10kV常壓密封空氣絕緣環網柜隔離刀的設計探討

寧波耀華電氣科技有限責任公司 劉堅鋼 王競如 劉曉穎

隔離刀閘是一種用于高壓開關的電器，用于在沒有負荷電流的情況下分、合電路，在實際的使用過程中，對隔離刀閘的操作有帶電作業和對隔離刀閘上級電源進行停電作業，而對隔離刀閘上級電源進行停電會增加停電的范圍、影響居民正常用電，所以一般采用帶電作業的方法。作業人員在拉開隔離刀閘后，在電纜頭進行裝拆接地線或電纜接頭時隔離刀閘側帶電，隔離刀閘和作業人員之間沒有專用絕緣屏蔽用具，導致作業人員和隔離刀閘電源側距離過近，存在較大的安全隱患，且由于帶電側距離較近，會限制作業人員的活動范圍，影響作業速度，對恢復用電造成一定的影響[1]。

當前國內10kV 常壓密封空氣絕緣斷路器柜自動化成套設備相關標準，要求標準型的開關柜隔離刀閘相對地、相間及隔離刀閘斷口電氣間隙均不小于125mm，產品實際生產發現，隔離刀閘分閘瞬間由于機械傳動積累誤差與產品外形尺寸限制等原因，隔離刀閘分閘瞬間的最小電氣間隙無法滿足相對地不小于125mm 的要求，因此隔離刀閘分閘瞬間最小電氣間隙設計取值范圍的安全性研究就顯得尤其重要。

在當前10kV 配網建設項目中，無六氟化硫氣體環保性的10kV 常壓密封空氣絕緣環網柜及其配網自動化成套設備逐漸開始采用，相對傳統的10kV六氟化硫環網柜及其配網自動化成套設備，10kV常壓密封空氣絕緣環網柜及其配網自動化成套設備大范圍應用，能有效為碳中和作出貢獻。10kV 空氣絕緣隔離刀閘是10kV 常壓密封空氣絕緣環網柜及其配網自動化成套的關鍵部件，本文就隔離刀閘分閘瞬間最小電氣間隙等技術難點著重分析，并提出相應參考數據，以便相關人士參考。

1 10kV 常壓密封空氣絕緣斷路器隔離刀閘設計現狀

10kV 常壓密封空氣絕緣斷路器柜中隔離開關三相一般為縱深方向排列，設置合閘、分閘、接地三工位，依照DL/T404標準要求，空氣絕緣時斷口、相間及對地距離大于125mm。當此距離按殼體、主靜觸頭、動觸頭、接地靜觸頭之間，從左往右排列時，將導致開關柜體有450mm 至500mm 寬。也有把殼體、主靜觸頭、動觸頭、接地靜觸頭之間距離按從斜上方向斜下方排列，以獲得小的柜體寬度，但由于動觸刀分閘時與殼體之間的距離也需大于125mm，此方式縮小柜體有限，且拉長了開關箱體上下方向的長度，即增加了開關柜的高度。

隔離刀在分、合主刀時，雖然沒有滅弧要求，但仍然要承受25kA/4s 短時耐受電流和63kA 峰值耐受電流，具備相應短路接地關合能力，不同生產單位的隔離刀觸點選用的材質不同。有廠家直接用型材銅排再次模具擠壓成形觸點，此方式加工效率較高、電阻低、提高觸點局部硬度，但仍需在合適的觸頭壓力、觸點接觸面之間取得平衡。

有的廠家用型材銅排加工成觸頭后，在觸點部位加入合金觸點，在盡量少增加電阻的前提下提高觸點耐燒蝕性，減少接地關合前引弧距離。但此方式究竟采用哪種合金觸點、合金比例是多少，觸點形狀尺寸的確定，是否確實可靠地起到了預定的作用，還需進一步檢驗。

在一定的隔離開關結構、一定材質觸點及觸點結構的前提下，開關的機械特性與觸頭壓力，對實現隔離開關的功能息息相關。機械特性與接地短路關合有關，主要是接地時的合閘速度和同期性，合適的接地合閘速度與同期性可以降低合閘時電弧的影響，但高的合閘速度需要機構與開關高的機械強度來支撐。合閘時選用合適的觸頭壓力，可以有效降低接觸電阻，保障長期運行的可靠性，及防止接地關合時觸頭的反彈。

