一種小型化環(huán)網(wǎng)柜（西高院）

1、一種環(huán)保型小型化真空環(huán)網(wǎng)配電開(kāi)關(guān)設(shè)備作者：寇政理、陳波、肖潤(rùn)月 西安高壓研究院 發(fā)布時(shí)間：2009-12-28 14:26:50  摘要：本文分析了環(huán)網(wǎng)柜產(chǎn)品存在的問(wèn)題以及潛在危險(xiǎn)“假斷口”現(xiàn)象；論述了未來(lái)產(chǎn)品的定位和發(fā)展趨勢(shì)，提出真空環(huán)網(wǎng)柜產(chǎn)品研發(fā)的新思路、新理念；介紹了研發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題及解決方案，對(duì)最新研發(fā)成果新型12kV真空環(huán)網(wǎng)配電開(kāi)關(guān)設(shè)備從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了分析。 近年來(lái)，環(huán)網(wǎng)配電方式在我國(guó)一些大中城市中發(fā)展很快，環(huán)網(wǎng)配電開(kāi)關(guān)設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱“環(huán)網(wǎng)柜”）是一種金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備，由于體積小、造價(jià)低、占地面積少，使其成為環(huán)網(wǎng)配電方式中最常用的開(kāi)關(guān)設(shè)備，目前已成為配

2、用箱變、開(kāi)閉所、所內(nèi)配電所、住宅區(qū)的主導(dǎo)產(chǎn)品。一、國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的綜合分析1.總體技術(shù)水平目前國(guó)內(nèi)外環(huán)網(wǎng)柜產(chǎn)品總體技術(shù)水平達(dá)到以下參數(shù)       額定電流：200、400、630、1250A ；       額定短時(shí)耐受電流：16、20、25、31.5kA ；       額定峰值耐受電流：40、50、63、80kA ；       斷路器額定短路開(kāi)斷電流：（

3、西高院最新研發(fā)的XGN12（Z）系列）。       12kV產(chǎn)品柜寬尺寸：充氣式多數(shù)為350mm，最小210mm。空氣絕緣或復(fù)合絕緣式為600mm左右。西高院最新研發(fā)的XGN12（Z）系列為500mm以內(nèi)。2.存在問(wèn)題      SF6產(chǎn)品一般采用簡(jiǎn)單滅弧原理。開(kāi)斷容量小，尤其是轉(zhuǎn)移電流開(kāi)斷能力提升困難。      環(huán)網(wǎng)柜通常采用手動(dòng)過(guò)中彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，不便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。      雖然

4、2008年24kV產(chǎn)品需求量很小，但由于對(duì)20kV系統(tǒng)推廣應(yīng)用的市場(chǎng)預(yù)期，各制造企業(yè)都紛紛進(jìn)行24kV開(kāi)關(guān)設(shè)備的開(kāi)發(fā)工作，其共同特點(diǎn)是以12kV SF6產(chǎn)品為基礎(chǔ)，柜體外型尺寸沒(méi)有增大，通過(guò)提高充氣壓力（由提高到0 .15MPa左右）來(lái)滿足24kV的電性能要求。然而，因柜體結(jié)構(gòu)沒(méi)有增強(qiáng)，氣箱存在明顯變形。這種解決方案能否為市場(chǎng)所接受，尚有待證實(shí)。      真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)與隔離開(kāi)關(guān)一體化集成的方案存在假斷口，是不安全因素。3.假斷口解析通常，隔離斷口被作為最安全最可靠的斷口在供電線路、成套或組合開(kāi)關(guān)設(shè)備中加以強(qiáng)調(diào)和應(yīng)用。近年來(lái)，以真空為滅弧方式的

