低压开关柜中绝缘材料的设计选型浅析

引言

低压开关柜广泛应用于配电、照明和电机控制等电能转换和控制场合,影响着国民经济和生活的各个方面。低压开关柜里安装了许多电气元件和发热零部件(例如铜母线、绝缘导线等),为防止过压或过热引起的停电、停工甚至伤人、火灾等事故,除了选择质量优良的电气元件外,低压开关柜内部合理的结构设计和合理的原材料选择至关重要。优秀的结构设计不仅会充分考虑所有内装元器件和所有载流部件的散热、强度、绝缘、各种防护、耐压等性能,还会充分考虑机械应力、电气应力、热应力和环境压力等因素造成的不利影响,从而保障低压开关柜安全可靠运行。

此外,绝缘材料的设计选型也与低压开关柜的性能密切相关,本文将对此进行阐述,并结合应用案例进行分析,希望能给同行带来一些启发。

1耐压性能的要求对绝缘材料选择的影响

电气设备运行时,在正常使用条件下承受的是工作电压,由于系统电压的不稳定性以及系统外部的影响,电气设备还会承受各种过电压,例如暂时过电压、操作过电压、雷击过电压等,如果电压过高,就有可能造成绝缘材料的击穿。因此,电气设备需要具备耐受上述各种电压的能力。

通常,设备的绝缘电压应等于或大于所在系统的工作电压。绝缘电压是选择工频耐受电压和爬电距离要参考的电压值。施加工频耐受电压可以衡量电路耐受暂时过电压的能力,施加冲击耐受电压可以衡量其耐受瞬态过电压的能力。

在低压系统中,常见的工作电压为400V,A、B、C三相,当过电压类别为V类(即电源进线点水平)时,国家标准规定的额定冲击耐受电压为6kV。A、B、C三相母线系统通常选择铜排,由绝缘件支撑,如图1所示。图中浅灰色表示绝缘支撑件,深灰色表示导体一铜排。a为电气间隙(即两个导体之间的最短直线距离),b为爬电距离(即两个导体之间沿绝缘材料表面的最短距离)。任何情况下,爬电距离都不应小于相应的最小电气间隙,即b≥a。

图1电气间隙和爬电距离示意图

最小电气间隙由所在系统的额定冲击耐受电压决定。比如,当额定冲击耐受电压为6kV时,电气间隙最小为5.5mm,即a≥5.5mm。低压开关柜的产品标准《低压成套开关设备和控制设备第1部分:总则》(GB/T7251.1一2013)的10.9.3.5条规定,如果电气间隙达到了标准规定的最小电气间隙的1.5倍,则可以免除冲击耐受电压试验,只需用测量的方法进行电气间隙的验证即可。

最小爬电距离由额定绝缘电压、环境污染等级和材料组别三者共同确定。例如,在额定绝缘电压为690V、环境污染等级为3、材料组别为Ⅱ的条件下,最小爬电距离为9mm:而材料组别为Ia的条件下,最小爬电距离为10mm。由此可以看出,材料组别越高,需要的最小爬电距离越小,结构可以设计得越紧凑。

材料组别分类如表1所示。

在进行结构设计时,A、B、C三相导体间要保持一定的电气间隙和爬电距离,否则会被击穿,造成短路甚至火灾等事故。因为电气间隙a最小要求为5.5mm,爬电距离b最小要求为9mm(假设选择材料组别为I)。为了同时满足最小a和最小b的要求,要么将电气间隙放大到9mm,要么将灰色的绝缘材料的表面由平面设计改为凸起表面设计,以增加爬电距离到9mm,如图2(b)所示,虚线部分相加为爬电距离。如果选择电气间隙≥1.5×5.5.8.25mm,那么就可以免做冲击耐受电压的试验。因此,选择电气间隙≥9mm,则同时可以满足最小爬电距离的要求,还可以免做冲击耐受电压的试验。在实际结构设计时,要从整体出发多方权衡到底选择多大尺寸。

2耐热性能的要求对绝缘材料选择的影响

电气设备运行时,除了承受工作电流,有时还会承受各种过电流,例如短路造成的过电流等。只要有电流流过,导体就会发热,温度就会升高,因此,绝缘材料的耐热性能要考虑正常发热和非正常发热情况下的耐受能力。

