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浅谈10kV农网开关设备的选型与应用
2016-07-14 17:05:33  作者:济南供电公司 崔海 鞠占园  来源:中国设计师网  
  •   为了改造农村电网,发展农村经济,提高农民生活水平,各地市供电公司扎实地开展农网规划与建设工作,加大了农网资金的投入,农网建设取得可喜的成绩。

    本文相关专题:聚焦农村配电网改造

    关键字: 农网

  1 引言

  为了改造农村电网,发展农村经济,提高农民生活水平,各地市供电公司扎实地开展农网规划与建设工作,加大了农网资金的投入,农网建设取得可喜的成绩。通过农网改造,合理选择开关设备等综合手段,农村配电网的设备陈旧老化、布局不合理、供电半径长、导线截面小、电能质量差、供电可靠性差、停电频繁、事故频发的状况大大改善了,电网结构趋于合理,供电能力明显增强,电能质量稳定,进一步提高了电网的安全运行水平和供电可靠性,推动了地方经济发展。

  2 农网10kV户外断路器的选择

  通常所述农网常用的10kV户外断路器有跌落式熔断器、柱上油开关、柱上SF6开关、柱上真空开关等。主要用于农村电网10kV线路联络线、主杆线、分支线和变电所出线及10kV开闭所进出线等场合。断路器的作用是投切和保护供电设备、关合短路电流。

  (1)跌落式熔断器:额定电流常为100A~200A,额定开断短路电流6.3kA,机械寿命额定电流开断2000次以上,能频繁操作。该产品结构简单、动作可靠、价格便宜。目前运行中有些产品质量较差,主要原因是由于个别生产厂家为了降低成本,进行价格竞争,导致质量下降。用户选购产品是应注重产品质量。

  (2)油浸断路器(柱上油开关):该产品是早期产品,断路器的开断能力差。目前,随着电网容量的扩大,多数油断路器开断容量不足,断路器的油易燃、渗漏,易造成二次事故。

  (3)SF6断路器:额定电流为400A、630A。额定开断短路电流为12.5kA、16kA。机械寿命额定电流动作2000次以上,额定开断短路电流开断次数30次~50次。无油、体积小、能频繁操作。但加工工艺和材质要求高、易漏气,开断后生成物有毒、污染环境。

  (4)真空断路器:额定电流为400A、630A。额定开断短路电流为12.5kA、16kA、20kA。机构寿命额定电流开断10000次以上,额定开断短路电流次数20次~100次,适合频繁操作。运行中主要问题是真空灭弧室表面闪络,分合时过电压。该产品无油、无污染、机械寿命长,日常维护工作量小,便于实现遥控和自动化,在选用时应优先使用。

  3 农网10kV户外负荷开关的选择

  农网10kV户外负荷开关的选择:10kV户外负荷开关主要用于农网配电线路的分段和故障隔离,具有承载分合额定电流能力,但不能开断短路电流,常见的有产气式负荷开关和真空、SF6负荷开关两种形式。

  (1)产气式负荷开关:是利用固体产气材料组成的狭缝在电弧作用下产生大量气体形成气吹灭弧,额定电流开断次数20次左右,运行维护工作量大,由于负荷开关故障率较高,在当前农网改造中已逐渐淘汰。

  (2)真空、SF6负荷开关:该产品参数与真空、SF6断路器相似,区别在于负荷开关不配保护CT,不能开断短路电流,但可以承受规定的短路电流,关合负荷电流,具有寿命长、易维护等持点。额定电流常为630A,额定短路关合电流40kA、50kA。机械寿命额定电流开断10000次以上,适合频繁操作,这也是目前农网改造中优先选用的负荷开关类型。

  4 农网10kV户外隔离开关的选择

  10kV户外隔离开关主要用于隔离电路、供电线路分闸状态有明显断口,便于线路检修时变换运行方式,能可靠地承载工作电流和短路电流,但不能分断负荷电流。产品有三极联动操作、单极操作两种形式。

  5 因地制宜,合理配置户外开关设备

  (1)无人值班变电所出线1#杆的开关设备配置

  无人值班变电所出线停电操作时间长,其原因是操作班的人员在路途花费的时间多,其次变电“五防”装置采用微机五防操作比较慢,因而偏远的变电所出线停役操作时间更长。为了解决线路检修停的矛盾,在变电所出线1#杆安装一组10kV户外真空负荷开关,当10kV出线检修时,监控班根据调度指令、遥控拉开变电所出线开关(热备用)后,线路检修人员拉开相应出线1#杆的负荷开关,即可进入检修工作。但也有一些别的方法,在变电所出线1#杆安装一组10kV隔离闸刀,根据变电防误操作要求“拉开闸刀前应核实相应开关确在断开位置”,而出线1#杆拉开闸刀时无法确认变电所内出线开关状态,故容易发生误拉闸刀,因此,出线1#杆配置负荷开关较为合适。

