电气开关柜从标准化到定制化发展趋势

SIEMENS 10kV-20kV 开关柜系列产品标准化技术升级方案

南方电网公司加快了以深圳、广州等中心城市为重点的城市配电网建设发展步伐。南网要求到2020年南网中心城区配电网自动覆盖率要达到90%，配电自动化升级也必然是未来的投资重点，市场空间广阔。

智能电网整体规划建设要求：

（1）A+、A类供电区域主要以“光纤+三遥”模式，主站集中型自动化的模式进行建设。

（2）B、C、D、E类供电区域需要开展配电自动化建设，而是着力采用就地型馈线自动化的方式处理故障，采用故障指示器的方式检测定位故障，采用二遥方式、无线公网方式为主的建设模式。

（3）配网自动化的推广思路：对于网架水平高，可靠性要求高的地区推用智能分布式馈线自动化；

随着电网电气设备自动化时代到来，传统的的人工作业在大步向自动化智能制造进行着升级和转型，传统的经济模式无论速度和防错方面的控制机制需求变得异常迫切。在电网电气等工业设备和IT设备作为信息通信产业重要基础设施，进入高速发展期的同时，在产品架构、制造模式、产业生态等多方面经历着变革。而电气开关设备集成系统是现代工业实现配电网智能自动化模块的基石。

长期的设备信息化水平低造成的配电网瓶颈，严重制约了城市电力系统的升级和新技术的应用，配电网电气设备技术升级势在必行。

一、电气开关柜从标准化到定制化发展趋势

传统的电气开关设备制造正在融合物联网、大数据的生产方式，实现信息化技术与工业设备的融合。工业物联网是一项连接机器和人的技术，并不直接作用于产品制造过程，要实现大规模低成本定制生产，还需要与具体的制造技术相结合。电气设备智能制造正是融合“工业4.0”、“工业互联网”、“互联网+”等理念形成的“互联网工业”体系，就是以智能制造实现大规模、定制化的生产方式，从而推动电气开关设备的智能化发展。用互联网思维全面审视电气设备制造市场，不难发现未来开关设备的信息化成为必然的趋势。

所以开关设备制造将会实现大规模的个性定制，设备产能过剩也不复存在，这将改变传统的规模化生产、标准化制造、低成本扩张的工业社会发展模板。智能化电气开关设备追溯技术、传感器技术等新一代信息技术产业标准化热点，使盘柜厂获得更加持续与旺盛的生命力。

二、高端设备定制化与通用设备标准化

1、通用设备标准化

通用设备标准化有利于组织标准件的规模化生产, 易于保证产品质量,节约材料,降低成本;提高标准件的互换性,便于以后设备运行维修。 设备通用化是指在不同种类的产品或不同规格的同类产品中尽量采用同一结构和尺寸的零部件。

通用设备采用标准化生产满足最基本需要。常见的标准代号有中华人民共和国国家标准GB，机械工业标准JB,国际标准化组织标准ISO。通用设备是以系列化形式提供同一产品,在同一基本结构或基本条件下规定出若干不同的外体尺寸和容量系列。

电气开关设备通用技术标准：

2、高端装备定制化

高端设备具有高技术含量和高附加值的产物，高端设备业的显著特征是高技术、高附加值、具有较强的竞争优势。高端设备采用定制个性化生产，满足部分设备升级需要。高端设备制造业是指通用设备制造业中新出现的具有高技术含量、高附加值强竞争力的设备；从所处产业链的环节上讲，高端制造业处于某个产业链的高端。

3、高端装备与通用装备的区别

高端装备与传统装备的最大区别在于：

（1）、传统装备依靠的是传统工艺，技术水平不高，劳动效率不高，劳动强度大。

（2）、高端装备依靠的是高新技术优势，最容易取代传统装备。

（3）、而传统装备制造业与高端制造业的最大差距在于科技实力，高端制造业对传统制造业予以改造和提升，是制造业发展的必然过程。

（4）、 高端设备采用定制个性化生产，满足部分设备升级需要。

4、高端装备的技术特点

高端装备制造是处于制造业价值链的高端环节，具有技术、知识密集，附加值高，成长性好，关键性强，带动性大的特点。高端装备是以强大通用装备制造为基础，由传统型通用设备制造向价值链的高端来进行延伸。

5、电气控制柜组件的一二次设备划分

一次设备是指直接用于生产、输送和分配电能的生产过程的高压电气设备。它包括断路器、隔离开关、自动开关、接触器、刀开关、母线、输电线路、电力电缆等。由一次设备相互连接，构成配电设备开关或进行其分合闸操作过程的电气设备称为一次设备。也称为无源组件。

