10kV配电开关柜设计要点及防范措施探究

国网天津市电力公司城东供电分公司 周敬淳 王梓辰

1 10kV配电开关柜设计要点

1.1 整体结构设计

本次设计中，主柜与副柜之间的距离为1238mm，其中主柜开关室为断路器，副柜为隔离开关。与传统10kV配电开关柜相比虽然占地面积更大，但一旦发生设备故障则可快速隔离故障点，不会影响周围柜体与母线运行，达到控制电网故障面积的目的。同时更大的面积有助于扩大装置散热面积，强化柜体内部空气交互效果，例如在柜内采取强制风冷技术可降低开关柜内的升温问题，在额定工作电流工况下，导体的升温速度更慢，为延长使用年限奠定基础。

结构功能模块设计方案如下：母线模块。主母线采用“一”字形布设方案，使母线在穿墙套管支撑下固定，并利用母线的优化设计及通风散热装置有效降温；开关模块。满足不停电更换元器件要求，弥补传统结构中元器件故障而造成长时间停电问题；控制模块。以插座的形式改进二次回路连接，可缩短元器件的替换周期；备用母线模块。当主母线检修时，该模块可提供正常供电功能；本次设计中备用母线隔离刀闸可连接馈线与备用母线；CT模块。实现不停电更换元器件。

1.2 内部设计方案

1.2.1 内部连接与构件位置设计方案

基于图1介绍的新型10kV配电开关柜，本文介绍的内部设计方案包括：在开关柜4、5泄压通道位置预留约250mm空间，副柜泄压通道用隔板隔开，冲泄压孔，泄压通道共用；在开关柜6、7位置设计中，主柜电缆室预留挂接地线位置，副柜出线电缆位置增设开关，且所有进出线电缆严禁交叉；在开关柜1、7柜门位置采用双层设计方案，并在内部增设触头测温点与可视化窗口，方便工作人员随时了解内部情况。

图1 新型10kV配电开关柜结构图

在开关柜2设计中，遵照模块化设计理念，其二次回路为分类航空插设计模式；二次线为航空插件，可按照不同分类分别连接不同插件，如电压线、电流线等；开关柜设计将不同功能构件细分为三个关键模块，其中开关柜2、3为一个模块、1、7为一个模块，4、5、6为一个模块，每个模块分别采用螺栓锁定模式，断路器手车为电动操作。装置的运行稳定性良好；开关柜5的隔离开关采用GN22结构形式，为双动触头模式，将其固定在同一绝缘子支柱上并与电缆线连接。该系统采用主备母线切换操作方式，其中合备使用母线隔离装置，具有隔断断路器的功能。

1.2.2 一体式触头盒设计方案

在传统10kV配电开关柜中，接触盒与变压器均为独立部件，其中变压器被固定在柜体下方框架位置，接触器固定在柜体中间隔板上。同时，热收缩套管与绝缘板容易在雷雨天气受到电流冲击，再加之材料的绝缘效果差，因此会显著提升被击穿风险[1]。为解决上述问题，本文提出一种集成变压器接触和设计方法，在原有开关柜基础上增加了静触头和接触盒，两者均采用耐高温的复合绝缘材料，采用APG工艺注塑制成。同时，在开关柜设计中取消电流互感器与接触盒之间的母线连接，达到改善结构电阻值的目的，也可以预防低电阻而造成结构升温问题。

1.2.3 断路器、操作机构设计方案

断路器设计方案。本次开关柜设计中，将断路器经固封极柱和操动机构前后布置于同一框架上，主导电回路为三相落地结构，该结构的主要优点是增加容错性，并且有助于降低噪声。两个装置的间距为150mm，使用固体密封柱；操作机构设计方案。10kV配电开关柜在操作机构设计中使用模块化弹簧执行装置，该执行装置可独立拆卸，因此易于安装与维护。同时，该装置使用齿轮传动装置，增设手动储能器后可达到减少无用功耗以及合理输出的效果。

1.2.4 安全处理

为了保证工作人员的安全，在本次设计中严禁施工人员接近开关柜，因此在设计期间应兼顾装置防护等级设定方案，再加之散热效果与生产成本之间存在相关性，若单纯追求高防护等级则会增加成本，所以本文的设计即选用IP3X装置。

1.3 外壳设计方案

外壳设计中，计量CT与PT均增设开列阵形防控，同时计量室的左右两侧均应布设二次线盖板。避雷器均为45°向上布设方法。在仪表室背板上增设线槽安装孔，底板上预留安装孔。穿墙套管板铝板装置厚度为2mm，同时在上下两侧对称位置增加安装孔，并用螺栓紧固良好。

1.4 优化接线方式

在优化接线防治期间，本次10kV配电开关柜设计中采用了1主1备的接线方法，其中母线设计标准为4000A，备用线的设计标准为3150A，具体的接线方式优化结构如图2所示。

图2 优化后的接线方式

在该接线方式中，10kV配电开关柜的主母线与备用母线均预留可带电零负荷插拔结构，其中备用母线通常在设备日常维护或者发生故障时使用，可利用断路器完成分段控制。在10kV配电开关柜常规运维检查阶段，利用备用母线接入供电，逐一移出待检查的功能模块后，即可实现不停电设备日常检修。

