12kV环保气体绝缘开关柜的设计_王广先.pdf

60电工电气电工电气 (2023 No.3)基金项目：2021 年度松江区产业化关键或共性技术研究项目(产业化(技术研究)2021-07)作者简介：王广先(1985)，男，高级工程师，硕士，从事中高压成套设备设计研发工作。王广先，马赫然(正泰电气股份有限公司，上海 201614)摘 要：为了实现“碳达峰”、“碳中和”的目标，环保气体绝缘开关柜的市场需求量在日益增加。介绍了一种 12 kV 环保气体绝缘开关柜，通过采用一种洁净气体(干燥空气或氮气)代替六氟化硫(SF6)作为绝缘介质，搭配真空断路器实现开关设备的灭弧与绝缘。通过优化产品结构，统一三工位开关和断路器组合方式，实现中压气体绝缘开关柜结构的更加合理性和电气绝缘系统的优化效果，该产品为减少环境污染，早日实现“碳中和”目标提供了助力。关键词：环保气体；气体绝缘开关柜；碳中和；电气绝缘系统中图分类号：TM591 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2023)03-0060-06 Abstract:Under the circumstance of“carbon peak”and“carbon neutrality”,the demand for environmental-friendly gas insulated switch-gears in the market is rising.The paper introduces a 12 kV environmental-friendly gas insulated switchgear which uses a kind of clean gas(dry air or Nitrogen gas)to replace SF6 as the insulating medium to realize its arc quenching and insulation with the help of the vacuum circuit breaker.The optimization of product structure and the union of combing three position switches with circuit breakers make the medium-volt-age gas-insulated switchgear structure more reasonable and electrical insulation system better.This product is good for reducing environmen-tal pollution and realizing the goal of“carbon neutrality”at an early date.Key words:environmental-friendly gas;gas insulated switchgear;carbon neutrality;electrical insulation systemWANG Guang-xian,MA He-ran（CHINT Electric Co.,Ltd,Shanghai 201614,China）Design of 12 kV Environmental-Friendly Gas Insulated Switchgear12 kV环保气体绝缘开关柜的设计0 引言为了实现“碳达峰”、“碳中和”的目标，环保气体绝缘开关柜的市场需求量在日益增加。传统气体绝缘开关柜采用六氟化硫(SF6)气体作为绝缘介质，它不仅全球变暖潜能值指数高、使用寿命长，而且作为绝缘和灭弧介质，在电弧作用下具有很强的腐蚀性与毒性。在“碳达峰”、“碳中和”的大环境下，寻求环境友好型 SF6替代气体成为行业重点关注对象，因此满足市场需求的环保气体绝缘开关柜便应运而生。1 开关柜产品结构整体结构仍采用柜式、上中下布置方式。柜体结构采用模块化设计，分仪表室、机构室、母线室、密封箱体、电缆室、泄压通道六大模块，具体如图 1 所示。