负荷开关柜大部分是手动操作。一次设备分有源组件和无源组件。

二次设备是指对一次设备的工作进行监测、控制、调节、保护以及为运行、维护人员提供运行工况或生产指挥信号所需的低压电气设备。由二次设备相互连接，构成对一次设备进行监测、控制、调节和保护的电气设备称为二次设备。也称为有源组件。

6、由于各种电器元件安装位置不同，在构成一个完整的电气控制系统时，就必须划分组件。

(1)、设备一二次融合设计要点：

(2)把功能类似的元件组合在一起；

(3)尽可能减少组件之间的连线数量，同时把接线关系密切的控制电器置于同一组件中；

(4)让强弱电控制器分离，以减少干扰；

(5)为力求整齐美观，可把外形尺寸、重量相近的电器组合在一起；

(6)为了电气控制系统便于检查与调试，把需经常调节、维护和易损元件组合在一起。

在划分电气控制柜组件的同时要解决组件之间、电气箱之间以及电气箱与被控制装置之间的连线方式：

7、电气控制柜各部分及组件之间的接线方式一般应遵循以下原则：

(1)开关电器、控制板的进出线一般采用接线端头或接线鼻子连接，这可按电流大小及进出线数选用不同规格的接线端头或接线鼻子；

(2)电气柜、控制柜、柜(台)之间以及它们与被控制设备之间，采用接线端子排或工业联接器连接；

(3)弱电控制组件、印制电路板组件之间应采用各种类型的标准接插件连接；

(4)电气柜、控制柜、柜(台)内的元件之间的连接，可以借用元件本身的接线端子直接连接；过渡连接线应采用端子排过渡连接，端头应采用相应规格的接线端子处理。

8、加装智能化控制DTU 终端设备

配电自动化终端统称（DTU）设备,二次DTU设备安装在各种环网柜、开闭所（站）、箱式变电站等处。与环网柜、开闭所等开关单元配套，实现开关分、合，远、近程控制，闭锁、解锁控制。DTU终端设备还有能够完成对开关设备的信号、电压、电流、等数据的采集与计算，实现对配电网线路和设备的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电。同时具备远端数据传输等通信功能，能够实时将采集的数据上传主站，从而实现环网柜、开闭所、箱式变电站等远方测控自动化功能。

三、以SIEMENS 8DJH系列开关柜为目标开发智能装备

西门子系列产品成套一二次融合电气开关设备，主要是根据客户提出相应的技术标准，部署加快发展智能制造装备和产品，组织研发具有深度感知、智慧决策、自动执行功能的高档智能电网装备。

在智能化生产过程突破新型传感器、智能测量仪表、工业控制系统、伺服电机及驱动器等智能核心装置，推进了开关智能化制造的产业化。

1、、西门子电气开关柜系统产品

西门子公司电力和过程自动化产品家族，以完备的产品系列组合为电气系统提供IT系统等解决方案。西门子致力于提供高可靠性产品,凭借创新工业设计和智能制造技术，借助系统的模块化制造，可以简化整个制造和安装流程,。使效率得到提升。

西门子通过业界最全面的能源管理产品系列提供开放、灵活的解决方案和服务架构：特别是在配电网智能化方面, 推广新型西门子智能电网套件,借助该套件，可实现大批定制解决方案，建设更智能的电网基础设施，以及进一步开发稳定系统，西门子已将信息技术作为业务主驱动。其瞄准物联网、云计算、大数据等技术，集成了目前全球先进的生产管理系统，不断开发出新的商业模式。

（1）、西门子8DH10开关柜与西门子8DJ20开关柜都是SF6气体绝缘开关柜，两者的区别是西门子8DH10开关柜带有扩展功能，可以任意扩展，可以带PT柜、计量柜；西门子8DH10开关柜在工厂装配的户内式金属封闭金属铠装开关设备，最高电压至24kV，最大馈线电流至630A，最大线线电流至1250A。

（2）、西门子8DJ20开关柜方案是固定的，无法扩展，多用于户外开闭所，电缆分接箱等无需计量的二次配电系统中。适用于各种变电站-包括在极端恶劣的环境条件下，例如：工业环境，潮湿、多沙或粉尘地区，简易的户外变电站。

（3）外形尺寸

西门子8DJ20外形体尺寸 长1400mm  宽850mm  高1400mm

打开箱门后 柜体尺寸 长1600mm 高 1600mm

（4）、西门子8DJH环网柜 

所有用于电气及机械连接的绝缘套管均焊接在气室上，不采用任何形式密封圈或塑料密封器件，完全保证了整个气室的气密性。温度补偿功能的压力指示装置，完全不受环境气候影响。采用单刀头三位置负荷开关，从机械原理上杜绝了负荷开关在合闸状态下同时操作接地的可能。

