KYN-24金屬鎧裝移開式開關(guān)設(shè)備的設(shè)計應(yīng)用

江蘇華冠電器集團(tuán)有限公司 劉俊峰

引言

根據(jù)國家電網(wǎng)公司“關(guān)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(nèi)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(jì)的快速增長，特別是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)準(zhǔn)中。

20kV配電電壓的推廣，將給高壓開關(guān)制造業(yè)帶來很大的商機(jī)，當(dāng)然這也是一個漫長的過程，國內(nèi)眾多開關(guān)生產(chǎn)企業(yè)包括跨國企業(yè)均投入24kV開關(guān)設(shè)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(guān)柜的設(shè)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(yùn)行環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)要求來進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計，導(dǎo)致產(chǎn)品技術(shù)性能低，試驗不過關(guān)，不能滿足國內(nèi)運(yùn)行環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

概述

下面就從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面來談一談24kV開關(guān)設(shè)備，對于高壓開關(guān)柜的設(shè)計看似簡單，只是各種元器件在柜殼內(nèi)的組合，關(guān)鍵無非就是絕緣、散熱、聯(lián)鎖和強(qiáng)度，但是要把這些元器件組合好，把關(guān)鍵的問題都解決好也不是容易的。對于24kV開關(guān)設(shè)備來說，柜體和聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)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(qiáng)度應(yīng)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(guān)設(shè)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)設(shè)備就是在12kV的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，絕緣裕度都很小，因而許多跨國公司的產(chǎn)品都還達(dá)不到這樣的絕緣水平，國內(nèi)企業(yè)仿照跨國公司產(chǎn)品的24kV開關(guān)設(shè)備也都很難達(dá)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(dá)80MVA，20kV側(cè)的額定電流就是80000/20/√3＝2309A。而目前國內(nèi)企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)的24kV開關(guān)設(shè)備最大額定電流為2500A，在實際運(yùn)行使用中裕度太小，發(fā)熱嚴(yán)重，夏天高負(fù)荷時開關(guān)柜某些部位的溫度可達(dá)100℃，長此以往會大大降低開關(guān)柜的使用壽命，并極易導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此必須要用額定電流3150A的24kV開關(guān)設(shè)備來提高裕度，以降低溫升，避免事故。

對于24kV開關(guān)柜來說，設(shè)計的關(guān)鍵在于：第一是斷路器室的觸頭系統(tǒng)和活門機(jī)構(gòu)，觸頭盒是絕緣和散熱最薄弱的地方，活門機(jī)構(gòu)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(shè)計分析

KYN-24開關(guān)柜如圖1所示，下面詳細(xì)分析介紹設(shè)計時的關(guān)鍵點：

1、基本柜架結(jié)構(gòu)與KYN28-12類似，只是柜體尺寸稍大，寬1000mm，深1800mm，高2300mm，設(shè)計時應(yīng)注意角落部位的加強(qiáng)，防止扭曲變形；

圖1

2、24kV的空氣絕緣距離標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果來看，實際運(yùn)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(guān)柜的空氣絕緣距離應(yīng)放到200mm。當(dāng)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?qū)χ邏簬щ婓w；

3、導(dǎo)軌是直接承載斷路器，并起導(dǎo)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(jìn)行程由12kV的200mm增加到了300mm，故導(dǎo)軌也加長了一百多毫米，是個薄弱環(huán)節(jié)，特別是在運(yùn)輸過程中或斷路器承受短路電流沖擊時導(dǎo)軌易變形，所以導(dǎo)軌必須加中間支撐點進(jìn)行加強(qiáng)（如圖1，A處），左右各兩塊三角形撐板，側(cè)邊與柜體側(cè)板固定，上邊與導(dǎo)軌連接；

4、電纜室的布局應(yīng)充分考慮安裝、檢修維護(hù)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(guān)安裝在開關(guān)柜中柱上，電流互感器倒裝，避雷器在接地開關(guān)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(jìn)行安裝和檢修維護(hù)，巡視時從開關(guān)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(rèn)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(jìn)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(jìn)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(guān)柜最復(fù)雜、最關(guān)鍵的是斷路器室。斷路器室的設(shè)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(jìn)機(jī)構(gòu)、地刀操作聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)、活門機(jī)構(gòu)、一次觸頭、導(dǎo)軌（上面第3點已論述）等都要配合的恰到好處，機(jī)構(gòu)要靈活，聯(lián)鎖要可靠，絕緣強(qiáng)度要好，散熱性能要保證。對于額定電流2500A及以下的開關(guān)柜可以只設(shè)計空氣對流的通道而不安裝強(qiáng)制風(fēng)冷，但額定電流3150A及以上時應(yīng)該設(shè)計強(qiáng)制風(fēng)冷通道，采用風(fēng)量大、噪音小的橫流風(fēng)機(jī)。

7、觸頭盒的設(shè)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(dǎo)致觸臂和觸頭盒安裝板之間的直線絕緣距離太短，極易導(dǎo)致其間擊穿放電。圖3是經(jīng)特殊設(shè)計的觸頭盒，采用錯落式內(nèi)、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(qiáng)了通風(fēng)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(qiáng)了通風(fēng)散熱效果；通用化設(shè)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(guān)柜活門機(jī)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)注意，由于受開關(guān)柜體積的限制，活門機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向桿、導(dǎo)向桿支架和活門行程如不加改進(jìn)，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(fù)合絕緣用在12kV開關(guān)柜是不會有問題的。但是，試驗和運(yùn)行經(jīng)驗表明，在24kV開關(guān)柜中用熱縮套管的復(fù)合絕緣距離應(yīng)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(biāo)不治本，所以要解決根本問題，必須對活門機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)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(dǎo)向系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計，導(dǎo)向桿采用拉制環(huán)氧玻璃纖維棒，表面光潔度高，導(dǎo)向套采用在金屬板的導(dǎo)向孔周圍鑲嵌特制尼龍圈，既大大降低了摩擦系數(shù)，使機(jī)構(gòu)運(yùn)動靈活，又不會劃傷環(huán)氧玻璃纖維棒的表面；導(dǎo)向桿采用拉制環(huán)氧玻璃纖維棒，導(dǎo)向桿支架采用SMC或尼龍材料制作，消除了斷路器觸臂到導(dǎo)向桿及其支架絕緣距離不夠的隱患。

結(jié)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(shè)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(guān)設(shè)備，為國家電網(wǎng)公司建設(shè)堅強(qiáng)智能電網(wǎng)作出貢獻(xiàn)。

圖4