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        中高壓開關設備的發展及其在工業企業的應用

        發布時間:2019-12-17 來源:浙江鈺泰電氣科技有限公司

        摘要:


          我國大型工業企業電源進線主要有35kV,66kV(東北地區),110kV和220kV(如特大型鋼鐵企業)四種電壓等級。企業總降壓變電站按一次設備可分為兩種,一種是由分立器件如SF6斷路器、隔離開關、互感器、避雷器等組成的傳統變電站,其缺點是占地面積大,氣候適應性差,故障率高;另一種是近幾年隨著技術的不斷進步和產品價格的下降,出現了由金屬封閉組合電器(GIS、PASS、C-GIS)或敞開式組合電器等組合電器組成的新型變電站。而真空斷路器作為主流中壓開關設備也早已大量應用于工業企業。本文根據作者使用的經驗,對幾種中高壓開關設備及選用注意事項進行介紹,供同行參考。

          1、組合電器

          1.1 GIS

          1.1.1 GIS的特點

          六氟化硫絕緣金屬封閉式組合電器,國際上稱為“氣體絕緣開關設備”(Gas Insulated Switchgeer),簡稱GIS。它是將一座變電站除變壓器以外的一次設備,包括斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器、母線等元器件組合封閉在接地的金屬殼體內(僅把進出線套管或電纜終端裸露在外部)充以一定壓力的SF6氣體作為絕緣介質組成的成套開關設備。它有以下優點: 
          1小型化,如國產ZF—126系列三相共箱緊湊型GIS,最小間隔寬度為0.8m,標準間隔占地僅有2.9m2。一般220kV GIS設備的占地面積為常規設備的37%;110 kV GIS設備占地面積為常規設備的46%左右。
          2可靠性高。
          3安全性好,帶電部分封閉在接地的金屬殼體內,因而沒有觸電危險;SF6氣體為不燃氣體,所以無火災危險。
          4環境適應性強,適用于環境條件惡劣(如嚴重污穢、冰雹、多風雪、多水露、高海拔、多地震等)地區。
          5靈活性強,可任意組合(即將一部分設備組合在GIS內部,另一部分仍采用傳統分立器件置于GIS外部);可根據要求組成多種接線方式;既可室內也可戶外安裝。
          6安裝周期短,GIS設備的各個元件通用性強,采用積木式結構,組裝在一個運輸單元中,運到施工現場就位固定?,F場安裝的工作量比常規設備減少了80%左右。
          7幾乎免維護,更易于變電所無人值守。  

          1.1.2 GIS的結構

          GIS一般由實現各種不同功能的單元組成,稱間隔,主要有進(出)線間隔、母聯間隔、母線計量保護間隔等七種間隔,并根據用戶的不同要求可實現線變組、單母線、單母線分段、橋型接線、雙母線等不同的接線方式。下圖是企業中常用的接線形式——線變組接線一次主接線圖。

          GIS的氣體系統可以分為若干氣室,各氣室分別由相應的密度控制器檢測氣體壓力。

          GIS一般每個間隔設有一個就地控制柜,各元件控制、狀態信號,各氣室密度檢測信號,以及電壓電流互感器二次出線全部引到就地控制柜(匯控屏——LCP),并通過就地控制柜與主控制室相連。

          1.1.3 國內GIS的主要生產廠家

          GIS從上世紀60年代問世以來,一直處于發展之中,在保持高可靠性的同時減少材料用量和降低成本。從世界范圍看,GIS以它的緊湊設計和模塊系統可滿足用戶的不同要求。我國GIS生產始于“三大開”,1979年平高引進法國M.G制造技術,1985年西高引進日本三菱、沈高引進日本日立制造技術。目前產量較大的除“三大開”外,還有山東泰開、北京北開、如皋高壓、上海華通等十幾家。合資品牌有平高東芝、廈門華電、上海西門子、北京北開日新等。

