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[摘要]高压开关柜是一种常见的电气设备，主要用于保护及控制电力系统，使电力系统中的电能转换及输配电等工作能够顺利完成。高压开关柜的运行性能可对电力系统的稳定性产生重要影响，所以必须做好高压开关柜的结构设计与绝缘设计工作，从而提高电力系统的运行质量。随着电力能源需求量的不断上升，24kV高压开关柜也在部分地区的电力系统中得到了应用，本文分析了24kV高压开关柜绝缘要求，并同时探讨了24kV高压开关柜结构设计和绝缘设计方法，包括24kV气体绝缘SF6环网柜的设计方法与24kV中置柜的设计方法。
[关键词]高压开关柜；绝缘设计；结构设计；24kV
中图分类号：TM591文献标识码：A文章编号：2306-1499-（2014）11-0059-02
高压开关柜已经在电力系统中得到了广泛应用，由于多数开关柜需要在相对恶劣的环境下运行，容易遭到蒸汽、烟雾及粉尘等不良因素的侵袭，因此开关柜的绝缘表层会被腐蚀并生成大量导电物。导电物的出现与配电线路故障的发生会对开关柜的安全运行造成不良影响，为了提高高压开关柜的运行可靠性，则应完善结构与绝缘设计[1]。本文分析了24kV高压开关柜结构和绝缘设计问题，旨在减少开关柜绝缘事故。
1.24kV高压开关柜绝缘要求
24kV高压开关柜具有负荷容量大、运行性能稳定等优点，是国家电网公司大力推广的电气设备。为了确保24kV高压开关柜能够满足配电需要，应根据（DL/T593-2006）标准中所提出的绝缘要求进行结构设计与绝缘设计工作。在DL/T593-2006标准中规定24kV高压开关柜应满足以下绝缘要求：（1）空气净距，包括相间与相对地应≥180mm；爬电比距，包括有机绝缘与纯瓷绝缘应≥18mm/kV、20mm/kV。如高压开关设备使用的是绝缘隔板，则绝缘隔板与高压导体之间的空气间隙应≥50mm[2]。（2）雷电冲击耐压（1min，峰值），隔离断口为115/145kV，相间及对地为95/125kV；（3）工频耐压（1min，有效值），隔离断口为64/79kV，相间及对地为50/65kV；（4）控制回路与辅助回路的工频耐压（1min，有效值）为2000V；系统中性点的接地方式应为经消弧线圈、低电阻接地或不接地；斜线上方的接地方式应为低电阻接地或不接地，斜线下方则采用消弧线圈的接地方式或不接地。
2.24kV高压开关柜结构设计和绝缘设计分析
2.1 24kV气体绝缘SF6环网柜的设计
SF6环网柜具有体积小、安装灵活及运行安全等优势，且具有较强的环境适应能力，防护等级已经达到了IP67，因此SF6环网柜在许多发达国家中得到了普遍应用。为了改善SF6环网柜的绝缘性能，则进行结构设计及绝缘设计时应注意做好以下工作。
2.1.1结构合理性设计
由于SF6环网柜采用的是SF6气体密封开关，因此在进行结构及绝缘设计时应对SF6气体的湿度及绝缘强度进行充分考虑； 确保开关柜当中的接地开关、断路器、负荷开关及母线等能够被完全密封于柜体当中。首先，要采用密闭性能良好的电缆靴保护开关柜的进出线，使开关柜的绝缘耐压值可以达到50kV。在设计柜体时，应保证外形尺寸的合理性，从而使SF6环网柜具有结构简单、操作方便的优点。其次，柜架、盖板可采用敷铝锌钢板，气箱采用不锈钢板，以改善环网柜的密封性能；确保环网柜可以向左侧及右侧随意拓展，同时在熔断器仓当中安装熔断器。第三，将负荷开关设计为三工位形式，即接地工位、分工位及合工位，确保负荷开关与接地开关相互独立；从开关柜外部引入操作电源（蓄电池及充电器），或直接将操作电源设置在开关柜当中，确保在系统停电的情况下，开关柜仍可维持正常工作。
2.1.2注重绝缘可靠性设计
