电气化铁道开关设备选型研究

2012-01-27翟铁久涂大石王燕楠

铁道标准设计 2012年8期

翟铁久,涂大石,王燕楠

(1.铁道部工程管理中心,北京 100844； 2.北京东方昱立电气技术有限公司，北京 100192；3.北京恒通达电气有限公司，北京 100020)

1 问题的提出

电气化铁路牵引供电系统中作为保护和控制的最重要的元件就是断路器(包括负荷开关、隔离开关等),这些元件的安全可靠性直接影响行车安全和牵引供电的可靠性。但是,这些元件的安全性还要受到安装场所条件的影响。例如,牵引变电所27.5 kV开关设备全部裸露安装在配电室内的地板上、墙上,用网栅把检修通道与带电设备、不同回路之间隔开,这种方案造价虽然很低,但安全性也很低。高速铁路的牵引开关设备选择了昂贵的SF6气体绝缘柜(简称C-GIS,GB3906中称为“充流体的金属封闭开关设备”),但这能否达到最安全的目的还是值得研究的。本文将对牵引变电开关设备的选择问题作进一步的探讨。

2 金属封闭开关设备的分类

除进出线外,完全被金属外壳封闭的开关设备称为金属封闭开关设备。GB3906—1991对金属封闭开关设备和控制设备进行了如下分类。

按使用地点分为：户外式与户内式,由于户外式环境条件影响其安全性,使用很少,户内式占绝大多数。

按主绝缘方式分为：空气式、充流体式(过去称为“充气柜”、箱式气体绝缘组合电器(C-GIS))、固体绝缘式。

这里主要讨论按结构分类及其特点。

2.1 按内部结构分

(1)铠装式金属封闭开关设备

某些组成部件(如主开关、电缆、母线)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；

(2)间隔式金属封闭开关设备(具有非金属隔板的)

与铠装式金属封闭开关设备一样,某些元件也分别装在单独的隔室内,但具有一个或多个非金属隔板。隔板的防护等级应符合GB11022中6.12的规定(IP2X)；

(3)箱式金属封闭开关设备

除铠装式、间隔式以外的金属封闭开关设备。金属外壳具有以下特征：

①间隔的数目少于铠装式和间隔式金属封闭开关设备；

②隔板的防护等级低于GB11022中6.12的规定(IP2X)；

③隔室间可以没有隔板。

2.2 金属封闭开关设备按开关元件的安装方式

(1)固定式

开关元件固定安装在柜内,用母线把各个元件连接起来,构成一个完整的导电回路。这种结构的优点是：安全可靠,承载电流大。缺点是：检修不便、体积大、造价高、操作不便。

(2)移开式

开关元件不固定安装在柜内,可以在柜内移动甚至移出,可以形成工作位置、试验位置、移开位置。这种结构的优点是：检修方便、体积小、造价低、操作方便。缺点是：安全性差、承载电流小、可视性差。

3 常用的电气化铁道开关设备

3.1 网栅式电气化铁道开关设备

每个回路的开关设备不用金属板材封闭起来,而是把各种元件安装在地板上、墙壁上,再用金属网栅把各个回路及巡视通道隔离开来。该方案的特点是:

(1)任何异物搭接都有可能造成短路事故；

(2)小动物容易进入造成搭接短路事故；

(3)尘埃直接落在活动连接部位,使镀银层发生氧化、硫化等不利的化学反应,造成接触不良；

(4)有害尘埃直接落在绝缘体表面,加速绝缘件老化；

(5)个别回路发生电弧,有可能危及相邻的回路甚至人身安全；

(6)因没有设计外壳,造价低廉；

(7)由于通风好,散热方便,同样导体截面的载流能力要高些；

(8)由于一次导体全部暴露在外,运行直观,便于观察、观测。

GB3906-2006中5.101条详细规定了内部故障时验证外壳、隔室防护能力的方法,并把成功通过试验验证的设计归为IAC类。显然,网栅式根本没有归为IAC类的可能。