仪表室和机构室位于柜体前侧，作为二次控制元件及操作机构的安装、控制单元；母线室位于柜体上部气箱的顶部，作为固体绝缘母线的连接单元；柜体底部为电缆室，用于高压一次电缆、避雷器、互感器等的安装；高压密封箱体装于电缆室框架上1。12 kV 环保气体绝缘开关柜(12 kV 环保充气柜)采用单气箱结构，三工位隔离开关支撑于断路器极柱上，其具有结构简单、体积小、易安装等特点。12 kV 电压等级产品采用固封极柱结构，可以忽略长期带电状态下隔离开关对断路器绝缘、机械性能方面的影响。泄压通道作为柜后检修和一次绝缘故障泄压使用。各模块间可独立分开同步安装，有效提高生产效率，装配完成后实现整柜快速灵活拼接。本文重点介绍 12 kV 环保充气柜的设计。12 kV环保气体绝缘开关柜的设计61 电工电气电工电气 (2023 No.3)2 主要技术参数1)额定电压：12 kV；2)额定频率：50 Hz；3)额定电流：1 250 3 150 A；4)零表压 1 min 工频耐压试验：42/48 kV(相间、对地/隔离断口)，零表压雷电冲击耐压试验：75/85 kV(相间、对地/隔离断口)；5)额定短路开断电流：31.5 kA(40 kA)；6)额定短路关合电流：80 kA(100 kA)；7)绝缘介质：干燥空气或氮气，额定充气压力(20 表压)0.02 MPa，最低功能压力 20 零表压。3 绝缘设计提高绝缘性能的方法主要有：(1)改进导体端部形状，均匀断口间电场分布，减小断口距离；(2)采用复合绝缘提高系统绝缘性能；(3)增加圆柱形或球形电场屏蔽件改善局部电场分布，减小放电概率；(4)保持气箱及绝缘件干燥、清洁，降低电场集中效应，提高绝缘可靠性。3.1 理论计算根据经验公式：Up=(1/f)Ed(10p)0.75d (1)式中：Up为环保气体冲击电压(kV)，Ed为冲击电压电场强度(kV/cm)，f为电场不均匀系数，p为环保气体的绝对压力(MPa)，d为绝缘净距离(cm)2。12 kV 电压等级，采用干燥空气，在 0.10 MPa绝对充气压力下，对环保充气柜相间、相对地/断口依次施加雷电冲击电压 75/85 kV，稍不均匀电场下的环保气体临界击穿场强E0取 28 kV/cm，冲击电压电场强度Ed=28 kV/cm，电场不均匀系数f根据仿真结果分别为：刀闸式三工位开关f 3.0，直动式三工位开关f 2.2，断路器及连接导体间f 2.2。计算后得出刀闸式三工位开关隔离断口距离大于 90 mm，直动式三工位开关隔离断口距离大于或等于 67 mm，其他导体间及对地净距离大于或等于 58 mm，均可满足零表压绝缘设计要求。许用工频击穿场强和冲击电压场强的关系Eg=0.52Ed3。本产品确定的相间及相对地距离为大于或等于65 mm，刀闸式三工位隔离断口距离为(982)mm，直动式三工位隔离断口距离为(702)mm。3.2 仿真分析3.2.1 模型建立分别建立环保充气柜导通状态和三工位隔离开关断开状态下的两种模型，以条件较严苛的 600 mm柜宽、额定电流 1 250 A 的刀闸式三工位隔离开关为例，主要校核隔离位置 A 相触头对母线侧铜排导体、相间和整体电场分布。1)模型材料参数产品的绝缘材料由干燥空气和环氧树脂组成，其相对介电常数如表 1 所示。2)网格划分为了计算的精确性，对主要考虑的导体进行网格细化，并根据仿真结果对电场较集中部位进行进一步细化。3.2.2 计算判据环氧树脂和裸露空气的导体的许用场强如表 2所示。3.2.3 仿真结果1)断开工况仿真结果此工况下模型A相导体施加工频电压48 kV，B相表1 绝缘材料相对介电常数材料相对介电常数环氧树脂4空气1表2 材料许用场强明细表位置许用场强备注高压导体(空气中)2.01 min工频耐压下环氧树脂沿面(空气中)2.01 min工频耐压下环氧树脂内部3.01 min工频耐压下空气2.21 min工频耐压下kV/mm图1 开关柜整体布局图母线室仪表室机构室电缆室密封箱体泄压通道12 kV环保气体绝缘开关柜的设计62电工电气电工电气 (2023 No.3)和 C 相导体施加工频电压 0 kV，壳体加强筋为悬浮电位，计算结果如图 2 所示。2)导通工况仿真结果此工况下模型 A 相导体施加工频电压 42 kV，B 相和 C 相导体施加工频电压 0 kV，壳体加强筋为悬浮电位，导通工况下导体沿面电场强度分布如图 3 所示，1 min 工频耐压下电场强度计算结果如表 3 所示。