固体绝缘开关柜（共7篇）
固体绝缘开关柜 篇1
0 引言
经济的发展直接导致了用电量的增加, 随之而来的便是电能的损耗问题。据统计, 2008年我国10 k V线损率为8%左右, 而发达国家的10 k V线损率控制在3%~4%。低压电缆和线槽以及变压器是产生电能损耗的主要因素, 减少低压配电线路的长度是降低电能损耗的有效途径。有资料显示, 若将低压升压到中压10 k V, 则能减少线损60%, 节约铜材及总投资52%[1]。10 k V在空气中的安全绝缘距离是125 mm, 即以空气为绝缘介质的开关柜体中有很多浪费的空间导致开关柜的体积很大。而且外部的因素如灰尘、小动物、凝雾等都会增大安全绝缘距离。现在城市供电迅速发展, 地铁、高层建筑等设备安装场所对开关柜的尺寸有一定的限制, 因此开关柜的小型化将成为开关柜的发展趋势。若要实现小型化, 首先要解决的问题就是减小安全绝缘距离。随着绝缘技术的发展, 市场上出现了SF6气体中压开关柜, 但是由于SF6气体对大气具有潜在的危险, 而被世界各国明令禁止或减少使用。针对这种情况, 一种利用干燥压缩空气绝缘的开关柜被研制出来。但因干燥压缩空气的绝缘性能仅为SF6的1/3, 可能会增大绝缘距离。而固体绝缘材料的绝缘性能为SF6气体的5~6倍, 因而固体绝缘材料凭借其优良的绝缘性能得到了广泛的关注。固体绝缘开关柜是以固体材料作为绝缘体, 利用真空灭弧, 在环氧树脂壳体中, 通过自动压力凝胶 (APG, Automatic Pressure Gelation) 技术将固体绝缘开关柜的真空灭弧室、主导电回路、绝缘支撑固封成一整体, 实现了全密封、全绝缘结构, 大大缩小了开关内部相间及对地的安全绝缘距离, 从而缩小了开关柜的体积。另外长期的检修、维护运行费用也是一项不小的开销。因此中压、小型化、免维护、高可靠性成为现在开关柜的发展趋势, 电力领域的各大公司纷纷研发出了自己的开关柜技术。现对应用于中压开关柜中可以实现小型化、免维护、高可靠性的关键技术进行介绍。
1 若干关键技术
1.1 固体绝缘技术
纵观中压开关柜的发展, 由空气绝缘开关柜到SF6气体绝缘开关柜再到目前受到广泛关注的固体绝缘开关柜, 绝缘技术对中压开关柜的发展有着举足轻重的影响。而实现柜体小型化要解决的一个关键问题就是绝缘技术的开发。
所谓固体绝缘就是将数组开关和相关带电部件整体采用环氧树脂进行浇注, 这样一来使开关内部相间及对地的安全绝缘距离从空气绝缘的125 mm缩短到6~8 mm, 大大减小了开关柜的体积[2]。
固体绝缘技术的实现主要依靠固体绝缘材料的选取, 之前一直采用环氧树脂材料绝缘, 环氧树脂中65%的成分为Si O2, Si O2材料对环境无不良影响, 产品使用后还可以再回收利用, 并且性能稳定。环氧树脂包覆绝缘结构能保证电气部件在复杂环境下正常可靠工作, 而且保养维护简便, 同时环氧树脂优良的绝缘性能可以减小开关内部的相间距离和对地的绝缘距离。环氧树脂材料具有高机械强度, 因此当开关的所有连接部分用环氧树脂进行浇注以后, 与应用气体绝缘的开关相比连接部位的强度加强了很多, 不会因为运输或使用中的振动造成开关连接部位松动。环氧树脂材料还具有高绝缘强度、浇注硬化时体积变小和便于机械加工等优点。
目前东芝公司研制出了一种新型的环氧树脂材料, 它由环氧树脂和带球形Si O2及2种或多种径粒分布的的硬化剂组成, 具有高热阻性、高强度、高韧性及高流动性等特点[3]。新型树脂的热阻性和强度分别为普通树脂的1.3倍和1.5倍。
新型环氧树脂与传统环氧树脂的性能比较如表1所示[4]。
通常, 浇注件的力学性能随交联密度的提高而上升, 但到某一程度随交联密度的提高其机械强度反而下降, 这个转折点的标志就是玻璃化转变温度 (Tg) 点。Tg点可以改变环氧树脂的分子结构, 对压力、脆化性和力性能等有一定的影响。经过实验验证:新型环氧树脂材料的Tg点比传统的环氧树脂Tg点高, 所以与传统的环氧树脂材料相比, 新型环氧树脂有着更加稳定的性能。而且抗弯强度与抗拉强度的增强可以提高环氧树脂的可靠性, 即新型环氧树脂的可靠性要优于传统环氧树脂。
应用该新型材料的固体绝缘柜分别通过了震动实验、热循环实验、抗裂性测试实验以及长期 (5年) 承受电压实验等多种实验的验证。结果表明, 应用该新型材料的固体绝缘开关柜在各个实验中都显示出了优良的性能[5]。
1.2 环氧树脂浇注技术
环氧树脂浇注是将环氧树脂、固化剂和其他配合料浇注到设定的模具内, 由热塑性流体交联固化成型的过程。环氧树脂浇注工艺方法按照物料进入模具的方式区分可分为浇注和压注。浇注指的是物料自流进入模具;压注指物料在外界压力下进入模具, 并且在物料固化过程中一直保持着一定的外压以便于进行强制补缩。APG属于压注方法, 它由过去的简单加压凝胶工艺 (PG, Pressure Gelation) 发展而成[6]。
不同于传统真空浇注工艺的环氧树脂浇注工艺方法, APG技术由于其工作效率高、质量好、尺寸稳定性好, 特别适用于生产中高压环氧绝缘制品。APG工艺生产过程包括前期混料、自动压力凝胶、成型后固化。首先将各种物料在混料罐中混合均匀, 真空脱气后在一定压力下将料液注射进入模具, 将空气赶出模腔的同时, 料液充满整个型腔。在较高的模温下, 料液与模壁接触后迅速固化, 然后逐渐向内部延伸, 从注料到脱模, 注射口始终对模腔保持一定的压力, 通过连续的对环氧树脂混合料加以恒定的压力, 使环氧树脂混合料体系在恒定的压力下挤入模腔, 补充体系在凝胶过程中的体积收缩而形成的空隙, 达到强制补充固化收缩的目的。该过程是在很高温度的模具内完成的, 从而使高反应活性的环氧树脂混合料在短时间内迅速凝胶化[7]。因此, APG技术消除了大型浇注件的表面缺陷和内应力, 提高了材质的致密性和稳定性, 它可将环氧树脂制品的生产周期从传统真空浇注所需的十几个小时缩短到十几分钟, 大大缩短了生产周期, 而且具有极好的尺寸稳定性和很高的机械强度等突出优点。
1.3 操动机构技术
操动机构技术也是开关柜中一个重要的部分。东芝公司通过改进柜体的操动机构技术来实现柜体的小型化, 它在柜体的操动机构中应用了一种能够控制永久磁铁的磁力、电磁线圈力和弹簧力三者平衡的对称永磁操动机构BMA (Balanced Magnetic Actuator) 。它由永久磁铁和电磁线圈组成, 具有低操作电流、结构简单和高稳定性等特点, 而且此种开关柜将零部件的数量减少了60%, 提高了整个开关柜的可靠性并减少了维护周期与工作量。这种固体绝缘开关柜的体积约为普通充气柜体积的78%, 质量约为它的50%。可见该技术的应用使柜体的小型化得以实现。
