10kV配電開關柜設計要點及防范措施探究

國網天津市電力公司城東供電分公司 周敬淳 王梓辰

1 10kV配電開關柜設計要點

1.1 整體結構設計

本次設計中，主柜與副柜之間的距離為1238mm，其中主柜開關室為斷路器，副柜為隔離開關。與傳統10kV配電開關柜相比雖然占地面積更大，但一旦發生設備故障則可快速隔離故障點，不會影響周圍柜體與母線運行，達到控制電網故障面積的目的。同時更大的面積有助于擴大裝置散熱面積，強化柜體內部空氣交互效果，例如在柜內采取強制風冷技術可降低開關柜內的升溫問題，在額定工作電流工況下，導體的升溫速度更慢，為延長使用年限奠定基礎。

結構功能模塊設計方案如下：母線模塊。主母線采用“一”字形布設方案，使母線在穿墻套管支撐下固定，并利用母線的優化設計及通風散熱裝置有效降溫；開關模塊。滿足不停電更換元器件要求，彌補傳統結構中元器件故障而造成長時間停電問題；控制模塊。以插座的形式改進二次回路連接，可縮短元器件的替換周期；備用母線模塊。當主母線檢修時，該模塊可提供正常供電功能；本次設計中備用母線隔離刀閘可連接饋線與備用母線；CT模塊。實現不停電更換元器件。

1.2 內部設計方案

1.2.1 內部連接與構件位置設計方案

基于圖1介紹的新型10kV配電開關柜，本文介紹的內部設計方案包括：在開關柜4、5泄壓通道位置預留約250mm空間，副柜泄壓通道用隔板隔開，沖泄壓孔，泄壓通道共用；在開關柜6、7位置設計中，主柜電纜室預留掛接地線位置，副柜出線電纜位置增設開關，且所有進出線電纜嚴禁交叉；在開關柜1、7柜門位置采用雙層設計方案，并在內部增設觸頭測溫點與可視化窗口，方便工作人員隨時了解內部情況。

圖1 新型10kV配電開關柜結構圖

在開關柜2設計中，遵照模塊化設計理念，其二次回路為分類航空插設計模式；二次線為航空插件，可按照不同分類分別連接不同插件，如電壓線、電流線等；開關柜設計將不同功能構件細分為三個關鍵模塊，其中開關柜2、3為一個模塊、1、7為一個模塊，4、5、6為一個模塊，每個模塊分別采用螺栓鎖定模式，斷路器手車為電動操作。裝置的運行穩定性良好；開關柜5的隔離開關采用GN22結構形式，為雙動觸頭模式，將其固定在同一絕緣子支柱上并與電纜線連接。該系統采用主備母線切換操作方式，其中合備使用母線隔離裝置，具有隔斷斷路器的功能。

1.2.2 一體式觸頭盒設計方案

在傳統10kV配電開關柜中，接觸盒與變壓器均為獨立部件，其中變壓器被固定在柜體下方框架位置，接觸器固定在柜體中間隔板上。同時，熱收縮套管與絕緣板容易在雷雨天氣受到電流沖擊，再加之材料的絕緣效果差，因此會顯著提升被擊穿風險[1]。為解決上述問題，本文提出一種集成變壓器接觸和設計方法，在原有開關柜基礎上增加了靜觸頭和接觸盒，兩者均采用耐高溫的復合絕緣材料，采用APG工藝注塑制成。同時，在開關柜設計中取消電流互感器與接觸盒之間的母線連接，達到改善結構電阻值的目的，也可以預防低電阻而造成結構升溫問題。

1.2.3 斷路器、操作機構設計方案

斷路器設計方案。本次開關柜設計中，將斷路器經固封極柱和操動機構前后布置于同一框架上，主導電回路為三相落地結構，該結構的主要優點是增加容錯性，并且有助于降低噪聲。兩個裝置的間距為150mm，使用固體密封柱；操作機構設計方案。10kV配電開關柜在操作機構設計中使用模塊化彈簧執行裝置，該執行裝置可獨立拆卸，因此易于安裝與維護。同時，該裝置使用齒輪傳動裝置，增設手動儲能器后可達到減少無用功耗以及合理輸出的效果。

