浅谈发电机出口开关柜设计

陈翔

摘 要：通过对发电机出口开关柜的结构形式，母线和绝缘子的选型及其动热稳定性的论证等，对6300A/63KA 17.5KV电压等级的开关设备的设计进行总结，为业内大电流高开断成套开关设备的设计提供分析和参考。

关键词：发电机出口；大容量；大电流；结构形式

1 前言

随着用电负荷的增大，同时伴随着国家对资源的严格控制，使得一些用户特别是冶金、石化等高能耗行业的用户，对开关柜额定电流的要求越来越高，近几年逐渐出现了一些额定电流6300A，短路开断电流50kA、63kA的项目，且有越来越多的趋势。面对如此大容量、大开断电流，如何进行柜体设计成为很关键的问题。江苏大全长江电器股份有限公司于2013年成功研制开发了XGN□-17.5/6300-63型成套开关设备，目前已有数百套产品应用于不同用户，运行稳定良好，有了比较成功的经验。下面就发电机出口开关柜的设计方案做个简单分析。

2 发电机出口开关柜设计

发电机出口设备应用于发电机侧，额定电流和开断电流比较大，需着重解决由此带来的柜体强度、绝缘特性、动热稳定性以及温升等一些问题。

2.1 柜体结构形式选择

成套开关设备按断路器的安装类别可分为手车式和固定式结构，其各有优缺点。近年来由于手车式结构的设备维护检修方便、互换性好而占据更大比重。但我们也看到目前国内移开式开关柜，在电流变大后普遍存在动静头不精准、无法观察、触头盒散热效果不理想等情况，这会使得我们的客户理性地选择开关柜的结构。对于发电机出口设备，宜选择固定式结构：

（1）手车式结构：由于在工作时动静触头隐藏在触头盒内，对流和辐射的散热效果不理想，要比暴露在空气中的同类导体温升要高。

（2）断路器体积大、重量较大，使得手车笨重，操作不方便也是一个弱点。

2.2 柜体骨架材料选择

与传统的KYN28-12开关柜相比，6300A/63kA的开关柜额定电流和开断电流要大的多，采用固定柜型在体积上也要大得多，为保证整个柜体的强度，主体框架需考虑采用8号槽钢焊接而成，同时为了防止涡流及磁感应现象带来的柜体发热问题，需要在主母线穿过处（如穿墙套管固定板）、母线室弯隔板等地方使用优质的不锈钢材料（1Cr18Ni9Ti）。

2.3 母线选择和布置

应用于发电机出口的开关设备，其额定峰值耐受电流为额定短时耐受电流的2.8倍。其短路时的动热效应相当巨大，合理选择母线和布置方式尤为重要。

（1）母线规格选择。户内成套开关设备中，母线按截面分为矩形、圆形、方管形、D型、槽型等，其中矩形母线的搭接最方便，但在相同用料的情况下，其载流量小于其他规格的铜排。但如果采用其他类型的母线，一方面加工、安装的成本比较高，相关的配套也比较难以实现（如表面烘套管、配套穿墙套管模具费用、昂贵的母线转接件等），其最终的成本（特别是在目前6300A尚未成为主流产品的情况下）也不比矩形母线低！综上，柜体母线采用矩形铜排。根据DIN43671-铜导体载流量（德国）标准，并结合行业中相关厂家和公司自己的生产经验，主母排应选用单相6X120X10（mm）矩形圆角铜排。

（2）母线布置。对于水平布置的三相母线，当母线平放时，或者对于竖直布置的三相母线，当母线立放时，母线所承受的力效应最好。同时母排立放时载流量比平放时要高一些，这是由于立放时散热性能要比平放时要好的缘故，因此尽量采用三相母线竖直布置，母线立放。