5、復(fù)合絕緣負(fù)荷開(kāi)關(guān)產(chǎn)銷量開(kāi)始進(jìn)入上升趨勢(shì)，但其中某些方案的產(chǎn)品，在真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)上組合或集成有隔離開(kāi)關(guān)，這種組合方案忽視了隔離斷口的重要性，存在嚴(yán)重的安全隱患，即假斷口現(xiàn)象。GLRx1RaFZRx2圖1 假斷口分析電路這種假斷口產(chǎn)品的分析電路如圖1所示，圖中Ra是絕緣件表面對(duì)地的泄漏電阻，任何產(chǎn)品都不可避免，不存在安全問(wèn)題。當(dāng)負(fù)荷開(kāi)關(guān)FZ與隔離開(kāi)關(guān)GL處于分閘狀態(tài)時(shí)，負(fù)荷開(kāi)關(guān)的斷口中有絕緣電阻RX2是允許的，但隔離斷口中并入了一個(gè)絕緣電阻RX1是絕對(duì)不允許的 ，RX1和RX2是由組合時(shí)所必需的絕緣件的表面帶來(lái)的，而此絕緣件的表面電阻隨表面狀況、環(huán)境溫度、濕度在變化，當(dāng)表面臟污、空氣濕度較高、產(chǎn)品的

6、一端帶電時(shí)，其泄漏電流就會(huì)增大，會(huì)造成另一端存在危及人身安全的電壓。這類產(chǎn)品應(yīng)用中，一些方案（如進(jìn)線柜）不能裝設(shè)與隔離開(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)的接地開(kāi)關(guān)，因而就無(wú)安全可言，希望制造單位和用戶對(duì)此加以重視。4.發(fā)展趨勢(shì)      目前及今后一定時(shí)期內(nèi)SF6產(chǎn)品仍將占據(jù)市場(chǎng)主流。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，因環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和生態(tài)文明建設(shè)的要求，找到它的替代產(chǎn)品是必然的趨勢(shì)。      采用真空滅弧、空氣絕緣的環(huán)網(wǎng)柜有市場(chǎng)和政策的支持。      固封極柱負(fù)荷開(kāi)關(guān)、斷路器在環(huán)網(wǎng)柜中應(yīng)

7、用將很快進(jìn)入市場(chǎng)，且應(yīng)定位于高端市場(chǎng)。      隨著城市用電負(fù)荷的不斷增長(zhǎng)，對(duì)供電可靠性的要求越來(lái)越高，高性能的環(huán)網(wǎng)及多回路配電柜等已成為二次配電系統(tǒng)中不可替代的重要設(shè)備之一，隨著數(shù)字技術(shù)、集成化技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，二次控制技術(shù)將會(huì)得到很大的發(fā)展。二、真空環(huán)網(wǎng)柜設(shè)計(jì)的新思路、新理念      采用固封極柱。      主開(kāi)關(guān)按壁掛側(cè)裝可抽出方式設(shè)計(jì)。      操動(dòng)機(jī)構(gòu)為獨(dú)立側(cè)裝、自

8、帶合分閘彈簧，可電動(dòng)、手動(dòng)操作。      獨(dú)立隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)，兩者可聯(lián)動(dòng)或按聯(lián)鎖要求分別操作。      隔離開(kāi)關(guān)可按兩工位，其中隔離位置同時(shí)也是接地位置。      斷路器柜實(shí)際上是一種固定柜，可設(shè)置上下隔離，參數(shù)做到1250/31.5 ，向下覆蓋。      三種柜型可簡(jiǎn)易并接。      12kV產(chǎn)品其實(shí)不必追求過(guò)小的柜寬，如400寬（

9、不便施工、保養(yǎng)、維護(hù)，更換熔管等工作），做到500用戶甚至嫌小。      24kV產(chǎn)品因絕緣水平的要求，實(shí)際上也不會(huì)太小，初步估算最小可做到600，能方便用戶使用。三、新型真空環(huán)網(wǎng)配電開(kāi)關(guān)設(shè)備基于真空環(huán)網(wǎng)柜設(shè)計(jì)的新思路、新理念，西安高壓電器研究院研發(fā)成功了XGN12（Z）系列新型真空環(huán)網(wǎng)配電開(kāi)關(guān)設(shè)備，主要包括下述六個(gè)產(chǎn)品：          FZRN12/T100型交流高壓真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)熔斷器組合電器（VEF(R)12組合電器）；  &

