12k V環保氣體絕緣環網柜的研制

張歷強 ZHANG Li-qiang；李力 LI Li；陸培鈞 LU Pei-jun

（①上海置信日港電氣有限公司，上海 201799；②上海置信電氣非晶有限公司，上海 201799）

0 引言

環保氣體N2金屬封閉開關設備優異的環境適應性和高可靠性，高安全性及免維護性等性能都使得它的廣泛應用是一個不可逆轉的趨勢?？紤]到未來可能發生的碳排放稅，無/少SF6氣體金屬封閉開關設備可能更加經濟，因此，無/少SF6氣體開關設備的規?；a既可以帶來設備的經濟性提高，又可以帶來產品設備優異的性能穩定性、結構輕量化[1]。然而N2的絕緣性能僅為SF6氣體的三分之一左右，因此需要在保證柜體的外形尺寸不增大、安全可靠及空間利用率幾乎不變的情況下，研制出一種基于上隔離五工位開關（三工位隔離開關和真空斷路器一體化）12kV環保氣體環網柜。

1 環網柜結構

環保氣體絕緣環網柜是在公司原有SF6充氣式環網柜基礎上，進行了結構上的改進，融合真空開斷技術，對斷路器、三工位隔離開關進行整體式創新設計，研制出一種12kV環保氣體環網柜。產品外形尺寸與SF6環網柜產品基本保持一致，模塊化的結構設計：氣箱、柜體和儀表室、泄壓室等構成。環網柜結構分為負荷開關室（斷路器）、機構室、電纜室和二次儀表室等金屬封閉的獨立隔室，其中斷路器室、電纜室均應有獨立的泄壓通道。產品既可以是獨立單元型，也可以是共箱型，產品結構如圖1和圖2所示。

圖1 獨立單元型

圖2 共箱型

2 主要結構技術設計

本產品主要通過產品結構的優化來保證整體性能的滿足，依據GB/T 11022、DL/T 404、GB/T 1984等相關設計標準，在SF6充氣環網柜結構基礎上，以干凈氮氣替代SF6氣體絕緣，在保證產品外形尺寸與SF6環網柜產品基本保持一致的情況下，設計氣箱體內部單元結構，解決了絕緣性、電場均布、機械特性、氣箱在自動化生產線制造裝配工藝等關鍵技術問題[2-3]。

2.1 上隔離五工位開關（三工位隔離開關和真空斷路器一體化）

本文研制的12kV環保氣體絕緣環網柜（斷路器）主要關鍵就是上隔離五工位開關，包括相互連接的三工位上隔離開關裝置和兩工位斷路器開關裝置，三工位上隔離開關裝置位于兩工位斷路器開關裝置上方[4]。三工位上隔離開關具有隔離位、合閘位和接地位三個狀態，兩工位斷路器開關裝置具有分合兩個狀態。如圖3所示，三工位上隔離開關的傳動軸安裝在上隔離開關框架前板和上隔離開關框架后板上對應的開孔，三相上隔離動觸頭通過連接拐臂分別固定到傳動軸，另外為了保證三相動觸頭的電場均勻性、減少局部放電，動觸頭上增加了動觸頭均勻罩。在試制的過程中，為了保證三工位上隔離開關接地分合、主回路分合過程中，動靜觸頭能夠有效分合，滿足開關的機械特性要求（如分合閘速度、三相不同期、彈跳、動刀咬合深度等），期間經過多次試驗后設計改進，最終確定動觸頭與接地靜觸頭的傳動角度從104度轉換成52度，隔離動觸頭在合閘位置和接地位置形成104度夾角。相應的兩工位斷路器傳動軸安裝在斷路器開關框架前支撐板和斷路器開關框架后支撐板上對應的開孔，通過斷路器傳動軸帶動真空滅弧室內動靜觸頭的分合，進而實現主回路大電流的有效安全分合。兩塊左右絕緣側板把三工位上隔離開關裝置和兩工位斷路器開關裝置連接為一個整體—上隔離五工位開關。

圖3 上隔離五工位開關

2.2 開關操作機構

三工位上隔離開關裝置和兩工位斷路器開關裝置均采用彈簧操作機構，其中斷路器彈簧操作機構既可以手動儲能也可以電動儲能；三工位上隔離開關彈簧操作機構上設有兩個操作孔，一個用來接地的分合，另一個用于主回路的分合。為了減少彈簧操作機構與傳動軸之間動力傳動的故障，提高動力傳動的效率，在機構的設計過程中，盡可能涉及到傳動的零部件減少，使傳動簡潔方便。在彈簧操作機構裝配的過程中，要保證與開關傳動軸的同心度要求，否則在彈簧操作多次操作后，容易彈簧操作機構傳動零部件的斷裂。

