谈如何改进10KV配电系统高压开关柜结构设计

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　　摘要：目前国内市场10KV配电系统高压开关柜,其结构形式逐步从落手车式发展为中置手车式。这一行业技术人员来说,较多关注开关柜结构、电气性能、开关使用可靠性等。长期技术实践发现,生产厂家对中置手车式开关柜一个重要辅件――运转车设计重视不够,运转车结构设计不合理,操作性能不好,有些会导致断路器手车底盘车变形,使开关柜无法正常工作。本文就当前市场上主流中置柜运转车结构特点及优缺点加以分析,并对改进方法进行初步探讨。
　　关键词:10KV配电系统 高压开关柜 结构设计
　　
　　1.引言
　　在电力系统中,l0kV高压开关柜的应用极其广泛。由于电力系统用户的需求五花八门,作为制造厂家,我们不得不针对用户的需求,为用户量身定做。这就要求我们必须真正深刻地理解相关的国家标准、部颁标准和标准柜型的设计要求。
　　高压开关是指用于电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用,电压等级在3.6kV～550kV的电器产品,主要包括高压断路器、高压隔离开关与接地开关、高压负荷开关、高压自动重合与分段器,高压操作机构、高压防爆配电装置和高压开关柜等几大类。高压开关制造业是输变电设备制造业的重要组成部分,在整个电力工业中占有非常重要的地位。
　　2. 关于10KV开关柜设计的一些思考
　　2.1绝缘距离
　　由于10kV开关柜用于对三相交流电进行分配，因此相间及相对地之间必须保证一定的距离，否则会引起短路，对整个电力系统造成危害。但我们单纯以空气作为绝缘介质时， 绝缘距离要求如表1。
　　
　　
　　2．2 爬电距离
　　由于电力系统用户往往追求高可靠性， 实践中我们要符合以下条件：高压开关柜中各组件及其支持绝缘件(纯瓷及订机绝缘件)的外绝缘爬电比距(高压电器组件外绝缘的爬电距离与额定电压之比)对于纯瓷绝缘为18mm／kV ， 对于订机绝缘为20mm/kV。由于这一要求比较高，很多常规的元器件往往满足不了要求，这就要求我们告知元器件生产厂家加以定制。元器件生产厂家往往会采用不增加绝缘子高度而增多或增高裙边的方法。我们在选型时要注意裙边的高度与裙距比例不能太悬殊。另外，我们还应注意开关柜使用场所的环境条件， 为了防止发生凝露，我们可以在开关柜中加入带自动控制的加热器。
　　2．3五防联锁功能
　　为了防止现场操作人员无意识地实施错误的操作。从而导致事故， 除了加强对操作人员的培训以及实施工作票制度， 我们还应在开关柜的设计中加入强制联锁装置或采取提示性措施。对于开关柜而言， 需提供五种防止误操作功能。
　　1)防止误分误合断路器
　　对于有人值守的变电站， 可采用不同编号的红绿翻牌来实现。即每台断路器均对应唯一编号的红绿翻牌， 平时红绿翻牌置于控制屏上。对于无人值守的变电站， 由于断路器的分合均从远方操作， 无法应用红绿翻牌方法， 只能加入电气联锁。
　　2)防止带负荷分合上下隔离开关或带负荷推入拉出断路器手车。这一功能一般都采用机械联锁进行强制性联锁。这一要求的原因是隔离开关和手车动静触头之间不具备分断和关合正常负荷电流的能力。万一误操作， 会烧毁隔离开关和手车动静触头， 事故还可能进一步扩大。
　　3)防止带电操合接地开关或挂接临时接地线。这一功能要求用机械联锁。因为它关系到人为短路接地。
　　4)防止带有临时接地线或接地开关合闸时送电。这一功能要求用机械联锁， 目的也是为了防止人为短路接地。
　　5)防止人误入带电间隔。这一功能一般也采用机械联锁， 目的
　　是为了防止人员触电。
　　3.目前主流运转车结构特点及性能比较
　　3.1主要结构型式
　　经了解,中置手车式高压柜运转车,主要基本类型有两种:螺杆式结构和挂钩式结构。螺杆式结构,主要体现:(1)螺杆实现运转车与柜体连接;(2)螺杆传动,实现断路器手车从柜体内进出;(3)断路器手车运转车上升降由螺杆装置驱动。这种结构代表是西门子公司中置柜运转车。挂钩式结构,主要体现:(1)挂钩和导向杆实现运转车与柜体连接;(2)调节手轮,实现运转车导轨面与柜体内导轨面一致性调整;(3)挂钩式运转车没有提升机构,需靠人力将断路器手车放置运转车或柜内,再运转车实现断路器手车进出。这种结构代表是ABB公司中置柜运转车。
