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        12 kV KYN高壓開(kāi)關(guān)柜與斷路器配柜絕緣效果優(yōu)化措施

        2020-12-25 11:30:42
        關(guān)鍵詞:絕緣性活門工頻

        劉 浩

        (施耐德電氣(廈門)開(kāi)關(guān)設(shè)備有限公司,福建 廈門 361006)

        0 引言

        2019年,12 kV 高壓交流金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備產(chǎn)量達(dá)45萬(wàn)面[1],12 kV KYN系列高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備(開(kāi)關(guān)柜)作為最為常見(jiàn)的高壓交流金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備,技術(shù)門檻低,生產(chǎn)廠家眾多, 2019年產(chǎn)量約占87.09%[1]。不同KYN系列高壓開(kāi)關(guān)柜生產(chǎn)廠家之間的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)卻不盡相同,技術(shù)水平也參差不齊,即使是同一廠家的12 kV KYN高壓開(kāi)關(guān)柜,也經(jīng)常需要配置不同廠家生產(chǎn)的真空斷路器,加上柜體材料、工藝、安裝及運(yùn)行環(huán)境等方面因素的差別,在進(jìn)行整柜工頻耐壓絕緣試驗(yàn)時(shí),難免會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜體與斷路器之間的絕緣擊穿問(wèn)題。

        據(jù)文獻(xiàn)[2],杭州電網(wǎng)中壓開(kāi)關(guān)故障統(tǒng)計(jì),4年8個(gè)月期間,絕緣故障歷年來(lái)均占據(jù)較高比例,總故障比例高達(dá)71.4%。絕緣故障原因是多方面的,如柜體絕緣結(jié)構(gòu)、元器件質(zhì)量及爬電距離、設(shè)備布置方式、斷路器與開(kāi)關(guān)柜不匹配,絕緣距離偏小以及開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行環(huán)境等。

        國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定,12 kV高壓開(kāi)關(guān)柜相對(duì)地、相間和開(kāi)關(guān)斷口一般情形應(yīng)滿足42 kV 1分鐘的工頻耐受電壓試驗(yàn);該試驗(yàn)作為開(kāi)關(guān)柜的出廠試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目,在浙江某廠家生產(chǎn)的KYN28-12kV開(kāi)關(guān)柜配合施耐德電氣(廈門)開(kāi)關(guān)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的HVX真空斷路器進(jìn)行出廠工頻耐壓絕緣試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)柜體與斷路器之間存在放電現(xiàn)象,工頻電壓僅能達(dá)到32 kV左右,且更換同批次其他斷路器后,整體開(kāi)關(guān)柜依然無(wú)法通過(guò)該試驗(yàn)。

        1 原因分析

        1.1 斷路器設(shè)計(jì)檢查

        該項(xiàng)目采用的是12 kV 31.5kA 1250A HVX真空斷路器,該斷路器觸臂部分的外絕緣采用專利技術(shù)的硅橡膠整體包裹設(shè)計(jì),絕緣性能良好,在國(guó)內(nèi)已有數(shù)十萬(wàn)臺(tái)運(yùn)行業(yè)績(jī)。配合施耐德電氣生產(chǎn)的PIX高壓開(kāi)關(guān)柜通過(guò)了相關(guān)絕緣型式試驗(yàn)驗(yàn)證,并且配合國(guó)內(nèi)其他眾多廠家生產(chǎn)的KYN28-12kV高壓開(kāi)關(guān)柜也極少出現(xiàn)類似問(wèn)題。

        該項(xiàng)目共30多臺(tái)HVX真空斷路器,多臺(tái)配柜進(jìn)行工頻耐壓絕緣測(cè)試,耐壓水平無(wú)明顯差異。此外,所有斷路器在出廠時(shí)均逐臺(tái)進(jìn)行了工頻耐壓絕緣測(cè)試,排除了單臺(tái)斷路器不合格的情況。

