淺談工業廠房變電站事故分析及設計優化比選

江蘇易能科技有限公司 蔣 晨

1 工程概述

位于無錫工業轉型集聚區內，新投資建設一家汽車用輪轂生產加工企業，總占地0.21km2。為年產240萬件輕量化車輪項目。專門生產汽車用輪轂鑄造毛坯件及精加工產品，生產車間機械智能化水平較高，現已采用機器人涂裝生產；現場車間內大容量的電機等負荷較多，例如：空調站中大型風機及制冷機、空壓站設備、機加車間生產線設備、鑄造生產線設備，故變電站內低壓饋線回路中630～800A出線回路占大部分。

某項目在其他地區已建有相同功能、規模的老廠區，老廠區設備與新廠區設備基本相同，老廠區變電站內長期運行發現：≥630A的塑殼斷路器抽屜式金屬插接件燒融，塑料護套燒化甚至碳化現象。經過出廠前的型式試驗發現，400A及630A的溫升較低，均在30℃。而實際使用中，用溫度傳感元件檢測時發現斷路器正常工作溫度20～40℃，兩者相吻合。而異常工作溫度在70～90℃，有時甚至高達110℃。插接件處銅排升溫過高。

以下分別在產品設計、生產加工、產品組裝，現場安裝、后期使用、維護保養等方面提出解決方案。

改進一：增加彈簧片的厚度，例如由原有的1.2mm增加到1.3mm，增加觸頭的壓緊力（彈性度）使收縮電阻和膜電阻減小，總的綜合接觸電阻減小。

改進二：抽屜式插接件一次觸頭采用的是多疊片的組合型式，可以根據抽屜式額定電流的大小來確定抽屜式的觸頭的片數。每增加一片觸頭片，就能增加接觸部位的接觸面積，例如：單片式改成兩片式，兩片式改成三片式。通過增加導體接觸面積S，降低接觸部位的電阻R。400A以上的抽屜式開關由于額定電流比較大，經過試驗證明采用抽屜式的方式對插接件要求太高，技術參數很難達到要求[1]。

改進三：減小電阻率。選用電阻率更小的材料作為插接件，在插接件的表面電鍍導電率更好的金屬涂層，如錫或者銀，或者電鍍合金涂層，以便提高自身的導電性能。在插接件表面涂抹增加導電性能更強的試劑（如導電膏、納米導電精）。

改進四：背后的插接件外殼盡可能做成透明狀，增強可視化程度，提高機械化加工精度，減小誤差；采用耐高溫材料，例如AP66，耐高溫可達125℃，提高使用的可靠性及安全性。

改進五：變電站內可配備觸頭壓力測試儀，該觸頭壓力檢測儀可用來定期檢測運行中的插接件觸頭的接觸壓力，是否保持在允許范圍內，評估插接件接觸壓力的穩定性，進而評估接插件的優劣，測量時無須用交流電，直接測量，方便直觀。如測試的抓緊度≥100N，效果會更好。

2 在低壓饋線柜設計上優化比選及改進

2.1 方案一

當采用≥630A塑殼斷路器時，不再使用抽出式開關設計，采用固定分隔柜形式，安裝于獨立的固定分隔小室內，采用開關插拔式結構，分開關本體和底座兩個部分，如圖1所示。底座固定于底板，背面方便接電纜引出，開關的本體可以帶電拔出，便于檢修或更換。若采用插拔式安裝，可減少抽屜式中一次插接件數量，提高插接件安全可靠性，設計柜寬度由原來的600mm改為800mm寬，電流互感器可安裝在柜側（后）電纜室，這樣使得每個低壓間隔內部尺寸放大，空間高度增加，散熱效果比抽屜式強，可將4個630A的塑殼斷路器集中于一臺低壓開關柜上，進線集中設計及安裝，便于開關組裝。當斷路器燒壞后，可直接將相應斷路器從固定插接件上取下更換，更換速度比抽屜式快。值得注意的是在設計時，可以將多個需要插拔式開關設計在同一柜內，將小容量的斷路器采用抽屜式設計，并集中在一起，以此作為區分，在生產加工及后期維護方面都有優勢[2]。

圖1 固定分隔柜實物

2.2 方案二

常規的0.4kV低壓側抽屜內安裝有一、二次插接件、電流互感器、斷路器（帶操作機構）、接觸器、繼電器、控制回路用熔斷器、電源指示燈、電力儀表等。針對一個抽屜內元器件繁多的情況下，也可以采用固定式開關柜GGD柜型，通常采用尺寸為寬800mm×長600mm×高2200mm進行設計。

