一种小型化环网柜（西高院）

1、一种环保型小型化真空环网配电开关设备作者：寇政理、陈波、肖润月 西安高压研究院 发布时间：2009-12-28 14:26:50  摘要：本文分析了环网柜产品存在的问题以及潜在危险“假断口”现象；论述了未来产品的定位和发展趋势，提出真空环网柜产品研发的新思路、新理念；介绍了研发过程中的关键问题及解决方案，对最新研发成果新型12kV真空环网配电开关设备从技术经济性等方面进行了分析。 近年来，环网配电方式在我国一些大中城市中发展很快，环网配电开关设备（以下简称“环网柜”）是一种金属封闭开关设备，由于体积小、造价低、占地面积少，使其成为环网配电方式中最常用的开关设备，目前已成为配

2、用箱变、开闭所、所内配电所、住宅区的主导产品。一、国内外产品的综合分析1.总体技术水平目前国内外环网柜产品总体技术水平达到以下参数       额定电流：200、400、630、1250A ；       额定短时耐受电流：16、20、25、31.5kA ；       额定峰值耐受电流：40、50、63、80kA ；       断路器额定短路开断电流：3

3、1.5kA（西高院最新研发的XGN12（Z）系列）。       12kV产品柜宽尺寸：充气式多数为350mm，最小210mm。空气绝缘或复合绝缘式为600mm左右。西高院最新研发的XGN12（Z）系列为500mm以内。2.存在问题      SF6产品一般采用简单灭弧原理。开断容量小，尤其是转移电流开断能力提升困难。      环网柜通常采用手动过中弹簧操动机构，不便实现自动控制。    

4、60; 虽然2008年24kV产品需求量很小，但由于对20kV系统推广应用的市场预期，各制造企业都纷纷进行24kV开关设备的开发工作，其共同特点是以12kV SF6产品为基础，柜体外型尺寸没有增大，通过提高充气压力（由0.04MPa提高到0 .15MPa左右）来满足24kV的电性能要求。然而，因柜体结构没有增强，气箱存在明显变形。这种解决方案能否为市场所接受，尚有待证实。      真空负荷开关与隔离开关一体化集成的方案存在假断口，是不安全因素。3.假断口解析通常，隔离断口被作为最安全最可靠的断口在供电线路、成套或组合开关设备中加以强调和应用。

5、近年来，以真空为灭弧方式的复合绝缘负荷开关产销量开始进入上升趋势，但其中某些方案的产品，在真空负荷开关上组合或集成有隔离开关，这种组合方案忽视了隔离断口的重要性，存在严重的安全隐患，即假断口现象。GLRx1RaFZRx2图1 假断口分析电路这种假断口产品的分析电路如图1所示，图中Ra是绝缘件表面对地的泄漏电阻，任何产品都不可避免，不存在安全问题。当负荷开关FZ与隔离开关GL处于分闸状态时，负荷开关的断口中有绝缘电阻RX2是允许的，但隔离断口中并入了一个绝缘电阻RX1是绝对不允许的 ，RX1和RX2是由组合时所必需的绝缘件的表面带来的，而此绝缘件的表面电阻随表面状况、环境温度、湿度在变化，当表面

6、脏污、空气湿度较高、产品的一端带电时，其泄漏电流就会增大，会造成另一端存在危及人身安全的电压。这类产品应用中，一些方案（如进线柜）不能装设与隔离开关联动的接地开关，因而就无安全可言，希望制造单位和用户对此加以重视。4.发展趋势      目前及今后一定时期内SF6产品仍将占据市场主流。但从长远看，因环保意识的增强和生态文明建设的要求，找到它的替代产品是必然的趋势。      采用真空灭弧、空气绝缘的环网柜有市场和政策的支持。      固封极柱负

7、荷开关、断路器在环网柜中应用将很快进入市场，且应定位于高端市场。      随着城市用电负荷的不断增长，对供电可靠性的要求越来越高，高性能的环网及多回路配电柜等已成为二次配电系统中不可替代的重要设备之一，随着数字技术、集成化技术和机电一体化技术的广泛应用，二次控制技术将会得到很大的发展。二、真空环网柜设计的新思路、新理念      采用固封极柱。      主开关按壁挂侧装可抽出方式设计。     

8、; 操动机构为独立侧装、自带合分闸弹簧，可电动、手动操作。      独立隔离开关、接地开关，两者可联动或按联锁要求分别操作。      隔离开关可按两工位，其中隔离位置同时也是接地位置。      断路器柜实际上是一种固定柜，可设置上下隔离，参数做到1250/31.5 ，向下覆盖。      三种柜型可简易并接。      12kV产品其实不必追

9、求过小的柜宽，如400宽（不便施工、保养、维护，更换熔管等工作），做到500用户甚至嫌小。      24kV产品因绝缘水平的要求，实际上也不会太小，初步估算最小可做到600，能方便用户使用。三、新型真空环网配电开关设备基于真空环网柜设计的新思路、新理念，西安高压电器研究院研发成功了XGN12（Z）系列新型真空环网配电开关设备，主要包括下述六个产品：          FZRN12/T10031.5型交流高压真空负荷开关熔断器组合电器（VEF(R)12组合