　　3.2优缺点对比
　　相挂钩式运转车,螺杆式运转车提供了比较完善使用功能。但国内生产厂家选用螺杆式运转车并不普遍,主要原因是螺杆式运转车结构比较复杂,机加工零件较多,生产成本高,同时,与开关柜配套运转车所需数量较少,许多厂家并没有运转车上投入更多设计,重视不够。挂钩式运转车功能上不及螺杆式,但因其结构简单,易于加工制造,成本低廉,到了生产厂家广泛选用。,现场实践及对挂钩式运转车设计分析,发现目前常规挂钩式运转车均存一定缺陷,这种缺陷会对断路器手车造成潜损害,增加维护工作量,会引起非正常停电时间延长。下面,对当前主流挂钩式运转车缺陷进行了初步分析,并给出了一种可行改进方法,
　　4.常规挂钩式运转车结构分析
　　4.1挂钩式运转车两种常规结构
　　第一种结构常见于由敷铝锌板加工组合而成中置柜,柜内生产厂家大多与ABB公司生产ZS系列中置柜结构相类似,可安装VD4系列或VS1系列真空断路器手车。这类运转车存下列缺点:(1)运转车上两个导向杆只起导向作用,不受力。也就是说,运转车与开关柜体间仅靠挂钩一个点连接一起。(2)使挂钩顺利插入柜体内,设计上,必须留有一定间隙,以方便操作。推拉断路器手车时,间隙反映运转车导轨与柜体导轨之间。(3)经长期使用后,撞击力作用下,柜体上与挂钩连接处,以及运转车上挂钩轴会变形,这种变形导致了两导轨间间隙进一步扩大。间隙越大,撞击力越大,两者间形成恶性循环,最后导致运转车不能使用,或严重影响运转车使用安全。
　　第2种结构常见于柜体由型钢与金属板件组装而成中置柜。这类柜体也可安装VD4系列或VS1系列真空断路器手车。这种结构可以消除两导轨间水平间隙,设计上却存一个垂直高度差,它导致了更大撞击力。同时,使用时如不仔细调整,会使垂直高度差变更大。从使用效果来看,这种结构同前者比,操作性及安全性更差。
　　4.2运转车结构对实际使用影响
　　通过现场调查和分析对比,发现运转车结构对中置柜操作性能影响是渐进,影响巨大。其主要表现两个方面:(1)对操作性和使用安全性影响:这种影响产品交付前期影响并不显着,时间推移,影响越来越明显,运转车操作性和使用安全性大大降低。(2)对断路器手车影响:这种影响主撞击力造成,撞击力导致断路器手车车轮变形。安装及现场调试阶段,对断路器手车推拉操作次数最多,车轮变形往往是这一阶段出现。车轮变形导致手车推拉困难,会将断路器手车卡死运转车或柜体导轨内。是例行停电维修时出现此种故障,必然会延长停电时间,形成不能按时供电事故。统计发现,产品投运前,约有10%~20%手车轮存不同程度变形,每个工程中约有一、二台变形较大影响正常操作,需维修处理。
　　5.对10KV配电系统高压开关柜结构设计改进的措施
　　针对上文所述运转车存问题,我们设计了一种改进方案,这种方案着重解决了上文所述挂钩式运转车存各种缺陷,主要表现以下几个方面:
　　(1)消除柜体导轨与运转车导轨之间间隙,避免产生撞击力,结构上,确保当运转车靠紧柜体时,运转车导轨与柜体导轨可靠接触,基本无间隙。
　　(2)特别设计了锁定装置:利用磨擦自锁原理,一个特别设计凸轮装置,可以实现运转车锁定。其工作方式为:凸轮未锁定前,弹簧作用下挂钩与柜体接触面间有一定操作间隙,可以使运转车挂钩顺利插入并钩住柜体。逆时针转动凸轮,消除操作间隙,将运转车与柜体可靠锁定,推拉断路器手车时,无需再靠人力顶住运转车,操作可靠性以提升。同时,为保证挂钩转轴不因受力变形,将挂钩转轴处改为腰形孔,锁定前,弹簧将挂钩向前拉,保证了挂钩与柜体正常操作间隙。
　　(3)操作间隙调整:一段时间使用后,挂钩及凸轮会磨损,间隙增大,会降低锁紧力,针对可能出现这种情况,凸轮与运转车之间,增设了调整垫。调整垫可以作为配件,由用户需要自行添加。
　　6.结束语
　　通过试验和使用综合评价是:(1)改进成本:如上所述,与原结构相比,改进后并没有增加太多零件,新增成本相开关柜而言,可以忽略不计。另外,还可对已出厂运转车进行改造,提高运转车操作可靠性。(2)改进效果及用户反映:将改进后运转车交用户试用后,到了用户肯定,他们认为,操作可靠性、安全性、操作简便程度以及对断路器手车保护等各方面,均比原结构有较大提升。
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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