大電流高開斷成套開關(guān)設(shè)備的設(shè)計

1、大電流高開斷成套開關(guān)設(shè)備的設(shè)計錦州錦開電器集團(tuán)有限責(zé)任公司  *摘要：通過對大電流成套開關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式，母線和絕緣子的選型及其熱效應(yīng)和動效應(yīng)的論證等，對6300A/80kA等級的12kV的成套開關(guān)設(shè)備的設(shè)計進(jìn)行了總結(jié)，為行業(yè)中大電流高開斷成套開關(guān)設(shè)備的設(shè)計提供了一些有益的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：大電流 結(jié)構(gòu)形式 溫升 熱效應(yīng) 動效應(yīng) 槽型母線1  前言隨著電力系統(tǒng)容量的進(jìn)一步增大和真空斷路器開始應(yīng)用于中壓發(fā)電機(jī)出口，市場對大電流成套開關(guān)設(shè)備的需求不斷增加，這就使得中壓大電流成套開關(guān)設(shè)備面臨一個全面的嚴(yán)峻的考驗(yàn)。錦州錦開電器集團(tuán)有限責(zé)任公司于2006年成功地

2、研制開發(fā)了XGN-12/6300-80型成套開關(guān)設(shè)備，目前已有數(shù)套產(chǎn)品應(yīng)用于不同用戶，運(yùn)行穩(wěn)定良好，使得12kV大電流高開斷成套設(shè)備的設(shè)計制造有了一個比較成功的經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)就設(shè)計做一簡單分析介紹。2        大電流成套開關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)形式的選擇眾所周知，成套開關(guān)設(shè)備按斷路器的安裝類別可分為手車式和固定式結(jié)構(gòu)，其各有優(yōu)缺點(diǎn)。近年來由于手車式結(jié)構(gòu)的成套設(shè)備檢修方便、互換性好而占據(jù)更大的比重。選擇何種結(jié)構(gòu)形式是關(guān)系到產(chǎn)品能否給運(yùn)行提供安全可靠的保證的關(guān)鍵。對于大電流成套設(shè)備，宜選擇固定式結(jié)構(gòu)，原因如下：（1）手車式結(jié)構(gòu)由于在工作時動靜觸頭隱藏在觸頭盒內(nèi)，對流和輻

3、射的散熱效果非常不理想，顯而易見地要比暴露在空氣中的同類導(dǎo)體溫升要高。（2）對于手車式結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)尚無專門應(yīng)用于電流大于5000A的觸頭。主要體現(xiàn)在由于觸指壓力不足而導(dǎo)致接觸電阻增大致使溫升過高以及觸頭彈簧在高溫下彈性發(fā)生變化，致使接觸電阻增大。資料表明，觸指間的壓力減小1倍，其接觸點(diǎn)的溫升就升高2.5倍。如果單方面保證觸指壓力，又會致使手車在動靜觸頭嚙合時操作力過大。（3）手車式結(jié)構(gòu)普遍地存在動靜觸頭對位不精準(zhǔn)，無法觀察，這在大電流產(chǎn)品中是一個致命的隱患。對于電流大于5000A的設(shè)備，國內(nèi)普遍的做法是采用雙觸頭，這更加大了動靜觸頭對位不良的隱患。（4）由于斷路器體積、重量較大，使得手車笨重

4、，操作不方便也是一個弱點(diǎn)。（5）帶有上下隔離開關(guān)的成套開關(guān)設(shè)備更容易滿足GB3906-20063.6-40.5kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備中提出的根據(jù)產(chǎn)品運(yùn)行連續(xù)性進(jìn)行分類的LSC2B類設(shè)計。綜上，我們認(rèn)為對于電流大于5000A的12kV成套開關(guān)設(shè)備，合適的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)該是固定式結(jié)構(gòu)。這種固定式結(jié)構(gòu)與一般意義上的還有一定差別，是將斷路器置于一個車架上固定，再將整體手車?yán)喂痰毓潭ㄓ诠耋w框架上，導(dǎo)體連接部分采用硬母線螺栓連接。檢修時只需拆下連接螺栓和固定螺栓便可以把手車?yán)龉裢狻?  母線的選擇對于額定短時耐受電流為80kA的開關(guān)設(shè)備，正常時其額定峰值耐受電流為200kA，

