淺談10kV高壓開關(guān)柜設(shè)計的幾點體會

摘要：探討了 l0kV 高壓開關(guān)柜設(shè)計中關(guān)于絕緣距離、爬電距離、五防聯(lián)鎖功能、防護等級、 動穩(wěn)定和溫升問題。

1 概述

在電力系統(tǒng)中，l0kV 高壓開關(guān)柜的應(yīng)用極其廣泛。由于電力系統(tǒng)用戶的需求五花八門， 作為制造廠家，我們不得不針對用戶的需求，為用戶量身定做。這就要求我們必須真正深刻 地理解相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、部頒標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)柜型的設(shè)計要求。在十年的設(shè)計生涯中，對開關(guān)柜 的設(shè)計有了一些體會，現(xiàn)在寫出來與大家一探討，以求共同進步。

2 幾點體會

2.1 絕緣距離

由于 10kV 開關(guān)柜用于對三相交流電進行分配，因此相間及相對地之間必須保證一定的 距離，否則會引起短路，對整個電力系統(tǒng)造成危害。但我們單純以空氣作為絕緣介質(zhì)時，絕 緣距離要求如表 1。

有時為了減少開關(guān)柜外形尺寸，可以有以下幾種方法：

1)在空氣間隙中插入一塊非金屬的絕緣隔板， 從而縮小對絕緣距離的要求。 但要注意的是 空氣凈距離不小于 60 毫米，相間絕緣隔板應(yīng)設(shè)置在中間位置。該方法的缺點是絕緣隔板受 使用環(huán)境影響很大，存在絕緣老化的問題。

2)使用熱縮套管把高壓帶電導(dǎo)體整個套起來， 實踐中要確保絕緣距離不小于 100 毫米。 缺 點是熱縮套管同樣存在絕緣老化的問題。

3)國外 ABB 公司有一種均勻電場的設(shè)計理論， 可以通過改善帶電導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)來縮小對絕緣 距離的要求。缺點是國內(nèi)電力系統(tǒng)用戶很難接受這一理論，因為這不符合 DI/T 404—1997 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4)國外三菱公司有一種熱涂敷工藝， 可以在高壓帶電導(dǎo)體表面均勻附上一層絕緣材料。 缺 點是需要增添流化床設(shè)備。

綜上所述，在設(shè)計許可的情況下，盡可能地使用空氣絕緣，滿足表 1 的要求。

2.2 爬電距離 由于電力系統(tǒng)用戶往往追求高可靠性， 實踐中我們要符合以下條件： 高壓開關(guān)柜中各組 件及其支持絕緣件(純瓷及有機絕緣件)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)對于純瓷絕緣為 18mm/kV， 對于有機絕緣為 20mm/kV。 由于這一要求比較高， 很多常規(guī)的元器件往往滿足不了要求， 這就要求我們告知元器件生產(chǎn)廠家加以定制。 元器件 生產(chǎn)廠家往往會采用不增加絕緣子高度而增多或增高裙邊的方法。 我們在選型時要注意裙邊 的高度與裙距比例不能太懸殊，另外，我們還應(yīng)注意開關(guān)柜使用場所的環(huán)境條件，為了防止 發(fā)生凝露，我們可以在開關(guān)柜中加入帶自動控制的加熱器。

2.3 五防聯(lián)鎖功能

為了防止現(xiàn)場操作人員無意識地實施錯誤的操作， 從而導(dǎo)致事故， 除了加強對操作人員 的培訓(xùn)以及實施工作票制度， 我們還應(yīng)在開關(guān)柜的設(shè)計中加入強制聯(lián)鎖裝置或采取提示性措 施。對于開關(guān)柜而言，需提供五種防止誤操作功能

1)防止誤分誤合斷路器

對于有人值守的變電站， 可采用不同編號的紅綠翻牌來實現(xiàn)。 即每臺斷路器均對應(yīng)唯一 編號的紅綠翻牌，平時紅綠翻牌置于控制屏上。對于無人值守的變電站，由于斷路器的分合 均從遠方操作，無法應(yīng)用紅綠翻牌方法，只能加入電氣聯(lián)鎖。

2)防止帶負荷分合上下隔離開關(guān)或帶負荷推入拉出斷路器手車。 這一功能一般都采用機械 聯(lián)鎖進行強制性聯(lián)鎖。 這一要求的原因是隔離開關(guān)和手車動靜觸頭之間不具備分?jǐn)嗪完P(guān)合正 常負荷電流的能力。 萬一誤操作， 會燒毀隔離開關(guān)和手車動靜觸頭， 事故還可能進一步擴大。

