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KYN-24金属铠装移开式开关设备的设计应用
发布时间：2013-05-14 07:51 来源：未知
引言
根据国家电网公司“关于推广20kV电压等级的通知”的精神，20kV电压等级很快升温，江苏省作为全国试点，率先在13个市开始推广20kV电压等级供电。早在1993年，苏州新加坡工业园区在国内第一个采用20kV电压供电。而目前我国中压配电网基本以10kV为主，随着经济的快速增长，特别是在经济发达地区，现有lOkV供配电系统容量小、损耗大等问题日益突出，已经很难承受急剧增长的用电负荷。与传统的10kV配电网相比，20kV配电网不但可以增加供电能力，加长供电距离，节约能源，降低75%的电力损耗，还具有显著的环保效益。据测算，输送同等功率20kV供电线路的有色金属耗量可比10kV供电减少50%，节约投资约40%。20kV电压等级早已被列入国际电工委员会标准( IEC38-1983)中，已被数十个国家和地区采用，我国于1993年将20kV电压等级列入GB156-1993标准中。
20kVid电电压的推广，将给高压开关制造业带来很大的商机，当然这也是一个漫长的过程，国内众多开关生产企业包括跨国企业均投入24kV开关设备的试制生产之中，但绝大多数企业只是一味地沿用KYN28-12开关柜的设计，或模仿国外企业的产品，毫无创新意识，不能根据具体运行环境和标准要求来进行改进创新设计，导致产品技术性能低，试验不过关，不能满足国内运行环境和标准的要求。
概述
下面就从技术和经济层面来谈一谈24kV开关设备，对于高压开关柜的设计看似简单，只是各种元器件在柜壳内的组合，关键无非就是绝缘、散热、联锁和强度，但是要把这些元器件组合好，把关键的问题都解决好也不是容易的。对于24kV开关设备来说，柜体和联锁机构还是基本沿用12kV的形式，是非常成熟的，所以联锁和整体强度应该是没有太大问题，剩下的就是绝缘和散热了。
众所周知，跨国公司如ABB．AREVA，SIEMENS很早就开始生产24kV开关设备，他们都是采用的IEC60694: 1996和GB/T11022-1999，耐压的要求为相间和对地1分钟50kV、隔离断口1分钟60kV，雷电冲击相间和对地95kV、隔离断口110kV，其对应的接地方式为中性点直接接地系统，而目前因架空线路较多，系统接地方式为小电流接地（即中性点不接地或经消弧线圈接地）．因此江苏省出台的企业标准将耐压水平提升为相闾和对地1分钟65kV、隔离断口1分钟79kV，雷电冲击相间和对地125kV、隔离断口145kV，本身24kV开关设备就是在12kV的基础上改进的，绝缘裕度都很小，因而许多跨国公司的产品都还达不到这样的绝缘水平，国内企业仿照跨国公司产品的24kV开关设备也都很难达到这样的绝缘水平。
目前变电所采用的1 10／20kV变压器额定容量达80MVA．20kV侧的额定电流就是80000/20/\/3=2309A。而目前国内企业研发生产的24kV开关设备最大额定电流为2500A，在实际运行使用中裕度太小，发热严重，夏天高负荷时开关柜某些部位的温度可达lOooC，长此以往会大大降低开关柜的使用寿命，并极易导致事故的发生。因此必须要用额定电流3150A的24kV开关设备来提高裕度，以降低温升，避免事故。
对于24kV开关柜来说，设计的关键在于：第一是断路器室的触头系统和活门机构，触头盒是绝缘和散热最薄弱的地方，活门机构也对绝缘有很大的影响。第二是母线室和电缆室的布置，既要考虑绝缘、散热，还要兼顾安装的方便和灵活性。
设计分析
KYN-24开关柜如图1所示，下面详细分析介绍设计时的关键点：
1、基本柜架结构与KYN28-12类似，只是柜体尺寸稍大，宽1000mm，深1800mm，高2300mm，设计时应注意角落部位的加强，防止扭曲变形；
2、24kV的空气绝缘距离标准规定是180mm，理论上是够了，条件是空气湿度不大、无粉尘污染、电场分布均匀，但从试验结果来看，实际运用中由于使用环境、元器件的布置和生产加工工艺的差别，180mm是不够的，必须增加10%的裕度，即24kV开关柜的空气绝缘距离应放到200mm。当然我们还是要尽量把元器件布置的合理些，生产加工工艺方面，采用圆角铜母线，切断处也要磨圆角，最好还要抛光处理，不要有任何的尖角留在高压带电体上或对着高压带电体；
