最新SF6全绝缘开关柜的结构特点和工程设计.docx
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最新SF6全绝缘开关柜的结构特点和工程设计
SF6全绝缘开关柜的结构特点和工程设计
SF6全绝缘开关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201808）
[摘要]
本文以上海天灵开关厂有限公司生产的LMG/LCG-12系列全绝缘开关柜为例，主要介绍了SF6全绝缘开关柜的结构、功能和特点，并论述了如何在10kV配网供电系统中进行SF6全绝缘开关柜的工程设计。
[关键词]
10kV；SF6；全绝缘；开关柜
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。
SF6全绝缘开关柜是一种以低压力SF6气体作为绝缘和灭弧介质的开关柜，与SF6半绝缘开关柜相比，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。
LMG/LCG-12系列全绝缘开关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，本文综合这一产品的结构、性能和特点，就SF6全绝缘开关柜在10kV配网供电系统中如何进行工程设计作以下详细的论述。
2SF6全绝缘开关柜的结构特点
2.1概述
SF6全绝缘开关柜以负荷开关、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、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。
2.2SF6全绝缘开关柜的类型
图1LMG/LCG-12全绝缘开关柜的10种基本柜型
1、SF6全绝缘开关柜按功能可分为10种基本类型（见图1）：
（1）负荷开关柜（C）
主要应用于：
电缆进出线的控制，接通及断开进出线电缆与母线，可使进出线电缆
三相同时接地，并具有短路关合能力。
（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）断路器母联柜（V2-CT）
主要应用于：
两段母线的分段与联络。
配有隔离开关和断路器，可以带负荷接通或断开主母线。
（5）电缆引入柜（B）
主要应用于：
进出线电缆的连接。
进出线电缆与母线直接连接。
（6）计量柜（M）
主要应用于：
供电部门电能计量。
配有常规的电流互感器和电压互感器，以方便电力部门的校验。
（7）母联柜（I）
主要应用于：
两段母线的分段与联络。
可以带负荷接通或断开主母线。
（8）电缆引入柜（A）
主要应用于：
电缆进线的引入。
电缆接头与母线直接相连，用于进出线电缆的连接。
（9）压变柜（CPT）
主要应用于：
监测系统电压和提供操作电源。
可以带负荷接通或断开电压互感器及接地，电压互感器最大容量为500VA。
（10）压变柜（APT）
主要应用于：
监测系统电压和提供操作电源，配有电压互感器并与母线直接连接，电压互感器最大容量为5kVA。
2、SF6全绝缘开关柜按结构可分为模块式和共箱式两大类。
（1）模块式（LMG-12）：
气箱为单气箱，即每间隔只有一个独立气箱。
（2）共箱式（LCG-12）：
气箱为共气箱，即几个间隔共用一个气箱，每个模块最多具有四个功能单元。
2.3SF6全绝缘开关柜的主要特点
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。
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，防护等级可达IP67，气密性非常好，可保证30年不漏气。
2、柜体小型化
使用三工位负荷开关，有效减少零部件数量，实现了机械五防联锁功能。
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。
紧凑的结构设计，使占地面积大大缩小。
3、模块化设计
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、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。
5、全屏蔽可触摸电缆进出线
电缆连接采用DIN标准型的电缆套管，安装可靠方便。
2.4SF6全绝缘开关柜的结构特点
2.4.1总体结构
SF6全绝缘开关柜总体结构分为两大部分，充气的密封箱体部分和操作机构室、电缆室、底架、泄压通道、低压室等不充气部分。
高压主回路置于充气的密封箱体内，操作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。
（见图2）
1.低压室2.操作机构室3.模拟线路图4.电缆室5.气压表
6.母线内锥套管7.气箱8.带电显示器9.柜体
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，额定压力为0.03MPa,采用激光焊接全密封技术，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
安装于气箱内的负荷开关有三个工位，合闸、分闸、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3三种开关位置状态
2.4.2.3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。
