王金刚
(天津ABB开关有限公司， 天津市 300409)
摘要：分析了开关柜的发展历程，高可靠性是智能化开关柜的基础，介绍了智能化开关柜的现状、程序化操作、电子式互感器及在线监测技术的应用。
关键词：开关柜、高可靠性、智能化、程序化操作、电子式互感器、在线监测
引言
随着经济高速发展，对电网的可靠性提出了新的挑战，同时提出了很多新的技术要求。在这种情况下，国网公司提出了智能电网规划方案，以满足日益增长的要求。智能电网应包含智能化变电站、智能化输电线路、智能化电网控制技术等先进技术。
中压开关柜作为变电站重要组成部分，其智能化水平成为影响智能变电站的重要组成部分。本文就目前10-35kV开关柜智能化发展，结构特点及应用情况及对电力系统安全可靠经济运行情况做简要介绍。
一、智能化开关柜的发展
开关柜的发展经历了固定式、手车式的过程，按开关柜结构还可分为金属封闭箱式开关柜、金属封闭间隔式开关柜、金属封闭铠装式开关柜。在上述发展过程中，开关柜的结构、功能得到了较大的发展，同时制造工艺水平得到了较高的提升。例如，开关柜的五防联锁等功能日益完善。正是在开关柜制造工艺不断提高，功能日益完善的前提下，智能化开关柜才能得以实现。
传统变电站对开关柜的要求是采用传统的电流、电压互感器、断路器手车及接地开关采用手动操作、控制保护等二次设备集中组屏。
2003年，国内一些客户提出了程序化变电站的概念，当时客户的要求是断路器手车及接地开关采用电动操作、二次配置智能控制保护单元、在满足上述前提条件下实现一键式程序操作。例如:断路器正在运行位置并且合闸，目前要求检修该开关柜，传统的做法是将断路器分闸，然后将断路器手车由工作位置摇到试验位置，然后将接地开关合闸。一般需要两个人完成以上步骤的操作，并且需根据操作票进行操作，大概需要13分钟，如果采用程序化操作，同样在监控中心操作只需要1.5分钟，效率提高了7.6倍，同时避免了由于人为操作而导致误操作的可能。
2007年，国内一些客户又提出了数字化变电站的需求。数字化变电站要求开关柜制造商提供智能化的开关设备，要求开关柜除了满足程序化操作的要求外，还需采用电子式互感器、网络化二次设备、建立IEC61850的通信网络。
2011年，国内客户提出了智能化变电站的需求，智能化变电站要求开关柜实现测量数字化、状态可视化、功能一体化、控制网络化、信息互动化。
二、影响开关柜可靠性的因素
国网公司关于智能电网关键设备研制规划中提出，智能变电站是智能电网的重要组成部分。高可靠性的设备是变电站坚强和智能的基础。如何确保高可靠性的中压开关柜成为各开关柜制造商面临的问题，以下简单介绍影响开关柜可靠性的几点因素。
1、良好的选材。良好的选材是高可靠性开关柜的基础，开关柜主要由断路器、覆铝锌板、冷轧钢板、铜材、机械联锁机构、电流及电压互感器、绝缘件、及二次元器件组成，故上述元器件的质量决定了开关柜的质量。目前市场上开关柜价格差异较大，直接导致开关柜元器件良莠不齐，给开关柜的质量带来的一些不确定的因素。
a..目前中压开关柜的主开关主要采用真空断路器，真空断路器是开关柜的核心元器件，该元器件质量的好坏直接影响了开关柜的性能。真空断路器主要由真空灭弧室、操作机构及绝缘拉杆等元器件组成。真空灭弧室主要由外壳、触头、波纹管、屏蔽罩组成，触头是真空灭弧室内最为重要的元器件，真空断路器的开断能力和电气寿命主要由触头决定。同时真空灭弧室的生产工艺对于产品质量的稳定性起着至关重要的作用。ABB公司的真空灭弧室采用全自动化的生产线，保证了产品质量的稳定性。近些年，各大跨国制造商都已经开发出高可靠性的真空灭弧室，并广泛应用于项目中，例如ABB公司的VD4,Vmax真空断路器等。经过实际运行表明，上述产品可靠性较好的满足了客户需求。