10、#160;       FZN12/T63020型高壓交流真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)（VEF12負(fù)荷開(kāi)關(guān)）；          ZN12/T1250型高壓交流真空斷路器（VEB12斷路器）；          XGN12（）/T100交流金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（CMV(FR) 環(huán)網(wǎng)柜）；       

11、0;  XGN12（FZ）/T63020交流金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（CMV(F)環(huán)網(wǎng)柜）；          XGN12（Z）/T1250交流金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（CMV(B)環(huán)網(wǎng)柜）。1.項(xiàng)目背景環(huán)網(wǎng)柜目前以SF6的居多，從總體結(jié)構(gòu)看有多回路共氣箱式、獨(dú)立絕緣外殼內(nèi)充SF6氣體負(fù)荷開(kāi)關(guān)單元式，而其斷路器柜則需要采用將真空斷路器置于氣箱的方案。真空環(huán)網(wǎng)柜多年來(lái)處于市場(chǎng)劣勢(shì)，分析其主要原因，可能是產(chǎn)品成本較高、產(chǎn)品尺寸較大、沒(méi)有及時(shí)更新?lián)Q代。隨著全社會(huì)對(duì)環(huán)保產(chǎn)品呼聲的不斷強(qiáng)烈，以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，對(duì)環(huán)網(wǎng)

12、柜的性能參數(shù)提出了更高的要求，新型清潔環(huán)保型真空環(huán)網(wǎng)柜應(yīng)運(yùn)而生。2.產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)XGN12（Z）系列新型真空環(huán)網(wǎng)配電開(kāi)關(guān)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。表 1項(xiàng) 目斷路器/柜負(fù)荷開(kāi)關(guān)/柜組合電器/柜額定電壓 kV12母線額定電流 A1250額定電流 A12506301001min工頻耐受電壓kV42/48雷電沖擊耐受電壓kV75/85額定有功負(fù)載開(kāi)斷電流A 630額定閉環(huán)開(kāi)斷電流A 630額定電纜充電開(kāi)斷電流A2510交接電流開(kāi)斷能力A  3150額定短路關(guān)合電流kA805080額定短路開(kāi)斷電流kA 額定短時(shí)耐受電流kA20 額定峰值耐

13、受電流kA8050 額定短路持續(xù)時(shí)間 s44 機(jī)械壽命（次）真空開(kāi)關(guān)10000隔離/接地開(kāi)關(guān)2000 3.產(chǎn)品研發(fā)中的關(guān)鍵問(wèn)題及解決方案 新型真空環(huán)網(wǎng)配電開(kāi)關(guān)設(shè)備研發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)在于利用新材料、新技術(shù)、新工藝，開(kāi)發(fā)小型化美觀、可靠、環(huán)保型的真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)和真空斷路器，以及將隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、限流熔斷器進(jìn)行合理的布局，以優(yōu)化的電場(chǎng)分布達(dá)到柜內(nèi)結(jié)構(gòu)合理、布置緊湊，柜體尺寸小的目的。    柜體采用空氣絕緣，主開(kāi)關(guān)采用真空滅弧方式。產(chǎn)品具有負(fù)荷開(kāi)關(guān)柜、負(fù)荷開(kāi)關(guān)熔斷器組合電器柜、斷路器柜三種型式。   真空開(kāi)關(guān)采用復(fù)合絕緣（固

