17.5 kV小型化中置式開關柜的設計

余 馨

(天一同益電氣股份有限公司,福州 350014)

0 引 言

與國內采用國家標準電壓等級的開關柜不同,國外多地采用IEC標準的17.5 kV小型化中置式開關柜。17.5 kV開關柜通常在南美、中東及菲律賓等地區或國家使用,該電壓等級是IEC62271-1標準中額定電壓序列1的電壓等級,一般應用于標稱電壓13.8 kV、15 kV的電力系統。目前國外客戶來華采購的17.5 kV開關柜,國內廠家都是以24 kV開關柜來替代進行銷售的。24 kV開關柜成本高,設備占用空間大,因此,為了節約成本,需求市場擬采用小型化的12 kV開關柜,通過絕緣性能等的改進設計,來滿足17.5 kV產品的使用性能要求。

17.5 kV開關柜與12 kV開關柜具體技術參數對比見表1所示。根據IEC標準要求,17.5 kV斷路器、開關柜的額定工頻耐受電壓是38 kV,低于國家標準12 kV斷路器、開關柜的42 kV額定工頻耐受電壓[1]。而在相間對地及斷路器斷口的雷電沖擊耐受電壓參數要求上,17.5 kV斷路器、開關柜為95 kV,比國家標準12 kV斷路器、開關柜所規定的75 kV額定雷電沖擊耐受電壓高很多。12 kV開關柜設備為小型化產品外形,由于體積的限制,空間結構十分緊湊。在將12 kV開關柜設計成17.5 kV電壓等級的過程中,開關柜所發生的故障中很大一部分是由于絕緣破壞而造成的。因此,在17.5 kV開關柜設計過程中,在滿足電氣基本要求的前提下,應設法改善絕緣結構,在保證可靠性的基礎上,達到最佳的絕緣配合,從而節約成本,提高經濟效益。

表1 17.5 kV開關柜和12 kV開關柜技術參數對比

該文針對IEC標準17.5 kV開關柜的要求與國標12 kV開關柜的不同,在結構設計、絕緣要求等方面對開關柜進行改進,并通過雷電沖擊試驗進行驗證。

1 設計方案

17.5 kV小型化中置式開關柜設計的難點在于12 kV開關柜設備為小型化產品外形,其柜寬為650 mm,相間距僅為150 mm,無法滿足IEC標準要求的160 mm的凈距。為解決這一問題,可以通過加入熱縮套管等復合絕緣、加絕緣板、采用金屬活門硫化噴涂等方式來減小相間距。

1.1 試驗樣機的銅排絕緣問題

熱縮套管是一種特制的聚烯烴材質熱收縮套管,具有高溫收縮、柔軟阻燃、絕緣防蝕功能。熱縮套管是通過外層采用優質柔軟的交聯聚烯烴材料、內層采用熱熔膠復合加工而成的。外層的交聯聚烯烴材料有絕緣防蝕、耐磨等優點,內層熱熔膠有低熔點、防水密封和高粘接性等優點。因此,國內外常采用熱縮套管對35 kV及以下電壓等級的母排進行外絕緣處理。通過使用熱縮套管,可以有效提高開關柜的擊穿電壓,減小開關柜凈距[2]。

所設計的開關柜采用熱縮套管作為復合絕緣,從而大幅度減小了相間凈距。1 250 A開關柜每相采用2根50 mm×10 mm銅排,包覆端25 kV BPTM熱塑套管,可以使相間凈距大于95 mm,符合技術規格書中相間最小凈距為85 mm的要求,銅排相對地最小凈距115 mm,也大于要求的105 mm。BPTM熱縮套管對凈距的要求見表2。

表2 BPTM熱縮套管對凈距的要求

熱縮套管的使用可以促進銅排的散熱[3]。熱縮套管工作溫度范圍最大為125 ℃,在該溫度范圍內長時間使用,熱縮套破裂、絕緣失效的風險非常低。通過優化設計,每相采用2根50 mm×10 mm銅排,60 Hz、1 250 A電流下溫升值只有60 K左右,小于最大耐熱溫度限值,因此不會發生破裂問題。銅排嚴格按照工藝文件加工生產,避免因銅排溫度過高發生的熱縮套管開裂而導致的絕緣失效問題。

銅排所有接頭都配置熱縮盒,如圖1所示。而對于銅排與互感器之間搭接的接頭以及電纜搭接部位所裸露出來的導體,通過在相間或相對地間設計插入一塊片狀模塑料(sheet molding compound, SMC)絕緣隔板,縮小對絕緣距離的要求。SMC絕緣板具有很高的耐擊穿性能,能夠有效地防止中置柜的相間擊穿[4]。相間絕緣隔板需安裝在中間位置,如圖2所示。加入絕緣隔板后,帶電體與絕緣板的距離為57 mm,滿足IEC標準要求的帶電體距離絕緣板不小于40 mm。

