AMS(KYN96)-40.5kV中壓開關(guān)柜高海拔的改造應(yīng)用

摘要 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)配置的普通40.5kV鎧裝式金屬封閉開關(guān)柜，在高海拔電網(wǎng)使用中絕緣強(qiáng)度不足的問(wèn)題，以AMS(KYN96)-40.5型鎧裝式金屬封閉開關(guān)柜為例，通過(guò)采取工頻耐壓試驗(yàn)和雷電沖擊耐壓試驗(yàn)，查找出絕緣缺陷；對(duì)電纜室、斷路器室和母線室相關(guān)部位做結(jié)構(gòu)改進(jìn)；針對(duì)高海拔地區(qū)要求調(diào)整或重新選擇電氣絕緣件；局部電場(chǎng)不均勻的部位采取均勻電場(chǎng)的措施(對(duì)元器件進(jìn)行添加或調(diào)整)，使之形成了可靠的復(fù)合絕緣，以保證良好的電氣性能。并從中歸納出一套滿足高海拔的技術(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、改進(jìn)、試驗(yàn)和生產(chǎn)的技術(shù)改造方案，為其他同類產(chǎn)品的改造提供參考。

關(guān)鍵詞 AMS(KYN96)-40.5開關(guān)柜加強(qiáng)絕緣絕緣試驗(yàn)

0 引言

AMS(KYN96)-40.5是阿?，m輸配電華電開關(guān)(廈門)有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的一款先進(jìn)的40.5kV中置式金屬鎧裝封閉開關(guān)設(shè)備，2005年起在國(guó)家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心和德國(guó)IPH實(shí)驗(yàn)站以及荷蘭KAMA實(shí)驗(yàn)站通過(guò)了全套的型式試驗(yàn)。該產(chǎn)品具有方案齊全、電氣參數(shù)高(額定電流3150A、額定短路開斷電流31.5kA)的特性；配置性能可靠的VEP戶內(nèi)中壓固封式真空斷路器及FEP戶內(nèi)SF6斷路器和具有短路關(guān)合能力及快速合閘機(jī)構(gòu)的ESw型接地開關(guān)；采用電場(chǎng)均壓、屏蔽設(shè)計(jì)，具有成熟可靠的“五防”閉鎖裝置，完全實(shí)現(xiàn)柜前關(guān)門操作的特點(diǎn)。已在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中大量使用，為發(fā)電廠、電網(wǎng)及公用變電站中的電動(dòng)機(jī)、變壓器、電容器及大多數(shù)配電線路提供可靠的集中控制及保護(hù)功能；在國(guó)外市場(chǎng)如南非，澳大利亞，沙特等國(guó)家也得到廣泛應(yīng)用。 AMS(KYN96)-40.5同其他普通開關(guān)柜一樣，其使用環(huán)境是按海拔高度在1000m以下的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。當(dāng)海拔升高時(shí)空氣密度降低，散熱條件變壞，高壓元器件在運(yùn)行中溫升要增加。其額定電流雖保持不變，但空氣絕緣強(qiáng)度在減弱，這就使得元器件外表絕緣強(qiáng)度也隨之減弱，極易發(fā)生絕緣擊穿或閃絡(luò)等破壞性放電事故。為此，AMS(KYN96)-40.5要在高海拔電網(wǎng)安全使用，就必須通過(guò)絕緣試驗(yàn)準(zhǔn)確查找其缺陷原因，開展絕緣加強(qiáng)的改造工作。同時(shí)，考慮到我國(guó)大部分地區(qū)海拔高度超過(guò)1000m，研究和探討開關(guān)柜在高海拔地區(qū)的應(yīng)用很有實(shí)際意義和使用價(jià)值。

1 高海拔對(duì)開關(guān)柜的影響

隨著海拔的提高空氣密度就相應(yīng)的降低，空氣密度降低后散熱就困難，絕緣擊穿電壓就降低。所以要解決普通開關(guān)柜在高海拔地區(qū)的使用問(wèn)題，必須考慮散熱和絕緣兩方面。

