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浅析10kV开关设备提升到20kV的可行性

  城市电网随着城市的发展而不断扩大,城市电网的建设显得尤其重要。因此,作为城市最重要的基础设施之一,城市电网的建设必须满足城市建设的可持续发展的需求。自2007年开始,江苏省电力公司积极推广实施20kV电压供电。该文从10kV和20kV配电网主开关设备——开关柜和断路器的比较分析,对10kV升压为20kV的技术方案,进行了可行性分析。

  1 现有10kV、20kV开关设备技术状况和结构分析

  目前在10kV和20kV系统中,主要的开关设备是金属封闭开关设备(中置柜)和断路器。

  1.1 10KV和20KV电压等级的开关设备绝缘水平:

  电压等级空气净距(mm)工频耐压(kV)雷电冲击耐压(kV)

  相间、相对地相对地断口相对地断口

  10kV12542487584

  20kV18050/(65)65/(79)95/(125)110/(145)

  注:(1)括号外数据为中性点经低电阻接地系统,括号内数据为中性点经消弧线圈接地或不接地系统;

  (2)20kV参照江苏省电力公司企业标准Q/GDW-10-315-2008。

  1.2 柜体部分

  10kV中置柜的外形尺寸要比20kV小一些,主要原因是绝缘距离的不同。具体尺寸如表1:

  柜型外形尺寸(深×宽×高)

  KYN28A-121500×800×2200

  KYN28A-241900×1000×2400

  表1:10kV和20kV出线柜外形尺寸

  完全空气绝缘柜体宽度=铜排宽度(100mm)×3+相间净距×2+相对地净距×2,那么对于10kV,柜体宽度=(100×3+125×2+125×2)mm=800mm。所以10kV选择800mm的柜宽。同理,对于20kV,柜体宽度=(100×3+180×2+180×2)mm=1020mm。所以20kV选择1000mm柜宽也是比较合理的。

  从产品可靠性角度来看,空气绝缘是最可靠的,只要保证不同相导体间,导体和对地之间的绝缘净距,绝缘是可以得到充分的保证。

  图1:KYN28A-12开关设备结构示意图 图2: KYN28A-24开关设备结构示意图

  从图1和图2开关柜结构图可以看出,由于10kV与20kV开关设备绝缘水平的差异,导致结构布置的不同。10kV中置柜母线穿墙套管垂直布置,可以满足125mm的绝缘净距的要求。而20kV中置柜必须采用1000的柜宽,同时穿墙套管呈L型排布,才能够满足180mm的绝缘净距的要求,柜体深度也相应地大于10kV中置柜。

  1.3 断路器部分

  基于绝缘的要求,10kV和20kV断路器外形尺寸特别是触臂的深度和爬电距离,差异较大。10kV断路器极柱上下出线间距为275mm,20kV断路器为了增大爬距,上下极间距为310mm,断路器的体积因此增大。

  10kV断路器外爬距≥240mm,触臂长度较短,触臂外绝缘使用PBT套管即可达到要求。而20kV断路器外爬距要求≥480mm,必须将触臂长度加长,并且采用表面硫化涂覆的绝缘方式,厚度达到2mm以上,从而保证绝缘的可靠性。

  图3:VBC-12/1250-31.5外形尺寸 图4:VBC-24/1250-31.5外形尺寸

  1.4 其他元件

  20kV 柜内所有的绝缘材料如母线套管、触头盒、支撑绝缘子由于电压等级的提高,必须加大爬距,因此外形尺寸变大。

  图5:10kV触头盒外形尺寸 图6: 20kV触头盒外形尺寸

  20kV柜内所装的器件如电流互感器、电压互感器、接地开关、避雷器等等,外形体积也比10kV的大很多。

  2 参照10kV柜宽设计生产20kV柜体的可行性

  2.1 800mm的柜体

  10kV开关柜通常采用进线柜、联络柜1000mm,出线柜800mm的方案。如果在制造20kV开关柜时,也使用了这样的柜宽方案。那么,绝缘水平的不适应性便凸现出来。比如在工频耐压上,当系统中性点不接地时,此工频耐压值要明显高于国际标准和国家标准的50kV/1min,达到65kV/1min。由于800mm柜的空间限制,要达到这一要求,相对来讲比较困难。

