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中高压开关设备的发展及其在工业企业的应用

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2010/6/4 14:20:37   

摘要:

  我国大型工业企业电源进线主要有35kV,66kV(东北地区),110kV和220kV(如特大型钢铁企业)四种电压等级。企业总降压变电站按一次设备可分为两种,一种是由分立器件如SF6断路器、隔离开关、互感器、避雷器等组成的传统变电站,其缺点是占地面积大,气候适应性差,故障率高;另一种是近几年随着技术的不断进步和产品价格的下降,出现了由金属封闭组合电器(GIS、PASS、C-GIS)或敞开式组合电器等组合电器组成的新型变电站。而真空断路器作为主流中压开关设备也早已大量应用于工业企业。本文根据作者使用的经验,对几种中高压开关设备及选用注意事项进行介绍,供同行参考。

  1、组合电器

  1.1 GIS

  1.1.1 GIS的特点

  六氟化硫绝缘金属封闭式组合电器,国际上称为“气体绝缘开关设备”(Gas Insulated Switchgeer),简称GIS。它是将一座变电站除变压器以外的一次设备,包括断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线等元器件组合封闭在接地的金属壳体内(仅把进出线套管或电缆终端裸露在外部)充以一定压力的SF6气体作为绝缘介质组成的成套开关设备。它有以下优点: 
  1小型化,如国产ZF—126系列三相共箱紧凑型GIS,最小间隔宽度为0.8m,标准间隔占地仅有2.9m2。一般220kV GIS设备的占地面积为常规设备的37%;110 kV GIS设备占地面积为常规设备的46%左右。
  2可靠性高。
  3安全性好,带电部分封闭在接地的金属壳体内,因而没有触电危险;SF6气体为不燃气体,所以无火灾危险。
  4环境适应性强,适用于环境条件恶劣(如严重污秽、冰雹、多风雪、多水露、高海拔、多地震等)地区。
  5灵活性强,可任意组合(即将一部分设备组合在GIS内部,另一部分仍采用传统分立器件置于GIS外部);可根据要求组成多种接线方式;既可室内也可户外安装。
  6安装周期短,GIS设备的各个元件通用性强,采用积木式结构,组装在一个运输单元中,运到施工现场就位固定。现场安装的工作量比常规设备减少了80%左右。
  7几乎免维护,更易于变电所无人值守。  

  1.1.2 GIS的结构

  GIS一般由实现各种不同功能的单元组成,称间隔,主要有进(出)线间隔、母联间隔、母线计量保护间隔等七种间隔,并根据用户的不同要求可实现线变组、单母线、单母线分段、桥型接线、双母线等不同的接线方式。下图是企业中常用的接线形式——线变组接线一次主接线图。

  GIS的气体系统可以分为若干气室,各气室分别由相应的密度控制器检测气体压力。

  GIS一般每个间隔设有一个就地控制柜,各元件控制、状态信号,各气室密度检测信号,以及电压电流互感器二次出线全部引到就地控制柜(汇控屏——LCP),并通过就地控制柜与主控制室相连。

  1.1.3 国内GIS的主要生产厂家

  GIS从上世纪60年代问世以来,一直处于发展之中,在保持高可靠性的同时减少材料用量和降低成本。从世界范围看,GIS以它的紧凑设计和模块系统可满足用户的不同要求。我国GIS生产始于“三大开”,1979年平高引进法国M.G制造技术,1985年西高引进日本三菱、沈高引进日本日立制造技术。目前产量较大的除“三大开”外,还有山东泰开、北京北开、如皋高压、上海华通等十几家。合资品牌有平高东芝、厦门华电、上海西门子、北京北开日新等。

  1.2 PASS

  目前高压开关设备在国际上从绝缘介质分共有三种类型:一种为空气绝缘开关设备(AIS),另一种为气体绝缘金属封闭开关设备(GIS),第三种为新出现的混合技术开关设备(MTS)。MTS是将多种电气设备组合在一起的单相组合电器,不带母线,利用出线套管通过软导线与敞开式母线连接。且由于出线套管为空气绝缘,因此它与AIS电气设备相间距离相同(如550kV为8m),不能缩小设备的间隔(横向)尺寸。这是它与带SF6气体绝缘母线、相间距离较小的GIS的主要区别。PASS就属于典型的MTS。

