浅谈10kV高压开关柜设计的几点体会

摘要：探讨了 l0kV 高压开关柜设计中关于绝缘距离、爬电距离、五防联锁功能、防护等级、 动稳定和温升问题。

1 概述

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。在十年的设计生涯中，对开关柜 的设计有了一些体会，现在写出来与大家一探讨，以求共同进步。

2 几点体会

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。

有时为了减少开关柜外形尺寸，可以有以下几种方法：

1)在空气间隙中插入一块非金属的绝缘隔板， 从而缩小对绝缘距离的要求。 但要注意的是 空气净距离不小于 60 毫米，相间绝缘隔板应设置在中间位置。该方法的缺点是绝缘隔板受 使用环境影响很大，存在绝缘老化的问题。

2)使用热缩套管把高压带电导体整个套起来， 实践中要确保绝缘距离不小于 100 毫米。 缺 点是热缩套管同样存在绝缘老化的问题。

3)国外 ABB 公司有一种均匀电场的设计理论， 可以通过改善带电导体的结构来缩小对绝缘 距离的要求。缺点是国内电力系统用户很难接受这一理论，因为这不符合 DI/T 404—1997 标准的要求。

4)国外三菱公司有一种热涂敷工艺， 可以在高压带电导体表面均匀附上一层绝缘材料。 缺 点是需要增添流化床设备。

综上所述，在设计许可的情况下，尽可能地使用空气绝缘，满足表 1 的要求。

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(纯瓷及有机绝缘件)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， 对于有机绝缘为 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。

综上所述，为了实现五防功能，机械联锁必不可少。各种型号的开关柜，如 GG—1A、 XGN2、GGX2、JYN、KYN、KGN、GZSl 均在机械联锁方面各具特色。多数采用机械零部件传动 方式，一环扣一环，除非操作人员用外力将零部件损坏，否则只能按预定程序操作，可靠性 高，但零部件结构复杂，对加工工艺要求较高。有时，我们也可采用机械程序锁方式，结构 非常简单，但由于存在万能钥匙，很难完全避免操作人员误操作。而且，这一方式无法适应 无人值守变电站的要求。在万不得已的情况下，如不带断路器的进线开关柜中，我们只能采 用电磁锁方式，由于电磁锁、分压瓷瓶和导线均有损坏的可能，还需外部电源供电，可靠性 差。至于高压带电显示装置，只能算是提示性措施，毫无可靠性可言，一般不推荐使用。当 然，运行人员要想通过高压带电显示装置来了解哪段主回路在带电运行，又另当别论。

2.4 关于防护等级

为了防止人体接近高压开关柜的高压带电部分和触及运动部分， 在设计开关柜时， 我们 应考虑要达到几级防护等级，防护等级分类如表 2。

设计时我们要注意随着防护等级的提高，生产成本相应提高，散热条件变差，所以不能追求 高的防护等级，一般以 IP3X 和 IP4X 为宜。

2.5 动稳定

在电力系统中，开关柜通常要能承受 20kA，31.5kA，40kA 甚至 50kA 的额定短路开断电 流，当开关柜中通过如此大的电流时，相间及同相母线之间会产生很大的电动力。这时，我 们需借助支撑绝缘子的支撑，使母线不会产生明显位移。一般而言，两个绝缘子之间的距离 不应超过 800 毫米，对于某些薄弱环节还应给予加强。由于动稳定的理论计算极其复杂，一 般设计时需依靠设计者的经验，最终需通过型式试验加以检验。

2.6 温升

电力系统中开关柜通常要能承受 4000A 及以下的正常工作电流， 由于一次元器件通常处 于密封的柜内运行，他们产生的热量很难散发到柜外，所以导致柜内温度升高。若温度超过 以下极限值，便会烧毁元器件，酿成事故。

表3

为了达到温升的限制条件， 我们必须加强制造工艺。 虽然我们可以采取在电气联接面上涂凡 士林、导电膏、镀锡、镀银等种种措施，但最终的保证在于制造。可以说，运行中发生事故 的绝大多数开关柜都是由于制造工艺不过关，从而导致温升过高引发的。当然，在结构设计 中，我们要极力避免涡流现象的发生，实在无法避免时，可采用磁阻率高的材料。

3 结束语

实际工作中，我深深感到开关柜的设计深度永无止境，有时，我们根本无法从理论上加 以论证分析，只能求助于经验，求助于型式试验，这也许是每门学科发展的现状，也是它得 以发展的根本原因。