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中壓環(huán)網(wǎng)配電開關(guān)設備的設計及發(fā)展

文檔作者：殷華新文檔來源：庫柏電子科技( 上海) 有限公司		更新日期： 2026年05月15日	點擊數(shù)：
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2018 年 11 月 Engineering Design | 工程設計 | ·159·
中壓環(huán)網(wǎng)配電開關(guān)設備的設計及發(fā)展
殷華新
（庫柏電子科技( 上海) 有限公司，上海 200000）
摘 要：對中壓環(huán)網(wǎng)配電開關(guān)設備的設計相關(guān)要求進行了介紹，重點對絕緣結(jié)構(gòu)設計、負荷開關(guān)設計等做了相應闡述，
并展望了中壓環(huán)網(wǎng)配電開關(guān)設備的未來發(fā)展趨勢，為中壓環(huán)網(wǎng)配電開關(guān)設備的設計和優(yōu)化提供有效地參考。
關(guān)鍵詞：中壓配電；環(huán)網(wǎng)柜；開關(guān)設備設計
中圖分類號：TM643 文獻標志碼：A 文章編號：2096-2789（2018）11-0159-02
作者簡介：殷華新（1982-），男，中級工程師，研究方向：
中壓配電設備絕緣及滅弧技術(shù)。
中壓環(huán)網(wǎng)配電設備是電力系統(tǒng)二次配電領(lǐng)域內(nèi)關(guān)鍵
的電氣設備。為提高供電線路的運行安全性，環(huán)網(wǎng)配電
設備內(nèi)部設置斷路器、負荷開關(guān)和熔斷器，從而為環(huán)網(wǎng)
線路提供故障保護。環(huán)網(wǎng)配電設備結(jié)構(gòu)簡單，占地面積
小。該環(huán)網(wǎng)柜價格低、維護成本低，同時性價比高、可
靠性高、供電參數(shù)大。隨著環(huán)網(wǎng)供電技術(shù)的日趨成熟，
環(huán)網(wǎng)柜由于其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、電纜系統(tǒng)安裝方便、
運行可靠等優(yōu)點而被得到廣泛應用。
1 總體設計
環(huán)網(wǎng)配電開關(guān)設備的設計是根據(jù)電力系統(tǒng)的相關(guān)使
用要求，以及國家標準的規(guī)定，針對使用場合與控制對
象，并結(jié)合主要電器元件的特點，確定功能單元的一次
接線方案、參數(shù)、安全級別、結(jié)構(gòu)類型以及功能單元的
組合方案，主開關(guān)大多為斷路器、負荷開關(guān)，少數(shù)為組
合電器。設計中先考慮較復雜的負荷開關(guān)+ 熔斷器組合
電器回路，以確定總體結(jié)構(gòu)、總體布置設計及外形尺寸，
而負荷開關(guān)回路與其則有盡可能多的相同部分[1]。在此
基礎(chǔ)上確定各種柜型，如：負荷開關(guān)柜、負荷開關(guān)+ 熔
斷器組合電器柜、斷路器柜、多回路柜等。
一次導電回路中元件布置、導體走向、電連接的結(jié)
構(gòu)要從載流、耐受電動力、散熱能力等方面綜合考慮。
元件布置時應注意盡可能有效地利用合閘時的電動力，
保證動熱穩(wěn)定試驗時動觸頭不會退出[2]。母線一般采用
圓型和扁形母線，設計時應根據(jù)通流容量合理考慮電流
密度。電連接中的動靜觸頭、滑動觸頭和固定連接應保
證接觸良好，接觸電阻要小。當兩種不同的金屬導體相
連時應采取措施，如導體接觸面搪錫、鍍銀等，以防止
電化腐蝕造成的接觸面破壞、接觸電阻增大等不良結(jié)果。
隔室的設計要確保設備和人員的安全，易于加工和
組裝，便于內(nèi)配元件、部件的安裝。隔室的隔板根據(jù)
需要確定為金屬的還是非金屬的，防護等級至少應達到
IP3X，各隔室應考慮限制內(nèi)部故障電弧擴大的措施并裝
有壓力釋放裝置。當發(fā)生內(nèi)部電弧故障時，壓力釋放裝
置限制和釋放壓力，產(chǎn)生的高壓氣體可通過釋放通道釋
放到柜外。
2 絕緣結(jié)構(gòu)
開關(guān)柜需長期耐受最高工作電壓和短時作用的過電
壓（大氣過電壓和內(nèi)部過電壓），有關(guān)國家標準和行業(yè)