  (2)主干线开关设备的配置

  农网配电线路开关设备的配置同变电所有关,变电所的设计应按“小容量、密布点、短半径”的建设原则,变电所10kV出线供电半径一般不超过10km,供电负荷4000kVA左右为宜。主干线路的联络开关、分段开关可选结构简单、操作方便、价格便宜的真空负荷开关。

  (3)分支线开关设备的设置

  分支线开关设备的设置原则:当分支线有故障应不影响主杆线的正常运行,尽可能使主杆线少停电。目前部分农网配变和小容量的分支线几乎全部采用跌落式熔断器。对分支线的保护还有一种新产品即:带切负荷灭弧装置的跌落式熔断器可替代线路器操作,但使用后故障率很高,目前用户很少使用。

  一般分支线供电负荷超过500kVA的线路不宜安装跌落式熔断器,应采用断路器保护。分支线可选用一台具有过流保护功能的真空断路器和一组隔离刀闸同时配合使用,当分支线发生故障时能及时分闸,同时有明显断开点,便于分支线的日常检修。

  6 10kV柱上开关分类及其在农网中的选用

  6.1 10kV柱上开关分类

  (1)10kV柱上开关:按灭弧介质区分,经历了压缩空气型、磁吹型、产气材料型、多油型、SF6型、真空型等几个代表性阶段。20世纪50年代的多油断路器,由于三相触头同室,其灭弧介质和绝缘介质均为绝缘油,开断容量在1250A以下,开断故障电流时存在爆炸危险,随着技术的发展,已逐渐被淘汰。SF6断路器和真空断路器是20世纪80年代发展起来的产品,20世纪90年代在我国得到广泛的应用,成为取代油断路器的主导产品。其开断电流在16kA及以上,开断短路电流次数多达30次,10年~20年免维护。同时已具有加装电动操作和控制器,实现智能化和配网自动化的功能。

  (2)断路器:出现故障电流后按照整定电流和时间跳闸,一般配备电磁感应线圈和脱扣联动机构,既能开断,又能关合短路电流,开断故障电流能力较高,作为保护线路用。但因10kV柱上断路器存在保护级差问题,在实际运行中存在越级跳闸的现象。

  (3)重合器:有电流型重合器和电压型重合器两种。反应故障电流跳闸后能重合的,称电流型重合器,这种重合器既作保护跳闸用,又能实现1次~3次重合闸,将故障段从最后一段开始逐一淘汰,直到判别到故障段。因需多次重合故障电流,对电网冲击较大,同时分段越多,需重合的次数越多,时间越长,故分段一般不宜超过3段。重合器适用于农网分支线和辐射型线路。

  (4)另一种重合器在线路失压时跳闸,来电延时后合闸,称为电压型重合器。变电站内出线断路器需两次重合,完成故障区段隔离与非故障区段恢复供电,其中第一次重合为判别故障区段,依据各分段点开关合闸的情况,确定故障区段,并自动将故障区段两侧开关闭锁,隔离故障。第二次重合为恢复非故障区段的供电,全线馈线仅重合一次故障电流,完成故障区段隔离与恢复非故障区段的供电时间较长。

  (5)分段器:能记录故障电流脉冲次数,在无电压、无电流时,当故障电流次数达到预设值就自动分闸闭锁,构成电流脉冲计数型分段器。分段器大多与重合器配合使用,自动完成预期的分合及闭锁操作,具有检测与控制操动能力。

  (6)负荷开关:负荷开关仅在无电压无电流时才能断开,但可以关合故障电流,开断额定负荷电流,主要作为线路的分段。因造价低在集中式的配网自动化中采用。

  6.2 10kV柱上开关在农网中的选用

  6.2.1 选用原则

  所有故障都应获得作为瞬时故障处理的机会且避开涌流的影响,分闸后闭锁应仅发生永久性故障的情况,因分闸后闭锁而切除的线路区段应尽可能少。

  (1)根据负荷大小和线路长短,经济合理地安排和选择分段点及开关设备。农村长线路和分支线一般采用电流型重合器或分段器,以提高供电可靠性,环网供电网络可采用电压型重合器,具备通信的馈线可采用负荷开关。

  (2)根据安装地点选定额定电流、开断和关合短路电流及动、热稳定电流。短路电流一般应选择16kA以上,才能适应电网容量不断提高的要求。正确整定其保护配合,如跳闸电流、重合次数、分段器的次数预设、延时时间特性等。

  (3)电流型重合器与其他类型的重合器的配合应充分利用其快、慢的“双时”时间特性曲线,位于电源侧的重合器应至少1次的快速操作,其后的重合器有相同或更多的快速动作。而电压型重合器的延时时间整定应一级比一级延长(一般设置为7s)时间,环网供电中环网点的时间应大于每侧延时时间之和。重合器与分段器的配合,故障电流次数整定应一级比一级少。

