中壓開關(guān)柜長期以來，一直采用粗放式生產(chǎn)，產(chǎn)品同質(zhì)化高，雙碳目標(biāo)下需要產(chǎn)品采用低碳可降解材料、材料使用量要少、材料利用率要高、產(chǎn)品全生命周期資源消耗少，通過產(chǎn)品精細(xì)化設(shè)計，不僅可以實現(xiàn)產(chǎn)品的低碳化，還有利于延長產(chǎn)品的使用壽命、降低產(chǎn)品的成本，獲得更多的市場利益。
施耐德授權(quán)法騰電力生產(chǎn)MVnex中壓開關(guān)柜
雙碳目標(biāo)下，中壓開關(guān)設(shè)備向著環(huán)境友好型、緊湊可靠型、智能感知型方向發(fā)展。目前，中壓開關(guān)柜同質(zhì)化高，斷路器極柱、觸頭盒、套管等絕緣件使用市場上的配套環(huán)氧樹脂材料澆鑄的產(chǎn)品；導(dǎo)電回路采用高導(dǎo)電率銅，根據(jù)方案配置、電流等級所決定的銅排數(shù)量、使用長度等基本一致；柜體等結(jié)構(gòu)件采用鋼板，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式、尺寸決定了材料的用量。傳統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備成本、性能相近，粗放型設(shè)計、生產(chǎn)已經(jīng)不適應(yīng)低碳目標(biāo)的要求，產(chǎn)品精細(xì)化設(shè)計體現(xiàn)在通過技術(shù)革新，采用先進(jìn)的技術(shù)、綠色生態(tài)產(chǎn)品設(shè)計，減少產(chǎn)品生命周期內(nèi)每個環(huán)節(jié)的碳排放，不僅可以使產(chǎn)品不含有對環(huán)境污染、難降解的材料，還可以減少有色金屬等材料的使用，實現(xiàn)成本上優(yōu)化、性能上提升，助力企業(yè)碳達(dá)峰、碳中和轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)配電設(shè)備向中高端邁進(jìn)的目標(biāo)。
1. 絕緣系統(tǒng)
環(huán)氧樹脂生產(chǎn)效率低，澆鑄過程消耗大量能量，產(chǎn)品壽命終結(jié)時拆解困難，只能通過填埋等手段處理，因此從環(huán)境友好型產(chǎn)品來說，環(huán)氧樹脂絕緣系統(tǒng)不是好的選擇。環(huán)氧樹脂在開關(guān)柜中大量使用，一臺空氣絕緣可抽出式12kV 1250A 31.5kA開關(guān)柜環(huán)氧樹脂重量約為87kg，占開關(guān)柜總重量的17%。其中主要有觸頭盒、絕緣子、穿墻套管總重21.75kg、斷路器固封極柱12.48kg、電流互感器22.65kg、電壓互感器30.45kg。
1.1斷路器極柱
固封極柱是將真空滅弧室、上下連接端頭等完全澆鑄在環(huán)氧樹脂中，與組裝式或開放式結(jié)構(gòu)比較，主要優(yōu)點包括機械強度高，減少環(huán)境、濕度和機械力的影響，小巧、結(jié)實，整體模塊化結(jié)構(gòu)可方便地實現(xiàn)快速安裝。固封極柱的缺點也比較明顯，散熱困難，由于滅弧室上下連接完全密封在環(huán)氧樹脂中，特別是下部的動連接發(fā)熱很大，環(huán)氧材料的導(dǎo)熱性又比較差，因此熱量累積在極柱內(nèi)部不易散出，特別是大電流斷路器極柱頂部采用散熱器，3150A的極柱需要特殊設(shè)計散熱風(fēng)道才能在自然風(fēng)冷情況下通過溫升試驗，另外滅弧室出現(xiàn)故障需要整體更換，環(huán)氧樹脂與滅弧室、銅件之間拆解十分困難，整體填埋造成浪費。