3.2 开关柜式电气化铁道开关设备

近年来电气化铁道也在逐渐使用开关柜式开关设备,主要有以下几种类型。

3.2.1 箱形移开式金属封闭开关设备

这类结构在电气化铁路最为常见,型号为XYN□-27.5。见图1。

图1 箱形移开式金属封闭开关设备(单位：mm)

该种箱式金属封闭开关设备没有把主母线、断路器、电缆这3个重要元件用隔板隔离开来安装,而只有1个高压室和仪表室。该种方式结构简单、体积小,但存在如下隐患。

(1)高压室内任何地方的故障都可能损害其他设备,使影响范围扩大,恢复运行更加困难；

(2)有些柜型操作时,需要开门才可以进行,无法保证操作人员的人身安全(人与带电体之间的防护等级远不足IP2X)；

(3)母线带电的情况下,人员无法进入柜内,也就无法检修电缆(按GB3906—2006标准定义运行连续性只有LSC1A级),所以只能把电流互感器安装在手车上以便更换；

(4)一次回路产生的电磁干扰对其他设备的影响会很严重。

3.2.2 间隔移开式金属封闭开关设备

针对上述箱式结构存在的问题,市场上出现了一种如下结构方式的间隔移开(手车)式交流金属封闭开关设备(图2),型号为JYN□-27.5。

图2 间隔移开式交流金属封闭开关设备(单位：mm)

间隔移开式交流金属封闭开关设备与箱形移开式交流金属封闭开关设备相比较有了很大进步：高压元件分别安装在母线室、断路器室、电缆室；关门操作使操作人员与带电体之间防护等级不低于IP2X,保证安全；母线带电的情况下,也可以进入电缆室、断路器室检修。但也存在以下不可解决的缺点：

(1)各高压隔室的隔板受结构限制,只能使用绝缘材料,无法屏蔽电场(按GB3906—2006标准定义为LSC2B-PI级),其他设备有受电磁干扰的可能；

(2)有机绝缘材料老化后容易失效,造成绝缘事故；

(3)受结构限制,爬电距离无法满足20 mm/kV,安全性差；

(4)受结构限制,电缆室无法设计泄压通道,安全性差；

(5)体积大,不能靠墙安装,占地面积过大。

3.2.3 铠装移开式金属封闭开关设备

金属封闭开关设备中最安全的结构方式是铠装式,就是用金属隔板把高压带电体至少隔成母线室、断路器室、电缆室3个隔室,而且临时隔离高压带电体的活门也要求是金属的,各高压隔室有独立的泄压通道,外壳防护等级不低于IP3X,隔室间不低于IP2X。

针对这些要求,有些厂家也设计出铠装移开式金属封闭开关设备(图3)。但是,由于体积过大,造价高,而没有推广起来。

图3 铠装移开式交流金属封闭开关设备(单位：mm)

3.2.4 SF6气体绝缘开关柜

其全称是：箱形SF6气体绝缘固定式金属封闭开关设备,一般型号为XGN□-27.5(或2×27.5)。按新标准应该称为“充流体式金属封闭开关设备”(C-GIS,以下简称“充气柜”)。本文仅限于讨论充SF6气体的方式,不含充其他气体和液体以及固体绝缘的方式。

这几年建设的高速铁路使用的SF6气体绝缘开关柜,多用于2×27.5 kV单相双极的AT供电方式,常见的结构方式见图4。

图4 2×27.5 kV气体绝缘开关设备

这种充气柜的特点如下。

(1)在恶劣环境条件下(高原地区、环境污染严重地区、高盐雾环境(如钻井平台)),如果使用空气绝缘柜不够安全,这时充气柜的优势才能充分体现出来—绝缘性能极少受环境条件的影响,否则没有优势。

(2)体积小,但整体占用面积却不一定小。

①由于每个单元回路只在母线与断路器之间设有隔离开关,断路器与电缆之间无法设计隔离开关,只能在户外再设计柱上安装的隔离开关、接地开关,因此对于检修馈出线电缆等设备带来很大困难；

②有些检修、巡视需要在柜后进行,柜后距墙要留出1 000 mm以上的检修通道,占地面积加大；

③由于无法设计成上架空馈出线方式,只有用电缆过渡到架空线,不但造价高、占地面积大,还增加了不安全因素。

(3)母线与断路器之间安装三工位隔离开关,停电检修时该隔离开关首先转换到接地位置,断路器再合闸,这样可将电缆侧接地并可以释放静电电荷。如果误操作也可以安全地关合短路电流。但也有不利的方面：

