12kV等級的開關柜在中國的配電網系統中占據重要地位，而環保型充氣柜因其綠色環保的性能優勢和逐漸成熟的技術指標成為環網柜領域的發展趨勢。環保型充氣柜保留了常規環網柜產品的框架結構，同時將干燥空氣作為絕緣介質。

環保型環網柜的開關結構與常規環網柜相同，主要包括真空開關和三工位隔離開關，兩種開關的安裝位置不同派生出兩種柜型，兩種柜型的差異導致柜體在設計和安裝時的布置和操作順序不同，尤其是在設計開關與電纜室門的安全聯鎖時，必須滿足電力安全工作規范和相關的產品標準。

本文對兩種柜型聯鎖操作過程的不同進行簡要對比，設計兩種以干燥空氣為絕緣介質的環保型環網柜，通過反復試驗和調整，提高環網柜的電氣性能。

1 分析

當前，環保型環網柜的開關本體有兩種布置方式，一種為母線側三工位開關布置方案，簡稱上隔離方案，如圖1所示；一種為線路側三工位開關布置方案，簡稱下隔離方案，如圖2所示。

圖1 母線側三工位開關方案

圖2 線路側三工位開關方案

電氣五防功能是電力生產安全的重要舉措之一，其設計原則是：凡是可能引起誤操作的電氣開關設備，均需安裝防誤裝置和防誤電氣閉鎖回路。根據電力安全五防聯鎖的相關規定，三工位開關機構和斷路器開關機構之間需要有互鎖功能，這一條規定不管是上隔離方案還是下隔離方案基本一致，三工位開關機構和斷路器開關機構之間互鎖裝置的差異性很小。

五防聯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時，工作人員才能打開電纜室門對電纜室進行安裝或維護。該條規定下兩種布置方案的聯鎖操作順序不同。對于上隔離方案，斷路器先分閘，三工位開關操作至接地狀態后，斷路器合閘，下出線回路同時接地，電纜隔室不帶電，這時可以打開電纜室門。對于下隔離方案，斷路器分閘，這時可以操作三工位開關，將三工位開關操作至接地狀態后，下出線回路接地，電纜隔室不帶電，這時可以打開電纜室門。

當額定電壓為12kV時，以空氣為絕緣介質的金屬封閉開關和控制設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的設備，需要考慮絕緣材料的老化和厚度，并按要求對其進行凝露試驗，試驗無問題則可以適當縮小空氣間隙要求距離。

2 結構設計

根據上述兩種開關本體的布置方案進行設計。

2.1 結構布置

母線側三工位開關本體如圖3所示，母線側三工位開關布置方案是將三工位開關放置于主開關上方，斷路器放置于主開關下方。線路側三工位開關本體如圖4所示，線路側三工位開關布置方案與現有的充氣環網柜主回路結構相同，即將三工位開關放置于主開關下方，斷路器放置于主開關上方。其中三工位開關安裝方向一致，最大的區別在于斷路器的方向不同，圖3所示的斷路器的動端朝下，圖4所示的斷路器的動端朝上。

圖3 母線側三工位開關本體

圖4 線路側三工位開關本體

由于柜體內的絕緣介質為干燥空氣，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的絕緣性能大約為SF6的1/3。所以在隔離開關的動觸頭分閘位置增加絕緣罩，使隔離開關被包覆在自身動作范圍的空間內，有效提高絕緣性能。在斷路器分合閘六方轉軸上，相與相、相對地之間增加絕緣傘裙，增加爬電距離。

將開關內導體用絕緣件包覆，使其成為一個結構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 結構分析

通過優化結構縮小空氣間隙來提高絕緣性能主要有三種實現方式：①改善導體形狀；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，適當增大圓角半徑、使用對稱電極結構，可以減小電場不均勻系數，提高耐受電壓。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。另外，為了增大導體之間、導體對地之間的表面爬電距離，選用自身帶傘裙和隔板的擴展連接件及進出線套管，分別如圖6和圖7所示。隔板可將導體連接部分的不均勻電場屏蔽在隔板包覆內部，有效優化開關電場，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 帶傘裙隔板側擴內錐套管

圖7 帶傘裙隔板進出線套管

3 驗證

綜上所述，裝配兩臺以干燥空氣為絕緣介質的環保柜樣機，樣機外形尺寸均為420mm×850mm× 1 600mm（寬×深×高），一臺為母線側三工位開關布置方案，如圖8所示；一臺為線路側三工位開關布置方案，如圖9所示。兩臺樣機均在零表壓下進行工頻耐壓試驗、雷電沖擊試驗和局部放電試驗。

氣箱內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

工頻耐壓試驗結果見表1。其中極限值為在試驗滿足要求的情況下驗證得到的裕度。

圖8 母線側三工位開關氣箱裝配

圖9 線路側三工位開關氣箱裝配

表1 工頻耐壓試驗結果

工頻耐壓試驗用于檢驗設備絕緣水平，避免發生絕緣事故，鑒定設備是否符合運行要求。在零表壓下進行規定值的工頻耐壓試驗，同時逐步驗證得到極限值，可滿足海拔高度在1000～1800m之間的運行條件。

3.2 雷電沖擊試驗

同樣，在進行雷電沖擊試驗時，極限值為在試驗滿足要求的情況下驗證得到的裕度。雷電沖擊試驗結果見表2。

表2 雷電沖擊試驗結果

雷電沖擊試驗目的是檢驗設備絕緣是否具有耐受雷電沖擊電壓的能力。在試驗過程中，按規定正極性和負極性各加壓15次，均無閃絡擊穿。在試驗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

局部放電試驗結果見表3。

表3 局部放電試驗結果

局部放電主要包括絕緣材料內部放電、表面放電和高壓電極尖端放電[11]。環保柜的允許最大局部放電量為20pC。樣機在試驗站進行相關整機型式試驗，工頻耐壓試驗與雷電沖擊試驗均滿足要求，其中試驗站局部放電檢測結果見表4。

表4 試驗站局部放電檢測結果

試驗結果＜10pC，試驗結果表明氣箱內部的絕緣件無明顯缺陷，開關整體無明顯尖端毛刺，導體連接處無接觸不良、無松動。

4 結論

本文所述的兩種不同布置方式的干燥空氣環保柜已設計完成，樣機已完成各項試驗，結論如下：1）兩種方案的五防聯鎖操作順序不同，但均能滿足防止誤入帶電間隔的要求，符合電力安全規范；2）通過改善導體形狀、增加絕緣隔板、增加傘裙可提高絕緣水平，可以有效增強絕緣性能，且在滿足各項試驗要求的基礎上保有一定裕度。

本文編自2021年第12期《電氣技術》，論文標題為“兩種布置方式的12kV環保型氣體絕緣環網柜設計”，作者為張麗強。