劉 浩

（施耐德電氣（廈門）開關設備有限公司，福建 廈門 361006）

0 引言

2019年，12 kV 高壓交流金屬封閉開關設備產量達45萬面[1]，12 kV KYN系列高壓開關設備（開關柜）作為最為常見的高壓交流金屬封閉開關設備，技術門檻低，生產廠家眾多， 2019年產量約占87.09%[1]。不同KYN系列高壓開關柜生產廠家之間的設計細節(jié)卻不盡相同，技術水平也參差不齊，即使是同一廠家的12 kV KYN高壓開關柜，也經(jīng)常需要配置不同廠家生產的真空斷路器，加上柜體材料、工藝、安裝及運行環(huán)境等方面因素的差別，在進行整柜工頻耐壓絕緣試驗時，難免會出現(xiàn)開關柜體與斷路器之間的絕緣擊穿問題。

據(jù)文獻[2]，杭州電網(wǎng)中壓開關故障統(tǒng)計，4年8個月期間，絕緣故障歷年來均占據(jù)較高比例，總故障比例高達71.4%。絕緣故障原因是多方面的，如柜體絕緣結構、元器件質量及爬電距離、設備布置方式、斷路器與開關柜不匹配，絕緣距離偏小以及開關柜運行環(huán)境等。

國家標準[3]規(guī)定，12 kV高壓開關柜相對地、相間和開關斷口一般情形應滿足42 kV 1分鐘的工頻耐受電壓試驗；該試驗作為開關柜的出廠試驗驗證項目，在浙江某廠家生產的KYN28-12kV開關柜配合施耐德電氣（廈門）開關設備有限公司生產的HVX真空斷路器進行出廠工頻耐壓絕緣試驗時，發(fā)現(xiàn)柜體與斷路器之間存在放電現(xiàn)象，工頻電壓僅能達到32 kV左右，且更換同批次其他斷路器后，整體開關柜依然無法通過該試驗。

1 原因分析

1.1 斷路器設計檢查

該項目采用的是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的硅橡膠整體包裹設計，絕緣性能良好，在國內已有數(shù)十萬臺運行業(yè)績。配合施耐德電氣生產的PIX高壓開關柜通過了相關絕緣型式試驗驗證，并且配合國內其他眾多廠家生產的KYN28-12kV高壓開關柜也極少出現(xiàn)類似問題。

該項目共30多臺HVX真空斷路器，多臺配柜進行工頻耐壓絕緣測試，耐壓水平無明顯差異。此外，所有斷路器在出廠時均逐臺進行了工頻耐壓絕緣測試，排除了單臺斷路器不合格的情況。

1.2 KYN28-12kV高壓開關設備檢查與驗證

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；固定開關柜靜觸頭盒的螺栓使用帶有尖角的普通外六角螺栓，螺栓頭在開關柜主安裝板前面，盡管額外增加一個塑料罩蓋，但是和觸頭盒一樣，兩者所采用的材料和做工都尚存疑點。

在與廠家初步溝通后，其希望與施耐德電氣專業(yè)技術人員開展進一步的技術交流。在現(xiàn)場，首先指出了開關柜當前存在的上述明顯問題，并做了進一步解釋，電壓等級越高，工頻耐壓絕緣試驗時的局部電場強度就越高，有時可能伴有明顯的電暈放電聲。按照規(guī)定，試驗時只要不發(fā)生破壞性放電現(xiàn)象，就算正常通過。但是局部電場強度可能影響產品正常運行中抗御過電壓的能力，因此產品設計師應重視電場分布盡可能均勻，避免形成局部電場集中的情況[4]。

然后，保持開關柜原狀，只對斷路器進行了一系列處理。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，試驗結果表明，依然無法使真空斷路器滿足該高壓開關柜的絕緣要求，耐壓試驗時放電聲響嚴重，放電部位飄忽不定。從實踐經(jīng)驗來看，必須對該該高壓開關柜采取絕緣提高措施。