          1.2 PASS

          目前高壓開關設備在國際上從絕緣介質分共有三種類型:一種為空氣絕緣開關設備(AIS),另一種為氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS),第三種為新出現的混合技術開關設備(MTS)。MTS是將多種電氣設備組合在一起的單相組合電器,不帶母線,利用出線套管通過軟導線與敞開式母線連接。且由于出線套管為空氣絕緣,因此它與AIS電氣設備相間距離相同(如550kV為8m),不能縮小設備的間隔(橫向)尺寸。這是它與帶SF6氣體絕緣母線、相間距離較小的GIS的主要區別。PASS就屬于典型的MTS。

          1.2.1  PASS與GIS的比較

          PASS是ABB基于多年GIS制造、運行經驗而生產出的一種新型產品——插接式開關系統(Plug And Switch System,簡稱PASS),它和GIS一樣,采用SF6氣體絕緣,但它是將斷路器、隔離開關、接地開關、互感器組合安裝在一個封閉接地的金屬殼體內的單相組合電器,是 GIS的簡化和改進。
        簡化之處:
          1省去供設備檢修用的線路側隔離開關一臺和接地開關一臺。 
          2 兩臺隔離開關和一臺接地開關共用一個氣室,三工位設計共用一個操作機構。
          3采用可控操作技術(CAT控制器),取消了斷路器合閘線圈。

          改進之處:

          1、以先進的組合式電流/電壓傳感器,取代傳統的電流互感器、電壓互感器,不僅使體積大大減少,同時測量精度大為提高,另外該傳感器還具有對自身SF6氣體密度進行測量的密度傳感器和儲存傳感器參數的可讀寫儲存器的功能。

          2、斷路器采用液壓彈簧操動機構,可靠性高,含油量少(小于2L),無油壓表和油管,與傳統液壓、氣動、彈簧操動機構相比,體積大為減少。

          3、采用復合套管,具有以下優點
          內層使用由環氧樹脂和玻纖澆鑄成的管狀支柱,保證機械和絕緣強度。
          外層包以硅橡膠,保證爬電距離。
          表面憎水性,防止形成潮氣膜和固體沉淀,免除清洗工作。
          外部或內部閃絡不會引起套管爆裂,套管重量減少40%。

          4、采用智能間隔和就地控制單元,每一PASS間隔配置1臺就地控制柜,內設控制及保護單元,即將二次技術集成化。整個PASS的測量、保護、控制等功能就地完成,并通過總線接口及光纖與變電站綜合自動化系統相連,與傳統變電站相比,一個間隔連接線從200~500條減少至30~60條,降低80%。

          5、采用了預安裝技術,整套設備在出廠前安裝、調試完畢。設備運抵現場后,一個PASS間隔在數小時之內即可安裝完畢,實現了“即插即用”功能。

          1.2.2  PASS變電站與其它變電站投資比較(僅供參考)

          1.2.3  PASS選用
          1、PASS共有三種型號。PASSM0:工作電壓145kV,額定電流2500A,額定斷開電流31.5kA、40kA;PASSM1工作電壓300kV,額定電流3150A,額定斷開電流40kA、50kA;PASSM2:工作電壓550kV,額定電流4000A,額定斷開電流60kA。
          2、所有的PASS都是單相設備,即其標準間隔都是單相的,三相線路是由三個獨立間隔組成的,相間絕緣(間隔之間)與常規變電站一樣是空氣絕緣,而GIS大部分是三相共箱的,即在一個封閉的金屬殼體內,相間絕緣是SF6。
          3、目前國內幾家較大的代理商有云開電氣,江蘇華源,北京國電博納,珠海泰坦科技等,正常均有成品庫存,并且都承諾:如果PASS內部出現故障,則會提供一臺新的成品供用戶使用,然后把有故障的返回ABB在國外的工廠解體維修。