5、應(yīng)用于發(fā)電機(jī)出口時其額定峰值耐受電流為額定短時耐受電流的2.8倍，即224kA。其短路時的熱效應(yīng)和力效應(yīng)相當(dāng)巨大，合理選擇母線和布置方式尤為重要。3.1 母線的排列方式對于水平布置的三相母線，當(dāng)母線平放時，或者對于豎直布置的三相母線，當(dāng)母線立放時，母線所承受的力效應(yīng)最好。同時母線立放時載流量比平放時要高一些，這是由于要立放時散熱性能要比平放時要好的緣故，所以應(yīng)盡可能采用三相母線豎直布置，母線立放。3.2母線的類型戶內(nèi)成套開關(guān)設(shè)備中，母線按截面分為矩形、圓形、方管形、D型、槽型等，其中矩形母線在40.5kV及以下電壓等級中應(yīng)用最廣泛，但其在大電流系統(tǒng)中的優(yōu)越性就不明顯了。一般常用矩形銅母線最大規(guī)

6、格為120×10，載流量約為2220A，假如按4層TMX120×10選取，其額定載流量尚不足4000A，對于額定電流為6300A的開關(guān)設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了需求。由于多層母線散熱性能不好，消耗成本大且占用空間較大，所以對于戶內(nèi)設(shè)備如果4層矩形母線滿足不了要求的，我們應(yīng)考慮采用其他形式的合適母線。其他形式的母線有圓形、D型、槽型等，圓形和D型母線集膚效應(yīng)和防電暈效果較好，但連接比較復(fù)雜。槽型母線具有較好的抗彎強(qiáng)度，連接工藝性好，一般用于電流較大、力效應(yīng)要求高的設(shè)備中。對于額定電流為6300A的開關(guān)設(shè)備，按照SDGJ14-1986導(dǎo)體和電器選擇上設(shè)計規(guī)定中規(guī)定：20kV及以下回路的正

7、常工作電流在4000A及以下時，宜選用矩形導(dǎo)體，在4000A8000A時，宜選用槽型導(dǎo)體。經(jīng)過對集膚效應(yīng)、散熱、機(jī)械強(qiáng)度和連接四方面的綜合考慮，選用槽型母線電流分布比較均勻，與同截面的矩形導(dǎo)體相比，優(yōu)點(diǎn)是散熱性能好、機(jī)械強(qiáng)度高、電能損失少、安裝檢修也方便。由于槽型垂直方向有間隙，有利于表面的對流散熱，相關(guān)資料表明載流量比同截面的矩形導(dǎo)體大35%左右，相應(yīng)地其經(jīng)濟(jì)性能也較優(yōu)。設(shè)計選擇：槽型母線。3.3 母線的規(guī)格母線長期允許的最大持續(xù)電流應(yīng)大于或等于回路的最大持續(xù)工作電流。即：    IXUIe/（k1.k2.k3.k4）式中：IXU母線的允許電流，A；Ie回路最大持續(xù)工作電

8、流，按6300A考慮；K1環(huán)境溫度修正系數(shù)，按實(shí)際運(yùn)行情況查表得k1=0.94；K2導(dǎo)體長期工作溫度修正系數(shù)，設(shè)計導(dǎo)體長期工作溫度為70，取k2=1；K3導(dǎo)體布置方式校正系數(shù)，設(shè)計選用間隙垂直放置，取k3=0.95；K4高海拔及日照影響修正系數(shù)，按海拔1000m以下設(shè)計k4=1。計算得：IXU=7054A由此確定出母線規(guī)格：雙槽型銅母線：截面尺寸：2×（150×65×8）截面面積：48802允許電流：7200A（環(huán)境溫度40）3.4 熱效應(yīng)校驗(yàn)根據(jù)GB3906-20063.6-40.5kv交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備中公式：S（I/a）（t/）1/2來確定母線的

