開關柜設計與結構.doc

開關柜設計2. 中壓開關柜的設計與結構 中壓開關柜的設計與結構 開關柜的設計 根據電力系統(tǒng)對開關設備運行中的故障概率統(tǒng)計：電接觸、絕緣、機械故障三個方面引起的 事故比例非常高。因此，在開關柜的設計與結構中應特別重視。 總的設計原則：金屬封閉開關設備的設計應使得正常的運行、監(jiān)視和維護工作，包括通常的 相序檢測、聯接電纜的接地、電纜故障的定位、聯接電纜或其它裝置的電壓試驗以及消除危險的 靜電荷等均能安全地進行。 對于額定參數和結構相同而需要代替的元件應能互換。 對于具有可移開部件的金屬封閉開關設備，如果可移開部件的額定參數和結構相同，則應能 互換。 如果可移開部件具有幾種額定參數，且在金屬封閉開關設備中是可以互換的，那么可移開部 件與固定部分的任何組合，都應具有該設備固定部分的額定絕緣水平。 裝在外殼內的元件，除應符合它們各自的標準外，在金屬封閉開關設備的設計中，應考慮到 下列因素的影響： a.外殼應有足夠的機械強度,使得裝在外殼內的開關、 操動機構及其他具有它們原來的機械特 性和電氣性能。 b.如果外殼內裝有油浸式變壓器等類似元件，當發(fā)生故障時，它不應影響相鄰設備，在運行 中應便于巡視、檢查。 下面就從幾個方面來分別討論： 31 外殼 外殼是金屬封閉開關設備的一部分,在規(guī)定的防護等級下,保護內部設備不受外界的影響,防止人 體和外物接近帶電部分和觸及運動部分。 外殼通常情況下由柜體 （或充氣隔室） 門和蓋板等組成。 、 外殼必須是金屬的（通風窗、排氣口除外） ，具備足夠的強度、剛度、穩(wěn)定性，不得用網狀編織 物或類似的材料制造，外殼必須滿足表 1 所規(guī)定的一種防護等級，必須滿足相應的溫升要求，必 須滿足相關使用要求。 -1- 外殼溫升要求：為了保證操作者不致被灼傷，對于可觸及的外殼和蓋板（包括充氣隔室可觸 及的部分）的溫升，應限制在人能夠耐受的程度。對于設備在正常運行中無需觸及的外殼和蓋板， 可適當增加。 對于不可能觸及的外殼的部位，其溫升應限制在外殼內部的絕緣材料的溫升不超過容許值。 注：地板的表面雖不是金屬的，也可作為外殼的一部分，但如果有電纜溝連通或電纜進入， 則必須封閉，且滿足表1所規(guī)定的一種防護等級。 房子的墻壁不能作為外殼的一部分。 1柜體 柜體是外殼的一部分，應該具有足夠的強度，能支持、安裝必須的元器件，能承受運輸、操 作過程中產生的振動；柜體結構設計應便于安裝和維護；應具有非常好的經濟性；外觀美觀。柜 體一般采用焊接式結構和拼裝式結構，隨著數控鈑金加工設備在行業(yè)的應用，現在更多地采用拼 裝式結構。下面就拼裝結構說幾點體會： （1）在滿足強度和使用要求的前提下，要考慮柜體的材料成本、加工成本、裝配成本。 （2）方頸螺栓的使用是保證柜體拼裝尺寸、保證柜體強度的有效手段 （3）改變零、部件結構設計、簡化拼裝程序 （4）少用冷拉螺母、鐵鉚釘，多選用自攻螺釘；根據強度要求，合理選用標準件的數量和規(guī)格 （5）雙層折彎的方式要慎重選用，可以采用其他增加強度的折彎方式（據介紹，ABB公司已淘汰 雙折彎形式） （6）重視折彎形式和受力方向 （7）壓力釋放通道設計 由于金屬封閉開關設備本身的缺陷，或異常的工作條件，或誤操作等原因，造成外殼內部的 故障，可能引燃內部電弧。當引燃內部電弧時，不應傷及人，同時也不應影響相鄰的金屬封閉開 關設備的運行。要采取必要的防護措施，保證人身安全。