1.2.4 安全處理

為了保證工作人員的安全，在本次設計中嚴禁施工人員接近開關柜，因此在設計期間應兼顧裝置防護等級設定方案，再加之散熱效果與生產成本之間存在相關性，若單純追求高防護等級則會增加成本，所以本文的設計即選用IP3X裝置。

1.3 外殼設計方案

外殼設計中，計量CT與PT均增設開列陣形防控，同時計量室的左右兩側均應布設二次線蓋板。避雷器均為45°向上布設方法。在儀表室背板上增設線槽安裝孔，底板上預留安裝孔。穿墻套管板鋁板裝置厚度為2mm，同時在上下兩側對稱位置增加安裝孔，并用螺栓緊固良好。

1.4 優化接線方式

在優化接線防治期間，本次10kV配電開關柜設計中采用了1主1備的接線方法，其中母線設計標準為4000A，備用線的設計標準為3150A，具體的接線方式優化結構如圖2所示。

圖2 優化后的接線方式

在該接線方式中，10kV配電開關柜的主母線與備用母線均預留可帶電零負荷插拔結構，其中備用母線通常在設備日常維護或者發生故障時使用，可利用斷路器完成分段控制。在10kV配電開關柜常規運維檢查階段，利用備用母線接入供電，逐一移出待檢查的功能模塊后，即可實現不停電設備日常檢修。

2 10kV配電開關柜的常見風險與防范對策

2.1 設備升溫過高、噪聲偏大

2.1.1 設備故障分析

發熱是10kV配電開關柜的常見故障，以某地區的220kV變電站的10kV配電開關柜為例，該裝置的變低隔離柜與斷路器柜的額定電流值為3150A，隔離開關型號為GN30-12/3150，斷路器型號為ZN28-12-3150，#1號主變變低負荷高點約為1700A，#2主變變低負荷高點約為1300A。根據現場測量結果可知，主變隔離柜、斷路器柜以及相鄰母線的最高溫度為65℃（如圖3所示），并且運行階段伴有噪聲高問題（噪聲主要為低頻率的刺耳“嗡嗡”聲）。

圖3 現場溫度測試結果

2.1.2 故障分析

根據對上述10kV配電開關柜的調查結果可知，該開關柜存在以下問題：變低母線橋架與柜頂連接套管安裝板與母線室套管安裝板之間的斷磁槽偏低；或者隔開開關的安裝板與端粒互感器安裝板之間的材料為普通鋼板，導電母線與安裝板之間的距離偏低（不足180mm），在上述結構下一旦出現電流通過的情況將會產生巨大的渦流；導體接觸不良，在長期高溫運行狀態下會造成緊固件膨脹收縮，并伴有大小不一的蠕變現象，進而造成導體接觸位置因為細小間隙而發生嚴重氧化現象[2]；裝置的通風效果差，導致裝置內部無法實現自然風循環，進而影響裝置散熱功能。同時，該裝置的各個功能間均為獨立設置結構，相鄰裝置之間均用金屬隔板分離，內部空間有限。

現場檢測結果顯示橋架封板裝置的安裝螺栓規格較小，規格僅為M6；同時封板尺寸規格為1000×500mm，且固定間隔偏低，不足200mm。在上述結構下，一旦10kV配電開關柜的內部負荷超過1200A，則會造成橋架發生交變電動力，并造成橋架振動。同時，由于安裝螺栓的規格偏低，橋架與封板之間更容易出現振動而產生碰撞聲音。在上述作用機制下，由于多點共振現象出現，再加之裝置內部空間狹小，導致振動聲音被進一步放大。

