10kV配電開關(guān)柜設(shè)計要點及防范措施探究

國網(wǎng)天津市電力公司城東供電分公司 周敬淳 王梓辰

1 10kV配電開關(guān)柜設(shè)計要點

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本次設(shè)計中，主柜與副柜之間的距離為1238mm，其中主柜開關(guān)室為斷路器，副柜為隔離開關(guān)。與傳統(tǒng)10kV配電開關(guān)柜相比雖然占地面積更大，但一旦發(fā)生設(shè)備故障則可快速隔離故障點，不會影響周圍柜體與母線運行，達到控制電網(wǎng)故障面積的目的。同時更大的面積有助于擴大裝置散熱面積，強化柜體內(nèi)部空氣交互效果，例如在柜內(nèi)采取強制風(fēng)冷技術(shù)可降低開關(guān)柜內(nèi)的升溫問題，在額定工作電流工況下，導(dǎo)體的升溫速度更慢，為延長使用年限奠定基礎(chǔ)。

結(jié)構(gòu)功能模塊設(shè)計方案如下：母線模塊。主母線采用“一”字形布設(shè)方案，使母線在穿墻套管支撐下固定，并利用母線的優(yōu)化設(shè)計及通風(fēng)散熱裝置有效降溫；開關(guān)模塊。滿足不停電更換元器件要求，彌補傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中元器件故障而造成長時間停電問題；控制模塊。以插座的形式改進二次回路連接，可縮短元器件的替換周期；備用母線模塊。當(dāng)主母線檢修時，該模塊可提供正常供電功能；本次設(shè)計中備用母線隔離刀閘可連接饋線與備用母線；CT模塊。實現(xiàn)不停電更換元器件。

1.2 內(nèi)部設(shè)計方案

1.2.1 內(nèi)部連接與構(gòu)件位置設(shè)計方案

基于圖1介紹的新型10kV配電開關(guān)柜，本文介紹的內(nèi)部設(shè)計方案包括：在開關(guān)柜4、5泄壓通道位置預(yù)留約250mm空間，副柜泄壓通道用隔板隔開，沖泄壓孔，泄壓通道共用；在開關(guān)柜6、7位置設(shè)計中，主柜電纜室預(yù)留掛接地線位置，副柜出線電纜位置增設(shè)開關(guān)，且所有進出線電纜嚴(yán)禁交叉；在開關(guān)柜1、7柜門位置采用雙層設(shè)計方案，并在內(nèi)部增設(shè)觸頭測溫點與可視化窗口，方便工作人員隨時了解內(nèi)部情況。

圖1 新型10kV配電開關(guān)柜結(jié)構(gòu)圖

在開關(guān)柜2設(shè)計中，遵照模塊化設(shè)計理念，其二次回路為分類航空插設(shè)計模式；二次線為航空插件，可按照不同分類分別連接不同插件，如電壓線、電流線等；開關(guān)柜設(shè)計將不同功能構(gòu)件細分為三個關(guān)鍵模塊，其中開關(guān)柜2、3為一個模塊、1、7為一個模塊，4、5、6為一個模塊，每個模塊分別采用螺栓鎖定模式，斷路器手車為電動操作。裝置的運行穩(wěn)定性良好；開關(guān)柜5的隔離開關(guān)采用GN22結(jié)構(gòu)形式，為雙動觸頭模式，將其固定在同一絕緣子支柱上并與電纜線連接。該系統(tǒng)采用主備母線切換操作方式，其中合備使用母線隔離裝置，具有隔斷斷路器的功能。

1.2.2 一體式觸頭盒設(shè)計方案

在傳統(tǒng)10kV配電開關(guān)柜中，接觸盒與變壓器均為獨立部件，其中變壓器被固定在柜體下方框架位置，接觸器固定在柜體中間隔板上。同時，熱收縮套管與絕緣板容易在雷雨天氣受到電流沖擊，再加之材料的絕緣效果差，因此會顯著提升被擊穿風(fēng)險[1]。為解決上述問題，本文提出一種集成變壓器接觸和設(shè)計方法，在原有開關(guān)柜基礎(chǔ)上增加了靜觸頭和接觸盒，兩者均采用耐高溫的復(fù)合絕緣材料，采用APG工藝注塑制成。同時，在開關(guān)柜設(shè)計中取消電流互感器與接觸盒之間的母線連接，達到改善結(jié)構(gòu)電阻值的目的，也可以預(yù)防低電阻而造成結(jié)構(gòu)升溫問題。

1.2.3 斷路器、操作機構(gòu)設(shè)計方案

斷路器設(shè)計方案。本次開關(guān)柜設(shè)計中，將斷路器經(jīng)固封極柱和操動機構(gòu)前后布置于同一框架上，主導(dǎo)電回路為三相落地結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是增加容錯性，并且有助于降低噪聲。兩個裝置的間距為150mm，使用固體密封柱；操作機構(gòu)設(shè)計方案。10kV配電開關(guān)柜在操作機構(gòu)設(shè)計中使用模塊化彈簧執(zhí)行裝置，該執(zhí)行裝置可獨立拆卸，因此易于安裝與維護。同時，該裝置使用齒輪傳動裝置，增設(shè)手動儲能器后可達到減少無用功耗以及合理輸出的效果。

