探究高压电器开关的设计新技术及应用

探究高压电器开关的 设计新技术及应用

黄生

身份证号 :45250119760914**** 广东 珠海 519085

摘要：近年来社会用电需求、电力工程建设数量都逐渐增多。高压电器开关常见于电力系统中，属于非常重要的电能传输和分配电气设备。同时，由于高压电器开关的内部涉及的机械传动和绝缘件结构种类较多，而各结构的材料性能以及结构组成形式都会影响着电器开关的性能发挥，所以，由于电力系统的升级与发展需要，高压电器开关的内部机械传动和电气绝缘件也在不断革新、优化，进一步提升着高压电器开关的应用性能与使用稳定性。本文结合多年设计、制造与运行经验，就高压电器开关的设计新技术及应用展开探讨。

关键词：高压电器开关；设计新技术；应用

引言

高压电器开关是电气设备中的重要组成部分，目前在多个行业中都得到了应用。高压电器开关涉及较多机械传动和绝缘件结构，其对高压电器开关的电气和机械特性参数及电气绝缘性能具有直接的影响。通过对高压电器开关中的机械传动结构和电气绝缘件进行优化改进设计，可以提高高压电器开关的电气和机械特性参数及电气绝缘性能。

1高压电器开关概述

额定电压达到10kV及以上，主要功能是对导电回路的电器进行开断与关合，并作为高压开关与其相应的控制、测量、保护、调节装置的各部件与电气、机械、绝缘件联结组装而成的装置，即为高压开关设备。例如隔离开关，负荷开关、组合电器、断路器及接地开关等元件在电力系统中使用频率较高，其在电力系统中扮演着非常重要的接通和断开回路、切除和隔离故障的重要控制设备角色。尤为重要的是要求可靠关合和分断，不允许拒动，关合操作包括关合额定短路电流都应合闸可靠且关合到位，分断操作要求可靠平稳分断各种性质电流，要注意重燃或重击穿以及截流性问题，即不产生危险过电压。鉴于上述，为了让高压电器开关的使用性能发挥更加稳定、可靠，相关技术人员进行设计时必须配合新的设计技术与理念，让其性能得到进一步提升，以达到相关标准要求。

2高压电器开关设计的新技术

2.1 电气绝缘件的绝缘技术

电气绝缘件主要起到机械支撑、储能、散热、灭弧等作用。其绝缘材料又称电介质，主要用来限制电流，把电器设备中的带电部分或带不同电位的部分相互隔开，使电流按照一定的方向流动。实际上，绝缘件材料的好坏一定程度上决定着电器产品的质量和寿命，除要求有良好的电气性能外，还要求有良好的机械物理性能、温度特性、使用的稳定性以及良好的工艺性能等，以适合我国电力系统的技术标准和全绝缘运行工况要求。

电气绝缘件设计需要综合考虑不同介质下的绝缘距离和外绝缘爬电距离。比

如：在空气绝缘环境下，开关设计人为减小开关柜体积，在空气间隙间插入SMC非金属隔板或把高压带电体用热缩管套起来，这样可缩小对绝缘距离的要求，但往往存在绝缘老化的问题，如果在空气间隙中插入一块非金属的绝缘隔板，要注意的是空气净距离不小于60毫米，相间绝缘隔板应设置在中间位置；又如果使用热缩套管把高压带电导体整个套起来，实践中要确保绝缘距离不小于100毫米。而国外一些品牌公司，如ABB公司的设计理念是通过改善带电导体的结构获取一种均匀电场，三菱公司是通过一种热途敷流化工艺在高压带电体表面均匀附上一层绝缘材料等复合绝缘来缩小绝缘距离要求。也可以通过改善导电体形状，增大电极曲率半径，使其周边电场分布均匀，提高气隙击穿电压来防止静端放电，实际中还需尽可能消除电极上锐缘、棱角、焊缝、毛刺，提高电极表面光洁度消除局部场强。至于外绝缘爬电比距(高压电器组件外绝缘的爬电距离与额定电压之比)，实践中对于纯瓷绝缘为18mm/kV，对于有机绝缘为20mm/kV，开关元器件厂家进行绝件设计时往往采用革新的大爬距绝缘设计高要求，不增加绝缘子高度而增多或增高裙边，且注意裙边的高度与裙距比例不能太悬殊等等方法。另外，对应用于高海拔地区的开关元件还有较大区别，高海拔地区的气压和气体密度、湿度、温度都随着海拔升高而降低、减小、昼夜温差大，导致一系列外绝缘性能强度也降低，这是值得特别注意地方。总之，目前高压开关的电气绝缘技术经历了气绝缘-复合绝缘-气体绝缘-固封绝缘等几个发展阶段，不断向追求小型化、减少外部环境影响（灰尘、潮气等）、改善电场分布等几方面特点提高。

