中压金属封闭开关设备的设计注意事项

中压金属封闭开关设备的设计注意事项浙江电力成套控股集团新世电器有限公司胡文臣摘要:本文着重叙述了中压开关成套设备在设计过程中，对开关设备性能影响比较大的几个主要方面的分析，从而找到中压开关柜在设计过程中，结合设备发展现装和元件的配合，来提高设计出符合实际需要，能够体现时代先进性的中压压开关柜性能，解决中压开关设备使用运行中的性能和安全以及维护等方面的问题，也从而找到中压开关柜的改进和提升方向，以及产品创新发展的新方向。关键词：中压开关柜设计要素，分类形式，安全要素，发展和创新中压压开关设备是电力设备的重要组成部分，是电力工业的重要输配电设备，与国民经济和社会发展关系密切。也是使用最广泛的成套设备，改革开放以来，我国中压开关设备制造和使用量迅速上升。取得了重大的成就,3.6~40.5kV电压领域集中了很多型号的的产品，国家标准GB3906就是针对这一系列产品的设计制造和生产检测的最基础的依据，但是实际上，由于生产厂家的自身的设备，人员能力，企业的质量控制，和对标准的认知程度以及对产品的把握等方面存在着不同方面层次的问题，导致中压开关柜实际事故频发，不能满足使用和安全等要求。中低压开关设备制造业面临的新的挑战，同时新的GB3906-2006对设备用电连续性的强调，而不是以往对外观结构类型的关注，更体现了设备设计的不同要求，同时我国也在积极推广24KV电网的建设和相关设备的设计生产。中压开关柜是使用极广、数量众多的开关设备，在诸多性质的开关柜设计和使用中发生的故障和事故中，绝缘事故多发生于10kV及以上电压等级，造成的后果也很严重。特别是手车车式开关柜，绝缘事故率更高，而且往往一台出现事故，殃及邻柜的现象更为突出，而同时事故发生前同时伴有温升超标，接地保护达不到要求等问题。开关设备标准上按柜内主元件的安装方式及柜体主结构可分为固定式和移开式两类，又可分为铠装式、间隔式和箱式。随着开关设备无油化的进程，近年来以真空断路器为主开关的真空断路器柜成为主流，随着国外技术的引进，SF6开关的国产化的发展，此类开关成套设别也有了长足的发展。原来一些产品如GG-1A等柜型由于不符合现行标准而趋于淘汰。国内出现了多种自主开发或引进产品，技术水平有了很大的提高，结构上中置式可移开（手车）式开关柜成为主流，如国产的KYN28-12、KGN61,ABB的ZS1，施耐德的MVNIX,等。中置式产品以KYN28为例，即有手车式产品体积小，运行维护方便的，操作简便的优点，与以前的落地式手车（如KYN1，JYN2等），手车至于柜中部，受地面基础不平的影响小，手车体积小，制造精度高，使车柜配合好，互换性得到很好的保证。柜体的结构上更多的采用组装式结构，材料采用更优质和防腐更好的敷铝锌板等，部件经过数控加工成型，组装成规范柜体，与传统的焊接柜体相比变形小，精度高，外观漂亮和结构灵活，提高了柜体的使用性和安全性，同时提高了适用和生产的效率和变动要求。同时随着产品的需求的增加，厂家的增多，相关产品的专业化程度不断提高，行业分工也更加明确，出现了柜体、绝缘件、配件等专业的生产厂，企业不在是全而工艺配合性差，而是把精力放在自己的经营优势上。这都促进了行业的发展，出现了许多专业化新兴企业。目前新的产品设计水平和质量都有较大提高，但一些老产品和一些厂家在生产（这些厂家通常规模小，技术能力低），或多或少存在一些问题，如不符合有关标准的安全要求，对这样的产品部分可以加以改进，以满足用户的要求，对一些不具改进价值的产品应予以淘汰。一些进口设备不附合现行国内标准，如电气间隙和爬电距离不够，结构不符合要求，这都给电力设备的安全运行带来隐患。产品的设计应符合有关的国家标准和行业标准，如GB3906-2006、GB/T11022、GB311,DL404、DL/T593等等。