標準規(guī)定了應能承受的試驗電壓。絕緣設計需要考慮絕
緣件的使用環(huán)境以及確定適用的材料、結(jié)構(gòu)、加工工藝、
尺寸、散熱狀況、機械強度等因素。因為元件及導體的
外形直接影響柜內(nèi)電場的分布，應注意導體外形的平整、
圓滑，避免出現(xiàn)尖端和棱角，使柜內(nèi)電場趨于均勻，如
采用圓角銅排母線、圓棒母線，優(yōu)化的動靜觸座、內(nèi)部
導體、支架的電極形狀等。
空氣絕緣：目前多采用以空氣為主體的復合絕緣，
通常依據(jù)有關(guān)標準規(guī)定的電氣間隙、爬電距離確定絕
緣尺寸。氣體絕緣為采用氣體絕緣和以絕緣氣體介質(zhì)為
主體的復合絕緣。由于電場計算軟件水平的提高，有限
元分析將作為產(chǎn)品絕緣設計的輔助工具可以實現(xiàn)精確設
計。通過電場分析軟件進行數(shù)值計算尋找出絕緣薄弱環(huán)
節(jié)，根據(jù)電場分析的結(jié)果調(diào)整布局或結(jié)構(gòu)來進行優(yōu)化。
充分考慮電場分布的均勻性、電極耐受最大場強的能力、
絕緣件表面場強和內(nèi)部場強、支撐絕緣件金屬殼體的表
面場強等因素，使電場分布改變，局部電場得以均勻，
電場強度最大值降低，并通過屏蔽技術(shù)改善場強。
氣體絕緣：為提高密封性和降低對環(huán)境的污染，充
氣柜在低壓力范圍內(nèi)選用SF6、N2、干燥的壓縮空氣
或混合氣體作主回路導體間及其與密封箱體間的絕緣介
質(zhì)；需要注意的是充氣柜內(nèi)氣體壓力雖然不高，但密封
問題仍不可忽視。從宏觀上看當柜內(nèi)氣體出現(xiàn)泄漏壓力
下降到大氣壓時，似乎內(nèi)外壓力相等，氣體不再泄漏。
但從滲透角度考慮柜內(nèi)絕緣氣體壓力顯然高于柜外，絕
緣氣體仍將向柜外滲出，反之柜外空氣壓力高于柜內(nèi)的
氣體壓力，空氣又將通過縫隙進入柜內(nèi)。時間一長，柜
內(nèi)壓力雖然沒變，但氣體成分發(fā)生了變化，空氣所占比
例增加[3]。對無電弧分解物的充氣隔室，水分含量須嚴
格控制，當額定充氣壓力不大于0.05MPa 時不得大于
2000μL/L，當額定充氣壓力大于0.05MPa 時按-10℃時
的飽和水蒸氣壓力計算出其水分含量允許值。
界面絕緣和固體絕緣：固體絕緣件在大氣中直接相
互對接時，在接觸表面形成一個分界面，若存在空氣氣
隙那么就可能會成為絕緣的薄弱環(huán)節(jié)或放電路徑，若將
硅橡膠等彈性材料緊壓在固體絕緣件的表面上使分界面
上的空氣氣隙消除或減短，可使該界面絕緣水平提高。
界面絕緣特性與表面壓力、界面光潔度、界面長度等因
素有關(guān)。固體絕緣主絕緣介質(zhì)使用固體絕緣材料，將一
些高壓元件用環(huán)氧樹脂、硅橡膠等固體絕緣材料通過澆
注、硫化等工藝把帶電的芯部包起來，再將外表面通過
液態(tài)金屬噴鍍、澆鑄硅橡膠半導層、加裝無氣隙的金屬
外殼等方法設置一接地層或半導電層，芯部高壓導體與
·160· | 工程設計 | Engineering Design 2018 年 11 月
接地的金屬層或半導電層間靠固體絕緣材料維持耐受電
壓。那么安全等級得以提高，還可將一些高壓元件放置
在隔室外部，減少元件間的距離，更方便使用。
3 機械傳動與鎖定及聯(lián)鎖
機械傳動主要包括斷路器操動機構(gòu)、隔離開關(guān)、接
地開關(guān)以及門連鎖等幾個方面的運動傳遞、鎖定或聯(lián)鎖。
目前主要從傳動的原理、布局、驅(qū)動桿受壓力還是拉力、
跨距、齒輪或連桿的傳動比、傳動角度與行程、機械效
率、減少零件數(shù)、減小操作力等方面進行優(yōu)化、簡化，
使受力更加合理、傳動更可靠、外觀更加簡潔、易于安
裝、操作輕松穩(wěn)定。為了防止操作人員的誤操作，開關(guān)
柜都具有一整套防誤操作的聯(lián)鎖裝置保證設備的正常操
作程序，以實現(xiàn)“五防”聯(lián)鎖功能。實現(xiàn)聯(lián)鎖的方式主
要有機械聯(lián)鎖、電氣聯(lián)鎖、微機型軟件編程聯(lián)鎖等方式。
機械聯(lián)鎖采用杠桿、連桿、擋板、滑塊等機械零部件組
成閉鎖，只能按預定程序操作，因具有直觀、操作簡便
和可靠性高的特點，在設計時應優(yōu)先采用。若需要聯(lián)鎖
的元件相隔較遠或機械聯(lián)鎖不易實現(xiàn)的情況下，可采用
電氣聯(lián)鎖的方式。微機軟件編程聯(lián)鎖是智能化開關(guān)柜的