1.2.4 安全處理

為了保證工作人員的安全，在本次設(shè)計中嚴(yán)禁施工人員接近開關(guān)柜，因此在設(shè)計期間應(yīng)兼顧裝置防護等級設(shè)定方案，再加之散熱效果與生產(chǎn)成本之間存在相關(guān)性，若單純追求高防護等級則會增加成本，所以本文的設(shè)計即選用IP3X裝置。

1.3 外殼設(shè)計方案

外殼設(shè)計中，計量CT與PT均增設(shè)開列陣形防控，同時計量室的左右兩側(cè)均應(yīng)布設(shè)二次線蓋板。避雷器均為45°向上布設(shè)方法。在儀表室背板上增設(shè)線槽安裝孔，底板上預(yù)留安裝孔。穿墻套管板鋁板裝置厚度為2mm，同時在上下兩側(cè)對稱位置增加安裝孔，并用螺栓緊固良好。

1.4 優(yōu)化接線方式

在優(yōu)化接線防治期間，本次10kV配電開關(guān)柜設(shè)計中采用了1主1備的接線方法，其中母線設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為4000A，備用線的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為3150A，具體的接線方式優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的接線方式

在該接線方式中，10kV配電開關(guān)柜的主母線與備用母線均預(yù)留可帶電零負荷插拔結(jié)構(gòu)，其中備用母線通常在設(shè)備日常維護或者發(fā)生故障時使用，可利用斷路器完成分段控制。在10kV配電開關(guān)柜常規(guī)運維檢查階段，利用備用母線接入供電，逐一移出待檢查的功能模塊后，即可實現(xiàn)不停電設(shè)備日常檢修。

2 10kV配電開關(guān)柜的常見風(fēng)險與防范對策

2.1 設(shè)備升溫過高、噪聲偏大

2.1.1 設(shè)備故障分析

發(fā)熱是10kV配電開關(guān)柜的常見故障，以某地區(qū)的220kV變電站的10kV配電開關(guān)柜為例，該裝置的變低隔離柜與斷路器柜的額定電流值為3150A，隔離開關(guān)型號為GN30-12/3150，斷路器型號為ZN28-12-3150，#1號主變變低負荷高點約為1700A，#2主變變低負荷高點約為1300A。根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果可知，主變隔離柜、斷路器柜以及相鄰母線的最高溫度為65℃（如圖3所示），并且運行階段伴有噪聲高問題（噪聲主要為低頻率的刺耳“嗡嗡”聲）。

圖3 現(xiàn)場溫度測試結(jié)果

2.1.2 故障分析

根據(jù)對上述10kV配電開關(guān)柜的調(diào)查結(jié)果可知，該開關(guān)柜存在以下問題：變低母線橋架與柜頂連接套管安裝板與母線室套管安裝板之間的斷磁槽偏低；或者隔開開關(guān)的安裝板與端?；ジ衅靼惭b板之間的材料為普通鋼板，導(dǎo)電母線與安裝板之間的距離偏低（不足180mm），在上述結(jié)構(gòu)下一旦出現(xiàn)電流通過的情況將會產(chǎn)生巨大的渦流；導(dǎo)體接觸不良，在長期高溫運行狀態(tài)下會造成緊固件膨脹收縮，并伴有大小不一的蠕變現(xiàn)象，進而造成導(dǎo)體接觸位置因為細小間隙而發(fā)生嚴(yán)重氧化現(xiàn)象[2]；裝置的通風(fēng)效果差，導(dǎo)致裝置內(nèi)部無法實現(xiàn)自然風(fēng)循環(huán)，進而影響裝置散熱功能。同時，該裝置的各個功能間均為獨立設(shè)置結(jié)構(gòu)，相鄰裝置之間均用金屬隔板分離，內(nèi)部空間有限。

現(xiàn)場檢測結(jié)果顯示橋架封板裝置的安裝螺栓規(guī)格較小，規(guī)格僅為M6；同時封板尺寸規(guī)格為1000×500mm，且固定間隔偏低，不足200mm。在上述結(jié)構(gòu)下，一旦10kV配電開關(guān)柜的內(nèi)部負荷超過1200A，則會造成橋架發(fā)生交變電動力，并造成橋架振動。同時，由于安裝螺栓的規(guī)格偏低，橋架與封板之間更容易出現(xiàn)振動而產(chǎn)生碰撞聲音。在上述作用機制下，由于多點共振現(xiàn)象出現(xiàn)，再加之裝置內(nèi)部空間狹小，導(dǎo)致振動聲音被進一步放大。

2.1.3 應(yīng)對措施

針對10kV配電開關(guān)柜的溫度升高問題，可采取以下應(yīng)對措施：緊固一次回路母線上的螺栓；改變套管安裝板的材料，用304不銹鋼板取代傳統(tǒng)材料；更換隔開開關(guān)安裝板與互感裝置安裝板材料，如304不銹鋼板等。

