翟鐵久,涂大石,王燕楠

(1.鐵道部工程管理中心,北京 100844； 2.北京東方昱立電氣技術有限公司，北京 100192；3.北京恒通達電氣有限公司，北京 100020)

1 問題的提出

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中作為保護和控制的最重要的元件就是斷路器(包括負荷開關、隔離開關等),這些元件的安全可靠性直接影響行車安全和牽引供電的可靠性。但是,這些元件的安全性還要受到安裝場所條件的影響。例如,牽引變電所27.5 kV開關設備全部裸露安裝在配電室內(nèi)的地板上、墻上,用網(wǎng)柵把檢修通道與帶電設備、不同回路之間隔開,這種方案造價雖然很低,但安全性也很低。高速鐵路的牽引開關設備選擇了昂貴的SF6氣體絕緣柜(簡稱C-GIS,GB3906中稱為“充流體的金屬封閉開關設備”),但這能否達到最安全的目的還是值得研究的。本文將對牽引變電開關設備的選擇問題作進一步的探討。

2 金屬封閉開關設備的分類

除進出線外,完全被金屬外殼封閉的開關設備稱為金屬封閉開關設備。GB3906—1991對金屬封閉開關設備和控制設備進行了如下分類。

按使用地點分為：戶外式與戶內(nèi)式,由于戶外式環(huán)境條件影響其安全性,使用很少,戶內(nèi)式占絕大多數(shù)。

按主絕緣方式分為：空氣式、充流體式(過去稱為“充氣柜”、箱式氣體絕緣組合電器(C-GIS))、固體絕緣式。

這里主要討論按結構分類及其特點。

2.1 按內(nèi)部結構分

(1)鎧裝式金屬封閉開關設備

某些組成部件(如主開關、電纜、母線)分別裝在接地的、用金屬隔板隔開的隔室中的金屬封閉開關設備；

(2)間隔式金屬封閉開關設備(具有非金屬隔板的)

與鎧裝式金屬封閉開關設備一樣,某些元件也分別裝在單獨的隔室內(nèi),但具有一個或多個非金屬隔板。隔板的防護等級應符合GB11022中6.12的規(guī)定(IP2X)；

(3)箱式金屬封閉開關設備

除鎧裝式、間隔式以外的金屬封閉開關設備。金屬外殼具有以下特征：

①間隔的數(shù)目少于鎧裝式和間隔式金屬封閉開關設備；

②隔板的防護等級低于GB11022中6.12的規(guī)定(IP2X)；

③隔室間可以沒有隔板。

2.2 金屬封閉開關設備按開關元件的安裝方式

(1)固定式

開關元件固定安裝在柜內(nèi),用母線把各個元件連接起來,構成一個完整的導電回路。這種結構的優(yōu)點是：安全可靠,承載電流大。缺點是：檢修不便、體積大、造價高、操作不便。

(2)移開式

開關元件不固定安裝在柜內(nèi),可以在柜內(nèi)移動甚至移出,可以形成工作位置、試驗位置、移開位置。這種結構的優(yōu)點是：檢修方便、體積小、造價低、操作方便。缺點是：安全性差、承載電流小、可視性差。

3 常用的電氣化鐵道開關設備

3.1 網(wǎng)柵式電氣化鐵道開關設備

每個回路的開關設備不用金屬板材封閉起來,而是把各種元件安裝在地板上、墻壁上,再用金屬網(wǎng)柵把各個回路及巡視通道隔離開來。該方案的特點是:

(1)任何異物搭接都有可能造成短路事故；

(2)小動物容易進入造成搭接短路事故；

(3)塵埃直接落在活動連接部位,使鍍銀層發(fā)生氧化、硫化等不利的化學反應,造成接觸不良；

(4)有害塵埃直接落在絕緣體表面,加速絕緣件老化；

(5)個別回路發(fā)生電弧,有可能危及相鄰的回路甚至人身安全；

(6)因沒有設計外殼,造價低廉；

(7)由于通風好,散熱方便,同樣導體截面的載流能力要高些；

(8)由于一次導體全部暴露在外,運行直觀,便于觀察、觀測。

GB3906-2006中5.101條詳細規(guī)定了內(nèi)部故障時驗證外殼、隔室防護能力的方法,并把成功通過試驗驗證的設計歸為IAC類。顯然,網(wǎng)柵式根本沒有歸為IAC類的可能。

