一種12kV環保氣體絕緣環網柜的研制

摘要：針對SF6氣體絕緣環網柜存在的溫室效應問題，開發出一種12kV環保氣體絕緣環網柜。該環網柜以干凈氮氣絕緣，融合真空開斷技術，通過采取復合絕緣，加裝、增加傘裙等措施解決絕緣設計關鍵問題，新設計的環網柜通過型式試驗驗證。該產品保持了環網柜體積小的特點，兼顧了環保性能，符合智能電網節能減排建設要求。

關鍵詞：氮氣絕緣；環網柜；絕緣性能；試驗驗證

Development of a 12kV environment-protection gas-insulated ring main unit

Wang Yulong，Kong Xiangchong，Peng Fengjuan，Yang Kun

（1.QingdaoYihe Electric Group Co., Ltd., Qingdao 266510,China；2.Electrical research institute of Huangdao District, Qingdao，266510，China）

Abstract: In view of the greenhouse effect problem of SF6 gas-insulated ring main unit, a 12kV environment-protection gas-insulated ring main unit is developed. The ring main unit is insulated with clean nitrogen and integrated with vacuum breaking technology. The key problems of insulation design are solved by adopting composite insulation, adding umbrella skirt and other measures. The newly designed ring main unit has passed the type test verification. The product maintains the characteristics size of the ring main unit, takes into account the environmental protection performance, and meets the requirements of energy saving and emission reduction construction of smart grid.

Key words: nitrogen insulation; ring main unit; insulating performance; verification

 

引言

節能減排、新能源是低碳經濟的要義，也是當前智能電網發展要求。SF6氣體絕緣環網柜性能優越，成本較低，在二次配電和環網供電系統中得到廣泛的應用，但在《京都議定書》中，SF6氣體是受到限制的溫室氣體^[1]，一些國家和地區對溫室氣體的使用提出了控制措施，減少或去除SF6氣體使用是當前12kV環網柜產品發展趨勢^[2]。該項目即針對SF6氣體絕緣環網柜存在的溫室效應問題開展研究，采用干燥氮氣絕緣介質+真空滅弧技術替代SF6的應用，同時考慮了開關設備的安全性、可靠性和運行連續性等電氣性能，研制出一種12kV環保氣體絕緣環網柜，本文對該環網柜做一概要介紹。

1 整體結構及主要額定技術參數

基于SF6充氣環網柜的結構基礎，以干凈氮氣替代SF6氣體絕緣^[3]，融合真空開斷技術，對斷路器、負荷開關、三工位開關等主要零部件進行了設計創新，研制出一種12kV環保氣體環網柜，產品整體結構與SF6環網柜產品類似，主要由柜體和充氣箱體兩大部分組成，模塊化設計，主要功能單元由斷路器/負荷開關室、操作機構室、電纜室、低壓室及泄壓通道組成，可形成一到五單元的標準柜型及擴展柜型，基本柜型有斷路器柜、負荷開關柜柜型，擴展柜型有PT、計量、分段、兩進一出等，分為獨立單元型和單元共箱型，產品結構示意如圖1、圖2所示。

         

圖1 斷路器柜結構示意圖       圖2 兩進一出方案結構示意圖

2 主要技術設計

本產品整體性能的實現，主要是結合產品要實現的技術要求，依據GB/T 3906、DL/T 404等相關設計標準，在SF6充氣環網柜的基礎上，在保證外形尺寸盡可能小的情況下，對充氣箱體內部單元結構進行設計，逐步解決各結構單元絕緣、電連接、機械特性調試、充氣箱體配合生產線制造工藝設計等關鍵技術問題而展開設計^{[4] [5]}。

2.1 母線及電纜出線部分結構設計

    母線部分結構簡單，主要由主母線排、分支母線及母線絕緣子組成，主母排安裝結構為橫向前后排列，相間距為150mm，新設計的母線絕緣子通過增加傘裙增大了爬電距離，來提高產品的絕緣性能。

2.2 斷路器（或負荷開關）單元結構設計

斷路器單元結構設計的難點和重點，在于絕緣結構設計，在斷路器的絕緣設計過程中進行了大量的試驗，從簡易斷路器到試驗樣機的正式成型，期間經歷了多次大的改進，最終確定通過采取絕緣隔板等復合絕緣的方式來提高絕緣性能，并不斷調整絕緣板的位置、間距等多方面與箱體的配合，直至滿足絕緣性能要求，定型的斷路器結構示意如圖3所示。新設計的絕緣護板設有凸臺，利用凸臺將每相給隔離開來，同時利用凸臺優化電場，加強了絕緣強度，防止相間及對地出現放電現象。兩絕緣護板同時設置U型凸起，用來加強左右絕緣護板的強度，防止絕緣護板變形。由絕緣護板形成的整體絕緣保護裝置不僅起到支撐作用，而且做到了每相的包覆，電場均勻，提高了相間及對地絕緣性能。負荷開關單元與斷路器外形結構相同，不同之處在于操作機構和面板上的主接線模擬線不同。

