12kV等級(jí)的開(kāi)關(guān)柜在中國(guó)的配電網(wǎng)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位,而環(huán)保型充氣柜因其綠色環(huán)保的性能優(yōu)勢(shì)和逐漸成熟的技術(shù)指標(biāo)成為環(huán)網(wǎng)柜領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。環(huán)保型充氣柜保留了常規(guī)環(huán)網(wǎng)柜產(chǎn)品的框架結(jié)構(gòu),同時(shí)將干燥空氣作為絕緣介質(zhì)。
環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)與常規(guī)環(huán)網(wǎng)柜相同,主要包括真空開(kāi)關(guān)和三工位隔離開(kāi)關(guān),兩種開(kāi)關(guān)的安裝位置不同派生出兩種柜型,兩種柜型的差異導(dǎo)致柜體在設(shè)計(jì)和安裝時(shí)的布置和操作順序不同,尤其是在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)與電纜室門(mén)的安全聯(lián)鎖時(shí),必須滿(mǎn)足電力安全工作規(guī)范和相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。
本文對(duì)兩種柜型聯(lián)鎖操作過(guò)程的不同進(jìn)行簡(jiǎn)要對(duì)比,設(shè)計(jì)兩種以干燥空氣為絕緣介質(zhì)的環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜,通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和調(diào)整,提高環(huán)網(wǎng)柜的電氣性能。
當(dāng)前,環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜的開(kāi)關(guān)本體有兩種布置方式,一種為母線(xiàn)側(cè)三工位開(kāi)關(guān)布置方案,簡(jiǎn)稱(chēng)上隔離方案,如圖1所示;一種為線(xiàn)路側(cè)三工位開(kāi)關(guān)布置方案,簡(jiǎn)稱(chēng)下隔離方案,如圖2所示。
圖1 母線(xiàn)側(cè)三工位開(kāi)關(guān)方案
圖2 線(xiàn)路側(cè)三工位開(kāi)關(guān)方案
電氣五防功能是電力生產(chǎn)安全的重要舉措之一,其設(shè)計(jì)原則是:凡是可能引起誤操作的電氣開(kāi)關(guān)設(shè)備,均需安裝防誤裝置和防誤電氣閉鎖回路。根據(jù)電力安全五防聯(lián)鎖的相關(guān)規(guī)定,三工位開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)和斷路器開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)之間需要有互鎖功能,這一條規(guī)定不管是上隔離方案還是下隔離方案基本一致,三工位開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)和斷路器開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)之間互鎖裝置的差異性很小。
五防聯(lián)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(tài)時(shí),工作人員才能打開(kāi)電纜室門(mén)對(duì)電纜室進(jìn)行安裝或維護(hù)。該條規(guī)定下兩種布置方案的聯(lián)鎖操作順序不同。對(duì)于上隔離方案,斷路器先分閘,三工位開(kāi)關(guān)操作至接地狀態(tài)后,斷路器合閘,下出線(xiàn)回路同時(shí)接地,電纜隔室不帶電,這時(shí)可以打開(kāi)電纜室門(mén)。對(duì)于下隔離方案,斷路器分閘,這時(shí)可以操作三工位開(kāi)關(guān),將三工位開(kāi)關(guān)操作至接地狀態(tài)后,下出線(xiàn)回路接地,電纜隔室不帶電,這時(shí)可以打開(kāi)電纜室門(mén)。
當(dāng)額定電壓為12kV時(shí),以空氣為絕緣介質(zhì)的金屬封閉開(kāi)關(guān)和控制設(shè)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(zhì)的設(shè)備,需要考慮絕緣材料的老化和厚度,并按要求對(duì)其進(jìn)行凝露試驗(yàn),試驗(yàn)無(wú)問(wèn)題則可以適當(dāng)縮小空氣間隙要求距離。
根據(jù)上述兩種開(kāi)關(guān)本體的布置方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.1 結(jié)構(gòu)布置
母線(xiàn)側(cè)三工位開(kāi)關(guān)本體如圖3所示,母線(xiàn)側(cè)三工位開(kāi)關(guān)布置方案是將三工位開(kāi)關(guān)放置于主開(kāi)關(guān)上方,斷路器放置于主開(kāi)關(guān)下方。線(xiàn)路側(cè)三工位開(kāi)關(guān)本體如圖4所示,線(xiàn)路側(cè)三工位開(kāi)關(guān)布置方案與現(xiàn)有的充氣環(huán)網(wǎng)柜主回路結(jié)構(gòu)相同,即將三工位開(kāi)關(guān)放置于主開(kāi)關(guān)下方,斷路器放置于主開(kāi)關(guān)上方。其中三工位開(kāi)關(guān)安裝方向一致,最大的區(qū)別在于斷路器的方向不同,圖3所示的斷路器的動(dòng)端朝下,圖4所示的斷路器的動(dòng)端朝上。
圖3 母線(xiàn)側(cè)三工位開(kāi)關(guān)本體
圖4 線(xiàn)路側(cè)三工位開(kāi)關(guān)本體