此外,绝缘材料的绝缘性能与温度也有着密切的关系,温度越高,绝缘材料的绝缘性能越差。为保证绝缘强度,每种绝缘材料都有一个适当的最高允许工作温度,在此温度以下,材料可以长期安全地使用,超过这个温度就会加速老化。在国家标准《电气绝缘耐热性和表示方法》(GB/T11021一201<)中,绝缘材料的最高允许工作温度被称为耐热等级。从绝缘材料的耐热等级(表2)可知,A级绝缘材料在最高105℃的温度下就可以长期安全地使用。通常在选择绝缘材料的耐热等级时会考虑高一级的材料,也就是留有一定的裕量。

绝缘材料耐热性能直接影响低压开关柜的结构设计。最新的国家标准GB/T7251.1一2013中表6规定了低压开关柜的温升限值要求,即在周围空气平均温度不超过35℃时的限值。例如:用于连接外部绝缘导线的端子的温升不能超过70℃,加上周围空气温度35℃,也就是连接外部绝缘导线端子的温度不能超过105℃。因此,在选择用于连接外部绝缘导线端子处的绝缘材料时,选择A级绝缘材料就可以满足要求。但在实际使用中,也可以选择E级绝缘材料,使其具有更高一级的安全系数。

上面讲述的是正常发热情况下绝缘材料的温度选择,在非正常发热情况下,比如在短路时导体能够产生高达200~250℃的温度,那么绝缘材料就要选择短时耐热温度超过200~250℃的。

另外,过电流是一种能够产生较大热量甚至导致着火的非正常条件下的电流,因此,绝缘材料还需要有一定的能够耐受由于过电流引起的非正常发热和着火的能力。通常用灼热丝耐热试验来衡量绝缘材料耐受非正常发热和着火的能力。

对于需要在其上直接安装载流部件的绝缘材料,要求能够耐受960℃的灼热丝顶部温度:对于嵌入墙内的外壳,要求耐受850℃:对于其他部件,包括要安装保护导体的部件,要求耐受650℃。

因此,对于耐热性能的要求,在选择绝缘材料时,要考虑绝缘材料的长期工作温度或耐热等级、短时耐热温度和灼热丝耐受温度。

3电动力对绝缘材料机械强度的影响

在正常工作条件下,低压开关柜运行时通常只受到重力及结构应力的作用:在非正常条件下,比如短路时,会受到热应力和电动力的综合影响,比如母线夹在短路时就要承受由于短路引起的电动力。母线夹之间的距离与电动力有很大的关系,通常通过计算和短路试验来验证母线系统的动热稳定性。

如某母线系统,选择矩形铜导体截面尺寸为60mm×10mm,A、B、C三相之间的相间距c=200mm,母线夹之间的距离L=600mm,三相预期短路峰值电流Ipk=73.5kA。可以先用计算的方法来验证该导体的固有频率及最大电动力,再用短路试验来进一步验证可靠性。

计算过程如下:

导体的断面二次矩:

导体的一阶固有频率为:

当导体支撑方式为多等跨简支时,Nf=3.56,E=11.9×1010Pa,代入公式中求得:

固有频率f1在35~135Hz范围以外,故动应力系数8=1。因此,最大电动力为:

将数值代入上式中,得到最大电动力:

4设计时绝缘材料其他性能的选择

低压开关柜里的许多零部件结构并不复杂,比如母线系统、母线夹、绝缘子等,一般选用热固性塑料,比如BMC、SMC或者电工胶木等,这些原材料里通常含有玻纤,因此强度很高,又有很好的耐热性(耐热等级通常为F级),绝缘强度高,得到了广泛应用。

低压开关柜里也有一些结构比较复杂的零部件,比如多功能板、抽屉里的一次插座等绝缘支撑件,通常选用热塑性塑料,比如尼龙加玻纤等,此种塑料的流动性好,模具加工较容易,机械强度高,还可以添加合适的阻燃剂起到很好的阻燃作用。

在实际设计中,有时还要考虑环保要求,尤其是在碳达峰、碳中和的战略背景下,要选择环保材料,比如低烟无卤阻燃的材料等,适应时代发展的需求。

5结语

总之,绝缘材料是低压开关柜的重要组成部分,在进行绝缘材料选型及设计时,要综合考虑上述各方面的影响,通过正确的原材料选择、合理的结构设计和必要的试验验证,选择既能满足功能、性能要求,又易于获得,加工工艺性好、性价比高,同时还兼顾环保要求的材料。