大电流高开断成套开关设备的设计【原载《高压开关行业通讯》2010第8期

大电流高开断成套开关设备的设计【原载于】：《高压开关行业通讯》2010第8期。
锦州锦开电器集团有限责任公司 ***

摘要：通过对大电流成套开关设备的结构形式，母线和绝缘子的选型及其热效应和动效应的论证等，对6300A/80kA等级的12kV的成套开关设备的设计进行了总结，为行业中大电流高开断成套开关设备的设计提供了一些有益的经验和数据。
关键词：大电流 结构形式 温升 热效应 动效应 槽型母线
1 前言
随着电力系统容量的进一步增大和真空断路器开始应用于中压发电机出口，市场对大电流成套开关设备的需求不断增加，这就使得中压大电流成套开关设备面临一个全面的严峻的考验。锦州锦开电器集团有限责任公司于2006年成功地研制开发了XGN□-12/6300-80型成套开关设备，目前已有数套产品应用于不同用户，运行稳定良好，使得12kV大电流高开断成套设备的设计制造有了一个比较成功的经验。现就设计做一简单分析介绍。
2 大电流成套开关设备结构形式的选择
众所周知，成套开关设备按断路器的安装类别可分为手车式和固定式结构，其各有优缺点。
近年来由于手车式结构的成套设备检修方便、互换性好而占据更大的比重。选择何种结构形式是关系到产品能否给运行提供安全可靠的保证的关键。对于大电流成套设备，宜选择固定式结构，原因如下：
（1）手车式结构由于在工作时动静触头隐藏在触头盒内，对流和辐射的散热效果非常不理想，显而易见地要比暴露在空气中的同类导体温升要高。
（2）对于手车式结构，目前国内尚无专门应用于电流大于5000A的触头。主要体现在由于触指压力不足而导致接触电阻增大致使温升过高以及触头弹簧在高温下弹性发生变化，致使接触电阻增大。资料表明，触指间的压力减小1倍，其接触点的温升就升高2.5倍。如果单方面保证触指压力，又会致使手车在动静触头啮合时操作力过大。
（3）手车式结构普遍地存在动静触头对位不精准，无法观察，这在大电流产品中是一个致命的隐患。对于电流大于5000A的设备，国内普遍的做法是采用双触头，这更加大了动静触头对位不良的隐患。
（4）由于断路器体积、重量较大，使得手车笨重，操作不方便也是一个弱点。
（5）带有上下隔离开关的成套开关设备更容易满足GB3906-2006《3.6-40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》中提出的根据产品运行连续性进行分类的LSC2B类设计。
综上，我们认为对于电流大于5000A的12kV成套开关设备，合适的结构形式应该是固定式结构。这种固定式结构与一般意义上的还有一定差别，是将断路器置于一个车架上固定，再将整体手车牢固地固定于柜体框架上，导体连接部分采用硬母线螺栓连接。检修时只需拆下连接螺栓和固定螺栓便可以把手车拉出柜外。
3 母线的选择
对于额定短时耐受电流为80kA的开关设备，正常时其额定峰值耐受电流为200kA，应用于发电机出口时其额定峰值耐受电流为额定短时耐受电流的2.8倍，即224kA。其短路时的热效应和力效应相当巨大，合理选择母线和布置方式尤为重要。
3.1 母线的排列方式
对于水平布置的三相母线，当母线平放时，或者对于竖直布置的三相母线，当母线立放时，母线所承受的力效应最好。同时母线立放时载流量比平放时要高一些，这是由于要立放时散热性能要比平放时要好的缘故，所以应尽可能采用三相母线竖直布置，母线立放。
3.2母线的类型
