环网柜及其发展趋势

环网柜及其发展趋势

王艳举 1，曹帅 1，郭朋彦 2

1. 华拓电力装备集团有限公司，河南平顶山 467000

2.华北水利水电大学机械学院，河南郑州450045

【摘要】：环网柜因具有较好的安全性和可靠性而在输配电系统中得到了广泛的应用。本文首先介绍了环网柜的功能及用途，并简要分析了环网柜的工作原理、分类、型号和组成，最后讨论了环网柜的发展趋势。

【主题词】环网柜；功能；组成；发展趋势

随着电子、通讯、网络以及计算机等技术的发展，电气设备的智能化与自动化程度逐年升高，使用自动化控制系统将电力设备的运行数据记录下来，进行统一的事故监测，并对其进行控制和保护，已成为一种必然发展趋势。环网柜就是在这种趋势下，发展起来的一种输配电网络设备。

1. 环网柜的功能及用途

环网柜（Ring Main Unit）环网柜主要应用于工厂企业、城市住宅区、大型高层建筑的中心配电站以及各类箱式变电站。其主要作用是联系环网线路，且由两个核心部件熔断器与负荷开关室构成保护回路，用来保护变压器、限制短路电流，并降低变压器承受突发短路电流故障的概率，提高环网线路的供电可靠性。这种设备在短时间内广泛应用于各个行业，其优点在于不需要高频次的对负荷开关进行操作，结构简单，体积小，因无油化降低了消防隐患，在保证长时间持续稳定供电的情况下又有相对较低的造价与运维费用。

图1 环网柜示意图

环网柜作为环形网络电源和终端电源的重要输配电设备。环网柜具有进线和馈线功能、保护功能、总线段功能、电压互感器功能等；常规电网已经在配电变电站一级具有远程监视和控制功能。除了上述四种功能外，在环网柜的辅助开关设备中，一般会设置有远程监视和控制功能，以便达到更加智能和快捷的操作及修复作业^[1]。

2. 环网柜的工作原理

如图2所示，环网即环形网络，通常是指环形配电网络，它是由电源干线形成的一个闭环。供电电源一直向外部环形干线提供电源，配电支路也同时连接在环网干线上，进行取电。这样做的好处是，每个配电分支都可以从其左主干线和右主干线中取电；当故障出现在右主干线时，它可以从左主干线取电，反之亦然。所以，即使主电源是单电路电源，但是，从每个配电分支，也可以获得类似于双电源的好处，从而提高了电源的可靠性。

图2 环网示意图

由于环网柜的额定电流不大，所以环网柜的高压开关一般不使用结构复杂的断路器，而是使用结构简单的开关，一般采用高压熔断器的高压负荷开关。环形主机使用负载开关操作正常电流，并使用保险丝切断短路电流。保险丝和负载开关共同作用，在一定的容量下取代了断路器。

这种开关设备也可以用在非环形网络结构的配电系统中，因此，随着这种开关设备的广泛应用，“环网柜”已经跳出了环形网络配电的范畴，通常指的是负荷开关。于是形成了以负荷开关为主开关的一类高电压开关柜^[2]。

3.环网柜的分类及型号

3.1 环网柜的类别

环网柜：一般有五种分类依据，负荷开关型式、整体结构、安装场所、气箱结构以及绝缘材料的类型。①开关设备：按照负荷开关形式的分类方式分类，主要有负荷开关、气体绝缘金属封闭开关和断路器开关。②整体结构：根据整体结构可分为美式和欧式。③气箱结构：根据气箱结构分为共箱式和单元式。④依据安装场所可分为户内环网柜和户外环网柜。⑤绝缘材料：按绝缘材料类型分别有固体、空气以及六氟化硫（SF₆）绝缘式。

美式环网柜一般是户外设计，它体积小，具有免维护的优点，电缆附件采用美式欧式均可。美式环网柜多采用共箱式设计，多路进出线在一个箱体中，结构紧凑，可靠性高，开关组合方式灵活。外壳多采用不锈钢，或采用绿色箱体，坚固的内外壳体具有抗外力撞击和防爆性能强。这种类型的环网柜的电缆连接件多采用全封闭预铸形式进出线电缆，安装方便，连接稳定。

共箱型欧式环网柜的壳体由独立的功能小室组成，如主母线、负荷开关、组合电器单元都独立成室；充气隔室用3.0mm不锈钢板氩弧焊连接而成。负荷开关及母线连接均密封在SF₆气体里；组合自由，扩展方便。

气包型欧式环网柜采用独特的开关设计，使用不锈钢制成的负荷开关壳体将柜体分为不同的小室，组合自由，扩展方便。负荷开关的密封方式与普通欧式环网柜一致。壳体采用不锈钢经冷锻压工艺加工而成，保证了产品的高质量。

3.2 环网柜的型号

环网柜型号的一般格式为：（H）XGW/N□-12（F或F·R）/630-20。这些字母均为汉语拼音首字母，其中，X代表箱式，G代表固定式，W代表户外，N代表户内，F代表主开关配负荷开关，F·R代表主开关配负荷开关及熔断器，有时会在第一位标出“H”，代表环网柜的意思。