圖1 熱縮盒位置

圖2 絕緣隔板位置

由于柜寬的限制,17.5 kV接地開關的尺寸與12 kV的保持基本一致,相距僅為170 mm,由于開關柜工作狀態時,接地開關靜觸頭始終處于高壓狀態,因此對地和相間的雷電沖擊耐受電壓需要通過加裝絕緣罩或絕緣隔板的形式來解決。因柜寬限制,接地開關本體上沒有足夠的空間安裝相對地間絕緣隔板,故在將接地開關部分的絕緣隔板與銅排和互感器搭接處所需的絕緣隔板進行一體化考慮,解決了空間的限制及安裝的難點。

1.2 試驗樣機的手車室絕緣問題

在開關柜設計中,手車室絕緣薄弱點主要集中在2個方面,即斷路器手車在試驗位置時靜觸頭對活門的絕緣問題,以及斷路器在工作位置時的絕緣問題。這也是開關柜整體設計中的絕緣薄弱點。

1.2.1 靜觸頭對活門的絕緣問題

針對靜觸頭對活門的耐受電壓問題,當斷路器在試驗位置時,靜觸頭對活門放電,活門關閉時活門板對靜觸頭的距離只有125 mm,而有關IEC標準要求開關柜滿足LSC2 BPM級要求,因此必須采用金屬活門,這也導致了95 kV的雷電沖擊耐受電壓試驗很難通過。為了提高雷電沖擊耐受電壓,在設計過程中考慮采取的措施主要是對金屬活門進行硫化,保證硫化質量是提高絕緣的關鍵。為了達到95 kV的雷電沖擊耐受電壓,活門硫化最薄處厚度要大于1.5 mm,同時需保證硫化厚度均勻,運輸過程中防止磕碰等情況,才能有效保護硫化層的絕緣性能。

除了對金屬活門進行硫化的措施外,還可考慮采用絕緣板加鋼板的活門方式,即面向靜觸頭的一側采用SMC絕緣板,而外側貼一層金屬板。這種活門厚度大、質量大,活門提升機構操作困難,而且絕緣板會產生感應電荷,缺乏可靠接地。因此,綜合考慮,采用金屬活門硫化的方式來保證靜觸頭和活門的耐壓問題。

1.2.2 斷路器在工作位置時的絕緣問題

斷路器在工作位置時,存在觸頭盒放電的風險。由于斷路器觸臂與極柱連接處無法完全絕緣,可能會導致觸臂根部向觸頭盒安裝螺栓放電,或者通過梅花觸頭沿著內傘裙表面向觸頭盒安裝螺栓放電。因此,需要先找到放電路徑,再進行設計。在17.5 kV系統中,高壓開關柜各組件及其支持絕緣件(純瓷及有機絕緣件)的外絕緣爬電比距(高壓電器組件外絕緣的爬電距離與額定電壓之比)對于有機絕緣為24 mm/kV,也就是說,絕緣件的爬電距離要求大于等于280 mm。為了有效解決上述問題,重新選擇了區別于12 kV所常用的觸頭盒。這款觸頭盒的主要特點:1)觸頭盒采用螺栓從板后固定的設計,加高安裝孔所在的臺階高度,增大了法蘭面,擴大鋼板上觸頭盒的安裝孔;2)觸頭盒增加了內爬距,使爬距大于300 mm,滿足IEC標準的要求。額定電壓17.5 kV觸頭盒的外形如圖3所示。

圖3 觸頭盒外形

設計過程中還在觸頭盒的安裝面與開關柜隔板之間設計配置了一塊絕緣隔板,使前部有足夠的絕緣屏蔽阻擋斷路器觸臂根部到觸頭盒安裝板的放電,從梅花觸頭沿觸頭盒內壁到安裝板的放電路徑也得到加長?；铋T及中隔板處絕緣隔板如圖4所示。

圖4 絕緣隔板位置

12 kV真空斷路器的雷電沖擊耐受電壓要求為75 kV。雖然真空斷路器的斷口可以實現耐受85 kV電壓,但很難達到95 kV。由于斷路器觸頭材料不同,形狀結構不同,經過多次反復驗證,最終確定改善觸頭表面狀況的方案,特別注意在運輸過程中應避免震動造成觸頭產生尖端毛刺。

1.3 試驗樣機的內部燃弧問題

針對燃弧試驗,在結構上充分考慮了強度的因素。前中門、前下門、后封板等,都設計配置了加強筋,設計門鎖點的點數時,根據以往12 kV開關柜燃弧試驗的經驗,適當增加了鎖點點數。柜頂設置了專門的燃弧通道,根據IEC試驗標準,燃弧通道伸出柜外2 m,考慮強度問題,設置燃弧通道專用支撐架。燃弧通道示意圖如圖5所示。