  1.2.1  PASS与GIS的比较

  PASS是ABB基于多年GIS制造、运行经验而生产出的一种新型产品——插接式开关系统(Plug And Switch System,简称PASS),它和GIS一样,采用SF6气体绝缘,但它是将断路器、隔离开关、接地开关、互感器组合安装在一个封闭接地的金属壳体内的单相组合电器,是 GIS的简化和改进。
简化之处:
  1省去供设备检修用的线路侧隔离开关一台和接地开关一台。 
  2 两台隔离开关和一台接地开关共用一个气室,三工位设计共用一个操作机构。
  3采用可控操作技术(CAT控制器),取消了断路器合闸线圈。

  改进之处:

  1、以先进的组合式电流/电压传感器,取代传统的电流互感器、电压互感器,不仅使体积大大减少,同时测量精度大为提高,另外该传感器还具有对自身SF6气体密度进行测量的密度传感器和储存传感器参数的可读写储存器的功能。

  2、断路器采用液压弹簧操动机构,可靠性高,含油量少(小于2L),无油压表和油管,与传统液压、气动、弹簧操动机构相比,体积大为减少。

  3、采用复合套管,具有以下优点
  内层使用由环氧树脂和玻纤浇铸成的管状支柱,保证机械和绝缘强度。
  外层包以硅橡胶,保证爬电距离。
  表面憎水性,防止形成潮气膜和固体沉淀,免除清洗工作。
  外部或内部闪络不会引起套管爆裂,套管重量减少40%。

  4、采用智能间隔和就地控制单元,每一PASS间隔配置1台就地控制柜,内设控制及保护单元,即将二次技术集成化。整个PASS的测量、保护、控制等功能就地完成,并通过总线接口及光纤与变电站综合自动化系统相连,与传统变电站相比,一个间隔连接线从200~500条减少至30~60条,降低80%。

  5、采用了预安装技术,整套设备在出厂前安装、调试完毕。设备运抵现场后,一个PASS间隔在数小时之内即可安装完毕,实现了“即插即用”功能。

  1.2.2  PASS变电站与其它变电站投资比较(仅供参考)

  1.2.3  PASS选用
  1、PASS共有三种型号。PASSM0:工作电压145kV,额定电流2500A,额定断开电流31.5kA、40kA;PASSM1工作电压300kV,额定电流3150A,额定断开电流40kA、50kA;PASSM2:工作电压550kV,额定电流4000A,额定断开电流60kA。
  2、所有的PASS都是单相设备,即其标准间隔都是单相的,三相线路是由三个独立间隔组成的,相间绝缘(间隔之间)与常规变电站一样是空气绝缘,而GIS大部分是三相共箱的,即在一个封闭的金属壳体内,相间绝缘是SF6。
  3、目前国内几家较大的代理商有云开电气,江苏华源,北京国电博纳,珠海泰坦科技等,正常均有成品库存,并且都承诺:如果PASS内部出现故障,则会提供一台新的成品供用户使用,然后把有故障的返回ABB在国外的工厂解体维修。

  1.3 C-GIS

  柜式气体绝缘金属封闭开关设备,国际上简称C-GIS或有称GIS,它是高压GIS产品向中压开关设备领域拓展而形成的新技术产品,是一种用于6~35kV或更高电压输配电系统以接受或分配电能并能对电力系统正常运行和故障情况下实行控制、保护、测量、监视、通讯等功能的新型开关设备。把GIS的SF6的绝缘技术、密封技术与空气绝缘的金属封闭开关设备制造技术有机地相结合,将各高压元件设置在箱形密封容器内,使之充入较低压力的绝缘气体,利用现代加工手段而制成的成套系列化产品称之为柜式气体绝缘金属封闭开关设备,简称C-GIS(Cubicle type Gas Insulated Switchgear),俗称的充气柜往往指的是C-GIS 与充气环网柜的统称。

  1.3.1 C-GIS的发展

  高压GIS 于上世纪60 年代走向实用化,而C-GIS在上世纪80年代初开始研制,90年代中期,在 24~36kV电压等级出现了以配真空断路器为主和方形密封箱体为主的产品,到了2000年左右,中压C-GIS的发展有了一个飞跃,一是采用计算机技术、传感技术使产品进入智能化时代;二是采用新型的固体界面绝缘插接技术,现场安装已开始不需要抽真空、充气;三是密封箱体采用薄不锈钢板焊接结构,并开始采用激光焊接技术。采用压缩空气作绝缘介质的24kVC-GIS问世,并在电网上运行。

