17.5 kV小型化中置式开关柜的设计

余 馨

(天一同益电气股份有限公司,福州 350014)

0 引 言

与国内采用国家标准电压等级的开关柜不同,国外多地采用IEC标准的17.5 kV小型化中置式开关柜。17.5 kV开关柜通常在南美、中东及菲律宾等地区或国家使用,该电压等级是IEC62271-1标准中额定电压序列1的电压等级,一般应用于标称电压13.8 kV、15 kV的电力系统。目前国外客户来华采购的17.5 kV开关柜,国内厂家都是以24 kV开关柜来替代进行销售的。24 kV开关柜成本高,设备占用空间大,因此,为了节约成本,需求市场拟采用小型化的12 kV开关柜,通过绝缘性能等的改进设计,来满足17.5 kV产品的使用性能要求。

17.5 kV开关柜与12 kV开关柜具体技术参数对比见表1所示。根据IEC标准要求,17.5 kV断路器、开关柜的额定工频耐受电压是38 kV,低于国家标准12 kV断路器、开关柜的42 kV额定工频耐受电压[1]。而在相间对地及断路器断口的雷电冲击耐受电压参数要求上,17.5 kV断路器、开关柜为95 kV,比国家标准12 kV断路器、开关柜所规定的75 kV额定雷电冲击耐受电压高很多。12 kV开关柜设备为小型化产品外形,由于体积的限制,空间结构十分紧凑。在将12 kV开关柜设计成17.5 kV电压等级的过程中,开关柜所发生的故障中很大一部分是由于绝缘破坏而造成的。因此,在17.5 kV开关柜设计过程中,在满足电气基本要求的前提下,应设法改善绝缘结构,在保证可靠性的基础上,达到最佳的绝缘配合,从而节约成本,提高经济效益。

表1 17.5 kV开关柜和12 kV开关柜技术参数对比

该文针对IEC标准17.5 kV开关柜的要求与国标12 kV开关柜的不同,在结构设计、绝缘要求等方面对开关柜进行改进,并通过雷电冲击试验进行验证。

1 设计方案

17.5 kV小型化中置式开关柜设计的难点在于12 kV开关柜设备为小型化产品外形,其柜宽为650 mm,相间距仅为150 mm,无法满足IEC标准要求的160 mm的净距。为解决这一问题,可以通过加入热缩套管等复合绝缘、加绝缘板、采用金属活门硫化喷涂等方式来减小相间距。

1.1 试验样机的铜排绝缘问题

热缩套管是一种特制的聚烯烃材质热收缩套管,具有高温收缩、柔软阻燃、绝缘防蚀功能。热缩套管是通过外层采用优质柔软的交联聚烯烃材料、内层采用热熔胶复合加工而成的。外层的交联聚烯烃材料有绝缘防蚀、耐磨等优点,内层热熔胶有低熔点、防水密封和高粘接性等优点。因此,国内外常采用热缩套管对35 kV及以下电压等级的母排进行外绝缘处理。通过使用热缩套管,可以有效提高开关柜的击穿电压,减小开关柜净距[2]。

所设计的开关柜采用热缩套管作为复合绝缘,从而大幅度减小了相间净距。1 250 A开关柜每相采用2根50 mm×10 mm铜排,包覆端25 kV BPTM热塑套管,可以使相间净距大于95 mm,符合技术规格书中相间最小净距为85 mm的要求,铜排相对地最小净距115 mm,也大于要求的105 mm。BPTM热缩套管对净距的要求见表2。

表2 BPTM热缩套管对净距的要求

热缩套管的使用可以促进铜排的散热[3]。热缩套管工作温度范围最大为125 ℃,在该温度范围内长时间使用,热缩套破裂、绝缘失效的风险非常低。通过优化设计,每相采用2根50 mm×10 mm铜排,60 Hz、1 250 A电流下温升值只有60 K左右,小于最大耐热温度限值,因此不会发生破裂问题。铜排严格按照工艺文件加工生产,避免因铜排温度过高发生的热缩套管开裂而导致的绝缘失效问题。

铜排所有接头都配置热缩盒,如图1所示。而对于铜排与互感器之间搭接的接头以及电缆搭接部位所裸露出来的导体,通过在相间或相对地间设计插入一块片状模塑料(sheet molding compound, SMC)绝缘隔板,缩小对绝缘距离的要求。SMC绝缘板具有很高的耐击穿性能,能够有效地防止中置柜的相间击穿[4]。相间绝缘隔板需安装在中间位置,如图2所示。加入绝缘隔板后,带电体与绝缘板的距离为57 mm,满足IEC标准要求的带电体距离绝缘板不小于40 mm。

