KYN-24金屬鎧裝移開式開關設備的設計應用

江蘇華冠電器集團有限公司 劉俊峰

引言

根據(jù)國家電網(wǎng)公司“關于推廣20kV電壓等級的通知”的精神，20kV電壓等級很快升溫，江蘇省作為全國試點，率先在13個市開始推廣20kV電壓等級供電。早在1993年，蘇州新加坡工業(yè)園區(qū)在國內第一個采用20kV電壓供電。而目前我國中壓配電網(wǎng)基本以10kV為主，隨著經(jīng)濟的快速增長，特別是在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，現(xiàn)有10kV供配電系統(tǒng)容量小、損耗大等問題日益突出，已經(jīng)很難承受急劇增長的用電負荷。與傳統(tǒng)的10kV配電網(wǎng)相比，20kV配電網(wǎng)不但可以增加供電能力，加長供電距離，節(jié)約能源，降低75%的電力損耗，還具有顯著的環(huán)保效益。據(jù)測算，輸送同等功率20kV供電線路的有色金屬耗量可比10kV供電減少50%，節(jié)約投資約40%。20kV電壓等級早已被列入國際電工委員會標準（IEC38-1983）中，已被數(shù)十個國家和地區(qū)采用，我國于1993年將20kV電壓等級列入GB156-1993標準中。

20kV配電電壓的推廣，將給高壓開關制造業(yè)帶來很大的商機，當然這也是一個漫長的過程，國內眾多開關生產(chǎn)企業(yè)包括跨國企業(yè)均投入24kV開關設備的試制生產(chǎn)之中，但絕大多數(shù)企業(yè)只是一味地沿用KYN28-12開關柜的設計，或模仿國外企業(yè)的產(chǎn)品，毫無創(chuàng)新意識，不能根據(jù)具體運行環(huán)境和標準要求來進行改進創(chuàng)新設計，導致產(chǎn)品技術性能低，試驗不過關，不能滿足國內運行環(huán)境和標準的要求。

概述

下面就從技術和經(jīng)濟層面來談一談24kV開關設備，對于高壓開關柜的設計看似簡單，只是各種元器件在柜殼內的組合，關鍵無非就是絕緣、散熱、聯(lián)鎖和強度，但是要把這些元器件組合好，把關鍵的問題都解決好也不是容易的。對于24kV開關設備來說，柜體和聯(lián)鎖機構還是基本沿用12kV的形式，是非常成熟的，所以聯(lián)鎖和整體強度應該是沒有太大問題，剩下的就是絕緣和散熱了。

眾所周知，跨國公司如ABB，AREVA，SIEMENS很早就開始生產(chǎn)24kV開關設備，他們都是采用的IEC60694：1996和GB/T11022-1999，耐壓的要求為相間和對地1分鐘50kV、隔離斷口1分鐘60kV，雷電沖擊相間和對地95kV、隔離斷口110kV，其對應的接地方式為中性點直接接地系統(tǒng)，而目前因架空線路較多，系統(tǒng)接地方式為小電流接地（即中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地），因此江蘇省出臺的企業(yè)標準將耐壓水平提升為相間和對地1分鐘65kV、隔離斷口1分鐘79kV，雷電沖擊相間和對地125kV、隔離斷口145kV，本身24kV開關設備就是在12kV的基礎上改進的，絕緣裕度都很小，因而許多跨國公司的產(chǎn)品都還達不到這樣的絕緣水平，國內企業(yè)仿照跨國公司產(chǎn)品的24kV開關設備也都很難達到這樣的絕緣水平。

目前變電所采用的110/20kV變壓器額定容量達80MVA，20kV側的額定電流就是80000/20/√3＝2309A。而目前國內企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)的24kV開關設備最大額定電流為2500A，在實際運行使用中裕度太小，發(fā)熱嚴重，夏天高負荷時開關柜某些部位的溫度可達100℃，長此以往會大大降低開關柜的使用壽命，并極易導致事故的發(fā)生。因此必須要用額定電流3150A的24kV開關設備來提高裕度，以降低溫升，避免事故。

對于24kV開關柜來說，設計的關鍵在于：第一是斷路器室的觸頭系統(tǒng)和活門機構，觸頭盒是絕緣和散熱最薄弱的地方，活門機構也對絕緣有很大的影響。第二是母線室和電纜室的布置，既要考慮絕緣、散熱，還要兼顧安裝的方便和靈活性。

設計分析

KYN-24開關柜如圖1所示，下面詳細分析介紹設計時的關鍵點：

1、基本柜架結構與KYN28-12類似，只是柜體尺寸稍大，寬1000mm，深1800mm，高2300mm，設計時應注意角落部位的加強，防止扭曲變形；

圖1

2、24kV的空氣絕緣距離標準規(guī)定是180mm，理論上是夠了，條件是空氣濕度不大、無粉塵污染、電場分布均勻，但從試驗結果來看，實際運用中由于使用環(huán)境、元器件的布置和生產(chǎn)加工工藝的差別，180mm是不夠的，必須增加10%的裕度，即24kV開關柜的空氣絕緣距離應放到200mm。當然我們還是要盡量把元器件布置的合理些，生產(chǎn)加工工藝方面，采用圓角銅母線，切斷處也要磨圓角，最好還要拋光處理，不要有任何的尖角留在高壓帶電體上或對著高壓帶電體；

