17.5 kV小型化中置式開關(guān)柜的設(shè)計(jì)

余 馨

(天一同益電氣股份有限公司,福州 350014)

0 引 言

與國(guó)內(nèi)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)的開關(guān)柜不同,國(guó)外多地采用IEC標(biāo)準(zhǔn)的17.5 kV小型化中置式開關(guān)柜。17.5 kV開關(guān)柜通常在南美、中東及菲律賓等地區(qū)或國(guó)家使用,該電壓等級(jí)是IEC62271-1標(biāo)準(zhǔn)中額定電壓序列1的電壓等級(jí),一般應(yīng)用于標(biāo)稱電壓13.8 kV、15 kV的電力系統(tǒng)。目前國(guó)外客戶來(lái)華采購(gòu)的17.5 kV開關(guān)柜,國(guó)內(nèi)廠家都是以24 kV開關(guān)柜來(lái)替代進(jìn)行銷售的。24 kV開關(guān)柜成本高,設(shè)備占用空間大,因此,為了節(jié)約成本,需求市場(chǎng)擬采用小型化的12 kV開關(guān)柜,通過絕緣性能等的改進(jìn)設(shè)計(jì),來(lái)滿足17.5 kV產(chǎn)品的使用性能要求。

17.5 kV開關(guān)柜與12 kV開關(guān)柜具體技術(shù)參數(shù)對(duì)比見表1所示。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)要求,17.5 kV斷路器、開關(guān)柜的額定工頻耐受電壓是38 kV,低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)12 kV斷路器、開關(guān)柜的42 kV額定工頻耐受電壓[1]。而在相間對(duì)地及斷路器斷口的雷電沖擊耐受電壓參數(shù)要求上,17.5 kV斷路器、開關(guān)柜為95 kV,比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)12 kV斷路器、開關(guān)柜所規(guī)定的75 kV額定雷電沖擊耐受電壓高很多。12 kV開關(guān)柜設(shè)備為小型化產(chǎn)品外形,由于體積的限制,空間結(jié)構(gòu)十分緊湊。在將12 kV開關(guān)柜設(shè)計(jì)成17.5 kV電壓等級(jí)的過程中,開關(guān)柜所發(fā)生的故障中很大一部分是由于絕緣破壞而造成的。因此,在17.5 kV開關(guān)柜設(shè)計(jì)過程中,在滿足電氣基本要求的前提下,應(yīng)設(shè)法改善絕緣結(jié)構(gòu),在保證可靠性的基礎(chǔ)上,達(dá)到最佳的絕緣配合,從而節(jié)約成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。

表1 17.5 kV開關(guān)柜和12 kV開關(guān)柜技術(shù)參數(shù)對(duì)比

該文針對(duì)IEC標(biāo)準(zhǔn)17.5 kV開關(guān)柜的要求與國(guó)標(biāo)12 kV開關(guān)柜的不同,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、絕緣要求等方面對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行改進(jìn),并通過雷電沖擊試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 設(shè)計(jì)方案

17.5 kV小型化中置式開關(guān)柜設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于12 kV開關(guān)柜設(shè)備為小型化產(chǎn)品外形,其柜寬為650 mm,相間距僅為150 mm,無(wú)法滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)要求的160 mm的凈距。為解決這一問題,可以通過加入熱縮套管等復(fù)合絕緣、加絕緣板、采用金屬活門硫化噴涂等方式來(lái)減小相間距。

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)的銅排絕緣問題

熱縮套管是一種特制的聚烯烴材質(zhì)熱收縮套管,具有高溫收縮、柔軟阻燃、絕緣防蝕功能。熱縮套管是通過外層采用優(yōu)質(zhì)柔軟的交聯(lián)聚烯烴材料、內(nèi)層采用熱熔膠復(fù)合加工而成的。外層的交聯(lián)聚烯烴材料有絕緣防蝕、耐磨等優(yōu)點(diǎn),內(nèi)層熱熔膠有低熔點(diǎn)、防水密封和高粘接性等優(yōu)點(diǎn)。因此,國(guó)內(nèi)外常采用熱縮套管對(duì)35 kV及以下電壓等級(jí)的母排進(jìn)行外絕緣處理。通過使用熱縮套管,可以有效提高開關(guān)柜的擊穿電壓,減小開關(guān)柜凈距[2]。

所設(shè)計(jì)的開關(guān)柜采用熱縮套管作為復(fù)合絕緣,從而大幅度減小了相間凈距。1 250 A開關(guān)柜每相采用2根50 mm×10 mm銅排,包覆端25 kV BPTM熱塑套管,可以使相間凈距大于95 mm,符合技術(shù)規(guī)格書中相間最小凈距為85 mm的要求,銅排相對(duì)地最小凈距115 mm,也大于要求的105 mm。BPTM熱縮套管對(duì)凈距的要求見表2。