        1.2 KYN28-12kV高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備檢查與驗(yàn)證

        根據(jù)廠家提供的照片可以清晰的看出,其做工較為粗糙。主安裝板的大孔似乎由鏜床鏜出,其安裝孔邊緣呈鋒利鋸齒狀,未有任何打磨倒角工藝;固定開(kāi)關(guān)柜靜觸頭盒的螺栓使用帶有尖角的普通外六角螺栓,螺栓頭在開(kāi)關(guān)柜主安裝板前面,盡管額外增加一個(gè)塑料罩蓋,但是和觸頭盒一樣,兩者所采用的材料和做工都尚存疑點(diǎn)。

        在與廠家初步溝通后,其希望與施耐德電氣專業(yè)技術(shù)人員開(kāi)展進(jìn)一步的技術(shù)交流。在現(xiàn)場(chǎng),首先指出了開(kāi)關(guān)柜當(dāng)前存在的上述明顯問(wèn)題,并做了進(jìn)一步解釋,電壓等級(jí)越高,工頻耐壓絕緣試驗(yàn)時(shí)的局部電場(chǎng)強(qiáng)度就越高,有時(shí)可能伴有明顯的電暈放電聲。按照規(guī)定,試驗(yàn)時(shí)只要不發(fā)生破壞性放電現(xiàn)象,就算正常通過(guò)。但是局部電場(chǎng)強(qiáng)度可能影響產(chǎn)品正常運(yùn)行中抗御過(guò)電壓的能力,因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)師應(yīng)重視電場(chǎng)分布盡可能均勻,避免形成局部電場(chǎng)集中的情況[4]。

        然后,保持開(kāi)關(guān)柜原狀,只對(duì)斷路器進(jìn)行了一系列處理。先是在全新的真空斷路器觸臂上額外加封一層進(jìn)口熱縮套管,并用3M的黏膠密封觸臂根部與極柱間的空氣間隙,試驗(yàn)結(jié)果表明,依然無(wú)法使真空斷路器滿足該高壓開(kāi)關(guān)柜的絕緣要求,耐壓試驗(yàn)時(shí)放電聲響嚴(yán)重,放電部位飄忽不定。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,必須對(duì)該該高壓開(kāi)關(guān)柜采取絕緣提高措施。

        為了填充靜觸頭盒與開(kāi)關(guān)柜主安裝板之間的空氣間隙,并消除鋸齒尖角的影響,在靜觸頭盒和主安裝板之間注入玻璃膠,填充后耐壓試驗(yàn)僅能達(dá)到38 kV,在梅花觸指上可見(jiàn)黑色的灼痕,加上開(kāi)關(guān)柜靜觸頭盒材料的絕緣性能也讓人生疑,在專業(yè)人員的強(qiáng)烈建議下,為了進(jìn)一步消除靜觸頭安裝固定螺釘尖角的影響,開(kāi)關(guān)柜生產(chǎn)廠家同意先更換常規(guī)設(shè)計(jì)的上邊三相靜觸頭盒(圖1),采用了另一家質(zhì)量較好且改進(jìn)設(shè)計(jì)的新型靜觸頭盒(圖2)。新型的觸頭盒安裝固定螺釘位于主安裝板后側(cè),同時(shí)新型靜觸頭盒頂端自帶的罩蓋也可對(duì)主安裝板安裝孔邊緣進(jìn)行絕緣隔離,提高絕緣性能。將斷路器處于分閘位置,在進(jìn)行絕緣測(cè)試時(shí),可以通過(guò)42 kV 1 min的工頻耐受電壓試驗(yàn),但是電流聲較大。將下邊三相觸頭盒也進(jìn)行更換后,試驗(yàn)順利通過(guò)。