另外, 国外的一家公司利用永磁操动机构PMA (Permanent Magnetic Actuator) 代替固体绝缘开关柜中传统的断路器操动机构 (电磁式操动机构或弹簧式操动机构) 。永磁操动机构的结构简图如图1所示。
其中1为驱动杆, 是操动机构与断路器传动机构之间的连接纽带;2为分闸线圈;3为静铁心, 为机构提供磁路通道, 对于方形结构一般采用硅钢片叠形结构, 圆形结构则采用电工纯铁或低碳钢;4为动铁心, 是整个机构中最主要的运动部件, 一般采用电工纯铁或低碳钢结构;5为合闸线圈;6为永久磁体, 为机构提供保持时所需要的动力。
永磁操动机构采用了一种全新的工作原理和结构, 工作时主要运动部件只有动铁心一个, 无需机械脱扣、锁扣装置, 故障源少, 结构简单, 零部件少从而使机械系统可靠性大大提高, 可实现免维护或少维护运行;而且永磁操动机构通过减少大约95%的零部件实现了柜体的小型化。可以说这一应用提高了电操作性能、机械操作性能以及柜体的可靠性, 其可靠性已经通过了热循环实验和生命周期实验的验证, 地震耐受试验及长期承受电压试验正在进行中[8]。
1.4 其他关键技术
一种叫做智能电子设备 (IED, Intelligent Electronic Devices) 的新技术被应用于新研发的开关柜中, 这种技术可以改进电力供应的稳定性。它具有强大的交流功能, 适用于信息技术系统, 易与数据采集及监视控制系统 (SCADA, Supervisory Control and Data Acquisition) 连接并且可以较好的与互联网进行数据交换, 从而实现柜体的智能化。珠海许继电气有限公司研制出了一种智能的用户分界固体绝缘开关柜, 采用了配置控制器模块和通信模块的技术来实现故障检测和及时上传故障信息的功能。沈阳昊诚电力科技有限公司研制了一种节能环保的中压固体绝缘开关柜, 开发了与其配套的绝缘母线和穿墙套管技术, 实现了开关柜真正的全绝缘、全密封, 将柜子的体积压缩到了极限[9]。
2 国内开关柜研制不足之处及其发展方向
国内厂家有的技术还需从国外引进, 如厦门华电公司引进德国和瑞士先进的自动压力凝胶工艺 (APG) , 结合采用原装进口树脂的极柱实现固封绝缘[10]。与国外的固体绝缘开关柜技术发展水平和现状相比, 国内技术还存在一些不足之处, 如绝缘材料的开发、绝缘技术的发展及一些技术的创新等。但是不可否认, 只有将差距缩小, 才能把握住机遇。因此国内应在以下几个方面进行改进研究:
(1) 绝缘材料。绝缘材料是关键, 固体绝缘开关柜可以通过增加绝缘材料的拉伸和抗弯强度来增强其自身的可靠性。而且材料的选取对于开关柜小型化的实现起着关键的作用。所以对现有的环氧树脂绝缘材料进行优化或者找到新型的绝缘材料对于固体绝缘开关柜的发展是非常必要的。
(2) 绝缘技术。固体绝缘开关柜在整体上应用固体绝缘技术, 但是眼界应该放宽, 不应只局限于这一种绝缘方式, 应该做到具体问题具体分析, 当柜体的某些部分应用固体绝缘技术达不到性能的要求时, 可试着转换思路, 在整体上应用固体绝缘方式, 而在部分应用其他绝缘方式, 实现开关柜的最优化设计。
(3) 技术创新。柜体小型化的实现不仅仅需要在缩小绝缘距离上做出努力, 还需要柜体其他部分技术的支持, 如BMA或PMA的应用。而且随着科学技术的发展, 用户要求也日益增多, 如何使用户利益最大化, 方便用户的查看、维修和管理都是需要新技术的支持的。如IED的应用可以与互联网进行数据交换, 国内通信模块的应用节省了人力物力, 因此技术创新变得尤为重要。
3 结语
中压小型化固体绝缘开关柜具有很广阔的发展前景, 它的研制可以大大降低低压电缆的使用量, 从而降低工程的一次投资和输电线路的损耗, 并且节省占地面积, 能够满足各大开关柜设备安装场所对开关柜设备尺寸的限制要求, 还可以实现开关柜的免维护和高可靠性。
国内公司在小型中压固体绝缘开关柜的关键技术开发上小有成绩:如将通信技术很好地融合到开关柜的设计开发中, 方便实时故障检测与故障信息上传的进行, 大大节省了人力物力, 是实现开关柜智能化的一个很好的开端。与此同时, 国外公司应用于小型中压固体绝缘开关柜的关键技术 (固体绝缘技术、环氧树脂浇注技术、操动机构技术等) 也冲击了国内的市场并且开拓了国内公司的眼界, 激励着国内技术进一步的发展与创新, 使开关柜产业能够更好地发展。
参考文献
[1]王倩.固体绝缘集成式小型开关柜[J].电气制造, 2013 (1) :35-39.
[2]冯嵩.固体绝缘技术在中压领域的应用[J].建筑电气资讯, 2009 (5) :17-20.
[3]李建基.中压开关柜技术的进步[J].华通技术, 2004 (3) :30-32.
[4]Sato J, Sakaguchi O, Kubota N, Makishima S, Kinoshita S, Shioiri T, Yoshida T, Miyagawa M, Homma M, Kaneko E.New Technology for Medium Voltage Solid Insulated Switchgear[C]//IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition, 2002.
[5]Sato J, Shioiri T, Imai T, Tagaya O, Takei Y, Kuriyama T, Homma M.Investigation of Long-Term Reliability for Solid Insulated Switchgear[C]//IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2012.
[6]孙根新, 李永强, 沈国平.APG材料的开发和应用[J].嘉兴学院学报, 2004, 16 (3) :109-110.
[7]袁端磊, 刘亚娟, 史鸿威.中压环氧树脂绝缘件APG工艺浅谈[J].科技创新导报, 2011 (22) :60.
[8]Kim Young Geun, Ma Ji Hoon, Yoo Ryun, Tak Sung Jun, Lee Seog Won, Lim Kee Joe.Development of Solid Insulated Switchgear (SIS) for Medium Voltage Class[C]//IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition, 2012.
[9]冯嵩.固体绝缘集成式小型开关柜[C]//全国电力系统配电技术协作网第二届年会论文集, 2009.
[10]李建基.固封真空断路器及其固封绝缘开关柜[J].江苏电器, 2008 (9) :64.