9、最小截面。式中：S母線最小截面，2；    I額定短時耐受電流，A；    a材質(zhì)系數(shù),A/2，銅質(zhì)為13；    t額定短路持續(xù)時間,s，取4s；    溫升,K，對于裸導(dǎo)體一般取180K，對于4s持續(xù)時間取215K。計算得出：對于80kA/4S系統(tǒng)，選用銅母線最小截面積為：S8402。對比槽型母線截面可見，采用2×（150×65×8）雙槽型銅母線，其截面滿足熱效應(yīng)要求。3.5 接地母線的選擇根據(jù)DL404-1997戶內(nèi)交流高壓開關(guān)柜訂貨技術(shù)條件中規(guī)定，接地匯流排以及與之連接的導(dǎo)體截

10、面，應(yīng)能通過銘牌額定短路開斷電流的87%?？梢杂嬎愠鱿到y(tǒng)短路容量為80kA時（短路時間按4s）的接地母線最小截面積為7312。設(shè)計選用接地母線為TMY80×10。4   支持絕緣子的跨距和選型4.1 支持絕緣子的跨距根據(jù)額定峰值耐受電流來確定銅母線最大跨距（兩個支持絕緣子間的最大距離）。原則：作用在母線上的作用應(yīng)力（kg/cm）母線允許應(yīng)力。公式：js=1.76L2ich2×10-3/aWy式中：js作用于母線的作用應(yīng)力，kg/cm2；    y母線允許最大應(yīng)力，當(dāng)母線為銅質(zhì)時取1400；    L母線支撐間距，c

11、m；    a相間距離，cm,按斷路器相間為40cm；    W雙槽型母線截面系數(shù)，槽隙垂直布置查得29.4；    ich額定峰值耐受電流,kA。根據(jù)上式導(dǎo)出：雙槽型銅母線的最大跨距為LMAX892（aw）1/2/ ich=136cm考慮到一定裕量，設(shè)計確定母線的最大跨距不大于1200.4.2 支持絕緣子的選型發(fā)生三相短路時作用于母線上的最大電動力可按照下式：Fjs=17.3×10-2KL ich2/a式中：Fjs作用于母線的短路電動力,N；    K絕緣子受力系數(shù)，水平放置時為1； 

12、60; L絕緣子間跨距（母線支撐間距）,；    a相間距離,；    ich額定峰值耐受電流kA。計算結(jié)果：Fjs=26040N。按照SDJ5-1985高壓配電裝置技術(shù)設(shè)計規(guī)程之規(guī)定，在短時荷載時，支柱絕緣子允許荷載的安全系數(shù)為1.67，即支柱絕緣子的抗彎強(qiáng)度應(yīng)大于等于所承受的電動力的1.67倍。故絕緣子的抗彎強(qiáng)度確定為：Fph1.67 Fjs其中Fph為絕緣子的抗彎強(qiáng)度（N），可參照相關(guān)產(chǎn)品樣本。計算得出絕緣子的抗彎強(qiáng)度：Fph1.67×26040=44088N。一般戶內(nèi)絕緣子的設(shè)計抗彎強(qiáng)度為20-30kN，單只絕緣子無法滿足要求。我們選用

13、ZNJ21-12型絕緣子兩組并用，其單只抗彎強(qiáng)度為23kN，兩只并用可滿足44kN的需要。5  其他設(shè)計考慮5.1 斷路器分合閘時對結(jié)構(gòu)部件的沖擊力的解決大電流斷路器要求其觸頭接觸壓力大，剛分和剛合速度高，勢必導(dǎo)致分合閘時尤其是合閘時由于斷路器的機(jī)械作用而產(chǎn)生的沖擊力很大。當(dāng)這種巨大的沖擊力作用于硬母線系統(tǒng)時，其結(jié)果是母線由于接受應(yīng)力釋放而變形，與斷路器相連接的母線和母線連接處螺栓松動和焊口開裂等，引起接觸壓力不足，接觸電阻加大，溫升升高。解決這一問題的方法很簡單，在斷路器出線板與硬母線連接處采用軟母線過渡，把斷路器分合閘應(yīng)力釋放于軟母線上，從而避免母線受到較大應(yīng)力的沖擊。

