摘要：随着经济的不断发展和电能对人们生活的影响越来越大，特别是对于负荷密度较高的城区，供电的可靠性尤其重要。通过建立以环网结构为主的配电网络，能有效提高供电可靠性，保证供电的连续性，将配电设备故障、维护停电的影响降至最低，而作为环网运行方式中的重要设备———环网柜，在配网改造中的应用也越来越广，本文从配电网结构的发展趋势、环网柜的种类、功能、选型、优点等方面对环网柜在城区配网建设与改造中的应用进行探讨。
关键词：配电网；环网柜；断路器；负荷开关
前言：随着我国经济建设的发展和人民物质文化生活的不断提高，社会对电力需求逐年增长，对供电质量和供电可靠性要求越来越高，对作为城市血脉的配电网的需求也提出更高的要求。长期以来，我国10kV城市配电网通常采用放射式接线或树干式接线，现如今这种方式已经很难适应当前和以后发展的需要。而环网式接线以其经济性和可靠性成为配电网的首选形式。环网柜作为环网式接线形式中的重要设备，在配电网中的应用越来越广泛。本文从配电网的现状及发展趋势、环网柜的分类、配置等方面介绍环网柜在城市配电网中的应用。
一、关于城市配电网的介绍
1、城市配电网的现状
一般城市的配电网结构是指中压配电网，即10kV电网的结构，早期建设的10kV配电线路多数是单辐射状分布供电，很少采用环网式接线。一旦线路、设备或电源发生故障，容易导致全线停电，造成的损失和影响较大。随着市场经济的迅速发展，城市高层建筑和大型公共建筑不断涌现，城市功能越来越趋向完善和复杂化，对供电可靠性要求越来越高，许多用户要求有两路或两路以上电源供电。而城市的人口密度激增和城市建筑密度的提高，给线路敷设带来困难，并使电网复杂化，出现故障不易迅速查找和排除。
2、10kV配电系统的发展方向
由于环网式接线能使配电线路简化，减少线路走廊，系统改造和发展灵活，管理方便，并且所使用的环网柜具有体积小、性能优越、可靠性高、接线简化、操作方便、造价低等优点，目前，在城市配电网的建设与改造中基本都考虑建立环网式接线形式。
同时，由于智能电网的发展，配网自动化设备的应用，使得环网柜可以进行无人操作、自动判断故障位置，极大的提高了电网系统的可靠性和灵活性，增强电网开关的故障分析和处理、通讯、事件记录等能力。
二、环网柜的分类及功能
1、环网柜分类
环网柜按照绝缘形式可分为空气绝缘、真空绝缘、SF6绝缘、固体绝缘等。按柜体形式可分为单元式和共箱式。按使用场合可分为户外环网柜和户内环网柜。
本文主要以SF6绝缘共箱式环网柜进行论述。
SF6出现于二十世纪初，它是硫在氟的气体中燃烧时所形成的气体。SF6气体在通常状态下是一种无色、无味、无毒、不燃烧化学性能稳定的气态物质，它的密度大约是空气的5倍。由于其分子的负电性，具有很强的吸附自由电子而形成负离子的能力，因而其耐电强度高，具有优异的绝缘性能。它的离解温度低，且离解能量大，也是一种具有优异灭弧性能的气体。SF6气体以其优良的绝缘性能和灭弧性能以及其气体具有不能燃烧的特性，逐步被人们作为新型绝缘介质用于电气设备。
SF6环网柜是一种利用了SF6气体的电气设备，它将所有带电部件和开关全部密闭在充有恒定压力的SF6气体的不锈钢箱体内，利用SF6气体优异的绝缘、灭弧性能及不燃烧特性，实现开关设备的安全操作。
2、系统功能配置
1）操作功能：
A）负荷开关柜：有开、合、接地三位置的三工位负荷开关，也有开、合二位置的二工位负荷开关。可带负荷进行分合闸操作。
B）组合电器柜：配置负荷开关和熔断器组合，熔断器与负荷开关机构连锁，当任意一相熔断器熔断，就会触发撞击器脱扣装置动作，将负荷开关分断，从而切断故障电流。
C）断路器柜：配置综保装置，可实现电流速断及重合闸等功能。
以上柜型通过不同机构、二次回路的配置，可实现电动/手动操作。
2）环境适应性功能：根据不同的运行要求，可在柜体内加装加热器、风扇、除湿器等装置，从而实现加热、降温、除湿等功能，保证开关设备可在不同的环境下正常运行。
3）联锁装置：配置不同机械、电气联锁装置，保证系统安全可靠；
A）接地闭锁装置：保证带电时不误合接地开关；
B）柜门闭锁装置：保证带电时，柜门无法打开，防止触电危险；