由于柜體內(nèi)的絕緣介質(zhì)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(zhì)的絕緣性能大約為SF6的1/3。所以在隔離開(kāi)關(guān)的動(dòng)觸頭分閘位置增加絕緣罩,使隔離開(kāi)關(guān)被包覆在自身動(dòng)作范圍的空間內(nèi),有效提高絕緣性能。在斷路器分合閘六方轉(zhuǎn)軸上,相與相、相對(duì)地之間增加絕緣傘裙,增加爬電距離。
將開(kāi)關(guān)內(nèi)導(dǎo)體用絕緣件包覆,使其成為一個(gè)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分析
通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)縮小空氣間隙來(lái)提高絕緣性能主要有三種實(shí)現(xiàn)方式:①改善導(dǎo)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(dāng)增大圓角半徑、使用對(duì)稱(chēng)電極結(jié)構(gòu),可以減小電場(chǎng)不均勻系數(shù),提高耐受電壓。因此,母線(xiàn)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(xiàn)銅排
在極不均勻的電場(chǎng)中,在適當(dāng)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(dǎo)體之間、導(dǎo)體對(duì)地之間的表面爬電距離,選用自身帶傘裙和隔板的擴(kuò)展連接件及進(jìn)出線(xiàn)套管,分別如圖6和圖7所示。隔板可將導(dǎo)體連接部分的不均勻電場(chǎng)屏蔽在隔板包覆內(nèi)部,有效優(yōu)化開(kāi)關(guān)電場(chǎng),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(cè)擴(kuò)內(nèi)錐套管
圖7 帶傘裙隔板進(jìn)出線(xiàn)套管
綜上所述,裝配兩臺(tái)以干燥空氣為絕緣介質(zhì)的環(huán)保柜樣機(jī),樣機(jī)外形尺寸均為420mm×850mm× 1 600mm(寬×深×高),一臺(tái)為母線(xiàn)側(cè)三工位開(kāi)關(guān)布置方案,如圖8所示;一臺(tái)為線(xiàn)路側(cè)三工位開(kāi)關(guān)布置方案,如圖9所示。兩臺(tái)樣機(jī)均在零表壓下進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)、雷電沖擊試驗(yàn)和局部放電試驗(yàn)。
氣箱內(nèi)測(cè)得最小空氣間隙為出線(xiàn)母線(xiàn)對(duì)地的垂直距離82.5mm,隔離斷口為100mm±5mm。
3.1 工頻耐壓試驗(yàn)
工頻耐壓試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。其中極限值為在試驗(yàn)滿(mǎn)足要求的情況下驗(yàn)證得到的裕度。
圖8 母線(xiàn)側(cè)三工位開(kāi)關(guān)氣箱裝配
圖9 線(xiàn)路側(cè)三工位開(kāi)關(guān)氣箱裝配
表1 工頻耐壓試驗(yàn)結(jié)果
工頻耐壓試驗(yàn)用于檢驗(yàn)設(shè)備絕緣水平,避免發(fā)生絕緣事故,鑒定設(shè)備是否符合運(yùn)行要求。在零表壓下進(jìn)行規(guī)定值的工頻耐壓試驗(yàn),同時(shí)逐步驗(yàn)證得到極限值,可滿(mǎn)足海拔高度在1000~1800m之間的運(yùn)行條件。
3.2 雷電沖擊試驗(yàn)
同樣,在進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)時(shí),極限值為在試驗(yàn)滿(mǎn)足要求的情況下驗(yàn)證得到的裕度。雷電沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 雷電沖擊試驗(yàn)結(jié)果
雷電沖擊試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)設(shè)備絕緣是否具有耐受雷電沖擊電壓的能力。在試驗(yàn)過(guò)程中,按規(guī)定正極性和負(fù)極性各加壓15次,均無(wú)閃絡(luò)擊穿。在試驗(yàn)已滿(mǎn)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(yàn)
局部放電試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 局部放電試驗(yàn)結(jié)果
局部放電主要包括絕緣材料內(nèi)部放電、表面放電和高壓電極尖端放電[11]。環(huán)保柜的允許最大局部放電量為20pC。樣機(jī)在試驗(yàn)站進(jìn)行相關(guān)整機(jī)型式試驗(yàn),工頻耐壓試驗(yàn)與雷電沖擊試驗(yàn)均滿(mǎn)足要求,其中試驗(yàn)站局部放電檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 試驗(yàn)站局部放電檢測(cè)結(jié)果
試驗(yàn)結(jié)果<10pC,試驗(yàn)結(jié)果表明氣箱內(nèi)部的絕緣件無(wú)明顯缺陷,開(kāi)關(guān)整體無(wú)明顯尖端毛刺,導(dǎo)體連接處無(wú)接觸不良、無(wú)松動(dòng)。
本文所述的兩種不同布置方式的干燥空氣環(huán)保柜已設(shè)計(jì)完成,樣機(jī)已完成各項(xiàng)試驗(yàn),結(jié)論如下:1)兩種方案的五防聯(lián)鎖操作順序不同,但均能滿(mǎn)足防止誤入帶電間隔的要求,符合電力安全規(guī)范;2)通過(guò)改善導(dǎo)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(qiáng)絕緣性能,且在滿(mǎn)足各項(xiàng)試驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上保有一定裕度。
本文編自2021年第12期《電氣技術(shù)》,論文標(biāo)題為“兩種布置方式的12kV環(huán)保型氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜設(shè)計(jì)”,作者為張麗強(qiáng)。