40.5kV开关柜绝缘可靠性的探究分享
40.5kV开关柜绝缘可靠性的探究分享
1.引言
空气绝缘金属铠装开关柜作为集成一次导电开断、二次控制保护集成的配电系统单元，绝缘性能是关键技术指标，而绝缘问题发生并不单纯是绝缘设计问题，更多的内在原因是产品整体性能问题，使用环境客观存在，而真正好的产品能在相同环境下长期使用，而不会出现绝缘问题。
2.40.5kV开关柜的绝缘
2.1.40.5KV开关柜是中压配电最高电压等级产品，从上世纪90年代后期开始出现小型化、抽出式产品，早期是引进国外先进的断路器配开关柜，如伊顿西屋的405W-VACW，梅兰日兰的CEI断路器。这些产品尺寸小，可靠性高，但电压等级按国外36kV(工频耐压70kV，雷电冲击170kV)， 不能满足国标40.5kV(工频耐压95kV，雷电冲击185kV)的要求，通过加强绝缘等设计，哪里不行补哪里的措施勉强达到要求。而开关柜的设计更多是在12kV基础上改的，如触头盒只是增大尺寸，增加爬距来设计，并没有电场分析及实际使用验证，这些产品在使用一、二年后先后出现绝缘问题，不得不更换触头盒、甚至更换触头盒安装板从金属到绝缘板来解决问题。随着ABB ZS3.2的出现，厂家纷纷照样设计，照猫画虎，一大批产品应运而生，低成本、低配套使得产品大量出现，产品问题也越来越多。
母线，采用管型母线、D型母线能够最大程度的优化电场。绝缘件应进行电场分析，使用均压屏蔽环等措施，基于正确建模、参数设置的基础上，使电场强度最大程度优化。产品电场分析应采用三维分析，避免只是局部优化，而在系统中电场过度集中，如各别地方绝缘厚度与相应的空气间隙比小于1/4，而没有相应的屏蔽措施会造成空气场强过大而容易击穿。对于爬距，优化爬距位置，在环境条件允许情况下，减少爬距数量。对于绝缘设计、ANSYS分析等有大量论文，这里不一一赘述。
2.3.绝缘材料的选择
2.3.1.浇铸件环氧材料
对于绝缘材料，往往更多要求的是玻璃化温度，而对于产品的耐电痕参数很少考虑。按照美标IEEE C37.20.2金属铠装开关柜标准6.2.7.2 耐电痕试验，试验结果应符合ASTM D2303 条件A情况下的要求，即额定最大电压为8.25 kV及更高的开关柜组件。材料应根据ASTM D2303-96 条件A进行测试，施加电压2.5kV ，电痕到达25毫米（1 in）标记的时间≥300分钟。而国内开关柜绝缘件环氧材料样品在这项试验中，往往只要几分钟就到达标记，与300分钟相去甚远。只有选择亨斯迈等公司的优质材料才能通过试验。正是采用优质的绝缘材料，美标开关柜的绝缘件基本上没有爬距要求，表面光洁，更有利于电场分布。
2.3.2.绝缘隔板
对于绝缘隔板，厂家一般不是很重视，采用廉价的SMC板，质量差的SMC板长期使用会吸潮，应采用GPO-3等耐电弧材料，并经表面绝缘漆处理，才可以保证开关柜电场情况下长期运行。绝缘隔板应垂直布置，避免水平放置。根据电场情况，隔板布置在两相正中间，或相与地距离的正中间。
2.3.4.铜排表面处理
40.5kV开关柜柜母排必须进行绝缘处理，如采用RAYCHEM等厂家符合规格的产品，有条件最好进行环氧硫化涂覆处理，避免由于运行温度过高，或安装过程中绝缘破坏而引起的绝缘问题。由于40.5kV开关柜宽度、母排规格少，采用主母线环氧浇铸绝缘也是很好的选择。
3.导电回路和温升
3.1.众所周知，开关柜内部温度、湿度过高会加剧绝缘破坏。因此40.5kV开关柜更应加强导电回路的质量，加大产品通流裕度，合理设计通风，通风设计应有进有出，避免由于缺乏空气流动造成凝露。
3.2.铜排、触头等问题
梅花触头是关键，应在设计时保证动、静触头的对中性，挂壁式导轨可减少落地式由于安装基础造成开关柜变形，使梅花触头可靠接触。梅花触头要选择质量好的产品。真空灭弧室、极柱的设计要选择低电阻方案，避免长期热积累造成的温升过高，加速绝缘老化。触头加金属屏蔽罩即可以均匀电场，又可以增大散热面积，对温升、绝缘都有好处。
4.工程系统方案
开关柜作为配电的一个单元，在具体工程中需要进线、压变、出线、母联、所变等方案，这些方案的设计，由于不进行型式试验，因此产品性能不一定完全满足绝缘等要求，特别是一些非标设计，客户指定元器件、系统一次方案等，完全出自工程师特殊设计，忽略系统绝缘要求、气流风道等设计，造成绝缘隐患。如所用变柜，35kV 80kVA变压器重量大，而还是一味地坚持手车式结构，必然造成变压器选型要小巧；手车操作困难，造成隐患。产品运行一年后由于梅雨季节湿热环境，且用电负荷加大，造成变压器相间绝缘击穿，引发内部故障停电，后不得不改用变压器固定安装，隔离开关加高压保护熔断器操作方案。
还有应该尽量减少一次元器件暴露设计、或非标绝缘罩板等设计，如压变手车，采用带熔断器一体化电压互感器，尺寸小，重量轻，没有裸露带电元件，最大限度减少产品绝缘问题。
对于这个问题，一方面，对于40,5kV开关柜，应尽量完善标准化方案设计，设计方案应满足客户常规要求，同时方案需要安全、可靠。标准方案需要按照IEC62271-307标准进行主要性能指标与型式试验产品的一致性的检查。另一方面，客户也需要尽量采用标准化方案。40.5kV空气绝缘开关柜是高档产品，不能随意设计方案，影响性能，忽略长期运行的风险。
5.结语
40.5kV空气绝缘开关柜的绝缘可靠性问题不是单纯的绝缘设计问题，同时也是整体设计、绝缘材料、产品质量的问题。而只是在绝缘设计上下功夫不能真正解决产品绝缘可靠性问题，而应系统的解决整体产品质量问题，优化产品设计、材料选择、质量控制，做到产品即小又可靠，真正满足用户要求。1200mm宽的开关柜不一定有绝缘问题，而1400mm宽的开关柜绝缘就好，产品是系统工程，而最低价中标等也使得企业忽视产品整体质量，在关键设计、零部件的使用上追求低成本，短期看产品漂亮，试验可以通过，而长期运行隐患重重。