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

思吾宁电气（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 resin，silicon Rubber，easy 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。根据的配电网规划，到2020年要建成安全可靠、经济、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220KV或110KV；中小城市110KV或66KV；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250KW或160~250KVA，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,20KV和10KV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柜)；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柜)。

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)-12（10KV）、XGN17-35(35KV)、XGN2-12（10KV）等。缺点是尺寸普遍比价大，占地方。

表1. 空气绝缘距离，根据GB50060-2008（海拔2000M以下）

表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）

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, 就是将电气元件，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SF6、N2、SF6/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(即24KV)、35KV(即40.5KV)，35KV充气柜能体现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。

表3: 国内常见气体开关柜（配真空断路器）

固体绝缘柜:

用环氧树脂和硅橡胶等绝缘材料把电气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，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、电气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。

表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）

表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）

表6；空气绝缘柜，气体绝缘柜，固体绝缘柜的特点比较

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x深x高）。

表7:

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，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，等都有大量的运用。

这里尤其值得一提的是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。ALSTOM的VISAX和上海法乐绮公司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，非常适合大量运用于城市配网和建筑电气设计中，也完全符合电网安全技术措施的要求^（20），在10KV、25MVA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大公司的小型复合绝缘柜，满足经济、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、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；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》

（3）Q/GDW 1738-2012  《配电网规划设计技术导则》

（4）DL/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》

（7）GB50060-2008：《3~110KV高压配电设备装置设计规范》

（8）GB311.1-2012《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 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 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

（13）GB3906-2006 《3.6kV～40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》

（14）GB/T8905-2012：《六氟化硫电气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有限公司

（16）《450小型化高压开关柜 产品选型手册》  

《思吾宁电气（上海）有限公司》

（17）《施耐德电气  中压配电选型手册》 2012 施耐德电气

（18）真空开关电器及其成套装置  熊泰昌  水利水电出版社  2015年7月

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

（20）《电网公司十八项电网重大反事故措施》（试行） 电网公司生技（2005）400号文