淺談發(fā)電機(jī)出口開關(guān)柜設(shè)計(jì)

陳翔

摘 要：通過對(duì)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)形式，母線和絕緣子的選型及其動(dòng)熱穩(wěn)定性的論證等，對(duì)6300A/63KA 17.5KV電壓等級(jí)的開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，為業(yè)內(nèi)大電流高開斷成套開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)提供分析和參考。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)出口；大容量；大電流；結(jié)構(gòu)形式

1 前言

隨著用電負(fù)荷的增大，同時(shí)伴隨著國(guó)家對(duì)資源的嚴(yán)格控制，使得一些用戶特別是冶金、石化等高能耗行業(yè)的用戶，對(duì)開關(guān)柜額定電流的要求越來(lái)越高，近幾年逐漸出現(xiàn)了一些額定電流6300A，短路開斷電流50kA、63kA的項(xiàng)目，且有越來(lái)越多的趨勢(shì)。面對(duì)如此大容量、大開斷電流，如何進(jìn)行柜體設(shè)計(jì)成為很關(guān)鍵的問題。江蘇大全長(zhǎng)江電器股份有限公司于2013年成功研制開發(fā)了XGN□-17.5/6300-63型成套開關(guān)設(shè)備，目前已有數(shù)百套產(chǎn)品應(yīng)用于不同用戶，運(yùn)行穩(wěn)定良好，有了比較成功的經(jīng)驗(yàn)。下面就發(fā)電機(jī)出口開關(guān)柜的設(shè)計(jì)方案做個(gè)簡(jiǎn)單分析。

2 發(fā)電機(jī)出口開關(guān)柜設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)出口設(shè)備應(yīng)用于發(fā)電機(jī)側(cè)，額定電流和開斷電流比較大，需著重解決由此帶來(lái)的柜體強(qiáng)度、絕緣特性、動(dòng)熱穩(wěn)定性以及溫升等一些問題。

2.1 柜體結(jié)構(gòu)形式選擇

成套開關(guān)設(shè)備按斷路器的安裝類別可分為手車式和固定式結(jié)構(gòu)，其各有優(yōu)缺點(diǎn)。近年來(lái)由于手車式結(jié)構(gòu)的設(shè)備維護(hù)檢修方便、互換性好而占據(jù)更大比重。但我們也看到目前國(guó)內(nèi)移開式開關(guān)柜，在電流變大后普遍存在動(dòng)靜頭不精準(zhǔn)、無(wú)法觀察、觸頭盒散熱效果不理想等情況，這會(huì)使得我們的客戶理性地選擇開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)。對(duì)于發(fā)電機(jī)出口設(shè)備，宜選擇固定式結(jié)構(gòu)：

（1）手車式結(jié)構(gòu)：由于在工作時(shí)動(dòng)靜觸頭隱藏在觸頭盒內(nèi)，對(duì)流和輻射的散熱效果不理想，要比暴露在空氣中的同類導(dǎo)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(gè)弱點(diǎn)。

2.2 柜體骨架材料選擇

與傳統(tǒng)的KYN28-12開關(guān)柜相比，6300A/63kA的開關(guān)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(gè)柜體的強(qiáng)度，主體框架需考慮采用8號(hào)槽鋼焊接而成，同時(shí)為了防止渦流及磁感應(yīng)現(xiàn)象帶來(lái)的柜體發(fā)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(yōu)質(zhì)的不銹鋼材料（1Cr18Ni9Ti）。

2.3 母線選擇和布置

應(yīng)用于發(fā)電機(jī)出口的開關(guān)設(shè)備，其額定峰值耐受電流為額定短時(shí)耐受電流的2.8倍。其短路時(shí)的動(dòng)熱效應(yīng)相當(dāng)巨大，合理選擇母線和布置方式尤為重要。

（1）母線規(guī)格選擇。戶內(nèi)成套開關(guān)設(shè)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(guī)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(guān)的配套也比較難以實(shí)現(xiàn)（如表面烘套管、配套穿墻套管模具費(fèi)用、昂貴的母線轉(zhuǎn)接件等），其最終的成本（特別是在目前6300A尚未成為主流產(chǎn)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(jù)DIN43671-銅導(dǎo)體載流量（德國(guó)）標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合行業(yè)中相關(guān)廠家和公司自己的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，主母排應(yīng)選用單相6X120X10（mm）矩形圓角銅排。

（2）母線布置。對(duì)于水平布置的三相母線，當(dāng)母線平放時(shí)，或者對(duì)于豎直布置的三相母線，當(dāng)母線立放時(shí)，母線所承受的力效應(yīng)最好。同時(shí)母排立放時(shí)載流量比平放時(shí)要高一些，這是由于立放時(shí)散熱性能要比平放時(shí)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(jù)GB3906-2006附錄D中熱效應(yīng)計(jì)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(shí)耐受電流，A；