固体绝缘开关柜 篇2
1 中压开关柜的绝缘方式和复合绝缘技术
绝缘方式对优化开关柜结构起到至关重要的作用，中压开关柜的绝缘方式按位置可分为：柜内空间的绝缘方式和内部组件的绝缘方式[2]。对于“柜内空间的绝缘方式”，最普遍的是以空气作为柜内空间的绝缘介质，即带电体对地及相间均以空气作为绝缘介质，如半封闭式开关柜、金属封闭式开关柜。有些空气绝缘开关柜以改变带电导体形状设计，并采取严格的质量管理和安装精度来缩小最小空气绝缘距离，这类改造主要是那些引进国外先进技术生产的开关柜，如某型号开关柜已生产10年以上，在北京、深圳、大连等地均有使用，但因不符合电力部标准DL/T 593—1996《高压开关设备的共用订货技术导则》中关于最小空气绝缘距离的规定，在市场方面一直存在争议[3]。
内部充以SF6气体作为带电体对地及相间绝缘的充气柜，是一种特别适用于环境条件恶劣场所的开关柜，它采用激光焊接技术将薄不锈钢板焊接成密封箱体，在其内部布置断路器等元件，充入低气压的SF6气体。由于SF6气体的绝缘性能高，大约是空气的3倍，所以相间绝缘距离大幅减小，开关柜柜体尺寸大幅缩小。因此，相对于空气绝缘的开关柜而言，具有不受外界环境影响、体积小、可靠性高、操作人员安全性好、一次回路免维修等特点，极大地提高了安全可靠性。它的缺点是使用的SF6气体会导致环境问题，在1997年的京都会议上被列为限制排放的气体。
对于“内部组件的绝缘方式”，主要是用陶瓷和塑料两大类(此外还有橡胶、玻璃等)制造开关柜内部组件的固体绝缘件，如开关柜中的主要元件真空断路器采用了玻璃或陶瓷的灭弧室。真空断路器的绝缘件以往普遍使用4330电绝缘用玻纤增强酚醛压塑制造，其抗老化性欠佳，抗潮性不良，使用中有绝缘强度降低现象，因此现均改用玻纤增强不饱和聚酯压塑(SMC、DMC)来增大爬电比距，提高了绝缘性能。随着科学技术的发展，特种塑料越来越成为目前中压开关柜中的主要固体绝缘材料，陶瓷绝缘材料则更多地应用于高压、超高压和特高压中。
为了综合发挥各种绝缘方式的优点，还出现了一种将单一绝缘类型中的几种绝缘方式组合起来的技术，称为复合绝缘技术，主要有以下三种：一是“空气绝缘为主体的复合绝缘技术”，这种技术以空气绝缘为主体，在放电路径上设置环氧树脂等固体绝缘隔板，以缩短最小放电间隙，典型的应用有：在母排上套热缩绝缘套管，在触头上敷环氧树脂等。这种技术的原理在于固体绝缘隔板具有阻止放电的作用，在隔板表面上施加与电压同极性的电荷可以改善电场，获得空气绝缘1.5倍的耐受电压。二是“气体绝缘为主体的复合绝缘技术”，接近大气压的低压SF6气体中的复合绝缘与在空气绝缘中一样，在放电路径上插入固体绝缘隔板，可以改善电场，提高耐受电压，唯一不同的是SF6气体中的隔板效果与隔板的形状有关。中压开关柜通过SF6气体和固体绝缘件的复合化，可使设备体积缩小到空气开关柜的1/3。三是“固体-气体-真空的复合绝缘技术”，其特点是将设有表面接地层的浇注固体绝缘件作为外部封闭容器，真空灭弧室置于该容器内，该容器的其余空间充入SF6气体，通过该种方法，开关柜体积可缩小到纯空气绝缘的1/30。复合绝缘技术的应用，特别是“固体-气体-真空的复合绝缘技术”，需要灭弧理论、散热技术、解析技术、耐热技术、精加工技术、电力电子理论等许多基础理论的支撑，同时需要攻克材料、工艺等难关，所以目前尚未大批量投入使用。
2 中压开关柜的绝缘标准
开关柜的绝缘要求主要体现在耐受电压、最小空气绝缘距离和爬电比距方面，下面分别就这三个方面的有关标准进行说明。
2.1 耐受电压
在GB/T 311.1—1997《高压输变电设备的绝缘配合》中规定了中压开关柜的雷电冲击耐压和工频耐压水平，如表1所示。
注:“额定短时工频耐受电压”中，“;”前、后的数据分别代表国际、国内标准值，“/”前、后的数据则代表设备外绝缘在潮湿、干燥状态下的耐受电压值。
2.2 最小空气绝缘距离
对于空气绝缘结构的高压开关柜，在电力部标准DL/T 593—1996中，规定了各相导体相间与对地空气净距，如表2所示。
注：海拔超过1 000 m时，“导体至接地间净距”和“不同相的导体间净距”应按海拔每升高100 m增大1%进行修正;“导体至无孔遮拦间净距”和“导体至网状遮拦间净距”应分别增加上述其中一项值的修正值。
2.3 爬电比距
爬电比距是指高压电器组件外绝缘的爬电距离与额定电压之比，在标准DL/T 593—1996中，规定了户内开关柜的爬电比距，如表3所示。
实际的爬电比距要求为爬电比距值乘以应用系数，应用系数如表4所示。
3 中压开关柜绝缘事故分析
结合中压开关柜的绝缘方式和绝缘标准，中压开关柜应该能够安全、稳定地在电网中投入使用，但在实际运行中，中压开关柜仍然出现各种绝缘事故，尤其是在10 k V及以上电压等级。中压开关柜绝缘方面的故障主要表现为外绝缘对地闪络击穿，内绝缘对地闪络击穿，相间绝缘闪络击穿，雷电过电压闪络击穿，瓷瓶套管和电容套管闪络、污闪、击穿、爆炸，提升杆闪络，电流互感器闪络、击穿、爆炸，瓷瓶断裂等，中压开关柜绝缘事故原因分析主要有以下四个方面：(1)爬距及空气间隙不够。爬距及空气间隙不够是开关柜发生绝缘损坏事故的根本原因，特别是手车柜，为缩短柜体尺寸，生产企业往往大幅度地减小装于柜内的断路器、隔离插头相间距离或对地距离，未采取有效的保证绝缘强度的措施。(2)开关柜内绝缘材质的选用不当。有的生产企业采用了易吸潮的酚醛树脂绝缘材料，运行后绝缘性能的降低，容易引发绝缘事故。绝缘材料应具有耐污秽性好、憎水性强和不容易老化等性能，并要经过实践验证。(3)制造质量差，工艺不良。制造质量及装配质量对开关柜整体耐压水平有很大的影响，如紧固螺丝不规则，拧紧后螺杆长出螺母过多;有的支持瓷柱紧固底板成“丁”字型，在支持瓷柱处作特殊处理，这样不仅缩短了绝缘距离，而且造成电场局部集中，另外支持瓷柱质量差，稳定性能差，在短路电流冲击下发生断裂，造成事故扩大。(4)环境条件的影响。开关柜运行的环境条件差是导致开关柜发生绝缘闪络的主要原因，当大气污染不断加剧，污秽和潮湿两个因素同时存在于绝缘件的表面时，就会逐渐污染电力设备的绝缘子、套管及母线。一般情况下，干旱气候持续的时间较长，绝缘件积污多了，这时又突然下雾，而下雾的时间较长(一般2～3 h)，污秽被雾水充分地潮湿，此时产生污闪的可能性较大。深圳市某泵站ZS1型铠装式金属封闭开关设备就是因为空气潮湿，使设备在运行过程中在绝缘表面产生凝露，以致附着污秽使绝缘降低，导致设备烧损[4]。
4 中压开关柜提高绝缘的措施
对于中压开关柜，往往希望通过增加不多的费用，将绝缘水平提高，使运行更安全。因此在开关柜生产制造中，应特别注意绝缘性能，以减少运行中绝缘事故的发生，同时加强对运行中开关柜的日常维护力度，具体措施如下：
(1)严格执行GB/T 311.1—1997《高压输变电设备的绝缘配合》中的短时耐受电压，DL/T 593—1996《高压开关设备的共用订货技术导则》中的最小空气绝缘距离和爬电比距的相关标准。
