一种12 kV大容量交流金属开关设备研发.pdf

一种 k V大容量交流金属开关设备研发田锋利(西电宝鸡电气有限公司,陕西 宝鸡 )摘要:“十四五”规划电力容量将继续保持稳定增长,电力投资结构不断优化,电源和电网投资规模巨大,电网建设将迎来高速增长,电力设备将带来巨大市场需求.近年来,用户不断需求大电流、高分断能力的配电设备,因此研发了一种新型 k V大容量高压交流金属封闭开关设备,特别适用于配网用电负荷大的场所.关键词:高压开关柜;真空断路器;散热型极柱;弹簧机构;动静触头中图分类号:T P D O I:/j c n k i d g j s D e v e l o p m e n t o fa k VH i g h C a p a c i t yA CM e t a l S w i t c h g e a rT I ANF e n g l i(X i d i a nB a o j iE l e c t r i cC o,L t d,B a o j i ,C h i n a)A b s t r a c t:T h e t hF i v e Y e a rP l a n p o w e r c a p a c i t yw i l l c o n t i n u e t om a i n t a i ns t a b l eg r o w t h,p o w e r i n v e s t m e n t s t r u c t u r ei sc o n s t a n t l yo p t i m i z e d,p o w e rs u p p l ya n dg r i di n v e s t m e n ts c a l ei sh u g e,g r i dc o n s t r u c t i o nw i l lu s h e ri nr a p i dg r o w t h,p o w e re q u i p m e n tw i l l b r i n gh u g em a r k e td e m a n d I nr e c e n ty e a r s,u s e r sh a v ec o n t i n u o u s l yd e m a n d e dd i s t r i b u t i o ne q u i p m e n tw i t hh i g hc u r r e n t a n dh i g hb r e a k i n gc a p a c i t y T h e r e f o r e,an e w k Vh i g h c a p a c i t yA Cm e t a l e n c l o s e ds w i t c h g e a rh a sb e e nd e v e l o p e d,w h i c h i se s p e c i a l l ys u i t a b l e f o rp l a c e sw i t hl a r g ee l e c t r i c a l l o a d so nt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k K e yw o r d s:h i g h v o l t a g e s w i t c h g e a r;v a c u u mc i r c u i t b r e a k e r;h e a t d i s s i p a t i o np o l e;s p r i n gm e c h a n i s m;d y n a m i c a n d s t a t i cc o n t a c t收稿日期:作者简介:田锋利(),高级工程师,二级建造师,研究方向为中压开关设备新产品开发及工程研究应用.引言近年来国网配电容量不断增大,工业领域中配电场所用电负荷不断增加,对大容量的高压开关设备的需求也越来越多,因此根据市场需求开发了具有自主知识产权 k V/A k A高压开关柜及真空断路器.该断路器主要应用于国家电网、大型工矿企业、大型电厂等重大负荷的电力系统,满足相关国标及国网标准的要求.难点及参数 技术难点()固封极柱设计生产制造难度较大.因 k V/A k A固封极柱为国内首次开发,故需重新设计一次导电回路、极柱散热风道、上下出线端动静刀座,需综合考虑产品容量及配合要求.通过试制验证其可靠性能.()弹簧操动机构性能要求高.