两种布置方式的12kV环保型气体绝缘环网柜设计

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环保型气体绝缘是环网柜的发展趋势之一。中骏智能电气科技股份有限公司的研究人员张丽强，在2021年第12期《电气技术》上撰文，介绍了环保柜的两种布置方式，采用干燥空气作为绝缘介质，并进行设计。通过对相关性能的优化，提高了环网柜的绝缘性能，使其满足各项试验要求，且能达到一定的裕度。

12kV等级的开关柜在中国的配电网系统中占据重要地位，而环保型充气柜因其绿色环保的性能优势和逐渐成熟的技术指标成为环网柜领域的发展趋势。环保型充气柜保留了常规环网柜产品的框架结构，同时将干燥空气作为绝缘介质。

环保型环网柜的开关结构与常规环网柜相同，主要包括真空开关和三工位隔离开关，两种开关的安装位置不同派生出两种柜型，两种柜型的差异导致柜体在设计和安装时的布置和操作顺序不同，尤其是在设计开关与电缆室门的安全联锁时，必须满足电力安全工作规范和相关的产品标准。

本文对两种柜型联锁操作过程的不同进行简要对比，设计两种以干燥空气为绝缘介质的环保型环网柜，通过反复试验和调整，提高环网柜的电气性能。

1  分析

当前，环保型环网柜的开关本体有两种布置方式，一种为母线侧三工位开关布置方案，简称上隔离方案，如图1所示；一种为线路侧三工位开关布置方案，简称下隔离方案，如图2所示。

图1  母线侧三工位开关方案

图2  线路侧三工位开关方案

电气五防功能是电力生产安全的重要举措之一，其设计原则是：凡是可能引起误操作的电气开关设备，均需安装防误装置和防误电气闭锁回路。根据电力安全五防联锁的相关规定，三工位开关机构和断路器开关机构之间需要有互锁功能，这一条规定不管是上隔离方案还是下隔离方案基本一致，三工位开关机构和断路器开关机构之间互锁装置的差异性很小。

五防联锁要求中需要注意的一条为：防止误入带电间隔，即只有电缆隔室不带电且处于接地状态时，工作人员才能打开电缆室门对电缆室进行安装或维护。该条规定下两种布置方案的联锁操作顺序不同。对于上隔离方案，断路器先分闸，三工位开关操作至接地状态后，断路器合闸，下出线回路同时接地，电缆隔室不带电，这时可以打开电缆室门。对于下隔离方案，断路器分闸，这时可以操作三工位开关，将三工位开关操作至接地状态后，下出线回路接地，电缆隔室不带电，这时可以打开电缆室门。

当额定电压为12kV时，以空气为绝缘介质的金属封闭开关和控制设备的空气间隙要求为最小125mm，以空气和绝缘材料作为绝缘介质的设备，需要考虑绝缘材料的老化和厚度，并按要求对其进行凝露试验，试验无问题则可以适当缩小空气间隙要求距离。

2  结构设计

根据上述两种开关本体的布置方案进行设计。

2.1  结构布置

母线侧三工位开关本体如图3所示，母线侧三工位开关布置方案是将三工位开关放置于主开关上方，断路器放置于主开关下方。线路侧三工位开关本体如图4所示，线路侧三工位开关布置方案与现有的充气环网柜主回路结构相同，即将三工位开关放置于主开关下方，断路器放置于主开关上方。其中三工位开关安装方向一致，最大的区别在于断路器的方向不同，图3所示的断路器的动端朝下，图4所示的断路器的动端朝上。

图3  母线侧三工位开关本体

图4  线路侧三工位开关本体

由于柜体内的绝缘介质为干燥空气，需要考虑其与六氟化硫（SF6）气体的绝缘性能差异。在相同条件下，干燥空气作为绝缘介质的绝缘性能大约为SF6的1/3。所以在隔离开关的动触头分闸位置增加绝缘罩，使隔离开关被包覆在自身动作范围的空间内，有效提高绝缘性能。在断路器分合闸六方转轴上，相与相、相对地之间增加绝缘伞裙，增加爬电距离。

