探析10kV高压开关柜结构设计

探析10kV高压开关柜结构设计

发表时间：2019-08-21T16:33:17.993Z 来源：《河南电力》2018年24期作者：翁叶锋

[导读] 结合长期运行经验来看，目前国内市场 10kV 配电系统高压开关柜多为八十年代设计的柜体结构和电气布置方式，由于现代电气设备更新较快，显露出了现有的开关柜设计中存在的缺陷，设备在安装、运行以及维护时，也会受到实际操作环境和其他因素的影响，严重影响了设备的正常运行，制约了供电可靠性的提升。

翁叶锋

（广东中兴电器开关股份有限公司）

摘要：结合长期运行经验来看，目前国内市场 10kV 配电系统高压开关柜多为八十年代设计的柜体结构和电气布置方式，由于现代电气设备更新较快，显露出了现有的开关柜设计中存在的缺陷，设备在安装、运行以及维护时，也会受到实际操作环境和其他因素的影响，严重影响了设备的正常运行，制约了供电可靠性的提升。本文主要针对上述开关柜现存的问题，结合具体实例对开关柜的结构设计进行分析，设计一种新型高压开关柜，有效提升高压开关柜的供电可靠性，希望对相关工作人员提供一些参考和建议。

关键词：10kV；高压开关柜；结构设计

引言

开关柜作为一种金属封闭式的开关电力设备，在我国应用十分广泛。高压金属封闭开关设备集负荷开关、隔离开关、互感器、电容器、避雷器、断路器、接触器、熔断器、母线以及相应的二次设备如控制、连锁、保护、监测、通信装置等于一个长方柜形的金属外壳内，变为一种组合式电器，这样不仅减少了这些电力设备占地面积和所占的空间，还相应地提高了变电站的效率，设备在运行情况下也会有更多的安全保障，极大程度上提高了经济效益。高压金属封闭开关设备的功能见表1。

表1 高压金属封闭开关设备的功能

1传统开关柜存在的问题分析

高压开关柜是电网中的重要设备，但由于其设计年代久远，在实际运行中暴露出较多问题和不足，是制约供电可靠性提升的重要影响因素之一。图 1为目前常见的 10k V 小车式开关柜实物图。对此种开关柜进行结构分析与研究，总结出以下几点问题与不足之处。

图1 典型 10k V 小车式开关柜

开关柜发生故障后无法快速隔离和恢复供电。单一柜体故障容易影响相邻或整段母线停电，损毁相关二次回路、交直流回路，从而扩大了影响范围大，修复时间长，将造成重大社会影响。

开关柜进行检修维护、消缺需要停电。日常检修维护（特别是母线检修维护），存在停电时间长、影响范围大的情况；更换电流互感器、防潮加热板等柜内元器件时，需要停电作业；红外、局放等检测异常时，需要停电检查。

负荷无法在各段母线之间灵活调整。存在一主变重过载运行时不能快速将某一馈线负荷及时转至另一台轻载主变供电的局限，经济运行无法保证。

柜体通风散热效果不佳。柜体及母线室普遍空间过小，不利于通风散热，易导致柜体发热严重；特别是运行大电流时，柜内温升普遍超过 70K 的国标要求，容易导致绝缘子、绝缘护套因高温损坏。

2新型开关柜整体结构设计

针对以上总结的开关柜结构的不足之处，本文研发一种基于模块化的新型高压开关柜，从而提升高压开关柜的供电可靠性。根据需求，本文共设计了 3 种模块化新型开关柜的结构形式方案，主柜由仪表室模块，断路器模块，母线模块组成。如图 2所示。

图2 新型高压开关柜结构型式设计三种设计方案具体如图 3-5 所示：

图 3 新型高压开关柜结构 CAD 图方案一

图4 新型高压开关柜结构 CAD 图方案二

图 5 新型高压开关柜结构 CAD 图方案三从上述的三个方案中，考虑实际应用需要、经济性，确定方案一为最终的开关柜设计样式。方案一主柜与副柜之间的距离为1237mm，主柜开关室为断路器，副柜（备用模块）为隔离开关。方案二主柜与副柜之间的距离为 156mm，主柜开关室为断路器，副柜（备用模块）为隔离开关。方案三主柜与副柜之间的距离为1237mm，主柜开关室为断路器，副柜（备用模块）为断路器。除此之外，三种方案设计均相同。

与方案二相比，方案一中的主柜与副柜距离足够大，虽然占地面积更大，但其在故障发生时能够快速隔离故障，同时不影响相邻柜体及母线，有效缩小故障的影响范围，同时足够的距离使得开关柜散热面积扩大，柜体内外的热交换大大加强。采用强制风冷等技术，实现开关柜在正常工作情况下，柜内温升现象出现有效减低，在 1.1 倍额定工作电流情况下导体温升显著低于南网标准。

