淺談發電機出口開關柜設計

陳翔

摘 要：通過對發電機出口開關柜的結構形式，母線和絕緣子的選型及其動熱穩定性的論證等，對6300A/63KA 17.5KV電壓等級的開關設備的設計進行總結，為業內大電流高開斷成套開關設備的設計提供分析和參考。

關鍵詞：發電機出口；大容量；大電流；結構形式

1 前言

隨著用電負荷的增大，同時伴隨著國家對資源的嚴格控制，使得一些用戶特別是冶金、石化等高能耗行業的用戶，對開關柜額定電流的要求越來越高，近幾年逐漸出現了一些額定電流6300A，短路開斷電流50kA、63kA的項目，且有越來越多的趨勢。面對如此大容量、大開斷電流，如何進行柜體設計成為很關鍵的問題。江蘇大全長江電器股份有限公司于2013年成功研制開發了XGN□-17.5/6300-63型成套開關設備，目前已有數百套產品應用于不同用戶，運行穩定良好，有了比較成功的經驗。下面就發電機出口開關柜的設計方案做個簡單分析。

2 發電機出口開關柜設計

發電機出口設備應用于發電機側，額定電流和開斷電流比較大，需著重解決由此帶來的柜體強度、絕緣特性、動熱穩定性以及溫升等一些問題。

2.1 柜體結構形式選擇

成套開關設備按斷路器的安裝類別可分為手車式和固定式結構，其各有優缺點。近年來由于手車式結構的設備維護檢修方便、互換性好而占據更大比重。但我們也看到目前國內移開式開關柜，在電流變大后普遍存在動靜頭不精準、無法觀察、觸頭盒散熱效果不理想等情況，這會使得我們的客戶理性地選擇開關柜的結構。對于發電機出口設備，宜選擇固定式結構：

（1）手車式結構：由于在工作時動靜觸頭隱藏在觸頭盒內，對流和輻射的散熱效果不理想，要比暴露在空氣中的同類導體溫升要高。

（2）斷路器體積大、重量較大，使得手車笨重，操作不方便也是一個弱點。

2.2 柜體骨架材料選擇

與傳統的KYN28-12開關柜相比，6300A/63kA的開關柜額定電流和開斷電流要大的多，采用固定柜型在體積上也要大得多，為保證整個柜體的強度，主體框架需考慮采用8號槽鋼焊接而成，同時為了防止渦流及磁感應現象帶來的柜體發熱問題，需要在主母線穿過處（如穿墻套管固定板）、母線室彎隔板等地方使用優質的不銹鋼材料（1Cr18Ni9Ti）。

2.3 母線選擇和布置

應用于發電機出口的開關設備，其額定峰值耐受電流為額定短時耐受電流的2.8倍。其短路時的動熱效應相當巨大，合理選擇母線和布置方式尤為重要。

（1）母線規格選擇。戶內成套開關設備中，母線按截面分為矩形、圓形、方管形、D型、槽型等，其中矩形母線的搭接最方便，但在相同用料的情況下，其載流量小于其他規格的銅排。但如果采用其他類型的母線，一方面加工、安裝的成本比較高，相關的配套也比較難以實現（如表面烘套管、配套穿墻套管模具費用、昂貴的母線轉接件等），其最終的成本（特別是在目前6300A尚未成為主流產品的情況下）也不比矩形母線低！綜上，柜體母線采用矩形銅排。根據DIN43671-銅導體載流量（德國）標準，并結合行業中相關廠家和公司自己的生產經驗，主母排應選用單相6X120X10（mm）矩形圓角銅排。

（2）母線布置。對于水平布置的三相母線，當母線平放時，或者對于豎直布置的三相母線，當母線立放時，母線所承受的力效應最好。同時母排立放時載流量比平放時要高一些，這是由于立放時散熱性能要比平放時要好的緣故，因此盡量采用三相母線豎直布置，母線立放。