產(chǎn)物，隨著微機型保護控制單元的出現(xiàn)，微機軟件編程
聯(lián)鎖也隨之產(chǎn)生，這種聯(lián)鎖一般與機械聯(lián)鎖同時使用。
4 可靠接地
開關(guān)柜中配有接地開關(guān)，當維護時按規(guī)定的步驟可
事先將需要觸及的主回路接地。在外殼的底架上需設置
可靠的適用于規(guī)定故障條件的接地導體及端子，并柜后
應相互用導體連接。在接地開關(guān)與接地導體之間需有接
地連接回路。接地導體、接地連接回路及相鄰柜之間的
連接應能承受規(guī)定的額定短時耐受電流和峰值耐受電流
[4]?？蚣?、蓋板、門、隔板或其它構(gòu)件間在電氣上應連續(xù)，
以確保功能單元內(nèi)部相互之間的接地連續(xù)。從外殼金屬
件的任意一點到規(guī)定的接地導體通過30A 直流時其電壓
降最大為3V。
5 發(fā)展趨勢
隨著城市電力負荷的增加，對供電可靠性的要求越
來越高，高性能環(huán)形網(wǎng)絡設備和多回路配電柜已成為兩
個配電系統(tǒng)中最重要的設備之一。隨著數(shù)字技術(shù)、集成
技術(shù)和機電一體化技術(shù)的廣泛應用，多回路配電單元的
兩種控制技術(shù)將得到極大的發(fā)展。小型化、模塊化、組
合化、智能化、低成本化將成為必然趨勢。
（1）主絕緣：空氣絕緣、SF6 絕緣仍將不斷擴大。
（2）小型化：由于新技術(shù)、新材料的運用，操動
機構(gòu)向著可靠性高、操作功小、結(jié)構(gòu)簡單化方向進展，
新型的電磁機構(gòu)和數(shù)字技術(shù)的應用將取代原來單純的
電磁、彈簧機構(gòu)，而且更加可靠。另外，采用了成熟的
SF6 絕緣和滅弧技術(shù)，使用硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚碳酸
脂、玻璃纖維等絕緣材料以及新型加工設備及新工藝的
采用，使開關(guān)柜小型化成為可能。
（3）模塊化、組合化：把一個復雜產(chǎn)品分為若干
個模塊這樣大大簡化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，同時也便于功能的分
割和組合，便于社會化分工生產(chǎn)、降價成本，所以模塊化、
組合化是使多回路配電單元實現(xiàn)多方案、多功能的重要
途徑。根據(jù)操作功能的要求，任意模塊可以任意組合，
簡單實用已成為負荷開關(guān)柜的發(fā)展趨勢。
（4）智能化：隨著城市供電對可靠性的要求不斷提
高，城市供電必然向主元件監(jiān)控智能化和配電自動化方
向發(fā)展，要求負荷開關(guān)柜單元應具有以下特征[5]：①采
用過電流傳感器、零序傳感器、控制器、顯示器、低功
率釋放機構(gòu)等集成微電子繼電保護裝置，從而改變3 倍
額定電流以下對變壓器的保護功能；②采用由短路故障
傳感器、接地故障傳感器和控制顯示器組成的微電子以
及短路故障指示器，具有連續(xù)檢查和自診斷功能，完成
遠程通信和遠程控制功能，以實現(xiàn)配電自動化；③采用
電動或手動兩用操動機構(gòu)，接受遙控信號，完成開關(guān)分
合操作，滿足多回路配電系統(tǒng)自動化的要求；④多功能
化：技術(shù)發(fā)展已突破了傳統(tǒng)的保護、測量功能，早期環(huán)
網(wǎng)供電單元僅有保護功能，隨后出現(xiàn)了測量、計量等功
能，智能化的發(fā)展，而促進了多功能負荷開關(guān)柜單元的
發(fā)展。
6 結(jié)束語
隨著電網(wǎng)改造、電纜入地，多回路配電單元向著小
型化、模塊化、配電自動化方向發(fā)展，預示著SF6 和其
它復合絕緣產(chǎn)品以及各種功能元件將得到更快發(fā)展，各
種高性能元器件的生產(chǎn)成為發(fā)展現(xiàn)代多回路配電單元的
前提條件。為此，需要在制造工藝、電纜插接件、限流
熔斷器、小型操動機構(gòu)及其它輔助的元件上進一步研制
開發(fā)，以提高國內(nèi)多回路配電設備設計、制造水平。開
發(fā)新一代全工況，免維護、高可靠性，小型化的環(huán)網(wǎng)柜，
可實現(xiàn)配電自動化，是當前發(fā)展的重要方向。
參考文獻：
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