10Kv高压开关设备电气性能介绍

矿 山大型电大型电厂厂工工 业业 制造制造业业 地地 铁铁 住宅小住宅小区区 市政建设市政建设 变配电变配电 IEC62271-200:2001；（IEC:国际电工委员会）四、产品主要技术指标（电气特性/机械特性） 适用环境指标：海拔高度适用环境指标：海拔高度2000m 绝缘水平绝缘水平 额定电压额定电压 12 kV 40.5 kV*工频耐受：工频耐受：50Hz/1min 42kV （人工环境室内）（人工环境室内） 95kV（人工环（人工环境室内）境室内）* 雷电冲击：雷电冲击：1.2/50s 75kV （人工环境室内）（人工环境室内） 185kV（人工（人工环境室内）环境室内） 分断能力及电寿命分断能力及电寿命,温升指标，内部电弧能温升指标，内部电弧能力力T100s,T100a 25 kA,31.5 kA,40 kA 25 kA,31.5 kA接地关合试验接地关合试验(峰值）峰值） 63 kA,80kA,100kA（E1) 63 kA,80kA（E1) 卓越的电气（机械）特性满足用户对开关设备的高期望；卓越的电气（机械）特性满足用户对开关设备的高期望； 全面完整的试验论证满足客户的对产品的性能要求；全面完整的试验论证满足客户的对产品的性能要求； 符合中国及世界工业化国家的标准要求；符合中国及世界工业化国家的标准要求； 先进的试验及工装设备为产品的质量提供强有力的保障；先进的试验及工装设备为产品的质量提供强有力的保障； 独有专利技术的应用使产品保持长期的先进性和优越性；独有专利技术的应用使产品保持长期的先进性和优越性； 拥有强大的技术研发、售后团队为产品应用提供支持；拥有强大的技术研发、售后团队为产品应用提供支持； 按照短路电流严酷条件下，开关设备主回路及接地回路所表现出的按照短路电流严酷条件下，开关设备主回路及接地回路所表现出的“电动电动力力”和和“热效应热效应”对各关键部件、元器件的影响进行分析和效验，保证产品对各关键部件、元器件的影响进行分析和效验，保证产品在额定短时耐受电流在额定短时耐受电流(40kA/4s)(40kA/4s)和额定峰值和额定峰值(100kA)(100kA)耐受电流下的适应能力；耐受电流下的适应能力； 发生内部电弧故障时发生内部电弧故障时, ,在极短的时间内和处于密闭的环境下在极短的时间内和处于密闭的环境下, ,电弧的内部能量没有辐电弧的内部能量没有辐射、对流和热传导的交换形式射、对流和热传导的交换形式, ,因而因而, ,其巨大的能量释放过程是以气体爆炸方式表现的其巨大的能量释放过程是以气体爆炸方式表现的, ,可导致设计不当的开关设备柜门、柜体爆裂可导致设计不当的开关设备柜门、柜体爆裂, ,破损的零件高速飞出柜体并伴随火焰喷破损的零件高速飞出柜体并伴随火焰喷出出, ,由此破坏了相邻的设备由此破坏了相邻的设备, ,甚至造成严重人身事故甚至造成严重人身事故. . 核心元器件断路器是针对开断短路电流直流分量的严酷度作了设计与论证，核心元器件断路器是针对开断短路电流直流分量的严酷度作了设计与论证，从产品的工艺和技术角度做了全面改善，能从容的开断高达含有从产品的工艺和技术角度做了全面改善，能从容的开断高达含有52%52%以上的以上的直流分量直流分量与额定短路电流交流分量共同叠加的短路电流；与额定短路电流交流分量共同叠加的短路电流；DC 采用材料隔离及导体硫化等复合绝缘屏障技术，且在导体材料和工艺方面特别采用材料隔离及导体硫化等复合绝缘屏障技术，且在导体材料和工艺方面特别处理，外绝缘性能好，可以适用于处理，外绝缘性能好，可以适用于20002000米及以下高海拔环境；米及以下高海拔环境； 采用导体硫化加复合绝缘材料屏障采用导体硫化加复合绝缘材料屏障隔离的方法，解决了产品的绝缘问题。隔离的方法，解决了产品的绝缘问题。