一种12kV环保气体绝缘环网柜的研制

摘要：针对SF6气体绝缘环网柜存在的温室效应问题，开发出一种12kV环保气体绝缘环网柜。该环网柜以干净氮气绝缘，融合真空开断技术，通过采取复合绝缘，加装、增加伞裙等措施解决绝缘设计关键问题，新设计的环网柜通过型式试验验证。该产品保持了环网柜体积小的特点，兼顾了环保性能，符合智能电网节能减排建设要求。

关键词：氮气绝缘；环网柜；绝缘性能；试验验证

Development of a 12kV environment-protection gas-insulated ring main unit

Wang Yulong，Kong Xiangchong，Peng Fengjuan，Yang Kun

（1.QingdaoYihe Electric Group Co., Ltd., Qingdao 266510,China；2.Electrical research institute of Huangdao District, Qingdao，266510，China）

Abstract: In view of the greenhouse effect problem of SF6 gas-insulated ring main unit, a 12kV environment-protection gas-insulated ring main unit is developed. The ring main unit is insulated with clean nitrogen and integrated with vacuum breaking technology. The key problems of insulation design are solved by adopting composite insulation, adding umbrella skirt and other measures. The newly designed ring main unit has passed the type test verification. The product maintains the characteristics size of the ring main unit, takes into account the environmental protection performance, and meets the requirements of energy saving and emission reduction construction of smart grid.

Key words: nitrogen insulation; ring main unit; insulating performance; verification

 

引言

节能减排、新能源是低碳经济的要义，也是当前智能电网发展要求。SF6气体绝缘环网柜性能优越，成本较低，在二次配电和环网供电系统中得到广泛的应用，但在《京都议定书》中，SF6气体是受到限制的温室气体^[1]，一些国家和地区对温室气体的使用提出了控制措施，减少或去除SF6气体使用是当前12kV环网柜产品发展趋势^[2]。该项目即针对SF6气体绝缘环网柜存在的温室效应问题开展研究，采用干燥氮气绝缘介质+真空灭弧技术替代SF6的应用，同时考虑了开关设备的安全性、可靠性和运行连续性等电气性能，研制出一种12kV环保气体绝缘环网柜，本文对该环网柜做一概要介绍。

1 整体结构及主要额定技术参数

基于SF6充气环网柜的结构基础，以干净氮气替代SF6气体绝缘^[3]，融合真空开断技术，对断路器、负荷开关、三工位开关等主要零部件进行了设计创新，研制出一种12kV环保气体环网柜，产品整体结构与SF6环网柜产品类似，主要由柜体和充气箱体两大部分组成，模块化设计，主要功能单元由断路器/负荷开关室、操作机构室、电缆室、低压室及泄压通道组成，可形成一到五单元的标准柜型及扩展柜型，基本柜型有断路器柜、负荷开关柜柜型，扩展柜型有PT、计量、分段、两进一出等，分为独立单元型和单元共箱型，产品结构示意如图1、图2所示。

         

图1 断路器柜结构示意图       图2 两进一出方案结构示意图

2 主要技术设计

本产品整体性能的实现，主要是结合产品要实现的技术要求，依据GB/T 3906、DL/T 404等相关设计标准，在SF6充气环网柜的基础上，在保证外形尺寸尽可能小的情况下，对充气箱体内部单元结构进行设计，逐步解决各结构单元绝缘、电连接、机械特性调试、充气箱体配合生产线制造工艺设计等关键技术问题而展开设计^{[4] [5]}。

2.1 母线及电缆出线部分结构设计

    母线部分结构简单，主要由主母线排、分支母线及母线绝缘子组成，主母排安装结构为横向前后排列，相间距为150mm，新设计的母线绝缘子通过增加伞裙增大了爬电距离，来提高产品的绝缘性能。

2.2 断路器（或负荷开关）单元结构设计

断路器单元结构设计的难点和重点，在于绝缘结构设计，在断路器的绝缘设计过程中进行了大量的试验，从简易断路器到试验样机的正式成型，期间经历了多次大的改进，最终确定通过采取绝缘隔板等复合绝缘的方式来提高绝缘性能，并不断调整绝缘板的位置、间距等多方面与箱体的配合，直至满足绝缘性能要求，定型的断路器结构示意如图3所示。新设计的绝缘护板设有凸台，利用凸台将每相给隔离开来，同时利用凸台优化电场，加强了绝缘强度，防止相间及对地出现放电现象。两绝缘护板同时设置U型凸起，用来加强左右绝缘护板的强度，防止绝缘护板变形。由绝缘护板形成的整体绝缘保护装置不仅起到支撑作用，而且做到了每相的包覆，电场均匀，提高了相间及对地绝缘性能。负荷开关单元与断路器外形结构相同，不同之处在于操作机构和面板上的主接线模拟线不同。

