周百鸣

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 引 言

在电力系统中，高压回路开关柜装置占据着重要地位，高压回路开关柜完好与否，对于供电系统的安全、稳定运行有着直接影响[1]。在水电站运行过程中，高压回路开关柜尤为重要，为了保证水电站供电的可靠性，以及水电站的用电安全，提高供电效率，对高压回路开关柜进行合理配置成为了至关重要的环节，也是保证变压器等设备满足实际运行需求的关键[2]。作为影响电力系统稳定运行的重要因素之一，高压回路开关柜选型的要求较为严格，既要满足用电环境的用电需求，又要实现节约能源的效果[3,4]。在社会经济高速发展的背景下，大幅提升的社会生产能力带来的最直接的影响就是所需电力资源大幅增加，又由于煤炭资源整体表现出了相对匮乏的情况，供需不平衡现象成为了电力系统必须解决的问题[5]。针对此，通过选择合适的高压回路开关柜装置降低电力损耗成为了节约用电的关键途径之一，也是提升设备工作效率的重要基础[6]。

针对此，本文提出考虑供电可靠性的水电站厂用电高压回路开关柜选型研究，在对高压回路开关柜进行选型设计的过程中，充分考虑了设备的基础运行情况，按照符合国家相关标准要求，从技术性、适用性、运行可靠性、维修方便性以及节能性多个方面实现对回路开关柜的选型，在极大程度上满足水电站高压回路开关柜的实际用电需求。

1 水电站厂用电高压回路开关柜选型设计

1.1 基于供电流量需求的母线选型

供电流量需求在回路开关柜母线中主要以导体载流量为表现形式，在微观上体现母线可持续通过电流的能力[7]。本文进一步分析了载流量的本质，在回路开关柜运行的过程中，母线导体中有电流通过时，会产生一部分热量，该热量的主要转移途径分为2 种，其中一种是提升母线导体本身的温度，以散失到母线周围的环境介质中，热量具体的分配是以动态的形式进行的，对应的分配标准是导体发热达到稳态状态[8]。针对此，本文结合开关柜内母线的散热方式，从辐射及对流2个角度分析了影响导体载流量的因素构成[9]。在导体材料确定的前提下，导体允许温度及导体周围环境温度是主要决定导体载流量大小的因素。在此基础上，结合水电站厂用电期间对应的高压回路开关柜运行频率一般在50 ～60 Hz，裸铜母线在矩形截面、水平走向、最大面垂直排列状态下运行时，对应的工作电流和功率损耗之间的关系如表1 所示。

表1 裸铜母线运行参数关系

结合表1 中的数据信息可以看出，随着裸铜母线规格（宽度×厚度）的不断提升，其工作电流呈现出逐渐加大的发展趋势。不仅如此，在一定程度上，裸铜母线的功率损耗并不与截面积之间存在直接关系。而且，通过调整裸铜母线的应用方式（单线母线或双线母线），工作电流的提升幅度大于功率损耗的提升幅度。

但是需要特别注意的是，上述参数成立的基础是回路开关柜内环境温度低于导体工作电流值额定温度。而在实际的工作环境中，回路开关柜内的温度和空气温度是不稳定的。针对此，本文在上述基础上引入了工作电流修正系数，确定了在不同温度工况下裸铜母线的实际工作电流参数。具体的修正系数如表2所示。

表2 不同温度工况下裸铜母线工作电流修正系数

结合表2 中所示的裸铜母线工作电流修正系数，实际的裸铜母线工作电流值即为修正系数与表1 中对应裸铜母线运行电流参数的乘积。对于高压回路开关柜而言，运行期间铜母线长期允许温度需要控制在70 ℃以内，因此本文在选择修正系数时以裸铜母线温度为70 ℃列的数据为基础进行选择。其次就是对于高压回路开关柜周围空气温度的选择，一般情况下，需要控制在40 ℃以内，但是由于温度是动态的，且与客观环境温度是存在差异的，因此本文以实际水电站高压回路开关柜的最高空气温度作为计算基准，以保障其在供电阶段的可靠性。

按照这样的方式，结合实际水电站的用电量需求，实现对母线的针对性选型，在确保对应的工作电流能够满足供电需求的前提下，最大限度降低功率损耗[10]。

1.2 一次元件设计选型

在回路开关柜进行选型设置时，考虑到电流的输送是必须要兼顾的因素之一。针对此，本文结合1.1章节对于高压开关柜内母线的选型，对一次电器元件类型展开了设计选型，并综合考虑了应用要求。首先是对真空断路器选择。本文将VSG1-12 型户内高压真空断路器作为最终的应用设备，VSG1-12 不仅可靠性较高，而且机械寿命也相对较长。在技术参数范围内正常使用时，电网任意状态下的操作需求均可得到满足。表3 为其主要的技术参数。