与方案三相比，方案一中的副柜备用部分开关选用的为隔离开关，较方案三中的断路器经济性上更好。且副柜为检修时所用的备用接线，在可靠性上，方案一已满足要求。 3各模块组成母线模块：所谓的母线模块便是母线室内安装主母线和支母线，主母线的布置方式为一字形竖直，这样的母线可以借助依靠柜间穿墙套管的支撑而牢牢地固定住。为了达到目的，需要重新设计母线走向以保证绝缘水平达到标准要求。此外通过新型柜体及管状母线的优化设计及通风散热装置，降低母线室温升。控制模块：以插座的形式改进二次回路的连接方式，实现器件的快速替换，实现开关柜故障隔离和复电。

开关模块：实现不停电更换元器件的要求，解决元器件故障更换造成停电时间长的不足。

备用母线模块：当主母线检修时，利用备用母线供电，不影响馈线供电。提高了开关柜工作的可靠性。备用母线隔离刀闸则用来连接备用母线及馈线。

CT 模块：实现不停电更换元器件，快速更换故障元器件造成停电时间长的问题，保证供电可靠性。 4新型开关柜内部设计

对应图 3方案一中的开关柜整体结构图，对其内部连接、位置等作出如下的设计：

（一）开关柜 4、5 泄压通道应保证 250 的预留空间；副柜泄压通道，两泄压通道隔板，冲泄压孔，泄压通道共用。

（二）开关柜 6、7 电缆接地端的位置设计，主柜电缆室预留挂接地线位置，副柜出线电缆设置接地开关；副柜进出线电缆不要交叉，位置要调整；检修时应

有明显断开点。

（三）开关柜 7 穿墙套管的形式发热严重，考虑设计一体式开放触头盒，保证绝缘安全爬电距离足够的情况下可减少触头发热；取消上触头盒，设置新的绝缘方式，例如采用绝缘子支撑、开放动静触头，来解决散热问题。同时，可以预留检测位置。

（四）开关柜 1、7 外柜门设计双层结构，新增可视化观察窗（触头测温点）开关柜观察窗采用双门设置，外门防护，内门做观察窗，观察柜内状况。

（五）开关柜 2 模块化设计（航空插的稳定性和可靠性），二次回路拟采用

分类航空插设计；二次线采用航空插件，二次线按不同分类分接不同插件，如控制线、电流线、电压线等。

（六）开关柜 2、3 与 1、7 与 4、5、6 的三分模块化设计思路，采用模块间螺栓锁定形式，断路器手车采用电动操作，保证可靠性。

（七）活门机构不采用与断路器手车联动，设计新活门机构独立手动操作。

（八）开关柜 5 副柜隔离开关，采用 GN22 的结构形式，设计新型隔离开关，隔离开关采用双动触头，双动触头固定在同一绝缘子支柱并连接出线电缆；采用双静触头，一连接到备用母线，一连接到进行电缆。主备母线切换操作：合备用母线隔离开关，分主柜断路器，分副柜进行电缆隔离开关，验电，挂主柜电缆室接地线，主柜检修。

（九）备主母线切换操作：取主柜电缆室接地线，合副柜进行电缆隔离开关，合主柜断路器，分备用母线隔离开关。实现不停电检修主柜设备。

（十）开关柜 5 刀闸的选型应用，设计满足 1250A 通流能力（触指式、分离式、GN22 型三工位的可靠性、双刀闸形式）本次讨论难点创新点；依照隔离开关功能，设计开发其他操作形式的隔离开关，如上下管式运动的隔离开关等。重点考虑安全、可靠性的条件下满足设计应用需求。

一体式触头盒设计。传统开关柜中的变压器和接触盒作为独立的部件，变压器安装在柜体的后下部框架处，接触器则安装到柜体的中间隔板上。由于传统的热收缩套管和绝缘板在恶劣天气时容易遭受雷电流冲击，普通绝缘的材料耐雷水平较低，很难在雷电冲击的情况下不被击穿。针对这些问题，本文创新性地提出了一种集成变压器接触盒的设计方案以及一种新的电流互感器结构设计，在原来的开关柜基础上增加了静触头和接触盒，两者均采用耐高温的复合绝缘材料—双酚 A 型聚合物，这种聚合物是经由 APG 工艺是注塑成型的，如图 3.7所示。通过各种实践证实，该产品的各种工艺参数均稳定良好，不仅是表面部分还是内应力部分均控制得当，整体强度优异，性价比超高。

5结束语

10k V 开关柜在配电网扮演着重要角色，但其由于其设计制造过程中工艺不完善、设备安装运行环境恶劣等因素，事故率一直维持在一个较高的水平。为了保障设备的正常运行，本文在分析 10k V 开关柜结构设计的基础上设计一种新型的高压开关柜，对其内外结构和设计进行了详细的介绍，希望能对国家电力事业尽一份力量。

参考文献：

[1]沈霞.10kV配电系统高压开关柜结构设计改进[J].科技展望，2016，26（27）：91.

[2]叶剑涛.6～10kV配电系统高压开关柜结构设计的改进对策[J].企业技术开发，2016，35（20）：23-24.

[3]游婉娜.浅谈10kV高压开关柜结构设计问题与探讨[J].科技展望，2015，25（26）：133.

[4]黄晓波.浅谈10kV高压开关柜结构设计问题探讨[J].科技创新导报，2013（20）：52-53.