表2 BPTM熱縮套管對(duì)凈距的要求

熱縮套管的使用可以促進(jìn)銅排的散熱[3]。熱縮套管工作溫度范圍最大為125 ℃,在該溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間使用,熱縮套破裂、絕緣失效的風(fēng)險(xiǎn)非常低。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),每相采用2根50 mm×10 mm銅排,60 Hz、1 250 A電流下溫升值只有60 K左右,小于最大耐熱溫度限值,因此不會(huì)發(fā)生破裂問題。銅排嚴(yán)格按照工藝文件加工生產(chǎn),避免因銅排溫度過高發(fā)生的熱縮套管開裂而導(dǎo)致的絕緣失效問題。

銅排所有接頭都配置熱縮盒,如圖1所示。而對(duì)于銅排與互感器之間搭接的接頭以及電纜搭接部位所裸露出來(lái)的導(dǎo)體,通過在相間或相對(duì)地間設(shè)計(jì)插入一塊片狀模塑料(sheet molding compound, SMC)絕緣隔板,縮小對(duì)絕緣距離的要求。SMC絕緣板具有很高的耐擊穿性能,能夠有效地防止中置柜的相間擊穿[4]。相間絕緣隔板需安裝在中間位置,如圖2所示。加入絕緣隔板后,帶電體與絕緣板的距離為57 mm,滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)要求的帶電體距離絕緣板不小于40 mm。

圖1 熱縮盒位置

圖2 絕緣隔板位置

由于柜寬的限制,17.5 kV接地開關(guān)的尺寸與12 kV的保持基本一致,相距僅為170 mm,由于開關(guān)柜工作狀態(tài)時(shí),接地開關(guān)靜觸頭始終處于高壓狀態(tài),因此對(duì)地和相間的雷電沖擊耐受電壓需要通過加裝絕緣罩或絕緣隔板的形式來(lái)解決。因柜寬限制,接地開關(guān)本體上沒有足夠的空間安裝相對(duì)地間絕緣隔板,故在將接地開關(guān)部分的絕緣隔板與銅排和互感器搭接處所需的絕緣隔板進(jìn)行一體化考慮,解決了空間的限制及安裝的難點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)樣機(jī)的手車室絕緣問題

在開關(guān)柜設(shè)計(jì)中,手車室絕緣薄弱點(diǎn)主要集中在2個(gè)方面,即斷路器手車在試驗(yàn)位置時(shí)靜觸頭對(duì)活門的絕緣問題,以及斷路器在工作位置時(shí)的絕緣問題。這也是開關(guān)柜整體設(shè)計(jì)中的絕緣薄弱點(diǎn)。

1.2.1 靜觸頭對(duì)活門的絕緣問題

針對(duì)靜觸頭對(duì)活門的耐受電壓?jiǎn)栴},當(dāng)斷路器在試驗(yàn)位置時(shí),靜觸頭對(duì)活門放電,活門關(guān)閉時(shí)活門板對(duì)靜觸頭的距離只有125 mm,而有關(guān)IEC標(biāo)準(zhǔn)要求開關(guān)柜滿足LSC2 BPM級(jí)要求,因此必須采用金屬活門,這也導(dǎo)致了95 kV的雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)很難通過。為了提高雷電沖擊耐受電壓,在設(shè)計(jì)過程中考慮采取的措施主要是對(duì)金屬活門進(jìn)行硫化,保證硫化質(zhì)量是提高絕緣的關(guān)鍵。為了達(dá)到95 kV的雷電沖擊耐受電壓,活門硫化最薄處厚度要大于1.5 mm,同時(shí)需保證硫化厚度均勻,運(yùn)輸過程中防止磕碰等情況,才能有效保護(hù)硫化層的絕緣性能。

除了對(duì)金屬活門進(jìn)行硫化的措施外,還可考慮采用絕緣板加鋼板的活門方式,即面向靜觸頭的一側(cè)采用SMC絕緣板,而外側(cè)貼一層金屬板。這種活門厚度大、質(zhì)量大,活門提升機(jī)構(gòu)操作困難,而且絕緣板會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷,缺乏可靠接地。因此,綜合考慮,采用金屬活門硫化的方式來(lái)保證靜觸頭和活門的耐壓?jiǎn)栴}。

