高抗震防雷高压电缆分支箱的技术研究分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 143 高抗震防雷高压电缆分支箱的技术研究分析 谭永峰 皮 梁 江西冶金职业技术学院，江西 新余 338015 摘要：摘要：随着技日新月异术的发展，城市电网采用电缆供电已成为配电网发展的必然趋势，环形供电因其经济性和可靠性已成为配电网电缆的首选形式，而电缆分支箱作为环网供电的主要设备，运用范围不断扩大，但各种问题也逐渐显现，其中较为突出的就是分支箱易招雷击问题。本文主要对引起电缆分支箱招雷击的原因进行分析，研发加装避雷器装置，还有一个突出问题是电缆分支箱放置地面，有些甚至放于马路边，容易发生震动倾倒，影响配网线路的稳定运行。目前市面中使用的大部分电缆分支箱通过放置在地面上，抗震性能差，当遇到外部碰撞时，容易发生倾倒，进而影响箱体内部设备的正常工作。关键词：关键词：电缆分支箱；抗震；防雷 中图分类号：中图分类号：TM7 0 引言 电缆分支箱广泛用于户外,现有的产品由于工艺方式、技术实力等原因存在散热、防潮、防水、防雷、抗震等级低等问题。因此，开发高抗震防雷的高压电缆分支箱具有很好的市场前景。1 当前电缆分支箱存在的问题（1）电缆分支箱在使用过程中因占地面积小、绝缘性能好、建设成本低、密封性好等优点而被广泛运用在电缆建设中,既避免了电网架空分接的现象,同时在一定程度上改善了建设环境。电缆分支箱的实际应用范围不断扩大,但各类问题也逐渐显现,其中较为突出的就是分支箱易招雷击问题。在很多地区由于雷电事故发生比较频繁，对应的接地电阻也没有办法得到有效降低的情况下，主要采取的方式就是使用消弧线圈来进行雷电事故的预防，提高 10kV 分支箱及配电线路的安全性。在雷击事件发生的初期一般都是单相闪络，随着雷击事件发生的推进，开始逐步的过渡到间断的闪络，对于消弧线圈来说其主要的作用就是对其中产生的接地电阻进行区分和降低，促使其无法进一步产生工频电弧。但是对于多相闪络事故来说，一般在第一次进行闪络的时候是不会发生电缆分支箱雷击线路短路跳闸事故的，但是发生分流以及非故障性事故的可能性就会增加。（2）目前在我国来说，使用避雷线对分支箱及配电线路进行保护的较少，原因之一是 10kV 分支箱及配电线路一般比较复杂，同时很多时候还需要受到地形、线路的影响，同时距离还不能太远，在我国这种复杂的地形环境中很难推广。（3）电力设备主要分为发电设备和供电设备两大类，发电设备主要有电站锅炉、蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机、发电机、变压器等，供电设备主要包括各种电压等级的输电线路、互感器、接触器等。在配电网电缆化发展进程中，当容量较小的独立负荷分布较集中时，可采用电缆分支箱进行多分支的连接，因为分支箱不能直接对每个线路进行操作，仅仅作为电缆分支使用。目前市面上使用的大部分电缆分支箱通过放置在地面上，抗震性能差，当遇到外部碰撞时，容易发生倾倒，进而影响箱体内部设备的正常工作。电缆分支箱广泛用于户外,现有的产品由于工艺方式、技术实力等原因存在散热、防潮、防水、防雷、抗震等级低等问题,因此,开发高抗震防雷的高压电缆分支箱具有很好的市场前景。2 国内外现状 我国目前市场上流通最广泛的就是美式分支箱及欧式分支箱两种类型。（1）美式电缆分支箱。美式分支箱在实际应用中使用广泛，具有单项开门、横向多排、宽度适中、绝缘性好、密闭等诸多优点。电流主回路为 600A，普遍采用旋转式的螺栓进行连接，电流分支回路为 200A，一般选用拔插式连接方式，还具有负荷拔插的功能。（2）欧式电缆分支箱。欧式电缆分支箱在市场上应用较为广泛，具有双向开门、套管连接母排、长度较中国科技期刊数据库 工业 A 144 小、电缆清晰、跨度小等多种优点。欧式分支箱只采用额定的电流回路，电流大小为 630A，具备固定连接的接头。（3）带负荷开关分断型电缆分支箱。负荷开关分段型分支箱具有操作简便、绝缘性能好、密封性稳固、故障率低、安全可靠等诸多优点，同时能够解决电路短路问题及改善负荷电流。既能减少投资，又能够延长设备的使用寿命，供电可靠性能更高。