(2)改进配方、工艺，在中压开关柜专用配件方面广泛采用具有优良阻燃性、憎水性的SMC等材料，更广泛地采用新型配方的环氧树脂绝缘件，在不增大空间体积的前提下，设计制造大爬距绝缘件。
(3)在有条件时，开关柜外绝缘建议进行凝露条件下的耐压试验，这是开关柜适应环境条件的一个非常得力的措施。
(4)开关柜内带电体尽量采用热缩橡胶给予包扎，对提高运行水平很有利。导电铜排或铝排加热缩绝缘套管也是很好的方法，这样既能有效地防止带电裸露造成人身伤亡危险，又可防止盐雾污闪及有害气体对导电铜排或铝排的腐蚀。
(5)结合元件复合化设计及元件集中化装配，设计出相适应的绝缘方案，如目前KYN柜中互感器套管触头盒、绝缘子的组合结构所需的绝缘配合。
(6)应充分注意元件选择，特别是电压互感器，要选择伏安特性较好的产品，即在线电压下无显著饱和的电压互感器。同时，对于隔板等，应选用绝缘性能好，不燃烧或阻燃的绝缘材料。尽量不要只使用一相或两相电压互感器接在相线与地之间(包括在双电源定相时)，以保证三相对地阻抗的对称性，避免中性点位移或产生谐振。
(7)严格执行安装技术规范，做好维护监控管理工作，防事故于未然。高压开关柜的金属骨架及其安装于柜内的高压电器组件的金属支架应有符合技术条件的接地，且与专门的接地导体连接牢固。凡能与主回路隔离的每一部件均应能接地，包括利用隔离开关切换到接地开关合上的位置来实现接地。每一高压开关柜之间的专用接地导体均应相互连接，并通过专用端子连接牢固。高压开关柜中各高压电器组件的隔板，一般是金属制成，与外壳具有相同的机械强度并接地。高压开关柜内的断路器、负荷开关、接触器及其操动机构必须牢固地安装在支架上，支架不得因操作力的影响而变形;断路器、负荷开关、接触器操作时产生的振动不得影响柜上的仪表、继电器等设备的正常工作。互感器安装的位置应便于运行中进行检查、巡视，且在主回路不带电时，便于人员进行预防性试验、检修及更换等。
(8)净化环境，封堵孔洞，严防潮气和小动物进入。对通风窗和抽风机装网栅或滤网，减少进入开关室的尘埃，净化通风;对较潮湿的高压室装热能灯加热或去湿。进出电缆孔用阻燃材料封填，对可能进潮气的柜孔也实行封堵，对可能进潮气的柜孔也实行封堵，以防止潮气和小动物钻入。加强设备运行维护，做到逢停必扫，强化运行维护，保证绝缘良好状态，确保设备安全稳定运行。
5 结语
目前国内的中压开关柜生产厂家对中压开关柜绝缘方式的应用和绝缘标准的理解都能达到要求，但由于制造工艺和成本的原因，少量中压开关柜的绝缘性能并不能满足全工况工作要求，绝缘事故时有发生。希望生产厂家在产品的设计和生产中，综合考虑以上提高绝缘能力的措施，切实提高中压开关柜的绝缘水平，确保设备安全稳定的运行。
摘要：介绍了目前国内中压开关柜的绝缘方式和复合绝缘技术,结合国家标准分析了中压开关柜发生绝缘事故的原因,列举了提高中压开关柜绝缘能力的措施。建议中压开关柜生产厂家在产品设计和生产中应切实提高绝缘水平,确保设备安全稳定运行。
关键词：中压开关柜,绝缘方式,绝缘标准
参考文献
[1]熊舟.中压开关柜的绝缘方式与趋势[J].大众用电,2002(6):17.
[2]林丛.10kV开关柜绝缘事故及对策[J].中国农村水利水电,2004(9):119-121.
[3]张建安,张颐钟.谈高压开关柜的安全净距问题[J].江苏电器,2005(2):27-29.
变压器固体绝缘水分含量检测方法 篇3
变压器是电力系统输变电的关键设备[1], 变压器的安全稳定运行对保障电力系统的可靠性十分重要。目前我国110 k V及以上电压等级的变压器几乎均为油浸式、变压器的安全稳定性能基本是由变压器的绝缘决定的, 变压器的绝缘主要有液体绝缘、固体绝缘两类[2], 因为变压器的绝缘纸没法更换, 所以变压器的绝缘寿命主要由其固体绝缘纸所决定。变压器中的水分对变压器的固体绝缘来说不仅起到了恶性催化的作用, 而且还是老化的生成物[3,4]。水分在变压器中会产生三种危险后果:降低绝缘强度、加速纤维老化 (去聚合) 在高温和电场下释放出气体、发生气隙放电。通过对变压器绝缘纸含水量的测试与监测, 控制和降低绝缘纸的含水量, 确定是否需要采取进一步的补救措施, 可以有效延长变压器的使用寿命。所以有必要精确检测出变压器中的含水量[5,6,7]。
1 水分危害及含量测试方法比较
目前, 测试变压器中的水分含量方法具有:
卡尔—菲休库仑滴定法[8]。
卡尔—菲休库仑滴定法需要取油样、纸样, 取样要求比较严格。并且老化过程油中水与纸中水没有函数关系, 变压器油-纸系统的水平衡需要一个长期的稳定温度。
1) 检测绝缘油中的糠醛含量等[9]:该测试精确性高, 但是需要取油样, 取样要求比较严格。而且糠醛含量经过换油后会发生变化, 不能如实的反应变压器的实际情况。
2) 测绝缘纸板的聚合度 (DP) 、拉伸强度等[8]:该测试精确, 但是需要取变压器的纸样, 取样及其复杂, 需要变压器停运, 吊芯, 并且取样过程中对变压器有污染, 会损坏绝缘强度。
3) 极化去极化电流 (PDC) [10]:该方法为无损检测, 精度高, 但是测试精度在1 Hz以上的测试精度会有所降低, PDC测试需要4.5 h来记录数据 (1s到10 000s) , 相当于频域测试范围从1Hz到0.1 MHz, 而这只是完成一个通道的测试, 比如高压线圈对中压线圈。测试H-L, H-G, L-G三通道测试时间需要12小时以上。
4) 回复电压法 (RVM) :为无损检测、测试原理正确, 但是模型曲线不准确导致测试结果不精确, 不能反映变压器的几何模型。
5) 频域介电谱法 (FDS) :为无损检测、精度高, 但是是对温度的要求较高, 测试前需要等待温度稳定, 只适合在高频段测试, 在低频段的测试花费时间太长, 特别是在1 Hz以下的频段的测试时间特别长, 如1 Hz到0.1 m Hz的频段的测试时间就大于11小时。取油样/纸样不仅取样复杂, 但是很容易混入新的杂质, 加重对设备造成损坏。因此, 取样检测不仅麻烦并且风险较大。无损的检测方法就成为了主要的首选, 但是, 回复电压法因为没有考虑了油特性、油的电导率、绝缘结构、材料特性等信息, 虽然测试原理准确, 但是测试结果不准确, 已经不提倡使用。极化去极化电流法 (PDC) 和频域介电谱法 (FDS) 测试精度高, 但是, 测试时间较长, 对于在变电站上使用具有一定的局限性, 如何保证测试精度, 并且还能提高测试速度是目前使用的一大难题。
为了解决这一难题, 结合了时域极化去极化电流法 (PDC) 和频域的频谱分析法 (FDS) 两种方法的优点, 在高频率段 (0.1 Hz~5 k Hz) 采用FDS方法, 而在低频段 (0.1 m Hz~0.1 Hz) 采用PDC方法, 这样不仅保证了测试精度, 而且还提高了测试速度。
采用以上时域PDC测试和频域FDS测试的组合, 时域PDC的介损曲线测试限制在低频 (最高到0.1 Hz) , 这样便可以大幅减少PDC的测试时间, 而对于高于0.1 Hz部分的介损曲线, 则采用频域FDS方式进行测试, 由于避免了<0.1 Hz的低频测试, FDS的测试时间也被大幅缩减了。对于全频段的介损曲线测试 (1?k Hz降到0.1m Hz) , 测试时间将降到3 h以内。