标准大气压下，硫化材料的绝缘性能是标准大气压下，硫化材料的绝缘性能是空气绝缘的空气绝缘的5-65-6倍，但考虑高海拔地区倍，但考虑高海拔地区气压和空气密度随海拔高度的增加而减气压和空气密度随海拔高度的增加而减小，以及空气湿度和温度昼夜变化较大小，以及空气湿度和温度昼夜变化较大的特点，产品在导体间还设计了：的特点，产品在导体间还设计了： 复合材料，增大了爬电距离；复合材料，增大了爬电距离； 采用大曲率采用大曲率R R角导体，使导体电场分角导体，使导体电场分布均匀；布均匀； 提高了电极的表面光洁度，将电极提高了电极的表面光洁度，将电极上的棱角、毛刺、锐缘等出去，消除局上的棱角、毛刺、锐缘等出去，消除局部场强；部场强；的。的。 动稳定与热稳定从定义上来看动稳定与热稳定从定义上来看, , 都是对开头设备进行短路电流校验都是对开头设备进行短路电流校验, , 实际上实际上一个是以短路时的稳态电流来校验的一个是以短路时的稳态电流来校验的, , 一个是以短路时流过的冲击电流来校验的一个是以短路时流过的冲击电流来校验的, , 两者的短路电流指标是有很大差异的。热稳定电流电流时间在标准中亦有规定。两者的短路电流指标是有很大差异的。热稳定电流电流时间在标准中亦有规定。 热稳定电流（即额定短时耐受电流Ik)值在GBT11022中有明确的规定，也给出相应的计算公式与示波图形（左图）、以及选取的标准值，表明“应当从GB762中规定的R10系列中选取，并应等于开断设备和控制设备额定短路定值（25、31.5、40kA). 动稳定电流（即额定峰值耐受电流动稳定电流（即额定峰值耐受电流IP)IP)是以三相短路电流的第一个周波的全电是以三相短路电流的第一个周波的全电流值作为效验值，通流时间标准要求不得小于流值作为效验值，通流时间标准要求不得小于300mS.300mS. 三相动稳定试验是按冲击电流来校验的，且三相电流的交流分量尽可能相等，通流时间t要求不得小于0.3s。动稳定试验电流的大小按照标准要求为三相周期分量有效值的2.55倍来计算，那么以VL12-12/T1250-25kA真空断路器来计算，把其有效开断电流值作为短路电流计算极限值（实际选用开断25kA的真空断路器其短路计算电流会小于25kA),那么其三相短路动稳定电流（即三相短路电流第一周波内的全电流值，见图中If),为： If= 2.55*25kA=63.75kA (1)即：对于开断短路电流为25kA的真空断路器，其动稳定试验电流值应为63kA. 开关设备中的导体和元器件有电流通过时，必然有热效应和力效应同时作用，尤其是在有开关设备中的导体和元器件有电流通过时，必然有热效应和力效应同时作用，尤其是在有短路电流发生，而开关设备处于继保采样、处理、下放动作权限和真空断路器固有分闸时间短路电流发生，而开关设备处于继保采样、处理、下放动作权限和真空断路器固有分闸时间的一个区间段内，开关设备必须能稳定承受短路电流的所带来的热效应和力效应。一般短路的一个区间段内，开关设备必须能稳定承受短路电流的所带来的热效应和力效应。一般短路电流持续时间为电流持续时间为0.050.055 5秒左右，导体内产生的热量来不及扩散，可视为绝热过程。秒左右，导体内产生的热量来不及扩散，可视为绝热过程。 母线的短路动稳定校验要求母线系统在短路持续时间内能够承受因短路电流而母线的短路动稳定校验要求母线系统在短路持续时间内能够承受因短路电流而产生的最大应力的作用。产生的最大应力的作用。母线短路动稳定校验的要求包括：母线短路动稳定校验的要求包括： 计算短路电流通过硬计算短路电流通过硬母线时产生的最大应力；母线时产生的最大应力； 根据最大应力根据最大应力( (机械强度机械强度) )确定允许的最大跨距；确定允许的最大跨距； 根根据机械共振条件校验硬母线跨距。据机械共振条件校验硬母线跨距。 