引言

隨著世界經(jīng)濟的高速發(fā)展,人們對電能的需求日益提高,與此同時,用戶對電力設(shè)備的需求已經(jīng)從基本功能、參數(shù)等逐漸向高可靠性、操作維護便利性和經(jīng)濟性等轉(zhuǎn)變。中壓開關(guān)柜及其控制設(shè)備是電力系統(tǒng)中極為重要的一環(huán),本文介紹了一種銅管母線及其固定裝置在中壓空氣絕緣開關(guān)柜上的應(yīng)用,其能夠提高開關(guān)柜的可靠性、操作性和經(jīng)濟性。

1中壓空氣絕緣開關(guān)柜傳統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)

市場上的中壓空氣絕緣開關(guān)柜一般為金屬封閉開關(guān)設(shè)備,這種設(shè)備除進出線外,其余完全被接地金屬外殼封閉:而某些組成部件分別裝在接地的、用金屬隔板隔開的隔室中的金屬封閉開關(guān)設(shè)備為鎧裝式金屬封閉開關(guān)設(shè)備。目前,很多廠家的空氣絕緣開關(guān)柜都是鎧裝式金屬封閉開關(guān)設(shè)備,根據(jù)《3.6kV~40.5kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》(GB/T3906一2020)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求,這種開關(guān)柜一般由4個隔室組成:母線室、小車室、電纜室、低壓室。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知,用來傳遞電能的回路中的所有導電部件構(gòu)成了開關(guān)柜的主回路[2],主回路一般由母線、觸頭盒、靜觸頭、電流互感器、接地開關(guān)等組成,而傳統(tǒng)的母線一般為矩形扁母線,與之配套的固定裝置為母線靜觸頭和觸頭盒,這種矩形扁母線為實心的銅排,而與其配套的觸頭盒為相對封閉式觸頭盒。

2新型銅管母線及其固定裝置的設(shè)計

圖1所示封閉式母線固定結(jié)構(gòu)不利于安裝和維護,也不利于散熱,同時矩形母線周圍電場強度分布不夠均勻。眾所周知,當直流電流流經(jīng)導體時,電流在導體界面上是均勻分布的,而當交變電流通過導體時,電流在導體截面上的分布將不再均勻,導體表面上各點的電流密度最大,而在導體中心軸線上的電流密度最小,由外向內(nèi)從最大連續(xù)變化到最小,這種現(xiàn)象叫集膚效應(yīng)。頻率越高,集膚效應(yīng)越顯著。

基于交流電的集膚效應(yīng),也為了有效利用導體材料以及方便安裝維護等操作,提出了一種新型銅管母線及其固定裝置的設(shè)計理念,如圖2所示。此設(shè)計在高頻電路中采用空心導體代替實心導體,既節(jié)省了銅導體材料,又增加了導體的機械強度,同時也改善了導體周圍的電場分布。此銅管母線與靜觸頭為一體式的集成設(shè)計,并設(shè)計配套的銅管母線固定裝置,含母線固定夾和敞開式套筒結(jié)構(gòu)觸頭盒,方便安裝和操作,并且有利于散熱。同時,固定裝置結(jié)構(gòu)及裝配簡單,易于加工,成本低。

2.1銅管母線

銅管母線為一種新型的載流導體,由于其為空心的管狀結(jié)構(gòu),散熱面積更大。在同等截面積下,具有更小的集膚效應(yīng)系數(shù),單位面積的載流量更大,銅材利用率更高。承載同樣大小的額定電流,銅管母線截面可以更小,有利于減少用銅量,降低生產(chǎn)成本;有利于減小交流電阻,降低母線功率損耗。

使用同樣的原材料,銅管母線為圓形截面,其表面電流密度分布更加均勻,機械強度更高,可耐受的電動力強于矩形截面的母線。

本設(shè)計的銅管母線端部設(shè)有通風孔,形成了熱空氣對流通道,并從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了將母線與靜觸頭融為一體,避免了傳統(tǒng)方案兩者連接時所產(chǎn)生的較大的接觸電阻,從而減少了發(fā)熱。此外,銅管母線上設(shè)計有定位孔,用于與配套的母線固定夾進行固定限位,保證銅排垂直度,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

