一种新型12 kV交流固体绝缘开关设备的结构设计

张养库，古王荣，孙晓丁，屈文刚

一种新型12 kV交流固体绝缘开关设备的结构设计

张养库，古王荣，孙晓丁，屈文刚

（西安西电高压开关有限责任公司，陕西 西安 710018）

12 kV交流开关柜设备在中国中压配网领域中被大量应用，广泛分布于各个街道和小区，产品的运行可靠性和千家万户的生活密切相关。为此，开发了一种固体绝缘型的开关柜，不仅使产品可靠性大幅提高，并且应用场合更加广泛。

开关柜；断路器；三工位；固体绝缘

1 引言

KGNG1-12型固体绝缘开关柜作为一种新型的12 kV高端智能配网产品，具有非常高的可靠性，该产品不仅可以满足常规使用条件，并且适用于各种严酷环境。

2 产品结构

该智能紧凑金属封闭开关设备属于小型化铠装式金属封闭开关设备，可以有效节省占地面积及空间，从而降低用户的综合土建成本。产品规格系列齐全，电气参数可达4 000 A/40 kA，完全满足用户的各种需求。开关柜采用全金属全绝缘结构，内部配置集成一体化开关和全绝缘母线，三相独立结构，整柜无外露导体，且所有绝缘表面均屏蔽接地，适合复杂工况的运行环境。KGNG1-12开关柜外形结构如图1所示。

A—低压室；B—断路器室；C—电缆室；D—母线室；1—母线转接头；2—断口观察窗；3—断路器/三工位；4—下分支母线；5—电流互感器；6—电缆；7—电压互感器；8—泄压板；9—隔离开关机构；10—断路器机构；11—避雷器。

3 主要参数

KGNG1-12固体绝缘型开关柜的主要技术参数如表1 所示。

表1 KGNG1-12开关柜的主要技术参数

额定频率fr/Hz50 额定电压Ur/kV12 额定电流Ir /A1 250、1 600、2 000、2 500、3 150、4 000 额定1 min短时工频耐受电压断口/对地/kV42/48 额定雷电冲击耐受电压（峰值）断口/对地/kV95/110 局部放电水平1.1×Ur/pC< 10 额定短路开断电流Isc/kA25 31.5 40 额定峰值耐受电流Ip/kA63 80 100 额定短时耐受电流Ik/（kA·4 s）25 31.5 40 开关柜宽度1 250 A/31.5 kA 500 mm 1 600～4 000 A/31.5～40 kA 700 mm

4 产品结构特点

在断路器、三工位及导体表面涂覆一层环氧树脂材料，其中填充改性纳米级绝缘材料，不仅提高了绝缘性能，并且具有高热传导性能，可循环利用。浇注完成后表面喷涂一层新型高散热、高导电新型石墨烯纳米材料并接地，使电场分布更加均匀合理。不仅解决了导体绝缘和快速散热问题，也使绝缘表面具有良好的接地性能，杜绝了相间短路故障的可能性。断路器表面接地结构如图2所示。

全绝缘母线采用优质铜材管型母线，在所有搭接处均有防止电场集中和局部放电的措施，且绝缘母线表面也均匀接地，有效防止了因环境因素造成相间放电或相间短路故障。

主要部件和连接导体标准化设计，合理地配置元件，使开关柜的整体构布置合理化。加工时，分别浇注成型，进行密封连接，从而实现了固体绝缘环网柜整体结构的小型化。

图2 断路器表面接地结构示意图

5 主要元件

5.1 断路器/三工位

断路器和三工位集成一体化设计，灭弧室采用真空断路器，三工位隔离开关和真空断路器一次浇注而成，防护等级达IP67。断路器/三工位结构如图3所示。电场仿真结果如图4所示。

图3 断路器/三工位结构图

图4 电场仿真结果

三工位的隔离、接地开关一体设计，操作主轴采用丝杆结构，操作位置精准可靠，寿命长，隔离开关动静触头联接安全可靠，动静触头开距长，保证开关的绝缘性能高。产品具有三个工作状态，相互机械闭锁，不会造成误操作。为保证检修维护人员安全，可通过观察窗观察隔室内隔离接地开关所处位置。三工位开关位置指示如图5所示。

5.2 连接母线

开关柜可以根据用户要求进行并柜，柜体之间采用全屏蔽管型母线进行连接，上端母线通过母线室连接，提升柜转接母线通过电缆室进行转接。上部母线连接如图6所示。下部母线连接如图7所示。

图7 下部母线连接示意图

5.3 模块防水

模块间采用可靠的密封搭接防水设计，即使把断路器/三工位模块放置在水中，仍可通过48 kV工频耐压试验。断路器/三工位浸水试验如图8所示。

图8 断路器/三工位浸水试验

采用全屏蔽型电缆接头，阻止空气中的水分进入导体，提高产品可靠性。

全屏蔽型电缆头结构如图9所示。

导电回路采用绝缘介质包裹，加上可靠的密封搭接设计，使得设备主要元件和连接件具有很高的防水性能，产品可在沿海、海上风电等潮湿环境中可靠运行。

导体不和空气直接接触，并且表面屏蔽接地，所以外绝缘不受空气密度影响，产品运行就不会受高海拔高度影响，能在高海拔地区可靠运行。

5.4 物联网设计

如图10所示，通过装配特定传感器，对开关柜内部模块的温度、局部放电量、机械特性等参数进行在线监测，并可在如图11所示的手机APP或运行平台监控，实现远程专家诊断，实时掌握开关运行状态，同时把发现的问题消灭在初始状态，保证产品生命周期内的可靠性。

①—630 A接头；②—导电杆；③—双头螺栓；④—屏蔽型避雷器；⑤—螺母；⑥—平垫；⑦—弹垫；⑧—后堵盖；⑨—后护帽；⑩—接地线。

图10 物联网智能开关设备

图11 平台监控

6 综述

综上所述，该新型开关柜的开发与应用，有利于城网、农网建设和改造。该产品有比较高的性价比，为中国的电网建设提供了方便。

［1］徐国政，张节容，钱家骊，等.高压断路器原理和应用［M］.北京：清华大学出版社，2000.

［2］林辛.现代高压电器技术［M］.2版.北京：机械工业出版社，2011.

［3］西安高压电器研究院有限责任公司，上海天灵开关厂有限公司，中国电力科学研究院有限公司，等.GB/T 3906—2020 3.6 kV～40.5 kV交流金属封闭开关设备和控制设备［S］.北京：中国标准出版社，2020.

［4］IEC/SC17C.IEC 62271—200—2003 高压开关设备和控制设备第200部分：额定电压1 kV以上52 kV以下交流金属封闭开关设备和控制设备［S］.出版社不详，2003.

TM643

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.020

2095－6835（2021）08－0057－03

古王荣（1975—），男，硕士，正高级工程师，研究方向为高压电器设计。

〔编辑：丁琳〕