(1）工程塑料極柱，可減少極柱重量約35%，通過降低材料的密度（12%），大幅提高絕緣強度（約50%）、機械剛度（約100%）和機械強度（300~400%），從而達(dá)到質(zhì)量減輕的目的，同時縮小了固封極柱的體積。由于熱塑性材料生產(chǎn)效率高，全自動化生產(chǎn)，質(zhì)量也有所提高。
(2）開放絕緣筒式極柱，采用DMC材料澆鑄而成，材料可回收再利用，特別是對于大電流極柱，可以有效的降低上下導(dǎo)電件的銅的使用量，散熱性好。
1.2 電流互感器
電流互感器（CT）的功能是將大電流變換成小電流，或高壓電流變換成低壓電流(1A或5A)，供計量、檢測儀表和繼電器保護(hù)裝置使用。電流互感器的工作原理與電力變壓器相似，有鐵芯、初級線圈等結(jié)構(gòu)元件。初級、次級線圈中電流之比近似地與其匝數(shù)成反比。使用時，初級線圈串聯(lián)于被測量電流的電路中，而次級線圈則與量測儀表及繼電器的電流線圈串聯(lián)。在中壓開關(guān)柜中普遍使用LZZB型環(huán)氧支柱型電流互感器，三個LZZBJ9-12型電流互感器重量達(dá)63kg，完全去除導(dǎo)體、鐵芯、線圈等環(huán)氧樹脂重量達(dá)到22.65kg，電壓互感器環(huán)氧樹脂重量達(dá)到30.45kg。隨著現(xiàn)代微機保護(hù)的應(yīng)用，電流互感器已不需要與高的二次負(fù)載匹配。
(1）穿芯式電流互感器
低壓穿心電流互感器是通過將一根導(dǎo)體穿過互感器的中心孔而實現(xiàn)對電流的測量和監(jiān)測，即互感器不具有一次繞組，二次繞組纏繞在鐵芯上即可實現(xiàn)測量。
穿心式電流互感器具有重量輕、尺寸小、使用靈活、安裝方便等特點， 可以輕松實現(xiàn)4個以上二次繞組安裝，對于特殊應(yīng)用如如發(fā)電機出口保護(hù)，A/C兩相裝3個二次繞組，B相增加1個發(fā)電機勵磁接地保護(hù)共4個繞組，環(huán)氧支柱式CT很難滿足要求；對于多變比的時候，同一相母線上需要安裝不同變比的CT；需要PX級保護(hù)應(yīng)用，PX級是一種低漏磁型互感器，一般用于1A或者1A以下的變比，主要應(yīng)用于在高阻抗差動保護(hù)方式中，由于規(guī)定了拐點電壓等數(shù)值，這類互感器一般尺寸較大；高動、熱穩(wěn)定值的開關(guān)柜，環(huán)氧支柱式CT小電流變比的一般動熱穩(wěn)定值較低，而穿心CT 不受主回路動、熱穩(wěn)定影響，可以滿足要求。
船用開關(guān)柜特殊應(yīng)用示例如下：A/C相各3繞組：600/1 0.5級、600/1 5P20 15VA、1200/1 PX級，B相4個繞組：600/1 0.5級 、600/1 0.5級 、600/1 5P20 15VA、1200/1 PX級；采用環(huán)氧支柱式二次繞組數(shù)量多、變比不同，需要PX級的保護(hù)繞組。低壓穿心電流互感器一般應(yīng)用于720V及以下開關(guān)設(shè)備使用電流互感器，其絕緣水平一般是工頻耐受電壓3kV 1min，雷電沖擊耐受電壓10kV。而中壓開關(guān)設(shè)備是1000V 以上的設(shè)備，一般的 10kV開關(guān)柜的耐壓水平是42kV 1min，雷電沖擊耐受電壓75kV，穿心互感器用于中壓設(shè)備必須解決絕緣問題。
中壓開關(guān)柜使用穿心互感器主要有以下幾種方式：
