浅谈10kV高压开关柜设计的几点体会

10kV高压开关柜在电力系统中有的应用非常广泛，为了满足各个 客户对高压开关柜的不同的需求，我们会按照客户的需求来订做，在这 个行业工作多年，也真正理解了相关的国家法律法规以及国家出台的相 关的标准及设计要求。以下是设计生涯中的一些体会，希望能够和大家 一起进步。
1 系统的介绍 10kV高压开关柜的电力系统相对来说并不是非常的复杂，主要是 将发电厂、变电所、配电线以及终端的用户连接成一个整体，走线方式 按照国家电力相关法规也有一定的方式，通场是分为单双电源方式，旁 路母线方式等，当然出于篇幅的考虑，本文只对几种常见的走线方式略 微探讨，不做展开。 1.1 电力系统的结构 电力系统的组成包括发电厂、变电站、配电线以及终端的用户， 他们连接成了一个整体。由输配电线路以及与之相连的各个变电站称之 为电力网络。电力系统的走线方式也需要注意几个方面的问题：满足系 统各方面的要求有其是可靠性要求、能够适应多种运行方式、在运行时 节约为先，建设电网或是运行时都需要考虑经济效益。 1.2 电力系统的走线方式 在电力系统中比较常用的接线方式有以下四种方式：1） 单电源方 式。即一段母线只有一个电源进线，单电源方式若在电源端出现故障， 则整个系统就无法正常运行，对于这个系统要求电源进线的高可靠性， 同时也要求该系统应对整个负载的影响很小，即使出了故障，所造成的 损失也不大；2） 双电源方式。其中双电源方式又分为两种，双电源方 式 1 中，一段母线有两个电源进线，即工作和备用两个电源，两个电源 之间是电气闭锁的，可以自动也可以手动切换，备用电源可在工作电源 出现故障后投入使用，以保证连续供电的要求；双电源方式 2 中，有两 段母线，且每段母线都有一个电源进线，两个母线之间由分段断路器、 联络柜连接，进线、分段间是电气闭锁的，每三个间隔有且仅有两个间 隔同时使用；3） 旁路母线方式，即在一个一台载荷只有一根出线送电 时，一旦该出线出现了故障，则旁路母线上的出线立即启用给该载荷送 电；4） 双母线方式，双母线方式的运行于旁路母线相似，但是双母线 方式中工作母线和备用母线都配备了各自对应的电源进线。 2 开关柜的结构 开关柜常用的结构为组装式。因为组装式开关柜在改变结构或是 方案时比较容易，只需要有针对性地改变几个小的零部件，即可达到改 变方案的目的。一般的 10KV的开关柜包括 5 个小室即断路器室、电缆 室、仪表室、小母线室，五个小室之间是相互独立的，但又有着紧密的 联系。在开关柜的一次元件布置时，应既考虑安全，也要考虑经济合 理。 2.1 一次方案的实现 一次方案能否实现，首先要考虑到一次元件能否在结构中布置于 安装，在安装时要同时考虑一次元件安装时的结构强度和其所承受的 动、热值，同时也要满足电器方面的要求，如绝缘距离、工频耐压要 求。一次元件主要包括断路器、互感器、接地开关、避雷器、熔断器、 电容器、变压器、接触器等。 2.2 开关柜的五小室
3.4 防护等级 设计中我们应该设计几级的防护等级，这样可以防止人体接近或 接触高压带电部分，同时在设计过程中，我们也要注意，并不是防护等 级越高越好，因为防护等级越高，生产的成本也越高，整体的散热性能 也变差，所以一般地我们将防护等级设置在 IP3X和 IP4X。由于这些开 关柜都是常用的设备，所以对其的安全防护必须做到滴水不漏，因为一 旦发生事故，电是无情的。10KV高压开关柜属于高压带电设备，为了 防止人体接近高压开关柜的高压带电部分和触及运动部分，在设计开关 柜时，对于 10KV固定式开关柜必须满足防护等级 IP3X的要求，移开 式开关柜必须满足防护等级 IP4X的要求。 3.5 温度的变化 10KV高压开关柜所承受的电流强度比较大，一般最高所能承受的 为 4000A 的工作电流，前面已经介绍到的，开关柜中的一次元件一般 都处于一个封闭的柜中，通过电流时会产生大量的热，很难散发到柜 外，所以柜内的温度一般地都很高，若是达到了元件所能承受的最高温 度时，就又可能损坏各个一次元件，造成不可想象的事故。 为解决装一次元件的柜中的温度的过高，我们必须改进工艺，可 以在电气连接面上涂上导电膏、镀锡等降温材料，同时加强制造过程的 质量把关，避免因为制造的不过关而引起事故。