  我国于1996年下半年由西高所组织六厂一所开始研制40.5kV C-GIS,2001年样机通过了全部型式试验。C-GIS近几年在国际上发展速度很快,形成了系列化、信息化的高新技术产品,逐渐成为金属封闭开关设备的一个重要分支。ABB、西门子、Alstom、日立、三菱等各大电气公司都有7.2~40.5kVC-GIS系列产品。

  1.3.1 C-GIS的结构特点
  1、尺寸小,节省安装空间。如国产40.5kV C-GIS,柜体结构为箱式单母线一或二气体隔室,柜宽800mm,深1500mm,高2300mm。
  2、气体压力低,经济。现在国外7.2~24kV C-GIS主要采用压缩空气,氮气绝缘,在40.5kV产品中仍然采用SF6气体绝缘。国产40.5kV C-GIS气体额定压力为0.04MPa(20℃时表压),相当于高压GIS的十五分之一到十分之一。
  3、免维护,有利于无人值守。由于压力低且采用激光或氩弧焊,气箱密闭性很好,气体年泄漏率一般小于0.1%,使用年限在于20年以上,能适应各种恶劣环境。
  4、安全性好。C-GIS解决了传统开关柜由于绝缘下降、接触不良及小动物入侵引起的三大类事故,同时由于电气和电缆的模块化插接技术可以防止接触带电导线,避免了由于误操作导致的危险。

  1.4 ZCW系列 敞开式组合电器

  由于GIS和PASS价格较贵,有些厂家(如山东泰开)又研制出以空气做外绝缘SF6气体作为灭弧介质的成套组合电器,用于三相交流输配电系统的控制与保护,亦可用于联络断路器及开合电容器组的场合。它的价格在GIS和传统器件之间,35kV,66kV,110 kV电压等级均有相应产品。其特点如下:
  ①将断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线等元器件组合有机地组合在接地的钢支架上,结构紧凑。
  ②其所占空间只有分体式的30%~50%,具有节约用地,减少工程造价等显著特点。
  ③整个间隔工厂预制,在出厂前完成装配及所有的调试并整体运输到安装现场,极大地缩短安装周期。
  ④断路器可整体下降检修或置换,本体故障停电时间最少可缩短至3小时以内。 
  ⑤布置灵活,可靠性高。
  国际上ABB瑞典工厂HPL型245-550kV组合电器、LTB型145-170kV组合电器(COMPACT)和意大利工厂LCW型145-170kV组合电器(COMPASS),阿尔斯通AIM-S型组合电器属于空气绝缘敞开式组合电器系列;西门子HIS型组合电器,三菱MITS型组合电器,东芝的GID型组合电器,阿尔斯通GIM型组合电器,ABB瑞士工厂PASS型组合电器均属于SF6气体绝缘金属封闭式组合电器系列。

  2、中压真空断路器

  2.1.1真空断路器的发展历程

  真空断路器是指触头在真空中关合、开断的断路器,它最初由英、美研究,随后发展到日本、德国和原苏联。利用真空介质来熄灭电弧的设想在19世纪末就已提出,20世纪20年代制造出了最早的真空灭弧室,但由于真空工艺、材料等技术水平限制当时并未实现实用化。50年代中期美国通用电气(GE)批量生产了额定断开电流为12 kA的真空断路器,才进入了实用化阶段;50年代末,由于发展了具有横向磁场触头的真空灭弧室,使额定断开电流提高到30 kA,为真空断路器广泛使用铺平了道路;70年代后,日本东芝研制成功了具有纵向磁场触头的真空灭弧室,使额定断开电流又进一步提高到50 kA,标志着真空断路器技术的成熟和完善。国外中压真空断路器到90年代中期占主导地位,现在在美国、日本、德国以及中国已占绝对优势地位,如日本90%以上,德国95%以上。我国70年代初已能正式生产真空断路器,现在是世界上中压真空断路器最大的生产国和使用国。据统计,我国2005年12kV电压等级中真空断路器产量为294204台,比上年增长23.64%,占总产量的97.32%,SF6断路器产量为8100台,与上年持平,占总产量的2.68%;在40.5kV电压等级中真空断路器产量为23817台,比上年增长71.4%,占总产量的73.26%,SF6断路器产量为8694台,比上年增长4%,占总产量的26.74%。