2.3 主回路結構設計

三工位上隔離開關裝置的主回路靜觸頭安裝在主母排上，主母排與母聯座連接且固定安裝在氣箱左右側內壁上，母聯座呈橫向前后排列，各個相間距為150mm；真空滅弧室的動導電桿外端通過軟連接與A、B、C三相銅棒連接，三相銅棒通過電纜出線套管密封穿出氣箱，電纜出線套管結構為橫向左右布置，相間距為110mm。為了使主回路連接處的場強均勻，經過現場試驗后，在軟連接與A、B、C三相銅棒連接處安裝軟連接均壓帽，三相銅棒與電纜出線套管連接處也需要安裝出線套管均壓。上隔離開關處于合閘位時，上隔離動觸頭與隔離上靜觸頭連接，主母排與母聯座連接；斷路器開關閉合時，真空滅弧室內部的動導電桿和靜導電桿閉合，自此，整個回路導通。

圖4 三工位上隔離開關彈簧操作機構

2.4 氣箱和生產流水線

氣箱設計主要考慮拼裝（加工精度）、氣密性（焊接）以及在流水線上的裝配流轉等問題，為此采用以下生產加工方式：

①氣箱鈑金不銹鋼下料采用激光切割機實現最佳無毛刺切割成果，切割范圍大且精度高，重復定位精度及下料精度高，確保氣箱拼裝間隙足夠小。

②要確保氣箱在長期運行中焊接縫不因應力集中引起的氣箱呼吸效應而造成焊接縫疲勞開裂漏氣，對焊縫的韌性、焊縫深度和機械強度等要求較高。因此對氣箱焊接的工藝有極高的要求，采用激光焊代替氬弧焊，不僅接焊縫美觀，還能夠避免氬弧焊接存在焊疤大、焊縫應力不均勻、有微孔等缺陷。激光焊接機能量集中、速度快而且是非接觸焊接，因此焊接變形很小，激光焊接可以使鋼板的連接處處于晶體結構之間的連接，因而其焊縫的剛度、強度和密封性都得到了極大提高。

③采用直線型布局，流水作業工作模式，產線中部布置RVG軌道式穿梭運輸車，利用滑撬或托盤承載氣箱，通過軌道穿梭車依次在各工位流動。各工位操作工人只要在工作臺上按工藝要求進行氣箱裝配，產線按生產工序流程設計，上道工序完成后自動流轉到下道工序，含機械磨合，等效耐壓試驗等。

3 電氣試驗驗證

首先通過三維軟件Solidworks裝配，然后樣機的試制后的反復摸底試驗驗證，再進行結構的改進設計（如：軟連接與A、B、C三相銅棒連接處安裝軟連接均壓帽就是為了降低局放過大）。最終研制的環保氣體絕緣環網柜順利通過機械特性、回路/接地電阻、動熱穩定性、溫升[5]、等效耐壓、內部燃弧等試驗項目，產品性能符合GB/T 11022等有關標準要求。表1，做溫升試驗氣箱內關鍵連接處的溫升數據，摘取間隔3個小時的溫升數據。

表1 溫升試驗數據

4 結語

本文研發設計的12kV環保氣體絕緣環網柜，采用環保氣體N2代替SF6氣體，但環保氣體N2無論是在絕緣性能還是散熱性能均要比SF6氣體差。為了保持環網柜尺寸不變的情況下，環保氣體絕緣環網柜仍能夠滿足絕緣性能及電氣試驗，通過上隔離五工位開關（三工位隔離開關和真空斷路器一體化）的研制以及母線及電纜出線部分結構設計措施、氣箱制作和生產流水線巧妙布置，解決了環網柜尺寸設計、絕緣設計關鍵問題，且通過了型式試驗驗證。因此，環保氣體絕緣開關設備的規?；a既可以帶來設備的經濟性提高，又可以帶來產品設備優異的性能穩定性、結構輕量化，就像高壓GIS最終取代敞開式高壓設備一樣，環保氣體絕緣金屬封閉開關設備取代SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備，是一個不可逆轉的趨勢，滿足當前市場需求[6]。