绝缘性能出现退化现象时就会给SF6环网柜的安全运行造成严重影响。SF6气体泄露、绝缘部件裂纹、SF6气体含水量、柜体内部结露等均可能导致环网柜的绝缘性能出现退化现象，因此在进行绝缘设计时应考虑以下问题，以提高绝缘的可靠性。首先，如制作气体容器的材料为不锈钢且容器被完全焊接，无密封开孔，则应采用环氧树脂制作而成的套管连接电缆，并同时将气体容器与电气套管焊接在一起，以提高气体容器的密闭性能，从而预防气体泄漏与改善环网柜的绝缘性能。其次，可将SF6气体水分含量测试仪安装在环网柜中，以便于定期检测气体的水分含量；密封箱体当中的干燥剂必须定期更换，烘烤零部件时应严格按照规定的烘烤时间与温度，以避免因柜体内部结露而对绝缘性能造成不良影响[3]。第三，将充气管道设计为可以采用高纯度SF6气体、N1气体进行冲洗的形式，同时在设计时尽量采用可以降低绝缘部件机械应力的设计形式，从而延缓绝缘部件的老化及预防部件内部、表面出现裂纹。
2.2 24kV中置柜的设计
24kV中置柜具有外形简洁、组装及检修方便、坚固耐用与安全可靠等优势，具有广阔的应用前景。但从另一方面来看，24kV中置柜相对地、相间距离均处于标准参数边缘，如没有做好结构与绝缘设计工作，则将有可能导致实际参数低于标准参数，并由此对24kV中置柜的运行造成严重影响。在设计24kV中置柜时应做好以下工作。
2.2.1柜体结构设计
为了能够使24kV中置柜可以满足180mm空气净距的要求，则应对前高后低形式的柜外形设计进行优化，将柜体结构设计为等高形式，使柜体与仪表室之间贯通为一体。为了能够增大断路器室、母线室的空间，则可以在设计时增加柜体的高度，使柜体高度可以达到2400mm左右。对于母线室当中的三相主母线，则设计为品字形排列形式；同时在柜体下部安装互感器，柜体中部则安装接地开关，开关的操作工具应为拐臂或锥齿轮，静刀头应朝上安装，以免因接地开关意外落下而引起开关柜出现短路事故。下图为中置柜结构设计简图。
图1.柜体结构设计简图
2.2.2绝缘设计
为了有效改善24kV中置柜的绝缘性能，在开展设计工作时应把握好以下几个关键点：（1）根据绝缘要求对开关柜的高度进行合理设计。由于空气绝缘为各类绝缘方式中最有效，也是最安全的一种方式，因此在设计时必须确保绝缘净距离达到相关标准。目前24kV中置柜的柜宽多为1000mm，但其理论宽度应达到1020mm左右，因此为了满足绝缘要求，则必须重视优化选取分支母排。如母排宽度为100mm，则空气净距离仅为175mm，无法达到180mm，与技术规范不符，对此可以在保证母排载流量及截面不变的前提下，将母排的宽度设计为80mm，从而使相间距离达到195mm。如无法加厚母排，则可以利用绝缘隔板进行复合绝缘处理。（2）在设计时应尽量确保电场实现均匀分布。如电场分布处于均匀状态，则能够有效预防因电场集中而对开关柜造成破坏[4]。先对母排截断端头进行加工处理，使母排端头成为圆角状，如条件允许则可将金属材质的屏蔽罩安装于断路器的梅花触头中，也可以在浇注触头盒时直接将屏蔽网安装在开关柜中。此外，在选用绝缘材料时应考虑到爬电距离因素，尽量确保选用的绝缘材料能够使开关柜的爬电距离得以增大。例如，在选用支撑型绝缘子、触头盒及穿墙套管时，应根据需要将伞裙面积加大，将触头盒的内腔设计为舌状结构，从而有效避免触头盒当中形成凝露、污秽等。
3.结束语0
综上所述，结构设计与绝缘设计水平是决定高压开关柜运行性能的重要因素。为了能够有效提高24kV高压开关柜运行的可靠性，则应采取有效的措施对开关柜结构与绝缘性能进行优化设计。此外，应注重在实际的设计工作中不断积累相关经验，当发现24kV高压开关柜存在设计上的不足时应及时加以改进，并在改进设计方案的过程中综合考虑多种因素，从而为24kV高压开关柜的推广应用提供有利条件。
参考文献：
[1]郭文勇,杨亚妮,雷文鹏,付峰,许小渭.基于单片机的高压开关柜温湿度控制系统的设计[J].电子世界,2014(9):53-54.
[2]李欢,李永倩,王虎,何青尔.拉曼测温系统在高压开关柜监测中的应用研究[J].电力科学与工程,2012,28(3):40-44.