與傳統(tǒng)扁形母線相比,使用銅管母線可以降低開關(guān)柜的成本,提高產(chǎn)品競爭力,同時,管狀結(jié)構(gòu)有利于提高母線的機械強度,也有利于均勻電場[4-6],降低電場強度,提高產(chǎn)品的絕緣性能。

2.2銅管母線固定夾

在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的空氣絕緣中壓開關(guān)柜中使用銅管母線,設(shè)計的難點之一在于如何設(shè)計母線固定夾,以使其能夠?qū)~管母線有效地固定在開關(guān)柜中。本設(shè)計的銅管母線固定夾包括兩個夾具,該兩個夾具相拼接形成圓形夾持孔,用于夾緊銅管母線;每個夾具上設(shè)有連接孔,用于與觸頭盒連接配合;同時,每個夾具的拼接面分別設(shè)有導向凸臺和導向孔,導向凸臺與導向孔適配,方便對夾具進行定位固定并保證左右端面的平整度。其中一個夾具上設(shè)計有徑向貫通的定位孔,能夠?qū)崿F(xiàn)母線夾在銅管母線的徑向可靠定位,保持銅管母線的垂直度,如圖4所示。本母線夾結(jié)構(gòu)及裝配簡單,易于加工,成本低。

2.3敞開式套筒結(jié)構(gòu)固定觸頭盒

在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的空氣絕緣中壓開關(guān)柜中使用銅管母線,存在的另一個設(shè)計難點在于如何設(shè)計觸頭盒,以適配夾持有銅管母線的組件在開關(guān)柜中的安裝。本設(shè)計的銅管母線固定觸頭盒如圖5所示,此觸頭盒為開口式套筒結(jié)構(gòu),方便母線安裝和散熱。觸頭盒本體設(shè)有通孔、通風孔及固定孔,適配上述銅管母線和母線固定夾。此外,觸頭盒本體設(shè)有絕緣保護飛邊,在銅管母線和母線室金屬隔板之間起到絕緣作用,保證銅管母線到柜體的距離符合標準的絕緣要求。觸頭盒設(shè)計的安裝孔與傳統(tǒng)扁形母線適配的封閉式觸頭盒安裝孔一致,實現(xiàn)在不改變柜體觸頭盒安裝板結(jié)構(gòu)的前提下,與扁形母線適配的觸頭盒進行互換,最大限度匹配原開關(guān)柜的設(shè)計。

3溫升試驗及電場模擬分析

3.1溫升試驗

對采用本銅管母線及其固定母線裝置設(shè)計的開關(guān)柜進行溫升試驗,試驗測溫布點圖和試驗結(jié)果分別如圖6、表1所示。

試驗表明,在銅排用量大大減少的情況下,此設(shè)計仍通過國家標準要求的溫升試驗。

3.2電場模擬分析

通過計算機軟件模擬分析銅管母線及其固定裝置和傳統(tǒng)矩形母線及其固定裝置設(shè)計在開關(guān)柜中的電場強度,模擬模型為柜寬800mm的開關(guān)柜母線室,如圖7所示,由圖可知,銅管對地和相間空氣凈距比矩形母線增大了。

圖8為模擬分析結(jié)果,由結(jié)果可知,母線由銅排改為銅管后電場分布得到了改善,銅管表面氣體中電場分布均勻度明顯提高,相同位置的場強降低了約30%,這種設(shè)計大大提高了開關(guān)柜的絕緣性能。

4結(jié)語

隨著經(jīng)濟發(fā)展,人們的用電需求日益提高,對中壓開關(guān)柜的安全性能及經(jīng)濟性能的要求也越來越高,這就要求技術(shù)人員對開關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、選材的正確性以及運行維護的方便性都給予足夠的重視和考慮。本文中壓空氣絕緣開關(guān)柜中銅管母線及其固定裝置的設(shè)計,在滿足溫升和強度要求的前提下,能夠改善開關(guān)柜的電場分布,提高開關(guān)柜的絕緣性能,節(jié)約銅排用材,降低開關(guān)柜成本,保證開關(guān)柜安全穩(wěn)定高效經(jīng)濟運行。