2.3 三工位開關單元結構設計

三工位開關單元結構的設計是在SF6產品結構基礎上，通過增大觸頭間距，加長絕緣材料，加裝傘裙等方法解決支撐絕緣、沿面絕緣等問題，設計一種主軸與絕緣件一體式新型絕緣主軸，在絕緣主軸且位于每個動觸頭安裝臂兩側分別設計若干個傘裙來增加爬電距離，來提高其絕緣性能。三工位開關單元結構示意如圖4所示。

       

圖5 斷路器單元結構示意圖               圖6 三工位開關單元結構示意圖

2.4 電纜出線部分設計

電纜出線部分結構為橫向左右布置，相間距為150mm，為提高絕緣性能，合理設計出線絕緣子形狀，優化內部嵌件外形，將電位梯度分布盡量集中在固體絕緣材料中，增加傘裙數量加大了爬電距離，提高了絕緣性能。

2.5 操作機構

斷路器、負荷開關及三工位開關均采用彈簧操作機構，在機構的設計過程中，盡可能使零部件少，傳動簡潔，為滿足與開關本體的匹配問題，包括分合閘速度、同期、觸頭壓力，動刀咬合位置等，通過不斷的改變分合閘簧，微調輸出角度的方法，經過大量的試驗及模擬驗證而最終定型。

2.6 充氣箱體

    充氣箱體的設計主要需要考慮因素有：箱體大小，密封性能，配合我廠的生產流水線安裝方便。難點主要集中在斷路器的固定方式和機械特性測試傳感器的安裝位置。斷路器前面為箱體焊接螺栓固定，斷路器既要固定牢靠又要滿足傳動軸與機構的同心度，這就對箱體焊接工藝和開孔尺寸提出了更高的要求。斷路器后端開始采用橫向固定，后來發現安裝難度大，單柜時因空間有限缺乏受力空間，后改為縱向固定，中間加裝托槽，省時省力安裝方便，提高安裝效率。箱體內部通過采用絕緣隔板組成的新型絕緣保護裝置保持了與SF6環網柜同等的結構緊湊小巧的外形尺寸。密封性能，通過合理設計密封槽，先進的機器人焊縫自動尋位、焊接生產線，同步抽真空氦檢漏，組裝生產線等先進制造工藝保證了產品質量及相應的密封性。

3 試驗驗證

通過三維模擬裝配、電場模擬分析計算、反復的摸底試驗驗證，樣機結構不斷優化，性能逐步完善提高，研制成功的試驗樣機通過了絕緣、動熱、溫升、機械壽命、容量、內部燃弧、外殼防護等級等型式試驗驗證，產品性能符合GB3906等有關標準要求。產品實現采用干燥氮氣+真空滅弧環保氣體絕緣技術保持了環網柜結構緊湊，體積小巧的特點。 

4 結語

本文設計和試制成功的12kV環保氣體絕緣環網柜，因干燥氮氣的絕緣能力遠遠小于SF6氣體，要保持和SF6充氣柜同等的緊湊性和小巧的結構優勢，絕緣設計是該環網柜的研制重點和難點，相間通過增加絕緣隔板等復合絕緣技術的方法，來解決斷路器、負荷開關等結構單元相間、對地等間隙絕緣的問題，通過增大觸頭間距，加長絕緣材料，加裝、增加傘裙等方法解決三工位開關、主母線等結構單元支撐絕緣、沿面絕緣問題，經型式試驗驗證，該絕緣結構設計合理，同時解決箱體密封、主回路電連接、機械傳動及特性調試等技術問題，研制出的12kV環保氣體絕緣環網柜，在秉承環網柜體積小巧的同時，兼顧了環保性能，整體通過全套型式試驗項目驗證（包括內部燃弧、外殼防護等級），該環網柜技術性能完全符合GB3906等有關標準要求，滿足當前市場需求。

參考文獻

[1] 戴國權.韓福亮.12kV環保氣體絕緣環網柜的發展研究[J].防衛工程,2018（5）.

[2] 孫竹森.蘭劍.環保型金屬封閉開關設備的技術特點與發展趨勢[J].中國電業, 2014, (6):53-56.

[4] 錢立驍.陳慎言. 12~24kV氮氣絕緣環網柜的研制[J].高電壓技術, 2014, 40(12):3717-3724.

[3] 賀鈞.黃志軍. 10kV環保型氣體環網柜的絕緣問題[J].工程技術, 2016(11): 231.

[5] 杜仲江.淺談一種新型環保氣體絕緣環網柜設計與應用[J].工程技術, 2016(6): 141.