摘要：随着我国智能化电网建设的快速发展，国家电网公司对变电站的小型化、配电装置的紧凑型布置有了更高的要求，对设备安全性、可靠性的要求不断地增。目前10kV纵旋开关柜已在南方电网公司的电网工程中得到了一定程度的应用，但作为新型设备，在国家电网公司的电网工程中鲜有引用。同时，国网工程对设备接口、智能化、经济性均有特定要求，各地运行部门对10kV开关柜设备也有相应要求。因此，该型设备需要进行应用性研究调研，针对国网和电网运行需求改进，与常规开关柜对比研究技术性，进行经济性分析确定适用范围，使该型设备性能得到充分发挥。
关键词：10千伏纵旋式开关柜；110千伏变电站；应用；研究
1推广后的直接和间接效益
（1）有利于减少工程总投资。设备本体造价与常规移开式开关柜相近，并呈逐年下降趋势。紧凑小型化设计能缩小征地面积，减少建材用量等，有利于减小工程总投资。设备可靠性高，可维护性好，节能环保，有利于减少变电站全寿命周期的成本。
（2）优化变电站整体布置，大幅节省占地。馈线柜柜体尺寸仅为600mm，开关柜可靠墙布置，接近气体绝缘开关柜节省占地的水平，同时最大载流量仍可维持在4000A水平。大幅压缩了10kV配电装置室尺寸，有效减少建筑面积，同时布置更为灵活，更有利于全站布置优化。以3进线、24馈线、单母线三分段接线形式、双列布置的10kV配电室的占地面积为例做比较，纵旋式开关柜双列紧凑布置的配电室占地面积仅为常规布置的56.6%。
（3）提高设备运行水平。设备结构简单可靠，改变了传统产品的动静触头配合不可见的方式及散热死区的问题，同时具有一定智能化。有效提高了设备运行的可靠性、安全性、可维护性。同时具备通用接口，可与其他厂家开关柜并柜，扩建灵活。
2国内外研究水平综述
目前，在我国得到广泛推广应用的10kV开关柜主要有XGN固定柜、移开式开关柜和SF6绝缘的小型化开关柜等。其中，以移开式开关柜应用最为广泛，已基本取代XGN固定柜。SF6开关柜在对运行环境和可靠性有特殊要求的条件下有少量应用。
XGN固定柜内部连接采用固定连接，在一次电气连接方面，由于采用了硬连接而避免了温升问题，由于没有活动部件对绝缘性能的影响，因此绝缘性能更为可靠；在二次电气连接方面，不采用插头插座连接，因此控制回路更为可靠；在机械稳定性方面，由于没有导轨、活门等活动部件因此机械稳定性更强，五防连锁更为可靠。另外，XGN固定柜带有上下隔离开关，满足了用电部门停电检修时有明显断开点的要求，可视性好；控制面板在柜门前部，可以方便的进行紧急手动分闸，更好地应对突发事故；容易实现靠墙安装，能够方便地进行柜前安装和维护。XGN固定柜拥有优点的同时也有它不足的地方。最大的不足是检修维护困难，出现故障时不能尽快排除故障恢复供电，停电检修时间长。在供电连续性要求日渐提高的情况下被方便互换的手车柜替代。
目前国内外移开式开关设备主要的产品有ABB公司的ZS1和森源公司的GZS1。GZS1的产品型号为行业与用户广泛熟知的KYN28（配主开关ZN63或VD4）高压开关柜，是上世纪九十年代中，由西安森源电气公司主持开发的一代新产品。在设计和结构上，借鉴了当时刚刚崭露头角，进入市场的ABB公司的VD4和ZS1主开关与成套柜的若干优点。和此前上百年来，高压开关柜一直以粗放型的主开关和主元件积木式分立组装、焊接，手车落地式正面推进移出相比，采用了现代数控冲、剪、弯和拉铆等先进工艺技术，提升了设计思想和技术水平，使主开关手车趋于小型化，在开关柜内成为正面中置式布置方式，显著提高了成套设备制造的精密性和互换性。
3理论和实践依据
（1）10kV开关柜产品设备情况调研
对目前各类开关柜设备应用情况进行调研，主要研究国网工程中已有XGN固定式、KYN28手车式和SF6气体绝缘开关柜的采购数量、在运行设备数量、运行情况和故障率。尤其针对国网强条、反措实施以来出线的类似KYN28柜体内部绝缘距离普遍不满足等新情况进行调研。了解设备应用情况和国网改进需求。
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（2）10kV纵旋开关柜的变电站应用研究