每一种防护材料对于温 度的要求不同，要通过环境的精秘测量和对开关柜的设计上的配合使得 防护材料的选择不出问题。 10KV高压开关柜的设计要求在国家相关标准的发布中已经做了很 多的规定，包括所用材料和绝缘体的设备要求等等，这些设备任何大型 的带有发电装置的地方都用得着，所以对其安全防护的要求也就特别的 高。要始终将电的安全放在设计的第一位，在设计中充分考虑到线路的 走向，以最好的最节省的资源的方式达到最好的效果是不容易的，但是 只要不断地钻研，笔者相信我们还是能够有所改进的。 综合所述，在实际的工作中，我们可以体会到开关柜在设计生产 中有很多我们料想不到的问题，都需要我们去钻研，某些问题我们也无 法真正地用纯理论去分析，只能靠我们在实际的工作中积累经验，以探 索更加高效经济的方法。社会发展的正是如此，需要我们在不断的实际 工作中积累经验。
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浅谈 10kV 高压开关柜设计的几点体会
宋传山 1 杨晓青 2
（1.江苏省南京市合纵电力设备有限公司，江苏南京 210042； 2.江苏省南京市宏桥电气产品经营管理有限公司，江苏南京 210030）
[摘 要] 本文在简单介绍电力系统结线方式和开关柜结构的基础上了，探讨了 l0kV 高压开关柜设计中的一些问题，例如绝缘间距、爬电间 距、防护等，希望对开关柜的设计工作有所借鉴，对电力行业的进步发展有所推动。 [关键词] 电力系统；高压开关柜；设计
本文前面已介绍到开关柜有五个小室，一下是五个小室的详细介 绍。
断路器室：断路器有固定式和手车式两种安装方式，将分支母线 直接与断路器的上下出现像连接的安装方式为固定式安装；手车式安装 又成为移开式安装，在这种安装方式中母线与手车的连接时通过一个隔 离插头连接的。手车与开关柜有实验、运行、移开三个相对位置。
母线室：母线室里中是有许多间隔的小室组成，这些小室都需要 被主母线贯通，同时，母线的大小和强度也需要满足一定的动、热稳定 值的要求。
电缆室：电缆室是一些电气元件安装的地方，有电流、另需互感 器、接地开关、避雷设备等设备元件。
仪表室：电缆室里安装的大都是一次元件，而仪表室里所安装的 都是二次元件，通过二次线连接起来，以实现控制开关柜的各项功能。
小母线室：小母线室是安装一些简单的如Leabharlann Baidu电压、照明等贯穿了 整个开关柜的小母线。
2.3 连锁装置 开关柜的连锁装置的安全等级应该是最高的，因为它与现场设备 和人员的安全有着直接的关系，随着科技的进步。开关柜的可靠性也进 一步地提高了，连锁装置有防误分 / 误合断路器；防止带电负荷失控引 起的事故；防止带电挂件接地线分 / 合接点开关；防止接地线或接地点 分合断路器；防止人误闯带电间隔。对于防止误分 / 合断路器主要是针 对人的事故，对于其它的在预防时均可采用强制性的措施。 3 积累的经验心得 10KV开关柜的线路和安全防护必须做到标准化，国外有些公司对 于绝缘有很多新的理论，虽然国内很少能够理解和认同，但是这些都是 有利的经验，比如 ABB 公司认为有一种均匀电厂可以通过改善带电导 体的结构来缩小对绝缘距离的要求。三菱公司有一种热敷工艺，可以在 高压带电导体表面均匀涂上一层绝缘材料。 3.1 绝缘间距 由于 10Kv 开关柜用于对三相交流电进行分配，因此相间及相对地 之间必须保证一定的绝缘距离，否则会引起短路，对整个电力系统造成 危害。故我们在设计开关柜必须满足一下绝缘距离的要求：如单纯以空 气作为绝缘介质且海拔高度在 1000m 时，对于 10kV相对地，及相与 相之间满足大于等于 125MM，为得到一个合适的开关柜的外形尺寸， 可用以下几种方法来调节： 1） 插入一块绝缘隔板在二者的空气间隔中，从而可以缩小绝缘间 距。在运用这种方法时，二者直接按的空气间距不小于 60m m，所设 置的绝缘间距应该放在正中间的位置，但是由于绝缘板易于老化，所使 用的条件也受到一定的限制，使得这种方法的使用受到限制。 2） 用热缩套把高压带电导体套起来，在套的时候，应该保证绝缘 间距大于 100m m。这种方法与 1)中所说的方法的缺点类似，热缩套存 在老化现象。在金属封闭高压开关柜中，采用非金属的绝缘隔板，以此 来加强相间或相对地绝缘，达到缩小对绝缘距离的要求。当然这些方法 都有缺点，缺点是绝缘隔板受使用环境影响很大，存在绝缘老化的问 题。 3） 可以效仿国外的一种设计理念，即对带电导体进行改良以缩小