  2.1.2真空断路器的发展动向

  中压真空断路器趋向专用化和多功能化。今后将会在以下方面做出努力:
  ①高电压型,如72kV/84kV和126kV。
  ②大电流型,如发电机保护用真空断路器,额定电流高大6300A~12000A,断开电流80~160kA。
  ③频繁操作型,如电路炼钢用真空断路器,操作次数需要10万次甚至15万次。
  ④小型化。德国Calor-Emag公司新研制成的VC2型真空断路器,其12kV、20kA的真空灭弧室的触头直径仅为40mm,12kV、50kA真空灭弧室的触头直径为80mm。
  ⑤低电压型。目前国内已研制出了380V~1140V、额定电流1600A~3200A、额定短路开断电流30kA~80kA的低压真空断路器及其真空灭弧室。
  ⑥二次技术智能化。
  ⑦多功能化。如西门子新推出的NXAct型模块式真空断路器,即开断、隔离、接地、联锁等功能于一体;日立公司1998年就开发出具有四工位(合-分 -隔离-接地) 的24kV真空断路器。

  2.2真空断路器的型号分类

  我国行业标准规定,真空断路器的基本型号户内用ZN表示,户外用ZW表示,型号证书统一由西安高压电器研究所(西高所)颁发。目前,国内12kV真空断路器行业型号已达100多种,企业自定的型号也很多,生产厂家达几百家,所以评价、选用比较困难。下面从结构、相柱绝缘结构、操动结构、技术渊源、市场占有率五个方面进行分类介绍。

  2.2.1从结构演变看,可分为分体式和整体式
  ①分体式:悬挂布置或综合布置,断路器的灭弧室部分和操动机构为分体式,自身不带操动机构,在成套产品中与CD17B直流电磁操动机构及CT19B弹簧操动机构配合使用,主要用于固定式开关柜。典型产品如ZN28A系列 。
  ②整体式:断路器的灭弧室部分和操动机构设置在一个框架上,可靠性较高,典型产品如ZN12系列

  2.2.2从相柱绝缘结构看,可分为以下三种:

  有专家称“真空断路器的相柱绝缘结构经历了空气绝缘——复合绝缘——固封绝缘,这就形成了三代断路器”
  ①空气绝缘断路器:产品的相间绝缘、对地绝缘、灭弧室外绝缘均为空气介质,真空灭弧室多采用悬挂支撑方式。典型产品如ZN28-12,ZN12-12系列,西门子3AF、3AG、3AH等。
  ②复合绝缘断路器:断路器的灭弧室部分和操动机构设置在一个框架上,由一浇铸的绝缘框架或管状绝缘体支撑真空灭弧室,提高了相间和对地的绝缘,但灭弧室与外绝缘仍为空气介质。典型产品如VS1(ZN63),VD4(ZN64)系列。
  ③固封极柱断路器:其主要特点是采用APG工艺(环氧树脂自动压力凝胶工艺)将一次导电部分包括真空灭弧室、主导电回路(连同上下触臂的连接端头)用环氧树脂固封在绝缘筒内,基本解决了断路器外绝缘受环境影响的问题,为免维护创造了条件。固封极柱绝缘结构是真空断路器绝缘结构的重大变革,它最初是由ABB 德国Calor Emag公司于1997年为发展免维护真空断路器而开发的,之后世界上各著名电器公司都先后推出自己的产品。在国内,2003年7月西高所与厦门华电开关有限公司联合开发的ZN96(VEP)-12/1250-31.5固封式真空断路器率先通过国家级鉴定。

  2.2.3按操动机构,可分为电磁式,弹簧式、永磁式三种。有专家称,真空灭弧室是真空断路器的心脏,操动机构是真空断路器的神经中枢。
  ①电磁操动机构:该产品适用历史最悠久,优点是结构简单、零件数量少(约120个)、工作可靠、成本低,缺点是合闸线圈消耗功率大、结构笨重、动作时间长,市场占有率逐渐减少。典型产品如CD17操动机构。
  ②弹簧操动机构:此种机构目前用量最大,它是利用已储能的弹簧为动力来操动断路器的,弹簧储能使用功率较小的电动机且交直流两用。其缺点是结构复杂,零件数量多(200多个)。它可分为配装式和一体式,配装式弹簧操动机构有单独型号,可配不同型号的真空断路器,如CT17、CT19型机构,可配ZN12型、ZN28型断路器。一体式指弹簧操动机构与真空断路器本体构成一体式,机构本身一般没有单独型号,如VD4型、ZN63A(VS1)型、V2000(ZN56)型等断路器均配一体式机构
  ③永磁操动机构(PM):它是电磁系统和永磁系统的完美结合,它采用电磁铁驱动,永久磁铁锁扣,电容器组储能并且用电子器件(逻辑单元)控制。其特点是操动机构零件数量与弹簧机构相比下降60%以上,寿命提高3~15倍(可达30000 ~150000次)。永磁操动机构可分为双稳态和单稳态。双稳态的合闸和分闸位置的保持均有永久磁铁来完成,双稳态结构内又可分为双线圈式(如ABB的VM1型断路器)和单线圈式(如Alstom的HVX型断路器)两种。单稳态的合闸位置保持仅有永久磁铁来完成(如TEL的ISM型断路器)。国际上,瑞能特(TEL)于1974年首创配永磁机构的真空断路器模型,1989年投放市场,1993年在荷兰KEMA试验站(世界上最大的中立试验站)通过了型式试验。

