高低壓成套開關柜電氣設計現狀及發展

曹乃鵬 張雷

摘要：目前，我國的經濟在快速的發展，社會在不斷的進步，使得工業發展得到了很大的提高。與此同時，在工業生產當中，對電氣設備的使用也日益增多。對于工業生產而言，高低壓成套開關柜在實際應用中發揮了巨大的作用。所以，需要對高低壓成套開關柜設備進行相關的分析，以此才能夠更好的促進電氣水平的提升。基于此，文章就高低壓成套開關柜電氣設計現狀分析及智能化發展方向進行簡要的分析，希望可以提供一個有效的借鑒。

關鍵詞：高低壓成套開關柜；電氣設計；智能化

引言

國家標準GB/T11022、GB7251.1等明確規定了高低壓開關柜電氣性能的檢驗項目，包括例行檢驗項目和全面型式檢驗。其中，例行檢驗主要是檢驗開關柜在制造過程中材料、元器件、結構以及工藝等是否符合設計要求，是否會對產品的可靠性與性能產生影響；型式檢驗主要是檢驗開關柜的性能與額定值是否達到國家標準，是否符合設計要求，但部分型式檢驗會對產品的可靠性與性能產生影響。高低壓開關柜的電氣性能直接影響著其正常運行，因此，國家標準不斷對電氣性能要求進行完善，本文將探討高低壓開關柜的絕緣性能、短路性能以及溫升等檢驗項目。

1絕緣性能檢驗

無論高壓還是低壓開關設備的技術標準，都將介電性能（絕緣水平）作為電氣性能要求的首要指標，是產品型式檢驗和例行檢驗必做項目。為了驗證產品不僅能夠長期在規定的正常工作條件下承載額定電壓正常工作，還要能夠在一定時間內承受在非正常工況下施加在產品上的過電壓并保持絕緣水平不被破壞。國家標準規定的工頻耐壓試驗電壓值及施加電壓時間可以考核驗證被試產品相間和相對地間及斷口間的絕緣水平，同時還等效考核驗證在實際運行時承受例如操作過電壓、長期通電發熱導致的絕緣下降、絕緣件表面被水汽和塵埃侵蝕導致的絕緣下降等情況下所具備的絕緣性能水平，是型式檢驗和例行檢驗必做項目。國家標準中規定的沖擊耐壓試驗主要是考核驗證產品處于規定的安裝類別條件下應能夠承受的由于雷擊或操作過電壓產生的脈沖型高電壓，沖擊耐壓試驗因試驗設備、試驗條件等因素制約只被列為型式檢驗項目。從國家標準修訂變化的結果可以看出，考核絕緣水平的耐受電壓值越來越高，例如在GB/T11022—1999《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》中對于額定電壓7.2kV產品絕緣水平的規定，額定短時工頻耐受電壓為：通用值23kV、隔離斷口28kV；額定雷電沖擊耐受電壓為：通用值40kV或60kV可選、隔離斷口46kV或70kV可選。而GB/T11022—2011《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》中將額定短時工頻耐受電壓提高至：通用值30kV、隔離斷口34kV；并且刪除了額定雷電沖擊耐受電壓的較低值，不再考慮受快波前和緩波前過電壓作用的程度、系統中性點接地的方式和過電壓限制裝置的型式等因素，統一采用通用值60kV、隔離斷口70kV考核。這是因為電力系統中除操作過電壓外，諧振過電壓的影響日益嚴重，過電壓幅值越來越高，類型也較為復雜，通常有線性諧振過電壓、鐵磁諧振過電壓、參數諧振過電壓等，同時還需考慮中性點接地方式。綜合目前常用的各類高低壓開關柜在保障絕緣水平方面采取的措施可以看出，無論是哪種型號類型的高低壓開關柜，都通過結構設計來加大電氣間隙、增加爬電距離、提高絕緣水平來滿足工頻耐壓試驗和雷電沖擊耐壓試驗的要求。有些高壓開關柜還運用了絕緣固封技術達到提高絕緣水平，滿足工頻耐壓試驗和雷電沖擊耐壓試驗要求的目的。此外在試驗前還需注意要將高低壓開關柜內部的過電壓保護裝置接線端子拆除斷開過電壓保護線路，才能夠升至標準規定的試驗電壓值。因為高低壓開關柜內部的過電壓保護裝置大多是通過壓敏電阻的原理來實現的，在試驗電壓尚未達到規定值就會動作。