仿真结果中环氧树脂沿面、环氧树脂内部和高压导体表面的最大电场强度均完全满足判据要求。4 载流设计重点研究导体电阻损耗、涡流损耗、介质损耗等对开关柜整体载流与温升的影响。研究开关布局、热量传递途径对开关柜整体散热的影响。1)减少导体发热根据导体发热公式P1=I2L/S分析，其中，为电阻率，I为流过的电流，L为长度，S为截面面积4。减少发热常用措施有：导体材料宜选用T2 铜等高导电率材料，导体的折弯半径尽可能大，单位：kV/m2 161.5 Max2 1881 914.51 6411 367.51 094820.51547.01273.50.000 434 14 MinMaxa)气体中电场强度分布单位：kV/m2 527.2 Max2 246.41 965.61 684.81 4041 123.2842.39561.59280.80.000 832 18 MinMaxc)环氧树脂内部电场强度分布单位：kV/m1 960.2 Max1 742.41 524.61 306.81 089871.21653.41435.61217.80.001 435 2 MinMaxb)导体沿面电场强度分布图2 断开工况下电场强度分布仿真结果单位：kV/m1 310.7 Max1 165.21019.6874.09728.55583.01437.47291.93146.390.851 86 MinMaxd)环氧树脂沿面电场强度分布单位：kVMax42.315 Max35.25528.19621.13614.0777.017-0.042 521-7.102-14.162-21.221 Mina)导体电位分布b)导体/环氧树脂沿面电场强度分布单位：kV/mMax2 622.2 Max2 2001 9251 6501 3751 1008255502750 Min图3 导通工况下导体电位及导体沿面电场强度分布表3 1 min工频耐压下电场强度计算结果位置最大电场强度计算判据 电场强度最大位置高压导体(空气中)1.962.0图2 b)环氧树脂沿面(空气中)0.972.0图2 d)、图3 b)环氧树脂内部0.633.0图2 c)空气1.962.2图2 a)kV/mm12 kV环保气体绝缘开关柜的设计63 电工电气电工电气 (2023 No.3)并避免折弯破裂；导体截面选择应满足载流要求；控制导体长度，减少内部导体连接点以减少导体发热，母排搭接面采用多孔连接并保证可靠接触；选择本体电阻较小的真空灭弧室。其他措施：大电流时需考虑载流导体的集肤效应和邻近效应，尽量选用铜管代替铜棒以节约材料促进散热，多层铜排布置时应尽量增大铜排间间隙；加大接触面积，导电接触面采用镀银、镀锡处理；载流导体穿越金属箱体或柜体时，采用防涡流设计。2)增加散热根据导体散热公式P2=KTLM，其中，KT为综合散热系数，M为导体截面的周长，LM为表面积，为温升5，增加散热常用措施有：(1)导体表面及气箱外表面涂敷散热降温涂料提高热辐射系数，可涂于铜排表面或气箱外壁；导体截面应尽量选用扁平结构；铜排搭接面局部镀银提高导热效果，增加铜排非接触区域的粗糙度，或者铜排刷黑。(2)设计专用散热装置，从经济性出发，宜采用铝或铝合金制品作为散热装置的材质，增大散热表面积，以增加热传导、热对流和热辐射效率；散热装置与热源连接时，可涂抹导热胶或导热硅脂，克服金属接触面的微小缝隙，减少热阻。(3)利用风道效应，增加风道高度差，并尽量使吸气口面积和排气口面积相匹配；采用热管技术，加快开关柜内外空间热交换。5 电动力仿真与计算5.1 理论计算1)短时耐受、峰值耐受电流的计算承受 2 4 s 额定短时耐受电流热效应的导体截面积计算方法详见 GB/T 3906 附录 D。2)触头压力计算触头压力可用下列经验公式计算：式中：Fk为触头压力(N)，l为触头弹簧固定点跨距(m)，i为单片触指短路电流(A)，d为两平行刀片中心距(m)6。3)收缩电动力计算收缩电动力可用下列经验公式计算：式中：Fh为收缩电动力(N)，0为空气磁导率(N/A2)，R为触头/触点等效半径(mm)，r为导电斑点半径(mm)7。相内相吸电动力可用下列经验公式计算：式中：F为相内相吸电动力（N)，K为矩形导体形状系数，C为平行导体回路系数，ich为三相短路冲击电流(A)，L为触头刀片长度(m)。