  2.2.4 按技术渊源分

  在我国,高压开关设备型号由西高所负责颁发。产品型号证书分型号颁发证书和型号使用证书。型号颁发证书发放的对象是国内首次研制开发的新产品,颁发新的设计序号;型号使用证书发放的对象是转厂或批量生产该型号产品的单位。真空断路器按技术渊源可分为:
  ①自行设计的产品,如ZN28-12、ZN15-12 、ZN30-12等。
  ②在借鉴国外同类产品基础上自行研发的产品,如ZN63A-12 (VS1)参照ABB VD4型,ZN65-12参照西门子3AH型。
  ③引进技术并国产化的产品,如
  ZN12引进西门子3AF系列,            ZN67引进三菱VPR系列,
  ZN51引进西门子3AG系列,             ZN21引进比利时EIB VB-5系列,
  ZN18引进东芝VK系列,               ZN64引进ABB VD4系列。

  ④国外品牌产品,如
  3AF、3AG、3AH、3AS——西门子产品,   Power/Vac VB2——上海通用电气产品,
  VD4 ——ABB产品,                     HS——上海富士产品,
  HVX——Alstom(阿尔斯通)产品,        VK ——宁波东芝产品,
  Evolis——梅兰日兰(施耐德)产品,   VPR——三菱产品

  2.2.5按市场占有率分

  据2005年产量统计,按市场占有率分可分为三类。第一类,VS1,VD4型市场占有量最大(约占50%以上),制造厂家也最多(约占56%); 第二类如ZN28型仍有较大影响,约占14%;第三类产量较少,生产厂家也不多,年产量在1000台以上的有ZN51, ZN68, ZN18, ZN21 ,ZN22, ZN48, ZN55,ZN69等。

  2 .3 中压真空断路器的选用
  ①坚持“质量第一、比质比价、择优选厂”的原则。
  ②应选择那些制造技术先进、产品质量稳定、覆盖面广、业绩良好的企业。2005年国内中压真空断路器产量在10000台以上的企业有:厦门ABB、华仪电器、陕西宝光集团、常州森源、陕西宝光集团电器厂、浙江日升。  
  ③选择产品时,应选择市场占有率高、技术先进的产品。对厂家首先要看三证(产品型式试验报告、鉴定证书、产品型号证书)是否齐全。
  ④根据使用环境选择,如恶劣环境可选固封极柱断路器。
  ⑤根据电网工况和使用情况选择,如很多企业10/0.4kV配电变压器都选用额定电流为1250A,断开电流31.5kA的断路器,比实际需要量大10倍以上。严重浪费,其实630A断开电流16kA或20kA的就已绰绰有余。
  ⑥根据负荷情况和断路器寿命选择。工业企业变压器使用情况操作频次与电力系统类似,即一般复合绝缘结构的断路器(寿命10000次)就已足用了,但对中压电动机就有些小了,可选寿命30000次的产品。而对电抗器和电容器最好采用专用型断路器。

  参考资料
  1、李建基编著. 高压断路器及其应用. 北京:中国电力出版社,2004
  2、平高、沈高、山东泰开、北京国电博纳、珠海泰坦科技等公司产品样本
  3、李建基. 我国电网建设与高压开关设备. 机电技术培训网
  4、周云波 张宗九. 真空断路器的技术进步及其选用 高压开关网 2006.06
  5、丁益  裴军 .真空断路器的发展及特点   高压开关网 2007.03
  6、C-GIS原理与设计  工业电器网   2007.8

来源:营口天瑞水泥有限公司
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