挡板的挂锁孔上, 挡板有三个位置, 锁定在负荷开关位置时,可以操作接地开关,锁定在接地开关位置时,可以操作负荷开关, 锁定在中间位置时,负荷开关和接地开关均不能操作。 接地电磁锁主要用于进线柜的接地开关上,防止进线侧有高压,合接地开关。 三锁两钥匙主要用于两段母线有两台进线和一台母联柜的系统中,防止两台进线柜和 母联柜同时合上,两段进线不同相位同时通电,发生短路。 两锁一钥匙主要用于同段母线有两台进线柜的系统中,防止两台进线柜同时合上,发 生短路。还可用于开关柜与箱变网门的联锁。

户外房的选择
户外房有非金属和金属户外房两种。 非金属户外房为玻璃纤维特种水泥制成, 防护等级为 IP33, 箱体空白处外墙面喷硬塑, 颜色为大麦彩。箱体机械强度高、抗暴晒、抗冻、防潮、阻燃、耐腐蚀。 金属户外房由三层材料组成,外壳为不锈钢板、内层为镀锌板、中间为隔热层。外壳 不锈钢板厚度不小于 2mm,有足够的机械和耐火强度,具备防锈、防腐和免维护。外壳门内 侧有椼梁支撑。门锁具有防雨功能,顶盖有排水倾角。外壳的门板及边屏采用喷塑及烤漆工 艺。

其他附件的选配
如果用户对供电可靠性有更高的要求, 可选配不间断电源 UPS 或充 电 器 加 铅酸蓄电池, 沿海地区的开关柜还可加装温湿度控制器,可除湿加温,保持柜内干燥,以免受潮,影响电气特性。

结束语
SF6 全绝缘环网柜的技术特点是非常明显的,它融合了多项当前迅速发展的新技术(绝 缘技术、计算机技术、控制技术、传感器技术等)。我国配网供电技术应用还处于发展阶段, 推广应用 SF6 开关柜供电单元将大大提高供电的安全性、 可靠性和经济性。 同时大大地节约 了电力部门的维护费用, 所以如何对 SF6 全绝缘环网柜进行最优化的工程设计, 发挥它的优 势,成为了我们工作中的首要问题。

参考文献: [1] 王秋梅,金伟君,徐爱良,钟新华编著: 《10kV 开闭所的设计、安装、运行和检修》 ,中 国电力出版社,2005 年 10 月 [2] 潘玉冬,王巍: 《10kV 开关柜的发展和应用》 , 《科技资讯》,2008 年,第 23 卷 [3] 林红,李发琼: 《SF6 环网柜与城网改造》 , 《国际电力》,2002 年,第 6 卷,第 3 期
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