高压电器的设计要点.docx

资源描述

高压电器的设计要点.docx

《高压电器的设计要点.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高压电器的设计要点.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

高压电器的设计要点.docx

高压电器的设计要点

1绝缘

高压开关设备的体积小型化的趋势愈来愈明显，作为高压开关设备的绝缘问题就显得尤其重要。

高压开关设备绝缘按绝缘材料的种类可分为：

空断气缘、复合绝缘、气体绝缘和固体绝缘。

各电压品级高压电器的额定绝缘水平和耐受电压值和DL/T593-20064.6条。

绝缘方式

.1空断气缘

空断气缘性能比较稳固，价钱又低廉，是目前40.5kV以下高压开关设备的要紧结构方式。

最近几年来，由于用户对高压开关设备的小型化、高靠得住性、平安性等不断提出更高的要求，伴随着新绝缘材料的开发、制造工艺的进步，新的绝缘结构不断推出，包括复合绝缘在内的空断气缘仍占高压开关设备的要紧部份。

在高压开关设备设计中，应保证绝缘结构能够经受交流耐受电压及雷电冲击耐受电压。

空断气缘的设计是以标准的棒-平板和棒-棒间隙的雷电冲击50%放电电压为基础进行，从电极绝缘考虑，相间放电电压可按棒-棒考虑，相对地的放电电压可按棒-平板考虑。

实际考虑到绝缘配合，相间绝缘强度的裕度应大些，另外再加上10-20%的平安系数，另外再考虑到电场散布和周围环境的不同，应再加上10-30%的裕度，因此整体设计时应考虑有20-50%的裕度。

需要专门注意的是在高压开关设备中要紧选用的是矩形和圆形导体，其中圆形导体的放电电压要比矩形高20-30%。

当空断气缘不能知足设计要求时，需考虑增加复合绝缘，复合绝缘经常使用的形式要紧有以下几种：

（1）在导体间或是导体对地的空气间隙中插入一块非金属的绝缘隔板，从而缩小对绝缘距离的要求。

绝缘材料必需具有优良的介电性、憎水性和阻燃性等，应尽可能选用受温差转变不大和防老化程度高的绝缘材料如DMC（Doughmoldingcompound）、SMC（Sheetmoldingcompound）不饱和聚酯层压板、ABS（Acrylonitrile-butadine-styrenecopolymer）等。

在保证高强度的同时，变形量和老化程度较小，适应付绝缘配合要求较高的地址。

相间绝缘隔板应设置在中间位置，带电体与绝缘隔板的最小空气间隙应知足表1要求（DL/T404-20075.106）。

该方式的缺点是绝缘隔板受利用环境及本身材料电气性能阻碍专门大，同时也存在绝缘老化的问题。

表1复合绝缘的空气距离

额定电压/kV

海拔高度/m

1000

2000

2500

3000

3500

4000

～12

（2）带电导体外采纳热缩套管来增加绝缘性能，热缩套管的应用专门适用于产品小型化需求。

国外品牌的热缩套管以美国瑞侃（RAYCHEM）和日本住友（SUMITUBE）为代表，国产品牌的厂家较多。

从产品性能看瑞侃产品性能最优，瑞侃的产品检测报告说明产品利用寿命在25～40年。

矩形导体采纳瑞侃BBIT热缩套管后10kV设备相间最小间距可达35mm，相对地最小间距可达45mm；24kV设备相间最小间距可达60mm，相对地最小间距可达90mm；40.5设备相间最小间距可达100mm，相对地最小间距可达160mm。

（3）流化处置工艺。

目前国内外还有一些开关制造厂家采纳一种热涂敷工艺，在高压带电导体表面均匀附上一层绝缘材料。

流化导体表面的流化涂层主若是以环氧树脂粉末为主。

导体表面采纳流化处置后施加工频电压42kV/1min，导体最小间距为50mm时不击穿。

在产品设计时单纯以空气作为绝缘介质的高压开关设备，最小空气间隙应知足表2（DL/T404-2007）

表2以空气作为绝缘介质的各相导体间及对地净距（mm）

序号

项目

额定电压/kV

导体至接地间净距

100

125

180

300

不同相的导体间净距

100

125

180

300

导体至无孔遮拦间净距

105

130

155

210

330

导体至网状遮拦间净距

175

200

225

280

400

无遮拦裸导体至地板间净距

240

248

260

无遮拦裸导体之间的水平净距

190

198

210

出线套管至屋外通道地面间净距

400

1.1.2气体绝缘

气体绝缘尤以SF6气体为典型代表，标准大气压力下SF6的绝缘性能是空气的3倍，另外由于SF6分子的负电性，具有很强的吸附自由电子而形成负离子的能力，因此具有很强的耐电强度。