2 测试实例
采用FDS与PDC相结合的监测技术, 监测了220 k V景洪变、110 k V大渡岗变等上使用了具有该种测试原理的仪器, 测试前变压器从电网中退出运行, 高、中、低三侧的连接导线和电网分离。高压侧、中压侧、低压侧分别短接、中压侧接信号输出侧, 高压侧、低压侧分别接输入侧。每次测试的频段都为0.1 m Hz~5 000 Hz, 测试时间都在2个小时40分钟左右, 通过对比其他监测技术获得的监测结果发现本文提出的方法达到了实际工程应用的精度要求。测试结果也和采用单一PDC或FDS方法测试的结果一致。解决了上述遇到的难题。
对于水分含量越高的变压器测试时间越短。对在景洪变对220 k V 1号主变进行了测量, 测试得到变压器高-中压绕组水分含量为0.9%, 变压器中-低压绕组水分含量为1.0%, 完成0.1m Hz~5 000 Hz频段的测试, 用时2小时51分钟。测试图谱如图2所示。
对1号主变进行了测量, 高-中压绕组间介质水含量为0.9%, 中-低压绕组间介质水含量为1.0%完成0.1 m Hz~5000 Hz频段的测试, 用时2小时30分钟。测试图谱如图3所示。
缩短测试频率范围同样可以减少测试时间, 如FDS法缩减到5 000 Hz~2 m Hz时测试时间可以缩短到14分钟, 如测试频率为5 000 Hz~1m Hz, 则测试时间为22分钟。但是缩短测试频率, 只有对水分含量特别高的变压器测试才有意义, 才能在被缩短的频率范围内有所反应。对于水分含量低的变压器, 在缩短的频率范围内不会有所反应, 因为绝缘纸板的水含量只有在低频下才能真正准确显现出来。缩短测试频率范围虽然可以提高测试时间, 但是牺牲了测试精度, 不能准确得出变压器的固体绝缘水分含量。
在110 k V大渡岗变电站1号主变上分别采用了单独的PDC方法和FDS方法进行测试, 测试频段都选择了5 000 Hz~0.1 m Hz频段。PDC法仅测试了高-中绕组的水分含量, 共计用时4.4个小时, 测试得出水分含量为1.0%。采用FDS法测试时我们共计用时12个小时, 水分含量为1.1%。我们还采用了FDS的5 000 Hz~2 m Hz频段测试1号主变的水分含量, 用时14分钟, 得到的水分含量为0.8%, 和5 000 Hz~0.1 m Hz频道测试得到的水分含量相比较, 差别较大。
因此, 频率降低到0.1 m Hz是绝缘纸板湿度评估所必备的, 通过缩减测试频率范围来减少测试时间是不科学的, 得到的测试结果是很难正确真实反映绝缘纸板湿度的, 更是无法能够让专业的用户信服的。所以我们在现场测试时还是采用了5 000 Hz~0.1 m Hz全频段的测试。采用单一的PDC法或FDS法测试时间太长, 不利于变电站现场的使用。PDC法和FDS法是经过卡尔—菲休库仑滴定法验证过的准确有效的方法, 我们没有再重复验证。采用PDC和FDS结合的方法, 在保证精度的同时, 测试时间还都控制在3小时内, 完全满足了变电站测试的需要。
3 结束语
采用PDC和FDS法相结合的方法, 能够保留两种方法优点:
1) 在满足精度要求的情况下监测速度得到了极大的提高, 这在一定程度上减少了检修停电小时数;
2) 监测技术采用无损监测, 不会对变压器造成损坏;
满足了供电部门测试人员的需求, 可以减少停电时间。通过研究发现:对于水分含量越高的变压器测试时间越短, 且能够根据精确的测试结果对变压器进行老化分析, 是一种值得推广的新技术。
摘要：比较了各种变压器固体绝缘水分检测方法, 提出了基于时域极化去极化电流法 (PDC法) 和频域的频谱分析法 (FDS法) 相结合的变压器固体绝缘水分检测技术, 介绍了此方法的实际应用情况。
关键词：变压器,水分,固体绝缘,PDC法,FDS法
参考文献
[1]郝建, 廖瑞金, Chen George, 等.绝缘油老化对油纸绝缘介质空间电荷形成及迁移特性的影响[J].中国电机工程学报, 2012, 32 (016) :173-181.
[2]杨启平, 薛五德, 蓝之达.变压器绝缘老化的诊断与寿命评估[J].变压器, 2004, 41 (2) :13-17.
[3]刘玉仙.油纸绝缘变压器中水分的聚积及其对热老化寿命的影响[J].变压器, 2004, 41 (2) :8-12.
[4]张利刚.变压器油中溶解气体的成分和含量与充油电力设备绝缘故障诊断的关系[J].变压器, 2000, 37 (3) :39-42.
[5]Saha Tapan K., Purkait Prithwiraj.Investigation of polarization and depolarization current measurements for the assessment of oil-paper insulation of aged transformers[J].Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on, 2004, 11 (1) :144-154.
[6]Lundgaard Lars E., Hansen Walter, Linhjell Dag, et al.Aging of oil-impregnated paper in power transformers[J].Power Delivery, IEEE Transactions on, 2004, 19 (1) :230-239.
[7]Borsi Hossein, Gockenbach Ernst, Krüger Michael.Method and device for measuring a dielectric response of an electrical insulation system[Z].
[8]郝建, 廖瑞金, 杨丽君, 等.应用频域介电谱法的变压器油纸绝缘老化状态评估[J].电网技术, 2011, 35 (7) :187-193.
[9]梁帅伟, 廖瑞金, 杨丽君, 等.天然酯与矿物油纸绝缘的加速热老化特性研究[J].中国电机工程学报, 2008, 28 (25) :20-24.
固体绝缘开关柜 篇4
10kV中压环网柜常用的绝缘方式有:气体绝缘、固体绝缘和空气绝缘三大类。气体绝缘多数采用SF6作为绝缘介质,但是一个SF6气体分子对大气的温室效应是CO2分子的25000倍,SF6气体在大气中存活的寿命是3400年,对环境存在很大的潜在危害。中压环网柜使用较分散,SF6气体回收较困难,倘若负责任地全部回收SF6气体,费用较高。而空气绝缘要求的绝缘距离较大,无法缩小开关柜尺寸。城市环网供电迅速发展,高层建筑、轨道交通等用电场所都对环网柜要求进一步提高,提出了占地而积小、安全可靠性高、维护工作量少、环保适用性好等要求,中压固体绝缘环网柜成为一种发展趋势。最近,福州亿力电器设备有限公司组织国内部分开关制造企业和使用单位联合开发出了一种采用固体绝缘技术的10kV中压环网柜。该柜不使用SF6气体,体积是空气绝缘同类设备的30%的小型化产品,绝缘性能更为可靠,得到了专家和用户的一致认可。