作为近年来的一种新型技术，最大的不同是设置了保护装置。如果在使用过程中出现电路故障，它会自动断开故障电流，使其他用户正常用电 1。能最大限度的减少停电面积，增加用电性可靠性。目前在我国来说，使用避雷线来对分支箱铜排线路进行保护的比较少，首先一个原因就是 10kV 高压分支箱一般都比较复杂，同时很多时候还需要受到地形、线路的影响，同时距离还不能太远，在我国复杂的地形环境中很难推广。对于一些比较容易受到雷击的地方和一些山顶等地方针对性的增加了避雷装置，整个分支线线路的受雷击频率明显得到降低。对于防雷措施来说，合理运用绝缘导线是非常重要的一种方式，根据绝缘导线被击段的机理的不同，目前业界主要可以采取两种不同的方式进行消除，分别被称为疏导和堵塞的方式。一是把绝缘导线和分支箱绝缘子相连部分的绝缘层剥离掉，二是采用避雷器进行保护，避雷器可以有效切断工频续流，防止导线出现断线的现象。采用堵塞的方式可以有效防止雷击闪络产生的工频电弧产生工频电流。日本在这个方面有较大量的应用，主要采取的就是通过限流来限制流消弧角，也就是通过串联环形外间隙金属氧化物避雷器的方式提高线路的防雷性能。这种方式的主要优点就是对于整个线路的保护效果是非常好的，但是由于施工的工序相对较为复杂，需要较大投资。3 高抗震防雷高压电缆分支箱的技术研究 基于常规高压电缆分支箱的易倾倒防雷差的特点，创新设计电缆分支箱整体结构，将箱体左右两侧的底部对称设置连接座，防止由于地震或其它物体撞击而断电，影响城区电路供应；创新开发含高击穿电压避雷器的电缆分支箱，进线电缆和出线电缆均挂接于挂线铜排上，避雷器与挂线铜排相连，柱状电阻件与绝缘外壳之间的间隙填充绝缘性气体，柱状电阻件由多个柱状氧化锌元件串联。图 1 主要研究内容框架图 3.1 高击穿电压避雷器的电缆分支箱设计研究 由于传统分支箱防雷性较差，雷击产生的瞬间电涌易破坏箱内部零件，使用寿命短，安全性较低。研发设计高击穿电压避雷器的电缆分支箱，包括箱盖、箱体以及设于箱体内的挂线铜排、避雷器、进线电缆和出线电缆；所述箱盖固定于箱体的顶部，所述进线电缆和出线电缆均挂接于挂线铜排上，所述避雷器与挂线铜排相连；所述避雷器包括柱状电阻件、高压端导体、低压端排气件以及绝缘外壳；所述高压端导体设于绝缘外壳的顶部开口处且二者之间密封，所述低压端排气件设于绝缘外壳的底部开口处且二者之间密封，低压端排气件上设有密封地贯穿低压端排气件的接线头，所述柱状电阻件设于绝缘外壳内，柱状电阻件的一端与高压端导体连接，柱状电阻件的另一端与接线头相连；所述 柱状电阻件与绝缘外壳之间的间隙填充绝缘性气体。图 2 分支箱内部避雷设计 常规电缆分支箱没有设置防雷装置，容易在雷雨天气招到雷击，分支箱内部元器件损坏。本设计开发的避雷器设置于分支箱内部，避雷器连接和进出口铜排和外箱，外箱接地，外部遭受雷击通过避雷器，避雷器进线端出线端避雷器绝缘子设计中国科技期刊数据库 工业 A 145 内部有柱状电阻件，可阻挡雷击浪涌电流冲击分支箱内部器件。2本项目分支箱的进出线设置绝缘子保护，放置高压放电。3.2 抗震型高压电缆分支箱缓冲装置设计研究 目前现有的户外电缆分支箱均采用直接固定在预埋底座的方式进行安装，抗震效果不佳，如果户外电缆分支箱的抗震性能较差，在户外电缆分支箱剧烈晃动时，可能会导致箱内电气元件产生破坏，也会影响户外电缆分支箱的正常工作，并且不能满足地震带城市建设对防震等级的需求。本项目将常规分支箱设计缓冲结构，可提升电缆分支箱防震等级。抗震型户外电缆分支箱的底座设计，底座的内侧滑动连接有支撑板，支撑板的顶部固定连接有箱体，底座的内底壁的左右两侧均固定连接有减震机构，两个减震机构的顶部均与支撑板的底部固定连接，底座内底壁上固定连接两个第一铰接座，第一铰接座的内侧均铰接有第一连杆，支撑板的底部固定连接有两个第二铰接座，第二铰接座的内侧均铰接有第二连杆，相邻的第一连杆与第二连杆之间均铰接有铰接块。图 3 分支箱高抗震设计 本设计创新开发了底部和侧部缓冲式结构，加强分支箱抗震能力，创新常规电缆分支箱预埋式固定在平台上，左右未设计支撑装置，底部未设置缓冲装置，被外力撞击或发生地震时易导致晃动造成内部器件损坏，这种损坏极大部门是不能恢复的，解决常规分支箱不抗震问题。