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摘要：10kV开关在配电网中起着重要作用，高压开关柜的应用范围不断扩大，研发技术不断优化，使用品牌不断丰富，同时其自动化、智能化水平不断提高。如何保证电力系统的安全、经济、可靠运行越来越重要。然而，除了长期的运行经验外，目前的高压开关柜由于其不完整的设计和不良的安装条件而具有较高的事故率，因此本文的研究重点在于分析10kV开关柜的设计要点。

关键词：10kV开关柜;有限元;故障分析;优化设计

引言

在经济全球化的时代，电力行业的发展越来越活跃，电力发展也是我国非常重要的基础经济，对于保证居民正常生活、生产有着非常关键的作用。10kV开关在10kV配电网中起着重要作用。然而，现有高压开关柜基本上是在80年代设计的，柜体结构和电气配置说明了对于我国的高压开关柜的设计仍然缺乏核心技术的掌握，并且制造技术存在许多缺陷，设备的安装等运行维护受实际运行环境等因素的影响，因此在具体的使用过程中会出现很多问题进而影响电力设备的正常运行，甚至影响供电的安全性。

一、高压开关柜简介

开关柜作为电气设备的金属闭合开关在我国广泛应用。高压金属隔离开关、互感器、电容器、避雷器、百叶窗、接触器、熔断器、母线和用于控制、电路、保护、监控、通信的二次设备以及矩形机柜的金属机柜。这不仅减少了这些电气设备的面积和空间，而且还提高了变电站的效率，在运行时为设施的正常运行提供保障，同时显著提高了经济效益。高压开关柜具有以下功能：

二、l0kV开关柜故障分析与研究

（一）故障实例

220kV变电站10kV开关设备和母线桥架为某电气有限公司生产的早期产品，#1主变变低负荷高点约为1700A，低点约为800A，正常约1200A，每天负荷变化大体相同，#2主变变低负荷高点约1300A，低点约500A，正常约800A，每天负荷变化大体相同。#1主变变低桥架到变低隔离柜、断路器柜，以及相邻柜母线温度最高点为62℃。运行时噪声高，伴有低频刺耳嗡嗡声，柜顶顶盖间间隙明细高频振动;#2主变变低桥架到变低隔离柜、断路器柜处当负荷1200A时，噪声突然增高，同样伴有低频刺耳嗡嗡声，当负荷降低时，声音消失。其负荷侧是小金属加工厂用户，负荷经常发生突变，影响最大。在当前负荷情况下，温升过高和噪声过大属异常现象，设备安全运行存在高风险。

（二）故障具体分析

经检查与分析，上事例变电站开关柜中存在以下问题：

（1）变低母线桥架与柜顶处连接套管安装板和各柜母线室套管安装板断磁槽过小;隔开开关安装板、电流互感器安装板，母线室套管安装板采用普通钢板，导电母线与安装板距离小于200mm，当大电流通过时，产生了涡流。

（2）导体接触不良，长期高温运行，金属紧固件膨胀收缩而产生的蠕变，也就是金属在应力作用下缓慢的塑性变形，致使导体接触处产生微小的间隙而氧化。

（3）隔离开关电阻过大，长期运行中，隔离开关未得到有效的维护，动静触头和关节点处积尘和氧化。

（4）柜体通风系统不完善，不能形成自然循环，难以进行散热，热量集聚在柜内无法快速排出。所有开关柜只有前下门有进风口，柜顶出风口。设备各功能间隔相互独立，采用金属隔板隔开，隔室空间有限。

（5）由于桥架处封板安装螺栓过小，使用的为M6，封板尺寸为500mm×1000mm，固定间隔超过250，当负荷为1200A时，电流通过桥架时产生的交变电动力，引起母线和桥架的振动，封板安装螺栓过小，封板与桥架本体间的间隙振动，金属间互相碰撞，产生碰撞声，当多点共同发生时，在桥架内部的狭小空间内产生共振，相互促进，震动和声音互相放大，噪声即会成倍增加。