依据设备结构特点，研究纵旋开关柜的电气一次、电气二次和土建接口需求，并进行对应的变电站设计，评估设备适用性和通用性，制定合理的布置方案。针对目前设备生产厂家较少的问题，制定设备推广初期可行的招标方案。
（3）10kV纵旋开关柜的技术经济比较研究
应用全寿命周期经济性理论，与常规固定式开关柜、移开式开关柜进行技术经济性比较，综合考虑设备造价构成，远期规模生产造价变化，设备本体一次投资，设备附属设施占地和土建工程量，设备长期安全性、可靠性造成的事故成本和停电损失，设备维护成本，对设备造价和征地价格两个敏感参数进行灵敏度分析，得出10kV纵旋开关柜的技术经济性优势和适用范围。
4研究内容和实施方案
（1）10kV纵旋隔离断路器结构原理研究。
隔离断路器的总体结构由可旋转的三相极柱和固定不动的双功能一体化操动机构两部分组成，通过“U”型手车支架联成一体。金属横梁从腰间固定支撑极柱，形成纵向布置，且可旋转的手车式真空隔离断路器。与传统开关的单一功能、三极横向布置、机构与本体靠机箱固定安装截然不同。
真空灭弧室选用新型复合绝缘材料，除具有优良的绝缘性能和足够的机械强度外，还能耐受频繁的冲击负荷和长期的高、低温作用。
为了实现小型化的最佳方案，采用三维辅助设计技术，对隔离开关的旋转中心和断路器驱动中心进行了反复分析论证，突破难点，找到最佳配合，同时优化结构，最终满足了小型化复合型新系列开关柜的总体设计要求。为了实现三相极柱旋转操作时，操动机构固定不动，新设计了同轴纵向驱动/横向旋转功能转换副。这一突破实现了隔离断路器与开关柜的最佳配合，同时，也简化了联锁装置，满足了防护等级要求，提高了可靠性，对缩小开关柜宽度也起到了十分重要的作用。
（2）10kV纵旋开关柜的散热性能研究。
电气连接点的发热问题, 最突出的表现在主变进线和母联等一些大电流开关柜上。大多因为电接触不好引起发热问题，进而造成绝缘损坏。 隔离开关合闸时的动静头间的接触面积不够,容易发热。对于金属封闭的铠装柜来说, 断路器小车的触臂上的触头和断路器的灭弧室上下部接线座是容易引起发热的部位。发热部位主要集中在动、静触头、电缆接头部位。目前采取的措施往往是在开关柜室中加空调或风扇降温，这样会造成能源的消耗。
（3）10kV纵旋开关柜的通用性、适用性改进
目前10kV纵旋开关柜根据自身结构特点采用紧凑型设计，柜体横向、纵向尺寸均较常规移开式开关柜小，不符合国网“四统一”要求，母线水平布置，母线室结构难以实现与其他厂家开关柜接口要求。可能对具体电网用户需求，尤其是国网设备要求缺乏考虑。
（4）10kV纵旋开关柜的变电站应用研究
依据设备结构特点，研究纵旋开关柜的电气一次、电气二次和土建接口需求，并进行对应的变电站设计，评估设备适用性和通用性。
依据高压配电装置设计规程，户内设备布置要求，运行维护要求，对应用10kV纵旋开关柜的10kV户内配电装置进行布置研究，针对户外、户内变电站初步推荐典型布置方案，包括完全符合国网“四统一”要求并可满足与其他厂家并柜要求的“最大尺寸”方案、仅满足设备布置和基本运检要求的“最小尺寸”方案以及介于两者之间的“中间尺寸”方案。
5总结
10kV纵旋开关柜作为一种紧凑型设备，在节省占地面积等方面具有很强的优势；纵旋双断口隔离方式的结构形式结合了移开式开关柜的灵活置换性和固定式开关柜双断口可视隔离的安全有效性；手动/电动隔离操作功能的智能元件提高了设备的智能化水平；主要一次元器件从上至下直接联结，无须分支母线过渡及其它绝缘支撑，其结构简单、紧凑，载流路径短、接头少，发热量小，上下贯通的结构使散热更加有效。10kV纵旋开关柜作为一种新型、紧凑、结构独特、性能优异的设备，其应用的可实时性和技术经济性等设计值得深入研究。
论文作者:杨仁宇 王鹏
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
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