①电缆与断路器不好分离,检修试验困难；

②运行方式受到限制,不够灵活；

③供电的连续性只能达到LSC2A级,电缆侧带电断路器室无法进入、检修。

(4)一旦发生事故,却又很难及时检修、更换。例如,电压互感器放电这样的小事故都很难现场处理；

(5)箱式组合电器(C-GIS)不同于常规的筒式组合电器(GIS),其承受的大气压力非常有限,一般不能在常压下更换气体,只能在真空房内进行。这就埋下了巨大的安全隐患—无法现场检修!而筒式组合电器可以承受较大的大气压力,可以在现场更换绝缘气体、检修,两者有很大的区别；

(6)焊接工艺虽然已经很先进了,但也不能排除气体泄露的可能性,隐患还是存在的；

(7)SF6气体温室效应系数是CO2的23900倍。在《京都议定书》中是被限量排放的气体,2030年后禁止排放。110 kV以上的高压电器中由于还没有找到更理想的替代物,不得不使用SF6气体这是可以理解的,但在中压领域使用就没有必要了；

(8)造价达到空气绝缘柜的2～3倍。

4 电气化铁道开关设备的发展方向

开关柜的发展方向主要依赖于核心元件——断路器(包括负荷开关、接触器等)技术进步而发展。过去针对少油断路器方式的手车柜,就是为了检修方便而设计,这对需要频繁检修开关来说的确带来了很大的方便。这些年来,真空断路器被广泛使用,其极少的维护量已被认同。但是,目前广泛使用的开关柜却还是手车式(移开式),其优点存在的前提已不存在,但其存在的缺点却暴露出来。

电气化铁道开关设备在设计上逐渐淘汰了网栅式,开始使用金属封闭式,是符合高速铁路和电气化铁路发展需要的。

4.1 事故统计情况

根据《高压开关》2006年第3期“2005年国家电网公司高压开关运行分析”一文中统计,开关柜存在的两大问题。

(1)绝缘事故占所有事故的14.3%,其中开关柜及断路器占73.2%。主要是柜内放电、电流互感器闪络和相间闪络。主要原因是断路器与开关柜不匹配、绝缘尺寸不够、爬距不足、柜内隔板吸潮、老旧开关改造不彻底,未进行加强绝缘措施等,这些问题在40.5 kV开关柜中更为突出。

(2)载流故障占所有事故的2.3%,其中开关柜占77.8%。主要集中在12～40.5 kV中压开关设备上,触头过热,引线过热,常扩大为绝缘事故,由于插头接触不良、插头偏心等原因导致过热,以致起弧烧坏设备。

27.5 kV电气化铁道开关设备对地最高电压为31.5 kV,三相系统40.5 kV对地电压为23.4 kV,这就意味着有可能同样条件下前者的危险性还要大于后者,国家电网公司已要求40.5 kV户内空气安全距离由300 mm加大到360 mm,而电气化铁路系统也应加大开关设备对地的安全距离。

4.2 事故原因

(1)由于历史的原因,手车式结构已被广泛认可,习惯性思维使得开发设计人员还是按照移开式结构进行设计,结构上没有重大突破；

(2)为了追求小型化,大量使用有机绝缘材料,绝缘老化问题不可避免；

(3)随着外壳、各个隔室的防护等级的提高,必然不利于散热,尤其触头盒全密封,使得最大的发热源—隔离触头散热困难,温升过高更加剧老化；

(4)手车式结构由于移动部件笨重,不但操作困难,变形越加严重,动、静触头偏差超过限度后,载流能力下降,温升过高；

(5)由于铠装柜防护等级高,主要温升点不便观测(有时即使观测到也无法处理),这也是酿成事故的原因之一。

4.3 铠装固定式金属封闭开关设备是未来的发展方向

运行事故统计表明高压开关柜烧毁事故已呈上升趋势,这不能不引起设计开发人员的极大关注!在《3.6～40.5 kV交流金属封闭开关设备和控制设备》(GB3906—2006)附录F中F.1条 “与GB3906—1991相比,分类的变化”中明确指出：前版标准主要围绕可抽出式的空气绝缘外壳而编写的。现在的趋势朝着固定式和GIS方向发展,需要本标准代表这些设备。在8.2条“设计和结构选择”中又一次明确：固定式的总装,尤其是采用了少维护元件的总装可以提供终生低投入高收益的布置。