Iy：实际环境温度为时的导体允许电流，A；Iy ： 计算环境温度为0时的导体允许电流，A；y ：导体长期发热允许温度，： 实际环境温度，；0： 计算环境温度，；0yyyyII 稳态短路电流有效值（稳态短路电流有效值（kAkA）252531.531.54040冲击短路电流峰值（冲击短路电流峰值（kAkA）63638080100100主主母母线线 额定电流（额定电流（A A）1250125025002500125012502000200031503150400040001.11.1* *Ie (A)Ie (A)137513752750275013751375220022003465346544004400安全载流导体规格（安全载流导体规格（mmmm）101080802 2* *10101 1000010108 80 02 2* *101080803 3* *10101 100003 3* *121212120 0安全载流量（安全载流量（A A）167016703180318016701670273027304090409050165016环温校准（环温校准（4040度）载流度）载流（A A）154615462944294415461546252725273787378746444644热稳定效验热稳定效验( (导体截面导体截面积积) )262mm262mm2 2330mm330mm2 2420mm420mm2 2发生内部电弧故障时发生内部电弧故障时, ,在极短的时间内和处于密闭的环境下在极短的时间内和处于密闭的环境下, ,电弧的内部能量没电弧的内部能量没有辐射、对流和热传导的交换形式有辐射、对流和热传导的交换形式, ,因而因而, ,其巨大的能量释放过程是以气体爆炸方其巨大的能量释放过程是以气体爆炸方式表现的式表现的, ,可导致设计不当的开关设备柜门、柜体爆裂可导致设计不当的开关设备柜门、柜体爆裂, ,破损的零件高速飞出柜体破损的零件高速飞出柜体并伴随火焰喷出并伴随火焰喷出, ,由此破坏了相邻的设备由此破坏了相邻的设备, ,甚至造成严重人身事故甚至造成严重人身事故. . 燃弧试验；燃弧试验； ASL ASL系列高压交流金属封闭开关设备的内部电弧故障水平是：系列高压交流金属封闭开关设备的内部电弧故障水平是：IACIAC级级 A FLR A FLR 31.5kA,0.5s ,31.5kA,0.5s ,其所包含的内容如下：其所包含的内容如下：“IAC”级：内部电弧等级的英文缩写；“A”：可触及性； A类-仅限于授权的人员； B类-不受限制，包括一般公众； C类-接触不到设备的可触及性（针对柱上开关设备）；“F”:开关设备外壳的不同侧面； F - 前面； L - 侧面； R - 后面； “31.5kA/0.5s”:内部电弧电流有效值为31.5kA,时间为0.5s; 内部故障电弧能量很大，如在一条短时耐受电流为内部故障电弧能量很大，如在一条短时耐受电流为25 kA 25 kA 和电弧电压约为和电弧电压约为600 600 V V 的的10 kV 10 kV 电力系统中，电弧释放的能量为电力系统中，电弧释放的能量为20.5 MJ20.5 MJ。这个能量可使。这个能量可使15.6 L 15.6 L 的水的水在在1 s 1 s 内蒸发，或使内蒸发，或使42 kg 42 kg 的铁在的铁在1 s 1 s 内熔化内熔化。【故障电弧产生阶段】 第一阶段为压缩阶段，在最初 515 ms 的温度上升，产生动态压力流。 第二阶段为膨胀阶段，即在短暂的 515 ms 内，因燃弧区和周围空气之间有压力差，开始产生气流。 第三阶段为排放阶段。由于电弧能量继续输入燃弧点，产生空气流和微粒流。 第四阶段为热效应阶段，最终包围短路电弧的空气几乎达到电弧的温度。在热效应阶段，有可能烧穿开关设备。【故障电弧的防护】 积极防护：采用耐弧绝缘材料，设立采用耐弧绝缘材料，设立隔室和隔板；有足够的导体间距离、空隔室和隔板；有足够的导体间距离、空气和爬电距离；采取过电压保护；防止气和爬电距离；采取过电压保护；防止误操作，设计电气和机械联锁主动防御；误操作，设计电气和机械联锁主动防御；进行人员培训。进行人员培训。 