14、5.2 采用非導(dǎo)磁材料解決渦流發(fā)熱問題當(dāng)電流通過可導(dǎo)磁的導(dǎo)體時，由于交變磁場的作用，會產(chǎn)生渦流和磁滯損耗，引起發(fā)熱，而且損耗會隨電流增加而上升。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要充分考慮：（1）有母線通過的金屬結(jié)構(gòu)部件和附近結(jié)構(gòu)部件，采用非導(dǎo)磁材料如無磁不銹鋼板，例如母線護(hù)套安裝板和穿墻套管安裝板以及母線附近的橫向結(jié)構(gòu)部件。母線連接螺栓和母線夾具也要采用無磁不銹鋼材料。（2）在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，盡可能加大導(dǎo)磁材料與母線的距離。5.3 斷路器和母線的散熱處理對于6300A的成套開關(guān)設(shè)備，其主回路電阻約在40-60，按照P=I2R原則，主回路發(fā)熱功率約為1580W-2380W，如此大的熱量在開關(guān)柜的狹小空間內(nèi)如果

15、不盡快散發(fā)到外部空間，后果是嚴(yán)重的。散熱需要三個途徑，即輻射、對流和傳導(dǎo)，其中對流對于成套設(shè)備散熱是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是利用柜內(nèi)設(shè)置的軸流風(fēng)機(jī)和柜頂部的風(fēng)扇將柜內(nèi)的熱氣體與外部環(huán)境空氣交換，從而達(dá)到一個對流的理想狀態(tài)的過程，是大電流開關(guān)設(shè)備必需的。選擇軸流風(fēng)機(jī)要兼顧功率、風(fēng)量和風(fēng)機(jī)的持續(xù)工作壽命等。在空間允許的條件下，可采用兩只軸流風(fēng)機(jī)定時輪流工作的方式，避免因軸流風(fēng)機(jī)的損壞而停電檢修。還要指出，軸流風(fēng)機(jī)和風(fēng)扇的安裝方向要正確，避免風(fēng)向吹反排反。柜體的通風(fēng)孔在設(shè)計中要充分考慮位置布置，使外部空氣軸流風(fēng)機(jī)柜內(nèi)導(dǎo)體柜頂風(fēng)扇之間形成一個流暢的線路，同時還要兼顧設(shè)備的防護(hù)等級要求。5.4 設(shè)置溫升監(jiān)測裝置

16、大電流的成套設(shè)備的溫升，直接關(guān)系到產(chǎn)品運(yùn)行性能，由于母線接觸面的接觸電阻會隨著母線氧化和在高溫下運(yùn)行而越來越大，造成運(yùn)行環(huán)境越來越惡劣，甚至發(fā)生事故，故此，對于大電流開關(guān)設(shè)備溫升進(jìn)行在線監(jiān)測就很必要。配置溫升在線監(jiān)測裝置，對母線溫升尤其是斷路器上下斷口處的溫升實(shí)施在線監(jiān)控，一旦溫升超出預(yù)先設(shè)定值，要及時排查原因，必要時停電檢修。5.5 母線的絕緣處理對于槽型母線，無法套裝熱縮管，絕緣處理方式是將母線除連接部位外進(jìn)行硫化處理，連接部位采用異型絕緣卡盒。5.6 為減小母線連接處的接觸電阻，母線連接處表面宜采用鍍銀處理，其連接螺栓宜采用8.8級高強(qiáng)度螺栓，提高其緊固力和抗剪切應(yīng)力。5.7 設(shè)計有上下