2.4.2.4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。
2.4.2.5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。
柜架可分为三个主要隔室：
操作机构室、电缆室和泄压通道；操作机构室内有机构、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，并能有效防止对电缆及变电站内其余开关设备的损害。
2.4.2.7接地回路
在电缆室内单独设有5×30mm2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。
2.4.2.8母线连接器
母线连接器是为各柜提供电气、机械连接的器件。
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4母线连接器
2.4.2.9五防机械联锁
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。
2.5SF6全绝缘开关柜的主要技术参数
表1主要技术参数
3SF6全绝缘开关柜的工程设计
3.1气箱类型的选择
SF6全绝缘开关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，减少了板材和连接器。
但是从另一角度来看，一旦其中一个间隔发生事故，需要更换的是一整台气箱，这样就提高了维护成本。
所以在设计时应根据用户的需求，结合经济等因素考虑来选择。
一般来说共气箱可由C、F、B单元任意组合，因为C、F、B单元相对功能简单，故障率较低，而断路器单元结构复杂，容易发生事故，所以不推荐和其他单元共一个气箱。
至多四个间隔共一个气箱，以免发生事故，维护成本上升。
3.2扩展方式的选择
SF6全绝缘开关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全绝缘开关柜的端柜母线采用两侧可扩展的方式，当一期不需要扩展时，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进行拼柜连接,便于变电所增容改造。
如果用于户外，一般无需考虑增容，因此端柜母线可以不扩展。
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，那么就要采用两侧可扩展的连接方式。
SF6全绝缘开关柜除左右可扩展外，还可以从顶部扩展。
在柜顶安装母线套管，通过母线扩展连接器或者电缆头与相邻柜拼接，以满足用户的特殊要求，还可解决与其他厂家生产的开关柜的拼接问题。
3.3柜体高度的选择
LMG/LCG-12系列SF6全绝缘开关柜的柜体高度主要有四种规格（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，户内采用1800，箱变采用1600，户外采用1450、1200。
因箱变和户外房安装于室外，使用环境条件苛刻，占用面积有一定限制，对于外形尺寸的要求较高。
箱变和户外房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。
然而开闭所一般有足够的安装空间，对于柜体的高度要求不是很苛刻，因此用于户内的开关柜，一般采用1800mm的高度，电缆离地高度约1000mm左右，这样电缆室有足够的空间，便于施工人员连接电缆。
另外，用于户内的开关柜操作次数相对频繁，柜高需配合运行人员的高度，若柜体过高，仪表安装位置也相应加高，运行人员不方便操作和观察。
若柜体过低，导致运行人员使用操作手柄的不便。
对于户外型开关柜，因操作频率较低，权衡利弊之后，首先应考虑的是柜体小型化的问题。
3.4操作机构和控制回路
操作机构可分为手动和电动。
一般用于户外的开关柜现场没有二次电源，所以大多采用手动操作机构。
一般用于户内的开关柜现场有二次电源，大多采用电动操作机构，也可用手动操作机构。
为实现配网自动化，手动操作的开关柜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从压变柜电压互感器取电，还可加装电源转换模块。
3.5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。
进出线柜电缆室内可加装低压穿芯式或开启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。
3.6电缆附件的选择
3.6.1电缆头
电缆室位于开关柜的正前方，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、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35～240mm2（F柜）或35～500mm2（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，可用一套前插式电缆头加一套后插式电缆头来实现。
可触摸型电缆头，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。
3.6.2避雷器
开关柜内可安装避雷器，不仅用于防护大气高电压，还可实现对开关柜的过电压保护。
全绝缘SF6开关柜采用的是硅橡胶绝缘氧化锌避雷器，如用户要求进出线柜或PT柜安装避雷器，那么可以采用后插式避雷器，直接插在电缆头上。