1.2.2 斷路器在工作位置時(shí)的絕緣問題

斷路器在工作位置時(shí),存在觸頭盒放電的風(fēng)險(xiǎn)。由于斷路器觸臂與極柱連接處無(wú)法完全絕緣,可能會(huì)導(dǎo)致觸臂根部向觸頭盒安裝螺栓放電,或者通過梅花觸頭沿著內(nèi)傘裙表面向觸頭盒安裝螺栓放電。因此,需要先找到放電路徑,再進(jìn)行設(shè)計(jì)。在17.5 kV系統(tǒng)中,高壓開關(guān)柜各組件及其支持絕緣件(純瓷及有機(jī)絕緣件)的外絕緣爬電比距(高壓電器組件外絕緣的爬電距離與額定電壓之比)對(duì)于有機(jī)絕緣為24 mm/kV,也就是說(shuō),絕緣件的爬電距離要求大于等于280 mm。為了有效解決上述問題,重新選擇了區(qū)別于12 kV所常用的觸頭盒。這款觸頭盒的主要特點(diǎn):1)觸頭盒采用螺栓從板后固定的設(shè)計(jì),加高安裝孔所在的臺(tái)階高度,增大了法蘭面,擴(kuò)大鋼板上觸頭盒的安裝孔;2)觸頭盒增加了內(nèi)爬距,使爬距大于300 mm,滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求。額定電壓17.5 kV觸頭盒的外形如圖3所示。

圖3 觸頭盒外形

設(shè)計(jì)過程中還在觸頭盒的安裝面與開關(guān)柜隔板之間設(shè)計(jì)配置了一塊絕緣隔板,使前部有足夠的絕緣屏蔽阻擋斷路器觸臂根部到觸頭盒安裝板的放電,從梅花觸頭沿觸頭盒內(nèi)壁到安裝板的放電路徑也得到加長(zhǎng)?；铋T及中隔板處絕緣隔板如圖4所示。

圖4 絕緣隔板位置

12 kV真空斷路器的雷電沖擊耐受電壓要求為75 kV。雖然真空斷路器的斷口可以實(shí)現(xiàn)耐受85 kV電壓,但很難達(dá)到95 kV。由于斷路器觸頭材料不同,形狀結(jié)構(gòu)不同,經(jīng)過多次反復(fù)驗(yàn)證,最終確定改善觸頭表面狀況的方案,特別注意在運(yùn)輸過程中應(yīng)避免震動(dòng)造成觸頭產(chǎn)生尖端毛刺。

1.3 試驗(yàn)樣機(jī)的內(nèi)部燃弧問題

針對(duì)燃弧試驗(yàn),在結(jié)構(gòu)上充分考慮了強(qiáng)度的因素。前中門、前下門、后封板等,都設(shè)計(jì)配置了加強(qiáng)筋,設(shè)計(jì)門鎖點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)時(shí),根據(jù)以往12 kV開關(guān)柜燃弧試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn),適當(dāng)增加了鎖點(diǎn)點(diǎn)數(shù)。柜頂設(shè)置了專門的燃弧通道,根據(jù)IEC試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),燃弧通道伸出柜外2 m,考慮強(qiáng)度問題,設(shè)置燃弧通道專用支撐架。燃弧通道示意圖如圖5所示。

圖5 燃弧通道

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,此次17.5 kV的開關(guān)柜總體設(shè)計(jì)上分為儀表室、斷路器室、母線室、電纜室等[5]。在結(jié)構(gòu)上充分考慮了國(guó)外客戶采購(gòu)的特點(diǎn),將開關(guān)柜殼體部分分為前柜和后柜。前、后柜可根據(jù)客戶需求分項(xiàng)采購(gòu),兩者之間互不影響。開關(guān)柜整體剖面圖如圖6所示。儀表室作為一個(gè)單獨(dú)的隔室,可以單獨(dú)在專用作業(yè)生產(chǎn)線上進(jìn)行布線等操作,再吊裝安裝于前柜上方。

圖6 開關(guān)柜整體剖面圖

2 試驗(yàn)驗(yàn)證及設(shè)計(jì)改進(jìn)

完成17.5 kV小型化中置式開關(guān)柜設(shè)計(jì)后,進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證,以此考核開關(guān)設(shè)備的絕緣水平。雷電沖擊試驗(yàn)?zāi)軌蚍浅Ｓ行У匕l(fā)現(xiàn)設(shè)備在設(shè)計(jì)及工藝上存在的缺陷、絕緣件的局部損壞以及零部件裝配等環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的變形問題。雷電沖擊耐受試驗(yàn)中,正極性沖擊一般用來(lái)檢查設(shè)備的外絕緣,其與爬電距離、導(dǎo)體的空氣間隙以及外界條件有關(guān)。負(fù)極性沖擊與內(nèi)絕緣有關(guān),即絕緣材料、結(jié)構(gòu)和成型工藝。正極性、負(fù)極性雷電沖擊耐受試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果見表3。當(dāng)施加負(fù)極性雷電沖擊電壓時(shí),出現(xiàn)一次擊穿。當(dāng)施加正極性雷電沖擊耐受電壓時(shí),被擊穿的次數(shù)較多。