a. 絕緣套管安裝，如環(huán)網(wǎng)柜、充氣柜等CT 安裝在出線套管上，還有如美標(biāo)開關(guān)柜CT 套在一次觸頭盒前部，一般每相上、下觸頭盒各套2個，共計4個，也有把美標(biāo)一次觸頭盒安裝在板的上部套CT的設(shè)計；
b. 絕緣母線安裝，CT安裝在絕緣的母線上，母線有接地或半導(dǎo)體金屬屏蔽，也有安裝在觸頭盒后部的加長絕緣棒上；
c. 電纜安裝，CT 套在一次電纜上，適用于小電流場合，如環(huán)網(wǎng)柜的出線電纜上套的CT較為常見。
(2）電子式電流傳感器
電子式電流傳感器采用低功耗線圈，如羅氏線圈，直接輸出小電壓信號，無二次開路危險，精度高、無飽和、頻率范圍寬、線性度好，在系統(tǒng)故障狀態(tài)下可使保護(hù)裝置可靠動作。羅氏線圈如圖1所示，體積小，電流傳感器安裝在一次觸頭盒的前部，方便安裝和維護(hù)。不采用鐵芯，可以實現(xiàn)全范圍電流測量，從幾十安到幾千安培，無需更換，無磁飽和現(xiàn)象。相比于傳統(tǒng)環(huán)氧澆鑄型電流互感器，體積減少90%，重量減少95%以上，極大的節(jié)省了空間，以及避免了環(huán)氧樹脂等熱固性、無法回收利用的材料使用，低碳環(huán)保。
低功率電流傳感器符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20840.8互感器第8部分：電子式電流互感器，輸出信號225 mV，精度等級0.5、1或3，以及5P10、5P20，額定負(fù)載≥20千歐姆。
同樣還有零序電流傳感器，用于接地故障檢測的傳感器，與微機單元配合實現(xiàn)接地故障的保護(hù)。
1.3 電壓互感器
同樣對于環(huán)氧澆鑄式電壓互感器，環(huán)氧樹脂材料用量多，體積大。電子式電壓傳感器采用電阻、阻容分壓式傳感器，成本低、精度高、體積小、重量輕，受環(huán)境影響小，無二次短路危險，圖1所示電壓傳感器和絕緣子尺寸相同，可以方便安裝。電壓傳感器做成絕緣件形式，實現(xiàn)了功能的組合。傳感器具有雙精度等級，輸出信號可同樣用于測量、保護(hù)和接地故障檢測。傳感器的輸出引線直接連接到輔助設(shè)備。
低功耗電壓傳感器基于電阻分壓的原理。它由兩個電阻元件組成，對輸入信號進(jìn)行分頻，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)輸出值。
電壓傳感器實質(zhì)是電阻分壓器，提供3.25 V/√3額定初級電壓。傳感器的輸出直接連接到輔助設(shè)備。
低功率電壓傳感器符合GB/T 20840.7互感器第7部分:電子式電壓互感器標(biāo)準(zhǔn)，一次電壓高達(dá)30kV，二次電壓3.25 V/√3，精度等級0.5、1或3 P，額定負(fù)載200千歐±1%精度。
電子式互感器的誕生是互感器傳感準(zhǔn)確化、傳輸光纖化和輸出數(shù)字化發(fā)展趨勢的必然結(jié)果。它具有體積小、重量輕、頻帶響應(yīng)寬、無飽和現(xiàn)象、抗電磁干擾性能佳、無油化結(jié)構(gòu)、絕緣可靠、便于向數(shù)字化、微機化發(fā)展等優(yōu)點。相較于傳統(tǒng)的電流互感器，電子式電流互感器通常具有更高的帶寬，適用于諧波含量較大電流的基波及諧波測量。為了準(zhǔn)確測量功率，還可以采用電壓、電流組合式電子式互感器，因為組合式電子式互感器可以更好的控制電壓電流信號的相位差提高功率測量的準(zhǔn)確度。電子式傳感器可以實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化設(shè)計，減少材料的使用，低碳環(huán)保。