4.环网柜的组成

环网柜主要由四部分组成，分别为开关室、操动机构室、熔断器室以及电缆室。

4.1 开关室

开关室不是只分布在金属壳体内的部分空间，而是由其内部的各个回路再加上回路间的共通线路（即母线）等组成，所以，其实开关室在金属壳体内分布较为分散。

壳体一般是通过焊接钢板来制造，如冷轧钢板或者不锈钢板，以此达到一定的坚固度。壳体内功能回路很多，但总体上均由负荷开关以及接地开关组成。负荷开关通常包括竖直上下移动的动触头以及处于靠下位置的静触头。打开开关闸后，动触头向下移动与静触头接触，此时负荷开关便接通了。而环网柜中一般使用氩气内吹式负荷开关，它拥有较强的灭弧能力，且触头采用弧触头，比一般触头的开断次数要多，也是大容量电容器组的常用结构。接地开关是用于释放设备和电路的静电荷，以此保护检修人员的人身安全，其构成部件主要为静触刀和动触刀，在弹簧的帮助下使得接地开关能够迅速接通。在整个壳体上有多个工艺孔开在开关室周围，柜子前方也设置有观察窗，使工作人员在操作前可以清楚观察到接地开关接通与否。

4.2 操动机构室

操动机构与熔断器类似，其发挥功能也要与功能回路相配合。为了进一步保证安全与稳定，一般设计为双操动机构，除了一个人力储能机构之外，还会装配一组电动充能机构。接地开关与负荷开关设计要求相同，也需要相应地配置有人力储能弹簧操动机构。在正面的操作室面板上，留有接地开关操作孔，并安装了负荷开关的旋转按钮，均用于合闸与分闸操作，同时也安装了电动操动机构的操作按钮以及分闸合闸的位置指示灯。此外还设有加锁装置、开关状态显示牌及模拟线等。为了防止发生错误操作，一般接地开关与负荷开关的操作还会具有联锁装置，能很好地降低事故的发生率。

4.3 熔断器室

熔断器室主要就是放置熔断器的空间，但其正常工作时不是单独发生作用，而是与负荷开关配合形成变压器保护回路来发挥作用。如果使用撞击式熔断器，其一般装在浇注的绝缘壳内，当电流过高，熔断器发生熔断后，本来绷紧的撞针失去拉力从而弹出，使连接的负荷开关断开。

4.4 电缆室（底架）

电缆室位于环网柜的底部，有两个目的，一方面是方便电缆连接，另一方面宽敞的空间可以用来安装熔断器、接地开关等元器件^[3]。柜门留有观察窗和安全联锁装置。

5.环网柜的发展趋势

在市场和技术的驱动下，全球电力网络系统正发生着深刻的变化，如智能电力网络等新理念，这为电力系统的开关设备带来了新的设计理念与方向^[4]。

环网柜虽然出现时间比较短，但是已经广泛分布于城市乡镇的各个位置。主要是因为城市化进程加速，使得工业用地，企业用地，住房用地等都新建了大量的建筑物。从电力供应和分配的角度来看，数量最多的居民用建筑大多数使用小容量配电变压器，高压开关不经常使用，需要稳定供电并长期保持，其容量一般不会超过1250KV·A。因此对于这种类型的用户需求，现有环网柜的性能已经可以满足。但随着城市化建设的进一步加深，大型的商业楼，公司建筑楼层已经越来越多，这些楼层不仅高大，而且对于用电需求也非常大，变电站往往就位于楼下。而在市区中心安放这种高压变电设备，其防火要求也相应提高，并且占地面积和位置也会受限，因此小型化，安全化的趋势便不可避免。因此也出现了环形网络机柜，并搭配真空断路器以及干式变压器等。这些设备可以直接安装于每个建筑物内部，且环形网络柜相比路边的环网柜结构简单，优势突出，例如更高的负载性能，更小的空间尺寸等。因此，新型高负荷开关的诞生使得负载性能提高，也带动了环形主机的技术进步。当今的环形主机不仅性能出色，而且已序列化。从而扩大了环形网络柜的使用范围^[5]。

现在世界对于环保节能产品的需求越来越大，而现在绝大多数环网柜使用六氟化硫（SF₆）气体介质绝缘。根据研究表明，六氟化硫（SF₆）气体的降解周期为3400年左右，因为在制造、运输以及安装过程中总是会有排放泄露的情况，造成的空气污染将会长期存在，而固体式绝缘介质相对于气体式最大的优点就是环保与安全，所以固体绝缘式环网柜将是未来的一个发展方向。

参考文献

[1]E. Morskieft; R. Troost; J. Dragt; E. Jasperse,Wireless remote control in ring main units: experiences in intelligent grids[A],22nd International Conference and Exhibition on Electricity Distribution (CIRED 2013)[C],Stockholm, Sweden,2013.

[2]李建基. 环网柜与负荷开关的发展[J]. 江苏电器,2008,(11):1-5.

[3]DL/T 404-2007,3.6KV~40.5KV交流金属封闭开关设备和控制设备[S].北京：崔景春，袁大陆，王承玉，2007.

[4]A.Pikkert,Innovative ring main unit design: safety and availability aspects[A]. 3rd IEE International Conference on Reliability of Transmission and Distribution Networks (RTDN 2005)[C], London, UK,2005 P135-139.

[5]杨明辉. 环网柜状态监测与故障告警系统的设计与实现[D].电子科技大学,2012.

作者 ： 王艳举 性别：男 民族：汉 出生年月日：1989.8.1 籍贯 河南省郏县 学历：本科职称 ：无 研究方向：电力装备的设计与开发 单位：华拓电力装备集团有限公司