但最重要的是應避免上述電弧的發(fā)生， 就是萬一發(fā)生也能夠限制它的持續(xù)時間和后果。 經驗證明，外殼內某些部位發(fā)生故障的可能性較其他地方多，對這些情況應特別注意。 表 A1 故障產生的部位、原因及降低內部故障的可能性或減少其危險的措施 易產生內部故 內部故障可能產生的 措施舉例 障的部位 原因 設計不當 選擇合適的尺寸 布置不當 避免電纜交叉連接，在現場進行質量檢查 電纜室 固體或液體絕緣的損 在現場進行質量檢查和（或）絕緣試驗，定 壞（缺陷或流失） 期查視液面 隔離開關、 負荷 誤操作 加聯鎖（見6.7條）,延時再分閘;采用貯能 -2- 開關、 接地開關 操作;負荷開關和接地開關具有關合能力, 制訂規(guī)程 使用防腐蝕的被覆層和(或)油脂.如有可能 螺釘連接和觸 腐蝕、裝配不當 則加以封閉.采用適當的方法,檢查裝配質 頭 量 互感器 鐵磁諧振 采用合適的電路設計,避免該類電效應 斷路器 維護不良 定期按規(guī)定進行維修.制訂規(guī)程 用遮欄限制人員接近;帶電部分以絕緣包 工作人員的錯誤 裹;制訂規(guī)程 在電場作用下的老化 出廠試驗做局部放電測量 所有的部位 污染、潮氣、灰塵和小 采取措施保證達到規(guī)定的使用條件(見第3 動物的進入等 章);采用充氣隔離 防雷保護;合適的絕緣配合;現場進行絕緣 過電壓 試驗 表A2 限制內部故障后果的措施 措 施 利用光敏、壓敏、熱敏探測器或母線差動保護，加快消除故障，縮短故障時間 選用合適的熔斷器與開關相配合，以限制故障電流和故障持續(xù)時間 遙控 裝設壓力釋放裝置 項 1 2 3 4 號 壓力釋放裝置的設計： （1）由Q=I Rt計算短路電流和短路電流持續(xù)時間內產生的熱量 （2）開關柜體積、空氣質量已知，由熱力學方程計算最高可能產生的溫度 （3）根據氣態(tài)方程PV/T=常數，計算可能產生的最高壓力 （4）確定壓力釋放裝置的動作壓力，并根據動作壓力計算裝置的強度，設計開啟面積和結構尺 寸 KYN58-12開關柜內部故障電弧試驗數據：電纜室21.6 kA 0.1S；母線室21.6kA 0.1S；開關室 21.6kA 1S。 2 -3- 開關柜設計3 特別要注意的是：柜體設計時，既要保證有良好的通風條件，又要使故障時不會殃及相鄰隔室 2蓋板和門 當蓋板和門是外殼的一部分時， 應由金屬制成， 當它們關閉后應具有與外殼一樣的防護等級。 蓋板和門不應采用網狀編織物、拉制的金屬網以及類似的材料制造。根據需要進入高壓隔室的不 同情況，對蓋板和門分成兩類： a.對在正常操作和維護時不需要打開的蓋板（固定蓋板），若不使用工具，此類蓋板應不能 打開、拆下或移動； b.對在正常操作和維護時需要打開蓋板（可移動的蓋板、門），打開或移動此類蓋板時，應 不需要使用工具。為了保證操作者的安全應裝設聯鎖裝置。 在鎧裝式或間隔式金屬封閉開關設備中，其蓋板和門僅當該隔室內可觸及的主回路部分不帶 電時才能打開。對于箱式開并設備，也應采取措施（插入安全隔板或其他方式）使操作者不會觸 及帶電部分。 -1- 3觀察窗 觀察窗應達到外殼所規(guī)定的防護等級。 觀察窗應使用機械強度與外殼相近的透明阻燃材料遮蓋，并應有足夠的電氣間隙或靜電屏蔽 等措施防止危險的靜電電荷的形成（如在觀察窗的內側加一合適的接地編織網）。觀察窗布置的 位置，應便于觀察內部運行中的設備。 主回路帶電部分與觀察窗可觸及表面之間的絕緣，應能耐受住表2的對地試驗電壓。 