SF6以其优良的绝缘和灭弧性能被大量利用在高压开关设备里，专门是近几年兴起的柜式气体绝缘开关柜（C-GIS）。

可是由于SF6属温室气体，为减少SF66慢慢被N2或是SF6和N2的混合气体所代替。

1.1.3固体绝缘

固体绝缘高压开关设备占有面积只为空断气缘柜的10-20%，是超小型产品；树脂浇注件的外表面用接地金属覆盖，平安性好；由于固体绝缘无相间短路发生，维修省力。

固然固体绝缘高压开关设备也有不足：

主回路完全由浇注件组成，柔性不足；高电压时，高压开关设备重量过大，当前只能生产24kV以下电压品级产品。

1.2高海拔时绝缘校正

增大空气间隙

海拔超过1000m后，空气间隙应进行修正，修正系数见表3

表3高海拔用电工产品电气间隙修正系数

使用地点的海拔/m

1000

2000

3000

4000

5000

相应气压/kPa

电气间隙

修正系数

以零海拔为基准

以1000m海拔为基准

以2000m海拔为基准

（注：

也有体会数据在海拔高度超过1000米后，按海拔高度每升高1000米电气间隙增大10%修正）

加大爬电距离

长期实验说明，绝缘介质的湿闪或污闪电压与其爬电距离有接近线性的关系，GB3906-2006及DL/T404-2007对纯瓷及有机绝缘件的外绝缘爬电比距和相应值的应用范围均有规定（污秽为0级时，纯瓷爬电比距14mm/kV，有机绝缘爬电比距16mm/kV；污秽为Ⅰ级时，纯瓷爬电比距16mm/kV，有机绝缘爬电比距18mm/kV；污秽为Ⅱ级时，纯瓷爬电比距18mm/kV，有机绝缘爬电比距20mm/kV）。

通常情形下，开关柜内的一次元件可依照Ⅱ级污秽条件来设计其外绝缘爬电比距（DL/T593-2006条），关于个别污染较重的地域可按有机绝缘25mm/kV（Ⅲ级）考虑。

外绝缘实验电压校正

3所示。

表3一样气候条件下的工频及冲击耐压实验值/kV

额定电压/kV

柜体及开关设备

绝缘的工频耐压值

柜体及开关设备

绝缘的冲击耐压峰值

柜中变压器

主绝缘的耐压

主绝缘对地、断路器断口间及相间绝缘

隔离断口间的绝缘

主绝缘对地、断路器断口间及相间绝缘

隔离断口间的绝缘

工频耐压

冲击耐压峰值

125

145

125

118

185

215

185

，当高压输变电设备利用于海拔高于1000m但不超过4000m，在海拔不高于1000m的地址实验时，实验电压应按表3中规定的耐受电压乘以海拔校正系数Ka，KaH×10-4）。

式中：

H—海拔高度，m。

依照GB/T11022-1999和DL/T593-2006的条，关于安装在海拔高于1000m处的设备，外绝缘在标准参考大气压下的绝缘水平应该将利用处所要求的绝缘耐受电压乘以系数来Ka校正，Ka可查曲线图，也可用公式计算：

Ka=em（H-1000）/8150。

式中：

H—设备安装地址的海拔高度，m。

m—为了简单起见，取下述确信值：

关于工频、雷电冲击和相间操作冲击电压m=1，

关于纵绝缘操作冲击电压m=0.9，

关于相对地操作冲击电压m=0.75。

采纳两种标准的计算结果比较接近，综合考虑，建议按GB11022-1999进行修正。

2接触电阻

由电接触而产生的电阻称接触电阻（Rc），接触电阻由集中电阻（收缩电阻）和表面电阻组成。

接触电阻的存在，增加了导体在通电时的损耗，使接触处的温度升高。

假设接触电阻太高，一方面，当额定电流长期通过时，接触处的温升就可能超过规定值；另一方面，当回路通太短路电流时，接触处的发烧可能达到触头材料的熔化温度而使触头熔焊。