3.2 開關柜式電氣化鐵道開關設備

近年來電氣化鐵道也在逐漸使用開關柜式開關設備,主要有以下幾種類型。

3.2.1 箱形移開式金屬封閉開關設備

這類結構在電氣化鐵路最為常見,型號為XYN□-27.5。見圖1。

圖1 箱形移開式金屬封閉開關設備(單位：mm)

該種箱式金屬封閉開關設備沒有把主母線、斷路器、電纜這3個重要元件用隔板隔離開來安裝,而只有1個高壓室和儀表室。該種方式結構簡單、體積小,但存在如下隱患。

(1)高壓室內(nèi)任何地方的故障都可能損害其他設備,使影響范圍擴大,恢復運行更加困難；

(2)有些柜型操作時,需要開門才可以進行,無法保證操作人員的人身安全(人與帶電體之間的防護等級遠不足IP2X)；

(3)母線帶電的情況下,人員無法進入柜內(nèi),也就無法檢修電纜(按GB3906—2006標準定義運行連續(xù)性只有LSC1A級),所以只能把電流互感器安裝在手車上以便更換；

(4)一次回路產(chǎn)生的電磁干擾對其他設備的影響會很嚴重。

3.2.2 間隔移開式金屬封閉開關設備

針對上述箱式結構存在的問題,市場上出現(xiàn)了一種如下結構方式的間隔移開(手車)式交流金屬封閉開關設備(圖2),型號為JYN□-27.5。

圖2 間隔移開式交流金屬封閉開關設備(單位：mm)

間隔移開式交流金屬封閉開關設備與箱形移開式交流金屬封閉開關設備相比較有了很大進步：高壓元件分別安裝在母線室、斷路器室、電纜室；關門操作使操作人員與帶電體之間防護等級不低于IP2X,保證安全；母線帶電的情況下,也可以進入電纜室、斷路器室檢修。但也存在以下不可解決的缺點：

(1)各高壓隔室的隔板受結構限制,只能使用絕緣材料,無法屏蔽電場(按GB3906—2006標準定義為LSC2B-PI級),其他設備有受電磁干擾的可能；

(2)有機絕緣材料老化后容易失效,造成絕緣事故；

(3)受結構限制,爬電距離無法滿足20 mm/kV,安全性差；

(4)受結構限制,電纜室無法設計泄壓通道,安全性差；

(5)體積大,不能靠墻安裝,占地面積過大。

3.2.3 鎧裝移開式金屬封閉開關設備

金屬封閉開關設備中最安全的結構方式是鎧裝式,就是用金屬隔板把高壓帶電體至少隔成母線室、斷路器室、電纜室3個隔室,而且臨時隔離高壓帶電體的活門也要求是金屬的,各高壓隔室有獨立的泄壓通道,外殼防護等級不低于IP3X,隔室間不低于IP2X。

針對這些要求,有些廠家也設計出鎧裝移開式金屬封閉開關設備(圖3)。但是,由于體積過大,造價高,而沒有推廣起來。

圖3 鎧裝移開式交流金屬封閉開關設備(單位：mm)

3.2.4 SF6氣體絕緣開關柜

其全稱是：箱形SF6氣體絕緣固定式金屬封閉開關設備,一般型號為XGN□-27.5(或2×27.5)。按新標準應該稱為“充流體式金屬封閉開關設備”(C-GIS,以下簡稱“充氣柜”)。本文僅限于討論充SF6氣體的方式,不含充其他氣體和液體以及固體絕緣的方式。