          1.3 C-GIS

          柜式氣體絕緣金屬封閉開關設備,國際上簡稱C-GIS或有稱GIS,它是高壓GIS產品向中壓開關設備領域拓展而形成的新技術產品,是一種用于6~35kV或更高電壓輸配電系統以接受或分配電能并能對電力系統正常運行和故障情況下實行控制、保護、測量、監視、通訊等功能的新型開關設備。把GIS的SF6的絕緣技術、密封技術與空氣絕緣的金屬封閉開關設備制造技術有機地相結合,將各高壓元件設置在箱形密封容器內,使之充入較低壓力的絕緣氣體,利用現代加工手段而制成的成套系列化產品稱之為柜式氣體絕緣金屬封閉開關設備,簡稱C-GIS(Cubicle type Gas Insulated Switchgear),俗稱的充氣柜往往指的是C-GIS 與充氣環網柜的統稱。

          1.3.1 C-GIS的發展

          高壓GIS 于上世紀60 年代走向實用化,而C-GIS在上世紀80年代初開始研制,90年代中期,在 24~36kV電壓等級出現了以配真空斷路器為主和方形密封箱體為主的產品,到了2000年左右,中壓C-GIS的發展有了一個飛躍,一是采用計算機技術、傳感技術使產品進入智能化時代;二是采用新型的固體界面絕緣插接技術,現場安裝已開始不需要抽真空、充氣;三是密封箱體采用薄不銹鋼板焊接結構,并開始采用激光焊接技術。采用壓縮空氣作絕緣介質的24kVC-GIS問世,并在電網上運行。

          我國于1996年下半年由西高所組織六廠一所開始研制40.5kV C-GIS,2001年樣機通過了全部型式試驗。C-GIS近幾年在國際上發展速度很快,形成了系列化、信息化的高新技術產品,逐漸成為金屬封閉開關設備的一個重要分支。ABB、西門子、Alstom、日立、三菱等各大電氣公司都有7.2~40.5kVC-GIS系列產品。

          1.3.1 C-GIS的結構特點
          1、尺寸小,節省安裝空間。如國產40.5kV C-GIS,柜體結構為箱式單母線一或二氣體隔室,柜寬800mm,深1500mm,高2300mm。
          2、氣體壓力低,經濟?,F在國外7.2~24kV C-GIS主要采用壓縮空氣,氮氣絕緣,在40.5kV產品中仍然采用SF6氣體絕緣。國產40.5kV C-GIS氣體額定壓力為0.04MPa(20℃時表壓),相當于高壓GIS的十五分之一到十分之一。
          3、免維護,有利于無人值守。由于壓力低且采用激光或氬弧焊,氣箱密閉性很好,氣體年泄漏率一般小于0.1%,使用年限在于20年以上,能適應各種惡劣環境。
          4、安全性好。C-GIS解決了傳統開關柜由于絕緣下降、接觸不良及小動物入侵引起的三大類事故,同時由于電氣和電纜的模塊化插接技術可以防止接觸帶電導線,避免了由于誤操作導致的危險。

          1.4 ZCW系列 敞開式組合電器

          由于GIS和PASS價格較貴,有些廠家(如山東泰開)又研制出以空氣做外絕緣SF6氣體作為滅弧介質的成套組合電器,用于三相交流輸配電系統的控制與保護,亦可用于聯絡斷路器及開合電容器組的場合。它的價格在GIS和傳統器件之間,35kV,66kV,110 kV電壓等級均有相應產品。其特點如下:
         ?、賹嗦菲?、隔離開關、接地開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器、母線等元器件組合有機地組合在接地的鋼支架上,結構緊湊。
         ?、谄渌伎臻g只有分體式的30%~50%,具有節約用地,減少工程造價等顯著特點。
         ?、壅麄€間隔工廠預制,在出廠前完成裝配及所有的調試并整體運輸到安裝現場,極大地縮短安裝周期。
         ?、軘嗦菲骺烧w下降檢修或置換,本體故障停電時間最少可縮短至3小時以內。 
         ?、莶贾渺`活,可靠性高。
          國際上ABB瑞典工廠HPL型245-550kV組合電器、LTB型145-170kV組合電器(COMPACT)和意大利工廠LCW型145-170kV組合電器(COMPASS),阿爾斯通AIM-S型組合電器屬于空氣絕緣敞開式組合電器系列;西門子HIS型組合電器,三菱MITS型組合電器,東芝的GID型組合電器,阿爾斯通GIM型組合電器,ABB瑞士工廠PASS型組合電器均屬于SF6氣體絕緣金屬封閉式組合電器系列。