  6.2.2 选用分析

  (1)农网线路若是架空线路,其容量不大,树害问题突出,在线路分段开关的选择上应以过流脱扣开关为主。在这些线路上,此类开关能有效地发挥作用,切除故障区段,保证非故障区段连续供电。

  (2)农网线路若是架空绝缘线路(包括架空与电缆混合线路),在线路分段开关的选择上应以断路器和负荷开关为主,因为这种线路瞬间故障的几率比较小,过流脱扣开关就失去了其作用。

  (3)农网线路若是纯电缆线路,在线路分段开关的选择上也应以断路器和负荷开关为主,因为这种线路瞬间故障的几率更小。

  经过近几年城农网改造,我国农网线路的绝缘化水平进一步提高,10kV农网线路抵御自然灾害的能力增强。随着农网线路容量增大,主线路的10kV柱上开关主要选用断路器和负荷开关,如果采用过流脱扣开关,这种开关都装有躲过合闸涌流的装置,即在10kV柱上开关从无压到有压的合闸瞬间内,躲过10kV配电线路激磁涌流;在城区负荷比较大的10kV配电线路上,合闸操作下一级开关时,若上一级开关在正常运行状态,就会引起上一级开关过流跳闸,给运行、维护人员造成线路有故障的假象,降低供电可靠性。其中,过流脱扣开关有一个弊端,对架空线路而言,变电站10kV出线开关的保护电流Ⅱ段一般时限为0.6s,客户端为0.3s,如果线路被这种开关分为几段,一方面没法实现时差配合,另一方面如果线路故障是瞬时故障,这种开关会过流脱扣,往往会跳到离该农网线路变电站出口近的柱上开关上。如果变电站出线开关(即10kV)重合闸动作成功,就只能恢复对全线路的第1段供电,而本线路2段、3段不能及时恢复供电,降低了供电可靠性;如果农网线路是永久性故障,这种开关来不及动作,变电站10kV出线开关保护优先动作跳闸,因为变电站10kV出线开关保护电流I段时限一般为0s。

  综上所述,如果农网线路容量比较大,线路绝缘化水平比较高,瞬时故障几率小,过流脱扣断路器在主线上分段就失去了其价值,应选用负荷开关;在故障较多、绝缘水平低的分支线上,选用过流脱扣断路器,如果支线有故障,从主线路上分离,也利于运行人员查找故障点。

  7 其他线路配套设施

  农网改造提升工作是一项综合的工程,不能仅仅局限于开关设备的选型和应用,还要统筹考虑线路配套设施的设备健康水平,从而起到“打好基础,互为依托,共同发展”的作用。为提高开关设备的安全可靠运行,还要注意以下几点。

  (1)中压架空线路主干线导线截面应采用240mm2,分支线截面应采用150mm2、70mm2。

  (2)架空线路应采用铝芯或铝合金芯交联聚乙烯架空绝缘导线,设计安全系数不应小于3,并在适当的部位装设验电接地装置,中压架空线路档距不宜超过60m。

  (3)中压架空线路应采用长度为12m、15m、18m的非预应力钢筋混凝土电杆,稍径为190mm、230mm。

  (4)受条件所限,转角杆、耐张杆可采用钢管杆,有抗风要求的区段且耐张段500m左右两端的耐张杆宜采用钢管杆,每5档直线杆宜设置一基钢管杆;交通不便地区可采用窄基铁塔,跨越自然生长较高的林木、竹林等区域可采用角钢塔。道路两边不应采用预应力型钢筋混凝土电杆,且应采取防撞措施,防止车撞脆断。

  (5)同一地区架空线路杆塔抗弯强度的选择宜一致,中压线路一般不小于I级。

  (6)对于绝缘线路的柱上开关、柱上隔离开关、避雷器、跌落式熔断器、柱上变压器的高低压接线端子及绝缘导线接续线夹应采用绝缘引线、绝缘罩等进行绝缘封闭。

  8 结论

  10kV农网开关设备的选择应根据线路容量、绝缘化水平、线路故障性质等合理选用不同类型的开关。如果线路绝缘化水平不高,瞬时故障较多,可以选择过流脱扣开关;在线路负荷密集、绝缘化水平高的主干线上,应选用负荷开关,避免操作时引起上一级开关因涌流问题引起跳闸,以进一步提高配电线路的供电可靠性。农网的安全、可靠、经济运行对于整个电网来说至关重要,随着电网技术提高和智能配电网的全面实施,与城网的差距会越来越小。通过综合治理,今后将农村电网规划纳入城镇总体规划中,以提高农网的运行管理水平,更好地为地方经济发展服务。

  作者简介

  崔海(1975- ),男,高级工程师,工程硕士,主要研究方向为城市中低压电网规划及智能配网自动化系统。

  鞠占园(1984- ),女,助理工程师,主要研究方向为城市电网改造及智能配电系统自动化。

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