高海拔對(duì)散熱影響及溫升要求在GB763-90《交流高壓電器在長(zhǎng)期工作時(shí)的發(fā)熱》標(biāo)準(zhǔn)中有明確規(guī)定，“當(dāng)電器設(shè)備在海拔高度超過(guò)1000m時(shí)，其溫升應(yīng)按每超過(guò)300m(以海拔高度1000m為起點(diǎn))降低0.9(90)％計(jì)算”，例如在海拔3000m時(shí)，則降低溫升為6％，而在GB／T11022-1999《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》規(guī)定的高壓開關(guān)各部件、絕緣材料在空氣中允許溫升范圍為30～75K。F級(jí)和H級(jí)絕緣材料允許溫升范圍為115～140K，則要求降低零部件溫升1.8～4.5K。

TB／Z102-71中高壓電器使用于高海拔地區(qū)的技術(shù)要求見表1。

從表1中可以看出，由海拔1000m上升到3000m時(shí)，環(huán)境最高溫度從40℃降為30℃，即下降了10℃，足以抵消由于海拔升高，要求降低溫升的標(biāo)準(zhǔn)。因此，一般情況下，各類標(biāo)準(zhǔn)中不規(guī)定海拔高度對(duì)溫升的影響。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮海拔對(duì)溫升的影響。

本文探討AMS(KYN96)-40.5中壓開關(guān)柜在海拔高度為2000m應(yīng)用時(shí)的絕緣耐壓的改進(jìn)和試驗(yàn)。

2 AMS(KYN96)-40.5的基本結(jié)構(gòu)

AMS(KYN96)-40.5中置式中壓開關(guān)柜的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 ANS(KYN96)-40.5柜的高海拔耐壓試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)方案

根據(jù)GB311.1-1997(2007)的規(guī)定，當(dāng)高壓電器用于海拔1000m以上，但不超過(guò)4000m時(shí)，其外絕緣試驗(yàn)電壓應(yīng)為額定耐受電壓乘以海拔修正系數(shù)，即Ka=1／(1.1-H×10^-4)。(H為安裝地點(diǎn)的海拔高度)，如按海拔高度為2000m計(jì)算，則Ka=1／(1.12000×10^-4)=1.1111，依此可求得1min工頻耐壓為95kV×1.1111=105.56kV，雷電沖擊耐壓為185kV×1.1111=205.56kV。試驗(yàn)柜體的主要設(shè)備配置如表2。 根據(jù)普通型AMS(KYN96)-40.5開關(guān)柜在西安高壓開關(guān)研究所做的型式試驗(yàn)報(bào)告(No.05189)的試驗(yàn)結(jié)果以及平時(shí)對(duì)該類開關(guān)柜的耐壓情況測(cè)試，其1min工頻耐壓水平為97kV，雷電沖擊耐壓為190kV。要滿足海拔高度為2000m的需求必須加強(qiáng)絕緣，提高工頻耐壓和雷電沖擊耐壓水平。內(nèi)絕緣由于封裝在設(shè)備內(nèi)部(主要是指絕緣件)，故只受絕緣材料及絕緣結(jié)構(gòu)和工藝處理的影響。而工廠生產(chǎn)不同于試驗(yàn)室，采用的都是材料、尺寸和規(guī)格已經(jīng)成型的元器件，因此只能在元器件原有絕緣材料的基礎(chǔ)上改進(jìn)和改良。外絕緣則受大氣條件的影響，如氣壓、氣溫、濕度、污穢及海拔高度等。AMS(KYN96)-40.5開關(guān)柜在高海拔地區(qū)應(yīng)用，必須從內(nèi)外兩個(gè)層面通過(guò)工頻耐壓試驗(yàn)和雷電沖擊耐壓試驗(yàn)找出柜體內(nèi)易產(chǎn)生閃絡(luò)的薄弱區(qū)域，從而對(duì)其絕緣做加強(qiáng)或結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。試驗(yàn)要求滿足工頻耐壓106kV／1min下無(wú)閃絡(luò)擊穿；雷電沖擊耐壓206kV正負(fù)極性各15次，放電次數(shù)不多于2次。

