12kV等級的開關(guān)柜在中國的配電網(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。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)，同時將干燥空氣作為絕緣介質(zhì)。

環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜的開關(guān)結(jié)構(gòu)與常規(guī)環(huán)網(wǎng)柜相同，主要包括真空開關(guān)和三工位隔離開關(guān)，兩種開關(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)計和安裝時的布置和操作順序不同，尤其是在設(shè)計開關(guān)與電纜室門的安全聯(lián)鎖時，必須滿足電力安全工作規(guī)范和相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

本文對兩種柜型聯(lián)鎖操作過程的不同進(jìn)行簡要對比，設(shè)計兩種以干燥空氣為絕緣介質(zhì)的環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜，通過反復(fù)試驗和調(diào)整，提高環(huán)網(wǎng)柜的電氣性能。

1 分析

當(dāng)前，環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜的開關(guān)本體有兩種布置方式，一種為母線側(cè)三工位開關(guān)布置方案，簡稱上隔離方案，如圖1所示；一種為線路側(cè)三工位開關(guān)布置方案，簡稱下隔離方案，如圖2所示。

圖1 母線側(cè)三工位開關(guān)方案

圖2 線路側(cè)三工位開關(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)計原則是：凡是可能引起誤操作的電氣開關(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，三工位開關(guān)機構(gòu)和斷路器開關(guān)機構(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，三工位開關(guān)機構(gòu)和斷路器開關(guān)機構(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，工作人員才能打開電纜室門對電纜室進(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。對于上隔離方案，斷路器先分閘，三工位開關(guān)操作至接地狀態(tài)后，斷路器合閘，下出線回路同時接地，電纜隔室不帶電，這時可以打開電纜室門。對于下隔離方案，斷路器分閘，這時可以操作三工位開關(guān)，將三工位開關(guān)操作至接地狀態(tài)后，下出線回路接地，電纜隔室不帶電，這時可以打開電纜室門。

當(dāng)額定電壓為12kV時，以空氣為絕緣介質(zhì)的金屬封閉開關(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，并按要求對其進(jìn)行凝露試驗，試驗無問題則可以適當(dāng)縮小空氣間隙要求距離。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述兩種開關(guān)本體的布置方案進(jìn)行設(shè)計。

2.1 結(jié)構(gòu)布置

母線側(cè)三工位開關(guān)本體如圖3所示，母線側(cè)三工位開關(guān)布置方案是將三工位開關(guān)放置于主開關(guān)上方，斷路器放置于主開關(guān)下方。線路側(cè)三工位開關(guān)本體如圖4所示，線路側(cè)三工位開關(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，即將三工位開關(guān)放置于主開關(guān)下方，斷路器放置于主開關(guān)上方。其中三工位開關(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所示的斷路器的動端朝下，圖4所示的斷路器的動端朝上。

圖3 母線側(cè)三工位開關(guān)本體

圖4 線路側(cè)三工位開關(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。所以在隔離開關(guān)的動觸頭分閘位置增加絕緣罩，使隔離開關(guān)被包覆在自身動作范圍的空間內(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、相對地之間增加絕緣傘裙，增加爬電距離。

將開關(guān)內(nèi)導(dǎo)體用絕緣件包覆，使其成為一個結(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

通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)縮小空氣間隙來提高絕緣性能主要有三種實現(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、使用對稱電極結(jié)構(gòu)，可以減小電場不均勻系數(shù)，提高耐受電壓。因此，母線使用帶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 母線銅排

在極不均勻的電場中，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)體對地之間的表面爬電距離，選用自身帶傘裙和隔板的擴展連接件及進(jìn)出線套管，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屏蔽在隔板包覆內(nèi)部，有效優(yōu)化開關(guān)電場，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)擴內(nèi)錐套管

圖7 帶傘裙隔板進(jìn)出線套管

3 驗證

綜上所述，裝配兩臺以干燥空氣為絕緣介質(zhì)的環(huán)保柜樣機，樣機外形尺寸均為420mm×850mm× 1 600mm（寬×深×高），一臺為母線側(cè)三工位開關(guān)布置方案，如圖8所示；一臺為線路側(cè)三工位開關(guān)布置方案，如圖9所示。兩臺樣機均在零表壓下進(jìn)行工頻耐壓試驗、雷電沖擊試驗和局部放電試驗。

氣箱內(nèi)測得最小空氣間隙為出線母線對地的垂直距離82.5mm，隔離斷口為100mm±5mm。

3.1 工頻耐壓試驗

工頻耐壓試驗結(jié)果見表1。其中極限值為在試驗滿足要求的情況下驗證得到的裕度。

圖8 母線側(cè)三工位開關(guān)氣箱裝配

圖9 線路側(cè)三工位開關(guān)氣箱裝配

表1 工頻耐壓試驗結(jié)果

工頻耐壓試驗用于檢驗設(shè)備絕緣水平，避免發(fā)生絕緣事故，鑒定設(shè)備是否符合運行要求。在零表壓下進(jìn)行規(guī)定值的工頻耐壓試驗，同時逐步驗證得到極限值，可滿足海拔高度在1000～1800m之間的運行條件。

3.2 雷電沖擊試驗

同樣，在進(jìn)行雷電沖擊試驗時，極限值為在試驗滿足要求的情況下驗證得到的裕度。雷電沖擊試驗結(jié)果見表2。

表2 雷電沖擊試驗結(jié)果

雷電沖擊試驗?zāi)康氖菣z驗設(shè)備絕緣是否具有耐受雷電沖擊電壓的能力。在試驗過程中，按規(guī)定正極性和負(fù)極性各加壓15次，均無閃絡(luò)擊穿。在試驗已滿足要求的情況下，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

局部放電試驗結(jié)果見表3。

表3 局部放電試驗結(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。樣機在試驗站進(jìn)行相關(guān)整機型式試驗，工頻耐壓試驗與雷電沖擊試驗均滿足要求，其中試驗站局部放電檢測結(jié)果見表4。

表4 試驗站局部放電檢測結(jié)果

試驗結(jié)果＜10pC，試驗結(jié)果表明氣箱內(nèi)部的絕緣件無明顯缺陷，開關(guān)整體無明顯尖端毛刺，導(dǎo)體連接處無接觸不良、無松動。

4 結(jié)論

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)計完成，樣機已完成各項試驗，結(jié)論如下：1）兩種方案的五防聯(lián)鎖操作順序不同，但均能滿足防止誤入帶電間隔的要求，符合電力安全規(guī)范；2）通過改善導(dǎo)體形狀、增加絕緣隔板、增加傘裙可提高絕緣水平，可以有效增強絕緣性能，且在滿足各項試驗要求的基礎(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”，作者為張麗強。