張麗強(qiáng)

兩種布置方式的12kV環(huán)保型氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜設(shè)計(jì)

張麗強(qiáng)

（中駿智能電氣科技股份有限公司，福建 廈門 361021）

環(huán)保型氣體絕緣是環(huán)網(wǎng)柜的發(fā)展趨勢之一。本文介紹了環(huán)保柜的兩種布置方式，采用干燥空氣作為絕緣介質(zhì)，并進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過對相關(guān)性能的優(yōu)化，提高了環(huán)網(wǎng)柜的絕緣性能，使其滿足各項(xiàng)試驗(yàn)要求，且能達(dá)到一定的裕度。

環(huán)網(wǎng)柜；環(huán)保氣體絕緣；干燥空氣；三工位開關(guān)

0 引言

12kV等級的開關(guān)柜在中國的配電網(wǎng)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位[1]，而環(huán)保型充氣柜因其綠色環(huán)保的性能優(yōu)勢和逐漸成熟的技術(shù)指標(biāo)成為環(huán)網(wǎng)柜領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。環(huán)保型充氣柜保留了常規(guī)環(huán)網(wǎng)柜產(chǎn)品的框架結(jié)構(gòu)，同時(shí)將干燥空氣作為絕緣介質(zhì)。

環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜的開關(guān)結(jié)構(gòu)與常規(guī)環(huán)網(wǎng)柜相同，主要包括真空開關(guān)和三工位隔離開關(guān)，兩種開關(guān)的安裝位置不同派生出兩種柜型，兩種柜型的差異導(dǎo)致柜體在設(shè)計(jì)和安裝時(shí)的布置和操作順序不同，尤其是在設(shè)計(jì)開關(guān)與電纜室門的安全聯(lián)鎖時(shí)，必須滿足電力安全工作規(guī)范和相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

本文對兩種柜型聯(lián)鎖操作過程的不同進(jìn)行簡要對比，設(shè)計(jì)兩種以干燥空氣為絕緣介質(zhì)的環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜，通過反復(fù)試驗(yàn)和調(diào)整，提高環(huán)網(wǎng)柜的電氣性能。

1 分析

當(dāng)前，環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜的開關(guān)本體有兩種布置方式[2]，一種為母線側(cè)三工位開關(guān)布置方案，簡稱上隔離方案，如圖1所示；一種為線路側(cè)三工位開關(guān)布置方案，簡稱下隔離方案，如圖2所示。

圖1 母線側(cè)三工位開關(guān)方案

圖2 線路側(cè)三工位開關(guān)方案

電氣五防功能是電力生產(chǎn)安全的重要舉措之一，其設(shè)計(jì)原則是：凡是可能引起誤操作的電氣開關(guān)設(shè)備，均需安裝防誤裝置和防誤電氣閉鎖回路[3]。根據(jù)電力安全五防聯(lián)鎖的相關(guān)規(guī)定，三工位開關(guān)機(jī)構(gòu)和斷路器開關(guān)機(jī)構(gòu)之間需要有互鎖功能[4]，這一條規(guī)定不管是上隔離方案還是下隔離方案基本一致，三工位開關(guān)機(jī)構(gòu)和斷路器開關(guān)機(jī)構(gòu)之間互鎖裝置的差異性很小。

五防聯(lián)鎖要求中需要注意的一條為：防止誤入帶電間隔，即只有電纜隔室不帶電且處于接地狀態(tài)時(shí)，工作人員才能打開電纜室門對電纜室進(jìn)行安裝或維護(hù)。該條規(guī)定下兩種布置方案的聯(lián)鎖操作順序不同。對于上隔離方案，斷路器先分閘，三工位開關(guān)操作至接地狀態(tài)后，斷路器合閘，下出線回路同時(shí)接地，電纜隔室不帶電，這時(shí)可以打開電纜室門。對于下隔離方案，斷路器分閘，這時(shí)可以操作三工位開關(guān)，將三工位開關(guān)操作至接地狀態(tài)后，下出線回路接地，電纜隔室不帶電，這時(shí)可以打開電纜室門。