          2、中壓真空斷路器

          2.1.1真空斷路器的發展歷程

          真空斷路器是指觸頭在真空中關合、開斷的斷路器,它最初由英、美研究,隨后發展到日本、德國和原蘇聯。利用真空介質來熄滅電弧的設想在19世紀末就已提出,20世紀20年代制造出了最早的真空滅弧室,但由于真空工藝、材料等技術水平限制當時并未實現實用化。50年代中期美國通用電氣(GE)批量生產了額定斷開電流為12 kA的真空斷路器,才進入了實用化階段;50年代末,由于發展了具有橫向磁場觸頭的真空滅弧室,使額定斷開電流提高到30 kA,為真空斷路器廣泛使用鋪平了道路;70年代后,日本東芝研制成功了具有縱向磁場觸頭的真空滅弧室,使額定斷開電流又進一步提高到50 kA,標志著真空斷路器技術的成熟和完善。國外中壓真空斷路器到90年代中期占主導地位,現在在美國、日本、德國以及中國已占絕對優勢地位,如日本90%以上,德國95%以上。我國70年代初已能正式生產真空斷路器,現在是世界上中壓真空斷路器最大的生產國和使用國。據統計,我國2005年12kV電壓等級中真空斷路器產量為294204臺,比上年增長23.64%,占總產量的97.32%,SF6斷路器產量為8100臺,與上年持平,占總產量的2.68%;在40.5kV電壓等級中真空斷路器產量為23817臺,比上年增長71.4%,占總產量的73.26%,SF6斷路器產量為8694臺,比上年增長4%,占總產量的26.74%。

          2.1.2真空斷路器的發展動向

          中壓真空斷路器趨向專用化和多功能化。今后將會在以下方面做出努力:
         ?、俑唠妷盒?,如72kV/84kV和126kV。
         ?、诖箅娏餍?,如發電機保護用真空斷路器,額定電流高大6300A~12000A,斷開電流80~160kA。
         ?、垲l繁操作型,如電路煉鋼用真空斷路器,操作次數需要10萬次甚至15萬次。
         ?、苄⌒突?。德國Calor-Emag公司新研制成的VC2型真空斷路器,其12kV、20kA的真空滅弧室的觸頭直徑僅為40mm,12kV、50kA真空滅弧室的觸頭直徑為80mm。
         ?、莸碗妷盒?。目前國內已研制出了380V~1140V、額定電流1600A~3200A、額定短路開斷電流30kA~80kA的低壓真空斷路器及其真空滅弧室。
         ?、薅渭夹g智能化。
         ?、叨喙δ芑?。如西門子新推出的NXAct型模塊式真空斷路器,即開斷、隔離、接地、聯鎖等功能于一體;日立公司1998年就開發出具有四工位(合-分 -隔離-接地) 的24kV真空斷路器。

          2.2真空斷路器的型號分類

          我國行業標準規定,真空斷路器的基本型號戶內用ZN表示,戶外用ZW表示,型號證書統一由西安高壓電器研究所(西高所)頒發。目前,國內12kV真空斷路器行業型號已達100多種,企業自定的型號也很多,生產廠家達幾百家,所以評價、選用比較困難。下面從結構、相柱絕緣結構、操動結構、技術淵源、市場占有率五個方面進行分類介紹。