實際情況是不同廠家的隔離開關是不一樣的，所以各項參數的具體值還需通過相應試驗來驗證。

2 10kV 常壓密封空氣絕緣斷路器隔離刀閘設計存在的困難

空氣絕緣條件下，隔離開關動觸頭分閘瞬間，由于觸臂長、速度大，很有可能由于慣性作用晃過分閘預定的定位點，靠近接地靜觸頭，雖然最后返回正確位置。但此時如果開關為下進線，將可能導致對地擊穿短路。此處需要改進結構，確保動觸頭定位準確，確保動觸頭在分、合閘瞬間到主刀靜觸頭之間、到接地靜觸頭之間的可靠距離。同時，此開距需要留有適當裕度，現階段的定位基本由機構來實現，空氣絕緣的隔離開關縱深長，觸臂長，機構在分閘瞬間完全準確定位隔離觸臂有難度。

空氣絕緣條件下，在密封箱體封裝時，空氣中含有少量塵埃、水汽，一定溫度范圍內，空氣所能夠容納的水汽與環境溫度成正比，即環境溫度越高，空氣就能夠容納更多數量的水汽。當箱體內外遇到快速的溫度差時，可能在箱體內部產生凝露形成液態水，而隔離開關的一次導體一般是裸露在空氣中，如果箱體內有水滴到導體可能引起事故。雖然可以考慮通過開關柜布置環境或設備切斷凝露形成條件，但畢竟是外在的后續手段。

由于需具備接地關合能力，此隔離開關不能脫離操作機構單獨存在，必須通過配套的彈簧操作機構輸出特定機械動作，才能確保可靠合閘。在一定的電氣分閘開距及觸頭夾緊力前提下，當觸頭臂足夠長時主軸旋轉的角度小，但分合閘力矩大；當觸頭臂短時主軸旋轉角度大，但分合閘力矩小，需要結合開關柜的整體尺寸綜合考慮。

空氣絕緣條件下，在密封箱體內封裝安裝運行時，隔離開關的尺寸和結構決定了密封箱體的大小。而密封箱體反過來又限制了隔離開關絕緣凈空，如果當絕緣凈空不夠，裝入各種絕緣擋板或用熱縮、冷縮等方式把凈空不夠的相臨導體局部包裹。這種方式不知是否還符合“帶電導體相間及相對地之間絕緣介質為空氣”這個條件。即使符合也必定增加了成本，增加了需要控制質量的開關部件；需確定開關箱體封裝時的水汽不會使絕緣擋板受潮、不會促使絕緣老化。密封箱雖然有帶空氣過濾功能的裝置進行內外氣體壓力平衡，但其通風條件遠遠比不上KYN 系列開關柜自然狀態的通風條件。

3 10kV 常壓密封空氣絕緣斷路器隔離刀閘分閘瞬間最小電氣間設計參考數據

查詢相關標準，涉及了最小電氣間隙的標準主要有GB3836.3-2000爆炸性氣體環境用電氣設備第3部分與《DL/T 404-2007 3.6kV～40.5kV 交流金屬封閉開關設備和控制設備》，其中GB3836.3-2000爆炸性氣體環境用電氣設備第3部分增安型》標準規定，工作電壓8300～11000V 最小電氣間隙為100mm（表1）。

表1 電氣間隙和爬電距離

《DL/T 404-2007 3.6kV～40.5kV 交流金屬封閉開關設備和控制設備》標準規定，純以空氣作為絕緣介質的金屬封閉開關設備和控制設備，額定工作電壓12kV 相間和相對地最小電氣間隙為125mm，但如果通過凝露試驗最小電氣間隙可以適當小于上述規定，見表2。

表2《DL/T 404-2007 3.6kV～40.5kV 交流金屬封閉開關設備和控制設備》標準涉及應遵循的主要產品標準主要有《GB/T 3906 3.6kV～40.5kV 交流金屬封閉開關設備和控制設備》、《GB/T 11022 高壓開關設備和控制設備標準的共用技術》，標準均未對最小電氣間隙提出要求，僅對工頻耐壓提出要求。咨詢高壓開關標委會等專家，GB/T 311、GB/T 11022、GB/T 3906等相關產品標準，僅提出工頻短時耐受電壓42kV 的要求，未對電氣間隙提出要求，電氣間隙大于60mm 就能通過耐壓試驗，產品試驗判為合格。