優點：取消了柜內的分隔板后，可以提高散熱空間；≥630A的斷路器固定式安裝，不采用操動機構、一二次動靜插接件等輔助配件，柜內結構更加簡單明了，便于維護和操作；當柜內有多個≥630A斷路器時候，可以選擇在安裝梁上前后安裝，充分利用柜子的結構性能。

缺點：當某一回路出現斷路器故障時，檢修維護時間會延長，一般需要斷開故障斷路器，其次斷開總刀閘HD13及拆下故障斷路器，卸下低壓電纜頭，更換新的斷路器，安裝上原有低壓電纜頭，先合上總刀閘，最后合上更換后的新斷路器等一系列倒閘操作，同時會影響同一刀閘下所帶的其他回路的正常使用，擴大故障范圍，供電可靠性下降；柜內銅排裸露明顯，需要套有色標的熱縮護套，加裝透明絕緣保護板，以此來加強安全防護性能，故不及GCK、MNS等柜子安全性強；當低壓柜數量較多時，占地空間多這個的缺陷就加明顯。

2.3 方案三

仍然采用抽屜式安裝方式，但插接件上采用雙插接件或三插接件模式，即使用2組或3組插接件并聯組裝方式，采用多層設計方案，如圖2所示。原本一組要流過500～600A電流，現在改造后的其中一組插接件只需要原來的一半。例如，630A的斷路器插接件可采用2×400A的插接件，800A的斷路器插接件可采用2×400A（630A）的插接件，間隔底板側均可加裝一臺散熱風機，和溫濕度控制器相互配合，使得柜子內部產生上下對流空氣。

圖2 雙插件實物

優點：不需要改變柜型及尺寸，可與小容量的抽屜一致，整體性突出；從源頭上解決了大電流插接件載流量不滿足的問題。

缺點：這種方式會適當增加柜子生產成本；對操作及后期的維護方面增加額外的負擔工作。

2.4 方案四

仍然采用GCK低壓抽屜式柜型，但不采用普通塑殼斷路器，而是采用小型的框架式斷路器，例如采用常熟開關制造有限公司的CW3智能型萬能式斷路器，CW3-1000/800/630/400A，框架電流值為1000A，其整定范圍值為400～1000A，框架式斷路器尺寸較小，可固定式安裝，單個框架尺寸為寬235mm×高320mm×長200mm。

優點：設計時可選用較高的額定極限分段能力Icu=65kA（≥50kA）的型號；由于不采用插接件，用母排與接線端直接連接，不會出現因插接件導致的故障現象。

缺點：框架式斷路器比塑殼式斷路器價格高，故造價成本上升，CW3-1000A/630A價格是11868元，CM5-630L/630A的價格是3087元；柜體設計空間布局上，原本一臺低壓柜可以配備4×630A的塑殼斷路器，而現在可以設置設備3×1000A/630A的框架斷路器，相應回路數減少。

2.5 方案五

采用溫度傳感器及無線測溫顯示裝置，這一技術目前已經成熟，應用領域廣泛。在電力系統中可以安裝在高壓隔離開關接線端部、高壓斷路器動觸臂上下側端部（梅花觸頭端部），高壓進出線電纜頭端部、變壓器高低壓側端部、低壓進出線電纜頭端部、電容器外表側及接線端部，無線測溫顯示裝置也可以單獨安裝在低壓抽屜柜內，每臺裝置可以接收多個傳感器的數據，和低壓回路中測溫傳感器配套使用，無線傳感器安裝在一次接線端頭上，分為有源和無源兩種，有源即帶電池，而無源只能在設備帶電時候使用，利用電磁感應原理，用綁扎帶扎牢，通過無線傳輸至測溫主機，每個測溫主機可以無線或有線傳輸，有線主機均帶有一路485接口，可將采集到的溫度數據上傳到監控中心。主機可以自動周期性地從端部讀取所接收的測溫數據，并對數據進行分析，發現超過警戒溫度或溫度發生異常時報警，測溫數據可在計算機中長期儲存記錄。在后臺的工作人員可以實時、隨時查詢顯示監測每個斷路器的工作溫度。國內主要品牌的無線測溫傳感器多方面比較詳見表2，針對同一柜子的多種設計方案改造價格對比詳見表3。

表2 國內主要品牌的無線測溫傳感器多方面比較

表3 針對同一柜子的多種設計方案改造價格對比

當變電站面積寬裕時，可優先選用第一和第三方案，當變電站面積不寬裕時，可采用第四方案。

3 結語

結合工程實例針對工業園區內，大容量抽屜式開關柜插接件經常燒毀現象，進行研究分析其產生的各種原因，并提出解決措施，確保工業廠房變電站安全運行。