中压开关柜的低碳精细化设计（二）

摘要：中压开关柜长期以来，一直采用粗放式生产，产品同质化高，双碳目标下需要产品采用低碳可降解材料、材料使用量要少、材料利用率要高、产品全生命周期资源消耗少，通过产品精细化设计，不仅可以实现产品的低碳化，还有利于延长产品的使用寿命、降低产品的成本，获得更多的市场利益。

1. 2.    导电回路

一般中压开关柜，开关柜钢板使用量293.7kg，占开关柜总重量的56.6%。开关柜铜排使用量88.2kg，占开关柜总重量的17%。

1. 2.1母线系统优化

母线系统作为开关柜重要的组成成分，对于1250A电流等级空气绝缘开关柜，铜排重量约为65kg，占开关柜总重量的13%，成本约为4550元（以7万/吨为例），占开关柜总成本的15%。而对于大电流如3150/4000A空气绝缘开关柜，铜排重量约235kg，占总重量的30%，成本16450元，占总成本的27%。

 

(1）截面的选择

常规矩形母线，受到集肤效应、邻近效应的影响，相对于管型母线、D型等异形母线，材料利用率低，集肤效应和邻近效应都是由于载流导体之间存在的电感差异引起的循环或涡流，避免这两种效应（并因此最小化损耗）的必要条件是导体的形状，圆形截面是优选的。铜管母线的集肤效应系数低，交流电阻小，因而母线的功率损失小。若采用多片矩形导体，随着片数的增加，集肤效应系数不断增加，单位截面的有效载流量下降，片与片之间电流分布不均匀，附加损耗加大。

常规电流等级管型母线、D型母线与矩形母线使用对比，如表1所示。管型母线由于载流量高，因此相对于矩形母线，可以使用更少的铜材，特别是大电流开关柜，如4000A开关柜，采用管型母线的开关柜每台可以比采用矩形铜排节省6270元，减少有色金属使用量、降低成本效果显著 。

表 1 不同截面形状母线的使用量对比

由表1可以看出，相同截面积的铜导体，圆管的载流量是矩形铜排的1.25倍，意味着相同截面的铜导体，圆管形状可以比矩形排多承载1/4的电流； 交流电阻与直流电阻之比只有1.05，意味着相同截面积具有相同的直流电阻，而圆管形状的交流电阻只是矩形排的60%(1.05/1.75)，可以减少40%的额外功率损失。 减少40%的发热，不但提高了开关柜的额定电流，同时发热低、温升低。

(2）母线系统组成

图2所示开关柜内部分支母线布置不同，铜排长度基本一致，采用相同矩形铜排成本相同，但通过合理设计，分支母线不需要绝缘子支撑，主母系通过穿墙套管支撑，方便安装，节省成本。母线布置需要充分考虑开关柜的温升设计，开关柜一次触头连接部位由于动连接，接触电阻大，发热高，同时由于密封在触头盒内部，热量不易散发出来。图2中方案二的分支母线从触头盒出来后向后部温度低的空间折弯，因温差大从而可以从触头盒内部传导出更多的热量，有效降低触头部位的温升。图2方案三采用管型母线，如表1所示载流量高，表面积大有利于散热，断路器动触头与管型母线一体的静触头直接动连接，减少静触头与分支排的连接，降低接触电阻，进而降低发热量。

方案   一                        方案二                                     方案三

图2 开关柜的母线布置

(3）接地母线

接地开关正常运行时是打开的，不承载电流，只有在开关柜以及连接电缆等检修维护时，才需要合上相应的接地开关，对操作人员进行人身安全保护，这就需要承载万一倒送电可能带来的接地短路电流，按照标准一般25kA/31.5kA 4s，同主回路一致。触头盒出线排处到接地开关的连接排无需考虑额定电流，只需考虑短路电流，因此按照GB/T3906附录D计算承受电流持续时间0.2s~5s的热效应的裸导体横截面积，不同短路电流下计算结果如表2所示。

表2 不同短路电流下热效应的裸导体横截面积

图 3 所示 1250A 31.5kA 开关柜，铜排 1 的计算截面 330.5mm ² ，采用 6 × 60 铜排即可，而有些厂家使用的是和主导电回路一致的母线规格 10 × 80mm ，造成浪费。对于铜排 3 根据计算截面积大于 222.2mm ² 即可，采用 6x40mm 铜排可以满足要求，采用 6x60mm 就过大。

图3   开关柜的接地母线系统

对于断路器手车接地回路，标准规定抽出式断路器的接地连接在使用条件下不会受到短路电流的影响，因此断路器手车的接地连接不需要短时耐受电流和峰值耐受电流试验，同时一般断路器隔室接地触头不会作为接地手车的接地连接使用，因此断路器手车的接地是保护接地，对于可抽出部件的接地，应接地的金属部件在试验位置、隔离位置以及中间位置应保持接地；在所有位置，接地连接的载流能力不应小于对外壳的要求值，也就是接地点通过直流30A时，其电压降最大为3V，即需要满足断路器车架至主接地排的接地电阻小于0.1Ω。

图3中的母线2，功能手车接地触头及其连接采用6x60mm铜排是完全没有必要的，可以采用3x20mm小铜排，接地触头可以采用触头压力10N，经计算电阻140μΩ，完全满足接地电阻要求，有些设计采用侧面接地触头与铝合金导轨接触实现接地保护。

1. 2.2母线的表面处理

开关柜接地排不承载电流，相比铁、锌、镁等金属，铜的耐蚀性比较强，与铝相比，铜更耐非氧化性酸、碱和海水等的腐蚀。因此开关柜内部接地连接及主接地排一般不需要镀锡等表面处理。

对于气体绝缘开关柜，主要采用SF ₆ 气体或环保气体的纯氮气绝缘或干燥空气绝缘，氮气和干燥空气(21%氧气+79%氮气)的绝缘性能接近，导热性能相近，因此相同结构对于工频耐受、雷电冲击耐受电压、温升试验等结果相近。

氮气和干燥空气的价格相近，因此产品成本也差不多。

按照GB/T11022-2020表14温升限值，氮气和六氟化硫一样，是NOG非氧化性气体，因此可以和SF ₆ 充气柜一样，内部铜件触头无需镀银或镀锡处理，裸铜排和镀银铜排温升限值一致，都是75k。

对于SF ₆ 气体绝缘开关柜，SF ₆ 气体属于NOG非氧化性气体。因此，SF ₆ 或氮气绝缘环网柜不存在氧化问题，铜排连接、触头完全无需镀银，完全可以满足产品性能要求，可靠运行，采用SF ₆ 、氮气绝缘的环保气体绝缘环网柜触头、连接不电镀，成本比干燥空气绝缘环网柜要低。而干燥空气含有氧气，属于OG氧化性气体，则裸铜排/触头的温升只有35k，因此气箱内部的铜排需要镀镍或镀银。  

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