40.5kV 空气绝缘开关柜可靠性设计(一)

摘要：空气绝缘开关柜作为40.5kV 这一电压等级的主流产品，一直是用电企业重点关注的产品，由于电压高、尺寸紧凑，多采用复合绝缘，因此产品的维护、保养以及健康状态监测至关重要。本文主要对40.5kV空气绝缘的开关设备的绝缘性能、长期运行的温升、机械操作特性和工程设计进行分析、建议，帮助行业提高40.5kV空气绝缘开关柜的产品可靠性。     

0 引言：

在我国城市电网电压等级中，上海、北京、天津、重庆、华东地区都设有40.5kV级；虽然，其它地区没有 40.5kV系统，但上海、北京、天津、华东地区用电量很大，有相当大市场；同时水泥、汽车、钢铁、纺织、造纸、石化、牵引供电设备等大型用户40.5kV开关设备需求也很大；据高压开关分会统计，2021年全国生产 40.5kV电压等级的金属封闭开关设备 109933余面；其中空气绝缘金属封闭开关设备79287面，占72%，而其中抽出式开关柜KYN系列62836面，占总数的57%。

1. 绝缘性能

1.1 绝缘方式

40.5kV 电压等级的开关设备主要有空气绝缘（ AIS ）和气体绝缘（ GIS ）两种， AIS 主要采用空气 + 固体组合的复合绝缘形式，通过采用环氧浇注、绝缘隔板、绝缘套等措施，有效的减少外型尺寸；而气体绝缘开关设备 GIS ，作为高压气体绝缘开关设备向中压领域的延伸，以其体积小巧、不受环境影响、性能可靠、免维护等优点正逐步扩大市场，在地铁、隧道等对建筑成本要求较高的场所需求量很大。

对于 40.5kV 电压等级开关设备来说，绝缘是最为重要的性能，即必须能够承受标准规定的雷电冲击及工频耐受电压。 GB311.1 规定 40.5kV 电压等级的开关设备应满足工频耐压 1 分钟 95kV 、断口 118kV ，雷电冲击电压 185kV （峰值）、断口 215kV （峰值）。 DL/T593 《高压开关设备的共用订货技术条件》中，对 40.5kV 电压等级的开关设备各相导体的相间及对地规定的净距是 300mm ，按照 IEC62271-1 标准， 36kV 开关设备的雷电冲击耐受电压值是 170kV ， IEC60071 标准定义的 170kV 冲击耐受电压对应的空气最小电气间隙是 320mm ，因此对于雷电冲击耐受电压 185kV 来说，空气净距 300mm 是不能满足要求的。

从上世纪 90 年代开始， 40.5kV 开关设备出现小型化、抽出式产品，早期是引进国外先进的断路器配开关柜，如伊顿西屋的 405W-VACW ，梅兰日兰的 CEI 断路器。这些断路器尺寸小，可靠性高，但电压等级按国外 IEC 标准 36kV( 工频耐压 70kV ，雷电冲击耐压 170kV) ， 不能满足 GB 标准 40.5kV( 工频耐压 95kV ，雷电冲击 185kV) 的要求，外资品牌 40.5kV 电压等级的开关柜宽度是 1200mm ，相间距及距地距离一般是 275/300mm ，而触臂、母排宽度（圆母排直径）、柜体侧板折弯一般大于 50mm ，也就是说，相间及距地净距只有 250mm 。由于雷电冲击耐压受到电场均匀程度、电极布置、湿度、环境等很多因素影响，难以准确定量分析，所以绝缘设计应要充分考虑各种因素，采用何种绝缘材料、绝缘方式以及母排形状、布置等是十分重要的。影响绝缘的因素主要有环境温度、环境湿度、污秽环境、腐蚀性气体等。  

开关柜绝缘的构成主要有以下几种：  

1 ） 主绝缘：为一种使用单一的绝缘材料形成放电路径的绝缘方式。根据主绝缘材料的耐受电压性能来决定相间、相对 地之间的距离，主绝缘一般采用被覆绝缘、屏障绝缘等方式。  

2 ） 复合绝缘：为一种组合式绝缘方式，主绝缘材料采用空气或 SF ₆ 等其它绝缘气体，再组合环氧树脂、硅橡胶等固体绝缘材料作为辅助绝缘的结构形式。  

3 ） 沿面绝缘：为一种用以固定相间或相对地的环氧树脂固体绝缘材料的表面放电路径的绝缘结构形式，它的放电路径的长度平时称为 “ 爬距 ” 。  

4 ） 界面绝缘：为一种大多数固体绝缘件构成的接触面成为放电路径的绝缘结构形式。