40.5kV雙母線氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)

廣州白云電器設(shè)備股份有限公司，廣東 廣州 510460

1 電氣主接線概述

電氣主接線是由高壓電器通過連接線按其功能要求組成接受和分配電能的電路，構(gòu)成傳輸強(qiáng)電流、高電壓的網(wǎng)絡(luò)，又稱為一次接線或電氣主系統(tǒng)。電氣主接線是發(fā)電廠、變電站電氣部分的主體，主接線的擬定與設(shè)備的選擇、配電裝置的布置、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的確定、運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和調(diào)度的靈活性等密切相關(guān)。電氣主接線的基本接線形式為有母線接線和無母線接線，其中，有母線接線包括單母線分段接線、雙母線接線。

（1）單母線分段接線。單母線分段接線是將一段母線用斷路器分為兩段，其優(yōu)點(diǎn)是接線簡(jiǎn)單清晰，設(shè)備少，投資小，運(yùn)行操作方便；缺點(diǎn)是母線故障或檢修時(shí)會(huì)造成部分回路停電，可靠性和靈活性較差。

（2）雙母線接線。雙母線接線是將工作線、電源線和出線通過一臺(tái)斷路器和兩組隔離開關(guān)連接到兩組母線上，且兩組母線都是工作線，每一回路都可以通過母線聯(lián)絡(luò)斷路器并列運(yùn)行。與單母線相比，其優(yōu)點(diǎn)是供電可靠性高，可以輪流檢修母線而不使供電中斷；缺點(diǎn)是每一回路都增加了一組隔離開關(guān)，使配電裝置的構(gòu)架及占地面積、投資費(fèi)用相應(yīng)增加，在改變運(yùn)行方式時(shí)容易發(fā)生誤操作，且不宜實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備屬于中壓領(lǐng)域的配電設(shè)備，氣箱由不銹鋼板焊接而成，一次通流部分封裝在密閉的氣室內(nèi)，氣室內(nèi)部氣體的相對(duì)壓力為0.05MPa左右，氣體一般為純凈的SF6氣體或其他混合氣體。該系列產(chǎn)品被大量使用在各種不同場(chǎng)所的單母線系統(tǒng)，近年來雙母線接線方式使用氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的項(xiàng)目越來越多，無論是單母線系統(tǒng)還是雙母線系統(tǒng)，主接線的擬定都和系統(tǒng)所使用的開關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。

2 雙母線氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的缺點(diǎn)

雙母線接線是基于單母線接線的缺點(diǎn)提出來的，雙母線接線中的一組為工作母線，另一組為備用母線，并通過母聯(lián)斷路器并聯(lián)運(yùn)行。早期的40.5kV雙母線接線的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的缺點(diǎn)如下：

（1）產(chǎn)品體積大，成本高，占地面積較大，投資費(fèi)用較高。氣箱部分焊接為一整體，造成氣箱體積大，搬運(yùn)困難，且設(shè)置的氣室多，密封面多，密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，漏氣的風(fēng)險(xiǎn)高，產(chǎn)品運(yùn)行后，檢修及維護(hù)不方便。

（2）未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，運(yùn)行安全程度不高。氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的隔離、接地開關(guān)未實(shí)現(xiàn)電動(dòng)操作；斷路器、電纜室的壓力釋放通道不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和用戶要求，影響著相鄰開關(guān)設(shè)備之間的安全運(yùn)行和操作維護(hù)者的人身安全。

（3）操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。當(dāng)任何一段母線出現(xiàn)故障時(shí)，必須在短時(shí)間內(nèi)切除相關(guān)電源和線路的故障，通過人工操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低，容易發(fā)生誤操作，并且在短時(shí)間內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)快速切除故障和及時(shí)送電。