        圖1 前側(cè)固定方式靜觸頭盒

        圖2 后側(cè)固定方式靜觸頭盒

        2 改善措施

        雙方通過(guò)深入的技術(shù)交流,結(jié)合KYN28開(kāi)關(guān)設(shè)柜絕緣方面的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)以及各位專家在開(kāi)關(guān)柜方面的經(jīng)驗(yàn),有必要進(jìn)一步總結(jié)一下常見(jiàn)國(guó)產(chǎn)KYN28-12kV高壓開(kāi)關(guān)柜與各種真空斷路器匹配時(shí)提升工頻絕緣能力的措施,當(dāng)然,這些措施也可以作為行之有效的方案,用來(lái)滿足部分高海拔地區(qū)對(duì)于更高絕緣的需求。

        2.1 毛刺處理

        首先對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜靜觸頭盒與主安裝板的毛邊、毛刺進(jìn)行處理,如果一開(kāi)始就采購(gòu)采用高精設(shè)備加工的主安裝板,可以大大減少了后期處理工作。在開(kāi)關(guān)柜觸頭盒和主安裝板之間注入硅膠,同時(shí)覆蓋主安裝板上觸頭盒安裝孔的邊緣,該措施可以降低或消除強(qiáng)高電壓、強(qiáng)電場(chǎng)下毛刺等尖端對(duì)絕緣的惡劣影響,提高絕緣水平并利于產(chǎn)品的長(zhǎng)期運(yùn)行;當(dāng)然,該措施也有助于消除靜觸頭盒(靜觸頭盒蓋)與安裝板之間的空氣間隙,降低局放并使粉塵、潮氣等無(wú)法進(jìn)入,從而提高并保持長(zhǎng)期絕緣;此外,涂膠也利于觸頭盒(觸頭盒蓋)與主安裝板等結(jié)合的穩(wěn)定性,也有利于開(kāi)關(guān)柜的長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

        2.2 開(kāi)關(guān)柜活門及活門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

        開(kāi)關(guān)柜斷路器室內(nèi)的活門又稱主回路觸頭盒遮擋簾板,最為常見(jiàn)的是由導(dǎo)磁材料的金屬板材噴漆制作而成,絕緣性能較差;少部分采用絕緣材料制成,具有良好的絕緣性能,但是不符合金屬鎧裝開(kāi)關(guān)設(shè)備的要求,時(shí)間久了也有老化的風(fēng)險(xiǎn),造成絕緣性能的下降。開(kāi)關(guān)柜活門的主要作用是遮擋帶電體,避免人員觸及帶電主回路,保護(hù)人員安全。

        當(dāng)斷路器搖入工作位置時(shí),金屬材質(zhì)的開(kāi)關(guān)柜活門對(duì)整體絕緣的影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面,一是由于活門表面單純的噴漆,絕緣性能有限,很容易與斷路器觸臂根部之間直接放電;活門表面先覆蓋2 mm厚的環(huán)氧樹(shù)脂,然后在環(huán)氧樹(shù)脂表面再進(jìn)行噴漆處理,可有效提高開(kāi)關(guān)柜活門的絕緣性能;其次是由于活門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障或設(shè)計(jì)不周全,導(dǎo)致活門打開(kāi)行程不夠,有時(shí)開(kāi)關(guān)柜活門最終位置甚至直接接觸到了斷路器觸臂,長(zhǎng)期此狀態(tài)下帶電運(yùn)行,可導(dǎo)致斷路器觸臂絕緣的破壞,最終演變成斷路器相間短路故障,造成更大的損失。開(kāi)關(guān)柜活門的正確設(shè)計(jì)位置應(yīng)滿足:斷路器搖出時(shí),能完全遮擋主回路;斷路器搖入時(shí),能完全打開(kāi)且打開(kāi)距離至少應(yīng)大于靜觸頭盒外直徑。