當(dāng)額定電壓為12kV時(shí)，以空氣為絕緣介質(zhì)的金屬封閉開關(guān)和控制設(shè)備的空氣間隙要求為最小125mm，以空氣和絕緣材料作為絕緣介質(zhì)的設(shè)備，需要考慮絕緣材料的老化和厚度，并按要求對其進(jìn)行凝露試驗(yàn)，試驗(yàn)無問題則可以適當(dāng)縮小空氣間隙要求距離[5]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述兩種開關(guān)本體的布置方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 結(jié)構(gòu)布置

母線側(cè)三工位開關(guān)本體如圖3所示，母線側(cè)三工位開關(guān)布置方案是將三工位開關(guān)放置于主開關(guān)上方，斷路器放置于主開關(guān)下方。線路側(cè)三工位開關(guān)本體如圖4所示，線路側(cè)三工位開關(guān)布置方案與現(xiàn)有的充氣環(huán)網(wǎng)柜主回路結(jié)構(gòu)相同，即將三工位開關(guān)放置于主開關(guān)下方，斷路器放置于主開關(guān)上方。其中三工位開關(guān)安裝方向一致，最大的區(qū)別在于斷路器的方向不同，圖3所示的斷路器的動(dòng)端朝下，圖4所示的斷路器的動(dòng)端朝上。

圖3 母線側(cè)三工位開關(guān)本體

圖4 線路側(cè)三工位開關(guān)本體

由于柜體內(nèi)的絕緣介質(zhì)為干燥空氣，需要考慮其與六氟化硫（SF6）氣體的絕緣性能差異。在相同條件下，干燥空氣作為絕緣介質(zhì)的絕緣性能大約為SF6的1/3。所以在隔離開關(guān)的動(dòng)觸頭分閘位置增加絕緣罩，使隔離開關(guān)被包覆在自身動(dòng)作范圍的空間內(nèi)，有效提高絕緣性能。在斷路器分合閘六方轉(zhuǎn)軸上，相與相、相對地之間增加絕緣傘裙，增加爬電距離。

將開關(guān)內(nèi)導(dǎo)體用絕緣件包覆，使其成為一個(gè)結(jié)構(gòu)上更為緊湊的整體模塊，有效提高絕緣水平，減小柜體體積。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)縮小空氣間隙來提高絕緣性能主要有三種實(shí)現(xiàn)方式：①改善導(dǎo)體形狀；②增加絕緣隔板；③增加表面爬電距離。

在相同的空氣間隙下，適當(dāng)增大圓角半徑、使用對稱電極結(jié)構(gòu)，可以減小電場不均勻系數(shù)，提高耐受電壓[6-7]。因此，母線使用帶R角的矩形銅排，去除四周邊緣倒圓角表面毛刺，如圖5所示。

圖5 母線銅排

在極不均勻的電場中，在適當(dāng)位置安裝絕緣板或屏蔽罩，可在一定條件下顯著提升間隙的擊穿電壓[8]。另外，為了增大導(dǎo)體之間、導(dǎo)體對地之間的表面爬電距離，選用自身帶傘裙和隔板的擴(kuò)展連接件及進(jìn)出線套管，分別如圖6和圖7所示。隔板可將導(dǎo)體連接部分的不均勻電場屏蔽在隔板包覆內(nèi)部，有效優(yōu)化開關(guān)電場，減小絕緣距離。傘裙可有效增大絕緣的表面爬電距離，提高耐壓水平。

圖6 帶傘裙隔板側(cè)擴(kuò)內(nèi)錐套管

圖7 帶傘裙隔板進(jìn)出線套管

3 驗(yàn)證

綜上所述，裝配兩臺(tái)以干燥空氣為絕緣介質(zhì)的環(huán)保柜樣機(jī)，樣機(jī)外形尺寸均為420mm×850mm× 1 600mm（寬×深×高），一臺(tái)為母線側(cè)三工位開關(guān)布置方案，如圖8所示；一臺(tái)為線路側(cè)三工位開關(guān)布置方案，如圖9所示。兩臺(tái)樣機(jī)均在零表壓下進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)、雷電沖擊試驗(yàn)和局部放電試驗(yàn)。