為了填充靜觸頭盒與開關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，填充后耐壓試驗僅能達到38 kV，在梅花觸指上可見黑色的灼痕，加上開關柜靜觸頭盒材料的絕緣性能也讓人生疑，在專業(yè)人員的強烈建議下，為了進一步消除靜觸頭安裝固定螺釘尖角的影響，開關柜生產廠家同意先更換常規(guī)設計的上邊三相靜觸頭盒（圖1），采用了另一家質量較好且改進設計的新型靜觸頭盒（圖2）。新型的觸頭盒安裝固定螺釘位于主安裝板后側，同時新型靜觸頭盒頂端自帶的罩蓋也可對主安裝板安裝孔邊緣進行絕緣隔離，提高絕緣性能。將斷路器處于分閘位置，在進行絕緣測試時，可以通過42 kV 1 min的工頻耐受電壓試驗，但是電流聲較大。將下邊三相觸頭盒也進行更換后，試驗順利通過。

圖1 前側固定方式靜觸頭盒

圖2 后側固定方式靜觸頭盒

2 改善措施

雙方通過深入的技術交流，結合KYN28開關設柜絕緣方面的設計細節(jié)以及各位專家在開關柜方面的經(jīng)驗，有必要進一步總結一下常見國產KYN28-12kV高壓開關柜與各種真空斷路器匹配時提升工頻絕緣能力的措施，當然，這些措施也可以作為行之有效的方案，用來滿足部分高海拔地區(qū)對于更高絕緣的需求。

2.1 毛刺處理

首先對高壓開關柜靜觸頭盒與主安裝板的毛邊、毛刺進行處理，如果一開始就采購采用高精設備加工的主安裝板，可以大大減少了后期處理工作。在開關柜觸頭盒和主安裝板之間注入硅膠，同時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高電壓、強電場下毛刺等尖端對絕緣的惡劣影響，提高絕緣水平并利于產品的長期運行；當然，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、潮氣等無法進入，從而提高并保持長期絕緣；此外，涂膠也利于觸頭盒（觸頭盒蓋）與主安裝板等結合的穩(wěn)定性，也有利于開關柜的長期安全、穩(wěn)定的運行。

2.2 開關柜活門及活門驅動機構

開關柜斷路器室內的活門又稱主回路觸頭盒遮擋簾板，最為常見的是由導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關設備的要求，時間久了也有老化的風險，造成絕緣性能的下降。開關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，保護人員安全。

當斷路器搖入工作位置時，金屬材質的開關柜活門對整體絕緣的影響主要體現(xiàn)在2個方面，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)氧樹脂，然后在環(huán)氧樹脂表面再進行噴漆處理，可有效提高開關柜活門的絕緣性能；其次是由于活門驅動機構故障或設計不周全，導致活門打開行程不夠，有時開關柜活門最終位置甚至直接接觸到了斷路器觸臂，長期此狀態(tài)下帶電運行，可導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。開關柜活門的正確設計位置應滿足：斷路器搖出時，能完全遮擋主回路；斷路器搖入時，能完全打開且打開距離至少應大于靜觸頭盒外直徑。

2.3 開關柜的主安裝板

當交流電通過主回路時，回路周圍產生交變磁場。處在交變磁場中的導磁材料的主安裝板內部會產生感應電流，由于這種感應電流在整塊主安裝板內部自成閉合回路，形似水的旋渦，所以稱作渦流。因為導磁材料的金屬主安裝板電阻較小，因此這種感應電流很大，造成發(fā)熱損耗，長期運行也會導致固定觸頭盒等絕緣材料的老化，絕緣性能進一步下降。一般來說，渦流的大小決定于此金屬主安裝板與斷路器導體之間的距離，在電流不變的情況下主安裝板與斷路器導體之間的距離越小，則穿過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斷路器主回路的電流的大小，電流越大穿過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生的渦流的影響，抑止渦流產生，在金屬主安裝板上的靜觸頭中心連線位置，通常推薦切出一個渦流槽，使三孔之間相通，避免單相電流在穿越開關柜主安裝板時形成能產生渦流的閉環(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)氧樹脂膠密封，否則開槽處的金屬毛刺或尖角也會容易對斷路器的觸臂放電。當然，如果把金屬毛刺和尖角打磨掉，效果會更好。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，以排出空隙內的所有的空氣，還能降低氣隙放電引起絕緣破壞的風險。