        2.3 開(kāi)關(guān)柜的主安裝板

        當(dāng)交流電通過(guò)主回路時(shí),回路周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。處在交變磁場(chǎng)中的導(dǎo)磁材料的主安裝板內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,由于這種感應(yīng)電流在整塊主安裝板內(nèi)部自成閉合回路,形似水的旋渦,所以稱作渦流。因?yàn)閷?dǎo)磁材料的金屬主安裝板電阻較小,因此這種感應(yīng)電流很大,造成發(fā)熱損耗,長(zhǎng)期運(yùn)行也會(huì)導(dǎo)致固定觸頭盒等絕緣材料的老化,絕緣性能進(jìn)一步下降。一般來(lái)說(shuō),渦流的大小決定于此金屬主安裝板與斷路器導(dǎo)體之間的距離,在電流不變的情況下主安裝板與斷路器導(dǎo)體之間的距離越小,則穿過(guò)主安裝板的磁通的變化量就越大,渦流也就越大;反之距離越大,其渦流就越小。渦流的大小還決定于流過(guò)斷路器主回路的電流的大小,電流越大穿過(guò)主安裝板的磁通的變化量也就越大,渦流也就越大;反之電流越小,其渦流就越小。

        為了消除閉合磁回路中產(chǎn)生的渦流的影響,抑止渦流產(chǎn)生,在金屬主安裝板上的靜觸頭中心連線位置,通常推薦切出一個(gè)渦流槽,使三孔之間相通,避免單相電流在穿越開(kāi)關(guān)柜主安裝板時(shí)形成能產(chǎn)生渦流的閉環(huán)回路[5]。在靜觸頭盒安裝完畢后,此渦流槽可用玻璃膠或二元環(huán)氧樹(shù)脂膠密封,否則開(kāi)槽處的金屬毛刺或尖角也會(huì)容易對(duì)斷路器的觸臂放電。當(dāng)然,如果把金屬毛刺和尖角打磨掉,效果會(huì)更好。此外,在靜觸頭盒安裝到主安裝板上后,也可用玻璃膠或二元環(huán)氧樹(shù)脂膠填充靜觸頭盒與金屬主安裝板之間的空隙,以排出空隙內(nèi)的所有的空氣,還能降低氣隙放電引起絕緣破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

        有些廠家因?qū)Т挪牧系慕饘僦靼惭b板板較薄,加上切了渦流槽后,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠,會(huì)額外加裝一塊非磁性材料(不銹鋼、鋁)襯板[5],此時(shí)應(yīng)盡量將此非磁性材料襯板安裝在開(kāi)關(guān)設(shè)備主安裝板后側(cè),避免斷路器與此襯板之間的絕緣放電。如果直接用非磁性材料(不銹鋼、鋁)加工成開(kāi)關(guān)柜的主安裝板,可不開(kāi)渦流槽[5]。

        2.4 觸頭盒的選擇及固定方式

        過(guò)小的靜觸頭盒直徑,可使斷路器觸臂與主安裝板的金屬部分之間的空氣距離過(guò)小,加上也會(huì)引起較大的渦流發(fā)熱現(xiàn)象,造成絕緣能力下降。此外,由于開(kāi)關(guān)柜6個(gè)靜觸頭的空間位置與斷路器的6個(gè)梅花觸頭完全適配存在一定困難,當(dāng)開(kāi)關(guān)柜的加工精度不夠高時(shí),斷路器插入后,斷路器梅花觸頭或觸臂有可能直接剮蹭到過(guò)小的靜觸頭盒內(nèi)壁,這種情況將會(huì)使靜觸頭盒內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重的表面閃絡(luò)。

        推薦靜觸頭盒的直徑最小值見(jiàn)表1。

        表1 推薦靜觸頭盒的直徑最小值

        對(duì)于工程塑料加工而成的絕緣零件,外觀、顏色做到以假亂真相對(duì)容易,有些廠家為了降低成本,甚至加入了過(guò)多的報(bào)廢回料,導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量性能不過(guò)關(guān),對(duì)于此類絕緣件應(yīng)完善供應(yīng)商考核體系,加強(qiáng)來(lái)料檢驗(yàn)。推薦采用具有良好絕緣性能的環(huán)氧樹(shù)脂材料的靜觸頭盒。