          2.2.1從結構演變看,可分為分體式和整體式
         ?、俜煮w式:懸掛布置或綜合布置,斷路器的滅弧室部分和操動機構為分體式,自身不帶操動機構,在成套產品中與CD17B直流電磁操動機構及CT19B彈簧操動機構配合使用,主要用于固定式開關柜。典型產品如ZN28A系列 。
         ?、谡w式:斷路器的滅弧室部分和操動機構設置在一個框架上,可靠性較高,典型產品如ZN12系列

          2.2.2從相柱絕緣結構看,可分為以下三種:

          有專家稱“真空斷路器的相柱絕緣結構經歷了空氣絕緣——復合絕緣——固封絕緣,這就形成了三代斷路器”
         ?、倏諝饨^緣斷路器:產品的相間絕緣、對地絕緣、滅弧室外絕緣均為空氣介質,真空滅弧室多采用懸掛支撐方式。典型產品如ZN28-12,ZN12-12系列,西門子3AF、3AG、3AH等。
         ?、趶秃辖^緣斷路器:斷路器的滅弧室部分和操動機構設置在一個框架上,由一澆鑄的絕緣框架或管狀絕緣體支撐真空滅弧室,提高了相間和對地的絕緣,但滅弧室與外絕緣仍為空氣介質。典型產品如VS1(ZN63),VD4(ZN64)系列。
         ?、酃谭鈽O柱斷路器:其主要特點是采用APG工藝(環氧樹脂自動壓力凝膠工藝)將一次導電部分包括真空滅弧室、主導電回路(連同上下觸臂的連接端頭)用環氧樹脂固封在絕緣筒內,基本解決了斷路器外絕緣受環境影響的問題,為免維護創造了條件。固封極柱絕緣結構是真空斷路器絕緣結構的重大變革,它最初是由ABB 德國Calor Emag公司于1997年為發展免維護真空斷路器而開發的,之后世界上各著名電器公司都先后推出自己的產品。在國內,2003年7月西高所與廈門華電開關有限公司聯合開發的ZN96(VEP)-12/1250-31.5固封式真空斷路器率先通過國家級鑒定。

          2.2.3按操動機構,可分為電磁式,彈簧式、永磁式三種。有專家稱,真空滅弧室是真空斷路器的心臟,操動機構是真空斷路器的神經中樞。
         ?、匐姶挪賱訖C構:該產品適用歷史最悠久,優點是結構簡單、零件數量少(約120個)、工作可靠、成本低,缺點是合閘線圈消耗功率大、結構笨重、動作時間長,市場占有率逐漸減少。典型產品如CD17操動機構。
         ?、趶椈刹賱訖C構:此種機構目前用量最大,它是利用已儲能的彈簧為動力來操動斷路器的,彈簧儲能使用功率較小的電動機且交直流兩用。其缺點是結構復雜,零件數量多(200多個)。它可分為配裝式和一體式,配裝式彈簧操動機構有單獨型號,可配不同型號的真空斷路器,如CT17、CT19型機構,可配ZN12型、ZN28型斷路器。一體式指彈簧操動機構與真空斷路器本體構成一體式,機構本身一般沒有單獨型號,如VD4型、ZN63A(VS1)型、V2000(ZN56)型等斷路器均配一體式機構
         ?、塾来挪賱訖C構(PM):它是電磁系統和永磁系統的完美結合,它采用電磁鐵驅動,永久磁鐵鎖扣,電容器組儲能并且用電子器件(邏輯單元)控制。其特點是操動機構零件數量與彈簧機構相比下降60%以上,壽命提高3~15倍(可達30000 ~150000次)。永磁操動機構可分為雙穩態和單穩態。雙穩態的合閘和分閘位置的保持均有永久磁鐵來完成,雙穩態結構內又可分為雙線圈式(如ABB的VM1型斷路器)和單線圈式(如Alstom的HVX型斷路器)兩種。單穩態的合閘位置保持僅有永久磁鐵來完成(如TEL的ISM型斷路器)。國際上,瑞能特(TEL)于1974年首創配永磁機構的真空斷路器模型,1989年投放市場,1993年在荷蘭KEMA試驗站(世界上最大的中立試驗站)通過了型式試驗。