　　接触电阻要紧受接触件材料、接触压力、接触形式、表面状态、温度、利用电压和电流等因素阻碍。

（1）接触件材料：

组成电接触的金属材料的性质直接阻碍接触电阻的大小，这些性质包括金属材料的电阻率ρ、布氏硬度HB、化学性能和金属化合物的机械强度和电阻率等。

材料的电阻率或硬度越大，那么接触电阻也越大。

（2）接触压力：

接触件的接触压力是指施加于彼此接触的表面并垂直于接触表面的力。

随着接触压力增加，接触微点数量及面积也慢慢增加，同时接触微点从弹性变形过渡到塑性变形。

由于集中电阻慢慢减小，而使接触电阻降低。

但当接触压力超过必然值（150N左右）后，接触电阻就大体维持不变。

实验说明，在接触压力较小时，接触电阻上下限的不同高达10倍之多。

而当压力增大后，接触电阻的分散度慢慢变小，接触电阻上下限的不同减少到1.5倍。

（4）接触形式：

接触形式不同也会阻碍接触电阻的大小。

接触形式要紧分为三种：

点接触、线接触和面接触，接触压力较小时；点接触的接触电阻较低；接触压力较大时，面接触的接触电阻较低；在更大接压力时，三种接触形式的接触电阻是差不多大小的。

　　（4）表面状态：

接触件的表面膜层包括两部份：

一是由于尘埃、松香、油污等在接触表面机械附着沉积形成的较松散的表膜。

这层表膜由于带有微粒物质，极易嵌藏在接触表面的微观凹坑处，使接触面积缩小，接触电阻增大，且极不稳固；二是由于物理吸附及化学吸附所形成的污染膜。

对金属表面主若是化学吸附，它是在物理吸附后伴随电子迁移而产生的。

同时，接触表面的光洁度也会对接触电阻有阻碍。

光洁度不宜要求太高，实验说明，过于精细的表面加工关于降低接触电阻未必是有利的。

关于大中负荷的电接触，一样接触处的表面光洁度能达到机加工的▽6就足够了。

面接触时为保证更多的接触点，则应提高接触面的平整度。

（5）温度：

温度对接触电阻也有阻碍，要紧有二个方面的缘故：

一是电阻率的改变，电阻率随温度升高而增加；二是材料硬度的改变，当材料温度上升到接近软化点是，硬度将急剧下降。

　　（6）利用电压：

利用电压达到必然阈值，会使接触件膜层被击穿，而使接触电阻迅速下降。

但由于热效应加速了膜层周围区域的化学反映，对膜层有必然的修复作用，于是阻值呈现非线性。

在阈值电压周围，电压降的微小波动会引发电流可能二十倍或几十倍范围内转变，使接触电阻发生专门大转变。

　　（7）电流：

当电流超过必然值时，接触件界面微小点处通电后产生的焦耳热作用使金属软化或熔化，会对集中电阻产生阻碍，随之降低接触电阻。

阻碍接触电阻的因素很多，要准确的计算接触电阻是很困难的，通常只能用体会公式进行估算。

一样的体会公式如下：

Rc=Kc÷（0.102F）m[μΩ]