表2 DL/T 404-2007 5.106對最小間隙的要求

4 隔離刀閘絕緣遮蔽用具的研究

隔離刀閘是一種用于高壓開關的電器，用于在沒有負荷電流的情況下分、合電路，在實際的使用過程中，對隔離刀閘的操作有帶電作業和對隔離刀閘上級電源進行停電作業，而對隔離刀閘上級電源進行停電會增加停電的范圍，影響居民正常用電，所以一般采用帶電作業的方法，作業人員在拉開隔離刀閘后，在電纜頭進行裝拆接地線或電纜接頭時，隔離刀閘側帶電，隔離刀閘和作業人員之間沒有專用絕緣屏蔽用具，導致作業人員和隔離刀閘電源側距離過近，存在較大的安全隱患，且由于帶電側距離較近、會限制作業人員的活動范圍，影響作業的速度，對恢復用電造成一定的影響。

4.1 技術原理

拉開隔離刀閘進行操作時，當安全距離不足時，目前有兩種方法：采用帶電作業方法；對隔離刀閘上級電源進行停電操作。現有技術的缺點是因為中間沒有專門的絕緣遮蔽工具。采用帶電作業方式由于作業環境的限制有部分地方不適宜進行，對隔離刀閘上級電源進行停電操作增加停電范圍，影響用電可靠性。拉開隔離刀閘后進行作業時隔離刀閘與操作人員安全距離不夠存在安全風險。針對上述缺點制作10kV 戶外電纜隔離刀閘絕緣遮蔽用具，根據實際工作環境設計的隔離帶電體用具，降低作業風險，提高安全可控性[2]。

4.2 技術關鍵點

設計10kV 戶外電纜隔離刀閘絕緣遮蔽用具用于遮蔽帶電體，絕緣遮蔽工具能夠便捷的固定到橫擔，起到遮蔽作用，有效地增大了作業人員活動區域，提高了作業人員在工作時的靈活性，在作業過程中起到隔離電源保護作用和警示作用[2]；解決目前隔離刀閘和操作人員距離過近存在的安全問題。在拉開隔離刀閘后在電纜頭側進行裝、拆接地線或電纜頭施工時，隔離刀閘側帶電，隔離刀閘和操作人員中間沒有便捷式專用的絕緣屏蔽、隔離措施，操作人員和隔離刀閘電源側安全距離過近，存在的安全隱患問題。

4.3 優化設計的絕緣遮蔽用具優點

通過對現有帶電作業用絕緣遮蔽用具進行改良、創新，對原有遮蔽流程進行簡化，制作專用引線絕緣固定支架和絕緣隔離擋板，使作業過程更加安全可靠，從而減輕作業人員勞動強度，節約作業時間，提高帶電作業效率。

安全性。作業人員在工作時存在同時碰觸接地體和帶電體發生觸電的安全隱患，絕緣遮蔽工具并不是數量越多安全性越高。傳統的軟絕緣進行遮蔽時程序復雜，交叉搭接部分不易掌握且容易脫落。通過對帶電更換柱上跌落式熔斷器工器具進行改造，可將上、下引線牢固固定，并采取硬質絕緣材料對邊相進行隔離，全面提升帶電作業安全性[2]。

實用性。傳統作業法需要遮蔽部位較多，大多使用軟絕緣，無形中增加了作業人員的工作量[2]。通過使用改進的絕緣工器具，使用絕緣毯的數量大大減少，工作量大幅降低。

靈活性。通過采用硬質絕緣將兩個邊相可靠隔離開，增大了作業人員活動區域，提高了作業人員在工作時的靈活性[2]。

5 結語

綜上所述，GB3836-2000爆炸性氣體環境用電氣設備第3部分增安型標準規定，工作電壓8300～11000V 時最小電氣間隙為100mm，通常規定值均有裕度，為此建議10kV 常壓密封空氣絕緣環網柜隔離刀閘分閘瞬間最小電氣間隙應不小于90mm。在現有絕緣遮蔽用具基礎上充分挖掘最貼近實際需要的絕緣遮蔽用具，減少了勞動強度，提高帶電作業安全可靠性，具有良好的經濟效益和社會效益。