（三）整改措施

对于温升过高问题，结合上一小节的故障分析，对开关柜采取以下措施进行整改：紧固所有一次回路母线的螺栓;更换变低母线桥架处的套管安装板，使用304不绣钢板;更换变低隔开开关安装板、电流互感器安装板，使用304不绣钢板;开关柜通风散热结构改造。其中，开关柜通风散热结构改造主要包括以下几部分：

（1）后下门和后上封板，采用带进风通道门板设计，使开关柜在运行中有足够的进风面积。

（2）把原开关柜百叶顶盖改为加高的带散热通道的通风顶盖，增加出风口面积，和底部进风口形成烟囱效应，通过冷风的对流把开关柜中热量散发出去。

（3）增加辅助强制排气，特别对于1200A电流就温升过高开关柜，在开关柜底部加上强制冷却风机，并在断路器室顶盖和母线室顶盖增加辅助的排风机，加快气流流速，提高散热效率。

（4）对于额定电流3150A的开关柜，可以不用在柜底加装冷却风机，但是可以考虑在断路器室顶盖和母线室顶盖增加辅助的排风机，加快气流流速，提高散热效率。且加装排风机必须考虑防尘问题和检修风机的方便性。

三、10kV高压开关柜的设计要点

（一）绝缘间距设计

电力系统是电力工业中的一个主要系统，在设计高压开关柜电气柜时，需要分配交流电源并确保隔离距离的准确性。否则，在运行过程中会发生弧光放电和短路等安全问题，严重情况下电源系统可能会出现故障。电力标准明确规定了净安全段，并保证在10kV和10kV级断路器设备中，装置中一个元件的相对相位在1000米或更小表面上的净安全距离为125 mm左右。

（二）爬电距离设计

电力系统是电力行业发展的核心，在具体的运行过程中，高压开关柜的诶一个组成零件和绝缘元件需要符合国家标准和电力设备的使用标准，根据绝缘程度进行划分，二级污染的纯瓷爬电净距离为18mm/kV。有机绝缘必须具有大于20mm/kV的爬电比距。为了满足上述技术要求，采用了一种方法，要求成套设备制造商添加绝缘子保护伞。如果高压开关柜在潮湿条件下操作，则可以在电缆室内安装高压电缆室、带温度控制器的断路器，以防止凝露现象的发生。

（三）覆盖高分子材料提升柜门安全裕度设计

覆盖高分子的材料性能选择包括对材料抗冲击性的影响，并且为了考虑开关的操作条件，所选择的聚合物涂层材料具有低杨氏模量，并且具备防火功能、易于加工且成本低。考虑到这些因素，选择并涂覆陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料，如图2所示：

基于硅基材料、硅基橡胶和载体的性能的陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料，它具有良好的电气绝缘性能，在1200℃至15000c下可实现不燃烧且阻燃的效用，且易于加工，价格低廉。表3提供了陶瓷化高分子复合耐火硅橡胶的建模参数。

四、结语

引发高压开关柜故障的原因是多方面、复杂的，且故障造成的损失十分巨大。因此亟需对开关柜进行改造，减少由于温度升高、内部受潮和结构不合理造成的事故，因此我们需要对其运行性能提出了更高的要求，稳定电网的运行。实现了10kV高压开关柜的严格设计标准，提高了产品性能，真正提高了产品的性能，优化了系统，确保配电系统安全稳定运行，促进我国电力行业健康发展。

参考文献

[1]董盼，杨鑫，贾鹏飞，雷佳成，刘瑶.10kV高压开关柜安全性能的提升方法[J].电工技术学报，2022，37（11）：2733-2742.

[2]王帅.10kV高压开关柜无线测温设备在电气设备维护中的应用及优势分析[J].现代制造技术与装备，2021，57（03）：108-109.

[3]李尚坤，王尚斌.10kV高压开关柜常见故障和对策分析[J].南方农机，2019，50（20）：225.

[4]张应鑫.浅谈10kV高压开关柜的设计[J].冶金与材料，2019，39（04）：105-106.