  为了满足上述的绝缘水平要求,一般在设计上除了均匀电场分布外,在绝缘隔离上要比1000mm宽开关柜加强,需要采用复合绝缘的方法(如图7):

  (1) 主母线和分支母线使用热缩套管包覆,或采用环氧树脂硫化。在母线边缘采用圆角过渡,并且在母线室的母线搭接部位安装圆弧形的均压件,使电场分布均匀。

  (2) 在导体对地和相间安装SMC绝缘隔板。同时,考虑到电场中不同介质的场强梯度,在安装时要注意高压导体与绝缘隔板之间的 图7 空气间隙。

  使用复合绝缘的方式,环境条件的影响特别要引起重视,或者说复合绝缘材料对环境因素要求更高了。开关柜运行的环境条件是导致开关柜发生绝缘闪络的主要原因之一,SMC绝缘板具有一定的吸湿性,受潮后绝缘性能会大大降低,表面积污严重,在潮湿天气,柜内湿度较高,引起绝缘表面结露而爬电或放电,击穿造成事故。

  对于2000A以上的大电流柜型,一般都是用作进线柜或母联柜,考虑到温升的裕度,同时断路器一次导电部分的体积较大,厂家都选择了1000mm的柜宽,10kV和20kV在这一点上没有什么区别。但是需要提出,10kV/4000A的断路器配柜普遍采用风机强迫风冷的方式,20kV在3150A(固封极柱式)额定电流,基本上就需要风机散热了,否则温升控制有难度。

  2.2 配套元器件

  目前,针对1250A及以下的出线柜,制造厂已经能够提供配800mm柜宽的断路器,例如扬州北辰的VBC-24/1250-25型真空断路器。800mm的柜宽主要需解决的是断路器进柜后的绝缘配合问题,柜内的活门导轨部分要重新设计改进,以保证65kV/1min的工频耐压合格。

  由于20kV电压等级的电压互感器、电流互感器、避雷器等元器件体积较大,在设计安装这些器件的时候,需要合理考虑柜内布置,否则又会对温升造成不良影响。

  3 在现有10kV柜体上进行技术改造升级为20kV的可行性

  3.1 结构上的改动

  通常,断路器从试验位置到工作位置,10kV断路器手车的行程是200mm,20kV断路器手车的行程是300mm。如果在现有10kV柜体上进行改造,那么20kV手车的行程必须做到和10kV一致,柜体断路器手车室的深度才可以匹配,手车进出的导轨,活门机构才能够统一起来,除柜壳外,主要一次元器件和所有的绝缘件都要进行更换。具体改动主要有(如图8):

  (1) 触头盒的深度需要减小,总体来看静触头到其他导体或对地的爬电距离不能减小。

  (2) 断路器触臂长度减小到和10kV断路器一样长,避免结构上出现干涉,使用目前可靠性较高的固封极柱式断路器。

  (3) 断路器要改换成20kV,相应的手车闭锁机 图8

  构部分需要重新调整。

  对于柜内一些元器件,如接地开关,互感器等,由于安装孔位置的不同,目前市场上还没有完全满足要求的产品。

  3.2 绝缘上的加强

  柜体内部绝缘同样需要采用复合绝缘的方式,由于10kV柜体的深度较小、空间较小,复合绝缘材料的使用将会大大增加,导电铜排需重新加工。

  3.3 经济性分析

  以一台10kV开关柜(含断路器)十四万元计算,整个开关柜壳体的成本不到成套开关柜的十分之一,约在一万四千元左右。在现场进行改造,所消耗的人力、物力及时间,可能会超过重新生产一台开关柜壳体的费用及工期。即使能完成的话,其可靠性也有待进行验证。

  4 结束语

  综上所述,在现有变电所10kV柜体基础上,进行技术改造成20kV开关柜。需更换除柜壳外所有的零部件,不仅改造后运行的可靠性有待验证,从经济性角度来看既不经济也不十分合理。按照1000mm的柜宽设计制造20kV开关柜,是符合标准规定的相关技术要求的。从产品长期运行来看,绝缘的可靠性得到了充分的保证。因此,从10KV提升到20KV,无论从技术上、经济上等方面,都合乎电网发展的趋势和要求。
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