10kV提升到20kV——开关设备改造升压的可行性分析

10kV提升到20kV
——开关设备改造升压的可行性分析
前言
江苏省电力公司结合江苏经济发展迅速，用电负荷增长快，城市负荷密度高而土地制约严峻等实际情况，总结研究了苏州工业园区20kV配电运行的实际经验，积极推广20kV电压供电和10kV配电系统的升压改造工程。采用20kV配电电压等级相比10kV而言，具有节约投资、节约用地、节能降耗等一系列优点。已建成的10kV城市配网，在未来的若干年内，用电负荷将增加较大，需要进行升压改造。本文针对10kV和20kV配电网主开关设备——开关柜和断路器的比较分析，对10kV升压为20kV的技术手段，进行了可行性分析。
正文
1．现有10kV、20kV开关设备技术状况和结构分析
目前在10kV和20kV系统中，主要的开关设备是金属封闭开关设备（中置柜）和断路器。
1．1两种电压等级的开关设备绝缘水平（江苏省电力公司企业标准Q/GDW-10-315-2008）：
空气净距/mm 工频耐压/kV 雷电冲击耐压/kV
相间、相对地 相对地 断口 相对地 断口
10kV 125 42 48 75 84
20kV 180 50/（65） 65/（79） 95/（125） 110/（145）
注：括号外数据为中性点经低电阻接地系统、括号内数据为中性点经消弧线圈接地或不接地系统
1．2柜体部分
10kV、20kV柜体外形尺寸：
柜型 外形尺寸（深×宽×高）
KYN28A-12 1500×800×2200
KYN28A-24 1900×1000×2400
10kV中置柜的外形尺寸要比20kV小很多，主要原因是绝缘距离的不同。
完全空气绝缘柜体宽度＝铜排宽度（100mm）×3＋相间净距×2＋相对地净距×2，那么对于10kV，柜体宽度＝100×3＋125×2＋125×2＝800mm。所以10kV选择800mm的柜宽。同理，对于20kV，柜体宽度＝100×3＋180×2＋180×2＝1020mm。所以20kV选择1000mm柜宽也是比较合理的。
从产品可靠性角度来说，空气绝缘是最可靠的，只要保证不同相导体间，导体和对地之间的绝缘净距，绝缘是可以得到保证的。








KYN28A-12开关设备结构示意图 KYN28A-24开关设备结构示意图
再从上面两张开关柜结构图可以看出，由于10kV与24kV开关设备绝缘水平的差异，导致结构布置的不同。10kV中置柜母线穿墙套管垂直布置，可以满足125mm的绝缘净距的要求；24kV中置柜必须采用1000的柜宽，同时穿墙套管呈品字型排布，才能够满足180mm的绝缘净距的要求。
1．3断路器部分
断路器同样基于绝缘的要求，断路器外形尺寸特别是触臂的深度和爬电距离，差异较大。10kV断路器极柱上下出线间距为275mm，20kV断路器为了增大爬距，上下极间距为310mm，断路器的体积因此增大。
10kV断路器外爬距≥240mm，触臂长度较短，触臂外绝缘使用PBT套管即可达到要求。20kV断路器外爬距要求≥240mm，必须将触臂长度加长，并且采用表面硫化涂覆的绝缘方式，厚度达到2mm以上，保证绝缘的可靠。







VBC-12/1250-31.5外形尺寸 VBC-24/1250-31.5外形尺寸
1．4其他元件
柜内所有的绝缘材料如母线套管、触头盒、支撑绝缘子由于电压等级的提高，必须加大爬距，因此外形尺寸变大。





