一种用于中压开关柜的新型铜管母线及其固定装置设计

引言

随着世界经济的高速发展,人们对电能的需求日益提高,与此同时,用户对电力设备的需求已经从基本功能、参数等逐渐向高可靠性、操作维护便利性和经济性等转变。中压开关柜及其控制设备是电力系统中极为重要的一环,本文介绍了一种铜管母线及其固定装置在中压空气绝缘开关柜上的应用,其能够提高开关柜的可靠性、操作性和经济性。

1中压空气绝缘开关柜传统主回路结构

市场上的中压空气绝缘开关柜一般为金属封闭开关设备,这种设备除进出线外,其余完全被接地金属外壳封闭:而某些组成部件分别装在接地的、用金属隔板隔开的隔室中的金属封闭开关设备为铠装式金属封闭开关设备。目前,很多厂家的空气绝缘开关柜都是铠装式金属封闭开关设备,根据《3.6kV~40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》(GB/T3906一2020)结构设计要求,这种开关柜一般由4个隔室组成:母线室、小车室、电缆室、低压室。具体结构如图1所示。

由图1可知,用来传递电能的回路中的所有导电部件构成了开关柜的主回路[2],主回路一般由母线、触头盒、静触头、电流互感器、接地开关等组成,而传统的母线一般为矩形扁母线,与之配套的固定装置为母线静触头和触头盒,这种矩形扁母线为实心的铜排,而与其配套的触头盒为相对封闭式触头盒。

2新型铜管母线及其固定装置的设计

图1所示封闭式母线固定结构不利于安装和维护,也不利于散热,同时矩形母线周围电场强度分布不够均匀。众所周知,当直流电流流经导体时,电流在导体界面上是均匀分布的,而当交变电流通过导体时,电流在导体截面上的分布将不再均匀,导体表面上各点的电流密度最大,而在导体中心轴线上的电流密度最小,由外向内从最大连续变化到最小,这种现象叫集肤效应。频率越高,集肤效应越显著。

基于交流电的集肤效应,也为了有效利用导体材料以及方便安装维护等操作,提出了一种新型铜管母线及其固定装置的设计理念,如图2所示。此设计在高频电路中采用空心导体代替实心导体,既节省了铜导体材料,又增加了导体的机械强度,同时也改善了导体周围的电场分布。此铜管母线与静触头为一体式的集成设计,并设计配套的铜管母线固定装置,含母线固定夹和敞开式套筒结构触头盒,方便安装和操作,并且有利于散热。同时,固定装置结构及装配简单,易于加工,成本低。

2.1铜管母线

铜管母线为一种新型的载流导体,由于其为空心的管状结构,散热面积更大。在同等截面积下,具有更小的集肤效应系数,单位面积的载流量更大,铜材利用率更高。承载同样大小的额定电流,铜管母线截面可以更小,有利于减少用铜量,降低生产成本;有利于减小交流电阻,降低母线功率损耗。

使用同样的原材料,铜管母线为圆形截面,其表面电流密度分布更加均匀,机械强度更高,可耐受的电动力强于矩形截面的母线。

本设计的铜管母线端部设有通风孔,形成了热空气对流通道,并从结构上实现了将母线与静触头融为一体,避免了传统方案两者连接时所产生的较大的接触电阻,从而减少了发热。此外,铜管母线上设计有定位孔,用于与配套的母线固定夹进行固定限位,保证铜排垂直度,其结构如图3所示。

与传统扁形母线相比,使用铜管母线可以降低开关柜的成本,提高产品竞争力,同时,管状结构有利于提高母线的机械强度,也有利于均匀电场[4-6],降低电场强度,提高产品的绝缘性能。

2.2铜管母线固定夹

在现有结构的空气绝缘中压开关柜中使用铜管母线,设计的难点之一在于如何设计母线固定夹,以使其能够将铜管母线有效地固定在开关柜中。本设计的铜管母线固定夹包括两个夹具,该两个夹具相拼接形成圆形夹持孔,用于夹紧铜管母线;每个夹具上设有连接孔,用于与触头盒连接配合;同时,每个夹具的拼接面分别设有导向凸台和导向孔,导向凸台与导向孔适配,方便对夹具进行定位固定并保证左右端面的平整度。其中一个夹具上设计有径向贯通的定位孔,能够实现母线夹在铜管母线的径向可靠定位,保持铜管母线的垂直度,如图4所示。本母线夹结构及装配简单,易于加工,成本低。

2.3敞开式套筒结构固定触头盒

在现有结构的空气绝缘中压开关柜中使用铜管母线,存在的另一个设计难点在于如何设计触头盒,以适配夹持有铜管母线的组件在开关柜中的安装。本设计的铜管母线固定触头盒如图5所示,此触头盒为开口式套筒结构,方便母线安装和散热。触头盒本体设有通孔、通风孔及固定孔,适配上述铜管母线和母线固定夹。此外,触头盒本体设有绝缘保护飞边,在铜管母线和母线室金属隔板之间起到绝缘作用,保证铜管母线到柜体的距离符合标准的绝缘要求。触头盒设计的安装孔与传统扁形母线适配的封闭式触头盒安装孔一致,实现在不改变柜体触头盒安装板结构的前提下,与扁形母线适配的触头盒进行互换,最大限度匹配原开关柜的设计。

3温升试验及电场模拟分析

3.1温升试验

对采用本铜管母线及其固定母线装置设计的开关柜进行温升试验,试验测温布点图和试验结果分别如图6、表1所示。

试验表明,在铜排用量大大减少的情况下,此设计仍通过国家标准要求的温升试验。

3.2电场模拟分析

通过计算机软件模拟分析铜管母线及其固定装置和传统矩形母线及其固定装置设计在开关柜中的电场强度,模拟模型为柜宽800mm的开关柜母线室,如图7所示,由图可知,铜管对地和相间空气净距比矩形母线增大了。

图8为模拟分析结果,由结果可知,母线由铜排改为铜管后电场分布得到了改善,铜管表面气体中电场分布均匀度明显提高,相同位置的场强降低了约30%,这种设计大大提高了开关柜的绝缘性能。

4结语

随着经济发展,人们的用电需求日益提高,对中压开关柜的安全性能及经济性能的要求也越来越高,这就要求技术人员对开关柜结构设计的合理性、选材的正确性以及运行维护的方便性都给予足够的重视和考虑。本文中压空气绝缘开关柜中铜管母线及其固定装置的设计,在满足温升和强度要求的前提下,能够改善开关柜的电场分布,提高开关柜的绝缘性能,节约铜排用材,降低开关柜成本,保证开关柜安全稳定高效经济运行。