14、封極柱），壁掛式安裝，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)側(cè)向驅(qū)動(dòng)。整機(jī)為可推拉式進(jìn)出。    旋轉(zhuǎn)式隔離開(kāi)關(guān)或隔離/接地開(kāi)關(guān)，并與出線側(cè)接地開(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)。    在盡可能低成本下實(shí)現(xiàn)小柜寬，高可靠性。（1） 總體方案與結(jié)構(gòu)問(wèn)題負(fù)荷開(kāi)關(guān)熔斷器組合電器柜 負(fù)荷開(kāi)關(guān)/斷路器出線柜 負(fù)荷開(kāi)關(guān)/斷路器進(jìn)線柜圖2 三種典型單柜方案 為滿足多種場(chǎng)合不同組合的需要，產(chǎn)品擬定為三種基本單柜柜型（方案見(jiàn)圖2），負(fù)荷開(kāi)關(guān)柜、負(fù)荷開(kāi)關(guān)熔斷器組合電器柜、斷路器柜。每種柜型也可自由變換，可單柜使用，也可多柜靈活組合使用。多柜組合方案見(jiàn)圖3。 圖3 并柜方案圖4是典型的“兩進(jìn)一出”方案的總

15、體結(jié)構(gòu)圖（后視），從總體結(jié)構(gòu)布局來(lái)看，產(chǎn)品三相主回路按前、中、后平行布置，主母線由柜左側(cè)的絕緣套管和母排引出，并柜時(shí)右柜的出現(xiàn)套管及其母線直接從左柜右側(cè)伸入與左柜母線對(duì)接，用導(dǎo)體將兩者連接即可完成電氣連接，柜內(nèi)上部裝有采用絕緣軸傳動(dòng)的隔離開(kāi)關(guān)。產(chǎn)品可根據(jù)柜型需要選擇安裝接地開(kāi)關(guān)，接地開(kāi)關(guān)安裝于真空開(kāi)關(guān)下方位置。此外，環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的進(jìn)出線電纜端子可與真空開(kāi)關(guān)下出線端子直接連接。圖5為環(huán)網(wǎng)柜的樣機(jī)圖。（2） 真空開(kāi)關(guān)的具體實(shí)施環(huán)網(wǎng)柜主開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)決定了環(huán)網(wǎng)柜的最終寬度，由于真空環(huán)網(wǎng)柜小型化設(shè)計(jì)是重要目標(biāo)之一，因此真空開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)是特別關(guān)鍵的問(wèn)題。如圖6所示，真空開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)為壁掛可抽出式結(jié)構(gòu)，即將壁掛式固封極

16、柱按前中后（相對(duì)于產(chǎn)品最終應(yīng)用在環(huán)網(wǎng)柜而言）安裝在機(jī)架上，極柱下面設(shè)置多功能 圖5樣機(jī)圖4 環(huán)網(wǎng)柜總體結(jié)構(gòu)絕緣支撐件及導(dǎo)體或熔斷器組件等，與極柱一起構(gòu)成開(kāi)關(guān)的一個(gè)完整極，下部出線端子兼具導(dǎo)電和支撐作用，從而使環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部省去了支撐絕緣子。機(jī)架設(shè)計(jì)為壁掛式結(jié)構(gòu)并可在進(jìn)出柜體時(shí)推入或抽出，可減輕生產(chǎn)裝配、檢查維護(hù)時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，可保證人身和設(shè)備的安全。機(jī)架內(nèi)裝有主軸、拐臂、連桿等構(gòu)成的傳動(dòng)系統(tǒng)，在機(jī)架的前端裝有彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖6 壁掛可抽出式系列真空開(kāi)關(guān)在機(jī)架底部裝有兩個(gè)滾輪，機(jī)架頂部設(shè)有突緣，用于開(kāi)關(guān)進(jìn)出柜體側(cè)壁軌道時(shí)支撐和減小摩擦力，并保證開(kāi)關(guān)不會(huì)側(cè)傾，實(shí)現(xiàn)了“可抽出”。需要說(shuō)明的是：真空開(kāi)關(guān)的“