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绝缘间距，但是这种方法不符合我国现行的国标要求，因此还不被国内 的一些用户接受。但这些方法的投入较大，需要添加硫化床设备。
因此，在设计过程中许可时，为满足更多用户以及各方面的要求， 应尽可能地选用空气绝缘的方法。
3.2 爬电间距 电力系统用户对系统的可靠性要求比较高，因此在实际的操作中 应该满足：开关柜中的各个组件及支撑绝缘件 （一般为纯的瓷器或是有 机绝缘元件） 的外绝缘爬电比距，对纯瓷器绝缘元件为 18m m /kv，对 有机绝缘元件为 20m m /kv。常规的元件对大都满足不了这一要求，往 往都是不合格，因此我们应该将我们所需要达到的要求告知生产厂家， 让其根据我们所想要达到的要求量身定制。但是元器件生产厂家一般不 会去选取增加绝缘子的高度，大多采用的是增多了或是增高了裙边的方 法，因此我们在选取元器件的时候应该检查裙边高度以及增多裙边后裙 边的间距是否符合要求，其比例不能过于悬殊。。此外在对开关柜选型 时也应该注意开关柜的适用场所以及周边环境，防止因周围的环境影响 而使得开关柜不能安全高效运行，特别是要防止发生凝露，因此我们可 以通过在开关柜中添加一个自动控制的加热器来调节温度。 3.3 五防连锁装置 人的失误是最有可能发生的，为防止操作人员因疏忽大意而造成 错误引起事故，我们在平常的工作中应该对工人们开展定期与不定期的 培训，以及在施工时实施工作票制度。同时我们也应该采取一些实际的 行动来预防事故，我们可以在设计开关柜时加入一些强制性的连锁装置 或在醒目的地方采取提示措施。前文以提过的，我们需要设置五种防止 误操作的措施。 1） 防止误分 / 合断路器。变电站分为有人值守和无人值守的两种。 有人值守的变电站，我们可以采用带有不同的编号和不同颜色的指示牌 来实现，例如红绿翻牌，每个断路器都有与之相应的唯一的一个红绿翻 牌。对于无人值守的变电站，由于短路器的操纵都是通过远程操作的， 而无法向有人值守的变电站那样使用红绿翻牌的方法，因此可以加入电 器连锁装置，以防止可能引起的误操作。 2） 防止带电负荷的失控引起的事故。主要有带电负荷对上下的隔 离开关的影响和带电负荷对断路器手车的影响。解决这一事故常用到的 方法是用机械连锁进行强制性的连锁，因为隔离开关和手动车断路器之 间不能够分断和关合正常负荷电流。一旦操作失误，隔离开关和断路器 手车都会被烧毁，如果控制不好，事故可能扩大。 3） 防止带电操作时和上了接地开关或是将临时地线接通。解决这 一问题需要采取机械连锁的方法，因为这些地方极易因人的误操作而引 起事故。 4） 防止临时接地线或接地开关的接通，使得在合闸时送电。解决 这一问题需要采取机械连锁的方法，因为这些地方极易因人的误操作而 引起事故。 5） 防止工人误闯带电间隔。解决这一问题需要采取机械连锁的方 法，这主要是为了防止工人的触电。 综上，五防连锁在防止事故发生重是必不可少的。不同型号的开 关柜也的连锁装置不相同，大多数所采用的是机械传动方式，都是相互 制约相互连接的，只能按照预定的程序来进行操作，除非是人为的损 坏。这种连锁装置可靠性高，但是其结构较为复杂，所以对生产加工的
工艺标准也较高。也可以采用机械程序锁的方式来实现五防功能，这种 方法的结构较为简单，但是使用这种方法工人更容易引起误操作，且不 适用于无人操作的变电站。如果开关柜中不带有断路器，我们可以采用 电磁锁的方式来实现五防功能，但是由于电磁锁容易被损坏，同时还需 要提供一个额外的外部电源来供电，且其可靠性也较差，电磁锁对于高 压带电显示装置的可靠性更是低，因为它只相当于一个起提示作用的装 置。