3.2 AMS(KYN96)-40.5開關(guān)柜的高海拔耐壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

工頻耐壓試驗(yàn)是對(duì)AMS(KYN96)-40.5在正常工作中要求對(duì)電隔離的部件之間施加一定的高電壓，并持續(xù)1min以上，以驗(yàn)證其介質(zhì)是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

工頻耐壓試驗(yàn)的電壓施加部位當(dāng)觸頭在不同位置時(shí)在三相進(jìn)線端和出線端與接地位置間施加試驗(yàn)電壓(將其他的進(jìn)出線端跟殼體接地)。試驗(yàn)中，為防止電壓沖擊，加壓應(yīng)從小于試驗(yàn)電壓值的一半開始(約53kV)，從約5s的時(shí)間逐步升壓到試驗(yàn)電壓106kV。施壓時(shí)間從達(dá)到106 kV時(shí)開始計(jì)算，持續(xù)1min。

雷電沖擊耐壓試驗(yàn)是對(duì)AMS(KYN96)-40.5電氣間隙施加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化波形的沖擊電壓波，來(lái)考核開關(guān)柜內(nèi)外絕緣耐受瞬時(shí)高頻過(guò)電壓的能力。沖擊耐壓試驗(yàn)主要是用來(lái)檢驗(yàn)電器的電氣間隙、爬電距離(外絕緣)和有關(guān)電器固定絕緣的介電性能(內(nèi)絕緣)。試驗(yàn)采用的是中國(guó)航天科工集團(tuán)北京華天機(jī)電研究所400kV CCK-2511沖擊電壓設(shè)備及測(cè)量系統(tǒng)。沖擊耐壓試驗(yàn)的電壓施加部位同工頻耐壓一樣。

通過(guò)不斷的反復(fù)試驗(yàn)，不斷更改，發(fā)現(xiàn)有如下區(qū)域存在閃絡(luò)擊穿：

(1)接地開關(guān)靜觸頭對(duì)安裝板；

(2)相間絕緣隔板的靠近接地開關(guān)的支撐桿；

(3)母線室中上分支母線對(duì)母線室隔板和母線室壓力釋放板；

(4)斷路器的極柱絕緣拉桿處對(duì)機(jī)箱。

以上區(qū)域存在閃絡(luò)擊穿的原因分析如下：

(I)普通型AMS(KYN96)-40.5開關(guān)柜上ESW接地開關(guān)絕緣子的高度為360mm，爬距為820mm，滿足不了高海拔時(shí)的爬距要求；

(2)相間絕緣隔板靠近接地開關(guān)的絕緣支撐桿的位置離帶電體太近，電會(huì)通過(guò)絕緣板上絕緣桿的安裝開孔沿絕緣桿表面爬，從而造成相間閃絡(luò)；

(3)開關(guān)柜母線室中，上分支母線對(duì)母線室隔板的最近距離為260mm，A相上分支母線頂端離母線室壓力釋放板的最近距離為280mm，難以滿足高海拔的要求；同時(shí)由于開關(guān)柜尺寸的限制，套管安裝螺絲處有放電尖角，易產(chǎn)生放電；

(4)斷路器的絕緣拉桿設(shè)計(jì)時(shí)考慮的爬距為810mm，無(wú)法滿足高海拔的要求。

3.3 AMS(KYN96)-40.5柜的高海拔應(yīng)用的改造及試驗(yàn)

通過(guò)工頻耐壓和雷電沖擊耐壓的絕緣試驗(yàn)，對(duì)絕緣缺陷進(jìn)行分析，對(duì)開關(guān)柜的相關(guān)部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)；對(duì)元器件進(jìn)行調(diào)整和增加；采取必要的均勻電場(chǎng)措施，形成可靠的復(fù)合絕緣，以保證良好的電氣性能。