表3 VSG1-12 型户内高压真空断路器技术参数

按照《交流高压断路器》（GB 1984—2014）规定，高压真空断路器在不同温度下需要应用不同的额定修正系数。可确定在不同温度工况下，高压真空断路器的修正系数，如表4 所示。

表4 不同温度工况下高压真空断路器修正系数

VSG1-12 主体部分设置阶段，以APG 工艺浇注的环氧树脂绝缘筒为载体，借助这种结构，可以使得外力冲击、污秽环境等外部因素对于VSG1-12 的影响降到最低。VSG1-12 主体安装在断路器框架后部，与操动机构连接，形成一个整体。图1 为其具体的构成情况。

图1 VSG1-12 型户内高压真空断路器主要结构

VSG1-12 在合闸位置时，主回路电流路径中，电流的起点为上出线座经动触头，通过导电夹，软连接，下支架，最后以下出线座为输出终点。在从动机构上，操动机构为弹簧储能操作机构，由一个或数个脱扣电磁铁组成分闸单元件。合闸所需能量由合闸弹簧储能提供。执行储能操作时，可以分2 种模式进行，包括外部电源驱动电机执行以及使用储能手柄手执行。在具体的运行阶段，链轮传动系统在电机输出轴的带动下，通过涡轮、蜗杆进行储能。

2 应用测试

2.1 测试环境

在对本文提出的考虑供电可靠性的水电站厂用电高压回路开关柜选型方式实际应用效果进行分析阶段，以某实际的水电站厂用电情况为基础，采用对比测试的方式分析了其供电效果。其中对照组为水电站原有的高压回路开关柜配置以及文献[7]提出的高压回路开关柜选型方法。在此基础上，对水电站厂用电情况的相关数据进行分析，其中日用电量峰值为9 060 kW，最低值为6 500 kW，用电峰值持续时间为3.0 h。在此基础上，分别采用3 种方法开展回路开关柜选型，并测试对应的供电数据。

2.2 测试结果与分析

在上述基础上，设12 kV 高压开关柜的额定电流是1 000 A，安全系数为0.9，分别统计了不同回路开关柜作用下，水电站厂用电需求的供应情况，分别提取了单日用电需求与供电负荷差异的极值，并计算单日累计值。单日用电需求与供电负荷差异的累计值是每小时计算一次，然后将各个时间点的差值相加得到。在某一时间点（如整点）记录下当前的用电需求和对应的供电负荷值。将当前的用电需求和供电负荷相减，得到当前时刻的差异值。将1 h 内所有记录的差异值相加，得到单日用电需求与供电负荷差异的累计值。当新的一天开始时，将差异值累计值清零，重新开始记录。得到的数据结果如表5 所示。

表5 单日用电需求与供电负荷差异统计表 （单位：kW）

结合表5 中的测试结果可以看出，在3 种不同回路开关柜的作用下，测试水电站对应的单日用电需求与供电负荷差异表现出了明显的不同。其中，在水电站原始回路开关柜的作用下，出现供大于求的差异程度最大值达到了96.44 kW，供不应求的差异程度最大值达到了68.44 kW，均造成了不同程度的资源浪费和供电异常问题。在文献[7]回路开关柜的作用下，虽然出现供大于求和供不应求的差异程度均出现了明显下降，但单日累积仍处于较高水平。相比之下，在本文选取回路开关柜的测试结果中，出现供大于求和供不应求的差异程度最大值分别仅为55.30 kW 和12.39 kW，单日累积也明显下降。测试结果表明，本文提出的考虑供电可靠性的水电站厂用电高压回路开关柜选型研究具有良好的实际应用效果。

3 结 论

无论是从用电设备的安全角度考虑，还是从经济性能角度考虑，结合高压回路开关柜的运行环境以及负荷状态，合理选择符合标准的高压回路开关柜型号都是极为必要的。在此基础上，本文提出考虑供电可靠性的水电站厂用电高压回路开关柜选型研究，综合应用环境的客观需求，分别从多个角度开展了对高压回路开关柜的选型研究，有效提高了水电站厂对于电力资源的有效利用率，降低了电力方面的成本开销，具有良好的实际应用价值。