2.2高压电器开关的动稳定技术

动稳定电流是开关设备在闭合位置时,所能通过的最大短路电流,称为动稳定电流，亦称额定峰值耐受电流。它表明开关在短路冲击电流作用下,承受电动力的能力。这个值的大小由导电体及绝缘等部件的机械强度所决定。

在电力系统中，开关元件通常要能承受20～31.5kA，40kA甚至50kA的额定短路开断电流，我们在设计计算和选型真空灭弧室时通常选择超低阻真空灭弧室，具有分断能力高、截流值小、绝缘恢复速度快的特点。无论刀闸或真空灭弧室动触头端，其触头压力值大小是开关进行额定峰值耐受电流试验时的关键参数之一，不同的触头压力值对开关导电回路性能产生不同影响，触头压力不足时，将不能保证触头接触良好，会使电阻增大，进而影响温升性能。此外，触头压力不足还会使开关在进行额定峰值耐受电流试验时触头分离，严重时导致触头熔焊，试验失败。另一方面，触头压力也不能无限增大，这又会影响机构传动比大小、结构强度、寿命和体积。当通过如此大的电流时，相间及同相母线之间会产生很大的电动力。这时，我们需借助支撑绝缘子的支撑给予加强，使母线不会产生明显位移。一般两个绝缘子之间的距离不应超过800毫米，对于某些薄弱环节还应给予加强。由于动稳定的理论计算极其复杂，大部分依靠自己工作经验，最终需通过型式试验加以检验。

2.3高压开关设备五防联锁设计

为了防止现场操作人员无意识地实施错误的操作，从而导致事故，我们在开关柜的设计中都要求加入强制联锁装置或采取提示性措施，需提供以下五种防止误操作功能：

1) 防止误分误合断路器

对于有人值守的变电站，可采用每台断路器唯一的不同编号的红绿翻牌来实现。也可在每台开关合/分按钮加装防误碰的保护盖。对于无人值守的变电站，只能加入电气联锁从远方操作。对于双电源进线配电方案中，供电部门也特强调要求两开关之间必须同时满足机械和电气联锁（二合一）。

2) 防止带负荷分合上下隔离开关或带负荷推入拉出断路器手车。

这一功能一般都采用机械联锁进行强制性联锁。原因是隔离开关和手车动静触头之间不具备分断和关合正常负荷电流的能力。万一误操作，会烧毁开关动静触头，事故还可能进一步扩大。设计带上、下隔离开关时，必须考虑停电时，先跳开断路器，在检查确认断路器已断开的情况下，先拉负荷侧的隔离开关，后拉电源侧的隔离开关；送电时，先合电源侧的隔离开关，后合负荷侧的隔离开关，再合上断路器。