三相短路时相间最大电动力：式中：Fzd为相间最大电动力(N)，a为相间中心距(m)8。收缩电动力使触点相互排斥，会推动刀片张开，降低刀片的触头压力，是一种对电动稳定性不利的电动力。然而当短路电流通过刀片时，在刀片自身产生了很大的相互吸引的电动力，在该电动力作用下，两平行刀片将静触头抱死，提供了足够的触头压力，保证了触点的可靠接触。5.2 三相短路电动力仿真分析5.2.1 模型建立针对 1.25 31.5 kA 接地开关进行短路关合工况下的电动力仿真，建立接地开关动静触头模型如图 4 所示，用以校核接地开关导体和接地开关的结构强度9-10。5.2.2 仿真结果三工位隔离开关 A、B、C 三相施加短路电流后的电动力仿真结果如图 5 所示。A、B、C 三相短(2)Fk=0.2li2d(3)Fh=ln0i24Rr(4)F=10-7KCich24(6)Fzd=1.7310-7 ich2la(5)C=(1+()2-2LddLdL图4 接地开关动静触头模型C相B相A相导体1导体2导体4导体312 kV环保气体绝缘开关柜的设计64电工电气电工电气 (2023 No.3)路电流是根据相位角t在 0、30、60、90、120、150、180时计算三相导体受电动力影响的情况。短路电流产生的热对材料属性的影响不在本次考虑范围。根据型式试验的要求，接地关合试验短路电流为 31.5 kA，理论峰值电流为 80 kA。三相短路情况下接地开关各导体上的电动力合力如表 4 所示。5.3 电磁力-结构耦合分析基于接地开关本体，在 Ansys Mechanical 中导入动静触头支撑模型。接地开关动静触头材质为铜，静触头支撑座和屏蔽罩材料为硬铝，碟簧与导向杆材料为 45#钢，材料力学参数如表 5 所示。设置支撑板底面为固定约束。导入三相短路状态下 Maxwell 电磁力的计算结果，结构施加自重。接地开关的电磁力-结构耦合仿真结果见图6、图 7。结构强度仿真结果汇总如表 6 所示。综上所述，在本次电磁力-结构耦合的工况下，铜、45#钢、硬铝材料的最大应力均在抗拉强度内，结构不会发生破坏。6 产品优势1)经济环保，助力“双碳”。环保气体绝缘开关柜采用更经济环保的干燥空气或氮气作为绝缘介质，通过优化电场及产品结构，实现了环保气体在零表压充气压力下的电气绝缘要求11。采用环保气体绝缘，解决了传统气体绝缘柜有毒气体泄漏及低气压带来的安全隐患问题。2)满足小型化、大容量需求。通过减少发热和促进散热等一系列措施，解决了大电流开关柜1.1 倍额定电流下的温升散热问题。通过优化气箱内一次高压元件结构和布局，改善内部环境，在不增加柜体尺寸的情况下(与 SF6气体绝缘柜尺寸保持一致)，实现产品的小型化设计。3)标准化、集成化设计。本项目将直动式三工位隔离开关与刀闸式三工位隔离开关通过统一传动与布局的方式实现了产品的高度标准与统一，如图 8 所示，从企业的角度提高产品标准化程度和配套率。另外针对产品特点研发充气柜专用固封极柱，优化断路器进、出线方式，增加极柱散热风道，搭配自主研发断路器机构解决现有产品外形多样化和气箱结构不统一等问题。同时，将三工位开关与断路器进行组合布局，可在气箱外完成三工位和断路器的整体安装、调试，再一并投入气箱内，提高生表4 接地开关各导体上的电动力合力大小相别导体1导体2导体3导体4A840.11 234.52 457.2774.2B478.01 374.1275.6467.5C144.6223.8388.5149.1N表5 材料力学参数材料密度/(kg m-3)杨氏模量/MPa泊松比抗拉强度/MPa硬铝2 77071 0000.3346945#钢7 850210 0000.30600铜8 300110 0000.34295表6 结构强度仿真结果材料最大应力/MPa变形量/mm抗拉强度/MPa铜110.3201.15029445#钢489.2601.030600硬铝26.2840.001469图5 相位角 t在90 时三相导体受电动力影响情况单位：N8.000 01077.466 71076.933 31076.400 01075.866 71075.333 31074.800 01074.266 71073.733 31073.200 01072.666 71072.133 31071.600 01071.066 