户内成套开关设备中，母线按截面分为矩形、圆形、方管形、D型、槽型等，其中矩形母线在40.5kV及以下电压等级中应用最广泛，但其在大电流系统中的优越性就不明显了。一般常用矩形铜母线最大规格为120×10，载流量约为2220A，假如按4层TMX120×10选取，其额定载流量尚不足4000A，对于额定电流为6300A的开关设备远远满足不了需求。由于多层母线散热性能不好，消耗成本大且占用空间较大，所以对于户内设备如果4层矩形母线满足不了要求的，我们应考虑采用其他形式的合适母线。
其他形式的母线有圆形、D型、槽型等，圆形和D型母线集肤效应和防电晕效果较好，但连接比较复杂。槽型母线具有较好的抗弯强度，连接工艺性好，一般用于电流较大、力效应要求高的设备中。对于额定电流为6300A的开关设备，按照SDGJ14-1986《导体和电器选择上设计规定》中规定：20kV及以下回路的正常工作电流在4000A及以下时，宜选用矩形导体，在4000A～8000A时，宜选用槽型导体。经过对集肤效应、散热、机械强度和连接四方面的综合考虑，选用槽型母线电流分布比较均匀，与同截面的矩形导体相比，优点是散热性能好、机械强度高、电能损失少、安装检修也方便。由于槽型垂直方向有间隙，有利于表面的对流散热，相关资料表明载流量比同截面的矩形导体大35%左右，相应地其经济性能也较优。
设计选择：槽型母线。
3.3 母线的规格
母线长期允许的最大持续电流应大于或等于回路的最大持续工作电流。即：
IXU≥Ie/（k1.k2.k3.k4）
式中：
IXU——母线的允许电流，A；
Ie——回路最大持续工作电流，按6300A考虑；
K1——环境温度修正系数，按实际运行情况查表得k1=0.94；
K2——导体长期工作温度修正系数，设计导体长期工作温度为70℃，取k2=1；
K3——导体布置方式校正系数，设计选用间隙垂直放置，取k3=0.95；
K4——高海拔及日照影响修正系数，按海拔1000m以下设计k4=1。
计算得：IXU=7054A
由此确定出母线规格：
双槽型铜母线：
截面尺寸：2×（150×65×8）
截面面积：4880㎜2
允许电流：7200A（环境温度40℃）
3.4 热效应校验
根据GB3906-2006《3.6-40.5kv交流金属封闭开关设备和控制设备》中公式：
S≥（I/a）（t/△θ）1/2来确定母线的最小截面。
式中：
S——母线最小截面，㎜2；
I——额定短时耐受电流，A；
a——材质系数,A/㎜2，铜质为13；
t——额定短路持续时间,s，取4s；
△θ——温升,K，对于裸导体一般取180K，对于4s持续时间取215K。
计算得出：对于80kA/4S系统，选用铜母线最小截面积为：S≥840㎜2。
对比槽型母线截面可见，采用2×（150×65×8）双槽型铜母线，其截面满足热效应要求。
3.5 接地母线的选择
根据DL404-1997《户内交流高压开关柜订货技术条件》中规定，接地汇流排以及与之连接的导体截面，应能通过铭牌额定短路开断电流的87%。可以计算出系统短路容量为80kA时（短路时间按4s）的接地母线最小截面积为731㎜2。设计选用接地母线为TMY80×10。
4 支持绝缘子的跨距和选型
4.1 支持绝缘子的跨距
根据额定峰值耐受电流来确定铜母线最大跨距（两个支持绝缘子间的最大距离）。
原则：作用在母线上的作用应力（kg/cm）≤母线允许应力。
公式：△js=1.76L2ich2×10-3/aW≤△y
式中：
△js——作用于母线的作用应力，kg/cm2；
△y——母线允许最大应力，当母线为铜质时取1400；
L——母线支撑间距，cm；
a——相间距离，cm,按断路器相间为40cm；
W——双槽型母线截面系数，槽隙垂直布置查得29.4；
ich——额定峰值耐受电流,kA。
根据上式导出：
双槽型铜母线的最大跨距为LMAX≤892（aw）1/2/ ich=136cm
考虑到一定裕量，设计确定母线的最大跨距不大于1200㎜.