将开关内导体用绝缘件包覆，使其成为一个结构上更为紧凑的整体模块，有效提高绝缘水平，减小柜体体积。

2.2  结构分析

通过优化结构缩小空气间隙来提高绝缘性能主要有三种实现方式：①改善导体形状；②增加绝缘隔板；③增加表面爬电距离。在相同的空气间隙下，适当增大圆角半径、使用对称电极结构，可以减小电场不均匀系数，提高耐受电压。因此，母线使用带R角的矩形铜排，去除四周边缘倒圆角表面毛刺，如图5所示。

图5  母线铜排

在极不均匀的电场中，在适当位置安装绝缘板或屏蔽罩，可在一定条件下显著提升间隙的击穿电压。另外，为了增大导体之间、导体对地之间的表面爬电距离，选用自身带伞裙和隔板的扩展连接件及进出线套管，分别如图6和图7所示。隔板可将导体连接部分的不均匀电场屏蔽在隔板包覆内部，有效优化开关电场，减小绝缘距离。伞裙可有效增大绝缘的表面爬电距离，提高耐压水平。

图6  带伞裙隔板侧扩内锥套管

图7  带伞裙隔板进出线套管

3  验证

综上所述，装配两台以干燥空气为绝缘介质的环保柜样机，样机外形尺寸均为420mm×850mm× 1 600mm（宽×深×高），一台为母线侧三工位开关布置方案，如图8所示；一台为线路侧三工位开关布置方案，如图9所示。两台样机均在零表压下进行工频耐压试验、雷电冲击试验和局部放电试验。

气箱内测得最小空气间隙为出线母线对地的垂直距离82.5mm，隔离断口为100mm±5mm。

3.1  工频耐压试验

工频耐压试验结果见表1。其中极限值为在试验满足要求的情况下验证得到的裕度。

图8  母线侧三工位开关气箱装配

图9  线路侧三工位开关气箱装配

表1  工频耐压试验结果

工频耐压试验用于检验设备绝缘水平，避免发生绝缘事故，鉴定设备是否符合运行要求。在零表压下进行规定值的工频耐压试验，同时逐步验证得到极限值，可满足海拔高度在1000～1800m之间的运行条件。

3.2  雷电冲击试验

同样，在进行雷电冲击试验时，极限值为在试验满足要求的情况下验证得到的裕度。雷电冲击试验结果见表2。

表2  雷电冲击试验结果

雷电冲击试验目的是检验设备绝缘是否具有耐受雷电冲击电压的能力。在试验过程中，按规定正极性和负极性各加压15次，均无闪络击穿。在试验已满足要求的情况下，以每次2kV增加电压值，最终得到表2中极限值。

3.3  局部放电试验

局部放电试验结果见表3。

表3  局部放电试验结果

局部放电主要包括绝缘材料内部放电、表面放电和高压电极尖端放电[11]。环保柜的允许最大局部放电量为20pC。样机在试验站进行相关整机型式试验，工频耐压试验与雷电冲击试验均满足要求，其中试验站局部放电检测结果见表4。

表4  试验站局部放电检测结果

试验结果＜10pC，试验结果表明气箱内部的绝缘件无明显缺陷，开关整体无明显尖端毛刺，导体连接处无接触不良、无松动。

4  结论

本文所述的两种不同布置方式的干燥空气环保柜已设计完成，样机已完成各项试验，结论如下：1）两种方案的五防联锁操作顺序不同，但均能满足防止误入带电间隔的要求，符合电力安全规范；2）通过改善导体形状、增加绝缘隔板、增加伞裙可提高绝缘水平，可以有效增强绝缘性能，且在满足各项试验要求的基础上保有一定裕度。

本文编自2021年第12期《电气技术》，论文标题为“两种布置方式的12kV环保型气体绝缘环网柜设计”，作者为张丽强。

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