西门子8DJH环网柜面板上的负荷开关操作孔具有拨动选择装置,以选择正确的操作需要，且可加以挂锁每个位置单独锁定，尽可能地避免了误操作。负荷开关为旋转式，磁线圈灭弧，并采用快速接地开关。产品终身免维护，使用寿命可达30年。

主要技术参数

a.额定电压：12kV、24kV

b.额定电流：630A、母线电流：1250A

c.额定短时耐受电流：20A 25kA

d.机械寿命：断路器：≥10000次，负荷开关：≥5000次，接地开关、隔离开关≥3000次

e.年漏气率：≤0.01%

f.内部故障试验：1s（电缆室、气箱室）

g.额定转移电流：1750A

h.气箱的防护等级：IP67

i.使用环境：适合高海拔4000米，低温地区到-45度

2 、SIEMENS 系列开关柜产品一、二次设备标准化融合技术升级

按照模块标准化设计要求，统一施工解决方案

经过改装后分上中下 三部分：

上部加装 远程通信终端控制器 充分利用原箱体的剩余空间

中间是分合闸操作机构，要加装电操控制器，实现有电动机的驱动代替手动分

合闸操作。

首先把西门子8DH10/8DJ20/8DJH 加装电动操作机构，完成能够用按钮实现电动操作。电机操作靠DC24V电源带动链条或齿轮正反向转动完成分合闸动作。如果采用不带齿轮传动离合器的电动操作时，人工操作时会比没有加装电操前费力。

下面在电缆间隔里加装电流互感器，用于测量电缆线路上的负荷，然后把每一回路的遥控线，遥信线、遥测线按照图纸设计分别接入电动控制器的相应接点。按照测控点的先后顺序检查每一段的线路是否连接正确。

这样就形成上中下的模块化布局，结构紧凑节约了空间，使布线更加方便。

西门子8DJ20 环网开关柜经过自动化技术改造后，发生了脱胎换骨的变化。在整个改造施工中要严格按照设计工艺标准进行施工，每完成一项任务都要经过测试软件的检验，把发现的问题及早解决。利用西门子成熟的产品平台进行系统增值开发，提供面向未来的开关柜自动化、远程驱动技术、工业现场软件及服务。我们的原则是尽可能利用西门子标准化组件，并以工业特定解决方案提供补充用户的多样需求，以满足各行各业客户的特定需求。

3、用系统软件进行整体检测

最后施工结束后，要进行全面的系统测试。

4、西门子8DJH升级过程系统测试

最后施工结束后，要进行全面的系统测试。

现在按照测试系统要求做一个完整的出品出厂前实验。

公共端信息有四项 箱门打开，外电丢失，电池故障，箱体气压低

退开接地刀闸，对转电脑和显示面板

手动分闸信息状态监测

电动分合闸试验

远程遥控试验

工厂化生产效率高，产品质量稳定。

四、西门子8DJ20户外环网柜一、二次融合方案

1、西门子8DJ20开关柜都是SF6气体绝缘开关柜

西门子8DH10开关柜与西门子8DJ20、 系列开关柜都是SF6气体绝缘开关柜，两者的区别是西门子8DH10开关柜带有扩展功能，可以任意扩展，可以带PT柜、计量柜；

2、西门子: 8DJ10  8DJ20环网柜基本柜型

西门子8DH10开关柜与西门子8DJ20开关柜都是SF6气体绝缘开关柜，两者的区别是西门子8DH10开关柜带有扩展功能，可以任意扩展，可以带PT柜、计量柜；西门子8DJ20开关柜方案是固定的，无法扩展，多用于户外开闭所，电缆分接箱等无需计量的二次配电系统中。

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8DH20开关柜是一种经过型式试验并在工厂装配的户内式金属封闭金属铠装单线线开关设备，最高电压至24kV，最大馈线电流至63  0A，最大线线电流至1250A。西门子8DJ20开关柜适用于各种变电站-包括在极端恶劣的环境条件下，例如：工业环境，潮湿、多沙或粉尘地区，简易的户外变电站。

五、手动开关柜结构和通用技术标准

开关柜技术改造主要包含四方面的内容

1、提高开关柜技术装备安全可靠性水平；

2、在配网自动化项目建设中通过对设备升级改造节省了投资，提高了开关柜技术附加值；

3、应用现代计算机网络技术，优化开关柜安全操作模式，使配网自动化管理跨入现代化管理轨道；

4、推行信息生产技术，解决智能环网柜实现故障报警和故障点定位的难题。

5、开关柜结构

基本电路升级改造（二次部分）

（1） 线路带电指示器

电容式电压指示器

线路带电时电压指示器显示套管是否带电，其上的插口可用于核相。该系统带有集成的电压指示器（发光二极管）。对于正常的操作环境，带电显示装置是推荐选择。相位识别必须以推鉴的核相器进行。