同时应更多的借鉴国外的先进产品和成熟经验.金属封闭开关设备的设计，应使得正常运行、监视和维护工作能完全方便地进行。维护工作包括：元件的检修、试验、故障的寻找和处理。对于额定参数和结构相同而需要替代的元件应能互换。对于具有可移开部件的金属封闭开关设备，如果可移开部件的额定参数和结构相同，则应能互换。如果可移开部件具有几种额定参数，且在金属封闭开关设备中是可以互换的，那么可移开部件与固定部分的任何组合，都应具有该设备固定部分的额定绝缘水平。现就开关柜设计上应注意的几个方面简述如下：（1）外壳的设计除观察窗外，外壳应是金属的，至少要满足GB/T11022表6中的IP2X防护等级，为了确保防护，还应符合从外壳的金属件到规定的接地点通过30A（DC）时，其电压降最大为3V。对于铠装柜，IEC与IEEE定义不同，IEC标准中不要求母线室间有隔板，柜间可贯通，而IEEE和ANSI标准要求，母线室柜间有金属隔板分隔，这比较合理，这可以减少受故障影响的范围，同时观察窗设计要考虑爆裂对人体伤害的防护以及电磁屏蔽的设计。作为外壳一部分的盖板和门应是金属的，不应使用网状的金属编制物、拉制的金属及类似材料。盖板和门根据需要进入高压隔室的不同情况，分为两类：a.一类是在正常操作和维护时不需要打开的盖板（固定盖板），打开要使用工具（否则不能打开）。b.对正常操作和维护时需要打开的盖板（可移开的盖板、门），打开或移动此类盖板时，应不需要使用工具。目前，很多开关柜的后面采用固定封板的形式（a类），多少有些牵强。观察窗至少应达到外壳规定的防护等级，KYN28等产品采用防爆玻璃作为观察窗，而一些老产品采用有机玻璃材料，在电弧故障下可能熔化，造成对操作人员的伤害。观察窗的位置应能观察到隔离断口、开关的位置和状态等。同时观察窗设计要考虑电磁屏蔽的设计通风窗和排气口的布置或防护，应使它们具有与外壳相同的防护等级。通风窗可以使用网状编织物或类似的材料制造，但应具有足够的机械强度。同时a.外壳应有足够的机械强度，使得装在外壳内的开关、操动机构及其化元件具有它们原来的机械特性和电气性能。b.如果外壳内装有油浸式变压器等类似元件，当发生故障时，它不应影响相邻设备，在运行中也应便于巡视、检查。（2）隔板和活门隔板和活门至少应达到IP2X，应采用套管或其它等效方法使导体穿过隔板以满足要求的防护等级。隔板和活门可以是金属的，也可以是绝缘材料的。如果活门要成为外壳的一部分，它必须是金属的并接地。如果在接地位置、试验位置、断开位置和移开位置设有能够关闭的门，则门后的活门不认为是外壳的一部分。在KYN28柜大电流时有采用绝缘活门，西门子的Nxair铠装柜也有采用绝缘活门，这符合IEC标准和GB3906，但不符合IEEE标准（该标准要求铠装柜应具有金属活门）。在金属封闭开关设备中，为了提高相间和相对地间的绝缘水平加设的绝缘板，应有足够的机械强度和电气强度,并具有良好的抗老化性能和阻燃性（可采用某些涂料来实现）。它的设置仍应保证相间和相对地间有较大的空气距离（例如：额定电压为10kV时，空气净距离不小于60mm，相间绝缘板应设置在中间位置），否则，由于电场强度的影响，将使绝缘板很快破坏。主回路元件，为了保证相间、相对地间的绝缘，都装有各种不同的绝缘结构件，这些绝缘件除了应满足相应的绝缘水平外，还应具有一定的爬电比距。对于正常环境条件使用的10kV金属封闭开关设备，推荐的爬电比距为：瓷绝缘――爬电比距不小于12mm/kV有机绝缘――爬电比距不小于14mm/kV（3）主回路的设计主回路的导体和串联的元件，应考虑该回路各元件参数的配合和该功能单元所规定的额定电流和动、热稳定电流。功能单元额定热稳定电流取决于功能单元内主回路中具有最小的热稳定电流的元件。