2.4 主接地母線選擇

根據GB3906-2006附錄D中熱效應計算公式確定母排橫截面積：

式中：

S—母線最小截面，mm?；I—額定短時耐受電流，A；

α—材料系數，A/mm?，銅為13，鋁 為8.5，鐵為 4.5，鉛為2.5；

t—額定短路持續時間，s，取3s；

△θ—溫升，K，對于裸導體一般取180K，對于2-5s持續時間取215K；

對于63kA/3S系統，選用銅母線，I=63000，a=13，t=3，△θ=215；

最小截面積為：S≥572.5mm?；

根據DL404-1997中規定，對于中性點直接接地系統，接地回路的短時耐受電流最大值可達到主回路的額定短時耐受電流值；對于中性點不直接接地系統，接地回路的短時耐受電流最大值可達到主回路的額定短時耐受電流值的87%。

主接地回路按中性點直接接地系統選擇，即短時耐受電流I=63kA，額定短路持續時間t=2s，則主接地排截面積為S≥467.4 mm?，故主接地排規格選擇8*60mm；

2.5 隔離開關選擇

在固定柜的各種元件中，斷路器、電流互感器等元件上的導體搭接處均采用螺栓固定安裝，其接觸電阻一般不會太大。隔離開關的動靜刀口，是通過彈簧來保證接觸壓力的，加上6300A/63kA本身的導體截面就比較大，如果采用一個搭接面，很難保證其精度，因此，6300A/63kA的隔離開關的結構形式每相應采用雙刀型。

2.6 開關柜溫升問題解決

在17.5kV 6300A/63kA固定柜中，如何合理控制溫升是一個很重要的問題。對于額定電流6300A開關柜，其主回路電阻約在40～60?Ω，按照P=I?R原則，主回路發熱功率約為1580～2380W，如此大的熱量淤積在狹小的開關柜內如不能及時排出柜外，后果相當嚴重。

散熱可從以下5個方面考慮：

（1）在母排通過的金屬結構部件采用非導磁材料如不銹鋼板生產，盡量減少柜體本身的渦流發熱；不能采用非導磁材料生產的金屬板表面噴黑色無光漆，如柜頂泄壓板等，增強柜體的輻射散熱能力；

（2）母排連接處采用鍍銀、壓花處理，連接螺栓采用不銹鋼螺栓，母排噴黑色無光漆，以加強輻射散熱能力；

（3）根據溫度梯度下低上高的原則，合理布置柜內各發熱元件，優化設計散熱通道，使得熱量流動暢通；

（4）采取強制風冷措施加強對流散熱，考慮在柜子前下門和后下門各加裝1個風機往柜內吸風，在手車室、母線室柜頂各加裝2個風機往柜外排風，同時在后上門上部加裝風機往柜外排風，風機要選擇靜音軸流型，選擇風機要綜合考慮功率、風量、持續工作壽命、安裝方式等因素；

（5）選用高質量低電阻的新型一次元件，減少一次元件的發熱量。

2.7 支撐絕緣子選型

發生三相短路時作用于母線上的最大電動力可參照下式：

Fsj=17.3×10-2kL ich2/a

式中：

Fsj---作用于母線的短路電動力，N；

K-----絕緣子受力系數，水平放置時為1；

L----絕緣子間跨距（母線支撐間距），取120cm；

a----相間距離，取30cm；

ich—額定峰值耐受電流KA。2.8×63=176.4kA

計算結果：Fsj=21533N。

按照《高壓配電裝置技術設計規程》規定，在短時荷載時，支柱絕緣子允許荷載的安全系數為1.67，及支柱絕緣子的抗彎強度應大于等于所承受的電動力的1.67倍。故絕緣子抗彎強度為≧1.67 Fsj=35960N。

一般戶內絕緣子的設計抗彎強度為20～30kN，應選用抗彎強度大于以上數值的絕緣子產品。

3 結論

發電機出口開關設備的設計，與常規小電流柜體設計存在很大差異，需要特別注意母線、溫升和主回路動熱效應，才能保證產品實際運行中的安全性。這些問題的解決需在理論計算的基礎上，制定合理完善的設計方案，才能經得起實踐的考驗。

參考文獻

[1]謝文君.高開斷大電流開關柜在電力工程中的應用[J].金山，2010，（10）：107.

[2]劉愛華.高開斷大電流開關柜溫升的試驗研究[J].河北電力技術，20（3）：38-40.

（作者單位：江蘇大全長江電器股份有限公司）