一般在非有效接地系统中，避雷器可选用HY5WZ-17/45（电站型）和HY5WS-17/50（配电型）两种型号。
3.6.3绝缘帽
绝缘帽是带电套管接头的附属配件，主要用于对带电套管接头提供绝缘保护（永久或临时），为不带电的套管接头提供防尘，防潮封套。
所以当开关柜不安装电缆头，作为预留备用出线时，必须要用绝缘帽将其密封。
3.7带电显示器
开关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，一般电磁锁装于接地开关，当进线侧有高压时，电磁锁不能打开，防止带电合接地开关。
3.8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，主机通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。
故障指示器一般用于进出线柜，可装于仪表箱或操作机构室的面板上。
3.9联锁及程序锁
为防止误操作，开关柜可加装联锁（挂锁、电磁锁）或程序锁装置（三锁两钥匙、两锁一钥匙）。
由于环网供电手拉手的网络接线方式，环网柜的电源进线有下进线的情况，此时环网柜本身的防误装置就不能防止带电合接地开关的恶性误操作。
因此，必须对接地开关的操作进行控制，即在负荷开关分闸时，必须再判别电缆出线（进线）是否有电，只有电缆不带电时才允许合接地开关。
传统的做法是对接地开关操作孔加挂挂锁，在操作接地开关时由运行人员进行人工判别，在电缆无电时解锁进行操作。
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。
但是由人工进行判别总会有出错的可能，所以挂锁方法并不是一种完善的可靠的防误方案。
针对这一情况，可采用高压带电显示闭锁装置，通过高压传感器检测高压带电情况，根据有无高压确定是否允许打开电磁锁。
开闭所一般都有二次电源，高压带电显示闭锁装置的工作电源一般采用AC/DC220V或110V，在操作机构的面板上加装AC/DC220V或110V的有源电磁锁，以实现进线侧带电时闭锁接地开关的目的。
但是在一些开闭所或户外房、箱变等没有二次电源的情况下，需采用无源电磁锁防误闭锁装置，自带验电、防误闭锁和验电开锁功能的电子钥匙，专用电子解锁钥匙，内置12V锂电池，解锁时只需将钥匙的三个触头插入闭锁装置的钥匙孔中，按下启动按钮即可，一次性完成验电，供电的操作，如果开关柜处于带电状态，按下启动按钮，则不可能打开闭锁装置，如果开关柜失电，则可打开闭锁装置。
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。
3.10户外房的选择
户外房有非金属和金属户外房两种，可根据用户的不同需求来选用。
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，顶盖有排水倾角。
外壳的门板及边屏采用喷塑及烤漆工艺。
3.11低压室的选择
低压室主要用于电气二次回路测量及控制元器件的安装，低压室门可安装电流表、电压表、继保装置、多功能表、信号继电器、故障指示器、指示灯、连接片等，低压室内可安装端子、接触器、继电器、电度表等。
低压室的外形尺寸应根据开关柜的使用场合及二次电气元件的数量类型来选择，例如：
LMG/LCG-12开关柜有150,200,350,450,650（单位mm）五种高度的低压室。
如果开关柜用于户外房，因其空间狭小，应选择150和200的低压室。
如果开关柜用于箱变，可选择350高度的低压室。
如果开关柜用于户内开闭所，可根据现场条件和柜体功能来选择低压室。
如二次回路的元器件较少，可采用150或200高度，如元器件较多，需装继保装置等，应采用350或450高度。
650高度的低压室因其高度高，重心高，操作不便，不推荐选用，一般只在二次元器件数量极多的情况下采用。
3.12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，可自动控制除湿加温，保持柜内干燥，以免受潮，影响电气特性。
3.13柜型的不同组合和方案设计
SF6全绝缘开关柜可以任意组合，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：
如CFC；C+CPT+V2等方案。
2、户外房方案：
如CCCC；CCC+CC；CCF+F等方案。
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，可以测量电压。
I柜为母联柜，用于两段母线的联络。
（3）M1+CPT+V2
此系统中，M1为带负荷开关进线计量柜，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，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：
（1）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。
（2）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。
结束语
SF6全绝缘开关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
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