71075.333 31060ABC图6 导体变形云图单位：mm1.154 5 Max1.072 20.989 940.907 670.825 410.743 140.660 880.578 610.496 350.414 080.331 820.249 550.167 290.085 0230.002 758 4 Min图7 导体应力云图单位：MPa110.32 Max101.1291.93282.73873.54564.35255.15945.96636.77327.5818.3879.19340.000 236 4 Min12 kV环保气体绝缘开关柜的设计65 电工电气电工电气 (2023 No.3)产效率及安装质量。7 结语针对近年来国际国内市场竞争的新特点和国家发展方向，除大力发展超高压特高压领域产品外，因势利导，适时调整，推进智能电网相关产品研发和建设，以期建立智能电网关键技术研发基地和核心设备产业基地，大力发展在新能源、智能电网、轨道交通等方面的新产品，持续开展智能化、集成化、小型化、节能环保技术12。NGH-12 系列气体绝缘开关柜是一款采用纯氮气作为绝缘介质，集标准化、模块化、智能化于一体的新一代环保气体绝缘交流金属封闭开关设备。该产品在零表压绝缘与大电流温升上实现技术突破，最大馈线电流可达 3 150 A，满足用户大容量配电需求。3 150 A 环保柜柜宽仅为 800 mm。采用纯氮气绝缘介质，既延续了优秀的绝缘性能，又实现了用户对于环保的切实需求。参考文献1 王广先，黄强，吴昊，等.一种常压气体绝缘开关柜的制作方法：CN212587873UP.2021-02-23.2 孙鹏程，王帮田，李炎光，等.N2绝缘介质在中压开关领域的应用试验研究 J.机电设备，2015，32(4)：43-46.3 黎斌.SF6高压电器设计M.北京：机械工业出版社，20094 江春梅，张爱金，徐春林，等.充气柜的温升控制分析 J.电气制造，2013(4)：23-25.5 曹叶飞，朱晓东，谭燕.大电流中压交流气体绝缘金属封闭开关设备的散热结构设计 J.高压电器，2018，54(1)：200-206.6 张书琴.玫瑰形插入式触头的设计与计算 J.高压电器，1999，35(5)：52-54 7 王家鑫.一种大容量接地开关触头结构的电动力分析与计算 J.电器与能效管理技术，2020(3)：55-58.8 崔静，王沙，王阳，等.低压配电系统中矩形水平母线动热稳定计算 J.低压电器，2013(21)：64-68.9 林莘，何柏娜，徐建源.自力型触头的设计与计算J.高电压技术，2008，34(4)：828-830 10 王平.自力型触头的应用 J.高压电器，1996，32(5)：41-4311 郭黎黎，王平，韩辰光，等.12 kV 氮气绝缘开关柜中真空灭弧室外绝缘结构的电场优化设计 J.高压电器，2020，56(11)：152-159.12 王广先，赵瑞影.中压充气柜产品市场应用现状及发展趋势 J.电工电气，2021(1)：1-4.收稿日期：2022-12-07a)直动式三工位隔离开关b)刀闸式三工位隔离开关图8 标准组合式三工位隔离开关结构12 kV环保气体绝缘开关柜的设计12 林达，王慧芳，何奔腾，等.基于波形相关性的带并联电抗器线路永久性故障判别方法 J.电力系统自动化，2013，37(16)：80-84.13 王庆庆，王慧芳，林达，等.带并联电抗器线路单相永久性故障的识别方法 J.电力系统自动化，2015，39(5)：101-106.14 索南加乐，孙丹丹，付伟，等.带并联电抗器输电线路单相自动重合闸永久故障的识别原理研究 J.中国电机工程学报，2006，26(11)：75-81.15 索南加乐，宋国兵，邵文权，等.两端带并联电抗器输电线路永久故障判别 J.电力系统自动化，2007，31(20)：56-60.16 林富洪.超高压带并联电抗器线路的故障测距算法J.现代电力，2010，27(1)：40-44.17 刘东超，李永丽，曾志安.带并联电抗器的双回线故障测距算法研究 J.电力系统及其自动化学报，2006，18(2)：5-9.18 郭容，刘新东，曾锐明.带并联电抗器高压长线路的故障测距算法研究 J.现代电力，2013，30(4)：62-66.收稿日期：2022-10-18(上接第54页)