10、电器）；          FZN12/T63020型高压交流真空负荷开关（VEF12负荷开关）；          ZN12/T125031.5型高压交流真空断路器（VEB12断路器）；          XGN12（FZ.R）/T10031.5交流金属封闭开关设备（CMV(FR) 环网柜）；   

11、;       XGN12（FZ）/T63020交流金属封闭开关设备（CMV(F)环网柜）；          XGN12（Z）/T125031.5交流金属封闭开关设备（CMV(B)环网柜）。1.项目背景环网柜目前以SF6的居多，从总体结构看有多回路共气箱式、独立绝缘外壳内充SF6气体负荷开关单元式，而其断路器柜则需要采用将真空断路器置于气箱的方案。真空环网柜多年来处于市场劣势，分析其主要原因，可能是产品成本较高、产品尺寸较大、没有及时更新换代。

12、随着全社会对环保产品呼声的不断强烈，以及经济社会的高速发展，对环网柜的性能参数提出了更高的要求，新型清洁环保型真空环网柜应运而生。2.产品的主要技术参数XGN12（Z）系列新型真空环网配电开关设备主要技术参数见表1。表 1项 目断路器/柜负荷开关/柜组合电器/柜额定电压 kV12母线额定电流 A1250额定电流 A12506301001min工频耐受电压kV42/48雷电冲击耐受电压kV75/85额定有功负载开断电流A 630额定闭环开断电流A 630额定电缆充电开断电流A2510交接电流开断能力A  3150额定短路关合电流kA805080额定短路开断

13、电流kA31.5 31.5额定短时耐受电流kA31.520 额定峰值耐受电流kA8050 额定短路持续时间 s44 机械寿命（次）真空开关10000隔离/接地开关2000 3.产品研发中的关键问题及解决方案 新型真空环网配电开关设备研发的关键点在于利用新材料、新技术、新工艺，开发小型化美观、可靠、环保型的真空负荷开关和真空断路器，以及将隔离开关、接地开关、限流熔断器进行合理的布局，以优化的电场分布达到柜内结构合理、布置紧凑，柜体尺寸小的目的。    柜体采用空气绝缘，主开关采用真空灭弧方式。产品具有负荷开关柜、负荷

14、开关熔断器组合电器柜、断路器柜三种型式。   真空开关采用复合绝缘（固封极柱），壁挂式安装，弹簧操动机构侧向驱动。整机为可推拉式进出。    旋转式隔离开关或隔离/接地开关，并与出线侧接地开关联动。    在尽可能低成本下实现小柜宽，高可靠性。（1） 总体方案与结构问题负荷开关熔断器组合电器柜 负荷开关/断路器出线柜 负荷开关/断路器进线柜图2 三种典型单柜方案 为满足多种场合不同组合的需要，产品拟定为三种基本单柜柜型（方案见图2），负荷开关柜、负荷开关熔断器组合电器柜、断路器柜。每种柜型也可自由变换，可单柜使用，

15、也可多柜灵活组合使用。多柜组合方案见图3。 图3 并柜方案图4是典型的“两进一出”方案的总体结构图（后视），从总体结构布局来看，产品三相主回路按前、中、后平行布置，主母线由柜左侧的绝缘套管和母排引出，并柜时右柜的出现套管及其母线直接从左柜右侧伸入与左柜母线对接，用导体将两者连接即可完成电气连接，柜内上部装有采用绝缘轴传动的隔离开关。产品可根据柜型需要选择安装接地开关，接地开关安装于真空开关下方位置。此外，环网系统的进出线电缆端子可与真空开关下出线端子直接连接。图5为环网柜的样机图。（2） 真空开关的具体实施环网柜主开关的结构决定了环网柜的最终宽度，由于真空环网柜小型化设计是重要目标之一，因此真

16、空开关的结构是特别关键的问题。如图6所示，真空开关设计为壁挂可抽出式结构，即将壁挂式固封极柱按前中后（相对于产品最终应用在环网柜而言）安装在机架上，极柱下面设置多功能 图5样机图4 环网柜总体结构绝缘支撑件及导体或熔断器组件等，与极柱一起构成开关的一个完整极，下部出线端子兼具导电和支撑作用，从而使环网柜内部省去了支撑绝缘子。机架设计为壁挂式结构并可在进出柜体时推入或抽出，可减轻生产装配、检查维护时的劳动强度，可保证人身和设备的安全。机架内装有主轴、拐臂、连杆等构成的传动系统，在机架的前端装有弹簧操动机构。图6 壁挂可抽出式系列真空开关在机架底部装有两个滚轮，机架顶部设有突缘，用于开关进出柜体侧