消极防护：空间限制，使用耐压和耐空间限制，使用耐压和耐热的材料，开关设备总体按耐压强度和热的材料，开关设备总体按耐压强度和耐热性设计；限制电弧能量，通过带短耐热性设计；限制电弧能量，通过带短路装置的故障电弧防护装置限制电弧持路装置的故障电弧防护装置限制电弧持续时间，或通过限流器限制电弧的能量。续时间，或通过限流器限制电弧的能量。【电弧能量及产生压力的计算】空气中开放性的电弧能量【电弧能量及产生压力的计算】空气中开放性的电弧能量W W 按下式计算：按下式计算： W W = 0= 0tttt0 0 I Im sin (m sin (t t + +) )* *u ua a* *d dt t 式中式中: : t t1 1 是燃弧持续时间是燃弧持续时间, ,内部电弧故障试验均取内部电弧故障试验均取t t1 1 = 0.5-1 s ;= 0.5-1 s ; I Im m 是电弧电流的幅值；是电弧电流的幅值； u ua a 是弧压降的函数形式是弧压降的函数形式, ,它表示在实际中由于它表示在实际中由于等离子体的密度受到空气流动、回路电动力作用大小的不等离子体的密度受到空气流动、回路电动力作用大小的不同、弧长或起弧部位的差异等随机因素的影响同、弧长或起弧部位的差异等随机因素的影响, ,因此不可因此不可能是一个定值能是一个定值, ,即在弧压降计算式即在弧压降计算式u ua = a = El El 中中, ,电弧的电位电弧的电位梯度梯度E E 和弧长和弧长l l 都不是常数。但对于开关柜而言都不是常数。但对于开关柜而言, ,由于空由于空气绝缘的限定尺寸气绝缘的限定尺寸, ,容易发生故障电弧的空间距离大都在容易发生故障电弧的空间距离大都在202030 cm 30 cm 之间。考虑电弧伸长现象可能发生相之间。考虑电弧伸长现象可能发生相- - 地电弧地电弧时的最大距离为时的最大距离为40 cm ,40 cm ,所以所以, ,为安全起见为安全起见, ,取取l l = 40 cm ,= 40 cm ,选取大电流部分的平均值选取大电流部分的平均值E E = 13 VPcm1 ,= 13 VPcm1 ,于是于是, ,u ua = a = 520 V520 V。又因为开关柜的各个隔室是相互密封的。又因为开关柜的各个隔室是相互密封的, ,在其压力在其压力释放装置动作前或在其结构破坏前释放装置动作前或在其结构破坏前, ,弧柱所在的隔室可视弧柱所在的隔室可视为密闭容器为密闭容器, ,因此因此, ,可按气态方程计算。可按气态方程计算。 已知已知ASL11-12ASL11-12型开关柜型开关柜, , 断路器室容积断路器室容积V V = 9. 15 = 9. 15 10105 5 cm cm3 3 , ,标准状态下的空气密度标准状态下的空气密度 = 1. 293 = 1. 293 1010- -3 3gPcmgPcm3 3 , ,热容量热容量c c = 0. 237 CalP(g= 0. 237 CalP(g) ,) ,电弧电流电弧电流I I为为25kA,31. 5 kA25kA,31. 5 kA和和40 kA ,40 kA ,燃烧燃烧0.5 s 0.5 s 时产生的各种物理效时产生的各种物理效应的数值如左表所示：应的数值如左表所示： 电弧燃烧产生的数十个大气压将在柜电弧燃烧产生的数十个大气压将在柜内发生爆炸冲波。因为冲波行进到柜内不内发生爆炸冲波。因为冲波行进到柜内不同的部位需要不同的时延同的部位需要不同的时延, ,所以各处受力随所以各处受力随时间的变化规律为时间的变化规律为p p = = k k ( ( t t + +t tv) v) 的形式。的形式。一般一般, , t tv v 不会很大不会很大, ,例如在真空断路器的例如在真空断路器的三相上触头处试验三相上触头处试验, , 引弧点到柜门的距离引弧点到柜门的距离是是0. 52 m ,0. 52 m ,冲波需经历冲波需经历t tv = 0. 265 msv = 0. 265 ms。