        如果采用前置安裝的靜觸頭盒,應(yīng)采用不會(huì)引起尖端放電的內(nèi)六角螺栓來(lái)固定安裝。相對(duì)于前側(cè)安裝的靜觸頭盒和單獨(dú)絕緣罩蓋的方案,固定螺栓后置安裝及帶有一體式的絕緣罩蓋的靜觸頭盒,設(shè)計(jì)更合理,絕緣性能可以顯著改善。

        2.5 設(shè)備清潔

        斷路器廠家在交付斷路器時(shí)通常都會(huì)用塑料薄膜進(jìn)行密封,以保證在裝卸、運(yùn)輸及存儲(chǔ)的過(guò)程中能夠得到有效防護(hù)。如果短期內(nèi)不進(jìn)行配柜安裝的話,應(yīng)采用合適的包裝袋進(jìn)行密封并將斷路器存儲(chǔ)于室內(nèi)通風(fēng)良好、干燥無(wú)塵且周圍空氣無(wú)腐蝕性氣體的室內(nèi)場(chǎng)所。

        受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件以及靜電等因素的影響,部分產(chǎn)品在試驗(yàn)前可能會(huì)累積了一定量的灰塵,而產(chǎn)品上堆積的大量灰塵也是引起絕緣問(wèn)題的重要原因。1)灰塵會(huì)根據(jù)不同的來(lái)源而成分有所差異,例如有的主要成分含氧化硅、氧化硫和鋁,而有的灰塵是氧化硅和氧化鈣,化工廠鄰近的鹽霧主要含氯化鈉、氨氣,這些含導(dǎo)電性顆粒的煙塵和化學(xué)性污穢源附著在絕緣體表面,將使絕緣能力降低[6]。2)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,絕緣體會(huì)吸引帶電物質(zhì)(灰塵)等,使絕緣能力下降(圖3)。 3)灰塵是吸濕性微粒,沒(méi)有它這個(gè)核心,空中的水汽無(wú)法凝結(jié),天上的云就難以形成。但是對(duì)于電氣設(shè)備,絕緣表面污垢吸潮,某些溶于水的物資發(fā)生分解,使表面電阻大大下降,放電電壓降落。在高電壓下,或有時(shí)甚至在畸形工作電壓下發(fā)生部分放電,造成污閃事故[6]。

        圖3 絕緣體的灰塵附著

        因此,清潔、良好的設(shè)備狀態(tài)下進(jìn)行絕緣耐壓試驗(yàn)是一個(gè)基本要求,也是采取以上任何措施的前提條件。對(duì)于表面灰塵及輕微污漬,可用干燥清潔的無(wú)紡布擦拭;難以清除的污漬,應(yīng)使用弱堿性清洗劑清潔,然后用沾有酒精的無(wú)紡布揩去清潔劑并干燥。

        4 結(jié)語(yǔ)

        不同廠家的開(kāi)關(guān)柜與進(jìn)行型式試驗(yàn)的原始開(kāi)關(guān)柜之間存在的絕緣能力差異是造成斷路器配柜絕緣問(wèn)題的根本原因。開(kāi)關(guān)柜主安裝板、觸頭盒等金屬構(gòu)件和絕緣部件以及開(kāi)關(guān)柜本體結(jié)構(gòu)所造成的電場(chǎng)分布不均勻等對(duì)工頻耐壓的結(jié)果均存在較大影響,因此即使是同一品牌、型號(hào)的斷路器,由于各個(gè)開(kāi)關(guān)柜廠生產(chǎn)制造過(guò)程能力不同、加工工藝不同,使產(chǎn)品的絕緣水平也存在較大差異。而絕緣性能的提升,不是線性的,一個(gè)尖角的消除,可以使很低的絕緣水平大幅上升。該文提到的改善措施應(yīng)靈活運(yùn)用,在開(kāi)關(guān)柜本體和(或)斷路器上都可采取的必要的絕緣優(yōu)化措施,改善并提高整體絕緣水平,以提高開(kāi)關(guān)設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

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