2 绝缘材料及设计
根据我们对中压固体绝缘环网柜的成本统计,绝缘结构占总价格的40%以上。选择合理的绝缘材料、设计出合理的绝缘结构以及确定正确的绝缘方式对中压环网柜的价值来说是十分关键。
1930年首次合成环氧树脂以来,人们不断尝试各种添加剂进行改良。环氧树脂以高绝缘强度、高机械强度、浇注硬化时体积变化小和便于机械加工等优点著称。因此我们将它作为中压环网柜的主绝缘材料,附加硬化剂、增韧剂、增塑剂、填充剂、着色剂等,形成了高性能环氧树脂。在耐热、热膨胀和热传导特性方面得到了改良,使其具有难燃性,并且具备耐长时期电压和短时间过电压的绝缘特性。在环网柜中,通常的绝缘结构会形成不均匀电场。在这样的电场中,不能仅靠增大距离来提高绝缘强度,我们还通过优化电场结构,改善电场均匀性。环氧树脂的电气强度为22-28kV/mm,这意味着采用这种绝缘介质来制作经改善绝缘结构的产品,相间的绝缘只需要几毫米的距离,大幅度地缩小了产品的体积。
3 中压固体绝缘环网柜结构设计
将真空灭弧室、隔离开关、接地开关等所有导电部件置入模具内,通过自动压力凝胶技术,使用高性能环氧树脂材料一体浇注成型。产品灭弧介质为真空灭弧,通过高性能环氧树脂进行绝缘。
柜体结构采用模块化设计,易于标准化批量生产。每个间隔环网柜均以金属隔板分离,阻止故障电弧延伸,从而使可能产生的故障限制在每个模块范围内。并设计了集成式母线连接器、集成式触头连接器,主母线为分段封闭绝缘母线与可伸缩的集成式母线连接器连接而成,便于现场安装调试。柜门采取防止内部燃弧的结构设计,并实现关门操作断路器合、分、接地三工位操作,透过观察窗可方便观察到开关位置状态,运行安全可靠。
4 中压固体绝缘环网柜优点及型式试验分析
4.1 中压固体绝缘环网柜主要优点如下:
(1)采用高性能环氧树脂材料,绝缘性能可靠,局部放电量低。
(2)产品为全绝缘全密封的结构,无裸露带电体,不受灰尘、污秽物的影响。不受环境限制,可广泛应用于高温、低温、高原、防爆场所、污秽场所和地区。可解决高温运行时SF6气箱气压影响、温度过低SF6气体液化的问题。例如福州地处沿海地区,距海岸线较近,为高盐雾地区,该产品不受盐雾影响,具有较大优势。
(3)不使用SF6气体,无任何有害气体,是环保型产品。产品不存在泄漏,无需定期维护,是免维护产品。强化了其防爆性能,适于防爆场所应用,三相之间全绝缘的结构,无相间短路发生,是安全可靠的产品。
(4)中压固体绝缘环网柜设备占用面积只为空气绝缘中压环网柜设备的30%,是超小型产品。
4.2 中压固体绝缘环网柜型式试验分析
根据上面提到的各项优点,我们进行了相应的型式试验。包括绝缘试验(耐受电压42kV/48kV)、局部放电量测量(≤5pC)、高低温试验(+80°/-45°)、凝露试验(Ⅱ级污秽)、内部燃弧试验(0.5S)等型式试验。试验结果表明产品完全满足参数要求,充分验证了该产品的上述各项优点。
同时我们进行了国家标准要求的其它型式试验项目[1]:温升试验、主回路电阻测量、额定峰值耐受电流和短时耐受电流试验、额定短路关合能力试验、额定短路开断能力试验及电寿命、机械试验、异相接地故障试验、额定有功负载电流开合试验、额定容性电流开合试验等。试验结果证明产品完全符合国家标准要求。
国家电网公司曾多次召开会议讨论中压固体绝缘环网柜的型式试验项目及参数要求,对部分项目讨论较多,包括局部放电量测量≤5pC还是≤20pC更合适等细节内容。我们认为,国家标准要求型式试验项目是必须的,确定要做的;根据产品优点进行的试验项目也是必要的,这能够充分验证产品优异性;最后根据产品的使用环境,选择振动试验、严酷气候条件下的试验等特殊试验项目。参数方面,国家电网公司只规定了基础的要求,我们可以根据产品自身性能,适当提高参数,例如局部放电量测量我们提高要求为≤5pC,高低温试验的温度范围也提高了要求。
5 结论
固体绝缘比气体绝缘和空气绝缘都具有较大优势,绝缘性能可靠,无任何有害气体,是环保型产品,不存在泄漏问题。固体绝缘技术的应用使中压环网柜的小型化程度大为提高,环境适应能力得到了很大改善,可广泛应用于高温、低温、高原、防爆场所、污秽场所和地区,各项优点经过型式试验的验证。
迈入2013年,国家电网公司重点推广新技术目录,加大了中压固体绝缘环网柜的推广力度,且将逐年加大力度,要求2015年后公司新建改造项目中的中压固体绝缘环网柜使用量不低于新增总容量的25%。中压固体绝缘环网柜,广泛使用于居民小区、城市配网,具有良好的市场潜力。
参考文献
中压开关柜在线绝缘状态监测 篇5
表征绝缘特性的有很多参量, 比如介质损耗角正切、局部放电、泄漏电流等。在实施绝缘特性检测时需要根据具体的检测对象而选择合适的检测参量。在对历年高压开关运行故障资料及厂方提供的绝缘部位故障统计报告, 以及对可能发生的绝缘故障加以理论分析的基础上, 确定绝缘特性检测对象为母线室环氧套管的泄漏电流和局部放电。
为了确定绝缘泄漏电流检测的故障判断依据, 用试验方法对现场运行的12kV开关柜环氧套管的表面污秽状况进行了模拟。选取2个环氧套管设置4种不同的污秽程度进行试验: (1) 绝缘套管表面处于无灰尘和水分的清洁状态 (Ⅰ级) ; (2) 套管表面有低盐密的水分 (Ⅱ级) ; (3) 套管表面有中等程度的盐密污秽 (Ⅲ级) ; (4) 严重的污秽 (Ⅳ级) 。在每种污秽程度下, 分别对套管施加7、12、20kV电压记录泄漏电流测量值, 然后继续升高电压直至出现火花放电, 记录此时的电压和泄漏电流值。
在清洁状态下套管表面的泄漏电流非常小, 在潮湿和污秽情况下, 套管表面的绝缘状况会明显劣化, 泄漏电流大幅增加。在单相接地且套管上有严重污秽的情况下, 套管泄漏电流约为40μA。根据试验结果, 可以设定12kV断路器在线监测系统的一级绝缘劣化阈值为50μA (此阈值考虑了大电流引起的电磁干扰, 留有10μA裕量) , 超过这个阈值提供报警功能。如果泄漏电流值明显超过50μA, 说明环氧绝缘套管绝缘性能有失效的危险, 电器设备必须立即停电检修。可以设定二级绝缘劣化报警阈值为100μA, 既考虑了实验结果, 也留有足够裕量以防止因电磁干扰导致系统误动作。
中压空气绝缘开关柜的研究探析 篇6
1.1 两种绝缘开关柜并行发展
在参考文献[1]中提到:有两种变电站,其中有SF6开关柜(又称GIS);还有一种就是人们普遍使用的传统空气绝缘体(也称AIS)。一般认为,电压范围在12 kV～24 kV内,如果采用真空断路器和组件式设计这种现代方法,则两种开关设备的宽度是一致的。参考文献[2]对比了两种开关柜的特点,它们各有优势:AIS可保养性好,扩展性强,易于维修并且费用低,而GIS则在环境适应性、可靠性和紧凑性等方面表现突出。在其他性能方面两者不相上下。