[3]智兆华,刘文学,李文朝,耿晓娟.基于nRF24LE1的高压开关柜动静触头无线温度监测系统设计[J].河北科技大学学报,2011,32(5):446-450.
[4]王春生,杨志淳,漆璇.一种基于气体传感的新型中高压开关柜过温监测系统的研制[J].高压电器,2011,47(2):34-38.
[关键词]高压开关柜；绝缘设计；结构设计；24kV
中图分类号：TM591文献标识码：A文章编号：2306-1499-（2014）11-0059-02
高压开关柜已经在电力系统中得到了广泛应用，由于多数开关柜需要在相对恶劣的环境下运行，容易遭到蒸汽、烟雾及粉尘等不良因素的侵袭，因此开关柜的绝缘表层会被腐蚀并生成大量导电物。导电物的出现与配电线路故障的发生会对开关柜的安全运行造成不良影响，为了提高高压开关柜的运行可靠性，则应完善结构与绝缘设计[1]。本文分析了24kV高压开关柜结构和绝缘设计问题，旨在减少开关柜绝缘事故。
1.24kV高压开关柜绝缘要求
24kV高压开关柜具有负荷容量大、运行性能稳定等优点，是国家电网公司大力推广的电气设备。为了确保24kV高压开关柜能够满足配电需要，应根据（DL/T593-2006）标准中所提出的绝缘要求进行结构设计与绝缘设计工作。在DL/T593-2006标准中规定24kV高压开关柜应满足以下绝缘要求：（1）空气净距，包括相间与相对地应≥180mm；爬电比距，包括有机绝缘与纯瓷绝缘应≥18mm/kV、20mm/kV。如高压开关设备使用的是绝缘隔板，则绝缘隔板与高压导体之间的空气间隙应≥50mm[2]。（2）雷电冲击耐压（1min，峰值），隔离断口为115/145kV，相间及对地为95/125kV；（3）工频耐压（1min，有效值），隔离断口为64/79kV，相间及对地为50/65kV；（4）控制回路与辅助回路的工频耐压（1min，有效值）为2000V；系统中性点的接地方式应为经消弧线圈、低电阻接地或不接地；斜线上方的接地方式应为低电阻接地或不接地，斜线下方则采用消弧线圈的接地方式或不接地。
2.24kV高压开关柜结构设计和绝缘设计分析
2.1 24kV气体绝缘SF6环网柜的设计
SF6环网柜具有体积小、安装灵活及运行安全等优势，且具有较强的环境适应能力，防护等级已经达到了IP67，因此SF6环网柜在许多发达国家中得到了普遍应用。为了改善SF6环网柜的绝缘性能，则进行结构设计及绝缘设计时应注意做好以下工作。
2.1.1结构合理性设计
由于SF6环网柜采用的是SF6气体密封开关，因此在进行结构及绝缘设计时应对SF6气体的湿度及绝缘强度进行充分考虑； 确保开关柜当中的接地开关、断路器、负荷开关及母线等能够被完全密封于柜体当中。首先，要采用密闭性能良好的电缆靴保护开关柜的进出线，使开关柜的绝缘耐压值可以达到50kV。在设计柜体时，应保证外形尺寸的合理性，从而使SF6环网柜具有结构简单、操作方便的优点。其次，柜架、盖板可采用敷铝锌钢板，气箱采用不锈钢板，以改善环网柜的密封性能；确保环网柜可以向左侧及右侧随意拓展，同时在熔断器仓当中安装熔断器。第三，将负荷开关设计为三工位形式，即接地工位、分工位及合工位，确保负荷开关与接地开关相互独立；从开关柜外部引入操作电源（蓄电池及充电器），或直接将操作电源设置在开关柜当中，确保在系统停电的情况下，开关柜仍可维持正常工作。
2.1.2注重绝缘可靠性设计
绝缘性能出现退化现象时就会给SF6环网柜的安全运行造成严重影响。SF6气体泄露、绝缘部件裂纹、SF6气体含水量、柜体内部结露等均可能导致环网柜的绝缘性能出现退化现象，因此在进行绝缘设计时应考虑以下问题，以提高绝缘的可靠性。首先，如制作气体容器的材料为不锈钢且容器被完全焊接，无密封开孔，则应采用环氧树脂制作而成的套管连接电缆，并同时将气体容器与电气套管焊接在一起，以提高气体容器的密闭性能，从而预防气体泄漏与改善环网柜的绝缘性能。其次，可将SF6气体水分含量测试仪安装在环网柜中，以便于定期检测气体的水分含量；密封箱体当中的干燥剂必须定期更换，烘烤零部件时应严格按照规定的烘烤时间与温度，以避免因柜体内部结露而对绝缘性能造成不良影响[3]。第三，将充气管道设计为可以采用高纯度SF6气体、N1气体进行冲洗的形式，同时在设计时尽量采用可以降低绝缘部件机械应力的设计形式，从而延缓绝缘部件的老化及预防部件内部、表面出现裂纹。