图1 热缩盒位置

图2 绝缘隔板位置

由于柜宽的限制,17.5 kV接地开关的尺寸与12 kV的保持基本一致,相距仅为170 mm,由于开关柜工作状态时,接地开关静触头始终处于高压状态,因此对地和相间的雷电冲击耐受电压需要通过加装绝缘罩或绝缘隔板的形式来解决。因柜宽限制,接地开关本体上没有足够的空间安装相对地间绝缘隔板,故在将接地开关部分的绝缘隔板与铜排和互感器搭接处所需的绝缘隔板进行一体化考虑,解决了空间的限制及安装的难点。

1.2 试验样机的手车室绝缘问题

在开关柜设计中,手车室绝缘薄弱点主要集中在2个方面,即断路器手车在试验位置时静触头对活门的绝缘问题,以及断路器在工作位置时的绝缘问题。这也是开关柜整体设计中的绝缘薄弱点。

1.2.1 静触头对活门的绝缘问题

针对静触头对活门的耐受电压问题,当断路器在试验位置时,静触头对活门放电,活门关闭时活门板对静触头的距离只有125 mm,而有关IEC标准要求开关柜满足LSC2 BPM级要求,因此必须采用金属活门,这也导致了95 kV的雷电冲击耐受电压试验很难通过。为了提高雷电冲击耐受电压,在设计过程中考虑采取的措施主要是对金属活门进行硫化,保证硫化质量是提高绝缘的关键。为了达到95 kV的雷电冲击耐受电压,活门硫化最薄处厚度要大于1.5 mm,同时需保证硫化厚度均匀,运输过程中防止磕碰等情况,才能有效保护硫化层的绝缘性能。

除了对金属活门进行硫化的措施外,还可考虑采用绝缘板加钢板的活门方式,即面向静触头的一侧采用SMC绝缘板,而外侧贴一层金属板。这种活门厚度大、质量大,活门提升机构操作困难,而且绝缘板会产生感应电荷,缺乏可靠接地。因此,综合考虑,采用金属活门硫化的方式来保证静触头和活门的耐压问题。

1.2.2 断路器在工作位置时的绝缘问题

断路器在工作位置时,存在触头盒放电的风险。由于断路器触臂与极柱连接处无法完全绝缘,可能会导致触臂根部向触头盒安装螺栓放电,或者通过梅花触头沿着内伞裙表面向触头盒安装螺栓放电。因此,需要先找到放电路径,再进行设计。在17.5 kV系统中,高压开关柜各组件及其支持绝缘件(纯瓷及有机绝缘件)的外绝缘爬电比距(高压电器组件外绝缘的爬电距离与额定电压之比)对于有机绝缘为24 mm/kV,也就是说,绝缘件的爬电距离要求大于等于280 mm。为了有效解决上述问题,重新选择了区别于12 kV所常用的触头盒。这款触头盒的主要特点:1)触头盒采用螺栓从板后固定的设计,加高安装孔所在的台阶高度,增大了法兰面,扩大钢板上触头盒的安装孔;2)触头盒增加了内爬距,使爬距大于300 mm,满足IEC标准的要求。额定电压17.5 kV触头盒的外形如图3所示。

图3 触头盒外形

设计过程中还在触头盒的安装面与开关柜隔板之间设计配置了一块绝缘隔板,使前部有足够的绝缘屏蔽阻挡断路器触臂根部到触头盒安装板的放电,从梅花触头沿触头盒内壁到安装板的放电路径也得到加长。活门及中隔板处绝缘隔板如图4所示。

图4 绝缘隔板位置

12 kV真空断路器的雷电冲击耐受电压要求为75 kV。虽然真空断路器的断口可以实现耐受85 kV电压,但很难达到95 kV。由于断路器触头材料不同,形状结构不同,经过多次反复验证,最终确定改善触头表面状况的方案,特别注意在运输过程中应避免震动造成触头产生尖端毛刺。

1.3 试验样机的内部燃弧问题

针对燃弧试验,在结构上充分考虑了强度的因素。前中门、前下门、后封板等,都设计配置了加强筋,设计门锁点的点数时,根据以往12 kV开关柜燃弧试验的经验,适当增加了锁点点数。柜顶设置了专门的燃弧通道,根据IEC试验标准,燃弧通道伸出柜外2 m,考虑强度问题,设置燃弧通道专用支撑架。燃弧通道示意图如图5所示。