开关柜顶部设置压力释放装置的目的是当开关柜顶部设置压力释放装置的目的是当该处受到的压力达到其临界机械强度时该处受到的压力达到其临界机械强度时, ,装装置立即开启排气置立即开启排气, ,使柜内气压迅速下降到符使柜内气压迅速下降到符合一定安全的要求。装置的这一动作存在合一定安全的要求。装置的这一动作存在一响应时间一响应时间t ts ,s ,它的大小与装置的结构有它的大小与装置的结构有关。这样关。这样, ,可以在根据可以在根据p p = = kt kt 绘制的曲线绘制的曲线上上, ,与释压折板破坏强度交点对应的时间与释压折板破坏强度交点对应的时间, ,再加上再加上t ts ,s ,查得一个压力值查得一个压力值, ,该值用于校验该值用于校验柜体的基本强度柜体的基本强度, ,并据此校验隔室钢板厚度并据此校验隔室钢板厚度, ,设计开关柜门铰链以及门栓的强度设计开关柜门铰链以及门栓的强度。 高压交流金属封闭开关设备委托西高所进行燃弧试验，分别在样机的母线室、高压交流金属封闭开关设备委托西高所进行燃弧试验，分别在样机的母线室、电缆室、断路器室进行了引弧，试验结果完全符合电缆室、断路器室进行了引弧，试验结果完全符合5 5个判据的要求，内部电弧故障个判据的要求，内部电弧故障水平为水平为 IAC A FLR 31.5kA/0.5s.IAC A FLR 31.5kA/0.5s. 经过反复的设计、仿真与样机试制。在西高所容量试验过程中，经过经过反复的设计、仿真与样机试制。在西高所容量试验过程中，经过T10T10、T30T30、T60T60、T100sT100s、T100aT100a、OP1OP1、OP2OP2、CC1CC1、CC2CC2、异相接地等几十项严酷考核，未出现开断和其他异常、异相接地等几十项严酷考核，未出现开断和其他异常情况。情况。 程序 一、试验回路原理一、试验回路原理：二、试验描述（二、试验描述（Test arrangementTest arrangement）：）： 1 1、试验电流（、试验电流（test currenttest current）：）： 1.11.14000A4000A，50Hz50Hz。 2 2、试验在户内进行，风速、试验在户内进行，风速0.5m/s0.5m/s，试品三相试验。，试品三相试验。 3 3、温升测量部位见温升测量点示意图。、温升测量部位见温升测量点示意图。 4 4、试验连接母线：首端：宽、试验连接母线：首端：宽120mm 120mm 厚厚12mm 12mm 长长 2m2m铜排铜排3 3根；末端短接。根；末端短接。 5 5、试验时，、试验时，2 2台风机处于运行状态。台风机处于运行状态。1 1台安装于电缆室，台安装于电缆室，1 1台安装于断路器室底板。台安装于断路器室底板。三、试验结论三、试验结论(Test Results)(Test Results)：1.11.14000A4000A温升试验通过（温升试验通过（PassedPassed）。）。VRVR（ voltage regularvoltage regular）：调压器）：调压器CTCT（ current transformercurrent transformer）：电流互感器）：电流互感器T T（ transformertransformer）：升流器）：升流器TOTO（ test objecttest object）：试品）：试品 高压交流金属封闭开关设备经过严酷的型式试验后，安标准要求进行检查，其高压交流金属封闭开关设备经过严酷的型式试验后，安标准要求进行检查，其防护等级达到防护等级达到IP4X/2XIP4X/2X。 第一个数字代表防止固体进入0-无防护1-防止直径大于50mm固体进入2-防止直径大于12.5mm固体进入3-防止直径大于2.5mm固体进入4-防止直径大于1mm固体进入5-防尘(无有害沉积)6-完全防尘第二 个数字代表防止水进入0-无防护1-防止垂直滴水2-防止垂直方向15范围内滴水3-防止垂直方向60范围内淋水4-防止各个方向的喷水5-防止各个方向的强烈喷水6-防止浸水7-防止持续浸水