3) 防止带电操合接地开关或挂接临时接地线。

这一功能要求用机械联锁，因为它关系到人为短路接地。

4) 防止带有临时接地线或接地开关合闸时送电。

这一功能要求用机械联锁，目的也是为了防止人为短路接地。

5) 防止人误入带电间隔。

这一功能一般也采用机械联锁，如门联锁，隔板，目的是为了防止人员触电。

综上述，为了实现五防功能，机械联锁必不可少。各种型号的开关柜设备，在机械联锁设计方面，五花八门，各具特色。多数采用机械零部件传动方式，一环扣一环，零部件结构较复杂，除非操作人员用外力将零部件损坏，否则只能按预定程序操作。有时，我们也可采用机械程序锁方式，结构非常简单，但由于存在万能钥匙，很难完全避免操作人员误操作。而且，这一方式无法适应无人值守变电站的要求。在万不得已的情况下，如不带断路器的进线开关柜中，只能采用电磁锁方式，由于电磁锁、和导线均有损坏的可能，还需外部电源供电，可靠性差。至于高压带电显示装置，只能算是提示性措施，毫无可靠性可言，一般不推荐使用。当然，有时运维人员要想通过高压带电显示装置来了解哪段主回路在带电运行，在此不作具体论述。

2.4高压开关设备的温升技术

电力系统中开关通常要能承受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，它所产生的热量很难散发到柜外，所以导致柜内温度升高。若温度超过以下极限值，便会烧毁元器件，酿成事故。为了达到温升的限制条件，必须加强制造工艺，防止导电回路接触不良，电阻增大、过热。可以说，运行中发生事故的绝大多数开关柜都是由于制造工艺不过关，从而导致温升过高引发的。虽然可以采取在电气联接面上涂凡士林、导电膏、镀锡、镀银等种种措施，但最终的保证在于制造。当然，在结构设计中要极力避免涡流现象的发生，有时，我们根本无法从理论上加以论证分析，只能理论与实践相结合，求助于工作经验和型式试验，实在无法避免时，可采用磁阻率高的材料。

2.5高压开关设备的机械传动

弹簧操动机构的机械寿命是开关设备的重要参数之一，机构零部件的材料选用、加工工艺精度、热处理强度等都会影响开关机械寿命。应尽可能避免因为机械、操动、电气控制回路等原因引起机构的卡死和操作失灵。

3高压电器开关设计新技术的应用

3.1高压电器开关的新技术应用现状

当前的高压电器开关技术发展由于配合应用了较多的自动化控制装置，在机电一体化和人机交互效果方面水平上较为成熟，不仅保证了高压电器开关的操作可靠性，方便了操作人员，也对其人身安全提供了更加周全的保护，还可依据电力系统的实际需求进行个性化设计。最为重要的是高压电器开关在运维管理方面不需要付出大量的人力与物力，能够缩减维护成本。相信不久的将来，高压电器开关的体型将会朝着小型化方向发展，意味着电器设备的环境适应力将更强，无论是高温、高压、易腐蚀还是潮湿复杂的应用环境中依然可以稳定运行，为电力系统的高水平运作，寿命得延长提供保障，同时，在对高压电器开关的设计进行不断优化与革新时，积极收集电子电器开关的实际应用经验并保证在问题的解决上，也能采用更加节约的方式推动高压电器开关设计技术水平的进一步提升。

3.2高压电器开关的新技术应用趋势

高压电器开关采用新技术后，可以使开关朝着更加环保、更加智能化，更加小型的方向不断改进和提高。其中智能化控制方面，在电气设备领域中采用网络通信技术也是今后电气设备发展的重要方向之一，通过网络通信技术，可以实现对电气设备的远程遥控。另外在制造工艺，也可以积极采集新材料提高高压电器开关的性能，如可以采用陶瓷等新材料，这样可以提高高压电器开关的散热、耐用等多项性能。此外，可以在高压电器开关中引入先进的传感器技术，对高压电器开关的运行数据进行实时采集，并将所采集的数据信息传输到高压电器开关的控制装置中，然后输出相应的控制策略，实现高压电器开关的智能化操作和控制。

结语

信息时代背景下，高压电器开关的技术也在朝着智能化、信息化方向不断迈进，尤其是高压开关二次技术的现代化目标，使计算机同机械系统技术之间的协同操作目标得以实现，再借助传感器与光纤技术，对信息进行采集与传导后，高压电器开关设备将可以实现在线检测运行状态监视、数据提取、诊断分析、实时整定、故障告警及数据上传云平台等智能化操作，保证了电力行业的市场发展需求将可以得到技术层面的保障。

参考文献

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