4.2 支持绝缘子的选型
发生三相短路时作用于母线上的最大电动力可按照下式：
Fjs=17.3×10-2KL ich2/a
式中：
Fjs——作用于母线的短路电动力,N；
K——绝缘子受力系数，水平放置时为1；
L——绝缘子间跨距（母线支撑间距）,㎝；
a——相间距离,㎝；
ich——额定峰值耐受电流kA。
计算结果：Fjs=26040N。
按照SDJ5-1985《高压配电装置技术设计规程》之规定，在短时荷载时，支柱绝缘子允许荷载的安全系数为1.67，即支柱绝缘子的抗弯强度应大于等于所承受的电动力的1.67倍。
故绝缘子的抗弯强度确定为：
Fph≥1.67 Fjs
其中Fph为绝缘子的抗弯强度（N），可参照相关产品样本。
计算得出绝缘子的抗弯强度：
Fph≥1.67×26040=44088N。
一般户内绝缘子的设计抗弯强度为20-30kN，单只绝缘子无法满足要求。我们选用ZNJ21-12型绝缘子两组并用，其单只抗弯强度为23kN，两只并用可满足44kN的需要。
5 其他设计考虑
5.1 断路器分合闸时对结构部件的冲击力的解决
大电流断路器要求其触头接触压力大，刚分和刚合速度高，势必导致分合闸时尤其是合闸时由于断路器的机械作用而产生的冲击力很大。当这种巨大的冲击力作用于硬母线系统时，其结果是母线由于接受应力释放而变形，与断路器相连接的母线和母线连接处螺栓松动和焊口开裂等，引起接触压力不足，接触电阻加大，温升升高。
解决这一问题的方法很简单，在断路器出线板与硬母线连接处采用软母线过渡，把断路器分合闸应力释放于软母线上，从而避免母线受到较大应力的冲击。
5.2 采用非导磁材料解决涡流发热问题
当电流通过可导磁的导体时，由于交变磁场的作用，会产生涡流和磁滞损耗，引起发热，而且损耗会随电流增加而上升。
在结构设计时要充分考虑：
（1）有母线通过的金属结构部件和附近结构部件，采用非导磁材料如无磁不锈钢板，例如母线护套安装板和穿墙套管安装板以及母线附近的横向结构部件。母线连接螺栓和母线夹具也要采用无磁不锈钢材料。
（2）在保证结构强度的情况下，尽可能加大导磁材料与母线的距离。
5.3 断路器和母线的散热处理
对于6300A的成套开关设备，其主回路电阻约在40-60μΩ，按照P=I2R原则，主回路发热功率约为1580W-2380W，如此大的热量在开关柜的狭小空间内如果不尽快散发到外部空间，后果是严重的。散热需要三个途径，即辐射、对流和传导，其中对流对于成套设备散热是一个关键环节，是利用柜内设置的轴流风机和柜顶部的风扇将柜内的热气体与外部环境空气交换，从而达到一个对流的理想状态的过程，是大电流开关设备必需的。选择轴流风机要兼顾功率、风量和风机的持续工作寿命等。在空间允许的条件下，可采用两只轴流风机定时轮流工作的方式，避免因轴流风机的损坏而停电检修。还要指出，轴流风机和风扇的安装方向要正确，避免风向吹反排反。
柜体的通风孔在设计中要充分考虑位置布置，使外部空气——轴流风机——柜内导体——柜顶风扇之间形成一个流畅的线路，同时还要兼顾设备的防护等级要求。
5.4 设置温升监测装置
大电流的成套设备的温升，直接关系到产品运行性能，由于母线接触面的接触电阻会随着母线氧化和在高温下运行而越来越大，造成运行环境越来越恶劣，甚至发生事故，故此，对于大电流开关设备温升进行在线监测就很必要。
配置温升在线监测装置，对母线温升尤其是断路器上下断口处的温升实施在线监控，一旦温升超出预先设定值，要及时排查原因，必要时停电检修。
5.5 母线的绝缘处理