這幾年建設的高速鐵路使用的SF6氣體絕緣開關柜,多用于2×27.5 kV單相雙極的AT供電方式,常見的結構方式見圖4。

圖4 2×27.5 kV氣體絕緣開關設備

這種充氣柜的特點如下。

(1)在惡劣環(huán)境條件下(高原地區(qū)、環(huán)境污染嚴重地區(qū)、高鹽霧環(huán)境(如鉆井平臺)),如果使用空氣絕緣柜不夠安全,這時充氣柜的優(yōu)勢才能充分體現(xiàn)出來—絕緣性能極少受環(huán)境條件的影響,否則沒有優(yōu)勢。

(2)體積小,但整體占用面積卻不一定小。

①由于每個單元回路只在母線與斷路器之間設有隔離開關,斷路器與電纜之間無法設計隔離開關,只能在戶外再設計柱上安裝的隔離開關、接地開關,因此對于檢修饋出線電纜等設備帶來很大困難；

②有些檢修、巡視需要在柜后進行,柜后距墻要留出1 000 mm以上的檢修通道,占地面積加大；

③由于無法設計成上架空饋出線方式,只有用電纜過渡到架空線,不但造價高、占地面積大,還增加了不安全因素。

(3)母線與斷路器之間安裝三工位隔離開關,停電檢修時該隔離開關首先轉(zhuǎn)換到接地位置,斷路器再合閘,這樣可將電纜側接地并可以釋放靜電電荷。如果誤操作也可以安全地關合短路電流。但也有不利的方面：

①電纜與斷路器不好分離,檢修試驗困難；

②運行方式受到限制,不夠靈活；

③供電的連續(xù)性只能達到LSC2A級,電纜側帶電斷路器室無法進入、檢修。

(4)一旦發(fā)生事故,卻又很難及時檢修、更換。例如,電壓互感器放電這樣的小事故都很難現(xiàn)場處理；

(5)箱式組合電器(C-GIS)不同于常規(guī)的筒式組合電器(GIS),其承受的大氣壓力非常有限,一般不能在常壓下更換氣體,只能在真空房內(nèi)進行。這就埋下了巨大的安全隱患—無法現(xiàn)場檢修!而筒式組合電器可以承受較大的大氣壓力,可以在現(xiàn)場更換絕緣氣體、檢修,兩者有很大的區(qū)別；

(6)焊接工藝雖然已經(jīng)很先進了,但也不能排除氣體泄露的可能性,隱患還是存在的；

(7)SF6氣體溫室效應系數(shù)是CO2的23900倍。在《京都議定書》中是被限量排放的氣體,2030年后禁止排放。110 kV以上的高壓電器中由于還沒有找到更理想的替代物,不得不使用SF6氣體這是可以理解的,但在中壓領域使用就沒有必要了；

(8)造價達到空氣絕緣柜的2～3倍。

4 電氣化鐵道開關設備的發(fā)展方向

開關柜的發(fā)展方向主要依賴于核心元件——斷路器(包括負荷開關、接觸器等)技術進步而發(fā)展。過去針對少油斷路器方式的手車柜,就是為了檢修方便而設計,這對需要頻繁檢修開關來說的確帶來了很大的方便。這些年來,真空斷路器被廣泛使用,其極少的維護量已被認同。但是,目前廣泛使用的開關柜卻還是手車式(移開式),其優(yōu)點存在的前提已不存在,但其存在的缺點卻暴露出來。

電氣化鐵道開關設備在設計上逐漸淘汰了網(wǎng)柵式,開始使用金屬封閉式,是符合高速鐵路和電氣化鐵路發(fā)展需要的。

4.1 事故統(tǒng)計情況

根據(jù)《高壓開關》2006年第3期“2005年國家電網(wǎng)公司高壓開關運行分析”一文中統(tǒng)計,開關柜存在的兩大問題。

(1)絕緣事故占所有事故的14.3%,其中開關柜及斷路器占73.2%。主要是柜內(nèi)放電、電流互感器閃絡和相間閃絡。主要原因是斷路器與開關柜不匹配、絕緣尺寸不夠、爬距不足、柜內(nèi)隔板吸潮、老舊開關改造不徹底,未進行加強絕緣措施等,這些問題在40.5 kV開關柜中更為突出。