b.覆铝锌板、冷轧钢板除满足壳体强度要求外，还需确保开关柜寿命周期内不应出现锈蚀，影响开关柜的正常使用。覆铝锌板应根据GB/T 2423.17-2008(电工电子产品基本环境试验规程 第二部分 试验方法 试验Ka:盐雾)进行验收，并依据标准GB/T 6461¾2002(盐雾试验后试样和试件评级标准)进行试样的抗腐蚀能力试验，并综合机械性能、抗腐蚀能力、深冲切性能、折弯性能和基板成分进行对比，选取各项性能综合最优的钢板。
c.铜排是开关柜一次回路的重要组成部分，铜排应该根据GB/T 5585.1-2005(电工用铜、铝及其合金母线要求)进行选材，应考虑铜材的纯度、铜材抗拉强度等参数。以确保更高的电导率和更低的温升、保证足够的抗电动力强度以及铜排在折弯的时候不发生桔皮开裂。
d.根据GB/T11022-1999(高压开关设备和控制设备的共用技术要求)的规定，开关柜内高压元器件所须耐受的最高温度是105 0C ，故采用环氧树脂为原材料的绝缘件的玻璃化温度必须高于该温度。绝缘材料必须确保开关柜生命周期内不应出现质量问题。
e.开关柜使用的其它元器件也应选择高质量产品，以提高开关柜的可靠性，另外，GB/T11022-1999(高压开关设备和控制设备的共用技术要求)中规定开关柜材料的选择和零部件的设计上，应使因开关设备和控制设备中的事故过热而引发的火焰在传播时受到阻止，所以开关柜应尽量选用阻燃等级高的元器件。
2、安全可靠的设计。开关柜的设计应考虑尽可能优化电场，减少电场畸变，如有条件，应采用电场分析软件进行分析计算，已达到优化电场的目的。以下是常用的均衡电场设计的措施：加大电极曲率半径、铜排倒圆角处理 、加装屏蔽电极、导体对称性设计、消除电极表面的毛刺、尖角。另外，根据五防要求，需设计可靠的机械联锁机构，例如断路器手车与接地开关的联锁、接地开关与电缆室门的联锁。根据统计，开关柜机械故障发生的比例最高，所有联锁机构的设计应力求简单、可靠。
3、安全可靠性的验证。根据GB3906、GB11022、DL/T404、GB1984等标准的要求，开关柜需通过型式试验，已验证高压开关柜及其高低压电器组件、辅助元件的各种性能是否能达到技术条件的要求，是否能定型生产。以下类型产品需进行型式试验：
a)新试制的产品，应进行全部型式试验
b)转厂试制的产品，应进行全部型式试验
c)当产品的设计、工艺或生产条件及使用的材料发生重大改变而影响到产品性能时，应作相应的型式试验
d)正常生产的产品每隔八年应进行一次温升试验、机械操作试验、短时耐受电流和峰值耐受电流试验以及关合和开断试验
e)不经常生产的产品(停产三年以上)，再次生产时应进行d项规定的试验
f)对系列产品或派生的产品，应进行相关的型式试验，部分试验项目可引用相应的有效试验报告。
型式试验的内容如下：绝缘试验：关合和开断试验、温升和主回路电阻测量、机械操作及机械特性测量试验、短时耐受电流和峰值耐受电流试验、防护等级检查、辅助和控制回路的附加试验等。
GB3906-2006版增加了内部故障的内容，首次提出了内部故障产生的原因、容易出现内部故障的部位及减小内部故障概率的措施。同时要求按照规定的试验程序来检验设备在内部故障电弧情况下对人员提供规定防护等级的设计效果，成功通过该试验验证的设计归为IAC类。同时规定在设备选型时，在需要考虑产生的危险时，只能使用IAC级金属封闭开关设备。该试验标准的推荐时间为0.1S、0.5S、1S，同时提出了内部故障电弧防护(IAC)等级的命名规则。ABB的UniGear ZS1开关柜通过了40KA 1S IAC AFLR的试验。
三、智能化开关柜的组成结构