2.3 三工位开关单元结构设计

三工位开关单元结构的设计是在SF6产品结构基础上，通过增大触头间距，加长绝缘材料，加装伞裙等方法解决支撑绝缘、沿面绝缘等问题，设计一种主轴与绝缘件一体式新型绝缘主轴，在绝缘主轴且位于每个动触头安装臂两侧分别设计若干个伞裙来增加爬电距离，来提高其绝缘性能。三工位开关单元结构示意如图4所示。

       

图5 断路器单元结构示意图               图6 三工位开关单元结构示意图

2.4 电缆出线部分设计

电缆出线部分结构为横向左右布置，相间距为150mm，为提高绝缘性能，合理设计出线绝缘子形状，优化内部嵌件外形，将电位梯度分布尽量集中在固体绝缘材料中，增加伞裙数量加大了爬电距离，提高了绝缘性能。

2.5 操作机构

断路器、负荷开关及三工位开关均采用弹簧操作机构，在机构的设计过程中，尽可能使零部件少，传动简洁，为满足与开关本体的匹配问题，包括分合闸速度、同期、触头压力，动刀咬合位置等，通过不断的改变分合闸簧，微调输出角度的方法，经过大量的试验及模拟验证而最终定型。

2.6 充气箱体

    充气箱体的设计主要需要考虑因素有：箱体大小，密封性能，配合我厂的生产流水线安装方便。难点主要集中在断路器的固定方式和机械特性测试传感器的安装位置。断路器前面为箱体焊接螺栓固定，断路器既要固定牢靠又要满足传动轴与机构的同心度，这就对箱体焊接工艺和开孔尺寸提出了更高的要求。断路器后端开始采用横向固定，后来发现安装难度大，单柜时因空间有限缺乏受力空间，后改为纵向固定，中间加装托槽，省时省力安装方便，提高安装效率。箱体内部通过采用绝缘隔板组成的新型绝缘保护装置保持了与SF6环网柜同等的结构紧凑小巧的外形尺寸。密封性能，通过合理设计密封槽，先进的机器人焊缝自动寻位、焊接生产线，同步抽真空氦检漏，组装生产线等先进制造工艺保证了产品质量及相应的密封性。

3 试验验证

通过三维模拟装配、电场模拟分析计算、反复的摸底试验验证，样机结构不断优化，性能逐步完善提高，研制成功的试验样机通过了绝缘、动热、温升、机械寿命、容量、内部燃弧、外壳防护等级等型式试验验证，产品性能符合GB3906等有关标准要求。产品实现采用干燥氮气+真空灭弧环保气体绝缘技术保持了环网柜结构紧凑，体积小巧的特点。 

4 结语

本文设计和试制成功的12kV环保气体绝缘环网柜，因干燥氮气的绝缘能力远远小于SF6气体，要保持和SF6充气柜同等的紧凑性和小巧的结构优势，绝缘设计是该环网柜的研制重点和难点，相间通过增加绝缘隔板等复合绝缘技术的方法，来解决断路器、负荷开关等结构单元相间、对地等间隙绝缘的问题，通过增大触头间距，加长绝缘材料，加装、增加伞裙等方法解决三工位开关、主母线等结构单元支撑绝缘、沿面绝缘问题，经型式试验验证，该绝缘结构设计合理，同时解决箱体密封、主回路电连接、机械传动及特性调试等技术问题，研制出的12kV环保气体绝缘环网柜，在秉承环网柜体积小巧的同时，兼顾了环保性能，整体通过全套型式试验项目验证（包括内部燃弧、外壳防护等级），该环网柜技术性能完全符合GB3906等有关标准要求，满足当前市场需求。

参考文献

[1] 戴国权.韩福亮.12kV环保气体绝缘环网柜的发展研究[J].防卫工程,2018（5）.

[2] 孙竹森.兰剑.环保型金属封闭开关设备的技术特点与发展趋势[J].中国电业, 2014, (6):53-56.

[4] 钱立骁.陈慎言. 12~24kV氮气绝缘环网柜的研制[J].高电压技术, 2014, 40(12):3717-3724.

[3] 贺钧.黄志军. 10kV环保型气体环网柜的绝缘问题[J].工程技术, 2016(11): 231.

[5] 杜仲江.浅谈一种新型环保气体绝缘环网柜设计与应用[J].工程技术, 2016(6): 141.