4通風窗和排氣口 通風窗和排氣口的布置或防護，應使它們具有與外殼相同的防護等級。通風窗可以使用網狀編 織物或類似的材料制造，但應具有足夠的機械強度。 通風窗和排氣口的布置，還應考慮到壓力作用下排出的油氣和蒸汽不致危及操作者。 開關柜內空氣的流通非常不暢，必要時可設計強迫風冷裝置和專有風道。 5充氣隔室 金屬封閉開關設備的充氣隔室可分為三種： -2- a.可控壓力系統(tǒng)； b.封閉壓力系統(tǒng)； c.密封壓力系統(tǒng)。 （1）充氣隔室的設計 應根據本標準定義的設計溫度和設計壓力來設計充氣隔室。 充氣隔室的設計溫度是周圍空氣溫度的上限加額定電流流過時氣體的溫升。如果太陽的輻射 有明顯影響，也應予考慮。 外殼的厚度和結構的計算方法可按壓力容器設計規(guī)定選擇。 外殼的設計壓力，至少應是在設計溫度下外殼能夠出現的壓力的上限。 還要考慮以下問題： a b c 注： 在隔室的壁或隔板的兩邊可能出現的最高壓力差，包括可能采用充氣過程的抽真空工藝； 具有不同運行壓力的相鄰隔室之間的意外泄漏所引起的壓力； 產生內部故障的可能性。 為了確定外殼在型式試驗和出廠試驗的壓力， 設計壓力的最大值由下式表達： 設計壓力最 大值 Mpa（表壓）=額定充氣壓力（表壓）+0.11.3-0.1 （2）充氣隔室的密封 說明充氣隔室采用的是何種壓力系統(tǒng)和充氣隔室允許的漏氣率。 根據用戶要求，需要進入封閉壓力系統(tǒng)、可控壓力系統(tǒng)的充氣隔室，穿越隔板氣體允許的漏 氣量也應由制造廠說明。 最小工作氣壓超過0.1Mpa(表壓)的充氣隔室,當周圍空氣為20,壓力下降到低于最小工作氣 壓時,要給出指示. 充氣隔室與充有液體的隔室(例如電纜盒、電壓互感器)之間的隔板不應有影響到相互間兩種 介質的絕緣性能的任何泄漏。 （3）充氣隔室的壓力釋放 壓力釋放的設計應使操作者在正常操作時，由于壓力釋放出來的氣體和蒸氣可能遭受到的危 險是最小的。 壓力釋放可以這樣設計，亦即使電弧在外殼某些指定的點上燃燒，被燒穿的孔使所產生的壓 力能夠被釋放。 32 隔板與活門 隔板和活門可以是金屬的,也可以是非金屬的。隔板和活門應達到表1中所規(guī)定的一種防護等 級，絕緣活門測得的泄漏電流不大于0.5mA。 -3- 外殼上以及在鎧裝式和間隔式金屬封閉開關設備的隔板上,有供可移開部件觸頭進入的開口, 其開口應有可靠的活門遮蓋,以確保人身安全。 若具有多組觸頭,如果需要檢修其中一組不帶電的靜觸頭時,則其余組靜觸頭應鎖定在關閉位 置或插入安全隔板。 活門的形式和推進距離的設計：根據標準，活門有三種不同形式，但我們常用的只有兩種， 即金屬活門和非金屬活門。金屬活門應接地。 33 聯鎖 “五防”聯鎖要求： 為了保證可靠的運行和操作者的安全，金屬封閉開關設備應具有：防止帶負荷分、合隔離開 關（隔離插頭）；防止誤分、誤合斷路器、負荷開關、接觸器（允許提示性）；防止接地開關處 在閉合位置時關合斷路器、負荷開關等開關；防止在帶電時誤合接地開關；防止誤入帶電隔室等 功能。 結合“五防”聯鎖的要求，大家可以分別對照手車柜和固定柜的具體結構，一一對號入座， 加深理解。 對聯鎖的其他要求: a.只有當隔室的元件不帶電并且接地（如果有的話）的情況下，隔室的門、蓋板才能開啟， 若安裝聯鎖不方便允許使用掛鎖。 b.若接地開關的短路關合能力小于該回路的額定動穩(wěn)定電流時，建議與有關的隔離開關之間 加裝聯鎖。 c.