目前市场上开断 k A弹簧机构比较成熟,开断 k A弹簧机构需要特殊设计,以满足触头压力 N要求,且 k A弹簧机构性能要稳定可靠,满足全工况使用要求.()整柜温升性能满足国标要求.此产品为大容量产品,若要满足 倍温升性能要求则需要特殊优化设计.()元器件的选型及配合问题.高压开关柜内的真空断路器、电流互感器、触头盒、母线套管、绝缘子等元件均为特殊元件,需掌握各自的性能和参数并有机结合.技术参数额定电压为 k V;额定电流为 A;额定频率为 H z;m i n工频耐受电压为/k V(相间、相对地/断口);雷电冲击耐受电压为/k V(相间、相对地/断口);额定短路开断电流为 k A;额定短路关合电流为 k A;额定短时耐受电流为 k A;额定峰值耐受电流为 k A;额定短路持续时间为s;额定短路电流开断次数为;断路器机械寿命为 次;整柜局放 p C;防护 等 级 为I P X/I P X.内 配 自 主 研 发 的Z N A P真空断路器,性能达到E、M、C 级.设计思路研制KYN (Z)/T 铠装移开式户内交流金属封闭开关设备,设计性能满足G B/T 及G B/T 等标准要求的产品.具体研究内容如下.()通过仿真优化确定总体设计方案.柜子采用手车式结构,柜体分为仪表室、手车室、电缆室、母线室.柜间采用方形母线套管结构,使现场并柜装配的要求降低,电工技术电力设备更容易实现现场并柜安装.使用穿心式电流互感器便于安装.根据仿真计算结果吸收国内外同类产品的研制经验,改进电场分布.柜体结构采用国网最新标准化设计方案,具体柜体结构采用侧板包底板和顶盖的形式,柜体两侧无螺栓外露全组装结构,外形美观、检修方便、互换性好,整体性能优良.()产品绝缘性能问题.通过电场仿真软件A n s y s对整柜进行电场分析(如图所示),母线套管主母线处及触头盒安装板处电场值均较小,电场仿真选取 k V开关柜手车室、母线室在工频耐受试验情况下进行计算分析,仿真计算主要选取开关柜断路器处于合闸位时的电场分布进行计算.柜内采用新开发的绝缘裕度高、爬距大的绝缘件,母线套管采用方形内腔大产品,触头盒采用带散热风道的 A产品,绝缘子采用上法兰单孔M 、下法兰孔的结构形式.互感器采用大爬距母线穿心式互感器.断路器采用固封极柱形式,保证整柜绝缘性能要求.该产品通过厂内摸底试验、方案优化、型式试验验证,一次通过.图套管电场模拟()产品整柜温升问题.本开关成套设备采用全新空气流动设计.真空断路器采用散热型固封极柱结构,散热效果优良;触头盒采用加大散热带风道型;柜体后侧板整体使用不锈钢板,减少涡流效应;柜内散热采用双功能结构,自然风冷加强制风冷结构模式,自然风冷采用双风道结构模式,前下室有进风孔,风进来后通过带网孔中隔板进入手车室,向上通过顶盖把热量带到柜外;电缆室留有进风孔,风进来后通过带网孔大弯板及母线室进入顶盖再把热量带到柜外,同时也通过电缆室泄压通道及顶盖将热量交换出来,进风通道处均满足柜体防护等;强制风冷采用电缆室底板上的启动风机带动空气流动,中隔板上的加速风机带动空气向上流动,手车式、母线室、电缆室顶盖上的风机把热量交换至柜外.这种空气流动方式满足柜子的温升性能要求.()产品内部故障电弧问题.本开关成套装置在提高柜体强度的同时做好各隔室及其与外部的密封,柜体顶盖采用全新顶盖盒架结构设计,确保现场燃弧性能的要求.具体结构采用四层设计模式:第一层设计采用带小方孔的平顶盖,实现电弧颗粒过滤;第二层U字型弯板上下嵌套安装,实现热气分流及电弧切割;第三层几字型弯板实现电弧碰撞耗能及颗粒的再次过滤;第四层铰链式顶盖实现电弧碰撞及气压释放.另外,边上围板实现颗粒收集功能,通过这种特殊设计实现设备全工况运行的高可靠性能,保证了检修人员的安全.()整柜产品局放问题.本开关成套装置采用全新生产工艺设计:柜内母线搭接处采用倒圆角处理,母线与静触头处采用倒半圆处理,母线垫块两端也采用圆弧处理,这样大大减少了母线表面的局部放电;柜内绝缘件触头盒、母线套管采用带双屏蔽结构,均匀了电场分部,减小了场强,绝缘子、传感器采用先进浇注工艺,局放均满足国网p C的要求;柜内互感器采用优质铁芯及优良绕线工艺,一次导电回路优化设计保证了局放值;真空断路器关键的灭弧室上下支架圆弧处理保证了整台真空断路器局放值.优化各个环节的导电回路可使整柜局放值得到很好的控制.()产品多层母线承受电动力及强度问题.本开关成套装置导电回路采用全新固定模式,能承受高的动热稳定性能,本产品主母线选用层TMY X 母线,第二层与第三层母线间距离为 mm,满足G B 要求.