4.3.1 现阶段固定式金属封闭开关设备的不足之处

现在电力行业广泛使用的固定柜主要以箱式为主,开关元件并没有根据固定式的要求而专门设计,只是把手车式的元件直接拿来使用。如果电气化铁道开关设备也采取同样的设计,同样带来以下问题：

(1)体积庞大,尤其大电流柜(2500A以上),占地面积大,安装、运输很困难。如果使其体积小就要使用复合绝缘,必定存在绝缘老化的问题；

(2)部分开关柜隔室间防护等级达不到IP20标准,外观不够理想；

(3)隔离开关操作力过大,不满足小于450 N的标准要求,联锁机构的应变性差；

(4)材料消耗和工时成本都不够经济,铜价上涨后这一问题更加突出；

(5)断路器参数(如开距、超程、同期)检测困难,直接影响运行安全；

(6)部分开关柜不能靠墙安装,占地面积大；

(7)有些没有考虑安装快速接地开关,不符合GB3906—2006要求；

(8)接线方式不够灵活,架空出线占地面积过大；

(9)断路器拆、装不够方便。

4.3.2 固定式金属封闭开关设备的新思路

针对上述问题,笔者提出以下思路：

(1)为了实现小型化,首先实现元件组合化。例如,把断路器与隔离开关组合成一个元件；

(2)虽然断路器固定安装,但是,还要像手车一样方便安装、移出,做到可维护、能维护；

(3)所有元件的操作都要实现电动为主、手动为辅,提高自动化程度,便于智能化、远动操作；

(4)回路简单,方案灵活,适应性强。

根据上述设计理念,设计出图5所示结构新型开关柜。

图5 新型固定柜结构示意(单位：mm)

图7 27.5 kV变电所主接线图

该结构的最大特点就是把断路器与上、下隔离开关组合成一个元件,而且触臂是上、下直线运动,使导电回路近乎成一条直线,达到最短，也使整个柜子实现最小，在这种条件下,全部实现空气主绝缘、安全距离不小于360 mm、额定电流达3 150 A，断路器可以推进、抽出。目前在国内外文献中还没有发现相关报道。

图6 XYN-27.5 kV型开关柜平面布置(单位：m)

5 新型固定柜的设想应用模式

图8 新型固定柜主接线图

图9 新型固定柜平面布置(单位：m)

为了分析比较,以一个标准的直供加回流的牵引变电站为例(图5),用普通XYN-27.5(或JYN-27.5)型箱式柜给出一个设计方案(图6、图7),再用新型固定柜给出一个方案(图8、图9),两者进行分析比较。其中图6与图9原理完全相同,只是为了便于分析把双排列换成单排列。

由图7、图8比较分析可知新型固定柜有以下优点：

(1)柜子结构上已达到铠装的要求,防护等级达到IP4X,有了安全保障；

(2)额定电流达到3 150 A,为重载铁路、高速铁路的应用创造了条件；

(3)主接线清晰明了,减少了运行人员误操作的可能；

(4)占地面积减少20%以上,柜子数量减少了11台,综合造价降低；

(5)所有开关操作都以电动为主,极大地降低了危险性和操作强度；

(6)接地开关安装在柜内,且能关合短路电流。

6 结语

随着电气化铁路的全面发展,牵引供电开关设备在选型上也有了很大进步,已经从网栅式向金属封闭式开关柜发展。但何种金属封闭式开关柜更加符合形式简洁、维护方便、高可靠性的要求,是值得深入探讨的问题。从开关柜发展过程分析其发展方向—固定式金属封闭式开关设备,并给出了可以应用的工程设计事例,但这只是研究的开始,还有大量的问题有待研究、解决。

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