（2）手动核相器

核相器显示两个模块间的相位平衡性。要在电容性耦合系统中使用，请遵守IEC1-和／或IEC1的规定。 核相器必须与推荐的电压指示器配合使用。核相器的作用是在线路完成前确认线路连接无误。

（3） 线路故障指示器

当短路电流或零序电流高于预先设定的电流值时，装置面板上的发光二极管会闪烁，同时有一个节点动作，供远方遥信使用。当故障消失，经过设定的延时之后，装置会复位（或通过节点信号输入复位）

基本操作机构改造（一次部分）

六、开关柜成套设备技术

电力自动化成套设备安全关系到生产、使用，检验、设计，制造监督管理多个方面。相关责任方应依法为成套电力开关设备安全使用各尽其责、提供技术保障。设备的安全规程标准化显得特别重要

电力设备作为特种设备安全监管物联网应用，特别是在改造过程中发现了电气设备在物联网业务模型下存在的问题——重概念、轻需求，缺顶层设计，业务模型设计不完善等。只有通过设备的标准化解决上述问题。

1、成套设备标准化有以下六个基本特征：

（1）、简化、（2）、统一化、（3）、产品系列化

（4）、通用化、（5）、组合化、（6）、模块化。

成套设备是具有自动告警、应急处置、运行实时监测、维保检验和信息的监察、后台数据的统计分析等功能。能通过配网SCADA系统监视10kV线路负荷情况及进行遥控操作，因此在主网故障、主网停电、用户接火、故障转供时，较少进行配电网方式调整。配电网自动化系统的“遥测”功能，可对运行方式调整进行准确的计算；结合其“遥控”功能则可对运行方式进行随时的灵活调整。

2、配网自动化升级改造综合解决方案。

方案包括：安全控制等级提升、柜体结构布局、一二次综合布线，电缆网络自动化和架空馈线自动化不同的控制模型及控制技术、开关柜功能标准化适当减少开关柜的种类、故障定位技术、标准化施工流程、软件在线监测、系统安全评价，运行方式及保护整定分析、投入运行后期维护、系统实验性测试、线路故障仿真及实操培训等项内容。

改造任务就是在操作机构上加装驱动电机，由依靠人工用搬杆操作，升级为电动按钮操作。充分利用旧设备进行升级改造，做到一次设备和二次设备紧密结合。

遵循南方电网公司的标准化建设原则，满足旧设备升级改造后的安全性、可靠性、先进性的技术要求。

现场采集设备主要是开关分合闸位置触点压力传感器，电压互感器、电流互感器、还有一些辅助信息的触点。

增加电动操作机构，要区分断路器、分断开关、负荷开关不同性能机构。 

改造遥信部份： 主要是确定开关分合闸位置、接地刀闸位置、电操机构储能、电机旋转方向技术原则等。

改造遥控部份： 回路开关遥控分合闸控制输出。遥控分合闸闭锁控制输出。满足所有开关的不同的应用功能：例如断路器、重合器、进线开关C 型、出线开关F型、负荷开关等五种常用到的开关。

对于智能电网的发展和配网自动化建设进行了一次积极有益的探索。利用线路上手动负荷开关柜，通过对环网柜结构性工艺改进,完成了手动本地操作到远程自动化控制操作的技术升级改造.经过在手动环网柜上加装电操机构、智能电子式电操控制器、取电PT变压器和电缆测量CT等装置，将手动操作的负荷开关柜改造成具备“三遥”功能的配网自动化终端，再将配电网中的关键节点更换为配网自动化终端设备,实现了手动环网柜进行配网自动化技术改造的整体技术方案。

改造方案的重点事项包括：环网柜柜体结构性工艺改进设计;现场取电PT根据环网柜类型专门定制;加装的电子式智能控制器,实现二次控制集成化,将集成了交直流转换后备蓄电池组、安全操作控制器、DTU于一体集成。环网柜在没有单独电源PT 柜的情况下，解决了自动化设备AC220V电源问题。加装的电子式智能控制器集蓄电池、安全操作控制器、DTU于一体， 通过复合传感器技术、负荷调度报警控制技术、机械和电气安全控制技术、一体化布线技术及中央集成监控平台技术五大核心关键技术，实现了手动开关柜的技术升级改造，满足了开关柜一体化远程控制的安全可靠性需求。