2.開關柜電氣設計現狀分析

2.1高低壓開關柜的母線

對于高低壓開關柜來說，母線的設計是非常重要的。在設計母線的過程之中，對電壓與電流的限定控制是重要的條件。一般情況下，在設計圖紙當中，會有兩種方式存在：一是對主線的限定電流值與電壓值進行明確；二是對母線的格式進行直接檢測，并依據相關協議對用戶進行額定值以及格式的溝通，依據用戶的實際需求來做好母線的設計，對設計方案應當嚴格執行，從而使得母線的電流值、電壓值以及格式裕度充足。

2.2高低壓開關柜中真空斷路器的設計

在高低壓成套開關柜當中，斷路器的作用相當于開關器件。并且在高低壓開關柜正常運行的過程當中，斷路器可以對斷開回路的負荷電流做好接收。如果有問題出現的話，斷路器就能夠與繼電保護裝置之間形成一種協作，及時將電流斷開，以免造成更大的故障，從而對電氣回路加以控制。

2.3高低壓開關柜中控制回路的設計

對高低壓開關柜的設計當中，一般有合閘、儲能以及跳閘三種常見的控制回路，其余的則都是在這些回路當中進行的。在儲能回路當中，與斷路器合閘時所需要的電力能源相符合是其重要的作用；在合閘回路當中，不僅可以手動來進行合閘，還能夠采用電動的方式來進行合閘。

3.開關柜智能化的未來發展趨勢

3.1溫升檢驗

溫升檢驗也是必不可少的檢驗項目，該試驗主要是考核并驗證在長期承受額定電流工作情況下，產品規定部位的溫升情況，是否滿足標準規定的溫升極限，同時檢驗產品鐵磁與載流部件損耗產生的發熱是否損壞載流部件或相鄰部件、是否會使產品絕緣水平降低、是否會對產品性能產生影響。高低壓開關柜長時間進行額定電流工作會出現溫升，在溫升過程中會產生一定的熱量，雖然這是一個相對較緩慢的影響過程，然而若開關柜的溫升超出了允許值，則會加快絕緣件的老化速度，導致產品的絕緣水平快速下降，提前降至正常耐受值之下，存在重大隱患。開關柜的結構、載流部件連接以及主電路界面等是溫升的主要影響因素，基于開關柜結構、主電路載流界面定型，以及內部元部件的溫升達到標準規定，只需要通過型式試驗對開關柜整機的溫升進行檢驗，判斷其是否達到標準規定。

3.2智能化開關柜的模塊化發展

在智能化開關柜當中，其模塊化發展趨勢，不僅能夠使得高低壓開關柜的生產組織模式得到改進，還能夠對現代化的流水作業方式進行優化，從而使得生產成本大大降低，促進企業生產效率的提升，使得各種資源能夠得到優化配置。而所謂的模塊化，即就是與實際的智能化開關柜應用情況與性能需求相結合，從而實現其模塊的優化設計，使得不同用戶的需求都能夠得到滿足。這一發展趨勢，對于智能化開關柜的生產來說，具有非常大的推動作用。

3.3短路性能檢驗

短路性能檢驗包括額定短路接通開斷能力和額定短時耐受電流能力試驗，目的在于驗證當電力系統中出現短路或較大過載等非正常情況時，高低壓開關柜能夠接通，在規定時間內承載和斷開故障電流的能力。其中接通和斷開操作主要由斷路器等內部元件執行并完成，文中僅分析直接影響高低壓開關柜整體性能的額定短時耐受電流能力指標，即開關柜應能夠耐受不超過額定值的短路電流所產生的焦耳熱以及由此產生的熱應力和電動應力。

結語：

總而言之，在當前我國的電力行業當中，用戶對于高低壓開關柜的要求在不斷的提高。所以，在實際的設計過程中，需要立足于實際情況，落實每一環節的設計工作，并進行優化設計，從而使得開關柜得到更好地發展。

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