2.2 24kV中置柜的设计
24kV中置柜具有外形简洁、组装及检修方便、坚固耐用与安全可靠等优势，具有广阔的应用前景。但从另一方面来看，24kV中置柜相对地、相间距离均处于标准参数边缘，如没有做好结构与绝缘设计工作，则将有可能导致实际参数低于标准参数，并由此对24kV中置柜的运行造成严重影响。在设计24kV中置柜时应做好以下工作。
2.2.1柜体结构设计
为了能够使24kV中置柜可以满足180mm空气净距的要求，则应对前高后低形式的柜外形设计进行优化，将柜体结构设计为等高形式，使柜体与仪表室之间贯通为一体。为了能够增大断路器室、母线室的空间，则可以在设计时增加柜体的高度，使柜体高度可以达到2400mm左右。对于母线室当中的三相主母线，则设计为品字形排列形式；同时在柜体下部安装互感器，柜体中部则安装接地开关，开关的操作工具应为拐臂或锥齿轮，静刀头应朝上安装，以免因接地开关意外落下而引起开关柜出现短路事故。下图为中置柜结构设计简图。
图1.柜体结构设计简图
2.2.2绝缘设计
为了有效改善24kV中置柜的绝缘性能，在开展设计工作时应把握好以下几个关键点：（1）根据绝缘要求对开关柜的高度进行合理设计。由于空气绝缘为各类绝缘方式中最有效，也是最安全的一种方式，因此在设计时必须确保绝缘净距离达到相关标准。目前24kV中置柜的柜宽多为1000mm，但其理论宽度应达到1020mm左右，因此为了满足绝缘要求，则必须重视优化选取分支母排。如母排宽度为100mm，则空气净距离仅为175mm，无法达到180mm，与技术规范不符，对此可以在保证母排载流量及截面不变的前提下，将母排的宽度设计为80mm，从而使相间距离达到195mm。如无法加厚母排，则可以利用绝缘隔板进行复合绝缘处理。（2）在设计时应尽量确保电场实现均匀分布。如电场分布处于均匀状态，则能够有效预防因电场集中而对开关柜造成破坏[4]。先对母排截断端头进行加工处理，使母排端头成为圆角状，如条件允许则可将金属材质的屏蔽罩安装于断路器的梅花触头中，也可以在浇注触头盒时直接将屏蔽网安装在开关柜中。此外，在选用绝缘材料时应考虑到爬电距离因素，尽量确保选用的绝缘材料能够使开关柜的爬电距离得以增大。例如，在选用支撑型绝缘子、触头盒及穿墙套管时，应根据需要将伞裙面积加大，将触头盒的内腔设计为舌状结构，从而有效避免触头盒当中形成凝露、污秽等。
3.结束语0
综上所述，结构设计与绝缘设计水平是决定高压开关柜运行性能的重要因素。为了能够有效提高24kV高压开关柜运行的可靠性，则应采取有效的措施对开关柜结构与绝缘性能进行优化设计。此外，应注重在实际的设计工作中不断积累相关经验，当发现24kV高压开关柜存在设计上的不足时应及时加以改进，并在改进设计方案的过程中综合考虑多种因素，从而为24kV高压开关柜的推广应用提供有利条件。
参考文献：
[1]郭文勇,杨亚妮,雷文鹏,付峰,许小渭.基于单片机的高压开关柜温湿度控制系统的设计[J].电子世界,2014(9):53-54.
[2]李欢,李永倩,王虎,何青尔.拉曼测温系统在高压开关柜监测中的应用研究[J].电力科学与工程,2012,28(3):40-44.
[3]智兆华,刘文学,李文朝,耿晓娟.基于nRF24LE1的高压开关柜动静触头无线温度监测系统设计[J].河北科技大学学报,2011,32(5):446-450.
[4]王春生,杨志淳,漆璇.一种基于气体传感的新型中高压开关柜过温监测系统的研制[J].高压电器,2011,47(2):34-38.