40.5kV開關櫃絕緣可靠性的探究分享

40.5kV開關櫃絕緣可靠性的探究分享

1.引言

空氣絕緣金屬鎧裝開關櫃作為集成一次導電開斷、二次控製保護集成的配電係統單元，絕緣性能是關鍵技術指標，而絕緣問題發生並不單純是絕緣設計問題，更多的內在原因是產品整體性能問題，使用環境客觀存在，而真正好的產品能在相同環境下長期使用，而不會出現絕緣問題。

2.40.5kV開關櫃的絕緣

2.1.40.5KV開關櫃是中壓配電最高電壓等級產品，從上世紀90年代後期開始出現小型化、抽出式產品，早期是引進國外先進的斷路器配開關櫃，如伊頓西屋的405W-VACW，梅蘭日蘭的CEI斷路器。這些產品尺寸小，可靠性高，但電壓等級按國外36kV(工頻耐壓70kV，雷電衝擊170kV)， 不能滿足國標40.5kV(工頻耐壓95kV，雷電衝擊185kV)的要求，通過加強絕緣等設計，哪裏不行補哪裏的措施勉強達到要求。而開關櫃的設計更多是在12kV基礎上改的，如觸頭盒隻是增大尺寸，增加爬距來設計，並沒有電場分析及實際使用驗證，這些產品在使用一、二年後先後出現絕緣問題，不得不更換觸頭盒、甚至更換觸頭盒安裝板從金屬到絕緣板來解決問題。隨著ABB ZS3.2的出現，廠家紛紛照樣設計，照貓畫虎，一大批產品應運而生，低成本、低配套使得產品大量出現，產品問題也越來越多。

母線，采用管型母線、D型母線能夠最大程度的優化電場。絕緣件應進行電場分析，使用均壓屏蔽環等措施，基於正確建模、參數設置的基礎上，使電場強度最大程度優化。產品電場分析應采用三維分析，避免隻是局部優化，而在係統中電場過度集中，如各別地方絕緣厚度與相應的空氣間隙比小於1/4，而沒有相應的屏蔽措施會造成空氣場強過大而容易擊穿。對於爬距，優化爬距位置，在環境條件允許情況下，減少爬距數量。對於絕緣設計、ANSYS分析等有大量論文，這裏不一一贅述。

2.3.絕緣材料的選擇

2.3.1.澆鑄件環氧材料

對於絕緣材料，往往更多要求的是玻璃化溫度，而對於產品的耐電痕參數很少考慮。按照美標IEEE C37.20.2金屬鎧裝開關櫃標準6.2.7.2 耐電痕試驗，試驗結果應符合ASTM D2303 條件A情況下的要求，即額定最大電壓為8.25 kV及更高的開關櫃組件。材料應根據ASTM D2303-96 條件A進行測試，施加電壓2.5kV ，電痕到達25毫米（1 in）標記的時間≥300分鍾。而國內開關櫃絕緣件環氧材料樣品在這項試驗中，往往隻要幾分鍾就到達標記，與300分鍾相去甚遠。隻有選擇亨斯邁等公司的優質材料才能通過試驗。正是采用優質的絕緣材料，美標開關櫃的絕緣件基本上沒有爬距要求，表麵光潔，更有利於電場分布。

2.3.2.絕緣隔板

對於絕緣隔板，廠家一般不是很重視，采用廉價的SMC板，質量差的SMC板長期使用會吸潮，應采用GPO-3等耐電弧材料，並經表麵絕緣漆處理，才可以保證開關櫃電場情況下長期運行。絕緣隔板應垂直布置，避免水平放置。根據電場情況，隔板布置在兩相正中間，或相與地距離的正中間。

2.3.4.銅排表麵處理

40.5kV開關櫃櫃母排必須進行絕緣處理，如采用RAYCHEM等廠家符合規格的產品，有條件最好進行環氧硫化塗覆處理，避免由於運行溫度過高，或安裝過程中絕緣破壞而引起的絕緣問題。由於40.5kV開關櫃寬度、母排規格少，采用主母線環氧澆鑄絕緣也是很好的選擇。

3.導電回路和溫升

3.1.眾所周知，開關櫃內部溫度、濕度過高會加劇絕緣破壞。因此40.5kV開關櫃更應加強導電回路的質量，加大產品通流裕度，合理設計通風，通風設計應有進有出，避免由於缺乏空氣流動造成凝露。

3.2.銅排、觸頭等問題

梅花觸頭是關鍵，應在設計時保證動、靜觸頭的對中性，掛壁式導軌可減少落地式由於安裝基礎造成開關櫃變形，使梅花觸頭可靠接觸。梅花觸頭要選擇質量好的產品。真空滅弧室、極柱的設計要選擇低電阻方案，避免長期熱積累造成的溫升過高，加速絕緣老化。觸頭加金屬屏蔽罩即可以均勻電場，又可以增大散熱麵積，對溫升、絕緣都有好處。

4.工程係統方案

開關櫃作為配電的一個單元，在具體工程中需要進線、壓變、出線、母聯、所變等方案，這些方案的設計，由於不進行型式試驗，因此產品性能不一定完全滿足絕緣等要求，特別是一些非標設計，客戶指定元器件、係統一次方案等，完全出自工程師特殊設計，忽略係統絕緣要求、氣流風道等設計，造成絕緣隱患。如所用變櫃，35kV 80kVA變壓器重量大，而還是一味地堅持手車式結構，必然造成變壓器選型要小巧；手車操作困難，造成隱患。產品運行一年後由於梅雨季節濕熱環境，且用電負荷加大，造成變壓器相間絕緣擊穿，引發內部故障停電，後不得不改用變壓器固定安裝，隔離開關加高壓保護熔斷器操作方案。

還有應該盡量減少一次元器件暴露設計、或非標絕緣罩板等設計，如壓變手車，采用帶熔斷器一體化電壓互感器，尺寸小，重量輕，沒有裸露帶電元件，最大限度減少產品絕緣問題。

對於這個問題，一方麵，對於40,5kV開關櫃，應盡量完善標準化方案設計，設計方案應滿足客戶常規要求，同時方案需要安全、可靠。標準方案需要按照IEC62271-307標準進行主要性能指標與型式試驗產品的一致性的檢查。另一方麵，客戶也需要盡量采用標準化方案。40.5kV空氣絕緣開關櫃是高檔產品，不能隨意設計方案，影響性能，忽略長期運行的風險。

5.結語

40.5kV空氣絕緣開關櫃的絕緣可靠性問題不是單純的絕緣設計問題，同時也是整體設計、絕緣材料、產品質量的問題。而隻是在絕緣設計上下功夫不能真正解決產品絕緣可靠性問題，而應係統的解決整體產品質量問題，優化產品設計、材料選擇、質量控製，做到產品即小又可靠，真正滿足用戶要求。1200mm寬的開關櫃不一定有絕緣問題，而1400mm寬的開關櫃絕緣就好，產品是係統工程，而最低價中標等也使得企業忽視產品整體質量，在關鍵設計、零部件的使用上追求低成本，短期看產品漂亮，試驗可以通過，而長期運行隱患重重。