3)防止帶電操合接地開關(guān)或掛接臨時接地線。 這一功能要求用機械聯(lián)鎖， 因為它關(guān)系到人 為短路接地。

4)防止帶有臨時接地線或接地開關(guān)合閘時送電。 這一功能要求用機械聯(lián)鎖， 目的也是為了 防止人為短路接地。

5)防止人誤入帶電間隔。這一功能一般也采用機械聯(lián)鎖，目的是為了防止人員觸電。

綜上所述，為了實現(xiàn)五防功能，機械聯(lián)鎖必不可少。各種型號的開關(guān)柜，如 GG—1A、 XGN2、GGX2、JYN、KYN、KGN、GZSl 均在機械聯(lián)鎖方面各具特色。多數(shù)采用機械零部件傳動 方式，一環(huán)扣一環(huán)，除非操作人員用外力將零部件損壞，否則只能按預(yù)定程序操作，可靠性 高，但零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對加工工藝要求較高。有時，我們也可采用機械程序鎖方式，結(jié)構(gòu) 非常簡單，但由于存在萬能鑰匙，很難完全避免操作人員誤操作。而且，這一方式無法適應(yīng) 無人值守變電站的要求。在萬不得已的情況下，如不帶斷路器的進線開關(guān)柜中，我們只能采 用電磁鎖方式，由于電磁鎖、分壓瓷瓶和導(dǎo)線均有損壞的可能，還需外部電源供電，可靠性 差。至于高壓帶電顯示裝置，只能算是提示性措施，毫無可靠性可言，一般不推薦使用。當(dāng) 然，運行人員要想通過高壓帶電顯示裝置來了解哪段主回路在帶電運行，又另當(dāng)別論。

2.4 關(guān)于防護等級

為了防止人體接近高壓開關(guān)柜的高壓帶電部分和觸及運動部分， 在設(shè)計開關(guān)柜時， 我們 應(yīng)考慮要達到幾級防護等級，防護等級分類如表 2。

設(shè)計時我們要注意隨著防護等級的提高，生產(chǎn)成本相應(yīng)提高，散熱條件變差，所以不能追求 高的防護等級，一般以 IP3X 和 IP4X 為宜。

2.5 動穩(wěn)定

在電力系統(tǒng)中，開關(guān)柜通常要能承受 20kA，31.5kA，40kA 甚至 50kA 的額定短路開斷電 流，當(dāng)開關(guān)柜中通過如此大的電流時，相間及同相母線之間會產(chǎn)生很大的電動力。這時，我 們需借助支撐絕緣子的支撐，使母線不會產(chǎn)生明顯位移。一般而言，兩個絕緣子之間的距離 不應(yīng)超過 800 毫米，對于某些薄弱環(huán)節(jié)還應(yīng)給予加強。由于動穩(wěn)定的理論計算極其復(fù)雜，一 般設(shè)計時需依靠設(shè)計者的經(jīng)驗，最終需通過型式試驗加以檢驗。

2.6 溫升

電力系統(tǒng)中開關(guān)柜通常要能承受 4000A 及以下的正常工作電流， 由于一次元器件通常處 于密封的柜內(nèi)運行，他們產(chǎn)生的熱量很難散發(fā)到柜外，所以導(dǎo)致柜內(nèi)溫度升高。若溫度超過 以下極限值，便會燒毀元器件，釀成事故。

表3

為了達到溫升的限制條件， 我們必須加強制造工藝。 雖然我們可以采取在電氣聯(lián)接面上涂凡 士林、導(dǎo)電膏、鍍錫、鍍銀等種種措施，但最終的保證在于制造。可以說，運行中發(fā)生事故 的絕大多數(shù)開關(guān)柜都是由于制造工藝不過關(guān)，從而導(dǎo)致溫升過高引發(fā)的。當(dāng)然，在結(jié)構(gòu)設(shè)計 中，我們要極力避免渦流現(xiàn)象的發(fā)生，實在無法避免時，可采用磁阻率高的材料。

3 結(jié)束語

實際工作中，我深深感到開關(guān)柜的設(shè)計深度永無止境，有時，我們根本無法從理論上加 以論證分析，只能求助于經(jīng)驗，求助于型式試驗，這也許是每門學(xué)科發(fā)展的現(xiàn)狀，也是它得 以發(fā)展的根本原因。