3、改造后更加方便使用，符合现场人员的操作习惯，电子化功能增强提高了环网柜操控的安全可靠性。

（1）、环网柜的型号繁多，投入运行的时间不一致，在控制回路上有很大的区别，我们通过加装控制器的方法，解决了断路器、分段器不同结构的电操的控制问题。

（2）简化了DTU设备到电操的二次接线方式，按照每个控制单元把结线合理分组，线路走向清晰便于维护和查找。

（3）、以设备更换的方式进行升级改造。具体做法是将一台备用开关柜预先在车间调试好，到现场直接替换下要改的设备，在升级改造的同时也对线路和设备做细则的检修。

(4)、在回路电压、电流数据采集方法上有所改进，应用了复合传感器技术，有效的提高了数据精度。

（5）工业控制器

工业设备控制器（controller  也可称为Controller  Unit)是指按照预定顺序改变主电路或控制回路的接线，控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令I/O 装置。

在控制过程中，配上合适的自动控制系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动，完成从设计、制造、装配、安装等在不同程度上自动地进行。

控制器负责系统的操作工作，把指令逐条从存储器中取出，经译码分析后向全机发出取数、执行、存数等控制命令，以保证正确完成程序所要求的功能。

控制器是决定执行程序的顺序。给出执行指令时机器各部件需要的操作控制命令.根据事先给定的命令发出控制信息,使整个执行过程一步一步地进行。

通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作，然后通过操作  I/O  接口，按确定的时序执行控制逻辑，主要包括脉冲发生记数器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。

控制系统是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。

4、控制方式划分为前馈控制、现场控制和反馈控制三类。

电机控制器

电机控制器是工业控制器的主要工作，通过来控制电机按照设定的方向，速度，角度，响应时间进行工作。电机控制器可与步进电机驱动器、步进电机组成一个完善的步进电机控制系统，采用计算机式的编程语言，拥有输入、输出、计数等多种指令。具有编程灵活、适应范围广等特点，可广泛应用于工业控制的自动化。

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电操驱动电机控制器根据其电流形式的不同可以分为三种不同功率的直流电机。电机根据其驱动方式的不同自动矫正偏差，保证人机现场操作的安全性。

5、标准化信息接口

彻底解决二次设备接口不匹配，兼容性、扩展性、互换性差; 

什么是电气二次设备接口？

电气二次设备是指对一次电气设备的运行工进行监测、控制、调节、保护以及为运行、维护人员提供运行工况或生产指挥信号所需的低压电气设备。

由二次设备相互连接，构成对一次设备进行监测、控制、调节和保护的电气设备称为二次设备。二次设备接口不匹配就是指二次设备之间的信息传递出现了问题，简单讲就是接口不匹配。

（1）、物理接口

插拔式对接最方便可靠，但是在各自的设计施工中会出现各种误差，把端子标号顺序固定下来是做好的解决办法。

（2）、电气接口

自动化控制领域，随着分布式控制系统的发展，在产业上的分布式控制系统中，经常需要采用串行通讯来达到远程信息交换的目的。

RS-232/RS-422/RS-485接口标准RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。

改进了RS-232通信距离短、速率低的缺点。

串行接口；用于串行通讯的接口标准包括:rs-232、rs-422、rs-423和rs-485。RS-232是最早的串行接口标准，广泛应用在短间隔、较低波特率串行通讯中。其后发展起来的RS-422、rs-485是平衡传送的电气标准。RS485是一种平衡方式传输的串行接口标准，它的电气特性标准中有严格规定，但它的通信协议. RS-485就是其中之一，它具有以下特点：  1. RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6） V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片。RS422加强了抗干扰能力，使传输速率和距离比RS232有很大的提高。RS422在全双工通信时，需要4根传输线，使用不方便。

（3）、总线接口

USB总线是一种高效、快速、价格低、体积小、支持热插拔的串行通信接口，目前USB这一接口形式在电子产品的设计中得到了广泛应用。采用USB接口总线，可以很方便与PC机进行连接，并且USB接口可以为外界提供电源。

（4）、电压接口

电平转换电路主要用在直流电路上，包括快速切换的晶体管方式。用户选择电平转换为高和转换为低，以匹配于所需要的输出高逻辑电平和低逻辑电平。用在遥信和遥控的信号电平转换。通常情况下为了提高可靠性尽量减少电压的级差，直流24V最为常用。

（5）、网络接口

电网控制网络由原有相对封闭的系统逐渐采用通用网络传输协议以及多种不同网络传输通道，电力控制网络通道将会面临各种安全风险。