          2.2.4 按技術淵源分

          在我國,高壓開關設備型號由西高所負責頒發。產品型號證書分型號頒發證書和型號使用證書。型號頒發證書發放的對象是國內首次研制開發的新產品,頒發新的設計序號;型號使用證書發放的對象是轉廠或批量生產該型號產品的單位。真空斷路器按技術淵源可分為:
         ?、僮孕性O計的產品,如ZN28-12、ZN15-12 、ZN30-12等。
         ?、谠诮梃b國外同類產品基礎上自行研發的產品,如ZN63A-12 (VS1)參照ABB VD4型,ZN65-12參照西門子3AH型。
         ?、垡M技術并國產化的產品,如
          ZN12引進西門子3AF系列,            ZN67引進三菱VPR系列,
          ZN51引進西門子3AG系列,             ZN21引進比利時EIB VB-5系列,
          ZN18引進東芝VK系列,               ZN64引進ABB VD4系列。

         ?、車馄放飘a品,如
          3AF、3AG、3AH、3AS——西門子產品,   Power/Vac VB2——上海通用電氣產品,
          VD4 ——ABB產品,                     HS——上海富士產品,
          HVX——Alstom(阿爾斯通)產品,        VK ——寧波東芝產品,
          Evolis——梅蘭日蘭(施耐德)產品,   VPR——三菱產品

          2.2.5按市場占有率分

          據2005年產量統計,按市場占有率分可分為三類。第一類,VS1,VD4型市場占有量最大(約占50%以上),制造廠家也最多(約占56%); 第二類如ZN28型仍有較大影響,約占14%;第三類產量較少,生產廠家也不多,年產量在1000臺以上的有ZN51, ZN68, ZN18, ZN21 ,ZN22, ZN48, ZN55,ZN69等。

          2 .3 中壓真空斷路器的選用
         ?、賵猿帧百|量第一、比質比價、擇優選廠”的原則。
         ?、趹x擇那些制造技術先進、產品質量穩定、覆蓋面廣、業績良好的企業。2005年國內中壓真空斷路器產量在10000臺以上的企業有:廈門ABB、華儀電器、陜西寶光集團、常州森源、陜西寶光集團電器廠、浙江日升。  
         ?、圻x擇產品時,應選擇市場占有率高、技術先進的產品。對廠家首先要看三證(產品型式試驗報告、鑒定證書、產品型號證書)是否齊全。
         ?、芨鶕褂铆h境選擇,如惡劣環境可選固封極柱斷路器。
         ?、莞鶕娋W工況和使用情況選擇,如很多企業10/0.4kV配電變壓器都選用額定電流為1250A,斷開電流31.5kA的斷路器,比實際需要量大10倍以上。嚴重浪費,其實630A斷開電流16kA或20kA的就已綽綽有余。
         ?、薷鶕摵汕闆r和斷路器壽命選擇。工業企業變壓器使用情況操作頻次與電力系統類似,即一般復合絕緣結構的斷路器(壽命10000次)就已足用了,但對中壓電動機就有些小了,可選壽命30000次的產品。而對電抗器和電容器最好采用專用型斷路器。

          參考資料
          1、李建基編著. 高壓斷路器及其應用. 北京:中國電力出版社,2004
          2、平高、沈高、山東泰開、北京國電博納、珠海泰坦科技等公司產品樣本
          3、李建基. 我國電網建設與高壓開關設備. 機電技術培訓網
          4、周云波 張宗九. 真空斷路器的技術進步及其選用 高壓開關網 2006.06
          5、丁益  裴軍 .真空斷路器的發展及特點   高壓開關網 2007.03
          6、C-GIS原理與設計  工業電器網   2007.8


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