結(jié)合以上試驗(yàn)結(jié)果和原因分析，對(duì)開關(guān)柜作如下改進(jìn)：

(1)更換普通型ESW接地開關(guān)為高壓型ESW接地開關(guān)，整體式接地開關(guān)上絕緣子高度由360mm調(diào)整為420ram，柜體結(jié)構(gòu)中相應(yīng)調(diào)整電纜連接銅排的尺寸；

(2)取消靠近接地開關(guān)的絕緣支撐桿。為保證絕緣板不搖晃，在電纜室靠后門處增加一處絕緣支撐桿；

(3)母線室隔板對(duì)分支母線側(cè)的單面噴1.5mm環(huán)氧樹脂，以增強(qiáng)絕緣；

(4)將母線室壓力釋放板的高度由30mm增加到60mm，以加大A相上分支母線對(duì)其距離到310mm；為保證開關(guān)柜的整體外觀效果，斷路器室壓力釋放板和電纜室壓力釋放板的高度統(tǒng)一加高到60mm

(5)柜間穿墻套管的安裝螺栓增加絕緣帽，最大限度地均衡連接處的電場(chǎng)，消除螺栓的放電尖端；

(6)由于斷路器的空間尺寸和結(jié)構(gòu)的影響，絕緣拉桿無(wú)法通過(guò)增加本身的爬距來(lái)提高絕緣耐壓水平，所以特別在拉桿底部套上一個(gè)絕緣爬距增加器。

通過(guò)以上改進(jìn)后的整柜工頻耐壓和雷電沖擊耐壓數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

4 ANS(KYN96)-40.5柜高海拔改進(jìn)的效果

按以上改造方案的AMS(KYN96)-40，5開關(guān)柜，提高了開關(guān)柜的整體絕緣水平，卻沒有增加柜體的尺寸，節(jié)省了占地面積，更有利于環(huán)保，提供了抵御高海拔地區(qū)嚴(yán)酷環(huán)境的能力，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。而且安裝便捷，維護(hù)量很小，減輕了管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，明顯降低了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

按改造方案的AMS(KYN96)-40，5開關(guān)柜從2006年起已陸續(xù)投運(yùn)到內(nèi)蒙古錫林郭勒吉相華亞風(fēng)電場(chǎng)二期49，5MW工程35kV開關(guān)柜、新疆塔河重質(zhì)原油改質(zhì)項(xiàng)目35kV中壓開關(guān)柜、云南昆鋼大紅山35kV中壓開關(guān)柜等高海拔項(xiàng)目中，到目前為止未發(fā)生任何絕緣閃絡(luò)或擊穿等破壞性放電事故。同時(shí)，改造方案轉(zhuǎn)讓給云南開關(guān)廠和錦州第一開關(guān)廠，并投運(yùn)到相關(guān)項(xiàng)目中運(yùn)行狀況良好。

實(shí)踐證明，AMS(KYN96)-40.5開關(guān)柜的高海拔應(yīng)用的改造方案是穩(wěn)定可靠、安全適用的，有比較科學(xué)合理的技術(shù)參數(shù)、機(jī)械特性和操作方法，值得借鑒和參考。

5 結(jié)語(yǔ)

為適應(yīng)市場(chǎng)需求，AMS(KYN96)-40.5開關(guān)柜的高海拔改造是必須的。同時(shí)，我們應(yīng)該看到，目前國(guó)內(nèi)的同類型開關(guān)柜普遍不能滿足高海拔的要求。如何探索提高開關(guān)柜本身的絕緣耐壓水平，對(duì)開關(guān)柜的絕緣留有足夠的欲度依然是我們必須面i臨的問(wèn)題。