17、可抽出”，不同于手車式開(kāi)關(guān)的“可抽出”，真空開(kāi)關(guān)本質(zhì)上是一種固定式開(kāi)關(guān)設(shè)備，其一次導(dǎo)電回路在柜體中的連接仍然是固定電接觸型式。 由于固封極柱的壁掛和機(jī)架的壁掛，可使真空開(kāi)關(guān)的尺寸明顯縮小，并帶來(lái)安裝調(diào)試的方便和簡(jiǎn)化。真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)的寬度不大于300mm、負(fù)荷開(kāi)關(guān)熔斷器組合電 圖7 負(fù)荷開(kāi)關(guān)與組合電器器寬度不大于330mm、斷路器寬度不大于320mm 。 （3）如何實(shí)現(xiàn)負(fù)荷開(kāi)關(guān)與組合電器的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換 真空開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)中充分考慮了負(fù)荷開(kāi)關(guān)與組合電器的一致性和可互換性，在前述的固封極柱與多功能絕緣支撐件設(shè)計(jì)上，完美的實(shí)現(xiàn)了這一要求。將圖7中左圖負(fù)荷開(kāi)關(guān)上的轉(zhuǎn)接排更換為熔斷器組件，并裝上一些必要的附件即構(gòu)成圖

18、7右圖所示的組合電器。可以單獨(dú)生產(chǎn)、調(diào)試、銷售，利于規(guī)?；a(chǎn)和協(xié)作，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量和推廣具有重大意義。（4） 真空斷路器試驗(yàn)研究真空斷路器開(kāi)斷試驗(yàn)中因觸頭熔焊而無(wú)法開(kāi)斷的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，很多廠家在這方面都吃過(guò)苦頭，本產(chǎn)品試驗(yàn)中也發(fā)生過(guò)這種情況。本文通過(guò)典型示波圖的分析提供查找問(wèn)題的方法。圖8 示波圖一圖8為實(shí)施T100s試驗(yàn)方式下“合分”試驗(yàn)的示波圖，C相首開(kāi)后，A、B相開(kāi)斷，但約5mm后A、B相出現(xiàn)了工頻擊穿，電流持續(xù)一個(gè)半波后消失。這種現(xiàn)象在早期的真空斷路器中出現(xiàn)較多，現(xiàn)代真空滅弧室設(shè)計(jì)、工藝、設(shè)備都很先進(jìn)和成熟，工頻擊穿的現(xiàn)象已非制造工藝不良所致。我們分析認(rèn)為有兩種可能：一是分閘過(guò)程中機(jī)

19、構(gòu)或傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)阻卡，分閘動(dòng)作不利索；二是A、B相觸頭中有一相發(fā)生了熔焊，致使分閘過(guò)程中傳動(dòng)系統(tǒng)有停頓，拐臂回彈，斷口擊穿，隨后拐臂回彈結(jié)束繼續(xù)向分閘方向運(yùn)動(dòng)，熔焊點(diǎn)被拉斷，當(dāng)電流過(guò)零時(shí)兩個(gè)串聯(lián)斷口已有足夠間隙保證未被再次擊穿。對(duì)試品通過(guò)絕緣試驗(yàn)進(jìn)行檢查 圖9 示波圖二，耐壓水平?jīng)]有降低，證明狀態(tài)良好。再次實(shí)施前述試驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)示波圖如圖9所示。由圖可見(jiàn)，A相開(kāi)斷后約100ms電弧復(fù)燃，B、C相電流持續(xù)約300 ms后由試驗(yàn)室保護(hù)開(kāi)關(guān)切斷。試驗(yàn)后試品傳動(dòng)系統(tǒng)處在中間位置，機(jī)構(gòu)的分閘扣已釋放，分閘彈簧無(wú)法完全釋放。強(qiáng)行手動(dòng)操作，既不能分也不能合到正確位置。根據(jù)這些情況，可以初步斷定B、C相必有一