17、隔離開關(guān)的成套設(shè)備時，隔離開關(guān)之間要有機(jī)械連鎖，確保操作順序和“五防”連鎖功能。6   說明錦州錦開電器集團(tuán)有限責(zé)任公司研發(fā)的大電流成套開關(guān)設(shè)備的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：額定電壓：12kV額定電流：6300A額定頻率：50Hz額定短時耐受電流：80kA額定峰值耐受電流：224kA額定短路持續(xù)時間：4s海拔高度：小于1000m這是一種全工況全封閉、具有IAC功能的成套開關(guān)設(shè)備，外殼防護(hù)等級可達(dá)IP4X，其設(shè)計成果已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中得以驗(yàn)證。如圖是其中一種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)示意圖。需要指出：（1）以上設(shè)計和論證都是基于額定電流為6300A的負(fù)載，在實(shí)際應(yīng)用中考慮到可靠性、裕量、壽命等多方面因素

18、，大電流成套開關(guān)設(shè)備一般都運(yùn)行在額定電流的70%左右，對于額定6300A的設(shè)備一般應(yīng)運(yùn)行在5000A左右。（2）當(dāng)成套設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境溫度比設(shè)計規(guī)定的溫度高時，要充分考慮母線的載流量裕量是否充足。GB311.1-1997高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合中規(guī)定：環(huán)境溫度高于40時，額定絕緣電壓應(yīng)乘以溫度校正系數(shù)Kt=10.0033（T-40），其中T為實(shí)際環(huán)境溫度。一般情況下：環(huán)境溫度每增加3，試驗(yàn)電壓提高3%；環(huán)境溫度每增加1，額定電流應(yīng)減少1.8%。（3）當(dāng)海拔高度大于1000m時，應(yīng)按照海拔校正系數(shù)Ka將電氣間隙、爬電距離和試驗(yàn)電壓進(jìn)行修正。Ka=1/（1.1-H×10-4）其中H為實(shí)際海

19、拔高度（m）。（4）成套開關(guān)設(shè)備的主回路中，導(dǎo)體連接部位由于存在接觸電阻，勢必溫升要略高一些。判定母線溫升是否超標(biāo)，設(shè)備在此溫升下是否可以繼續(xù)運(yùn)行，可參見GB/T11022-1999高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求中的規(guī)定：鍍銀母線連接處，溫升允許值為75K，鍍錫母線為65K，一般按65K考慮。即當(dāng)環(huán)境溫度為40時，其母線溫度不允許超過105，這是一個極限的數(shù)值。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行于某一負(fù)載電流值一段時間后，因需要想要增加負(fù)載容量即提高運(yùn)行電流值，此電流值仍在額定電流值之內(nèi)，由于各種因素制約如現(xiàn)場環(huán)境條件、使用情況等，要考慮現(xiàn)運(yùn)行狀況是否適合增加負(fù)載容量。理論依據(jù)為：I1/I2=（1/2）5/

20、8其中：I1未增加負(fù)載容量前的電流，A；1對應(yīng)于I1的溫升，K；I2增加負(fù)載容量后的計算電流，A；2對應(yīng)于I2的溫升，K。計算結(jié)果2的值要在溫升允許值內(nèi)，且留有一定裕量。7   結(jié)語大電流成套開關(guān)設(shè)備的設(shè)計，與普通的小電流開關(guān)設(shè)備設(shè)計存在一定的差異，需要特別注意母線、溫升、主回路的熱效應(yīng)和力效應(yīng)，才能確保產(chǎn)品在實(shí)際運(yùn)行中的安全可靠，這些問題的解決需要嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在理論計算的基礎(chǔ)上，制定出可行、合理的方案，進(jìn)行全面完善的設(shè)計，才能使產(chǎn)品經(jīng)得起實(shí)踐的考驗(yàn)。參考文獻(xiàn)：1GB3906-20063.6-40.5kv交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備。2孔慶東，羅敬安，林福本大電流母線的設(shè)計制造及安裝水利電力出版社，1988。3航天工業(yè)部第四規(guī)劃設(shè)計研究院編工廠配電設(shè)計手冊。矩形母線（執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GB319082 Gb558585） Rectangular bus bar (Specificationa:GB319082 Gb558585)導(dǎo)體尺寸單條Single雙條Double三條Threefold四條Fourfoldh*b mm*mm平放豎放Upright平放豎放Upright平放豎放Upright平放豎放UprightLay flatLay flatLay flatLay flat40*448050350*566169