2.4 主接地母线选择

根据GB3906-2006附录D中热效应计算公式确定母排横截面积：

式中：

S—母线最小截面，mm?；I—额定短时耐受电流，A；

α—材料系数，A/mm?，铜为13，铝 为8.5，铁为 4.5，铅为2.5；

t—额定短路持续时间，s，取3s；

△θ—温升，K，对于裸导体一般取180K，对于2-5s持续时间取215K；

对于63kA/3S系统，选用铜母线，I=63000，a=13，t=3，△θ=215；

最小截面积为：S≥572.5mm?；

根据DL404-1997中规定，对于中性点直接接地系统，接地回路的短时耐受电流最大值可达到主回路的额定短时耐受电流值；对于中性点不直接接地系统，接地回路的短时耐受电流最大值可达到主回路的额定短时耐受电流值的87%。

主接地回路按中性点直接接地系统选择，即短时耐受电流I=63kA，额定短路持续时间t=2s，则主接地排截面积为S≥467.4 mm?，故主接地排规格选择8*60mm；

2.5 隔离开关选择

在固定柜的各种元件中，断路器、电流互感器等元件上的导体搭接处均采用螺栓固定安装，其接触电阻一般不会太大。隔离开关的动静刀口，是通过弹簧来保证接触压力的，加上6300A/63kA本身的导体截面就比较大，如果采用一个搭接面，很难保证其精度，因此，6300A/63kA的隔离开关的结构形式每相应采用双刀型。

2.6 开关柜温升问题解决

在17.5kV 6300A/63kA固定柜中，如何合理控制温升是一个很重要的问题。对于额定电流6300A开关柜，其主回路电阻约在40～60?Ω，按照P=I?R原则，主回路发热功率约为1580～2380W，如此大的热量淤积在狭小的开关柜内如不能及时排出柜外，后果相当严重。

散热可从以下5个方面考虑：

（1）在母排通过的金属结构部件采用非导磁材料如不锈钢板生产，尽量减少柜体本身的涡流发热；不能采用非导磁材料生产的金属板表面喷黑色无光漆，如柜顶泄压板等，增强柜体的辐射散热能力；

（2）母排连接处采用镀银、压花处理，连接螺栓采用不锈钢螺栓，母排喷黑色无光漆，以加强辐射散热能力；

（3）根据温度梯度下低上高的原则，合理布置柜内各发热元件，优化设计散热通道，使得热量流动畅通；

（4）采取强制风冷措施加强对流散热，考虑在柜子前下门和后下门各加装1个风机往柜内吸风，在手车室、母线室柜顶各加装2个风机往柜外排风，同时在后上门上部加装风机往柜外排风，风机要选择静音轴流型，选择风机要综合考虑功率、风量、持续工作寿命、安装方式等因素；

（5）选用高质量低电阻的新型一次元件，减少一次元件的发热量。

2.7 支撑绝缘子选型

发生三相短路时作用于母线上的最大电动力可参照下式：

Fsj=17.3×10-2kL ich2/a

式中：

Fsj---作用于母线的短路电动力，N；

K-----绝缘子受力系数，水平放置时为1；

L----绝缘子间跨距（母线支撑间距），取120cm；

a----相间距离，取30cm；

ich—额定峰值耐受电流KA。2.8×63=176.4kA

計算结果：Fsj=21533N。

按照《高压配电装置技术设计规程》规定，在短时荷载时，支柱绝缘子允许荷载的安全系数为1.67，及支柱绝缘子的抗弯强度应大于等于所承受的电动力的1.67倍。故绝缘子抗弯强度为≧1.67 Fsj=35960N。

一般户内绝缘子的设计抗弯强度为20～30kN，应选用抗弯强度大于以上数值的绝缘子产品。

3 结论

发电机出口开关设备的设计，与常规小电流柜体设计存在很大差异，需要特别注意母线、温升和主回路动热效应，才能保证产品实际运行中的安全性。这些问题的解决需在理论计算的基础上，制定合理完善的设计方案，才能经得起实践的考验。

参考文献

[1]谢文君.高开断大电流开关柜在电力工程中的应用[J].金山，2010，（10）：107.

[2]刘爱华.高开断大电流开关柜温升的试验研究[J].河北电力技术，20（3）：38-40.

（作者单位：江苏大全长江电器股份有限公司）