其中，F：

接触压力，N；

m：

与接触形式有关的系数，对点、线、面接触，别离取0.五、0.7、1（也有线接触取0.75，高压力时的面接触取0.8）；

Kc：

与接触材料、表面情形、接触形式等有关的系数，通常由实验得出，见下表。

接触材料

银-银

黄铜-黄铜

670

铜-铜（无氧化物）

80-140

铝-铜

980

铜镀锡-铜镀锡

干燥

100

铝-黄铜

1900

涂油

需要指出的是，阻碍接触电阻的因素极为复杂，上述体会公式只用Kc、m两个系数来归纳各类因素的阻碍，固然是很不充分的。

正因为如此，不同研究者得出的m和Kc值往往不同专门大。

3短时耐受电流和峰值耐受电流的校核

3.1短时耐受电流（IK）

短时耐受电流是在规定的利用和性能条件下，在规定的短时刻内，开关设备和操纵设备在合闸状态下能够承载的电流的有效值。

高压开关设备的导体截面应知足短时耐受电流通过时的热稳固性。

GB3906-2006[附录E]规定了依照短时持续电流的热效应计算裸导体横截面积的方式，经受电流持续时刻为s～5s的热效应的裸导体横截面积为：

S=（I÷a）×（t÷∆θ）。

式中：

S-导体截面，mm2；I-电流有效值（即短时耐受电流值），A；a的量纲为A/mm2（s/K）,并按以下规定取值：

铜-13，铝-8.5，铁-4.5，铅-2.5；t-电流通过时刻，s；∆θ-温升（K），对裸导体取180K，若是时刻超过2s但小于5s，可增加到215K。

另外，依照DL404-1997《户内交流高压开关柜定货技术条件》规定，接地汇流排和与之连接的导体截面，应能通过额定短路开断电流的87%。

3.2峰值耐受电流（IP）

3.2.1电动力计算

峰值耐受电流是在规定的利用和性能条件下，开关设备和操纵设备在合闸状态下能承载的额定短时耐受电流的第一个大半波的电流峰值。

额定峰值耐受电流应依照系统特性所决定的直流时刻常数来确信，大多数系统的直流时刻常数为45ms，额定频率为50Hz及以下时所对应的峰值耐受电流为倍额定短时耐受电流，额定频率为60Hz时为倍额定短时耐受电流。

在某些利用条件下，系统特性决定的直流时刻常数可能比45ms大，关于特殊系统其值一样为60ms,75ms和120ms，这取决于系统的额定电压。

在这些情形下，额定峰值耐受电流建议选用倍额定短时耐受电流（DL/T593-20064.6条）。

峰值耐受电流的校核要紧是电动力的计算。

高压开关设备的导电部份由多个导体组成，当导体中有电流流过时，各导体之间就有电动力的作用。

电动力的大小与导体间的彼此位置和通过电流大小有关，正常工作时由于通过导体电流不大，只有几百至几千安，作用在导体上的电动力很小，对电器设备可不能产生专门大的阻碍，可是当电路发生短路故障时，短路电流专门大，可达几十乃至上百千安，就会产生专门大的电动力，可能致使电器设备的结构零件变形或断裂，使原先处于关合位置的触头被推开，产生电弧，致使触头熔焊，或使主开关元件在关合进程中不能顺利关合，以至造成主开关爆炸等事故。

电动力的方向能够由左手定那么确信，即：

手心向着B（磁感应强度方向），伸直的四指与I（电流）同向，那么大拇指的指向确实是电动力的方向（也可用右手螺旋定那么）。

当两相邻导体中的电流I1与I2方向相同时，两导体间作使劲为吸力，反之当电流方向相反时那么为斥力。

计算电动力的公式为：

F=1×10-7I1I2C

式中：

F-导体间的电动力，N；

I1、I2-相邻两导体别离流过的电流大小，A；

C-回路系数。

C是一个无量纲系数，它只与所研究的导电系统的几何尺寸、形状有关。

计算出回路系数C的值，再明白I1与I2就能够够得出电动力的数值，因此上式是计算电动力的一样通用式，对不同的情形只是回路系数C不同罢了。

经常使用的C值，可在手册中查出（参考清华大学出版的《高压断路器原理》一书）。

应当指出，上述计算电动力的公式并无考虑导体本身截面大小、形状的阻碍，事实上是假设电流集中在导体的轴线上来分析的。

这对圆截面导体来讲，不管截面大小如何，只要电流在导体内均匀散布，计算的结果是完全准确的。

对其他截面形状（如矩形截面）的导体，当导体之间的距离比导体截面的尺寸大的多时，也能够应用上述公式。

但当导体截面尺寸较大，导体间的距离又很近时，应用上面的公式就会带来专门大的误差。

关于非圆截面导体，而导体之间又布置比较近的情形，必需引入一个截面系数λ以计及截面对电动力的阻碍，公式为：

F=1×10-7CI1I2λ。

由于λ计算比较复杂，人们把常碰到的矩形导体平行布置的截面系数绘成曲线，如以下图所示。

假设导体之间的距离比导体截面的尺寸大的多或导体是很薄的矩形截面（b»a），由曲线可见，当（c-a）/（b+a）≥2，也确实是c/b≥2时，λ≈1，现在完全能够不考虑截面对电动力的阻碍。