（4）溫升問題。40.5kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備是將母線、三工位開關(guān)、斷路器、電流互感器等元器件安裝于氣室中，為了防止氣體的泄漏，一次導(dǎo)電部分和絕緣氣體完全封閉在密封的氣室中，氣室的防護(hù)等級(jí)一般為IP65～I(xiàn)P67，為了滿足耐腐蝕和高強(qiáng)度的要求，大多數(shù)氣箱由不銹鋼板焊接而成，氣箱內(nèi)部產(chǎn)生的熱量只有通過不銹鋼板的表面與外界實(shí)現(xiàn)熱量交換，而不銹鋼板的導(dǎo)熱率很低，通過不銹鋼板傳導(dǎo)出去的熱量較少，因此氣體絕緣開關(guān)設(shè)備尤其是大電流設(shè)備的溫升問題尤為突出。

3 雙母線氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，40.5kV雙母線氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)有效地利用開關(guān)設(shè)備的空間，在完成功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，減小了開關(guān)設(shè)備的體積和占地面積，改善了開關(guān)設(shè)備的溫升問題，以保證壓力釋放通道符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和用戶要求，確保開關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行和操作維護(hù)者的人身安全，詳細(xì)設(shè)計(jì)介紹如下。

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

40.5kV雙母線氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，開關(guān)設(shè)備分為前柜、第一母線室、第二母線室、斷路氣室、連接氣室、后柜和電纜室七個(gè)部分，各部分通過螺栓連接為一個(gè)整體，前柜為低壓室，其他隔室均為高壓室。在自然冷卻的情況下，額定電流可達(dá)到2000～2500A，滿足大多數(shù)用戶的需求。

圖1 雙母線氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 氣箱結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)

40.5kV雙母線氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備各模塊組合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，前、后柜和電纜室為獨(dú)立的設(shè)計(jì)模塊；將第一母線室、第二母線室、斷路器室、連接氣室進(jìn)行結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，第一母線室和斷路器室組合為前氣箱，第二母線室和連接氣室組合為后氣箱。前氣箱、后氣箱均由不銹鋼板焊接而成，前氣箱焊接為一個(gè)L形氣箱，包括第一母線室和斷路室，第一母線室和斷路室之間用不銹鋼板和安裝在其上的導(dǎo)電連接法蘭隔開，形成兩個(gè)獨(dú)立的隔室；后氣箱焊接為一個(gè)長(zhǎng)方形氣箱，包括第二母線室和連接氣室，第二母線室和連接氣室之間也用不銹鋼板和安裝在其上的導(dǎo)電連接法蘭隔開，形成兩個(gè)獨(dú)立的隔室；后氣箱放置于前氣箱L形的折彎處，并通過上下連接板及連接螺栓固定為一個(gè)整體。

圖2 雙層雙母線氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備氣箱的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3 密封法蘭的設(shè)計(jì)

密封法蘭為機(jī)械加工的金屬件如圖3所示，未開密封槽的面端與前氣箱的連接面密封焊接，開密封槽的端面，在密封槽內(nèi)鑲嵌密封圈，該端面與后氣箱的連接面相連接，并用螺釘緊固。密封法蘭解決了氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備氣箱間氣室的連接問題，使開關(guān)設(shè)備各氣箱間的連接安全可靠，既保證了銅排的可靠連接，又保證了銅排的電氣間隙，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

圖3 母聯(lián)方案

3.4 斷路器的設(shè)計(jì)

雙母線斷路器采用模塊化結(jié)構(gòu)和鴨嘴式觸頭插入式的柔性連接，如圖4所示，即前后氣箱內(nèi)部的元器件裝配完成后，斷路器作為一個(gè)整體橫向插入氣箱，完成氣箱的最后裝配，使斷路器的裝配和維護(hù)更簡(jiǎn)單。

圖4 斷路器裝配

3.5 滿足防止內(nèi)部故障電弧要求的設(shè)計(jì)