3、導軌是直接承載斷路器，并起導向作用的，由于24kV斷路器重量比12kV斷路器增加了三分之一，加之推進行程由12kV的200mm增加到了300mm，故導軌也加長了一百多毫米，是個薄弱環(huán)節(jié)，特別是在運輸過程中或斷路器承受短路電流沖擊時導軌易變形，所以導軌必須加中間支撐點進行加強（如圖1，A處），左右各兩塊三角形撐板，側邊與柜體側板固定，上邊與導軌連接；

4、電纜室的布局應充分考慮安裝、檢修維護和巡視的方便，就是要盡量合理地布局使空間最大化，如圖1，接地開關安裝在開關柜中柱上，電流互感器倒裝，避雷器在接地開關下方。這樣，一方面電纜室的有效空間就大大增加，工作人員可以方便地從柜后進行安裝和檢修維護，巡視時從開關柜后門的觀察窗可以一目了然地看到所有的元器件，另一方面，電流互感器的一次高壓樁頭向下，不易積灰而影響絕緣；

5、母線室的布置，三相主母線有“品”字形布置的，也有 “1”字形垂直布置的，綜合分析后筆者個人認為還是 “1”字形垂直布置較為合理，雖然從散熱方面說雖然后者稍差，進行溫升試驗時，數(shù)據(jù)表明后者A相母線的溫升僅比前者高2~3K，B相高1~2K，C相相同，但后者的優(yōu)越性較多，如：母線安裝方便，并可加支撐；柜頂進線或翻排時空間大、母線走向易布置，電場分布均勻；由于三相母線的窄邊相對，加上母線有支撐，承受短路電流沖擊的能力大大提高；

6、其實整個開關柜最復雜、最關鍵的是斷路器室。斷路器室的設計處理面臨著諸多的問題：空間小、斷路器和觸頭發(fā)熱量大；斷路器操作推進機構、地刀操作聯(lián)鎖機構、活門機構、一次觸頭、導軌（上面第3點已論述）等都要配合的恰到好處，機構要靈活，聯(lián)鎖要可靠，絕緣強度要好，散熱性能要保證。對于額定電流2500A及以下的開關柜可以只設計空氣對流的通道而不安裝強制風冷，但額定電流3150A及以上時應該設計強制風冷通道，采用風量大、噪音小的橫流風機。

7、觸頭盒的設計，如圖2是傳統(tǒng)的觸頭盒，根據(jù)電流大小需要3種外形尺寸，3套模具，深度太大（A段），對絕緣毫無用處，只會增加觸頭盒重量，增加成本，還影響空氣對流散熱，前部圓環(huán)（B段）太短，導致觸臂和觸頭盒安裝板之間的直線絕緣距離太短，極易導致其間擊穿放電。圖3是經(jīng)特殊設計的觸頭盒，采用錯落式內、外傘裙，以增大爬電距離大，提高了抗污閃能力；安裝法蘭面前端圓環(huán)加長，一方面增加了爬電距離，另一方面消除了斷路器觸臂和觸頭盒安裝板之間的直線距離，解決了直線絕緣距離太小，易發(fā)生絕緣擊穿事故的問題；銅排出口加大，最多可穿120X10的三拼銅排，還加強了通風散熱效果；觸臂入口處和安裝法蘭面加大，一方面增加了空氣絕緣距離，另一方面加大了空氣對流通道，加強了通風散熱效果；通用化設計，只須一套模具，同一種外型和安裝尺寸，額定電流可以從630A~3150A，僅需改變觸頭盒中心靜觸頭安裝嵌件螺紋孔尺寸即可。

圖2

圖3

8、24kV開關柜活門機構的設計應注意，由于受開關柜體積的限制，活門機構的導向桿、導向桿支架和活門行程如不加改進，它們與斷路器觸臂之間的絕緣距離均只有70~90mm，雖然觸臂上有熱縮套管或觸臂絕緣套，這樣距離的復合絕緣用在12kV開關柜是不會有問題的。但是，試驗和運行經(jīng)驗表明，在24kV開關柜中用熱縮套管的復合絕緣距離應不小于130mm，即使在觸臂上套2層熱縮套管也是岌岌可危，治標不治本，所以要解決根本問題，必須對活門機構進行改進如圖4：活門打開行程加大到約280mm，活門打開后到斷路器觸臂絕緣凈距離不小于140mm，因此活門可以采用金屬材料而不需要采用絕緣材料，更安全，更環(huán)保，成本更低；活門導向系統(tǒng)改進設計，導向桿采用拉制環(huán)氧玻璃纖維棒，表面光潔度高，導向套采用在金屬板的導向孔周圍鑲嵌特制尼龍圈，既大大降低了摩擦系數(shù)，使機構運動靈活，又不會劃傷環(huán)氧玻璃纖維棒的表面；導向桿采用拉制環(huán)氧玻璃纖維棒，導向桿支架采用SMC或尼龍材料制作，消除了斷路器觸臂到導向桿及其支架絕緣距離不夠的隱患。

結束語

由于20kV比10kV供電有著不可比擬的優(yōu)勢，國外許多國家和地區(qū)如美國、德國、俄羅斯、日本、意大利等均已大量采用20kV電壓等級供電，我國也在逐步推廣使用，對于20kV的輸配電設備需求也會逐步增加，我們要做的是如何在推廣過程中積累經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，盡快研制出高性能、高可靠、大容量的20kV開關設備，為國家電網(wǎng)公司建設堅強智能電網(wǎng)作出貢獻。

圖4