上面讨论的是直流时的情形。

交流电动力的计算方式与直流相同，不同的地方是交流电流是随时刻转变的，因此电动力也是随时刻转变的，应用上式时要把交流电流的瞬时值代入。

而在三相电路中，由于相位相差120°，同一刹时三相电流方向各不相同，因此导体受其他两相作用的电动力，比单相交流情形要复杂一些。

回路发生短路时，当三相导体在同一平面上平行布置时，双侧两相导体（A、C相）其电动力的最大值相同（斥力）：

FA=FC=×10-7CIp2，B相的最大电动力为：

FC=×10-7CIp2；当三相导体做等边三角形排列时，三相所受的电动力大小相同，最大电动力（斥力）为：

F=×10-7CIp2，式中Ip为峰值耐受电流。

高压电器不同的峰值耐受电流，不同的导体相间距离、排列方式，不同的导体规格、绝缘支撑跨度，都能够采纳上述的计算公式核算电动力是不是知足设计要求。

通常在产品电动力核算进程中为保证产品的平安运行，会留有20%的设计裕度。

.2触头电动稳固性

可分触头用来完成电路的接通和分断，且在闭合时起导电作用。

当触头通太短路电流时，短路时电动力的作用也可能使触头间接触压力减小，接触电阻增加，从而使触头发生熔焊，严峻时乃至会使触头分开和产生机械振动，致使熔焊。

为了保证触头在通太短路电流时不致熔焊，除合理地选择导电回路的布置外，主若是增加触头接触压力，以保证电动稳固性。

触头接触压力包括两部份：

一部份由触头弹簧的压力产生，另一部份则是动触刀弹性变形施加的压力。

判定触头电动稳固性是不是知足要求能够用以下体会公式估算：

IP≤Kd（0.102F）N

式中：

IP-峰值耐受电流，kA；

F-触头终压力，既包括接触压力，也包括短路电流通过时触头间的电动力，N；

Kd-系数，取决于触头材料和接触形式。

关于“铜-铜”对接式点接触，Kd=3.2～；关于“铜-铜”瓣形或指性的线接触，Kd=4.0～。

通过运用触头电动稳固性公式，能够进行电器设备触头压力的核算。

其实触头压力问题是个很复杂的课题，阻碍它的因素超级多，上述公式仅是一种比较简单的体会估算公式。

4温升

高压开关柜的大容量化、小型化、高靠得住性和对多种环境的适用性成为当前的重要课题。

与此有关，发烧问题成为高压开关柜的重要问题。

发烧问题解决得不行，会致使高压开关柜本体或内部设备提早老化，这是显现重大事故的一个重要缘故。

例如，开关柜内高压载流导体的过热会致使绝缘损坏，从而产生放电以致显现主绝缘击穿，造成设备损坏和用户停电的重大事故。

电力系统中开关柜通常要能经受4000A及以下的正常工作电流，由于一次元器件通常处于密封的柜内运行，它们产生的热量很难散发到柜外，因此致使柜内温度升高。

假设温度超过标准规定的极限值，即可能烧毁元器件，酿成事故。

为了知足温升的限制条件，必需增强制造工艺。

尽管咱们能够采取在电气联结面上涂凡士林、导电膏、镀锡、镀银等各类方法，但最终的保证在于加工。

能够说，运行中发生事故的绝大多数开关柜都是由于制造工艺只是关，从而致使温升太高引发的。

固然，在结构设计中可增加散热风道，利用空气对流降低设备温升，关于4000A及以上的开关柜可考虑采纳风机强制风冷。

4.1导体载流量的计算

高压开关在通过额定电流时，通流导体的温升不能超过标准规定（DL/T593-2006条和GB/T11022-19994.4.2条）。

温升要紧涉及到高压开关导体载流量的计算，导体的载流量是指导体在规定条件下能够承载电流的有效值。

导体立放时载流量比平放时要高一些，一样当导体平放且宽度小于60mm时，其载流量为立放时的0.95倍，宽度大于60mm时，其载流量为立放时的0.92倍，这是由于立放时散热成效要比平放时好的缘故。