有些廠家因導磁材料的金屬主安裝板板較薄，加上切了渦流槽后，結構強度不夠，會額外加裝一塊非磁性材料（不銹鋼、鋁）襯板[5]，此時應盡量將此非磁性材料襯板安裝在開關設備主安裝板后側，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）加工成開關柜的主安裝板，可不開渦流槽[5]。

2.4 觸頭盒的選擇及固定方式

過小的靜觸頭盒直徑，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小，加上也會引起較大的渦流發(fā)熱現(xiàn)象，造成絕緣能力下降。此外，由于開關柜6個靜觸頭的空間位置與斷路器的6個梅花觸頭完全適配存在一定困難，當開關柜的加工精度不夠高時，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小的靜觸頭盒內壁，這種情況將會使靜觸頭盒內部出現(xiàn)嚴重的表面閃絡。

推薦靜觸頭盒的直徑最小值見表1。

表1 推薦靜觸頭盒的直徑最小值

對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容易，有些廠家為了降低成本，甚至加入了過多的報廢回料，導致產品質量性能不過關，對于此類絕緣件應完善供應商考核體系，加強來料檢驗。推薦采用具有良好絕緣性能的環(huán)氧樹脂材料的靜觸頭盒。

如果采用前置安裝的靜觸頭盒，應采用不會引起尖端放電的內六角螺栓來固定安裝。相對于前側安裝的靜觸頭盒和單獨絕緣罩蓋的方案，固定螺栓后置安裝及帶有一體式的絕緣罩蓋的靜觸頭盒，設計更合理，絕緣性能可以顯著改善。

2.5 設備清潔

斷路器廠家在交付斷路器時通常都會用塑料薄膜進行密封，以保證在裝卸、運輸及存儲的過程中能夠得到有效防護。如果短期內不進行配柜安裝的話，應采用合適的包裝袋進行密封并將斷路器存儲于室內通風良好、干燥無塵且周圍空氣無腐蝕性氣體的室內場所。

受現(xiàn)場環(huán)境條件以及靜電等因素的影響，部分產品在試驗前可能會累積了一定量的灰塵，而產品上堆積的大量灰塵也是引起絕緣問題的重要原因。1）灰塵會根據(jù)不同的來源而成分有所差異，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，這些含導電性顆粒的煙塵和化學性污穢源附著在絕緣體表面，將使絕緣能力降低[6]。2）在強電場作用下，絕緣體會吸引帶電物質（灰塵）等，使絕緣能力下降（圖3）。 3）灰塵是吸濕性微粒，沒有它這個核心，空中的水汽無法凝結，天上的云就難以形成。但是對于電氣設備，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、良好的設備狀態(tài)下進行絕緣耐壓試驗是一個基本要求，也是采取以上任何措施的前提條件。對于表面灰塵及輕微污漬，可用干燥清潔的無紡布擦拭；難以清除的污漬，應使用弱堿性清洗劑清潔，然后用沾有酒精的無紡布揩去清潔劑并干燥。

4 結語

不同廠家的開關柜與進行型式試驗的原始開關柜之間存在的絕緣能力差異是造成斷路器配柜絕緣問題的根本原因。開關柜主安裝板、觸頭盒等金屬構件和絕緣部件以及開關柜本體結構所造成的電場分布不均勻等對工頻耐壓的結果均存在較大影響，因此即使是同一品牌、型號的斷路器，由于各個開關柜廠生產制造過程能力不同、加工工藝不同，使產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靈活運用，在開關柜本體和（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，以提高開關設備長期運行的穩(wěn)定性和可靠性。