圖5 燃弧通道

1.4 結構設計

結構設計方面,此次17.5 kV的開關柜總體設計上分為儀表室、斷路器室、母線室、電纜室等[5]。在結構上充分考慮了國外客戶采購的特點,將開關柜殼體部分分為前柜和后柜。前、后柜可根據客戶需求分項采購,兩者之間互不影響。開關柜整體剖面圖如圖6所示。儀表室作為一個單獨的隔室,可以單獨在專用作業生產線上進行布線等操作,再吊裝安裝于前柜上方。

圖6 開關柜整體剖面圖

2 試驗驗證及設計改進

完成17.5 kV小型化中置式開關柜設計后,進行雷電沖擊試驗驗證,以此考核開關設備的絕緣水平。雷電沖擊試驗能夠非常有效地發現設備在設計及工藝上存在的缺陷、絕緣件的局部損壞以及零部件裝配等環節中可能出現的變形問題。雷電沖擊耐受試驗中,正極性沖擊一般用來檢查設備的外絕緣,其與爬電距離、導體的空氣間隙以及外界條件有關。負極性沖擊與內絕緣有關,即絕緣材料、結構和成型工藝。正極性、負極性雷電沖擊耐受試驗的試驗結果見表3。當施加負極性雷電沖擊電壓時,出現一次擊穿。當施加正極性雷電沖擊耐受電壓時,被擊穿的次數較多。

表3 雷電沖擊耐受試驗結果

雷電沖擊耐受電壓試驗中,給C相施加正極性沖擊耐受電壓并呈現波形正常后,再給C相施加負極性耐受電壓,此時出現了擊穿。分析可知,造成這種現象的原因是隨著試驗加壓次數的增加,相活門板殘余電荷量趨向飽和。殘余電荷產生的電場將大大改變臨近活門板的電場,從而增大了發生擊穿的可能性。特別是當活門表面帶有前一次正極性放電的殘余電荷時,施加負極性沖擊耐受電壓,此時沖擊耐受電壓與之前的殘余電荷電位之間的電位差將擴大為原來的兩倍。在改變沖擊耐受電壓的極性進行試驗時,由于反極性殘余電荷的影響,會促進放電現象。因此,在進行雷電沖擊耐受電壓試驗極性轉換時,應首先對產品進行放電,殘余電荷全部清除之后再開始試驗,可以有效提高試驗的通過率。

在試驗過程中發現,母線室A相上分支銅排螺栓對中隔板發生擊穿。由分析可知,不規則的緊固螺栓導致其擰緊后露出的螺牙長度過長[6],這不僅減少了絕緣距離,也造成開關柜內部電場局部集中。針對這個問題,在金屬螺栓上加裝絕緣帽,該方法可將電場限制在絕緣帽中,從而削弱螺栓與中隔板間空氣間隙的電場強度,改善螺栓尖端電場過于集中的現象。

在對ABC-abcE進行連續15次正極性試驗時,第一次出現擊穿,擊穿位置為斷路器下觸臂C相,排查原因為中隔板觸頭盒開孔處有毛刺,同樣造成了開關柜內部電場局部集中。解決該問題的方法是去除開孔處的毛刺,改善電場集中的情況,再次試驗的時候,這個部位沒有出現擊穿的情況?；铋Ta-AbbCcE相對地出現了擊穿情況,初步判斷應為接線問題,整改后,重新試驗,沒有出現類似擊穿現象。

在實際工作中發現,除了絕緣距離不足、電場局部集中、殘余電荷影響,裝配工藝粗糙、機械部件公差配合不準確等原因也會間接導致17.5 kV雷電沖擊試驗失敗[5]。通過分析雷電沖擊試驗中遇到的問題,不斷改進開關柜的設計,使開關柜在運行時更加的安全穩定。

另外,由于一次元器件處于密封的柜內運行,產生的熱量很難散發到柜外,極易造成柜內溫度升高。若溫度超過極限值,便會燒毀元器件釀成事故。IEC標準對于17.5 kV開關設備溫升的要求為75 K。為了避免制作工藝不過關導致的溫升過高,設計通過在電氣聯接面上涂導電膏、銅排鍍錫、銅排搭接處鍍銀等措施加強了工藝。在結構設計中,重點關注并避免了中隔板與套管安裝板采用磁阻率高的不銹鋼材質而發生的渦流。廠內對開關柜的溫升情況進行了驗證,溫升情況良好,均控制在75 K以下。

3 結 語

開關柜國際市場需求持續增長,行業發展趨勢和競爭格局也在不斷變化,需要企業適當根據國際標準做出符合市場需求的產品,增加核心競爭力。此次開關柜設計正是適應這種大環境的技術升級,滿足17.5 kV電壓等級要求下的小型化結構設計,產品性能優異,節約成本,節省占地空間,具有良好的應用前景。