图5 燃弧通道

1.4 结构设计

结构设计方面,此次17.5 kV的开关柜总体设计上分为仪表室、断路器室、母线室、电缆室等[5]。在结构上充分考虑了国外客户采购的特点,将开关柜壳体部分分为前柜和后柜。前、后柜可根据客户需求分项采购,两者之间互不影响。开关柜整体剖面图如图6所示。仪表室作为一个单独的隔室,可以单独在专用作业生产线上进行布线等操作,再吊装安装于前柜上方。

图6 开关柜整体剖面图

2 试验验证及设计改进

完成17.5 kV小型化中置式开关柜设计后,进行雷电冲击试验验证,以此考核开关设备的绝缘水平。雷电冲击试验能够非常有效地发现设备在设计及工艺上存在的缺陷、绝缘件的局部损坏以及零部件装配等环节中可能出现的变形问题。雷电冲击耐受试验中,正极性冲击一般用来检查设备的外绝缘,其与爬电距离、导体的空气间隙以及外界条件有关。负极性冲击与内绝缘有关,即绝缘材料、结构和成型工艺。正极性、负极性雷电冲击耐受试验的试验结果见表3。当施加负极性雷电冲击电压时,出现一次击穿。当施加正极性雷电冲击耐受电压时,被击穿的次数较多。

表3 雷电冲击耐受试验结果

雷电冲击耐受电压试验中,给C相施加正极性冲击耐受电压并呈现波形正常后,再给C相施加负极性耐受电压,此时出现了击穿。分析可知,造成这种现象的原因是随着试验加压次数的增加,相活门板残余电荷量趋向饱和。残余电荷产生的电场将大大改变临近活门板的电场,从而增大了发生击穿的可能性。特别是当活门表面带有前一次正极性放电的残余电荷时,施加负极性冲击耐受电压,此时冲击耐受电压与之前的残余电荷电位之间的电位差将扩大为原来的两倍。在改变冲击耐受电压的极性进行试验时,由于反极性残余电荷的影响,会促进放电现象。因此,在进行雷电冲击耐受电压试验极性转换时,应首先对产品进行放电,残余电荷全部清除之后再开始试验,可以有效提高试验的通过率。

在试验过程中发现,母线室A相上分支铜排螺栓对中隔板发生击穿。由分析可知,不规则的紧固螺栓导致其拧紧后露出的螺牙长度过长[6],这不仅减少了绝缘距离,也造成开关柜内部电场局部集中。针对这个问题,在金属螺栓上加装绝缘帽,该方法可将电场限制在绝缘帽中,从而削弱螺栓与中隔板间空气间隙的电场强度,改善螺栓尖端电场过于集中的现象。

在对ABC-abcE进行连续15次正极性试验时,第一次出现击穿,击穿位置为断路器下触臂C相,排查原因为中隔板触头盒开孔处有毛刺,同样造成了开关柜内部电场局部集中。解决该问题的方法是去除开孔处的毛刺,改善电场集中的情况,再次试验的时候,这个部位没有出现击穿的情况。活门a-AbbCcE相对地出现了击穿情况,初步判断应为接线问题,整改后,重新试验,没有出现类似击穿现象。

在实际工作中发现,除了绝缘距离不足、电场局部集中、残余电荷影响,装配工艺粗糙、机械部件公差配合不准确等原因也会间接导致17.5 kV雷电冲击试验失败[5]。通过分析雷电冲击试验中遇到的问题,不断改进开关柜的设计,使开关柜在运行时更加的安全稳定。

另外,由于一次元器件处于密封的柜内运行,产生的热量很难散发到柜外,极易造成柜内温度升高。若温度超过极限值,便会烧毁元器件酿成事故。IEC标准对于17.5 kV开关设备温升的要求为75 K。为了避免制作工艺不过关导致的温升过高,设计通过在电气联接面上涂导电膏、铜排镀锡、铜排搭接处镀银等措施加强了工艺。在结构设计中,重点关注并避免了中隔板与套管安装板采用磁阻率高的不锈钢材质而发生的涡流。厂内对开关柜的温升情况进行了验证,温升情况良好,均控制在75 K以下。

3 结 语

开关柜国际市场需求持续增长,行业发展趋势和竞争格局也在不断变化,需要企业适当根据国际标准做出符合市场需求的产品,增加核心竞争力。此次开关柜设计正是适应这种大环境的技术升级,满足17.5 kV电压等级要求下的小型化结构设计,产品性能优异,节约成本,节省占地空间,具有良好的应用前景。