依照导体材质的不同，同一温度下其载流量也不同，开关设备要紧以矩形铜导体为主，矩形铝导体为辅。

其载流量数值一样可依照设计手册查到。

依照体会，通过对各类手册中导体载流量的统计，总结出立放时导体载流量（交流）的简易计算公式如下。

40℃时单层矩形铜导体的载流量：

I1=k×（b+8.5）×h；式中：

I1-单层铜导体的载流量，A；k-系数（取1），A/mm；b-导体厚度，mm；h-导体宽度，mm。

40℃时双层铜导体与单层铜导体载流量的关系式：

I26）×I1；式中：

I2-双层铜导体6～1.58位系数，一样100×10导体选1.58，80×10、80×8选1.57，60×6选1.56。

40℃时三层铜导体与单层铜导体载流量的关系式：

I3=2×I1；式中：

I3-三层铜导体的载流量，A。

40℃时四层铜导体与单层铜导体载流量的关系式：

I4×I1；式中：

I4-三层铜导体的载流量，A。

导体在环境温度为40℃时和环境温度为25℃时的换算关系为：

I40×I25。

相同规格的铜导体和铝导体在相同环境温度下载流量的换算关系为：

IAL=ICu÷1.3。

需要说明的是，以上计算公式仅适用于120×10及以下规格的导体，关于异型导体的载流量建议采纳经济电流密度进行计算。

4.2注意事项

载流量校核时应注意以下几点：

（1）依照规定，金属封锁开关设备倍的额定电流进行实验，因此开关柜中各元器件和载流导体的载流量至少应有110%额定电流的裕度。

柜内电器元件，除电流互感器因测量、爱惜之需要外，其他如断路器、隔离开关（或隔离插头）、套管等元件，均应选取比长期额定电流规格大一个档次的产品，比如柜体为630Ａ时选用800Ａ的、800Ａ时选用1000Ａ，以此类推。

（2）一样情形下，考虑到散热和以后增加负载容量，设计图纸中主导体选择一样大一些，现在应严格依照图纸制造，不可随意减小导体规格。

（3）一样截面积尽可能选择导体宽度比较大的型号，如能选择TMY80×6的，不选择TMY60×8，主若是有利于散热。

（4）当开关设备的运行环境温度比规定温度高时，要充分考虑导体的载流量裕度是不是充沛。

依照理论计算或是实验实测数据，可通过计算公式换算已知电流时温升值大小或是已知温升值时电流大小。

当周围环境温度为40℃、许诺温升τ、额定电流IN一按时，当柜内温度上升△τg时，载流量I应依照△τg大小适当降低，计算公式如下：

I=IN[（τ-△τg）/τ]

按上式计算时，电气设备的温升原有裕度不变。

上式也可改写成：

τ=τ0（I/I0）或I=I0（τ/τ0）

式中：

I-温升为τ时的电流，A；

I0-温升为τ0时的电流，A；

一样情形下，环境温度每增加1℃，额定电流应减少1.8%。

（5）两段导体之间的联络导体是主导体的一部份，一样隔离车上的导体应视为主导体的一部份。

（6）分支导体规格的选择应与其相连接的一次元件匹配。

如依照额定电流应该选择TMY60×6，但该成套设备中隔离开关的接线板宽度为80，安装孔距为40×40，那么应选择TMY80×6，确保能够和隔离开关相连接。

（7）只有当电气间隙知足不了标准要求时，才可在保证截面不变的情形下减小导体宽度，如将原选择的80×6改成60×8。

（8）尽可能幸免两根导体之间没有空气间隙并在一路，如KYN28-12/2500-31.5开关柜中，一些工厂采纳2根TMY100×10，在触头盒内部与静触头连接处，两个分支导体无间隙的并在一路，延出触头盒后再分开一个导体厚度。

其实这是一个瓶颈，此处分支导体的额定电流应大

展开阅读全文