(2)載流故障占所有事故的2.3%,其中開關柜占77.8%。主要集中在12～40.5 kV中壓開關設備上,觸頭過熱,引線過熱,常擴大為絕緣事故,由于插頭接觸不良、插頭偏心等原因?qū)е逻^熱,以致起弧燒壞設備。

27.5 kV電氣化鐵道開關設備對地最高電壓為31.5 kV,三相系統(tǒng)40.5 kV對地電壓為23.4 kV,這就意味著有可能同樣條件下前者的危險性還要大于后者,國家電網(wǎng)公司已要求40.5 kV戶內(nèi)空氣安全距離由300 mm加大到360 mm,而電氣化鐵路系統(tǒng)也應加大開關設備對地的安全距離。

4.2 事故原因

(1)由于歷史的原因,手車式結構已被廣泛認可,習慣性思維使得開發(fā)設計人員還是按照移開式結構進行設計,結構上沒有重大突破；

(2)為了追求小型化,大量使用有機絕緣材料,絕緣老化問題不可避免；

(3)隨著外殼、各個隔室的防護等級的提高,必然不利于散熱,尤其觸頭盒全密封,使得最大的發(fā)熱源—隔離觸頭散熱困難,溫升過高更加劇老化；

(4)手車式結構由于移動部件笨重,不但操作困難,變形越加嚴重,動、靜觸頭偏差超過限度后,載流能力下降,溫升過高；

(5)由于鎧裝柜防護等級高,主要溫升點不便觀測(有時即使觀測到也無法處理),這也是釀成事故的原因之一。

4.3 鎧裝固定式金屬封閉開關設備是未來的發(fā)展方向

運行事故統(tǒng)計表明高壓開關柜燒毀事故已呈上升趨勢,這不能不引起設計開發(fā)人員的極大關注!在《3.6～40.5 kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》(GB3906—2006)附錄F中F.1條 “與GB3906—1991相比,分類的變化”中明確指出：前版標準主要圍繞可抽出式的空氣絕緣外殼而編寫的?，F(xiàn)在的趨勢朝著固定式和GIS方向發(fā)展,需要本標準代表這些設備。在8.2條“設計和結構選擇”中又一次明確：固定式的總裝,尤其是采用了少維護元件的總裝可以提供終生低投入高收益的布置。

4.3.1 現(xiàn)階段固定式金屬封閉開關設備的不足之處

現(xiàn)在電力行業(yè)廣泛使用的固定柜主要以箱式為主,開關元件并沒有根據(jù)固定式的要求而專門設計,只是把手車式的元件直接拿來使用。如果電氣化鐵道開關設備也采取同樣的設計,同樣帶來以下問題：

(1)體積龐大,尤其大電流柜(2500A以上),占地面積大,安裝、運輸很困難。如果使其體積小就要使用復合絕緣,必定存在絕緣老化的問題；

(2)部分開關柜隔室間防護等級達不到IP20標準,外觀不夠理想；

(3)隔離開關操作力過大,不滿足小于450 N的標準要求,聯(lián)鎖機構的應變性差；

(4)材料消耗和工時成本都不夠經(jīng)濟,銅價上漲后這一問題更加突出；

(5)斷路器參數(shù)(如開距、超程、同期)檢測困難,直接影響運行安全；

(6)部分開關柜不能靠墻安裝,占地面積大；

(7)有些沒有考慮安裝快速接地開關,不符合GB3906—2006要求；

(8)接線方式不夠靈活,架空出線占地面積過大；

(9)斷路器拆、裝不夠方便。

4.3.2 固定式金屬封閉開關設備的新思路

針對上述問題,筆者提出以下思路：

(1)為了實現(xiàn)小型化,首先實現(xiàn)元件組合化。例如,把斷路器與隔離開關組合成一個元件；

(2)雖然斷路器固定安裝,但是,還要像手車一樣方便安裝、移出,做到可維護、能維護；

(3)所有元件的操作都要實現(xiàn)電動為主、手動為輔,提高自動化程度,便于智能化、遠動操作；

(4)回路簡單,方案靈活,適應性強。

根據(jù)上述設計理念,設計出圖5所示結構新型開關柜。

圖5 新型固定柜結構示意(單位：mm)