氣箱內(nèi)測得最小空氣間隙為出線母線對地的垂直距離82.5mm，隔離斷口為100mm±5mm。

3.1 工頻耐壓試驗(yàn)

工頻耐壓試驗(yàn)結(jié)果見表1。其中極限值為在試驗(yàn)滿足要求的情況下驗(yàn)證得到的裕度。

圖8 母線側(cè)三工位開關(guān)氣箱裝配

圖9 線路側(cè)三工位開關(guān)氣箱裝配

表1 工頻耐壓試驗(yàn)結(jié)果

工頻耐壓試驗(yàn)用于檢驗(yàn)設(shè)備絕緣水平，避免發(fā)生絕緣事故，鑒定設(shè)備是否符合運(yùn)行要求[9]。在零表壓下進(jìn)行規(guī)定值的工頻耐壓試驗(yàn)，同時(shí)逐步驗(yàn)證得到極限值，可滿足海拔高度在1 000～1 800m之間的運(yùn)行條件。

3.2 雷電沖擊試驗(yàn)

同樣，在進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)時(shí)，極限值為在試驗(yàn)滿足要求的情況下驗(yàn)證得到的裕度。雷電沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 雷電沖擊試驗(yàn)結(jié)果

雷電沖擊試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)設(shè)備絕緣是否具有耐受雷電沖擊電壓的能力[10]。在試驗(yàn)過程中，按規(guī)定正極性和負(fù)極性各加壓15次，均無閃絡(luò)擊穿。在試驗(yàn)已滿足要求的情況下，以每次2kV增加電壓值，最終得到表2中極限值。

3.3 局部放電試驗(yàn)

局部放電試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 局部放電試驗(yàn)結(jié)果

局部放電主要包括絕緣材料內(nèi)部放電、表面放電和高壓電極尖端放電[11]。環(huán)保柜的允許最大局部放電量為20pC。

樣機(jī)在試驗(yàn)站進(jìn)行相關(guān)整機(jī)型式試驗(yàn)，工頻耐壓試驗(yàn)與雷電沖擊試驗(yàn)均滿足要求，其中試驗(yàn)站局部放電檢測結(jié)果見表4。

表4 試驗(yàn)站局部放電檢測結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果＜10pC，試驗(yàn)結(jié)果表明氣箱內(nèi)部的絕緣件無明顯缺陷，開關(guān)整體無明顯尖端毛刺，導(dǎo)體連接處無接觸不良、無松動(dòng)。

4 結(jié)論

本文所述的兩種不同布置方式的干燥空氣環(huán)保柜已設(shè)計(jì)完成，樣機(jī)已完成各項(xiàng)試驗(yàn)，結(jié)論如下：

1）兩種方案的五防聯(lián)鎖操作順序不同，但均能滿足防止誤入帶電間隔的要求，符合電力安全規(guī)范。

2）通過改善導(dǎo)體形狀、增加絕緣隔板、增加傘裙可提高絕緣水平，可以有效增強(qiáng)絕緣性能，且在滿足各項(xiàng)試驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上保有一定裕度。

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Design of 12kV environmental protection type gas insulated ring main unit with two arrangements

ZHANG Liqiang

(South China Intelligent Electrical Technology Co., Ltd, Xiamen, Fujian 361021)

Environmental protection gas insulation is one of the development trends of the ring main unit. This paper introduces the environmental protection gas insulation ring main units with two arrangements, using the dry air as the insulating medium, and designs them. Through the optimization of the related performance, insulation performance is improved, which can meet the test requirements and reach a certain margin.

ring main unit; environmental protection gas insulation; dry air; three-position switch

2021-04-26

2021-06-07

張麗強(qiáng)（1988—），男，福建省福清市人，本科，工程師，主要從事氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的研發(fā)工作。