40.5kV雙母線氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備內(nèi)部故障電弧釋放示意圖如圖5所示，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求和用戶的要求，應(yīng)將IAC等級(jí)水平作為開關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)，內(nèi)部故障電弧允許持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于0.5s，該產(chǎn)品斷路器室、第一母線室、第二母線室和電纜室均設(shè)有獨(dú)立的泄壓通道和壓力釋放裝置，壓力釋放裝置噴口朝向避開了巡視通道和其他設(shè)備，因此該系列開關(guān)設(shè)備的內(nèi)部電弧等級(jí)(IAC級(jí))設(shè)計(jì)為AFLR，內(nèi)部故障電弧允許持續(xù)時(shí)間不小于0.5s。

圖5 雙母線開關(guān)設(shè)備內(nèi)部故障電弧釋放示意圖

4 拓展設(shè)計(jì)

4.1 雙母線電氣主系統(tǒng)方案拓展設(shè)計(jì)

為了滿足電氣主系統(tǒng)各種設(shè)計(jì)方案、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和用戶的要求，在開關(guān)設(shè)備外形尺寸、組合氣箱外形尺寸不變的情況下，每相可以安裝多個(gè)電纜錐、多個(gè)電流互感器，還可以連接插接式避雷器、插接式電壓互感器、試驗(yàn)接頭等，形成各種拓展方案，開關(guān)設(shè)備的母線室可以適當(dāng)加高外形尺寸以用來直接安裝母線插接式避雷器或母線插接式電壓互感器，進(jìn)行母線的保護(hù)和計(jì)量，母線室的尺寸加高不影響開關(guān)設(shè)備的功能（如圖6所示）。

圖6 多方案拓展設(shè)計(jì)

4.2 系列化的拓展設(shè)計(jì)

根據(jù)電氣主系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的要求，雙母線40.5kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備為組合式氣箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，雙氣箱時(shí)可滿足雙母線雙層錐（母線額定電流為2000～2500A）和雙母線單層錐（母線額定電流為1250A）的要求，形成雙母線系列開關(guān)設(shè)備，拆去后氣箱，在多數(shù)元器件不變、部分結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，同樣滿足單母線雙層錐（母線額定電流為2000～2500A）和單母線單層錐（母線額定電流為1250A）的要求，形成單母線系列開關(guān)設(shè)備，滿足更多用戶的需求（如圖7所示）。

圖7 多方案拓展設(shè)計(jì)

5 結(jié)束語

40.5kV雙母線氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備利用雙層布置母線錐解決了氣體絕緣金屬封開關(guān)設(shè)備的溫升問題，使雙母線的任意一條母線溫升低，體積小，雙層布置的母線錐可根據(jù)電流大小設(shè)計(jì)為單層母線錐，開關(guān)設(shè)備通用性強(qiáng)，擴(kuò)展方便。該開關(guān)設(shè)備采用組合式雙氣箱，每個(gè)氣箱設(shè)置兩個(gè)氣室，易于各氣箱零部件的加工和氣箱的整體焊接，組合式雙氣箱的4個(gè)氣室通過組合和連接，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案靈活多變，既滿足雙母線氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備各種設(shè)計(jì)方案的要求，又滿足單母線氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備各種設(shè)計(jì)方案的要求。氣箱通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，斷路器采用模塊化結(jié)構(gòu)和觸頭插入式的柔性連接，使斷路器的裝配、更換簡(jiǎn)單，有效降低了裝配成本和減小開關(guān)設(shè)備的外形尺寸。各元器件通過有效組合和安裝，使各隔室的元器件安裝方便，滿足各自性能的要求。各隔室通過合理設(shè)計(jì)布局和連通，保證在開關(guān)設(shè)備產(chǎn)生內(nèi)部電弧時(shí)，高溫高壓的氣體在壓力釋放通道的導(dǎo)流下全部從柜頂釋放，不傷及人員，不影響開關(guān)柜相互獨(dú)立的隔室之間和相鄰的開關(guān)柜之間的安全運(yùn)行。在實(shí)際工程的應(yīng)用中，該開關(guān)設(shè)備的方案靈活多變，易于選用，并有利于組織工程設(shè)計(jì)和批量生產(chǎn)。