完善10kV配電開關(guān)柜的內(nèi)部通風(fēng)結(jié)構(gòu)，主要設(shè)計方案包括：調(diào)整后下門與后上封板的結(jié)構(gòu)，用帶風(fēng)通道門板取代傳統(tǒng)門板結(jié)構(gòu)，使開關(guān)柜運行期間可產(chǎn)生充足的進風(fēng)；將常規(guī)的開關(guān)柜百葉頂蓋改為加高的帶散熱通道的通風(fēng)頂蓋，改進后的裝置可明顯提升出風(fēng)口面積，并且頂部與底部進風(fēng)口之間形成煙囪效應(yīng)，利用裝置的冷風(fēng)對流機制加快熱量發(fā)散；增設(shè)強制排氣裝置，例如可考慮在10kV配電開關(guān)柜的底部增設(shè)強制冷卻風(fēng)裝置，并在頂蓋上添加輔助排風(fēng)系統(tǒng)；針對10kV配電開關(guān)柜系統(tǒng)中的開關(guān)柜，可不在底部增設(shè)冷卻風(fēng)機，但應(yīng)在母線室頂板上布設(shè)排風(fēng)機，其目的是增加10kV配電開關(guān)柜內(nèi)部空氣流速，保障散熱效果。

針對裝置噪聲問題，結(jié)合該10kV配電開關(guān)柜的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，本文提出了以下改進方案：更換橋架上的螺栓，由最初的M6改為M8，并在連接裝置內(nèi)增設(shè)防震膠帶；檢查母線橋內(nèi)母線與連接處銅管之間的連接情況，將原本的硬連接改為軟連接；增加導(dǎo)電體與封板之間的距離，最低值為200mm；變低隔離和變低斷路器柜和相鄰的6臺柜后門和后封板安裝螺栓更換為M8，并在連接位置增設(shè)防震膠條。

2.2 開關(guān)柜受潮短路

某10kV配電開關(guān)柜裝置在某雷雨天氣下，其10kV饋線發(fā)生三相短路故障，弧光造成開關(guān)柜爆炸，三相頂部伴有明顯破壞，進一步觀察后發(fā)現(xiàn)該10kV配電開關(guān)柜的A相真空泡受損，且柜體上可見弧光放電問題。

2.2.1 故障分析

根據(jù)對10kV配電開關(guān)柜的現(xiàn)場調(diào)查，認為發(fā)生上述故障的原因包括以下兩種：開關(guān)柜在潮濕環(huán)境下受潮，導(dǎo)致裝置絕緣功能不理想。根據(jù)故障發(fā)生前的調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該10kV配電開關(guān)柜為自熱通風(fēng)對流模式，底部與頂部設(shè)置紗網(wǎng)通風(fēng)窗，使開關(guān)柜為開放式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致裝置出現(xiàn)嚴(yán)重的受潮問題。根據(jù)早期開關(guān)柜的檢查發(fā)現(xiàn)，后柜門等位置可見明顯水流痕跡，證明該10kV配電開關(guān)柜的受潮問題不容忽視。而在受潮的侵蝕作用下，導(dǎo)致母線絕緣強度下降，穿墻套管與觸頭盒裝置的絕緣性能下降[3]。而在故障發(fā)生當(dāng)天，雷雨天氣下進一步加重內(nèi)部絕緣問題，導(dǎo)致故障發(fā)生后開關(guān)動作無法徹底熄弧，再加之雷擊過電壓等因素影響，導(dǎo)致絕緣筒表面爬電造成對地放電，最終造成故障。

樓面滲水影響功能。結(jié)合現(xiàn)場運維人員的觀察發(fā)現(xiàn)，該開關(guān)柜的上方出現(xiàn)裂縫變形，導(dǎo)致開關(guān)柜頂部發(fā)生嚴(yán)重滲水問題，而事故發(fā)生當(dāng)天，連續(xù)降雨4h后，裝置頂部滲水量約為20s/滴，導(dǎo)致設(shè)備受潮問題嚴(yán)重。

2.2.2 故障應(yīng)對措施

考慮到受潮是造成本次10kV配電開關(guān)柜裝置故障的主要原因，因此技術(shù)人員采取了以下技術(shù)應(yīng)對措施：改進10kV配電開關(guān)柜內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)，在裝置內(nèi)部增設(shè)空調(diào)，保障室內(nèi)空氣正常流通；積極修補頂部縫隙，進行屋頂漏水的初步修補；對開關(guān)柜內(nèi)的所有絕緣件做高壓試驗，根據(jù)試驗結(jié)果顯示為異常的情況應(yīng)及時更換。通過帶電局部檢測的方法，當(dāng)10kV配電開關(guān)柜恢復(fù)送電后即可做停電檢測。

除此之外，為避免相同問題再次發(fā)生，在裝置日常運維中應(yīng)定期檢測10kV配電開關(guān)柜內(nèi)濾波裝置是否正常，在發(fā)現(xiàn)異常后及時處理。設(shè)備主人、運維單位的專業(yè)、專責(zé)應(yīng)每月關(guān)注納入“糾正與預(yù)防系統(tǒng)”的生產(chǎn)問題，特別是直接影響到人身、電網(wǎng)、設(shè)備安全的問題。