3.3 高压电缆分支箱进出铜排表面绝缘及错位设计研究 由于高压电缆分支箱都是在 10kV 以上，为保证高压中铜排之间不放电，项目设计进出线铜排表面刷一层耐高温绝缘的涂层，刷完涂层后在套一层绝缘热缩套管，可增强铜排之间绝缘性。3考虑增加铜排错位设计，三相电的铜排之间错开，很大程度规避了常规铜排设计在一个横排上虽然节省了一点铜排但易导致铜排之间放电，特别是招到雷击时易烧坏。本设计为了进一步解决进出口铜排之间打火或爬电问题，创新开发铜排表面刷涂绝缘涂层，该涂层耐高温、耐腐蚀、耐击穿的特性，可较好起到铜排之间绝缘作用，创新开发进出口铜排错位安装方式，可更好的解决铜排之间放电打火问题。3.4 创新分支箱的箱体和箱盖结构，防水和防沙尘 本分支箱设计成通过将不锈钢板直接折弯成型,门和箱体采用全封闭结构,在门四周配以聚氨酯材料弹性密封装置以及在箱体对应位置的设计截面为倒立U 型结构的防水槽,在箱体的两侧设计相互对称的采用防雨流水型结构的散热孔并在内部增加防尘网,上述结构设计使得产品具有防雨、风、沙、尘、防小动物的五防功能,有效解决现有技术存在的问题。3.5 创新高压电缆分支箱内部结构，提高使用性能 本设计高压电缆分接箱具有构思巧妙、结构简单、实用性强、使用方便、故障率低、安全性高的优点。整个箱体内部安装梁采用标准模数化安装方孔设计,方便安装;针对客户使用时存在消除耀眼、炫目、聚光点的问题,将不锈钢表面进行拉丝处理,有效提高产品客户使用满意度。4 市场前景分析 电气成套设备的一个主要应用是对电力系统的控制和保护，近些年，我国政府加大了对电网的技改投入，特别是智能电网、农网改造以及城市化发展对电气成套设备制造业起到了积极的促进作用。随着我国工业化和城镇化的持续推进，国家电网和南方电网“十四五”电网规划投资累计将超过 2.9 万亿元，这明显高于“十三五”期间全国电网总投资 2.57万亿元、“十二五”期间的 2 万亿元。由此可见，受益于国家长期经济发展规划，新基建、智能电网建设推进，电线电缆产业将不断优化升级，呈持续稳定增长态势缓冲装置铰接座分支箱中国科技期刊数据库 工业 A 146 发展。（1）国家电网：“十四五”年均投资规模将维持在 5000 亿元以上。新能源发电量占比提升、用电负荷结构变化等因素导致电网结构复杂性大幅提高，电网加速升级改造的需求显著提升。2022 年 1 月 13 日，国家电网年度工作会议中指出，2022 年电网计划投资将达 5012 亿元，为国家电网年度电网投资计划首次突破5000 亿元，创历史新高，同比增长 8.84%。（2）南方电网：南网发布“十四五”电网发展规划，投资规模同比大幅增长。“十四五”期间，布局发展数字电网建设和现代化电网，如以新能源为主体的新型电力系统构建。从投资额来看，比“十三五”期间增加 51%；年均投资额为 1340 亿元，比 2019 年同比增加 27%。本文研究的产品比国外同类产品具有更高的性价比和服务优势，助力国产品牌在市场竞争中占据主导地位。5 结语 目前在国内各级电网中，配电网的基础设施建设为薄弱。由于配电网投资不足,成套设备老化、受到地形变化倾倒、雷雨天雷击短路、大雨天防水差和技术性能低劣，造成成套设备大量损坏和电网线路故障等问题，尤其是农村电网及山顶电网，问题表现更为突出。本文研究的“高抗震防雷高压电缆分支箱的技术研究及应用”研发的新型电缆分支箱采用加固缓冲式设计、铜排绝缘子设计及避雷线设计，使用寿命达二十年以上，该电缆分支箱既可防止设备倾倒，又可防止雷击损坏等问题，产品市场需求较大。参考文献 1邓先林.探究输电线路的防雷设计与运维技术J.智能城市，2020，6（3）：80-81.2李笑怡.防雷技术在输电线路设计的应用J.集成电路应用，2020，37（1）：70-71.3余振华.高压输电线路防雷措施分析及改进方法J.低碳世界，2019（1）：56-58.作者简介：作者简介：谭永峰(1981),男,江西新余人,工程师,工程硕士,自动化方向。皮梁,男,江西人,高校副教授,硕士研究生，自动化方向。基金项目：江西省教育厅 2022 年度科学技术研究项目（项目编号 GJJ2208601）。