2 10kV配电开关柜的常见风险与防范对策

2.1 设备升温过高、噪声偏大

2.1.1 设备故障分析

发热是10kV配电开关柜的常见故障，以某地区的220kV变电站的10kV配电开关柜为例，该装置的变低隔离柜与断路器柜的额定电流值为3150A，隔离开关型号为GN30-12/3150，断路器型号为ZN28-12-3150，#1号主变变低负荷高点约为1700A，#2主变变低负荷高点约为1300A。根据现场测量结果可知，主变隔离柜、断路器柜以及相邻母线的最高温度为65℃（如图3所示），并且运行阶段伴有噪声高问题（噪声主要为低频率的刺耳“嗡嗡”声）。

图3 现场温度测试结果

2.1.2 故障分析

根据对上述10kV配电开关柜的调查结果可知，该开关柜存在以下问题：变低母线桥架与柜顶连接套管安装板与母线室套管安装板之间的断磁槽偏低；或者隔开开关的安装板与端粒互感器安装板之间的材料为普通钢板，导电母线与安装板之间的距离偏低（不足180mm），在上述结构下一旦出现电流通过的情况将会产生巨大的涡流；导体接触不良，在长期高温运行状态下会造成紧固件膨胀收缩，并伴有大小不一的蠕变现象，进而造成导体接触位置因为细小间隙而发生严重氧化现象[2]；装置的通风效果差，导致装置内部无法实现自然风循环，进而影响装置散热功能。同时，该装置的各个功能间均为独立设置结构，相邻装置之间均用金属隔板分离，内部空间有限。

现场检测结果显示桥架封板装置的安装螺栓规格较小，规格仅为M6；同时封板尺寸规格为1000×500mm，且固定间隔偏低，不足200mm。在上述结构下，一旦10kV配电开关柜的内部负荷超过1200A，则会造成桥架发生交变电动力，并造成桥架振动。同时，由于安装螺栓的规格偏低，桥架与封板之间更容易出现振动而产生碰撞声音。在上述作用机制下，由于多点共振现象出现，再加之装置内部空间狭小，导致振动声音被进一步放大。

2.1.3 应对措施

针对10kV配电开关柜的温度升高问题，可采取以下应对措施：紧固一次回路母线上的螺栓；改变套管安装板的材料，用304不锈钢板取代传统材料；更换隔开开关安装板与互感装置安装板材料，如304不锈钢板等。

完善10kV配电开关柜的内部通风结构，主要设计方案包括：调整后下门与后上封板的结构，用带风通道门板取代传统门板结构，使开关柜运行期间可产生充足的进风；将常规的开关柜百叶顶盖改为加高的带散热通道的通风顶盖，改进后的装置可明显提升出风口面积，并且顶部与底部进风口之间形成烟囱效应，利用装置的冷风对流机制加快热量发散；增设强制排气装置，例如可考虑在10kV配电开关柜的底部增设强制冷却风装置，并在顶盖上添加辅助排风系统；针对10kV配电开关柜系统中的开关柜，可不在底部增设冷却风机，但应在母线室顶板上布设排风机，其目的是增加10kV配电开关柜内部空气流速，保障散热效果。

针对装置噪声问题，结合该10kV配电开关柜的现场监测结果，本文提出了以下改进方案：更换桥架上的螺栓，由最初的M6改为M8，并在连接装置内增设防震胶带；检查母线桥内母线与连接处铜管之间的连接情况，将原本的硬连接改为软连接；增加导电体与封板之间的距离，最低值为200mm；变低隔离和变低断路器柜和相邻的6台柜后门和后封板安装螺栓更换为M8，并在连接位置增设防震胶条。

2.2 开关柜受潮短路

某10kV配电开关柜装置在某雷雨天气下，其10kV馈线发生三相短路故障，弧光造成开关柜爆炸，三相顶部伴有明显破坏，进一步观察后发现该10kV配电开关柜的A相真空泡受损，且柜体上可见弧光放电问题。

2.2.1 故障分析

根据对10kV配电开关柜的现场调查，认为发生上述故障的原因包括以下两种：开关柜在潮湿环境下受潮，导致装置绝缘功能不理想。根据故障发生前的调查结果发现，该10kV配电开关柜为自热通风对流模式，底部与顶部设置纱网通风窗，使开关柜为开放式结构，导致装置出现严重的受潮问题。根据早期开关柜的检查发现，后柜门等位置可见明显水流痕迹，证明该10kV配电开关柜的受潮问题不容忽视。而在受潮的侵蚀作用下，导致母线绝缘强度下降，穿墙套管与触头盒装置的绝缘性能下降[3]。而在故障发生当天，雷雨天气下进一步加重内部绝缘问题，导致故障发生后开关动作无法彻底熄弧，再加之雷击过电压等因素影响，导致绝缘筒表面爬电造成对地放电，最终造成故障。

楼面渗水影响功能。结合现场运维人员的观察发现，该开关柜的上方出现裂缝变形，导致开关柜顶部发生严重渗水问题，而事故发生当天，连续降雨4h后，装置顶部渗水量约为20s/滴，导致设备受潮问题严重。

2.2.2 故障应对措施

考虑到受潮是造成本次10kV配电开关柜装置故障的主要原因，因此技术人员采取了以下技术应对措施：改进10kV配电开关柜内部通风系统，在装置内部增设空调，保障室内空气正常流通；积极修补顶部缝隙，进行屋顶漏水的初步修补；对开关柜内的所有绝缘件做高压试验，根据试验结果显示为异常的情况应及时更换。通过带电局部检测的方法，当10kV配电开关柜恢复送电后即可做停电检测。

除此之外，为避免相同问题再次发生，在装置日常运维中应定期检测10kV配电开关柜内滤波装置是否正常，在发现异常后及时处理。设备主人、运维单位的专业、专责应每月关注纳入“纠正与预防系统”的生产问题，特别是直接影响到人身、电网、设备安全的问题。