20、相處于傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力不足以將其拉開(kāi)的熔焊狀態(tài)且C相熔焊的可能性大，因?yàn)镃相電流峰值最大。進(jìn)一步解體檢查發(fā)現(xiàn)C相動(dòng)、靜觸頭嚴(yán)重熔焊，熔焊面積達(dá)40mm2左右，如圖10所示。B相因有很小的間隙，電弧灼燒致使動(dòng)、靜觸頭間被熔化的金屬所橋接。至此可以確認(rèn)對(duì)圖8的第二種分析是正確的，圖8的試驗(yàn)說(shuō)明，觸頭表面狀況已經(jīng)有惡化跡象，繼續(xù)試驗(yàn)將會(huì)有更糟糕的結(jié)果。圖9的試驗(yàn)結(jié)果給出了答案，因C相的大面積熔焊，傳動(dòng)系統(tǒng)已無(wú)法將其拉開(kāi)，但因傳動(dòng)主軸的彈性變型，A、B相各有一定的觸頭間隙，A相離機(jī)構(gòu)近其間隙比B相稍大，A相開(kāi)斷而B(niǎo)相持續(xù)燃弧直至熔化的金屬將動(dòng)、靜觸頭橋接，B、C相處于電氣和機(jī)械上的導(dǎo)通狀態(tài)，隨后因軸的回彈

21、，A相觸頭間隙在倍的工頻恢復(fù)電壓作用下被擊穿，電弧復(fù)燃。觸頭熔焊的解決方案：現(xiàn)代真空開(kāi)關(guān)合閘彈跳控制在2ms內(nèi)，因觸頭彈跳造成的熔焊幾乎不存在。增大觸頭壓力是一種途徑，常用于解決觸頭壓力設(shè)計(jì)值過(guò)小的情況，而目前額定短路開(kāi)斷電流為的斷路器觸頭壓力為3100N左右，有些甚至達(dá)到3500N卻照樣發(fā)生觸頭熔焊的問(wèn)題。因此，問(wèn)題的焦點(diǎn)自然落到了觸頭材料上。觸頭材料的制造工藝、材料的成分對(duì)熔焊至關(guān)重要，材料制造企業(yè)通過(guò)一些試驗(yàn)研究，開(kāi)發(fā)出一種拉斷強(qiáng)度較低的觸頭材料，就是在制造工藝不變、基本成分不變的前提下加入微量的一種非金屬，解決了觸頭熔焊問(wèn)題，產(chǎn)品終于順利地通過(guò)了短路開(kāi)斷與關(guān)合試驗(yàn)并具有30次額定短路電

22、流開(kāi)斷能力，當(dāng)然還需要更多樣機(jī)的充分驗(yàn)證才能證明這個(gè)解決方案是徹底的。我們期待困擾行業(yè)多年的問(wèn)題能夠得到全面解決。圖10 熔焊的C相觸頭表面情況（5）產(chǎn)品的技術(shù)性能分析     按統(tǒng)一思路設(shè)計(jì)，具有相等的外形尺寸、安裝尺寸、母線連接尺寸。     產(chǎn)品三相主回路按前中后平行布置，上部出線套管兼具并柜用途。     真空開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)為壁掛可抽出式結(jié)構(gòu)，采用專門設(shè)計(jì)的獨(dú)特壁掛式環(huán)氧固封極柱，具有“雙壁掛”特點(diǎn)。 VEF12負(fù)荷開(kāi)關(guān)具有E3級(jí)電壽命； VEF(R)12組合電器具有3150A的交接電流開(kāi)斷能力； VEB12斷路器具有次的短路電流開(kāi)斷能力。     壁掛式環(huán)氧固封極柱組件采用APG工藝環(huán)氧樹(shù)脂一次澆注成型，外絕緣爬電比距在20mm/kV（即級(jí)）以上，可用于較嚴(yán)酷的環(huán)境條件下。     真空滅弧室具有小型化、高性能的特點(diǎn)。     產(chǎn)品可根據(jù)柜型選擇安裝隔