母线支撑绝缘子选用加强型,根据电动力计算增加绝缘子安装螺栓数量及规格;接地母线增加支撑点,解决母线承受电动力及强度问题.()产品智能化功能.触头在线测温由测温传感器和在线测温装置完成,可实时监测触头温度,且将数据上传至后台,实现触头温度在线监测功能;局放在线监测由特高频传感器(UH F)和局放在线监测装置完成,可对被监测设备内部局部放电缺陷进行实时监测,及早发现绝缘缺陷并进行预警、密集跟踪监测和趋势分析,对瞬发故障进行录波,为开关柜的检修工作提供依据;弧光保护由光纤传感器和弧光保护装置完成,可对开关柜母线及电缆室弧光故障进行综合快速保护;电动底盘车由控制器和底盘车组成,主要功能为具备远方/就地操作.研制Z N A P/T 真空断路器,设计性能满足G B/T 及D L/T 标准要求的产品.具体研究内容为:该真空断路器总体结构为前后布置,三相固封极柱安装在断路器框架上,产品结构稳固紧凑,整体尺寸小;操动机构采用与断路器配套设计的弹簧机构,该机构为分布式、模块化与框架一体化的结构,使安装调试简便,机构完全根据断路器要求进行设计,充分保证了产品一次回路和机构的总体配合性能,机构传动系统在充分考虑真空断路器负载特性下,优化了凸轮轮廓曲线,使机构在满足开关的机械参数要求的前提下,合、分闸能量较小,以降低操作时的冲击和振动,延长寿命.优化后的真空断路器一次结构环境耐受能力强,提高了真空断路器的绝缘性能,解决了固封极柱外绝缘受环境条件影响的问题.本文研究的真空断路器提高了可靠性和稳定性,产品电气性能雷电冲击参数及短路开断次数达到国内领先水平.总装结构如图所示.电力设备电工技术 仪表箱;真空断路器;绝缘子;下支排;风机;穿心式互感器;触头盒;传感器;上支排;主母线;母线套管;母线室盒架;手车室盒架图总装结构技术创新创新点:研发的柜体首次采用无缝对接,检修时可以实现即插即抽的效果.整体结构新颖、柜内布局合理、人机界面友好.创新点:风道采用独特设计实现了烟囱效应,攻克了大电流温升难题,整体使用寿命长,散热效果俱佳.创新点:真空断路器首创了带风道的 A大电流固封极柱,断路器与机构一体化的设计,配有自主弹簧操作机构,操作功能齐全、可靠性高.创新点:解决了整柜局放问题.采用矩形母线套管、先进的浇注工艺有效改善了电场分布,整柜局放控制在优质产品 p C以内.技术处于国际先进水平.结语该产品开发可满足国网公司及国内特殊使用需求,提升产品竞争力和成套设备配套供货能力,赢得市场份额,提高 企 业 的 竞 争 力,同 时 可 提 升 行 业 技 术 水 平,完 善KYN 产品的系列化方案,缩小与国际领先技术的差距,在高压开关设备中应用前景也十分广阔,将产生良好的社会效益,值得推广.参考文献 吴励坚大电流母线的理论基础与设计M北京:水利电力出版社,李天友,林秋实中低压配电技能实务M北京:中国电力出版社,刘介才工厂供电M 版北京:机械工业出版社,施耐德电气专家团队中压电气设备设计与选择指南M北京:中国电力出版社,万英电工手册M 版北京:中国电力出版社,电力工业部电力规划设计总院电力系统设计手册M北京:中国电力出版社,G B/T k V k V交流金属封闭开关设备和控制设备SD L/T k V k V交流金属封闭开关设备和控制设备SG B 高压交流断路器S(上接第 页)黄伦,张欣宜,冯思朦智能一二次融合柱上开关高可靠性关键技术研究J电子设计工程,():,马建伟,朱剑鹏,贺翔,等配电开关一二次融合对二次部分影响因素试验研究J河南电力,(S):,周倩,甄建辉,甘兴林,等高频传导干扰对配电网智能柱上开关保 护 的 影 响 仿 真 研 究 J电 力 电 容 器 与 无 功 补 偿,():黎鹏,黄道春,阮江军,等柱上开关开断对二次智能设备的电磁干扰研究J电工技术学报,():陈姝臻高频开关电源的技术现状与发展趋势J技术与市场,():肖霄高频开关电源技术在智能变电站中的运用J无线互联科技,():黄枝文高频开关电源技术的发展与探索J工程技术研究,():黄长清高频开关电源中的电磁干扰问题探讨J通信电源技术,():,曾贵娥,崔晓关于开关电源的电磁干扰分析及其抑制技术探讨J电声技术,():靳慧,冯铮高频开关电源中的电磁干扰与处置方式J电子技术与软件工程,():许康恒,顾国帅,王正之高频开关电源的印制板设计优化研究J数字技术与应用,():,朱含笑,张逸成,姚勇涛,等开关电源EM I滤波器的不稳定性的研究J电气传动,():陈霖,和谦高频开关电源设计中的电磁兼容性分析与设计J信息通信,():方清城,李先祥高频开关电源的EMC设计J现代电子技术,():电工技术电力设备