C）开关互锁装置：当进线为双路、或多路时，根据用户要求可设置不同的机械程序锁及电气连锁，保证开关需满足一定条件才能进行分合操作。如两路进线时，可配置二合一连锁，当其中一路进线合闸时，另一路进线处于闭锁状态，无法合闸。
D）低气压闭锁：SF6绝缘环网柜以SF6气体为主绝缘介质及灭弧介质，若气室内气压低至一定程度，绝缘性能和灭弧性能将大大降低，存在风险。故而配置此功能，若气压低至一定程度时，开关无法合闸。
4）测量及计量：可配置电流、电压互感器，实现线路测量、计量功能。
5）电源装置：当开关要求电动操作时，需要提供电源为其操作回路供电，操作电源一般有两种提供方式，现场提供或PT供电。
A）现场提供：一般由现场的直流屏或变压器低压侧提供，可提供DC110、DC220V或AC220V电源，一般用于配电室。
B）PT供电：一般用于户外箱式开闭所，电压互感器二次侧带AC220V绕组，可提供AC220V电源，并且可根据用户要求通过配置不同的电源模块，提供不同的操作电压。同时，配置不间断电源或蓄电池。在高压失电时有后备电源保证二次回路正常工作。
6）故障指示及保护装置：
A）故障指示器：故障指示器由传感器和显示器两部分组成，其传感器安装于电缆上，负责探测电缆通过的电流；显示器安装于柜体面板上，负责对传感器传送来的电流信息进行判断及做成故障指示动作。
B）微机保护装置：可实现继电保护功能，根据电源可分为有源保护和无源保护；根据保护对象可分为线路保护、变压器保护、电动机保护等。
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C）备自投装置：备用电源自动投入装置，是当工作电源因故障跳闸后，自动迅速的将备用电源投入的一种自动装置（简称备自投装置）。它可以提高供电系统可靠性、简化继电保护装置、限制短路电流并提高母线残压。可实现进线备自投或者进线/母联备自投。
D）PT并列装置：两段母线，每段母线一台PT，当I段母线PT预试时，需要退出运行，而此时I段母线的保护继续运行，保护失去电压会发生误动，此时需要用II段母线PT维持两段母线上的保护电压，因此，需要PT并列。
随着电力系统的发展，环网柜配置的功能也越来越完善，以上仅对一些常规配置的功能进行说明。
三、环网柜的选型
环网柜的型号可谓多种多样，其所实现的功能也各尽不同，可用于双电源环网供电及终端供电。做为电能接受与分配的环网柜，可根据现场实际进行设计，根据不同方案任意连接组合，完成不同配电任务，也可做为配电线路上自动分合控制设备或城市环网供电的组成单元。
1、开关设备的选择
环网柜开关保护设备有断路器和负荷开关两种。断路器既可断开正常负荷电流也可断开短路电流。负荷开关一般用子开断正常工作电流，与熔断器配合使用时，也具有一定的开断短路电流的能力。
对环网供电单元来说，进线大多情况下没有必要采用断路器，可采用负荷开关。其一从经济考虑，对于同样的电压等级、同样容量的负荷开关，价格仅为断路器的几分之一。其二是断路器保护的上下级级差配合非常困难，所以进线宜采用负荷开关。
在实现综合自动化前，当主线发生短路故障时，由变电所动作切除故障。对于环网柜的出线，其负荷为直接的配电变压器，容量一般不大于1250kVA。对于容量小于1600kVA的配电变压器采用负荷开关加熔断器的组合比采用断路器更为有效。既结构型式简单，造价低，又保护特性好。短路试验证明，当变压器内部发生故障时，为使油箱不爆炸，必须在20ms内切除短路故障，而断路器的全开断时间一般需要40ms，限流熔断器则可保证在10ms内切除故障。
断路器的优势在于多次开断，运行成本较低，而熔断器只要经受过故障电流就需要更换，运行成本较高。箱式变电站的广泛应用，特别是箱变中把变压器的保护作为关键指标，有主备熔丝和后备熔丝的配置，使得更多的环网柜采用负荷开关加熔断器的组合作为出线成为首选。如果配电变压器容量大于1600kVA，则宜选用断路器。
2、柜体形式的选择
单元式环网柜扩展灵活，可任意组合，更换方便，一般户内环网柜应用较多。同时由于其模块化的设计，厂家可适当备货，缩短生产周期。但是，由于增加了并柜工序且需要现场安装，对钣金件的加工精度要求较高，并且气箱充气变形增加了并柜难度。同时，单元式的结构不锈钢板及普通钢材的消耗较大、增加了气压表、顶部绝缘子的数量，成本较高，在维护时，增加了充气检漏和其他相关实验的次数，因此单元式环网柜选用的相对较少。