智能化变电站是建立在IEC61850通信规范基础上，实现变电站内智能电气设备间信息共享和相互操作，变电站监测信号、控制命令、保护跳闸命令的数字化采集、传输、处理和数据共享，可实现网络化二次功能、程序化操作、智能化功能等的变电站。包含智能化一次设备(电子式互感器、智能化开关、开关柜的在线监测等)、网络化二次设备(过程层、间隔层、站控层)。
目前的智能化开关柜主要实现了程序化操作及电子式互感器功能。
1、实施程序化操作，只需要变电站内运行人员或监控中心运行人员根据操作要求选择一条程序化操作命令(比如说将某线路运行状态由运行改为检修)。操作票的选择、执行和操作过程的校验由变电站操作系统自动完成，实现“一键操作”。一方面大大降低的操作中人为因素，提高了操作的可靠性，另一方面也大大缩短了操作时间和系统运方变换时间，提高了操作效率和系统的可靠性。
2、电子式互感器杜绝了传统互感器的TA断线导致高压危险、TA饱和影响差动饱和、CVT暂态过程影响距离保护、铁磁谐振等问题;解决了传统电流互感器当电压等级越高，短路电流越大时，必然将增大体积，使设备变得更加笨重，安装运输不方便等问题。电子式电流互感器主要包含LPCT低功率线圈式的电子式互感器、罗氏线圈电子式电流互感器、磁光玻璃式的电子式互感器、FOCT全光纤的电子式互感器，目前在中压领域主要采用LPCT低功率线圈式的电子式互感器，该互感器二次侧输出的是毫伏级电压(22.5mV、150 mV 、 225 mV任意标准值)信号，其准确级可以满足测量用：0.2S、0.2、0.5、1.0级，保护用5P、10P级。电子式电压互感器主要包含电容分压原理电压互感器、电阻分压原理电压互感器，其额定二次电压：1.625/√3V、2/√3V 、3.25/√3V 、4/√3V 、6.5/√3V 任意标准值，其准确级可以满足测量用：0.2、0.5、1.0级、保护用：3P、6P级。
在线监测技术已经广泛的应用于各行各业，并且已经取得了长足的发展。智能化变电站对状态可视化提出了要求，即对在线监测提出了新的要求，目前开关设备的在线监测主要包含以下状态量的监测：手车触头温度、断路器机械特性、断路器触头的电弧烧损、断路器等开关的状态、断路器的储能状态、断路器分合闸二次回路的完好性、GIS设备的气体压力监测及局放的监测等。虽然在线监测技术已经部分应用于开关设备中，但从实际应用效果看，以下几方面还需进一步提高：
1、集成性 集开关设备多项监测功能于一体，有利于信息的整合及支持网络化的管理
2、通用性 由于断路器内绝缘介质不同，所需监测内容也不同。在硬件设计时应考虑不同的采样通道，保证采样的通用性，可以满足不同类型断路器的要求，另外软件也许满足不同类型断路器相关参数的设定。
3、兼容性 考虑断路器就地采样单元于与变电站在线监测系统的兼容，能为变电站综合自动化系统提供信息。
4、可靠性 开关设备运行在高电磁干扰的环境中，在线监测设备为电子设备，容易受到外界环境的干扰，如何提供高可靠性的在线监测设备是生产厂家必须考虑的问题，不应出现因增加在线监测而降低设备可靠性的情况。
四、结束语
综上所述，随着智能变电站及智能电网的不断发展，我国对智能化开关柜的需求日益增加，智能化开关柜将成为未来市场的主流产品，智能化开关柜融合了计算机、信息、控制、传感器及微电子技术，是一种典型的新一代机电一体化产品。如何研发，生产，制造高可靠性的智能化开关柜将成为开关柜生产厂家新的挑战。
五、参考文献
【1】GB3906-2006 3.6kV—40.5 kV 交流金属封闭开关设备和控制设备 陈振生 智能高压开关设备的在线监测技术 电力设备
六、作者简介
王金刚(1977.5—)，高级工程师， 现就职于天津ABB开关有限公司 工作职责：主要从事中压开关柜技术管理及设计工作，毕业院校 长沙交通学院 。