对于槽型母线，无法套装热缩管，绝缘处理方式是将母线除连接部位外进行硫化处理，连接部位采用异型绝缘卡盒。
5.6 为减小母线连接处的接触电阻，母线连接处表面宜采用镀银处理，其连接螺栓宜采用8.8级高强度螺栓，提高其紧固力和抗剪切应力。
5.7 设计有上下隔离开关的成套设备时，隔离开关之间要有机械连锁，确保操作顺序和“五防”连锁功能。
6 说明
锦州锦开电器集团有限责任公司研发的大电流成套开关设备的相关技术参数如下：
额定电压：12kV
额定电流：6300A
额定频率：50Hz
额定短时耐受电流：80kA
额定峰值耐受电流：224kA
额定短路持续时间：4s
海拔高度：小于1000m
这是一种全工况全封闭、具有IAC功能的成套开关设备，外壳防护等级可达IP4X，其设计成果已经在实际应用中得以验证。如图是其中一种产品的结构示意图。
需要指出：
（1）以上设计和论证都是基于额定电流为6300A的负载，在实际应用中考虑到可靠性、裕量、寿命等多方面因素，大电流成套开关设备一般都运行在额定电流的70%左右，对于额定6300A的设备一般应运行在5000A左右。
（2）当成套设备的运行环境温度比设计规定的温度高时，要充分考虑母线的载流量裕量是否充足。
GB311.1-1997《高压输变电设备的绝缘配合》中规定：
环境温度高于40℃时，额定绝缘电压应乘以温度校正系数Kt=1＋0.0033（T-40），其中T为实际环境温度。一般情况下：环境温度每增加3℃，试验电压提高3%；环境温度每增加1℃，额定电流应减少1.8%。
（3）当海拔高度大于1000m时，应按照海拔校正系数Ka将电气间隙、爬电距离和试验电压进行修正。Ka=1/（1.1-H×10-4）其中H为实际海拔高度（m）。
（4）成套开关设备的主回路中，导体连接部位由于存在接触电阻，势必温升要略高一些。判定母线温升是否超标，设备在此温升下是否可以继续运行，可参见GB/T11022-1999《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》中的规定：镀银母线连接处，温升允许值为75K，镀锡母线为65K，一般按65K考虑。即当环境温度为40℃时，其母线温度不允许超过105℃，这是一个极限的数值。
当设备运行于某一负载电流值一段时间后，因需要想要增加负载容量即提高运行电流值，此电流值仍在额定电流值之内，由于各种因素制约如现场环境条件、使用情况等，要考虑现运行状况是否适合增加负载容量。理论依据为：
I1/I2=（θ1/θ2）5/8
其中：I1——未增加负载容量前的电流，A；
θ1——对应于I1的温升，K；
I2——增加负载容量后的计算电流，A；
θ2——对应于I2的温升，K。
计算结果θ2的值要在温升允许值内，且留有一定裕量。
7 结语
大电流成套开关设备的设计，与普通的小电流开关设备设计存在一定的差异，需要特别注意母线、温升、主回路的热效应和力效应，才能确保产品在实际运行中的安全可靠，这些问题的解决需要严格执行相关的技术标准，在理论计算的基础上，制定出可行、合理的方案，进行全面完善的设计，才能使产品经得起实践的考验。


参考文献：
［1］GB3906-2006《3.6-40.5kv交流金属封闭开关设备和控制设备》。
［2］孔庆东，罗敬安，林福本《大电流母线的设计制造及安装》水利电力出版社，1988。
［3］航天工业部第四规划设计研究院编《工厂配电设计手册》。

[ 本帖最后由 jk_00 于 2010-9-19 16:17 编辑 ]