10kV触头盒外形尺寸 20kV触头盒外形尺寸
柜内所装的器件如电流互感器、电压互感器、接地开关、避雷器等等，外形体积也比10kV的大很多。
2．参照10kV柜宽设计生产20kV柜体
2．1 800mm的柜体
10kV开关柜通常采用进线柜、联络柜1000mm，出线柜800mm的方案，有些制造厂在24kV电压等级，也使用了这样的柜宽方案。那么，绝缘水平的不适应性便凸现出来。主要是在工频耐压上，当系统中性点不接地时，此工频耐压值要明显高于国际标准和国家标准的50kV/1min，达到65kV/1min。由于800mm柜的空间限制，要达到这一要求，相对来讲比较困难。
为了满足上述的绝缘水平要求，一般在设计上除了均匀电场分布外，在绝缘隔离上要比1000mm开关柜加强，需要采用复合绝缘的方法：
（1） 主母线和分支母线使用热缩套管包覆，或采用环氧树脂硫化。在母线边缘采用圆角过渡，并且在母线室的母线搭接部位安装圆弧形的均压件，使电场分布均匀。
（2） 在导体对地和相间安装SMC绝缘隔板。同时，考虑到电场中不同介质的场强梯度，在安装时要注意高压导体与绝缘隔板之间的空气间隙。
使用复合绝缘的方式，环境条件的影响特别要引起重视，或者说复合绝缘材料对环境因素要求更高了。开关柜运行的环境条件是导致开关柜发生绝缘闪络的主要原因之一，SMC绝缘板具有一定的吸湿性，受潮后绝缘性能会大大降低，表面积污严重，在潮湿天气，柜内湿度较高，引起绝缘表面结露而爬电或放电，击穿造成事故。
800mm的柜宽，对柜体散热也提出了较高的要求，绝缘隔板的使用，空气对流散热受到一些影响，必须认真考虑。
对于2000A以上的大电流柜子，一般都是用作进线柜或母联柜，考虑到温升的裕度，同时断路器一次导电部分的体积较大，厂家都选择了1000mm的柜宽，10kV和20kV在这一点上没有什么区别。但是需要强调一点，10kV4000A的断路器配柜普遍采用风机强迫风冷的方式，20kV在3150A（固封极柱式）额定电流，基本上就需要风机散热了，否则温升很难控制。
2．2 配套元器件
目前，针对1250A及以下的出线柜，制造厂已经能够提供配800mm柜宽的断路器，例如扬州北辰的VBC-24/1250-25 P210型真空断路器。800mm的柜子主要需解决的是断路器进柜后的绝缘配合问题，柜内的活门导轨部分要重新设计改进，以保证65kV/1min的工频耐压合格。
由于20kV电压等级的电压互感器、电流互感器、避雷器等元器件体积较大，在设计安装这些器件的时候，需要合理考虑柜内布置，否则又会对温升造成不良影响。
3 在现有10kV柜体上进行技术改造
3．1结构上的改动
通常，断路器从试验位置到工作位置，10kV断路器手车的行程是200mm，20kV断路器手车的行程是300mm。如果在现有10kV柜体上进行改造，那么20kV手车的行程必须做到和10kV一致，柜体断路器手车室的深度才可以匹配，手车进出的导轨，活门机构才能够统一起来。
具体改动主要有：
（1） 触头盒的深度需要减小，但固定触头盒的安装板由原来的不锈钢板改成绝缘板（加大绝缘爬距），总体来看静触头到其他导体或对地的爬电距离不能减小。
（2） 断路器触臂长度减小到和10kV断路器一样长，避免结构上出现干涉，使用目前可靠性较高的固封极柱式断路器。
（3） 断路器使用10kV的手车，手车闭锁相应的机构部分需要重新调整。
对于柜内一些元器件，如接地开关，互感器等等，由于安装孔位置的不同，目前市场上还没有完全满足要求的产品。
3．2 绝缘上的加强
柜体内部绝缘同样需要采用复合绝缘的方式，由于10kV柜体的深度较小、空间较小，复合绝缘的使用将会大大增加。导电铜排需重新加工，所有铜排端面必须倒成圆弧角过渡，避免发生尖端放电现象。
3．3经济性分析
以一台开关柜（不含断路器）十万元计算，整个开关柜壳体的成本不到成套开关柜的十分之一，约在一万元左右。在现场进行改造，所消耗的人力、物力及时间，将会远远超过重新生产一台开关柜壳体的费用及工期。即使能完成的话，其可靠性也有待进行验证。
结语
采用20kV电压配电，是配网发展的必然趋势。在10kV升压至20kV的过程中，作为配网主设备的开关设备，主要需解决好绝缘配合问题。同时，国内电气制造业应积极推出20kV产品，投放市场，满足城市配电系统的需要。