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

t—額定短路持續(xù)時(shí)間，s，取3s；

△θ—溫升，K，對(duì)于裸導(dǎo)體一般取180K，對(duì)于2-5s持續(xù)時(shí)間取215K；

對(duì)于63kA/3S系統(tǒng)，選用銅母線，I=63000，a=13，t=3，△θ=215；

最小截面積為：S≥572.5mm?；

根據(jù)DL404-1997中規(guī)定，對(duì)于中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，接地回路的短時(shí)耐受電流最大值可達(dá)到主回路的額定短時(shí)耐受電流值；對(duì)于中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)，接地回路的短時(shí)耐受電流最大值可達(dá)到主回路的額定短時(shí)耐受電流值的87%。

主接地回路按中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)選擇，即短時(shí)耐受電流I=63kA，額定短路持續(xù)時(shí)間t=2s，則主接地排截面積為S≥467.4 mm?，故主接地排規(guī)格選擇8*60mm；

2.5 隔離開關(guān)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(dǎo)體搭接處均采用螺栓固定安裝，其接觸電阻一般不會(huì)太大。隔離開關(guān)的動(dòng)靜刀口，是通過彈簧來(lái)保證接觸壓力的，加上6300A/63kA本身的導(dǎo)體截面就比較大，如果采用一個(gè)搭接面，很難保證其精度，因此，6300A/63kA的隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式每相應(yīng)采用雙刀型。

2.6 開關(guān)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(gè)很重要的問題。對(duì)于額定電流6300A開關(guān)柜，其主回路電阻約在40～60?Ω，按照P=I?R原則，主回路發(fā)熱功率約為1580～2380W，如此大的熱量淤積在狹小的開關(guān)柜內(nèi)如不能及時(shí)排出柜外，后果相當(dāng)嚴(yán)重。

散熱可從以下5個(gè)方面考慮：

（1）在母排通過的金屬結(jié)構(gòu)部件采用非導(dǎo)磁材料如不銹鋼板生產(chǎn)，盡量減少柜體本身的渦流發(fā)熱；不能采用非導(dǎo)磁材料生產(chǎn)的金屬板表面噴黑色無(wú)光漆，如柜頂泄壓板等，增強(qiáng)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(wú)光漆，以加強(qiáng)輻射散熱能力；

（3）根據(jù)溫度梯度下低上高的原則，合理布置柜內(nèi)各發(fā)熱元件，優(yōu)化設(shè)計(jì)散熱通道，使得熱量流動(dòng)暢通；

（4）采取強(qiáng)制風(fēng)冷措施加強(qiáng)對(duì)流散熱，考慮在柜子前下門和后下門各加裝1個(gè)風(fēng)機(jī)往柜內(nèi)吸風(fēng)，在手車室、母線室柜頂各加裝2個(gè)風(fēng)機(jī)往柜外排風(fēng)，同時(shí)在后上門上部加裝風(fēng)機(jī)往柜外排風(fēng)，風(fēng)機(jī)要選擇靜音軸流型，選擇風(fēng)機(jī)要綜合考慮功率、風(fēng)量、持續(xù)工作壽命、安裝方式等因素；

（5）選用高質(zhì)量低電阻的新型一次元件，減少一次元件的發(fā)熱量。

2.7 支撐絕緣子選型

發(fā)生三相短路時(shí)作用于母線上的最大電動(dòng)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(dòng)力，N；

K-----絕緣子受力系數(shù)，水平放置時(shí)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(jì)算結(jié)果：Fsj=21533N。

按照《高壓配電裝置技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)程》規(guī)定，在短時(shí)荷載時(shí)，支柱絕緣子允許荷載的安全系數(shù)為1.67，及支柱絕緣子的抗彎強(qiáng)度應(yīng)大于等于所承受的電動(dòng)力的1.67倍。故絕緣子抗彎強(qiáng)度為≧1.67 Fsj=35960N。

一般戶內(nèi)絕緣子的設(shè)計(jì)抗彎強(qiáng)度為20～30kN，應(yīng)選用抗彎強(qiáng)度大于以上數(shù)值的絕緣子產(chǎn)品。

3 結(jié)論

發(fā)電機(jī)出口開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)，與常規(guī)小電流柜體設(shè)計(jì)存在很大差異，需要特別注意母線、溫升和主回路動(dòng)熱效應(yīng)，才能保證產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行中的安全性。這些問題的解決需在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，制定合理完善的設(shè)計(jì)方案，才能經(jīng)得起實(shí)踐的考驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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

（作者單位：江蘇大全長(zhǎng)江電器股份有限公司）