對于那些因誤操作可能引起損壞， 或用于建立保證檢修工作安全的隔離斷口的主回路元件， 應裝設鎖定裝置。 d.若用戶需要其他的附加聯鎖， 如二次插頭與一次插頭操作的聯鎖、 工具車與手車的聯鎖等。 e.在設計時，應優(yōu)先考慮機械聯鎖。 34 母線 在配電裝置中，用來連接各種電氣設備、匯集、分配、傳輸電能的導體，稱為母線。在開關 成套設備中，一般使用的是銅母線（電阻率為 0.0172mm2/m）和鋁母線， 1母線選擇 母線選擇原則： （1）按正常工作負荷和短路負荷選擇，具體地講，按額定電流，通過正常負 荷電流密度選擇； （2）按系統(tǒng)要求的動、熱穩(wěn)定電流進行校核。下面給出了幾張表格方便母線選 擇時參考： 正常負荷電流密度選取表 -4- 母線電流 （A） 10 電 流 密 度 6-12 （A/mm2 ） 63 4-6 250 2.5-4 500 2-2.5 1250 1.5-2 2000 1.2-2 3200 1-1.5 4000 1-1.2 熱穩(wěn)定電流電流密度選取表 耐受時間（S） 電流密度（A/mm2 ） 1 160 2 112 3 92 4 80 母線的選擇還應充分考慮環(huán)境溫度、布置方式、海拔高度、搭接形式、散熱條件等因素的影響。 母線的載流量選擇詳見企標母線載流量選擇規(guī)范 2母線的排列與固定 一般情況下，開關設備中母線排列相序按規(guī)定執(zhí)行：A、B、C；上、中、下；遠、中、近； 左、中、右。但是，在一些特殊的開關設備中，可以按實際需要進行，如母聯和隔離柜、與母線 橋架、變壓器相連的母線等。 母線著色按 A、B、C，黃、綠、紅選取。著色的目的：增加熱輻射能力，提高載流能力（10% 以上） ；防銹或防氧化；識別相序，防止意外觸電。 三相母線在開關設備中，有不同的布置方式，如三相立放垂直布置、三相立放水平布置、三 相平放水平布置等，大家可以從散熱、抗彎、安裝施工的難度等方面比較其優(yōu)劣，并根據不同的 使用要求在實際設計中選取最優(yōu)方案。 母線固定一般有兩種方式： （1）直接在絕緣子上固定； （2）通過母線金具在絕緣子上固定。 不管采取何種方式，都必須考慮母線的跨距和母線的伸縮問題，保證機械強度，消除母線發(fā)熱引 起的內應力的影響。 3母線搭接 母線搭接總的要求是：具有足夠的機械強度；小而穩(wěn)定的接觸電阻。母線搭接的三種形式： 螺栓搭接、焊接、鉚接。我們使用最多的是螺栓搭接。螺栓直接搭接一般不推薦螺桿型搭接，根 據母線尺寸，可以采用單孔板、兩孔板、四孔板等形式。詳細內容見標準。 通常情況下，接觸電阻系是由收縮電阻和接觸膜電阻組成。收縮電阻值非常小，一般不予考 慮；接觸膜電阻是接觸表面，由于受到大氣、電弧高溫作用而形成的電阻較大的表面膜。當接觸 壓力增大，表面膜被壓碎，形成較小的接觸電阻。接觸電阻可以由下面公式估算： （包括可動觸頭 的接觸電阻也可用該公式估算） k 10 ?3 ? n F 式中 n決定于接觸形式，對點接觸 n 0.5；線接觸 n 0.75；高壓力下的面接觸 n 0.80.95 RC= k與接頭材料和接觸面狀況等有關的系數,見表 1 -5- F接觸壓力（kgf）對固定螺栓搭接，可以按 15X 搭接面積（單位 N）計算 表1 觸頭材料和接觸面狀況 銀銀 銅銅 無氧化物 銅（鍍錫） 無氧化物 銅（鍍錫）銅（鍍錫） 干燥 銅（鍍錫）銅（鍍錫） 涂油 k 0.06 0.080.14 0.070.1 0.1 0.007 有了以上公式， 結合螺栓緊固時的受力分析