共箱式环网柜因其全密封的结构，防护等级高，可做到IP67，能适应任何恶劣环境，因此在户外应用较广。同时其具备体积小、结构紧凑、占地小、安装简单、维护操作方便等特点。一些户内环网柜也会选择此种形式。
3、操作方式的配置
以前，环网柜一般采用手动操作方式。如今随着配网自动化的发展，越来越多的环网柜采用电动操作，采用电动操作时，应根据要求提供交流或直流二次电源。二次电源可由电压互感器柜提供或设备现场提供。若把环网柜应用到自动化线路当中，环网柜可提供“三遥”信号接口（即：遥控、遥测、遥信）。各环网柜与其所配置的分界控制单元（FTU）、配网自动化设备（DTU）或保护装置经通信接口和传输线路（光纤或通信电缆等）与主控机相连，则环网柜可迅速自动检测线路故障，自动隔离故障段，自动恢复非故障区供电。
城市电网中的应用可根据实际不同程度的需要，选择相应功能的环网柜进行合理组合。
四、环网柜的优点
由于国内外生产和使用SF6 开关及开关柜已有多年，技术相对成熟，因而无论是真空环网柜还是SF6 环网柜一般都能达到较高的性能指标，操作简便，而各种新技术的应用，使环网柜在人身设备的安全方面也有了足够的保证。
1）防止误操作，有效保护人身及设备安全。以北京合纵科技生产的SF6环网柜为例，该产品所采用的SMC6负荷开关是具有三工位的高压开关设备。开关具有可见的断口，负荷开关与接地开关也具有严格的机械联锁与电气联锁，从而在结构上首先保证两者不可能出现误动，即当负荷开关在合闸位置时，不可能进行接地开关的合闸操作，同样，当接地开关在闭合位置时，也不可能进行负荷开关的合闸操作。
2）性能指标高。SF6 环网柜所采用的真空断路器、SF6 负荷开关为可频繁操作型，其“合-分”额定有功负载的次数可达100 次，为产气式、压气式负荷开关等一般负荷开关的10 倍以上，而且具有良好的开断能力，短时耐受电流一般达到20kA，短路关合电流一般都能达到50kA。
3）维护方便。柜面的清晰面板设计，使接线方式以模拟图的形式标示在柜面，让人一目了然，部分厂家的环网柜更将操作指导及注意事项标注在柜面上，进一步减少了操作人员发生误操作的可能；大多数产品都安装了可监测主回路带电状态的带电显示装置，不但可以提示高压带电状况，而且可以与电磁锁配合实现强制闭锁，提高防误性能；在前门安装的透明有机玻璃观察窗，可直接察看负荷开关的分合闸状态。
4）使用灵活，易于扩展。随着运行经验的增加，可扩展型环网柜正逐步取代以前的全封闭型环网柜；随着紧凑型设计、模块化拼接等方面的进步，现在环网柜的配置已能很灵活地满足各种设计方案的要求，实现按客户实际需要任意组合；电缆桥架的连接方式也更加灵活，即使在地面不够平整的情况下，也能实现柔软连接，不会出现局部放电的现象；安装配备自动化接口，为建设配电自动化做好准备。
五、总结
近年以来城市的迅速发展使得环网柜得到了广泛的使用，从供配电的角度来看，以中，小型容量为大多数其配电变压器一般不超过1250KVA，长期不乱供电，高压开关不频繁操纵。对于这类用户，环网柜的机能虽不是最完美的，但却是足够的，可以胜任的。跟着大规模的城市建设，大量大型高层建筑物拔地而起，变配电所往往就设在楼下，根据消防要求，变配电设备必需“无油化”，根据建设面积的公道使用，变配电设备应该“小型化”，于是环网柜或真空断路器，干式变压器，干式互感器就进入了幢幢大楼。环网柜结构简朴，运行可靠且安全，维修量很小，比起装有手车断路器的开关柜，优势很明显。
环网柜在城市电网中的应用不仅给城市电网的发展带来新的生机，更加灵活的供应电能，而且将会在今后的城市电网供电中发挥更大的作用。
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论文作者:李丽娟
论文发表刊物:《电力设备》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/15
标签：环网柜论文; 负荷论文; 操作论文; 断路器论文; 故障论文; 电流论文; 城市论文; 《电力设备》2017年第20期论文;