劉 浩

（施耐德電氣（廈門）開關(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關(guān)設(shè)備產(chǎn)量達(dá)45萬面[1]，12 kV KYN系列高壓開關(guān)設(shè)備（開關(guān)柜）作為最為常見的高壓交流金屬封閉開關(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)開關(guān)柜體與斷路器之間的絕緣擊穿問題。

據(jù)文獻(xiàn)[2]，杭州電網(wǎng)中壓開關(guān)故障統(tǒng)計(jì)，4年8個(gè)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(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、斷路器與開關(guān)柜不匹配，絕緣距離偏小以及開關(guān)柜運(yùn)行環(huán)境等。

國家標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定，12 kV高壓開關(guān)柜相對(duì)地、相間和開關(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開關(guān)柜配合施耐德電氣（廈門）開關(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，整體開關(guān)柜依然無法通過該試驗(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，在國內(nèi)已有數(shù)十萬臺(tái)運(yùn)行業(yè)績。配合施耐德電氣生產(chǎn)的PIX高壓開關(guān)柜通過了相關(guān)絕緣型式試驗(yàn)驗(yàn)證，并且配合國內(nèi)其他眾多廠家生產(chǎn)的KYN28-12kV高壓開關(guān)柜也極少出現(xiàn)類似問題。

該項(xiàng)目共30多臺(tái)HVX真空斷路器，多臺(tái)配柜進(jìn)行工頻耐壓絕緣測試，耐壓水平無明顯差異。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試，排除了單臺(tái)斷路器不合格的情況。

1.2 KYN28-12kV高壓開關(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)人員開展進(jìn)一步的技術(shù)交流。在現(xiàn)場，首先指出了開關(guān)柜當(dāng)前存在的上述明顯問題，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。但是局部電場強(qiáng)度可能影響產(chǎn)品正常運(yùn)行中抗御過電壓的能力，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)師應(yīng)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(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，依然無法使真空斷路器滿足該高壓開關(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)來看，必須對(duì)該該高壓開關(guān)柜采取絕緣提高措施。

為了填充靜觸頭盒與開關(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，在梅花觸指上可見黑色的灼痕，加上開關(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)行絕緣測試時(shí)，可以通過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。

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

雙方通過深入的技術(shù)交流，結(jié)合KYN28開關(guān)設(shè)柜絕緣方面的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)以及各位專家在開關(guān)柜方面的經(jīng)驗(yàn)，有必要進(jìn)一步總結(jié)一下常見國產(chǎn)KYN28-12kV高壓開關(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，如果一開始就采購采用高精設(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、潮氣等無法進(jìn)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(jié)合的穩(wěn)定性，也有利于開關(guān)柜的長期安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

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

開關(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)氧樹脂，然后在環(huán)氧樹脂表面再進(jìn)行噴漆處理，可有效提高開關(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)致活門打開行程不夠，有時(shí)開關(guān)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(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)，能完全打開且打開距離至少應(yīng)大于靜觸頭盒外直徑。

2.3 開關(guān)柜的主安裝板

當(dāng)交流電通過主回路時(shí)，回路周圍產(chǎn)生交變磁場。處在交變磁場中的導(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。一般來說，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(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)氧樹脂膠密封，否則開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）加工成開關(guān)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(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，甚至加入了過多的報(bào)廢回料，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量性能不過關(guān)，對(duì)于此類絕緣件應(yīng)完善供應(yīng)商考核體系，加強(qiáng)來料檢驗(yàn)。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(yīng)采用不會(huì)引起尖端放電的內(nèi)六角螺栓來固定安裝。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、干燥無塵且周圍空氣無腐蝕性氣體的室內(nèi)場所。

受現(xiàn)場環(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題的重要原因。1）灰塵會(huì)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(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，沒有它這個(gè)核心，空中的水汽無法凝結(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紡布揩去清潔劑并干燥。

4 結(jié)語

不同廠家的開關(guān)柜與進(jìn)行型式試驗(yàn)的原始開關(guān)柜之間存在的絕緣能力差異是造成斷路器配柜絕緣問題的根本原因。開關(guān)柜主安裝板、觸頭盒等金屬構(gòu)件和絕緣部件以及開關(guān)柜本體結(jié)構(gòu)所造成的電場分布不均勻等對(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)開關(guān)柜廠生產(chǎn)制造過程能力不同、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，以提高開關(guān)設(shè)備長期運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。