基于两种开关柜的这种特点,世界上几乎所有大的电气公司都有品种齐全的两种开关柜,12 kV至24 kV侧重于AIS,36 kV及以上侧重于GIS。此外,为了更好地发挥两种柜的优势,有的公司将GIS的母线隔离出来采用空气绝缘,以增加其可扩展性,如F&G公司的GE型柜。
1.2 中压开关品种繁多以适应不同的使用要求
1.2.1 AIS柜
(1)手车式开关柜通常分为2类:①箱式。这种柜的优点就是体积小且成本低,适合在用户终端使用。例如,AEG的WBA型、F&G公司的EA型。在检修时用插板将母线与主开关隔开。②恺装式。恺装柜大多以手车面板作门,按油断路器设计,它不仅占地面积小并且手车的位置很容易找到,但其空间利用不好、防护措施等级较低。例如,AEG的WBD型、R型、西门子的SBK20型等。
近年来,由于小尺寸的真空和SF断路器的出现,中置式恺装柜也相继问世,这种柜的主开关在开关柜中部,这样不仅扩大了下层电缆室的空间,而且便于检修。例如,ABB的ZS1型(Calor Emag的真空柜)、Safe Six型(Asea的SF6柜)、U-niverC型(Sace的SF6柜)及AEG的WBB型等。
1.2.2 固定柜
其主开关通常为负荷开关,此时负荷开关往往被作为隔离开关来使用。在检修时,负荷开关断口间的母线与主开关用插板进行隔离。这种柜的优点就是尺寸小且价格便宜,能避免出现一些如带负荷拉刀闸的误操作。例如,ABB的ZS8型、GEC-Alsthom的M24型、VEI公司的Uniarc型等。
此外,还有双层柜、负荷开关为主的环网柜和接触器与熔断器组合的F-C柜等。
1.2.3 GIS柜
目前,GIS应用比较广泛的有分相式、三相共筒及方箱形3种基本形式。需补充说明:充气柜同样有恺装式与箱式之分,如ABB的ZV2型与ZX1型。显然,箱式比恺装式紧凑、成本低。充气气体不仅有SF6气体,也可以用干燥氮气或用低比例的SF6与N2的混合气体,这对12～24 kV级具有一定的意义。此外,也有充气的环网柜等。
1.3 数字化技术已在开关中推广应用
随着微处理器的广泛应用,传统的电磁式继电保护、测量仪表及控制装置已开始被取代,开始应用集成电路和相应的软件来实现,由于不断加入在线检测内容,新型的开关柜朝着智能化方向进一步发展。
2 主要性能特点
(1)采用AREVA公司的制造技术和进口的优质2.0 mm敷铝锌钢板来制作柜体零部件及各功能单元之间的隔板,并用铆钉来连接柜体骨架和钢板,使柜体结构合理且骨架造型美观。此外,在需受压的部位均采用折弯扣接结构,使柜体的抗压能力更强,能可靠地承受机械、电气和热应力且变形量极小,为开关柜发挥出良好的电气性能提供了可靠保证。
(2)采用中置式方法安装断路器,由开关柜的侧板来承担断路器的重量,因此对地基的平整度要求不高。断路器手车运输托架特别灵巧,柜体进出方便可靠,不会出现卡滞现象。
(3)不需打开手车室门,在柜外即可进行断路器的分合闸操作和手车从试验位置到运行位置间运动的操作,这样不仅省力、平稳,还能保障人身安全。
(4)防护等级高达IP4X,充分考虑了运行人员的安全。手车室和电缆室均采用锯齿状的防内部电弧故障应力门,室门关闭或打开时均有不同的锯齿点锁定。采用专用提升装置来打开室门;电缆室、母线室、断路器室在柜顶分别有各自的泄压通道,并且在所有的散热和通风孔部位都安装了自动封闭装置。当开关柜正常运行时,柜顶泄压通道呈关闭状态,散热通风孔打开;如果内部发生故障,柜顶泄压通道则自动打开,而散热通风孔自动关闭,这样就保证了事故不再蔓延,人员不会受到伤害。
(5)开关柜采用可靠墙安装,在柜前就可以完成对柜体的安装、检修、试验等工作,方便快捷。
(6)采用弧形的铜接头来搭接母线,由于考虑到电场是分布均匀的,所以用SMC材料将母线室隔开。电缆室与断路器室之间的中层金属隔板可以很容易地拆下,这样就能使安装电缆终端时空间更大,在以后扩展时加装互感器及避雷器等部件时也更加方便。
3 开关柜的结构特点
柜体和可移开部件两者共同组成了开关柜,其中可移开部件又称为手车。开关柜柜体的外壳和开关柜的各功能模块之间的隔板都是采用优质材料制作而成。
开关柜没有采用靠墙的安装方式。一般来说,手车为中置式的锁定结构,这样设计的好处是即使在柜底盘不平整的情况下,也不会产生回路中隔离插头闭合完全的情况;此外,这种设计也增加了电缆连接端子的高度,维修时就更加方便。
3.1 外壳与隔板
敷铝锌钢板在弯折后再经紧固件组装就构成了开关柜的外壳,因此外壳在尺寸上能够与装配好的开关柜实现一致。金属隔板是接地的,隔板将开关柜划分为手车室、母线室、电缆室、继电器仪表室(低压室)四大部分,这4个部分之间的功能相互独立。
3.2 手车
手车的学名叫做可移开部件,由于用途不同,可由隔离手车、电压互感器手车和断路器手车构成,而且在高度和深度上各类手车都相一致。手车在柜内有3个不同的位置,3个不同的位置主要有断开位置、试验位置和工作位置。
3.3 开关柜内的隔室
3.3.1 手车室
一般手车室位于开关柜柜体的前中部,手车室内设置有特定的手车轨道,能够让手车在轨道上滑行和工作。手车能够在断开试验位置、工作位置之间移动。手车在从试验所处的位置转移到工作位置的过程中,活门可以实现自动打开,且需要保证动触头能够方便地插入静触头座,实现动静触头接通。
3.3.2 母线室
开关柜柜体的后上部叫做主母线室,母线的主要作用是实现从一个开关柜引至另一个开关柜,在母线穿越开关柜的时候,常常采用隔板和套管分别对母线和开关柜给予固定和支撑,隔板和套管也能够起到限制事故快速蔓延到相邻柜的作用。
3.3.3 电缆室
通常电缆室都设置在开关柜柜体的后下部分,电缆室内能够安装电流互感器、接地开关和避雷器等。在将电缆室的后盖板移开的时候,操作人员能可以从后面进入开关柜内安装电缆。电缆室内部设置有连接电缆的导体,导体能够实现将1～5根电缆并接。电缆室内的底板采用可拆卸的不锈钢板制作而成,并且底板设置有电缆的固定夹和变径密封圈。为了能够方便施工,要注意在继电器仪表室的顶部设置小母线穿越孔位。
4 防止误操作闭锁装置
为了保证产品能够安全的运行,开关柜需要设置有可靠的防误操作的联锁装置。进行联锁设计时一般注重于操作的逻辑性和适当的预防性。通常采用的是机械联锁作为主要手段,电气联锁作为辅助手段的双重闭锁,闭锁具有防止带负荷拉动隔离触头、防止误入带电间隔、防止误分、误合断路器等防护功能。
5 结语
本文主要对开关柜的性能特点和结构特点做了分析,并对开关柜的防治误操作进行了一定的探究。日后对开关柜的研究要不断地进行探索,并且要及时总结经验,加强平时对设备的检查,提高检修质量,就可能有效地提高机组的效率。还可以参照国外产品的具体情况,确定合理的分析方法,以取得良好的综合效益,也易于与国际市场接轨。
参考文献
[1]张莺.PIX12中压空气绝缘开关柜[J].华中电力,2007(4):56-58.
[2]崔成恕,赵伯楠,王岩.国内外中压开关柜的现状与发展趋势[J].供用电,1995(5):2-4.