17、壁轨道时支撑和减小摩擦力，并保证开关不会侧倾，实现了“可抽出”。需要说明的是：真空开关的“可抽出”，不同于手车式开关的“可抽出”，真空开关本质上是一种固定式开关设备，其一次导电回路在柜体中的连接仍然是固定电接触型式。 由于固封极柱的壁挂和机架的壁挂，可使真空开关的尺寸明显缩小，并带来安装调试的方便和简化。真空负荷开关的宽度不大于300mm、负荷开关熔断器组合电 图7 负荷开关与组合电器器宽度不大于330mm、断路器宽度不大于320mm 。 （3）如何实现负荷开关与组合电器的简单转换 真空开关设计中充分考虑了负荷开关与组合电器的一致性和可互换性，在前述的固封极柱与多功能绝缘支撑件设计上，完美的实

18、现了这一要求。将图7中左图负荷开关上的转接排更换为熔断器组件，并装上一些必要的附件即构成图7右图所示的组合电器。可以单独生产、调试、销售，利于规模化生产和协作，对保证产品质量和推广具有重大意义。（4） 真空断路器试验研究真空断路器开断试验中因触头熔焊而无法开断的现象时有发生，很多厂家在这方面都吃过苦头，本产品试验中也发生过这种情况。本文通过典型示波图的分析提供查找问题的方法。图8 示波图一图8为实施T100s试验方式下“合分”试验的示波图，C相首开后，A、B相开断，但约5mm后A、B相出现了工频击穿，电流持续一个半波后消失。这种现象在早期的真空断路器中出现较多，现代真空灭弧室设计、工艺、设备都

19、很先进和成熟，工频击穿的现象已非制造工艺不良所致。我们分析认为有两种可能：一是分闸过程中机构或传动系统出现阻卡，分闸动作不利索；二是A、B相触头中有一相发生了熔焊，致使分闸过程中传动系统有停顿，拐臂回弹，断口击穿，随后拐臂回弹结束继续向分闸方向运动，熔焊点被拉断，当电流过零时两个串联断口已有足够间隙保证未被再次击穿。对试品通过绝缘试验进行检查 图9 示波图二，耐压水平没有降低，证明状态良好。再次实施前述试验项目，试验示波图如图9所示。由图可见，A相开断后约100ms电弧复燃，B、C相电流持续约300 ms后由试验室保护开关切断。试验后试品传动系统处在中间位置，机构的分闸扣已释放，分闸弹簧无法完

20、全释放。强行手动操作，既不能分也不能合到正确位置。根据这些情况，可以初步断定B、C相必有一相处于传动系统动力不足以将其拉开的熔焊状态且C相熔焊的可能性大，因为C相电流峰值最大。进一步解体检查发现C相动、静触头严重熔焊，熔焊面积达40mm2左右，如图10所示。B相因有很小的间隙，电弧灼烧致使动、静触头间被熔化的金属所桥接。至此可以确认对图8的第二种分析是正确的，图8的试验说明，触头表面状况已经有恶化迹象，继续试验将会有更糟糕的结果。图9的试验结果给出了答案，因C相的大面积熔焊，传动系统已无法将其拉开，但因传动主轴的弹性变型，A、B相各有一定的触头间隙，A相离机构近其间隙比B相稍大，A相开断而B相

21、持续燃弧直至熔化的金属将动、静触头桥接，B、C相处于电气和机械上的导通状态，随后因轴的回弹，A相触头间隙在1.5倍的工频恢复电压作用下被击穿，电弧复燃。触头熔焊的解决方案：现代真空开关合闸弹跳控制在2ms内，因触头弹跳造成的熔焊几乎不存在。增大触头压力是一种途径，常用于解决触头压力设计值过小的情况，而目前额定短路开断电流为 31.5kA的断路器触头压力为3100N左右，有些甚至达到3500N却照样发生触头熔焊的问题。因此，问题的焦点自然落到了触头材料上。触头材料的制造工艺、材料的成分对熔焊至关重要，材料制造企业通过一些试验研究，开发出一种拉断强度较低的触头材料，就是在制造工艺不变、基本成分不变

22、的前提下加入微量的一种非金属，解决了触头熔焊问题，产品终于顺利地通过了短路开断与关合试验并具有30次额定短路电流开断能力，当然还需要更多样机的充分验证才能证明这个解决方案是彻底的。我们期待困扰行业多年的问题能够得到全面解决。图10 熔焊的C相触头表面情况（5）产品的技术性能分析     按统一思路设计，具有相等的外形尺寸、安装尺寸、母线连接尺寸。     产品三相主回路按前中后平行布置，上部出线套管兼具并柜用途。     真空开关设计为壁挂可抽出式结构，采用专门设计的独特壁挂式环氧固封极柱，具有“双壁挂”特点。 VEF12负荷开关具有E3级电寿命； VEF(R)12组合电器具有3150A的交接电流开断能力； VEB12断路器具有31.5kA/30次的短路电流开断能力。     壁挂式环氧固封极柱组件采用APG工艺环氧树脂一次浇注成型，外绝缘爬电比距在20mm/kV（即级）以上，可用于较严酷的环境条件下。     真空灭弧室具有小型化、高性能的特点。     产品可根据