表3 雷電沖擊耐受試驗(yàn)結(jié)果

雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)中,給C相施加正極性沖擊耐受電壓并呈現(xiàn)波形正常后,再給C相施加負(fù)極性耐受電壓,此時(shí)出現(xiàn)了擊穿。分析可知,造成這種現(xiàn)象的原因是隨著試驗(yàn)加壓次數(shù)的增加,相活門板殘余電荷量趨向飽和。殘余電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)將大大改變臨近活門板的電場(chǎng),從而增大了發(fā)生擊穿的可能性。特別是當(dāng)活門表面帶有前一次正極性放電的殘余電荷時(shí),施加負(fù)極性沖擊耐受電壓,此時(shí)沖擊耐受電壓與之前的殘余電荷電位之間的電位差將擴(kuò)大為原來(lái)的兩倍。在改變沖擊耐受電壓的極性進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),由于反極性殘余電荷的影響,會(huì)促進(jìn)放電現(xiàn)象。因此,在進(jìn)行雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)極性轉(zhuǎn)換時(shí),應(yīng)首先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行放電,殘余電荷全部清除之后再開始試驗(yàn),可以有效提高試驗(yàn)的通過率。

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),母線室A相上分支銅排螺栓對(duì)中隔板發(fā)生擊穿。由分析可知,不規(guī)則的緊固螺栓導(dǎo)致其擰緊后露出的螺牙長(zhǎng)度過長(zhǎng)[6],這不僅減少了絕緣距離,也造成開關(guān)柜內(nèi)部電場(chǎng)局部集中。針對(duì)這個(gè)問題,在金屬螺栓上加裝絕緣帽,該方法可將電場(chǎng)限制在絕緣帽中,從而削弱螺栓與中隔板間空氣間隙的電場(chǎng)強(qiáng)度,改善螺栓尖端電場(chǎng)過于集中的現(xiàn)象。

在對(duì)ABC-abcE進(jìn)行連續(xù)15次正極性試驗(yàn)時(shí),第一次出現(xiàn)擊穿,擊穿位置為斷路器下觸臂C相,排查原因?yàn)橹懈舭逵|頭盒開孔處有毛刺,同樣造成了開關(guān)柜內(nèi)部電場(chǎng)局部集中。解決該問題的方法是去除開孔處的毛刺,改善電場(chǎng)集中的情況,再次試驗(yàn)的時(shí)候,這個(gè)部位沒有出現(xiàn)擊穿的情況?；铋Ta-AbbCcE相對(duì)地出現(xiàn)了擊穿情況,初步判斷應(yīng)為接線問題,整改后,重新試驗(yàn),沒有出現(xiàn)類似擊穿現(xiàn)象。

在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn),除了絕緣距離不足、電場(chǎng)局部集中、殘余電荷影響,裝配工藝粗糙、機(jī)械部件公差配合不準(zhǔn)確等原因也會(huì)間接導(dǎo)致17.5 kV雷電沖擊試驗(yàn)失敗[5]。通過分析雷電沖擊試驗(yàn)中遇到的問題,不斷改進(jìn)開關(guān)柜的設(shè)計(jì),使開關(guān)柜在運(yùn)行時(shí)更加的安全穩(wěn)定。

另外,由于一次元器件處于密封的柜內(nèi)運(yùn)行,產(chǎn)生的熱量很難散發(fā)到柜外,極易造成柜內(nèi)溫度升高。若溫度超過極限值,便會(huì)燒毀元器件釀成事故。IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于17.5 kV開關(guān)設(shè)備溫升的要求為75 K。為了避免制作工藝不過關(guān)導(dǎo)致的溫升過高,設(shè)計(jì)通過在電氣聯(lián)接面上涂導(dǎo)電膏、銅排鍍錫、銅排搭接處鍍銀等措施加強(qiáng)了工藝。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,重點(diǎn)關(guān)注并避免了中隔板與套管安裝板采用磁阻率高的不銹鋼材質(zhì)而發(fā)生的渦流。廠內(nèi)對(duì)開關(guān)柜的溫升情況進(jìn)行了驗(yàn)證,溫升情況良好,均控制在75 K以下。

3 結(jié) 語(yǔ)

開關(guān)柜國(guó)際市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng),行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)格局也在不斷變化,需要企業(yè)適當(dāng)根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)做出符合市場(chǎng)需求的產(chǎn)品,增加核心競(jìng)爭(zhēng)力。此次開關(guān)柜設(shè)計(jì)正是適應(yīng)這種大環(huán)境的技術(shù)升級(jí),滿足17.5 kV電壓等級(jí)要求下的小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),產(chǎn)品性能優(yōu)異,節(jié)約成本,節(jié)省占地空間,具有良好的應(yīng)用前景。