固体绝缘开关柜 篇7
关键词：气体绝缘金属封闭开关柜,红外线,辐射,在线温度监测
0 引言
气体绝缘金属封闭开关柜(Gas Insulated Swichgear),简称GIS,是一种重要的高压电气配电装置。GIS由断路器、母线、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、套管等电器元件以及这些元件的封闭外壳、伸缩节和出线套管等组合而成,内充一定压力的SF6气体作为绝缘和灭弧介质。GIS设备所有带电部分都被金属外壳包围,外壳经铜母线接地,内部是SF6气体。由于采用SF6气体作为绝缘介质,其绝缘性能、灭弧性能都比空气好得多。
和常规的敞开式高压电器设备相比,GIS设备具有以下优点:(1)占地面积小。有关文献统计表明500 k V GIS设备的占地面积只有常规设备的25%左右[1]。(2)不受外界环境影响。GIS设备是全封闭电气设备,导电部分全部在金属外壳之内,并以SF6气体绝缘,与外界不发生接触,因此不受外界环境的影响。(3)维护方便,检修周期长。由于GIS加工工艺严格,技术先进,且绝缘介质使用SF6气体,绝缘性能、灭弧性能都优于空气断路器,其开断能力大、触头烧伤轻微,故GIS的检修周期长,故障率低。所以GIS设备运行安全可靠,维护费用少。(4)施工周期短。由于GIS设备各个元件的通用性强,整套设备采用积木式结构,因此可在工厂内进行整机装配和试验合格后,以单元或间隔的形式运达现场,与常规设备相比,现场安装的工作量减少80%左右。
正是由于GIS设备与敞开式设备相比的突出优点,GIS在变电站中的应用越来越广泛,并得到广大工程技术人员的推崇。
1 开发GIS红外在线测温系统的必要性
1.1 GIS测温的重要性及目前测温方法所存在的问题
GIS设备触头接触不良时,因接触电阻变大,在负载电流流过时会产生发热现象。触点、母线过热会引起绝缘老化甚至击穿,从而引发短路,形成重大事故,造成重大经济损失。因此,检测和监视GIS设备触点、母线和高压电缆接头的温度,提前发现和排除热故障隐患,对GIS的安全可靠运行具有非常重要的意义。据不完全统计,国内的众多发电公司、电力公司所采用的GIS设备均不同程度地出现过封闭母线、隔离开关、电缆头等部件由于绝缘老化或接触不良而造成温度异常变化,进而引发事故的现象。为此,电网公司制定专门技术规范,要求对GIS设备的过热部位进行温度监测,做到温度越限报警,以保障电力设备的安全生产和提高设备运行的可靠性[2]。
GIS是全封闭式高压带电设备,发热点处于设备内部不便检测。目前主要采用在GIS柜体上开监视窗孔,然后使用热像仪或点温仪对设备进行定期巡检的方法。而热像仪只能反映巡检当时触点的发热情况,不能实现实时测温,更不能及时发现温度场的持续性变化,对于及时发现设备隐患帮助不大。此外,还有通过光纤传导的方式进行温度监测的方法,这种方法可以实现在线测温,但是由于该方法需将感温元件紧贴在被测物表面,属于接触式测温,对于GIS的安全运行无疑会造成一定的隐患[3]。
1.2 GIS红外测温系统的特点
1.2.1 红外测温原理
自然界一切温度高于绝对零度的物体都在不断地、自发地辐射出红外线。红外辐射是一种波长在0.76~1 000μm之间的电磁波。红外辐射的物理本质是热辐射,其热效应较可见光强得多。向外发出的红外辐射,以光的速度传播能量,辐射能量的大小及其按波长的分布,与它的表面温度有着十分密切的关系。对于黑体物质而言(也就是能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量的物体),辐射的能量完全决定于该物体的温度。物体的温度越高,发出红外辐射的能量也越大,而且只要温度出现微小变化,就可引起辐射能量明显的变化。因此,通过测量物体自身辐射的红外能量就可准确测定该物体的表面温度[4]。
1.2.2 该系统功能简介及特点
GIS运行时必然伴随着内部温度场的改变,该系统就根据红外线测温原理,将高精度无源本质安全型红外温度传感器内置于GIS各SF6气室中,实时监测气室中各节点温度场的变化,并通过相应的硬件及软件设计将监测结果反应于变电站综合自动化系统主控计算机中,据此实现在线监测GIS温度变化,对触点过热等现象做出判断,并可根据温升程度发出不同级别的警报通知运行人员采取不同的措施。
与目前常用的GIS测温方法相比,该系统应用于GIS设备具有明显的优点:(1)由于GIS内部结构紧凑,需要测温的触点不多,故该系统只需很少几只红外温度传感器就能实现整台GIS的在线监测,简化了系统结构并大大降低成本。(2)由于采用本质安全型红外温度传感器,采取了非接触测温方式,因此对GIS的安全运行不会产生任何影响。(3)红外传感器抗干扰能力强,GIS装置内的强电场电磁干扰对它影响相对较小,并可以简化抗干扰系统的设计。
2 系统的基本结构
系统的基本结构如图1所示,图1为GIS红外在线测温系统原理框图。
该系统由终端测温单元、数据采集单元、数据监测管理单元三部分组成。终端测温单元的最底层是红外温度传感器,在GIS各个气室需要监测的节点上安装相应的红外温度传感器,通过数据线将温度数据温差电势上传至数据采集单元;数据采集单元负责将数据汇总,同时将温度数据和报警信号通过RS485总线上传至数据监测管理单元;数据监测管理系统将数据采集单元传来的信息汇总,并留出通信口,以便依据标准协议通过RS485总线将该系统与变电站综合自动化系统相连。
3 系统的硬件实现
3.1 信号采集单元的硬件实现
选用EXERGEN公司标准型IRt/c红外温度传感器作为终端测温元件,IRt/c系列红外线温度传感器具有高精度,非接触,无需电源,热电偶信号输出的特点,对GIS的正常运行不会造成不利影响。
考虑到现场的测量要求和安装方式,需要确定红外温度传感器的光学参数。目标测量距离为10~50 cm,目标直径小于或等于10 cm,应选取的红外传感器视场张角为60。,距离系数(即视场直径与测量距离的比值)为5:1。
红外温度传感器所采集的温度信息在其内部转换为温差电势的形式,由其自带的双绞屏蔽电缆输出送至数据采集单元。由于IRt/c型红外传感器采用超过NEMA4等级的封装技术,故而信号采集单元对电磁干扰有着很好的抵抗作用,可以大大简化抗干扰系统的设计,进一步减少开发成本。
3.2 数据采集单元的硬件实现
信号采集单元所采集的温度信号以温差电势的形式由红外温度传感器自带的双屏蔽电缆线传输至数据采集单元。选取功能强大的AVR单片机作为数据采集单元的控制芯片[5],AVR单片机其内部包括有FLASH、EEPROM和RAM存储器,可分别存储运行程序和数据。AVR单片机利用其片内自带的10位A/D转换器将红外温度传感器输出的经调理放大后的温差电势转换为数字信号,然后将信号加以处理后由串口输出,再经电平转换后由RS485总线将数据上送至数据监测管理单元。
3.3 数据监测管理单元的硬件实现
选用INTEL16位单片机80C196KC作为主控制芯片,外扩了RAM、ROM以及FLASH,分别用于数据寄存、程序存储和历史数据记录;选用时钟芯片DS12C887记录系统时间;选用点阵式液晶显示操作界面、温度数据及报警画面等;利用65HVD3082芯片实现485通信,它具有1/8单位负载接收器输入阻抗,允许多达256个收发器接于单总线上;利用80C196KC芯片的I/O口控制5个按键实现系统复位和相关的菜单操作;选用IMP705芯片实现看门狗功能,它能够在程序出错或电源过低时对系统复位。
对于数据监测管理单元,由于需要随时与变电站综合自动化系统的通信,故保证与上层系统通信的可靠性就显得非常重要。因此选用串口扩展芯片ST2250外扩出一个串口与上层通信,而单片机自带的串口负责与下层的通信,数据监测管理单元的硬件结构如图2所示。
4 系统的软件实现
4.1 数据采集单元的软件实现
用汇编语言编写数据采集单元程序,程序流程如图3所示。
主程序60 s循环一次,以查询方式取得红外温度传感器的数据,以中断方式响应数据监测管理单元的数据传送请求,将处理后的数据上送。
4.2 数据监测管理单元的软件实现
数据监测管理单元主程序每60 s循环一次,将接收到的下级数据采集单元数据加以处理。若温度场正常则继续循环,若有异常则弹出报警画面并闪动示警,同时以中断方式与变电站综合自动化系统通信,程序采用汇编语言编写,流程如图4所示。
5 结语
该系统应用于气体绝缘金属封闭开关柜(GIS)中,可以对GIS内部温度场的变化进行在线监测,并能够根据温升程度发出不同级别的警报,用户可以通过液晶屏查看各监测点的状态,并可通过键盘设置报警参数及环境参数以适应不同条件的需要。监测网络既可以独立工作,也可以依据实际需要与变电站综合自动化系统相连。由于采用了本质安全型红外线温度传感器作为终端测温元件,与其他常用的GIS测温方法相比,该系统具有安全、非接触、高精度、能够实现在线测温和远程通信等优点,非常适合各电压等级无人值守变电站采用。
参考文献
[1]李建基.高压气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)的主要合资企业概况及产品[J].电力设备,2007,8(3).
[2]Q/GDW-10-316-200720kV交流气体绝缘金属封闭开关技术规范[S].
[3]时斌.光纤传感器在高压设备在线测温系统中的应用[J].高电压技术,2007(8).
[4]陈衡,侯善敬.电力设备故障红外诊断[M].北京:中国电力出版社,1999.