圖7 27.5 kV變電所主接線圖

該結構的最大特點就是把斷路器與上、下隔離開關組合成一個元件,而且觸臂是上、下直線運動,使導電回路近乎成一條直線,達到最短，也使整個柜子實現(xiàn)最小，在這種條件下,全部實現(xiàn)空氣主絕緣、安全距離不小于360 mm、額定電流達3 150 A，斷路器可以推進、抽出。目前在國內(nèi)外文獻中還沒有發(fā)現(xiàn)相關報道。

圖6 XYN-27.5 kV型開關柜平面布置(單位：m)

5 新型固定柜的設想應用模式

圖8 新型固定柜主接線圖

圖9 新型固定柜平面布置(單位：m)

為了分析比較,以一個標準的直供加回流的牽引變電站為例(圖5),用普通XYN-27.5(或JYN-27.5)型箱式柜給出一個設計方案(圖6、圖7),再用新型固定柜給出一個方案(圖8、圖9),兩者進行分析比較。其中圖6與圖9原理完全相同,只是為了便于分析把雙排列換成單排列。

由圖7、圖8比較分析可知新型固定柜有以下優(yōu)點：

(1)柜子結構上已達到鎧裝的要求,防護等級達到IP4X,有了安全保障；

(2)額定電流達到3 150 A,為重載鐵路、高速鐵路的應用創(chuàng)造了條件；

(3)主接線清晰明了,減少了運行人員誤操作的可能；

(4)占地面積減少20%以上,柜子數(shù)量減少了11臺,綜合造價降低；

(5)所有開關操作都以電動為主,極大地降低了危險性和操作強度；

(6)接地開關安裝在柜內(nèi),且能關合短路電流。

6 結語

隨著電氣化鐵路的全面發(fā)展,牽引供電開關設備在選型上也有了很大進步,已經(jīng)從網(wǎng)柵式向金屬封閉式開關柜發(fā)展。但何種金屬封閉式開關柜更加符合形式簡潔、維護方便、高可靠性的要求,是值得深入探討的問題。從開關柜發(fā)展過程分析其發(fā)展方向—固定式金屬封閉式開關設備,并給出了可以應用的工程設計事例,但這只是研究的開始,還有大量的問題有待研究、解決。

[1] 王季梅,吳維忠,等.真空開關[M].北京：機械工業(yè)出版社,1983．

[2] 徐國政,張節(jié)容,等.高壓斷路器原理和應用[M].北京:清華大學出版社,2000．

[3] 王季梅.真空開關理論及其應用[M].西安：西安交通大學出版社,1986．

[4] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T4787—2010 高壓交流斷路器用均壓電容器[S].北京：中國標準出版社, 2011．

[5] 黎斌,SF6高壓電器設計[M].北京：機械工業(yè)出版社,2007．

[6] 李群湛,賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學出版社,2007．

[7] 立魯華.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].中國鐵道出版社,2008．

[8] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB1984—2003 高壓交流斷路器[S].北京：中國標準出版社,2007．

[9] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB3906—2006 3.6～40.5 kV交流金屬封閉開關設備和控制設備[S].北京：中國標準出版社,2006．

[10] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB1985—2004高壓交流隔離開關和接地開關[S].北京：中國標準出版社,2004．

[11] 國家質(zhì)量技術監(jiān)督局.GB/T10022—1999 高壓開關設備和控制設備的共用技術要求[S].北京：中國標準出版社,1999．

[12] 中華人民共和國鐵道部.TB/T2803—2003 電氣化鐵道用斷路器技術條件[S].北京：中國鐵道出版社,2003．

[13] 中華人民共和國鐵道部.TB/T2010-87 27.5 kV交流電氣化鐵道開關柜技術條件[S].北京：中國鐵道出版社,1988．

[14] 中華人民共和國機械電子工業(yè)部.JB/T6463—1992 電氣化鐵路用斷路器技術條件[S].北京：機械科學研究院出版社,1992．

[15] 中華人民共和國鐵道部.TB/T10009—2005 鐵路電力牽引供電設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2005.