2.1.3 應對措施

針對10kV配電開關柜的溫度升高問題，可采取以下應對措施：緊固一次回路母線上的螺栓；改變套管安裝板的材料，用304不銹鋼板取代傳統材料；更換隔開開關安裝板與互感裝置安裝板材料，如304不銹鋼板等。

完善10kV配電開關柜的內部通風結構，主要設計方案包括：調整后下門與后上封板的結構，用帶風通道門板取代傳統門板結構，使開關柜運行期間可產生充足的進風；將常規的開關柜百葉頂蓋改為加高的帶散熱通道的通風頂蓋，改進后的裝置可明顯提升出風口面積，并且頂部與底部進風口之間形成煙囪效應，利用裝置的冷風對流機制加快熱量發散；增設強制排氣裝置，例如可考慮在10kV配電開關柜的底部增設強制冷卻風裝置，并在頂蓋上添加輔助排風系統；針對10kV配電開關柜系統中的開關柜，可不在底部增設冷卻風機，但應在母線室頂板上布設排風機，其目的是增加10kV配電開關柜內部空氣流速，保障散熱效果。

針對裝置噪聲問題，結合該10kV配電開關柜的現場監測結果，本文提出了以下改進方案：更換橋架上的螺栓，由最初的M6改為M8，并在連接裝置內增設防震膠帶；檢查母線橋內母線與連接處銅管之間的連接情況，將原本的硬連接改為軟連接；增加導電體與封板之間的距離，最低值為200mm；變低隔離和變低斷路器柜和相鄰的6臺柜后門和后封板安裝螺栓更換為M8，并在連接位置增設防震膠條。

2.2 開關柜受潮短路

某10kV配電開關柜裝置在某雷雨天氣下，其10kV饋線發生三相短路故障，弧光造成開關柜爆炸，三相頂部伴有明顯破壞，進一步觀察后發現該10kV配電開關柜的A相真空泡受損，且柜體上可見弧光放電問題。

2.2.1 故障分析

根據對10kV配電開關柜的現場調查，認為發生上述故障的原因包括以下兩種：開關柜在潮濕環境下受潮，導致裝置絕緣功能不理想。根據故障發生前的調查結果發現，該10kV配電開關柜為自熱通風對流模式，底部與頂部設置紗網通風窗，使開關柜為開放式結構，導致裝置出現嚴重的受潮問題。根據早期開關柜的檢查發現，后柜門等位置可見明顯水流痕跡，證明該10kV配電開關柜的受潮問題不容忽視。而在受潮的侵蝕作用下，導致母線絕緣強度下降，穿墻套管與觸頭盒裝置的絕緣性能下降[3]。而在故障發生當天，雷雨天氣下進一步加重內部絕緣問題，導致故障發生后開關動作無法徹底熄弧，再加之雷擊過電壓等因素影響，導致絕緣筒表面爬電造成對地放電，最終造成故障。

樓面滲水影響功能。結合現場運維人員的觀察發現，該開關柜的上方出現裂縫變形，導致開關柜頂部發生嚴重滲水問題，而事故發生當天，連續降雨4h后，裝置頂部滲水量約為20s/滴，導致設備受潮問題嚴重。

2.2.2 故障應對措施

考慮到受潮是造成本次10kV配電開關柜裝置故障的主要原因，因此技術人員采取了以下技術應對措施：改進10kV配電開關柜內部通風系統，在裝置內部增設空調，保障室內空氣正常流通；積極修補頂部縫隙，進行屋頂漏水的初步修補；對開關柜內的所有絕緣件做高壓試驗，根據試驗結果顯示為異常的情況應及時更換。通過帶電局部檢測的方法，當10kV配電開關柜恢復送電后即可做停電檢測。

除此之外，為避免相同問題再次發生，在裝置日常運維中應定期檢測10kV配電開關柜內濾波裝置是否正常，在發現異常后及時處理。設備主人、運維單位的專業、專責應每月關注納入“糾正與預防系統”的生產問題，特別是直接影響到人身、電網、設備安全的問題。