3、导轨是直接承载断路器，并起导向作用的，由于24kV断路器重量比12kV断路器增加了三分之一，加之推进行程由12kV的200mm增加到了300mm，故导轨也加长了一百多毫米，是个薄弱环节，特别是在运输过程中或断路器承受短路电流冲击时导轨易变形，所以导轨必须加中间支撑点进行加强（如图1，A处），左右各两块三角形撑板，侧边与柜体侧板固定，上边与导轨连接；
4、电缆室的布局应充分考虑安装、检修维护和巡视的方便，就是要尽量合理地布局使空间最大化，如图1，接地开关安装在开关柜中柱上，电流互感器倒装，避雷器在接地开关下方。这样，一方面电缆室的有效空间就大大增加，工作人员可以方便地从柜后进行安装和检修维护，巡视时从开关柜后门的观察窗可以一目了然地看到所有的元器件，另一方面，电流互感器的一次高压桩头向下，不易积灰而影响绝缘；
5、母线室的布置，三相主母线有“品”字形布置的，也有“1”字形垂直布置的，综合分析后笔者个人认为还是“1”字形垂直布置较为合理，虽然从散热方面说虽然后者稍差，进行温升试验时，数据表明后者A相母线的温升仅比前者高2—3K，B相高1～2K，C相相同，但后者的优越性较多，如：母线安装方便，并可加支撑；柜顶进线或翻排时空间大、母线走向易布置，电场分布均匀；由于三相母线的窄边相对，加上母线有支撑，承受短路电流冲击的能力大大提高；
6、其实整个开关柜最复杂、最关键的是断路器室。断路器室的设计处理面临着诸多的问题：空间小、断路器和触头发热量大；断路器操作推进机构、地刀操作联锁机构、活门机构、一次触头、导轨（上面第3点已论述）等都要配合的恰到好处，机构要灵活，联锁要可靠，绝缘强度要好，散热性能要保证。对于额定电流2500A及以下的开关柜可以只设计空气对流的通道而不安装强制风冷，但额定电流3150A及以上时应该设计强制风冷通道，采用风量大、噪音小的横流风机。
7、触头盒的设计，如图2是传统的触头盒，根据电流大小需要3种外形尺寸，3套模具，深度太大(A段)，对绝缘毫无用处，只会增加触头盒重量，增加成本，还影响空气对流散热，前部圆环（B段）太短，导致触臂和触头盒安装板之间的直线绝缘距离太短，极易导致其间击穿放电。图3是经特殊设计的触头盒，采用错落式内、外伞裙，以增大爬电距离大，提高了抗污闪能力；安装法兰面前端圆环加长，一方面增加了爬电距离，另一方面消除了断路器触臂和触头盒安装板之间的直线距离，解决了直线绝缘距离太小，易发生绝缘击穿事故的问题；铜排出口加大，最多可穿120X10的三拼铜排，还加强了通风散热效果；触臂人口处和安装法兰面加大，一方面增加了空气绝缘距离，另一方面加大了空气对流通道，加强了通风散热效果；通用化设计，只须一套模具，同一种外型和安装尺寸，额定电流可以从630A～3150A，仅需改变触头盒中心静触头安装嵌件螺纹孔尺寸即可。
8、24kV开关柜活门机构的设计应注意，由于受开关柜体积的限制，活门机构的导向杆、导向杆支架和活门行程如不加改进，它们与断路器触臂之间的绝缘距离均只有70— 90mm，虽然触臂上有热缩套管或触臂绝缘套，这样距离的复合绝缘用在12kV开关柜是不会有问题的。但是，试验和运行经验表明，在24kV开关柜中用热缩套管的复合绝缘距离应 不小于130mm，即使在触臂上套2层热缩套管也是岌岌可危，治标不治本，所以要解决根本问题，必须对活门机构进行改进如图4：活门打开行程加大到约280mm，活门打开后到断路器触臂绝缘净距离不小于140mm，因此活门可以采用金属材料而不需要采用绝缘材料，更安全，更环保，成本更低；活门导向系统改进设计，导向杆采用拉制环氧玻璃纤维棒，表面光洁度高，导向套采用在金属板的导向孔周围镶嵌特制尼龙圈，既大大降低了摩擦系数，使机构运动灵活，又不会划伤环氧玻璃纤维棒的表面；导向杆采用拉制环氧玻璃纤维棒，导向杆支架采用SMC或尼龙材料制作，消除了断路器触臂到导向杆及其支架绝缘距离不够的隐患。
结束语
由于20kV比10kV供电有着不可比拟的优势，国外许多国家和地区如美国、德国、俄罗斯、日本、意大利等均已大量采用20kV电压等级供电，我国也在逐步推广使用，对于20kV的输配电设备需求也会逐步增加，我们要做的是如何在推广过程中积累经验和数据，尽快研制出高性能、高可靠、大容量的20kV开关设备，为国家电网公司建设坚强智能电网作出贡献。
三门峡富通新能源可以根据用户的需求订做各种类型的高低压配电柜开关柜。