合理地选择元件和母线规格，即要考虑到经济性又要满足正常工作及动、热稳定的要求。主母线的制作应符合GBJ149-90的规定。母线的颜色和相序应符合规定要求。详见GBJ149-90有关规定。（4）绝缘配合，电气距离和爬电距离10kv电气间隙(相间，相对地)≥125mm导体至无孔遮栏≥155mm复合绝缘使用绝缘板时，空气净距不小于60mm，带电体至绝缘板的空气净距小得小于30mm。爬电距离≥240mm（II级污秽有机绝缘）*某些要求标准有可能更高。（5）联锁的要求为了保证可靠的运行和操作者的安全，金属封闭开关设备应满足五防联锁的要求：防止带负荷分、合隔离开关（隔离插头）；防止误分合断路器、负荷开关、接触器（允许提示性）；防止带接地线合断路器和负荷开关等；防止带电合接地开关；防止误入带电间隔。除防止“误分、合断路器”可采用提示性的措施外，其他四防应采用强制性闭锁，闭锁装置应保证规定的程序操作，并确保人员在操作开关柜时的安全。闭锁装置应优先采用机械闭锁，采用电气闭锁方案时，闭锁元件的电源应与继电保护回路分开。各种闭锁装置应有专用解锁工具，非专用工具不得解锁。固定式开关柜采用隔离开关和断路器方案时，机构的设计应能保证操作的顺序，即送电时先合电源侧隔离开关，后合负荷侧隔离开关，再合断路器。停电时，先分断路器，后分负荷侧隔离开关，再分电源侧隔离。这主要是考虑到一旦发生误操作，误分、合的隔离开关能在断路器的保护范围之内。对于有可能存在倒送电时，应有防止倒送电的措施，如设置带电显示装置和强制闭锁电磁铁（锁），在电缆侧有电时，防止误合接地开关。同时，只有当隔室的元件不带电并且接地（如果有的话）的情况下，隔室的门、盖板才能开启，若安装联锁不方便允许使用挂锁。若接地开关的短路关合能力小于该回路的额定动稳定电流时，建议与有关的隔离开关之间加装联锁。对于那些因误操作可能引起损坏，或用于建立保证检修工作安全的隔离断口的主回路元件，应装设锁定装置。在设计时，应优先考虑机械联锁。（6）接地1.接地回路的短时耐受电流取决于系统中性点的接地方式。主回路的接地为了确保维护时人员安全，规定或需要触及的主回路中的所有部件都应接地（不包括可移开部件，与设备分离后不再带电）。外壳的接地应设一个单独的接地导体（接地排）其电流密度在规定的接地故障发生时不应超过200A/mm2，其截面不得小于30mm2，该接地导体应设有与接地系统相连的接线端子。每个功能单元的外壳都应连接到这个接地导体，通过框架、盖板、门、隔板或其他构件的电气连续性确保功能单元的内部连接。高压隔室的门应采用适当的措施连接到框架（采用不小于4mm2的裸铜线）。接地装置的接地连接到接地开关的软导线不得小于50mm2。可抽出部件的接地和可移开部件的接地通常可移开部件或可抽出部件在试验位置、隔离位置、工作位置及中间位置就保持接地。接地的载流能力不小于对外壳的要求（30A（DC）时压降不大于3V）（7）压力释放通道的设置应设置压力释放装置，以减小内部故障的危害。压力通道在故障时应能打开。有的厂家在设计母线桥时，没有考虑到压力释放装置，导致故障时不能打开，扩大了电弧事故。建议结构做以改进，将压力释放通道延伸到母线桥之上，内部故障时桥上盖板的可以打开。在母线桥上做分隔（加隔板和套管），使故障不会传递到邻近设备。（8）防护等级防护等级是对人体触电安全事故和异物进入导致的短路事故的有效防范，一定要按标准的规定设计制造，同时要考虑设备的使用维护环境。（9）其他关于熔断器手车的问题，在中置柜中许多设计单位选用熔芯手车来保护站用变压器，但熔芯手车的隔离插头没有断弧能力，有可能造成误分、误合事故，而且手车的分、合是靠人力完成的，很容易因误操作。最常规的做法是加上闭锁，有主母线有电时都不能操作，但更换熔芯就有些困难，要本段母线停电后。现在有些厂把熔芯手车改为负荷开关，效果很好。